脉搏信号检测仪的设计与实现

1、脉捕信号检测仪的设计与实现郑争兵脉搏信号检测仪的设计与实现Design and Implementation of the Detector for Beating of Heart郑争兵（陕丙理工学咙扬理与电信工杠学咙庆丙 汉中723003）摘 要：根据人休脉搏信号持征提出一种基F透对式光电效应的脉搏检测系统。该系统以AT89S51微处理器为核心曜于光电 脉搏传感器HKG-07A并配合外附芯片构成硬件结构.AT89S51用来实现脉搏数据的处fl!.HKG-07A用來完成人体的脉博信廿采集 和调理控制液品芯片1602和语音芯片1SD1420分別用来显示脉搏频率利播报脉博数。测试结果表明该系统能

2、够实时、准确地播报 当前的脉搏数;当人体脉博次数低于50次/min或岛于】20次/“命时谄音提示报警侑息关键词：光电传感器 单片机 虚拟仪器 测秋梢度 脉冲信号中图分类号：TN92文献标志码：AAbstract: In accordance with thr charactcnfilics of human pulses, the drlrrting system baHed on Irnnsmission type photoelectric rfl'rcl for beating of heart pro,)osc<l U ilh A1B9S51 !nicr<>p

3、n>ce«sor as krnicl, the system hardware is Htmcturrci lxisrd on j>liolorlcclric pulne scii>or IIKG-07A an<l rom|x>sr<l of »rriphrnil chips Data processing of human is implrmrnlrd by AT89S51 9 an<l signal ac(|uiKilion and conditioning of human pulsrs arr conducted by 11

4、KG-07A, tlirn the LCD chip 1602 an<! %oicr chip ISO1420 arc controlled Io display and brcMulcuwl ihr lirnlinpi of hrirl Thc trM mill mIiowk llial thr Mynlrm prrciHrly bnuidcaU rurrrnl nuinbrrx of hunuinin rr«l limr, and gives au<lio alann infonnati<»n when thr l)raling numl)rrs ar

5、r brlou 50 or alnne 120 prr imnulr.Keywords: PlMilorlrcUnc MrnMor Single chip mu<*lnnr irluul inHlnimml Mr<v«un*inrnl accuriicy Pulnr Mignal77© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 脉捕信号检测仪的设计与实现郑争兵0引言随着我国社会老龄化的到來.城市屮大量独居老 人的健康监护问题越来越突出心血管

6、疾病作为老年 人疾病中比例较高的病症许多病悄校轻的病人由于 未及时进行检査.错过了宝贵的诊治机会导致病悄加 颤，严硕者可能引起中风甚至危及生命"因此预防 此类疾病对老年人的健康具有审要意义。根据屮医理论，脉搏信号波所呈现岀来的形态、强 度、速率和节律等方面的综合信息能反映出人体心血 管系统中许多T理疾病信息；对脉搏波形特征参数进 行科学合理的检测、诊断、分析可以史有效地预防此 类疾病D。占虑到脉搏检测装匱的简易操作性和便 携性,提出了-种基于光电传感器的脉搏检测仪。试 验测试结果表明该仪器在家居护理领域具冇较好的 应用前景。1硬件设计脉搏检测系统由光电传感器、单片机AT89S51系f

7、fAtt 收到日期：2011 -12 -22.作者郑爭兵（另2（JU/年毕业于曲安交通大宇信思与通信 系统专业关序士学位讲师：主要从审嵌入人系蜕的设计乌应用智能 松测方血的研丸。自动化仪表>第3卷第11期2012年H月统和PC监测终端组成其系统结构图如图1所示.图I脉搏检测系统结构图卜、1 吕.1 Structure of human pulse <lrtechng syslrni脉搏信号经过集成光电传感器得到数字信号然 后对数字信巧进行榕形，决除F扰后送入ATOS51单 片机进行处理尬片机可实现测频显示功能、语音提 示报警功能和与PC机终端数据的交互功能。按键电 路用来完成相关功

8、能的选择。PC机具右简易的操作 监控软件贞对采集的数据进行分析、腿示并保存相关 数据从而完成对系统功能的测试。1.1光电脉搏传感器脉搏传感器圧脉搏检测系统的咆要组成部分，其 呈本功能是将切脉压力和挠动脉搏动压力物理吊转换 成便于测帚的电信号帚。脉搏传感器的精度、灵敏度、 抗f扰能力及安装方式决定r脉搏测锻精度，因此采 用合肥华科电子技术研究所开发的光敏元件I【KG 78© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 脉搏信号检测仪的设计与实现郑争兵07A作为脉搏传

9、感器。帑个传感器的结构简小、可靠 件高、抗干扰能力强该结构采用透射式接收光的方 式4'5，利用特定波氏红外线对手指血管末端血液微 循环产生的血液容枳变化量进彳j检测，得到脉搏（.7号 波形。脉搏信号经过放大、调理电路幅度调棉、基线调 整电路输出同步于脉搏跳动的数字脉冲信号光电脉 搏传感器HKG-07A的输出信号波形如图2所示。图2输出信号波形Eig. 2 Waveform of the output signal1.2整形电路设计经过实际测试发现输出的脉冲信号并不理想，不 利于单片机采集处理，可能会造成较人的谋是“。因 此,在IIKG-07A输出的信号后加入整形电路，将脉搏 传感器输出

10、的信号作为级电压比校后输出便之成 为一个波形、幅值都适当的信号便于后续电路的处 理。该电路采用拓楙度单片运算放大器（JP07.0P07 丁作在开环状态通过调幣电位器改变比较电路的间 值电压。当输入电压大于阈值电压时输出十5V电 压:当輸入电压小于阈值电压时.输出0 V电压.此时 幣形后的输出电压满足AT89S51单片机的要求。 1.3语音电路和时钟电路设计语音电路主要是对单片机处理脉搏信号得到的脉 搏频率进行嬉报并对非正常的脉搏频率范国的悄况 进行报警时钟电路主要用來实时显示当前的时间状 态。为了保证电路的简并可常采用集成化的语音芯 片ISDI420和时钟芯片DS1302.具体电路如图3所 示

11、。AT89S51单片机的P° II连接地址输入端Ao 爲，利用P异以脉冲触发的方式控制【SD1420的放音 键PLAYE.fi器件即进入放音状态.为J"使扬声器连 接端SP-.SP +的输出音频信号能够可调，利用音频 功率放大SS LM386放大电压信号E . LM386的1、8 管脚增加外接电阻和电容可将电压増益凋为任意值° 本电路采用1、8管脚悬空，此时LM386匸作在固定放 大倍数20.通过改变电位器出的值來改变放大的输 入信号”图3语音电路和时钟电疼Fig 3 oicc circuit an<l clock circuitDS13O2是美国DALI5

12、公司推出的-种岛性能、低 功耗的实时时钟芯片，町以提供秒、分、时、日、星期、月 和年竽信息可以门动调帑当J1天数60天或31天）,且 貝冇闰年补偿功能AT89S51采用SPI三线接【I与 DSI302进行同步通信&。P"连接复位/片选线更亍通 过把面输入骊动呂岛电平来川动所右的数据传送;匕 连接申行时钟线SCLK,控制数据的输入和输Hl;L连 接双向数据线1/（）实现数据的传输。为了保证DS13O2 在匸作时的低功耗采用了双电源供电住电源和备用 电源）:叮为主电源接怙:“爲为备份电源,接两节干 电池。当Vg > 0小+0.2 ）V时，由3 V电池向DS13O2 供电，当

13、匕2 < b时由几向DS13O2供电。2软件设计2.1主程序设计主程序流程如图4所示.图4主程序滝程图Fig. 4 Howc-hnrl of I hr nutin pn>gram78PROCESS AUTOMATION 1NSTRLMENTAT1ON Vol. 33 No. 11 Novemlier 2012肛片机AT89S51主要完成各部分硬件的协调、相关 控制作以及对脉搏频率计数丁作C系统设置两个按 键来完成功能的选择:其屮一个按键用来启动脉搏信号 氐另一个按键用來传送采集的脉搏信匕给PC机. 1994-2013 China Academic Journal Electroni

14、c Publishing House. All rights reserved, 脉捕信号检测仪的设计与实现郑争兵系统上电后首先进行整机初始化处理主要包括时钟 芯片DS13O2、语音芯片ISDI420.串11控制参数的设定。 接着判断脉搏数据采集按键是否开品如果是执行E 一步，否则一点零待。然后刈断送上位机按键是否开 启,如果是，通过RS-232串口将数据传给PC处理，否则 执行单片机处理程序即脉搏频率的计算子程序、显示 子程序和语音提示子程序。利用PC机处理脉搏信号是 为了更便于验证检测系统的正确性以及扩展系统的灵 活性功能.在整个程序设计过程中.脉搏频率的计算T 程序和语音提示子程序是设计

15、的关键.2.2脉搏频率计算程序正常人体脉搏信号的频率为60 -80次/min, 般情况下其频率为I Hz左右，属T低频信号.所以在 i殳计中采用周期测鼠法皿。利用小片机内的16位 定时/计数器To 对以单片机内的标准机器周期n 计数。将被测信号的周期作为信号闸门，由程序控 制开关对机器周期进行计数得“，因此被测信号周期 为7'=7'4xn,每分钟跳动次数/=60/r.对于12 MHz 晶振，人为1 “16位定时/计数器T。的最大定时时 间为65 535 “，因此在1 min内会产生溢出.对此， 采用定时器中断方式计算脉搏频率值，即在一个脉 搏周期内，隔一段时间T( (T. &l

16、t;65 535 )产生1次中 断总共产生心次中断。此时：为了使脉搏跳动次数误差不超过1次要求定时器 周期r,不超过1 /6O S。为方便计算,取7 =l/2nr以 得到定时器T。的陰= lEIKr,n =84H.2.3语音提示程序的设计语音提示是对每次计算的脉搏频率进行报数并提 示用户是否正常例如：当前的脉搏频率为90次/min 语音提示的内容是:脉搏频率为90次/min,偏高.诡就 医。对丁要播放的讲音信息需要对英进行录音小片机 负责ISD1420的分段放音控制。因此必须先使用专用 的ISD1420编程软件对要录制的语音信息进行分段存 储。单片机通过搜索的方式为每段语音的地址信息建 立相应

17、的信息表，并根据要放音的内容,査询地址信息 表获取地址通过对ISD1420的8位并行地址线播放不 同的信息地址输人端Ao 需的有效值范围为 00000000 10011111,这表明舅多可被划分为160个存 贮单元，可录放多达160段语音信息。每段地址氏 0.125 s,共能录音20 3。轩1动化仪表第33卷第n期2012年11月3测试结果及分析为了更好地测试系统的性能，在PC机上便用虚 拟仪器图形编程软件Ib 1EW8. 6,开发了人机交互 界面软件该软件通过与AT89S51 “小的串行通信， 对接收到的脉搏数据实时显示其波形图和心率值，具 右保持数据和回放数据的功能并且能够改变串丨I的 传

18、输参数。为了验证测试脉搏频率数据的正确性，将 软件测试的结果与总片机测试的结果进行比较。比较 结果显示，采用这两种测试方法得到的结果相同-当 人体脉搏次数低于50次/min或高于120次/min时, LCD液晶显示当前脉搏次数语音提示“偏低请就 医”信息或者“偏高请就医”信息。4结束语本文提出的脉搏检测系统方案，由于采用集成度 高的光电式传感器和单片机系统测最脉率值电路简 小、成本低廉、操作方便能够完成脉搏次数的显示和 语音提示功能该装置非常适合个体使用可以实时、 方便地提醍用户的身体健康状况，在家庭监护领域具 有较好的实用价值。参考文献1郭兴期张科吴宝明多生命参数监护仪用检测电路JJ.电子 技术应用.2000.26 G )：35 -362J罗上八张松杨益L匕脉側波的【用分析与应用LMJ.北京：科 学出版社,20063J卢趙脉搏俭测实於装逊的研制山实脸室研究与探索2010 2