便攜式脈搏測試儀

1、便攜式脈搏測試儀【摘要】本設(shè)計(jì)基于MSP430F149的脈搏測量儀，通過將手指放在用光電傳感和放大濾波技術(shù)制作的光電脈搏探頭下，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化把信號(hào)傳送給核心MSP430F149做信息處理后，由液晶顯示測量結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且能有效地抑制干擾提高精度，得到較理想的脈搏波信號(hào)，具有低功率低成本的特點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】MPS430F149；透射式紅外對(duì)管；OPA2340（A/D）；脈搏波；光電傳感；【作者單位】 ，武漢交通職業(yè)學(xué)院l 引言隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減??；當(dāng)血液回流心臟時(shí)，組織的但透明度增大。手指組

2、織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織,其中非血液組織的光吸收量是恒定的,而在血液中,靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的,可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的,那么在恒定波長的光源的照射下, 利用透射式的測量方法，通過檢測透過手指的光強(qiáng)可以間接測量到人體的脈搏信號(hào)。于是我們運(yùn)用了一些自身與課外所學(xué)的互聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)，設(shè)計(jì)了這個(gè)簡單的“便攜式脈搏測試儀”。一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和工作原理（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要是通過MPS430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了便攜式脈搏的測試，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波、調(diào)理和比較后，將輸出的信號(hào)通過單片機(jī)的獲取并進(jìn)行處理

3、，最終在TFT液晶顯示屏上顯示。下面就是本次設(shè)計(jì)的具體系統(tǒng)工作流程圖與電路原理圖。如圖1、2所示： 圖1系統(tǒng)工作流程圖圖2電路原理圖（2）系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1.光電傳感參數(shù)分析與計(jì)算 當(dāng)三級(jí)管基極得到一個(gè)高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通。由于心臟的跳動(dòng)引起手尖血液濃度的變化，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光穿過手尖后，紅外光發(fā)生了非電電量信號(hào)變化，將這一變化通過紅外接收管和電阻轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電檢測器件應(yīng)與光信號(hào)源在光譜特性匹配,使用器件實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換時(shí)，必須與入射輻射能量集中的位置一致。一般情況下入射輻射通量的變化中心，應(yīng)在光電檢測器件的線性區(qū)域內(nèi)，這樣才能達(dá)到較好的線性檢測。高靈敏度是對(duì)微弱光電信號(hào)檢測器件的一重

4、要指標(biāo)，這樣才能輸出足夠強(qiáng)、較為精確的電信號(hào)。考慮到人體的特性，我們使用波長在600-1000nm的透射式紅外線發(fā)射管和紅外線接收管。2.脈搏信號(hào)參數(shù)分析 因?yàn)椴杉拿}搏信號(hào)中伴有各種干擾，所以需要高通濾波去除低頻干擾；再進(jìn)行初級(jí)信號(hào)放大，同時(shí)進(jìn)行低通濾波，去除高頻信號(hào)，取中間合適的信號(hào)。 3.信號(hào)采集與處理參數(shù)分析與計(jì)算 通過濾波放大后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通以及低通濾波，此后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理放大，兩次信號(hào)放大10845倍，公式為：4.波形顯示參數(shù)分析與計(jì)算 將脈搏信號(hào)進(jìn)行處理及電壓比較后，傳入MSP430F149單片機(jī)微控制芯片中。主控芯片經(jīng)過內(nèi)部處理后，將信號(hào)傳輸?shù)絋FT液晶顯示屏，在液晶顯示屏

5、上顯示出脈搏跳動(dòng)的波形，以及脈搏次數(shù)。二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（1）MSP430F149處理器 主芯片MSP430F149一類具有16位總線的帶FLASH 的單片機(jī),其性價(jià)比和集成度高。它采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達(dá)64K,還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器.具有統(tǒng)一的中斷管理,具有豐富的片上外圍模塊,片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘,支持8M 的時(shí)鐘.由于為FLASH型,則可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載,不須另外的仿真工具,方便實(shí)用,而且,可以在超低功耗模式下工作

6、,對(duì)環(huán)境和人體的輻射小,測量結(jié)果為100mw左右的功耗(電流為14mA左右),可靠性能好,加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境,適合與做手柄之類的自動(dòng)控制的設(shè)備。在本設(shè)計(jì)中用MSP430F149處理 器作為核心控制器件。如圖3所示： 圖3 MSP430F149管腳圖（2）信號(hào)采集電路 由紅外線發(fā)射二極管、紅外接收二極管和8050的NPN三級(jí)管組成，紅外管具有靈敏度高，易于操作，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，低功耗、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。檢測原理：將手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收二極管之間，血管中血液的流量隨著心臟的跳動(dòng)變化，由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和度的變化將引起 光的傳遞強(qiáng)度變化，

7、此變化和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，因此紅外接收二極管的電流也跟著心跳的節(jié)拍改變，使得紅外接收二極管輸出與心跳節(jié)拍相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。具體電路如圖4所示： 圖4 信號(hào)采集電路（3）放大濾波電路 因?yàn)閺男盘?hào)采集電路出來的信號(hào)較弱，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以設(shè)計(jì)了放大濾波電路。在此電路中 ，C1具有隔直通交的功能，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過C1時(shí)就可以將信號(hào)當(dāng)中的直流部分濾掉，由于存在很多的干擾信號(hào)，所以在經(jīng)過OPA2340放大信號(hào)器之前進(jìn)行高通濾波，電路中C1和R3組成了高通濾波器，與此同時(shí)C2和R5又組成了低通濾波器，為此，通過此放大濾波電路的信號(hào)頻率為，具體電路如圖5所示： 圖5放大濾波電路（4）信號(hào)調(diào)理電路 通過放大濾波電路

8、對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，可能還存在信號(hào)的不穩(wěn)定性，然后通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，從而得到穩(wěn)定的信號(hào)。具體電路如圖6所示： 圖6信號(hào)調(diào)理電路 （5）電壓比較電路 采用電壓比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，將采集到的不規(guī)則的信號(hào)整形為一個(gè)方波，然后采用脈沖計(jì)數(shù)的方法對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到脈沖個(gè)數(shù)，及脈搏次數(shù)。其中，用到了LM393雙電壓比較器集成電路，它的輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受VCC端電壓值的限制。具體電路如圖7所示：圖7 電壓比較電路（6）顯示電路 顯示部分采用TFT液晶顯示屏，TFT-LCD液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏，具有亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷等特

9、點(diǎn)。顯示屏的LE、RST、CS、D17、D16、D15、D14、D13、D12、D11、D10、RD、RW、RS、VIN、GND管腳分別與MPS430F149單片機(jī)的P30、P31、P32、P47、P46、P45、P44、P43、P42、P41、P40、P33、P34、P35、VCC、GND管腳相連接，在信號(hào)采集及濾波放大的過程中，通過MPS430F149進(jìn)行處理，在顯示屏上顯示出波形。具體電路圖如圖8所示：圖8顯示電路（7）電源 本設(shè)計(jì)是將開關(guān)電源輸出的12v電壓經(jīng)過一個(gè)3.3v的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓到3.3v，為便攜式脈搏測試儀提供電源。開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件，通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停

10、地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（1）程序功能描述 在信號(hào)采集、放大濾波以及電壓比較的過程中，通過MPS430F149單片機(jī)進(jìn)行處理，在TFT液晶顯示屏出方波以及脈搏次數(shù)。（2）程序流程圖 （見圖9） 液晶提示放好手指是否有手指插入液晶提示脈搏測試儀器開始系統(tǒng)初始化延時(shí)清屏液晶顯示測試結(jié)果請重新放入手指測試1分鐘的脈搏次數(shù)否連續(xù)采集AD的值液晶提示請不要移動(dòng)手指延時(shí)清屏是測試結(jié)果是否合理？ 是否是測試5s否 圖9 程序流程圖四、評(píng)測與結(jié)論（1）系統(tǒng)測量原理 正確連接便攜式測試儀電路后

11、通電。紅外發(fā)射二極管與光敏接收二極管并置，指尖放在這兩個(gè)二極管之間。光敏接受二極管得到一個(gè)微弱的電流信號(hào)，將微弱信號(hào)傳到后續(xù)的電路中，將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為足夠大的電壓信號(hào)。在一分鐘內(nèi)單片機(jī)采集到的高電平次數(shù)近似為人體脈搏跳動(dòng)的頻率，液晶屏上顯示出來的脈搏測試結(jié)果。在進(jìn)行脈搏測試的同時(shí)，通過將手放到被測試人手腕上，得到其實(shí)際脈搏的頻率，兩者進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得出誤差率，與題目要求進(jìn)行比較。（2）測試方案及測試條件1.測試儀器。數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器。2.測試主要方案。硬件測試：首先應(yīng)對(duì)表面進(jìn)行檢查。即對(duì)焊接后的電路板的所有連接線仔細(xì)檢查，通過目測查出一些明顯的安裝及連接錯(cuò)誤并及時(shí)排除。其次

12、用萬用表測量，主要是測量通斷的情況，尤其是要測量電源與地之間是否短路。最后是加電檢查。開啟電源后，檢查芯片的電源電壓是否正確，也可用手觸摸，是否有明顯發(fā)燙，所遇芯片均未發(fā)現(xiàn)異常，可進(jìn)入下一步調(diào)試。軟件測試：程序調(diào)試好后，通過MPS430F149單片機(jī)在數(shù)字示波器上進(jìn)行調(diào)試，看是否與液晶顯示屏上的波形一樣。軟硬件連調(diào)：軟硬件都測試好后，把硬件接到單片機(jī)上，通過程序進(jìn)行測試，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是脈搏測試，所以要把手尖放到投射光電傳感器上，從而進(jìn)行脈搏的測試。（3）測試結(jié)果及分析1.測量顯示波形效果 設(shè)計(jì)中用電壓比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，所以顯示的波形為一個(gè)方波。如圖10所示： 圖10顯示波形效果圖2.測試數(shù)據(jù)

13、 表1、表2分別為一分鐘的脈搏測試數(shù)，其中表1為脈搏測試儀的測試值，表2為手按動(dòng)脈搏的測試值，表3為兩者之間測試的誤差值。分別為表1、表2、表3所示。 次數(shù)測量人 1 2 3 4 5 6 7 8隊(duì)員16564666763656664隊(duì)員28382818183848382隊(duì)員38685848785868487表1脈搏測量儀測試值 次數(shù)測量人 1 2 3 4 5 6 7 8隊(duì)員16364656665646362隊(duì)員28182818483828480隊(duì)員38282838586808684表2手按動(dòng)脈搏測試值 次數(shù)測量人平均值（脈搏測量儀） 平均值（手按動(dòng)） 誤差 誤差率%隊(duì)員1656410.0154

14、隊(duì)員282.37582.150.250.003隊(duì)員385.583.520.024表3測試誤差值3.測試分析與結(jié)論傳感器采用透射式光電傳感器，通過接收手指間信號(hào)強(qiáng)弱間接測試出人體脈搏的跳動(dòng)頻率與對(duì)比實(shí)際比較，誤差小于±5次，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。五、總結(jié)本設(shè)計(jì)通過MSP430系列的F149單片機(jī)精確控制，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)波長600-1000nm的信號(hào)采集，能夠放大濾波得到有效信號(hào)，能實(shí)時(shí)測量并數(shù)字顯示，電流測量精度高、可靠性高，能通過整形在TFT顯示屏上顯示工作方波?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 歐陽俊，謝定等基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究J實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004，第11卷第2期，24 2 韓

15、文波，曹維國，張精慧光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)J長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，第22卷第4期，2 3 朱國富，廖明濤，王博亮袖珍式脈搏波測量儀J電子技術(shù)應(yīng)用，1998，第1期，13 4 劉云麗，徐可欣等微功耗光電式脈搏測量儀J電子測量技術(shù)，2005，第2期，25 5 程詠梅，夏雅琴，尚嵐人體脈搏波信號(hào)檢測系統(tǒng)J北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，第25卷第5期，136 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)競賽組委員會(huì).全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程M.北京 電子工業(yè)出版社，2007年 7 王效華，張?jiān)伱?單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京交通大學(xué)出版社,2007 8 劉勇,杜德昌.數(shù)字電路M.電子工業(yè)出版社,2003 電路原

16、理圖附錄2：產(chǎn)品實(shí)物圖5.1設(shè)計(jì)小結(jié) 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的共同努力，作品制作完成。由電路設(shè)計(jì)分析和測試波形及數(shù)據(jù)可知：本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)題目中基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分的要求，并基本達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)，測量結(jié)果通過MPS430F149單片機(jī)能夠直觀的在TFT液晶上顯示波形。5.2設(shè)計(jì)體會(huì) 此次設(shè)計(jì)的便攜式脈搏測試儀，從最開始的資料搜集，到電路的設(shè)計(jì)；從最開始的元件選型，到電路板的焊接，再到現(xiàn)在的實(shí)物的軟硬件調(diào)試。每一步都充滿了未知與挑戰(zhàn)，在一步步完成設(shè)計(jì)的過程中，不僅使自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)得以綜合，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。在完成作品的過程中，也由于經(jīng)驗(yàn)不足犯了許多錯(cuò)誤。遺憾時(shí)間的倉促，以及能力所限，此次

17、設(shè)計(jì)存在很多有待改進(jìn)的方方面面，比如說輸出的波形存在著一定的干擾， 選擇的芯片存在一定的問題，更存在很多低級(jí)的錯(cuò)漏和失誤的地方，望通過進(jìn)一步學(xué)習(xí)，能在不久的將來更上一層樓。 5.3對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善的建議 (1) 選材方面：本設(shè)計(jì)應(yīng)把傳感器、及運(yùn)放問題放在第一位。 （2）操作性方面：在單片機(jī)控制部分，還可以做得更智能化。 （3）軟件方面：還可以把軟件編的更好，實(shí)現(xiàn)更多的功能。 （4）整體結(jié)構(gòu)方面：設(shè)計(jì)前應(yīng)考慮作品完成后的整體結(jié)構(gòu)，布局上還可以更美觀實(shí)用。 1.1 紅外信號(hào)采集傳感器 透射式紅外線發(fā)射管和紅外線接收管采集脈搏信號(hào)，它們具有靈敏度高，響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定、可靠，能避開強(qiáng)烈的電磁干擾