智能脈搏檢測儀的設計

摘 要：智能脈搏檢測儀電路包括采集電路，低通濾波電路，放大整形電路，單片機電路和顯示電路。脈搏信號需要經過采集電路轉化為電信號；經過低通濾波電路，濾除夾雜在脈搏信號中的高頻信號；然后經過放大電路進行放大，整形電路進行整形，最后連接到STC89C52芯片的IO接口，由數碼顯示器接收并輸出數據。本檢測儀制作完成后，經過測試，能夠檢測出脈搏，并且工作狀態穩定，具有巨大的應用價值和廣泛的應用前景。

關鍵詞：光電式傳感器；STC89C52芯片；脈搏；檢測

社會快節奏的生活，是心臟病的發病率逐漸上升的重要原因，很多的心臟病人突發心臟病而來不及求救導致死亡，可知心臟病已經是非常嚴重的健康問題。心臟病死亡原因主要是沒有及時發現身體指標的變化，如果可以研究出隨時可以檢測身體指標的儀器，就可以有效防止這種慘劇的發生。我們知道，脈搏是攜帶生理信息的，隨時檢測脈搏就可以隨時檢測自己身體的指標。智能脈搏檢測儀智能之處是采取借助光電式傳感器的方法，采集信號過程比較方便，采集時間從一分鐘減少到十秒鐘，從而可以縮小檢測過程的誤差，提高檢測脈搏的精確和速度?，F如今智能脈搏檢測儀在醫療市場占據了不可或缺的位置，具有很高的醫學價值。本次智能脈搏檢測儀的設計，提出設計思路，完成電路設計，焊接實物，研究和分析其優劣之處，取長補短，制作出一個真正利民的智能脈搏檢測儀。

1 設計方案

如圖1所示，智能脈搏檢測儀的設計電路包括信號采集電路，低通濾波電路，放大整形電路，單片機電路和數碼顯示電路。

信號采集電路把脈搏信號轉化成電信號，脈搏信號能量的變化產生電動勢，低通濾波電路把脈搏信號攜帶的高頻信號濾除，輸出后的電信號比較微弱，不是穩定規律的脈沖信號，需要對其放大整形，信號經過放大整形電路得出幅度較高的輸出信號，并且脈沖信號比較規律、完整和穩定，信號經過一些列電路后連接到STC89C52芯片的IO接口，STC89C52芯片接外部晶振可以實現定時功能，利用單片機時鐘進行計數，隨即數碼顯示器接收并讀出數據。

2 單元電路的設計

2.1脈搏采集電路

脈搏信號極其微弱，振動幅度非常有限，在采集脈搏信號過程中，脈搏信號會受到高頻信號和噪聲信號的干擾，所以采用光電式傳感器。根據脈搏的跳動特點，在采集數據之前需要判斷采集數據的頻率即采樣頻率，這樣做有利于單片機系統設置時鐘。

如圖2所示，采集電路由發光二極管，光電三極管，電阻和電源組成，當沒有信號通過時，發光二極管不工作，沒有信號輸出，當有信號通過時，發光二極管發光，光電三級管工作，有信號輸出，根據光電式傳感器的工作原理就可以采集到脈搏信號。

2.2低通濾波電路

脈搏信號采集成功，但是輸出的信號中夾雜著高頻信號和噪聲，而且高頻信號干擾最為嚴重，所以需要設計一個低通濾波電路。低通濾波電路的設計如圖3所示，電路由電容和電阻組成，電容C1是電解電容，電解電容的作用是有效防止電壓因為負載變化而變化和低頻信號損失，并聯電容C2和電容C3的作用是阻高頻通低頻，脈搏信號經過電容C2和電容C3后，夾雜在其中的高頻信號被濾除。

2.3放大整形電路

由于輸出的脈搏信號夾雜著低頻干擾信號和噪聲，仍然有不規則的脈沖信號存在，因此設計一個放大整形電路，如圖4所示。

放大整型電路由運算放大器，電阻，電容和發光二極管組成。運算放大器分別是放大器U1：A和放大器U1：B。當沒有輸入信號時，兩個集成運算放大器不工作，發光二極管斷路不發光。當有信號輸入時，第一級放大電路為同相放大電路，放大倍數為Av1=1+R7/R6，第二級放大電路根據虛短虛斷原理，放大倍數為Av2=1+R10/R9。電阻R8和電阻R9對電源電壓起分壓作用，讓其在第二級放大電路的同相端放大一個直流信號，所以第二輸出端的輸出信號有直流信號和交流信號。當第二輸出端輸出的信號變化時，發光二極管兩端壓降不同，所以發出的光信號不同。

2.4數碼顯示電路

數碼顯示電路如圖5所示，STC89C52芯片與LCD1602液晶顯示器引腳相連接，STC89C52芯片的P0口作為數據線與LCD1602液晶顯示器D0～D7雙向數據輸入輸出管腳相連接，實現數據傳輸的功能。STC89C52芯片的P0口需要外接上拉電路，使其高電平有效。STC89C52芯片的P1.0引腳、P1.1引腳和P1.2引腳分別作為LCD1602液晶顯示器的RS（寄存器選擇）管腳、RW讀寫操作管腳和EN（使能端）。

2.5單片機時鐘電路

如圖6所示，單片機的時鐘電路由外部晶振和電容組成，X1為外部晶振，C1取值為10μF，C2取值為10μF。外部晶振連接在STC89C52芯片的XTAL1引腳與XTAL2引腳之間，實現定時功能。電容C1和電容C2阻隔直流通過交流，使得外部晶振的電壓值不會下降到0值，時鐘頻率設置為12MHz。

2.6單片機復位電路

復位是單片機的初始化工作，復位后中央處理器CPU及單片機內的其他功能部件都處在初始狀態，并從這個狀態開始工作。

如圖7所示，設計的復位電路由開關，電解電容和電阻組成。R12的阻值比較大，連接在RST復位引腳與地之間，使得電壓值不會下降到0值。當開關打開時，電源電壓給電解電容充電，復位電路不工作，當開關閉合時，點解電容放電，給復位電路提供電能。

3 實物制作與數據分析

（1）制作過程

首先利用Proteus（電路仿真軟件）畫出電路圖，分析電路工作原理，同時得出PCB原理圖，根據PCB原理圖圖進行實物焊接，然后，在電路板上開始焊接，在焊接之前需要把元器件擺放好，有一個大體的位置，焊接的方法是一個模塊接連一個模塊的焊接，要注意各個插座的穩定性，因為元器件的管腳都比較長，可以當做導線使用。再次，焊接完成后，需要對STC89C52芯片燒錄程序。最后，最關鍵的一步是進行系統調試，脈搏信號經過采集電路和低通濾波電路后，輸出端有幅度很小的脈沖信號，經過放大整形電路后，脈沖輸出信號的幅度不是很大，需要增大信號的放大倍數。設計的實物圖如圖8所示。

（2）數據分析

利用制作好的脈搏測量儀對四個不同測試者的脈搏進行測試，測試的脈搏數據，如表1所示。其中實際脈搏數是一分鐘測得的脈搏數，脈搏數據比較精確，測量次數1、2、3、4是不同的四人在不同時間利用智能脈搏檢測儀測量的脈搏數據，可以看出智能脈搏檢測儀測量出的數據與實際脈搏數據有一定差距，存在系統誤差，但是誤差存在是必然的，不會影響智能脈搏檢測儀的使用。

總之，本次設計的智能脈搏測量儀有如下優點：一是光電式傳感器，它不會對肌膚造成傷害，采集方式是無創式采集。二是采用兩個運算放大器，它可以提供足夠大的放大倍數，并且可以有效防止電路失真，適用模式范圍比較廣泛。三是采用LCD1602液晶顯示器，它的接口線較多，可以顯示更多文字和圖形，并且顯示多樣比較清晰，性格比較高。

參考文獻

[1] 王化祥.自動檢測技術[M].北京：化學工業出版社，2009.8

[2] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理與工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.8

[3] 王新穎.單片機原理及應用[M].北京：北京大學出版社，2008

[4] 譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.1

[5] 汪文，陳林.單片機原理與應用[M].湖北：華中科技大學出版社，2007

作者簡介：

宋晗哲（1999.7--），男，漢，衡水第一中學。