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光电 脉搏 心率 电路设计

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第 33卷 第 6期 2010年 12月 电 子 器 件 Ch inese JournalofE lectron Devices Vo l 33 No 6 Dec 2010 收稿日期 2010 06 29 修改日期 2010 07 22 CircuitDesign ofPhotoelectric PulseOxi meter ZHENG Wanting CHEN Fuyi Department of BiomedicalEngineering W enzhouM edical College W enzhou Zhejiang 325035 China Abstract Based on the use of silicon photovoltaic cells to detect oxygen saturation of the technology the principle of pulse oxi m ete is presented and a test tomonitor heart rate and blood oxygen heart rate optical pulse oxygenmeter was designed The system adoptsMCU STC89C58RD as the core with three circuits of i mpluse control circui t the signal acquisition circui t signal processing circuit for testing the blood oxygen and heart rate at the same ti me and the testing resultsw ill be displayed by LCD For actual persons testing the blood oxygen is from 93 to 98 and the heart rate is from 70 to 75 and itmeets the actual testing requiremen t The system has advantages of low cos t reasonable structure si mple safe and reliable Key words oxygen saturation pulse oxygen measuring principle silicon photovoltaic cells MCU STC89C58RD EEACC 7510D do i 10 3969 j issn 1005 9490 2010 06 031 光电脉搏血氧心率仪电路设计 郑万挺 陈付毅 温州医学院生物医学工程系 浙江 温州 325035 摘 要 简要介绍了基于脉搏血氧测量原理 利用硅光电池检测血氧饱和度的技术 设计了一个检测血氧监测心率的光电脉 搏血氧心率仪 系统采取以单片机 STC89C58RD 为核心 辅以脉冲控制 信号采集 信号处理三部分电路 同时对血氧饱和 度和心率进行检测 并将测试结果通过 LCD显示 经实际人体测试检验 血氧饱和度为 93 98 心率为 70 75 达到了实际 测试要求 系统具有成本低 结构合理 制作简单 安全可靠等优点 关键词 血氧饱和度 脉搏血氧测量原理 硅光电池 单片机 STC89C58RD 中图分类号 RH333 1 文献标识码 A 文章编号 1005 9490 2010 06 0786 04 随着生活节奏的加快 生活水平的提高 人们对 人体健康意识也随之提高 希望能随时的对自身某 些参数进行健康监护并能在危时得到及时诊治 1 研究设计出一种具有性能可靠 成本低廉 抗干扰能 力强 体积小 重量轻 携带方便等特点的血氧心率 测量仪将有很好的发展前景 本文以脉搏血氧测量 原理的理论为指导 采用现代微处理器 集成电路技 术 研制了脉搏波信号的检测与采集系统 采用数字 信号处理技术 对采集数据进行处理 进而实现脉搏 血氧心率仪的研制 1 血氧心率信号采集及预处理电路 对有血氧探头检测的信号 先经过脉冲控制电 路电路将其分成两路信号 然后经过放大电路 将微 弱的血氧信号高保真放大 最后经过 A D转换后进 行后期的处理 1 1 脉冲控制电路 脉冲控制电路的基本设计思路是在一个心动周 期时间内 控制 660 n m 的红光和 940 nm 的红外两 种波长光周期性发光 2 3 具体电路由一个时基电路 555定时器构成的多 谐振荡器 由 74LS04反向器构成下降沿触发器 由 高电平触发的电子开关 4066做为控制部分 时基 电路 555定时器构成的多谐振荡器 555定时的振 荡频率 T TP H TPL 0 7 R1 2R2 C 1 T 为 555定时的振荡周期 TP H为充电时间 TPL为 放电时间 根据这个公式算得脉冲控制电路的振荡 频率为 0 01 s 模拟开关 4066将由血氧探头测得的 两路光 红光和红外 分成两路 分别进入放大电路 第 6期郑万挺 陈付毅 光电脉搏血氧心率仪电路设计 图 1 脉冲控制电路 血氧探头内部电路图如图 2所示 图 2 血氧探头内部电路图 图 3 4066模拟开关电路图 1 2 放大电路设计 放大电路由输入跟随 OP07放大器构成 在血 氧信号的采集和处理过程中 放大电路设计是个电 路设计最关键的部位 因为它不仅可以提取有用的 信号 还同时可以将干扰信号降低到最低水平 4 6 由血氧探头测得的血氧信号极其微弱 所以 考虑将 放大电路放在探头输出端与 4066控制器之间 输入跟随电路 就是输出电压等于输入电压 就 是说 压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1 OP07是一种低噪声 非斩波稳零的双极性运算 图 4 OPA4277电压跟随电路图 图 5 OP07放大电路图 放大器 它具有非常低的输入失调电压 所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施 OP07同时 输入偏置电流低和开环增益高的特点 这是 OP07 十分适合于高增益和放大传感器的微弱信号等方 面 这满足血氧心率检测放大电路的要求 如图为 OP07构成的同向放大电路 电路连接很简单 放大 倍数有 1脚和 6脚之间的电阻决定 公式为 G AU 1 AU为电压放大倍数 因此放大电路采用 OP07 放大电路作为血氧测量放大电路 电阻 R9用来调 节放大倍数 为了防止失真 取放大倍数为 10倍左 右 电阻 R9阻 值约 为 10 k8 电 源输 入 端接 0 01 LF接地 用于屏蔽来自电源的干扰 前级用 高精度运算放大器 OPA4277作为输入跟随 用于提 高输入阻抗 获取更多的心电信号 2 单片机系统的选用 2 1 单片机编程芯片的选用 单片机又称单片微控制器 它是把一个计算机 系统集成到一个芯片上 具有控制和运算等功能 本设计使用的单片机选用了 STC89C58RD 它具 有较大的 RAM ROM FLASH 储存器 可满足开发 者程 序编 写 容量 的 需求 最高 时 钟频 率 可达 80MHz 即一个时钟周期为 0 15 Ls 弥补了当程序 787 电 子 器 件第 33卷 过大时运行时间过长的弊端 具有通过 EFT 测试 高抗静电 ESD保护 超低功耗 在恶劣的环境中 仍能正常工作 加密性强 快速烧写等优点 配合使 用 STC烧写软件 可省去购买通用编程器 单片机 在用户系统上即可下载 烧录用户程序 2 2 复位电路 复位电路用于单片机的初始化操作 可以使单 片机由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁 状态时能够重新启动 因此复位电路必不可少 复 位方式有上电自动复位和手动按钮复位两种 本文 选用的是手动按钮复位电路 图 6中所示 该复位 电路能够在电源因某种干扰瞬间断电时使电容迅速 放电 在二极管 DMCU1 图中 D1 上产生一个压降 从而保证了电源恢复后单片机可靠复位 使其适用 于现场干扰强 电压波动大的工作环境 图 6 复位电路 2 3 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟控 制信号 如图 7所示 本电路采用了非固定式的设 计 因为在软件编写过程中 对程序的运行时间是有 要求的 这时 就需要 根据实 际情况 更换晶 振 STC89C58RD 芯片最高时钟频率可达 80 MH z 根 据单片机的每十二个时钟周期为一个机器周期 即 Tcy 12 Tosc 所以时钟周期范围为 0 15 Ls 1 Ls 12MH z晶振 可以满足一般的需求 实际时钟 电路配置的是 12MHz晶振 机器周期为 1 Ls 图 7 时钟振荡电路 2 4 单片机接口电路设计 2 4 1 A D 模数转换电路 模数转换电路用于将模拟信号转换为数字信号 以便于后级的处理 模数转换电路芯片选用 8 bit I 2C Inter IntegratedCircuit A D转换芯片 TLC549 它 采用 CMOS技术具有低功耗 好转换精度 8位 宽 工作温度范围 0 e 70 e 非校准误差小 0 5 LSB 转换时间短 17 Ls 电源电压范围宽 3 6 V 与微处理器接口简单 输入输出完全兼容 TTL 和 C MOS电路等特点 电路如图 8所示 图 8 A D 模数转换电路 2 4 2 液晶显示电路 液晶显示电路用于显示汉字 图形等 该电路采 用的是 J M 12864F汉字图形点阵液晶显示模块 它 可显示汉字及图形 内置 8192个中文汉字 16X16 点阵 128字符 8X16点阵 及 64X256点阵显示 RAM GDRAM 具有单工作电压 5 V 内置升 压电路 无需负压 与 MCU多种连接方式 8位或 4位并行 3为串行 多种软件功能 光标显示 画 面移位 自定义字符 睡眠模式等 等优点 电路图 如图 9所示 图 9 JM12864液晶显示电路 电路中 V0外接电位器 R12864用于调节液晶 对比度 J M12864 CON15为液晶控制口 RS 并行 的指令 数据选择信号 串行的片选信号 R W 并 行的读写选择信号 串行的数据口 E 并行的使能 788 第 6期郑万挺 陈付毅 光电脉搏血氧心率仪电路设计 信号 串行的同步时钟 DB0 DB7 数据位 PSB 并 串行接口选择 H 并行 L 串行 RESET 复 位口 的直插接口 可根据需要选择并行方式或串 行方式 控制引脚通过跳线与单片机控制口相连配 合程序即可实现图像或汉字的显示 10 3 软件系统设计 硬件系统设计调试完成以后 再根据相应的硬 件模块进行软件系统设计 设计分为 A D转换程序 流程图 其中图 10所示为主程序流程图 图 11所示 为 TLC1549ADC流程图 图 10 主程序设计流程图 图 11 TLC1549ADC流程图 4 测试结果 在系统设计完成以后 接下来的任务便是测试 系统的准确性和稳定性 在手指未伸入指套夹时 硅光电池直接接收红光 红外发出的光强度 输出的 方波信号只有二十几毫伏 且杂波较多 不利于血氧 的测量 将传感器输出的信号进行放大 这里我们 放大将近二十倍 信号被放大 输出电压有 4 V左 右 且波形并无太多杂波 此时我们就可以将该信号 输入到 A D卡进行采样了 本文以处于如安静 慢 走 和慢跑等状态下的测试者进行检测 伸入手之 后 光信号减小 通过程序控制 定标 最终得出血氧 含量为 98 并通过程序运算 得出心率为 70 处于人 体正常值范围以内 检测效果令人满意 5 结束语 本文所设计的脉搏血氧心率测量仪具有集轻型 化 一体化 可视化 可控化等优点并能同时它适合 在家庭和社区条件下使用 系统通过选用有丰富的 内部资源和强大的信号处理能力的低功耗器件 STC89C58RD 芯片处理器来实现便携式 低功耗 的心率血压测量 能够实时监控使用者的心率 血压 以及血氧的情况 并设置报警功能 提醒使用者自身 的健康情况 显然系统电路也适用 于此类仪表的二次开放利用 参考文献 1 蔡启明 便携式自动心率检测仪的设计 J 数据采集与处 理 1995 2 2 范红刚 冯成 胡建国 等 数字人体心率检测仪的设计 J 电子工程师 2006 7 3 裴聿修 瞬时心率测量与压电传感器 J 自动化技术与应 用 1991 3 4 金晶晶 王旭 杨丹 基于体震信号的心率测量方法 J 东北 大学学报 自然科学版 2009 2 5 王树勋 生物电信号检测电路的低噪声设计 J 吉林大学学 报 工学版 1986 3 6 谷玉良 微弱电信号检测技术 J 宇航计测技术 1996 1 7 林家瑞 朱帆三 陈瑞红 等 生物医学弱电信号的检测与处理 技术 J 国外医学 生物医学工程分册 1994 1 8 江忠治 简单可靠的故障声光报警电路 J 电子技术 1985 5 9 陈和 黄智伟 无损伤血氧饱和度测量系统研究 J 南华大 学学报 理工版 2002 2 10 陈亮亮 陈付毅 一种低成本的光电式血氧饱和度 Q 值测量 电路的设计 J 电子器件 2008 4 11 张志清 光学传感血氧饱和度的检测 J 传感器世界 1999 2 12 常昌远 魏同立 无创血氧饱和度实时监测系统的研究 J 电子器件 1999 22 13 王林高 朱倩 运动中的脑氧 肌氧和心率无线同步采集系统 研究 J 传感技术学报 2008 21 郑万挺 1981 男 汉族 浙江温州 人 温州医学院生物医学工程系实验 室 同济大学在职研究生 助理实验 师 主要研究方向为电子与通信 zwt wzmc edu cn 陈付毅 1956 男 温州医学院生物 医学工程系 讲师 主要研究方向为仪 器仪表 789

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