脈搏信號檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭爭兵

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723003)

0 引言

隨著我國社會老齡化的到來，城市中大量獨(dú)居老人的健康監(jiān)護(hù)問題越來越突出。心血管疾病作為老年人疾病中比例較高的病癥，許多病情較輕的病人由于未及時(shí)進(jìn)行檢查，錯(cuò)過了寶貴的診治機(jī)會，導(dǎo)致病情加重，嚴(yán)重者可能引起中風(fēng)甚至危及生命[1]。因此，預(yù)防此類疾病對老年人的健康具有重要意義。

根據(jù)中醫(yī)理論，脈搏信號波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病信息;對脈搏波形特征參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的檢測、診斷、分析，可以更有效地預(yù)防此類疾病[2－3]。考慮到脈搏檢測裝置的簡易操作性和便攜性，提出了一種基于光電傳感器的脈搏檢測儀。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該儀器在家居護(hù)理領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

1 硬件設(shè)計(jì)

脈搏檢測系統(tǒng)由光電傳感器、單片機(jī)AT89S51系統(tǒng)和PC監(jiān)測終端組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 脈搏檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of human pulse detecting system

脈搏信號經(jīng)過集成光電傳感器得到數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進(jìn)行整形，去除干擾后送入AT89S51單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)測頻顯示功能、語音提示報(bào)警功能和與PC機(jī)終端數(shù)據(jù)的交互功能。按鍵電路用來完成相關(guān)功能的選擇。PC機(jī)具有簡易的操作監(jiān)控軟件，其對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示并保存相關(guān)數(shù)據(jù)，從而完成對系統(tǒng)功能的測試。

1.1 光電脈搏傳感器

脈搏傳感器是脈搏檢測系統(tǒng)的重要組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動脈搏動壓力物理量轉(zhuǎn)換成便于測量的電信號量。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度，因此，采用合肥華科電子技術(shù)研究所開發(fā)的光敏元件HKG-07A作為脈搏傳感器。整個(gè)傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)采用透射式接收光的方式[4－5]，利用特定波長紅外線對手指血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積變化量進(jìn)行檢測，得到脈搏信號波形。

脈搏信號經(jīng)過放大、調(diào)理電路，幅度調(diào)整、基線調(diào)整電路輸出同步于脈搏跳動的數(shù)字脈沖信號，光電脈搏傳感器HKG-07A的輸出信號波形如圖2所示。

圖2 輸出信號波形Fig.2 Waveform of the output signal

1.2 整形電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，輸出的脈沖信號并不理想，不利于單片機(jī)采集處理，可能會造成較大的誤差[6]。因此，在HKG-07A輸出的信號后加入整形電路，將脈搏傳感器輸出的信號作為一級電壓比較后輸出，使之成為一個(gè)波形、幅值都適當(dāng)?shù)男盘枺阌诤罄m(xù)電路的處理。該電路采用高精度單片運(yùn)算放大器OP07，OP07工作在開環(huán)狀態(tài)，通過調(diào)整電位器改變比較電路的閾值電壓。當(dāng)輸入電壓大于閾值電壓時(shí)，輸出+5 V電壓;當(dāng)輸入電壓小于閾值電壓時(shí)，輸出0 V電壓。此時(shí)整形后的輸出電壓滿足AT89S51單片機(jī)的要求。

1.3 語音電路和時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

語音電路主要是對單片機(jī)處理脈搏信號得到的脈搏頻率進(jìn)行播報(bào)，并對非正常的脈搏頻率范圍的情況進(jìn)行報(bào)警。時(shí)鐘電路主要用來實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的時(shí)間狀態(tài)。為了保證電路的簡單可靠，采用集成化的語音芯片ISD1420和時(shí)鐘芯片DS1302。具體電路如圖3所示。AT89S51單片機(jī)的P0口連接地址輸入端A0～A7，利用 P3.7以脈沖觸發(fā)的方式控制 ISD1420的放音鍵PLAYE，使器件即進(jìn)入放音狀態(tài)。為了使揚(yáng)聲器連接端SP－、SP+的輸出音頻信號能夠可調(diào)，利用音頻功率放大器 LM386放大電壓信號[7]。LM386的1、8管腳增加外接電阻和電容，可將電壓增益調(diào)為任意值。本電路采用1、8管腳懸空，此時(shí)LM386工作在固定放大倍數(shù)20，通過改變電位器R3的值來改變放大的輸入信號[8]。

圖3 語音電路和時(shí)鐘電路Fig.3 Voice circuit and clock circuit

DS1302是美國DALLS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年等信息，可以自動調(diào)整當(dāng)月天數(shù)(30天或31天)，且具有閏年補(bǔ)償功能。AT89S51采用SPI三線接口與DS1302 進(jìn)行同步通信[9]。P2.3連接復(fù)位/片選線，通過把輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送;P2.4連接串行時(shí)鐘線SCLK，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出;P2.5連接雙向數(shù)據(jù)線I/O，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。為了保證DS1302在工作時(shí)的低功耗，采用了雙電源供電(主電源和備用電源)：Vcc1為主電源，接VCC;Vcc2為備份電源，接兩節(jié)干電池。當(dāng)Vcc2＞(Vcc1+0.2)V時(shí)，由3 V電池向DS1302供電，當(dāng)Vcc2＜Vcc1時(shí)，由Vcc1向DS1302供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

單片機(jī)AT89S51主要完成各部分硬件的協(xié)調(diào)、相關(guān)控制工作以及對脈搏頻率計(jì)數(shù)工作。系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)按鍵來完成功能的選擇：其中一個(gè)按鍵用來啟動脈搏信號采集，另一個(gè)按鍵用來傳送采集的脈搏信號給PC機(jī)。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行整機(jī)初始化處理，主要包括時(shí)鐘芯片DS1302、語音芯片ISD1420、串口控制參數(shù)的設(shè)定。接著判斷脈搏數(shù)據(jù)采集按鍵是否開啟，如果是，執(zhí)行下一步，否則一直等待。然后判斷送上位機(jī)按鍵是否開啟，如果是，通過RS-232串口將數(shù)據(jù)傳給PC處理，否則執(zhí)行單片機(jī)處理程序，即脈搏頻率的計(jì)算子程序、顯示子程序和語音提示子程序。利用PC機(jī)處理脈搏信號是為了更便于驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的正確性以及擴(kuò)展系統(tǒng)的靈活性功能。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)過程中，脈搏頻率的計(jì)算子程序和語音提示子程序是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 脈搏頻率計(jì)算程序

正常人體脈搏信號的頻率為60～80次/min，一般情況下其頻率為1 Hz左右，屬于低頻信號，所以在設(shè)計(jì)中采用周期測量法[10]。利用單片機(jī)內(nèi)的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，對以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期Tb計(jì)數(shù)。將被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)得n，因此被測信號周期為T=Tb×n，每分鐘跳動次數(shù)f=60/T。對于12 MHz晶振，Tb為1 μs，16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0的最大定時(shí)時(shí)間為65 535 μs，因此，在1 min內(nèi)會產(chǎn)生溢出。對此，采用定時(shí)器中斷方式計(jì)算脈搏頻率值，即在一個(gè)脈搏周期內(nèi)，隔一段時(shí)間T1(T1＜65 535)產(chǎn)生1次中斷，總共產(chǎn)生n1次中斷。

此時(shí)：

為了使脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，要求定時(shí)器周期T1不超過1/60 s。為方便計(jì)算，取T1=1/27，可以得到定時(shí)器T0的TH0=1EH、TL0=84H。

2.3 語音提示程序的設(shè)計(jì)

語音提示是對每次計(jì)算的脈搏頻率進(jìn)行報(bào)數(shù)并提示用戶是否正常。例如：當(dāng)前的脈搏頻率為90次/min，語音提示的內(nèi)容是：脈搏頻率為90次/min，偏高，請就醫(yī)。對于要播放的語音信息需要對其進(jìn)行錄音，單片機(jī)負(fù)責(zé)ISD1420的分段放音控制。因此，必須先使用專用的ISD1420編程軟件對要錄制的語音信息進(jìn)行分段存儲。單片機(jī)通過搜索的方式為每段語音的地址信息建立相應(yīng)的信息表，并根據(jù)要放音的內(nèi)容，查詢地址信息表獲取地址，通過對ISD1420的8位并行地址線播放不同的信息。地址輸入端A0～A7的有效值范圍為00000000～10011111，這表明最多可被劃分為160個(gè)存貯單元，可錄放多達(dá)160段語音信息。每段地址長0.125 s，共能錄音 20 s。

3 測試結(jié)果及分析

為了更好地測試系統(tǒng)的性能，在PC機(jī)上使用虛擬儀器圖形編程軟件LabVIEW8.6，開發(fā)了人機(jī)交互界面軟件。該軟件通過與 AT89S51[11－13]的串行通信，對接收到的脈搏數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示其波形圖和心率值，具有保持?jǐn)?shù)據(jù)和回放數(shù)據(jù)的功能，并且能夠改變串口的傳輸參數(shù)。為了驗(yàn)證測試脈搏頻率數(shù)據(jù)的正確性，將軟件測試的結(jié)果與單片機(jī)測試的結(jié)果進(jìn)行比較。比較結(jié)果顯示，采用這兩種測試方法得到的結(jié)果相同。當(dāng)人體脈搏次數(shù)低于50次/min或高于120次/min時(shí)，LCD液晶顯示當(dāng)前脈搏次數(shù)，語音提示“偏低，請就醫(yī)”信息或者“偏高，請就醫(yī)”信息。

4 結(jié)束語

本文提出的脈搏檢測系統(tǒng)方案，由于采用集成度高的光電式傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)測量脈率值，電路簡單、成本低廉、操作方便，能夠完成脈搏次數(shù)的顯示和語音提示功能。該裝置非常適合個(gè)體使用，可以實(shí)時(shí)、方便地提醒用戶的身體健康狀況，在家庭監(jiān)護(hù)領(lǐng)域具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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