数字脉搏检测仪的设计.docx
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数字脉搏检测仪的设计.docx
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数字脉搏检测仪的设计
数字脉搏检测仪的设计
摘要:
本文介绍一种用单片机制作的便携式脉搏测量仪,只要人把手指放在传感器内10秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数,测量结果用三位数字显示。
本文根据人体脉搏信号特征设计了一套脉搏检测装置。
该装置由应变式脉搏传感器及其信号放大及滤波电路、A/D转换、接I/O接口及脉搏信号数字处理软件构成,还包括相应的计时电路和计数电路,以显示测量结果。
关键词:
单片机;脉搏测量仪;便携式;精确
TheDesignofDigitalPulseDetector
Abstract:
Thisarticleintroducedthatonekindofthepulsemeasuringinstrumentwhichmanufactureswiththemonolithicintegratedcircuit,solongasthehumanplacesthefingerinthesensor10secondstobepossibletheprecisionmeasuringeachminutepulsenumber,themeasurementresultshowedwiththreedigit.Apulsedetectingsystemwasdevelopedinthisarticlewhichisbasedonthefunctionsofthepulse.Thesystemconsistsofstraingagesensors,amplifiers,filters,A/Dtranslators,I/Oportsandintegrateddigitalsignalprocessingsoftware.Andalso,itincludsthetimingcircuitandthecountingcircuitwhichareusedtoshowtheresult.
Keywords:
SCM,monolithicintegratedcircuitpulsemeasuringinstrument,Convenient,accuracy
1引言
脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器,也是心电图的主要组成部分,因此,在现代医学发展史上具有重要的作用。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数,方法是用手按在病人腕部的动脉上,根据脉搏的跳动进行计数。
为了节省时间,一般不会作1分钟的测量,通常是测量10秒钟时间内脉搏的数,再把结果乘以6即得到每分钟的脉搏数,即使这样做还是比较费时,而且精度也不高。
我们知道,目前检测脉搏的仪器虽然很多,但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全数字脉搏测量装置很少。
目前市场上比较常见的脉搏检测仪有:
1)、JQ-系列脉搏测试诊断仪:
动态实时显示脉搏波形,准确观察心脏早搏、心律不齐、心泵力不均等现象。
对可能患有高血压、冠心病、心脏负荷增加、左心肥大心慌胸闷、血液供耗失调、心肌缺氧、缺血性坏死、心绞痛、心肌梗塞、高血脂、高血粘度、动脉硬化、脑血栓、肺充血、肺水肿、肺心病、血液粘稠、高血脂、微循环障碍(如手脚麻木)等疾病的患者给出及时提示。
产品广泛应用于:
医疗院所、亚健康普查、社区服务、药品保健品市场、医疗美容
2)、ZXG-F型自动脉搏诊断仪(增强型)
(1)自动无创检测人体的血液粘度、血管弹性、心脏供血能力、心脏供氧状况、
微循环状况等心脑血管方面。
(2)高血粘、高血脂、高血压、动脉硬化等心脑血管疾病的必备健康检测仪器。
(3)直接显示实际检测数据,并自动给出每个人的标准范围值。
(4)工业级控制主板,15寸彩色显示器,无需软件主机,直接开关机,性能稳定,
质量可靠。
一体化设计,专业美观。
(5)海量存储,可选配打印机,可选配彩色显示器。
(6)快速测试血糖参数(选配)。
3)、ZXG-、JQ系列脉搏检测诊断仪
该系统配置有计算机、打印机、脉搏采集盒、脉搏传感器构成。
无创自动定量检测心脏、血管、血液、微循环四项总计35项参数,并提供多达64项专家诊断信息。
所有检测参数均有名词解释,菜单显示。
随着人们生活环境和经济条件的改善,以及文化素质的提高,其生活方式,保健需求以及疾病种类,治疗措施等发生了明显的变化。
但在目前,我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。
其发病率和死亡率均居各种疾病之首,是人类死亡的主要原因之一。
因此,认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的。
ZXG-、JQ系列脉搏检测诊断仪,以其优良的技术性能,为临床提供了可靠、方便的检测、诊断手段。
仪器用途:
该仪器广泛用于危重病员的抢救,运动医学的探讨,老年康复医学的研究,手术、麻醉期的床边监护,体外反搏期的观察,心血管疾病的诊断以及药物疗效的评估等。
适合于各类医院、药品销售部门使用。
4)、产品名称:
全自动脉搏检测仪
无创自动检测脉搏、血管、血液、微循环四大类35项参数,专家诊断信息64项,动态显示脉搏波形,对可能患有冠心病、血管硬化、高血脂、高血粘度的患者给出及时诊断。
“全自动脉搏检测仪”此仪器特别适合做药品或者保健品的促销业务,尤其对做义诊活动、联谊会、讲座有绝对的优势,该“全自动脉搏检测仪”可以检测心脏功能、血管状况、血液指标和微循环功能等脉搏全息检测35项。
5)、产品型号:
AZN-E脉搏检测仪
最适合医药保健品会议营销,社区健康普查,药店促销。
是迅速提高医药保健品销量的有力武器。
主要功能特点:
(1)全新一体化设计,使用内置电池,完全满足用户移动需要。
(2)可定量检测脉搏、血管、血液、微循环等方面重要参数,实时显示脉搏波形。
(3)一体机由专用微机、液晶显示屏、打印机、电池、脉搏传感器组成。
(4)快速检测及打印脉搏功能参数,32项和8项可供选择。
(5)随机存储1000个检测数据,可以随时调用、存储及打印。
(6)一体机内置电池可连续使用10小时,更适合进行户外健康检测活动。
6)、AZN-E21脉搏功能检测仪
主要功能特点:
(1)可定量检测出人体的血管弹性、脉搏、微循环状况等方面的重要参数,显示每项参数的实际测量值、正常值范围并给出超标提示。
(2)实时显示脉搏波形,准确观察心脏早搏、心律不齐等现象。
对可能患有冠心病、高血脂、微循环障碍等病变的患者可及早给出提示。
(3)强大的数据库管理功能。
(4)是国内唯一采用USB接口的心血管功能检测仪。
一线连接,支持热插拔,简单方便,性能稳定。
尤其适用于新型台式机和笔记本电脑。
7)、PolarS610型脉搏测试仪
PolarS610型脉搏测试仪是目前较为先进的综合测试以及记录心率变化的仪器。
本设备除了具有其他脉搏测试表的实时监控,记录并且分析历史数据,形成历史数据曲线的功能外,还具有大容量,通过红外端口与电脑相连接传输数据的功能。
它超大的测试容量可以同时记录多大500个测试者1年的测试数据,并且准确度保持在万分之一秒。
本设备可用于体育运动员运动过程中脉搏变化的测试,职业劳动强度的测试,在应急情况下人心理变化能力的测试。
立足于数字脉搏仪市场发展现状分析,通过对数字脉搏仪行业环境、数字脉搏仪产业链、数字脉搏仪市场供需、数字脉搏仪价格、数字脉搏仪生产企业的详尽分析,本文设计的数字人体脉搏检测仪利用压电传感器接收脉搏跳动信号,再将其转化为电信号,最终通过数码管显示数字。
它可以在人体的手、腕、臂等部位均能准确测量出脉搏次数,并且能严格控制检测时间,准确显示脉搏跳动次数根据这点要求来拟定该数字脉搏检测仪的设计要求及其设计方案。
体积可做得很小,使用时一按工作按钮,仪器则可工作计数,一分钟后自动停止,并将数据保持下来,使用方便,数字显示准确直观。
2设计要求和设计方案
2.1设计要求
脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器,也是心电图的主要组成部分。
它是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般约为几个毫伏时)。
其设计要求为:
1)实现在30~60内秒测量1分钟的脉搏数,并且显示其数字。
成年人脉搏数为60~80次/min,青少年为90~100次/min,老人为100~150次/min.。
2)用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号,并加以放大整形和滤波。
3)测试误差不小于2次/min。
4)要求完成的任务:
设计电路,在时间允许的情况下要安装测试,分析实验结果,写出设计说明书。
2.2设计方案
脉搏计的上述功能要求,可采用两个不同的方案来实现:
1)把脉搏信号转换为电信号,在单位时间内进行记数,并用数字显示其记数值,从而
直接得到每分钟的脉搏数。
2)测量脉搏跳动固定次数所需的时间,然后换算为每分钟的脉搏数。
这两种方案比较起来,第一种比较直观,所需要的电路结构更简单些;第二种方法的测量误差比较小,但实现起来电路要复杂些。
为了使脉搏计轻巧而便宜,通常采用第一种方案。
以下进行的设计就是基于第一方案。
2.3工作原理
本设计使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号,经信号放大电路进行放大后,送到计数显示电路。
计时电路进行计时,一分钟到了,计数器停止计时,这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。
数字脉搏检测仪的原理方框图如下所示:
图1数字脉搏检测仪的设计原理方框图
由其原理方框图我们可以画出该脉搏检测仪的工作原理电路图。
(见附录)
数字脉搏测试仪电中的压电陶瓷片HTD-27将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号,经CD4011B组成的四级线性放大器放大后,送到由CD4553和CD4511B组成的计数显示电路。
CD4553内部输入端设置了脉冲整形电路,所以对脉冲沿无甚特殊要求。
它只有一组BCD码输出,但通过内部分时控制可形成三位十进制数字显示。
CD4511B是译码器,其输出驱动三位LED共阴数码管。
BG1、BG2、BG3分别由CD4553的15、1、2脚控制实现三位数码管的分时显示。
CD4060组成计数闸门设定电路,R5、R6、C6与其内部电路组成振荡器,振荡器信号经内部213次分频后,由2脚输出延时60秒的正脉冲加到CD4553的11脚关闭闸门。
使用时,用手表带或松紧带将压电陶瓷片压在手腕的挠动脉处,注意一定要压紧。
在合上开关K1后即按一下复位开关K2,使CD4060和CD4553清零,这时计数闸门打开,脉搏信号由CD4553进行计数。
1分钟后,CD4060输出一高电平,使计数闸门关闭。
这时数码管显示的数字即为每分钟的脉搏数。
3数字脉搏检测仪各模块的工作原理
3.1传感器模块
3.1.1传感器概述
传感器(Sensor/Transducer)是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置[4]。
(1)它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等。
(2)它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,通常
主要是电量。
(3)输入输出的转换规律(关系)已知,转换精度要满足测控系统的应用要求。
传感器一般是由敏感元件、变换元件、信号调理电路三部分组成的,有时还需外加辅助电源提供转换能量。
在机械量(如力、压力、位移、速度等)测量中,常采用弹性元件作为敏感元件。
这种弹性元件也叫弹性敏感元件或测量敏感元件,它可以把被测量由一种物理状态变换为所需要的另一种物理状态。
图中的敏感元件直接感受被测量(一般为非电量)并将其转换为易于转换成电量的其他物理量;再经变换元件转换成电参量(电压、电流、电阻、电感、电容等);最后信号调理电路将这一电参量转换成易于进一步传输和处理的形式,即电信号。
至此,传感器就完成了它应有的功能。
传感器选择的一般原则为:
(1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
(2)灵敏度的选择
(3)频率响应特性
(4)线性范围
(5)稳定性
(6)精度
传感器可以将脉搏信号转换成易于采集的电信号,其工作原理电路图为:
图2整形模块电路原理图
图中的压电陶瓷片HTD-27属于压电传感器的一种。
传感器是一种以测量为目的,
以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。
目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等,当这些晶体受压力作用发生机械变形时,在其相对的两个侧面上产生异性电荷,这种现象称为“压电效应”。
压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。
也广泛应用在生物医学测量中。
3.1.2芯片CD4011
CD4011也称为MC14011B,是2输入正向逻辑与非门。
它是一个四与非门集成电路,内部含4个独立的与非门,如下图3所示:
图3CD4011结构图
有图知:
1与2脚“与”后从3脚输出“非”;
5与6脚“与”后从4脚输出“非”;
8与9脚“与”后从10脚输出“非”;
12与13脚“与”后从11脚输出“非”;
芯片CD4011引脚功能图如图4:
图4CD4011引脚图
1脚:
第一组数据输入端;2脚:
第一组数据输入端;
3脚:
第一组数据输出端;4脚:
第二组数据输出端;
5脚:
第二组数据输入端;6脚:
第二组数据输入端;
7脚:
接地;8脚:
第三组数据输入端;
9脚:
第三组数据输入端;10脚:
第三组数据输出端;
11脚:
第四组数据输出端;12脚:
第四组数据输入端;
13脚:
第四组数据输入端;14脚:
正电源。
CD4011实现功能的真值表1.如下表所示:
表1CD4011真值表
A
B
J=
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
同理,对于C、D和E、F以及G、H也同上工作原理。
3.2信号放大模块
3.2.1放大器概述
放大器:
把微弱的电信号放大为较强电信号的电路。
基本特征是功率放大[1]。
能把输入讯号的电压或功率放大的装置,由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。
用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
每一类放大器都具有一定的放大器的放大倍数。
图5放大器的工作电路
放大器的框图如图5所示。
左边是输入端,外接信号源,vi、ii分别为输入电压和输入电流;右边是输出端,外接负载,vo、io分别为输出电压和输出电流。
1、放大倍数的分类
电压放大倍数
Av=Vo/Vi(3.2.1)
电流放大倍数
Ai=Io/Ii(3.2.2)
功率放大倍数
Ap=Po/Pi(3.2.3)
三者关系为
Ap=Po/Pi=IoVo/IiVi=AiAv(3.2.4)
2、放大器的增益
增益G:
用对数表示放大倍数。
单位为分贝(dB)。
功率增益
Gp=10lgAP(dB)(3.2.5)
电压增益
Gv=20lgAv(dB)(3.2.6)
电流增益
Gi=20lgAi(dB)(3.2.7)
增益为正值时,电路是放大器,增益为负值时,电路是衰减器。
例如,放大器的电压增益为20dB,则表示信号电压放大了10倍。
又如,放大器的电压增益为-20dB,这表示信号电压衰减到1/10,即放大倍数为0.1。
3.2.2放大器的工作电路
1、电路组成
图6单电源供电电路
图7双电源供电电路
图是一个单管共发射极(以下简称单管共射)放大电路的原理电路图。
电路中有一个双极型三极管作为放大器件,因此是单管放大电路。
由图可见,输入回路与输出回路的公共端是三极管的发射极,所以称为单管共射放大电路[6]。
在电路中,NPN型三极管担负着放大作用,是放大电路的核心。
Vi是集电极直流电源,为输入信号提供能量。
RC是集电极负载电阻,集是极电流iC通过Rc,从而将电流的变化转换为集电极电压的变化,然后传送到放大电路的输出端。
基极直流电源VBB和基极电阻Rb的作用是,一方面为三极管的发射结提供正抽偏置电压;同时,二者共同决定了当不加输入电压时三极管基极回路的电流,这个电流称为静态基流。
在以后的分析中将会看到,静态基流的大小对放大作用的优劣,以及放大电路的其他性能有着密切的关系。
在单管共射放大电路中,仅仅具备上述各个组成部分还不足以保证电路很好地起放大作用。
为了使三极管工作在放大区,还必须使发射结正向偏置,集电结反向偏置,为此,Vi,RC、VB和Rb等元件的参数应与电路中三极管的输入、输出特性有适当的配合关系。
2、元件作用
Vb——基极电源。
通过偏置电阻Rb,保证发射结正偏。
Vi——集电极电源。
通过集电极电阻RC,保证集电结反偏。
Rb——偏置电阻。
保证由基极电源GB向基极提供一个合适的基极电流。
RC——集电极电阻。
将三极管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化。
C1、C2——耦合电容。
防止信号源以及负载对放大器直流状态的影响;同时保证交
流信号顺利地传输。
即“隔直通交”。
在此设计电路中我们采用单电源供电电路(如图6)
3、电路中电压和电流符号写法的规定
1).直流分量:
用大写字母和大写下标的符号,如IB表示基极的直流电流。
2).交流分量瞬时值:
用小写字母和小写下标的符号,如ib表示基极的交流电流。
3).总量瞬时值:
是直流分量和交流分量之和,用小写字母和大写下标的符号,如
iB/ib,即表示基极电流的总瞬时值。
4、放大器的偏置电路
对于脉搏检测的放大电路,我们采用分压式稳定工作点偏置电路,电路如图8所示。
电路特点是静态工作点比较稳定。
图8分压式稳定工作点偏置电路
1)元件作用
Rb1:
上偏置电阻,Rb2:
下偏置电阻,Rb3:
发射极电阻,Rb4:
发射极旁路电容。
2)工作原理
基极电压VBQ由Rb1和Rb2分压后得到,即VBQ=Rb2﹡VG/(Rb1+Rb2)固定。
当环境温度上升时,引起ICQ增加,导致IEQ的增加,使VEQ=IEQ﹡Re增大。
由于VBEQ=VBD-VEQ,使得VBEQ减小,于是基极偏流IAQ减小,使集电极电流
的增加受到限制,从而达到稳定静态工作点的目的。
3.3译码/驱动模块
译码器是一种具有“翻译”功能的逻辑路,这种电路能将输入二进制代码的各种状态,按照其原意翻译成对应的输出信号。
ICQ说多谐振荡器和计数器是这个设计的核心部分,那么这个译码器就是担当着一座桥梁,因为通过译码器译码后,才能在LED数码管看到数据。
图9CD4511B的引脚分布图
上图为CD4511B这块芯片的引脚分布图,它是一个BCD七段锁存译码器/驱动器[5]。
通过读取计数器内的数据再通过BCD码转换,再将转换好的数据通过LED数码管显示出来。
本套设计最后能否成功,就是通过这个芯片能否顺利译码传输显示出来。
表2CD4511真值表
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
DISPLAY
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
Blank
1
1
1
X
X
X
X
表2是CD4511B的真值表[2]。
从表中可见:
当LE非、BI非、LT非分别为0、1、1时候,若DCBA为0000,这时a、b、c、d、e、f、g分别为1、1、1、1、1、1、0,经过启动器后显示的是数字0。
同样,若DCBA为0001,这时a、b、c、d、e、f、g分别为0、1、1、0、0、0、0,经过启动器后显示的是数字1。
若DCBA为0010,这时a、b、c、d、e、f、g分别为1、1、0、1、1、0、1,经过启动器后显示的是数字2。
若DCBA为0011,这时a、b、c、d、e、f、g分别为1、1、1、1、0、0、1,经过启动器后显示的是数字3。
若DCBA为0100,这时a、b、c、d、e、f、g分别为0、1、1、0、0、1、1,经过启动器后显示的是数字4。
若DCBA为0101,这时a、b、c、d、e、f、g分别为1、0、1、1、0、1、1,经过启动器后显示的是数字5若DCBA为0110,这时a、b、c、d、e、f、g分别为0、0、1、1、1、1、1,经过启动器后显示的是数字6。
0、0、0、0,其余与此相同。
CD4518B与CD4511B之间的数据转换就是通过8421BCD码来传输的。
8421BCD码是十位二进制码,也就是将十进制的数字转化为二进制,但是和普通的转化不同,每一个十进制的数字0~9都对应着一个四位的二进制码,对应关系如下表:
表38421BCD转换
十进制数字
8421BCD码
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
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