人体脉搏波检测电路设计报告
人体脉搏波检测电路
设计报告
精82 蔡暻煊2008010535
2010/9/13
人体脉搏波检测电路设计报告
目录
一、综述 (4)
1.课题背景 (4)
2.实验任务 (5)
3.实验预期目标 (5)
二、总体方案设计 (5)
三、电路设计 (6)
1.时钟信号产生 (6)
2.倍频电路 (7)
3.计数信号产生 (8)
4.计数电路 (8)
5.显示电路 (9)
6.清零信号的产生 (10)
四、电路整体工作原理 (12)
1.整体电路图 (12)
2.工作流程简述 (13)
五、实验数据分析 (13)
六、总结与改进方案 (14)
1.实习过程中的难点 (14)
2.仍然存在的问题 (14)
3.实习收获与感想 (15)
4.改进方案 (15)
1)使用数字器件 (15)
2)使用单片机 (16)
七、附录 (16)
1.器件汇总（数字电路部分） (16)
2.芯片管脚图汇总（数字电路部分） (17)
3.实际电路照片 (19)
八、参考文献 (23)
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一、综述
1.课题背景
1) 光电容积法测量脉搏的发展背景
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张, 使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播, 这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息, 很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。
传统的脉搏测量采用脉诊方式, 中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大, 测量精度不高。无创测量(Noninvasive Measurements) 又称非侵入式测量或间接测量, 其重要特征是测量的探测部分不侵入机体, 不造成机体创伤, 通常在体外, 尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器, 通过对手指末端透光度的监测, 间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复性好等优点。
2) 脉搏波检测传感器原理
根据朗伯比尔(Lamber Beer) 定律, 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时, 通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量高, 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄, 透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。
下图为手指的血液流动情况与光吸收量的关系：
手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织, 其中非血液组织的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的, 可以忽略, 因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的,那么在恒定波长的光源的照射下, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。
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3) 脉搏波检测传感器结构
从光源发出的光除被手指组织吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式两种，其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光, 这种方法可较好地反映出心律的时间关系, 但不能精确测量出血液容积量的变化; 反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧, 接收的是血液漫反射回来的光, 此信号可以精确地测得血管内容积变化。
反射式光电传感器和透射式光电传感器
2.实验任务
主要任务
设计完成发光电路，接收信号放大电路，滤波整形电路，计数显示电路。用两位数码管显示脉搏频率。
技术指标
频率范围：0.1-10Hz
精度：3%
3.实验预期目标
根据实验任务书上的总体要求，在理解传感器原理、结构和应用实例后，我们在实验前期基本确定了电路设计的具体功能目标：
●以30秒为一个计数周期，自动连续计数并在每个周期末显示最终脉搏数
●可清除显示
二、总体方案设计
根据电路的功能要求，我们总体上设计了以下几个模块：
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三、 电路设计
模拟电路部分在此略去。
1. 时钟信号产生
为了使读数能得以保存，数字部分的译码器需要一个控制信号。测量时间为30s ，故控制信号为一高电平时间为30s 的方波。从方波的稳定性上考虑，我们选用555定时器产生多谐信号。
方波的周期为：12(2)ln 2T R R C =
+， 其中，高电平的时间为：112()ln 2T R R C =
+， 低电平的时间为：22ln 2T R C =，
为使高电平的时间为30s ，而低电平的时间尽可能
短，经过反复调试，我们最后选用1
10R k =?，2
220R =?，47C F μ=。 电阻和电容的选取和理论值有差异，主要是方波的周期太长，可能公式已经不再适用。
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555产生的波形如下：
2.倍频电路
由于在设计中要求在30秒内完成脉搏每分钟跳动次数计数功能，而在整形电路中，整形后的信号与原信号的频率是相同的，如果要测其每分钟脉冲数，则至少应测量一分钟才可以实现，为了缩短测量时间，必须将整形后的信号的频率加倍，这样就可以满足在短时间内完成测量任务的要求。显然，若将原信号频率变为原来的N倍，则测量时间就可以缩短为原来的1/N。因此，若要在30秒内完成测量，则需要采用2倍频，同时考虑到倍频电路可能引入的随机误差，应采用平均滤波，以及简化电路连线的原因，最终选定20倍频电路。
使用BCD计数器CD4518对CD4046输出信号进行20分频，送入比较端，组成闭环系
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统，最终使CD4046输出信号为输入脉搏信号的20倍频。
倍频电路的电路图如下：
3.计数信号产生
脉搏信号经整形倍频后，输入一个与门进行与运算，以实现对信号计数的控制。
经过施密特触发器整形之后的信号送入4046进行20倍频，再与555产生的时钟信号相与，得到最终的输出信号，并送入4518进行计数。
4518在时钟信号的高电平时间内计数，4511锁存，在低电平时间内，4511接通显示，在下一个上升沿很短时间内（约1ms），4518清零。
4.计数电路
经与非运算的脉搏信号进入到计数器4518的CLK端中进行计数。计数器的两个清零信号R1、R2，都与4098产生的清零信号（高电平有效）相连，每30秒清零一次，开始重新计数。4518 的连接方式如图：
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5.显示电路
为实现锁存示数的目的，显示电路选用4511 驱动译码管。计数器输出的结果是1分钟脉搏数的十倍。由于CD4046倍频的特性可知，倍频后的脉搏信号有随机干扰。对倍频后的信号计数进行10倍平均滤波，即可降低误差。只需在数码管显示计数值的百位和十位，即达到了10倍平均滤波的效果。
测量过程需实现隐藏示数变化并在周期末显示计数结果，EL 需要在周期末一段时间接入低电平更新示数，在计数的30秒周期中接入高电平锁定上一周期示数。只需给EL 接入555 产生的时钟信号即可。
这时，数码管在30 秒钟期内保持上一周期的频率示数不变，在每个周期末刷新一次，这样就可以长期监测患者的脉搏频率。
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6.清零信号的产生
在不显示计数过程，只在计数周期末更新结果的情况下，如果没有单稳态触发器4098，只是把时钟取反接入计数器清零端，那么数码管将会一直显示“00”，因为计数器的清零和译码器刷新发生在同一时间，计数结果来不及显示就被清零了。为了解决这一问题，我们利用单稳态触发器，在时钟信号的上升沿出发一个高电平，在译码器刷新后给计数器清零。电路图如下：
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工作原理如下：
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四、电路整体工作原理
1.整体电路图
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2.工作流程简述
传感器接收到脉搏信号之后，经隔直、放大、滤波、整形、倍频后，进入与门与时钟信号相与，输入到计数器中进行计数。计数器每30 秒清零一次，计数结果在数码管上自动每30秒刷新一次。
五、实验数据分析
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从上表的数据可以得到以下几点结论：
我们搭的电路可以测出脉搏，符合误差为3%±3个字的要求（王家蕊同学测量的第一个数据有误）。电路基本完成了要求。
大部分测量者在测量时，脉搏会逐渐降低。但这种变化时极为缓慢的，一般在3次/min 之内。
测量时间为30s/次，比较长。但示数相对稳定。电路设计得不足之处在于没有能够克服测量时间和示数稳定之间的矛盾，牺牲了测量时间来换取读数的稳定，这一点还需要加以改进。
六、总结与改进方案
这次不到两周的电路系统设计与实践，从开始对所选项目一无所知到最后的了如指掌，期间经历了很多。
1.实习过程中的难点
我们认为，数字电路部分最大的难点在锁相环上。最初我们使用锁相环进行10倍频，测量6秒脉搏信号，这样虽然测量周期短，但是由于锁相环引起的随机误差，造成了最终读数的剧烈变化。如果不适用锁相环，则测量时间将长达60秒，失去了脉搏计的意义。最终，我们根据测试与检测技术基础课程上学到的知识，对脉搏信号采用20倍频并对计数器值进行10倍平均滤波，在30秒内即可获得准确的脉搏值。
2.仍然存在的问题
最初我们设计为6秒测量一次，虽然测量相对较快，但是示数波动高达10次/min，我们最后采用了锁相环20倍频，但与最初的设计目的相比，测量时间30秒仍然显得稍长了一
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些。
3.实习收获与感想
