光電脈搏血氧心率儀的設(shè)計(jì)

隨著生活節(jié)奏的加快和生活水平的提高，人們對(duì)人體健康的意識(shí)也得到了提高。我希望能隨時(shí)監(jiān)測和評(píng)估自己的一些參數(shù)，并在不安全的情況下及時(shí)診斷。研究設(shè)計(jì)出一種具有性能可靠,成本低廉,抗干擾能力強(qiáng),體積小,重量輕,攜帶方便等特點(diǎn)的血氧心率測量儀將有很好的發(fā)展前景。本文以脈搏血氧測量原理的理論為指導(dǎo),采用現(xiàn)代微處理器、集成電路技術(shù),研制了脈搏波信號(hào)的檢測與采集系統(tǒng),采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脈搏血氧心率儀的研制。1放大電路電路設(shè)計(jì)對(duì)有血氧探頭檢測的信號(hào),先經(jīng)過脈沖控制電路電路將其分成兩路信號(hào),然后經(jīng)過放大電路,將微弱的血氧信號(hào)高保真放大,最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行后期的處理。1.1多諧振蕩控制部分脈沖控制電路的基本設(shè)計(jì)思路是在一個(gè)心動(dòng)周期時(shí)間內(nèi),控制660nm的紅光和940nm的紅外兩種波長光周期性發(fā)光。具體電路由一個(gè)時(shí)基電路555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,由74LS04反向器構(gòu)成下降沿觸發(fā)器,;由高電平觸發(fā)的電子開關(guān)4066做為控制部分。時(shí)基電路555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,555定時(shí)的振蕩頻率:T=TPH+TPL=0.7(R1+2R2)C(1)T為555定時(shí)的振蕩周期,TPH為充電時(shí)間,TPL為放電時(shí)間。根據(jù)這個(gè)公式算得脈沖控制電路的振蕩頻率為0.01s,模擬開關(guān)4066將由血氧探頭測得的兩路光(紅光和紅外),分成兩路,分別進(jìn)入放大電路。血氧探頭內(nèi)部電路圖如圖2所示:1.2輸入跟蹤電路放大電路由輸入跟隨,OP07放大器構(gòu)成,在血氧信號(hào)的采集和處理過程中,放大電路設(shè)計(jì)是個(gè)電路設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部位,因?yàn)樗粌H可以提取有用的信號(hào),還同時(shí)可以將干擾信號(hào)降低到最低水平。由血氧探頭測得的血氧信號(hào)極其微弱,所以,考慮將放大電路放在探頭輸出端與4066控制器之間。輸入跟隨電路,就是輸出電壓等于輸入電壓,就是說,壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。OP07是一種低噪聲,非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器,它具有非常低的輸入失調(diào)電壓,,所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施,OP07同時(shí)輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn),這是OP07十分適合于高增益和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面,這滿足血氧心率檢測放大電路的要求,如圖為OP07構(gòu)成的同向放大電路,電路連接很簡單,放大倍數(shù)有1腳和6腳之間的電阻決定。公式為:G=AU(1)AU為電壓放大倍數(shù),因此放大電路采用OP07放大電路作為血氧測量放大電路。電阻R9用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù),為了防止失真,取放大倍數(shù)為10倍左右,電阻R9阻值約為10kΩ。電源輸入端接0.01μF接地,用于屏蔽來自電源的干擾。前級(jí)用高精度運(yùn)算放大器OPA4277作為輸入跟隨,用于提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號(hào)。2單-系統(tǒng)選擇2.1程序高效運(yùn)行,d+單片機(jī)又稱單片微控制器,它是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上,具有控制和運(yùn)算等功能。本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)選用了STC89C58RD+,它具有較大的RAM、ROM、FLASH儲(chǔ)存器,可滿足開發(fā)者程序編寫容量的需求;最高時(shí)鐘頻率可達(dá)80MHz,即一個(gè)時(shí)鐘周期為0.15μs,彌補(bǔ)了當(dāng)程序過大時(shí)運(yùn)行時(shí)間過長的弊端;具有通過EFT測試、高抗靜電(ESD保護(hù))、超低功耗,在惡劣的環(huán)境中仍能正常工作,加密性強(qiáng),快速燒寫等優(yōu)點(diǎn)。配合使用STC燒寫軟件,可省去購買通用編程器,單片機(jī)在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序。2.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路用于單片機(jī)的初始化操作,可以使單片機(jī)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)能夠重新啟動(dòng)。因此復(fù)位電路必不可少。復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鈕復(fù)位兩種,本文選用的是手動(dòng)按鈕復(fù)位電路,圖6中所示。該復(fù)位電路能夠在電源因某種干擾瞬間斷電時(shí)使電容迅速放電,在二極管DMCU1(圖中D1)上產(chǎn)生一個(gè)壓降,從而保證了電源恢復(fù)后單片機(jī)可靠復(fù)位,使其適用于現(xiàn)場干擾強(qiáng)、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境。2.3程序啟動(dòng)前更換晶振時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘控制信號(hào)(如圖7所示),本電路采用了非固定式的設(shè)計(jì),因?yàn)樵谲浖帉戇^程中,對(duì)程序的運(yùn)行時(shí)間是有要求的,這時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況更換晶振。STC89C58RD+芯片最高時(shí)鐘頻率可達(dá)80MHz,根據(jù)單片機(jī)的每十二個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期,即Tcy=12Tosc,所以時(shí)鐘周期范圍為:0.15μs～1μs(12MHz晶振),可以滿足一般的需求。實(shí)際時(shí)鐘電路配置的是12MHz晶振(機(jī)器周期為)1μs。2.4單段接口電路設(shè)計(jì)2.4.1tlc549簡介模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),以便于后級(jí)的處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路芯片選用8bitI2C(InterIntegratedCircuit)A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549,它采用CMOS技術(shù)具有低功耗、好轉(zhuǎn)換精度(8位)、寬工作溫度范圍(0℃～70℃)、非校準(zhǔn)誤差小(±0.5LSB)、轉(zhuǎn)換時(shí)間短(17μs)、電源電壓范圍寬(3～6V)、與微處理器接口簡單、輸入輸出完全兼容TTL和CMOS電路等特點(diǎn)。電路如圖8所示。2.4.2巖神經(jīng)口及其接口液晶顯示電路用于顯示漢字、圖形等,該電路采用的是JM12864F漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊,它可顯示漢字及圖形,內(nèi)置8192個(gè)中文漢字(16X16點(diǎn)陣)、128字符(8X16點(diǎn)陣)及64X256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)。具有單工作電壓(+5V,內(nèi)置升壓電路,無需負(fù)壓),與MCU多種連接方式(8位或4位并行、3為串行)、多種軟件功能(光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等)等優(yōu)點(diǎn)。電路圖如圖9所示。電路中V0外接電位器R12864用于調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度。JM12864_CON15為液晶控制口RS(并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào);串行的片選信號(hào))、R/W(并行的讀寫選擇信號(hào);串行的數(shù)據(jù)口)、E(并行的使能信號(hào);串行的同步時(shí)鐘)、DB0—DB7(數(shù)據(jù)位)、PSB(并/串行接口選擇:H-并行;L-串行)、RESET(復(fù)位口)的直插接口?？筛鶕?jù)需要選擇并行方式或串行方式?？刂埔_通過跳線與單片機(jī)控制口相連配合程序即可實(shí)現(xiàn)圖像或漢字的顯示。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試完成以后,再根據(jù)相應(yīng)的硬件模塊進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)分為A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖,其中圖10所示為主程序流程圖,圖11所示為TLC1549ADC流程圖:4信號(hào)放大和無雜波在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后,接下來的任務(wù)便是測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在手指未伸入指套夾時(shí),硅光電池直接接收紅光、紅外發(fā)出的光強(qiáng)度,輸出的方波信號(hào)只有二十幾毫伏,且雜波較多,不利于血氧的測量。將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大,這里我們放大將近二十倍。信號(hào)被放大,輸出電壓有4V左右,且波形并無太多雜波,此時(shí)我們就可以將該信號(hào)輸入到A/D卡進(jìn)行采樣了。本文以處于如安靜、慢走、和慢跑等狀態(tài)下的測試者進(jìn)行檢測,伸入手之后,光信號(hào)減小,通過程序控制,定標(biāo),最終得出血氧含量為98,并通過程序運(yùn)算,得出心率為70,處于人體正常值范圍以內(nèi),檢測效果令人滿意。5心率血壓測量系統(tǒng)和社區(qū)條件下使用本文所設(shè)計(jì)的脈搏血氧心率測量儀具有集輕型化、一體化、可視化、