脈搏計設計與實現要點

于賜龍

重慶大學光電工程學院，重慶 400030

1 整體裝置及原理介紹

脈搏每分鐘跳動的次數是一項重要的生理參數，它反應了人體心臟工作的頻率。正常人的脈搏次數是每分鐘60次～90次（嬰兒為90次～120次，老年人則為100次～150次），這種信號頻率較低，因此，脈搏測試儀是用來測量低頻信號的裝置，它的根本任務是實現對人體脈搏跳動的測量，其中包括：每分鐘脈搏跳動的次數是否正常、是否過快或過慢、是否有異常等現象。

為實現測量目的，首先要將傳感器測得的壓力信號轉變為電信號，此信號為毫伏級電壓信號，需要進行信號的放大、濾波和整形，得到標準0V～5V脈沖信號送入單片機，利用單片機控制實現計數、顯示、存儲和報警等功能。

2 整體裝置硬件電路設計

2.1 數據采集與處理部分

傳感器種類繁多，不同工作原理的傳感器應用于不同的產品研究及開發。對于微弱的非電量脈搏信號，要求傳感器能夠以高精度把此非電量信號轉換為電信號，根據分析可以選用光電式傳感器或是壓電式傳感器。本次設計采用半導體壓力傳感器2S5M，測量電路采用恒流源的供電形式。

經傳感器得到的信號是微弱的微伏級模擬信號，需要用放大器加以放大。由于通用運算放大器一般都具有毫伏級的失調電壓和每度數微伏的溫漂，因此通用運算放大器不能直接用于放大微弱信號，而測量放大器一般能較好地實現此功能。測量放大器是一種帶有精密差動電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模干擾能力、低失調電壓和高穩定增益等特點，使其在檢測微弱信號的系統中被廣泛用做前置放大器。本次設計選用op-07來組成三運放的測量放大器，差動輸入端接兩個運算放大器的同向輸入端，

由于脈搏信號主峰頻率在1Hz 左右，能量較強的分量也在20Hz 以下，所以設計低通濾波器的上限截止頻率為40Hz。本設計選用壓控電壓源型低通濾波電路，用LM308作為精密運算放大器，它對非穩壓電源有足夠電源抑制。

為了把從濾波電路出來的信號整形為適于單片機接受的0-5v脈沖信號，取555定時器構成的施密特觸發器的VCC為5v，這樣可以得到標準的0-5v脈沖信號。注意對于已知一定幅值的噪聲信號，要合理設計放大倍數，以防整形時把一定幅值的噪聲信號當做脈博信號。

2.2 單片機控制電路

本此設計選用AT89C51作為單片機控制芯片，單片機最小系統主要設計時鐘電路和復位電路。電路圖中時鐘電路選用12M晶振，電容30pf，復位電路電容22uf，電阻10k，選用+5v電源。如果要對異常現象（異常現象指正常心跳在一分鐘內突然出現心率過高或過低的現象）進行判斷，需要對每分鐘的7個數據進行存儲，保留一天的測量數據，則要進行數據存儲空間的擴展。在進行擴展時，AT89C51的p2口作為外部擴展存儲器的高八位地址連接口，直接連接數據存儲芯片6264的高五位地址，p0口作為外部擴展存儲器的低八位地址連接口和數據傳輸口，地址線經鎖存器74LS373鎖存后與6264低八位地址相連，數據線直接連接6264的數據口。

由于沒有使用多功能擴展芯片如8255或8155，所以我們在連接三位數碼顯示器時，選用MAX7221芯片來驅動四位一體數碼管，這樣只需要占用AT89C51芯片三個引腳。

采用聲光報警，如果記錄數值大于最高跳動值，綠色指示燈發光報警，如果記錄數值小于最低跳動值，則紅色指示燈發光報警。如果某十秒中脈沖個數高于平均值一定次數，則綠色指示燈發光報警同時蜂鳴器發出聲音報警，如果某十秒中脈沖個數低于平均值一定次數，則紅色指示燈發光報警同時蜂鳴器發出聲音報警。

3 軟件設計

使用單片機內部定時器0定時10s，定時器1記錄p3.5口每10s脈沖個數，在單片機內部求和得一分鐘心跳次數，由四位一體數碼管顯示，然后求取一分鐘內每10s心跳次數平均值，并與每10s的記錄值進行比較，以判斷是否有異常現象發生。每一分鐘作為一次大循環，主程序重復運行。

4 裝置總體電路結構圖

圖1

傳感器部分沒有接入電路，其信號用模擬正弦信號進行仿真，達到了預期效果。

5 結論

這樣的電路具有設計簡單、抗干擾能力強、穩定性能好、電路成本低、應用范圍廣等優點，其功能可以通過軟件實現，并且實現的方式比較靈活，適合實際應用，是一種很理想的設計方案。

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