脉搏波检测系统电路设计报告

脉搏波检测系统电路设计报告

电路系统设计与实践

脉搏波监测系统

电路设计报告

指导教师：

脉搏波检测系统电路设计报告

精仪系61班 张帆

学号：2006010500

2008年9月11日

目录

一． 题目介绍 ——————————————— 3

(一) 设计背景

(二) 实验任务

(三) 预期目标

二． 总体方案设计 ——————————————6 三． 具体内容 ————————————————7

(一) 各部分电路具体分析

(二) 电路整体工作原理

四． 实验数据分析 ——————————————15 五． 总结 ——————————————————16 六． 附录 ——————————————————19

(一) 器件参数汇总

(二) 管脚图汇总

(三) 电路实物照片

七． 参考文献 ———————————————24

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一． 题目介绍

1. 设计背景

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。

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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：

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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。

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。

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反射式光电传感器和透射式光电传感器

实验中采用的传感器是透射式光电传感器，如图：

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：0.1-9.9Hz

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，

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我们在实验前期基本确定了电路设计的具体功能目标：

以十秒钟为一个计数周期，自动连续计数并在每个周期末显示最终心跳

频率（显示范围0.1-9.9）

可以随时开始/停止计数，并锁存当前结果

可以控制是否显示心跳的计数累加过程（即数码管跳变过程）

这一点是基于普通测量和长时间监测的不同要求而决定的。例如，临床上给患者监控脉搏的时候，是需要不断更新心率示数但不显示累加过程的。而普通脉搏计数过程，为了更直观的显示脉搏跳动，需要数码管连续跳动来显示这一计数过程。

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，电路原理框图如下：

从功能上分，电路可分为三部分：

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信号采集部分：发光与接收电路；

信号的处理部分：隔直；放大；滤波；整形；

计数显示部分：计数电路；数码管显示电路。

从特点上划分，电路有可以分为两大部分：

模拟电路部分

数字电路部分 （这两部分以整形电路为界。）

三． 具体内容

分电路具体分析 (一) 各部

1. 信号采集电路

根据光电二极管的工作原理，我们使用如下电路实现信号的采集，输出的脉搏信号是一个直流分量在4V左右变化的交变电压。

通过改变R2的阻值，可以改变

信号电压的直流分量。实验中我们

采用R2=20k 作为信号输出端的串

联电阻，使得传感器在透光和夹手

指两种情况下电压之差达到4V以

上，而不是饱和的5V。

选择4V电压作为直流分量的原因是：如果夹上手指后，信号电压达到5V饱和，那么脉搏引起的微小变化就会被过高的直流电压掩埋，这样放大电路将得不到任何脉搏的信号。如下图：

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2. 隔直、放大、滤波电路

信号隔直电路是利用两个10μF的电容实现的，除去了传感器信号中的直流部分，送入放大电路。10μF的电容还可以对脉搏信号自行起振。

信号放大电路主要利用运算放大器的级联放大功能实现。将输入的微小交流信号送入第一级进行8.5倍的放大，再进入第二级相似的放大电路放大100倍，并通过两级电路中47nF的电容滤去10Hz以上的高频信号，得到被放大约850倍，幅值4V左右的脉搏信号，实现与整形电路部分的输入匹配

。

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为保证信号达到数字电路翻转值以上，同时不被截止，放大电路的放大倍数理想值应在1000倍左右。但实验中由于个体差异，我们组设置的放大倍数略小（850倍）就可以满足这一要求。对于不同的测试对象，放大电路需要重新调整放大倍数，给其他同学测量脉搏时，我们更换R4 和R5。为更好的完善电路针对不同测试者的性能要求，这一功能可由一个电位器（代替运放负极与地间的10k 电阻）实现，但遗憾的是时间关系，在实验中没有付诸实践。

经过放大和滤波的信号波形如图：

3. 整形电路

信号的整形是由六施密特触发器40106实现的。整形后的波形成为方波，转换成为数字信号进行下面的运算。

整形电路图 整形过的信号

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4. 与非运算电路（输入控制信号）

脉搏信号经整形后，输入一个与非门进行运算，以实现对信号计数和输入的控制。通过以下的波形图来详细阐释这一部分的原理。

与非门电路图

信号1是整形过的脉搏信号，与555产生的连续十秒脉冲2和输入控制信号3相与非，得到最终的输出信号4，4输入到计数器的使能端进行计数。

输入控制信号3是一个可以由开关控制的高/低电平，当输入高电平时，脉搏信号可以在时钟周期内进入计数器；当输入低电平时，与非门输出信号4恒为高电平，脉搏信号不能送进计数器。通过人为改变3，可以控制在某一时段是否进行计数，并锁存当前结果。

信号的产生 5. 时钟

电路中使用555产生一个周期10秒，占空略小于1（0.99）的时钟

信

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号。整个数字电路中共有三处要用到这个时钟信号：

1. 与整形后的脉搏信号相与（见与非运算电路）；

2. 输入锁存7段译码驱动器4511的EL端，进行数据更新（见显示电路部分）；

3. 输入单稳态触发器4098的输入端，触发清零信号，送入4518的清零端R1R2。

经过计算和反复实验测量，确定了555上电阻和电容的取值，分别为R7=42.2k ，R8=1k ,C=33μF，比较精确的控制了输出时钟的周期和占空比。555的电路图如下：

6. 计数电路

经与非运算的脉搏信号进入到计数器4518的使能端EN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，每十秒清零一次，开始重新计数。4518的连接方式如图（为清晰，省略Q1Q2Q3Q4的接线）：

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7. 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10秒钟的脉搏数，这个数量除以10就是脉搏的频率。在数码管的十位上显示小数点，即达到了显示频率的目的。

4511芯片的EL管脚在低电平时更新示数，高电平时保持当前示数不变。对于在功能预期中的两种情况——显示示数跳变和不显示示数跳变，EL端有两种不同接法。

1） 显示示数跳变过程

只需使EL一直处于低电平即可。将EL接地。

这时，数码管在10秒周期内的高电平期间一直

跳变，从0开始累加，直到周期结束后清零。最终结

果只能保存较短一段时间，但可以清晰直观的看到和

脉搏频率一致的数字跳变。

2） 不显示示数跳变过程

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相比上一过程，这一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10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10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。

稳态触发器产生清零信号 8. 用单

在不显示示数跳变，只在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，我想到了利用单稳态触发器的工作原理，将时钟信号的上升沿转化成一个短暂的高电平，在译码器刷新后给计数器清零。具体原理见下图：

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整体工作原理 (二) 电路

1. 电路整体电路图

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2. 系统工作流程简述

传感器接收到脉搏信号之后，经隔直、放大、滤波、整形后，进入与非门与时钟信号和输入控制信号相与，当输入控制信号为1，时钟信号存在时，脉搏信号输入到计数器中进行计数。计数器每10秒清零一次，计数结果在数码管上自动没事秒刷新一次。通过改变EL的接线方式（实际中可以通过一个开关），数码管可以随脉搏连续跳变，也可以保持当前结果，每10秒刷新一次。

四． 实验数据与分析

实验数据记录：

测试者

沈兴来 测试值（次/10秒） 16 实际值（次/10误差 0%

6%

0%

0%

0%

7%

0%

0%

0% 沈兴来沈兴来沈兴来张帆张帆张帆张帆沈兴来

1616171312121215161616171212121216

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张帆

13130%

以上数据直观的表现了脉搏波检测系统较好的的稳定性和准确性，但也反映出在外界有一定光线扰动时，脉搏计数会缺失或多余。

五． 总结

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。尽管在我最后看来，我们的电路根本不算什么高科技含量的东西，甚至可以说是简单至极，但这每一个模块的设计和实现，都包含了一次又一次学习、创造、失败、推翻的过程。

难点与解决

在脉搏波检测电路的整个设计过程中，我认为模拟电路部分是整个电路的难点所在。因为对传感器的输出特性没有调试经验，我们多次调试传感器信号端的电阻，才达到最后的理想值。开始的一段时间，以为脉搏的变化会让传感器输出信号电压产生剧烈跳变，以至于一直都错误的认为不需要任何放大就可以对信号进行整形。后来通过查资料和自己仔细思考，发现其实手指的血流量变化只会很微弱的改变信号电压，在数字电路之前，我们的工作量还是很大的。

放大电路的调试中我们也经历了很多次try-and-error。最初我设想用一个典型的低通滤波器(兼放大作用)来实现信号的放大，实践的结果是高频波是滤掉了，但似乎脉搏信号也消失了。继而尝试了各种放大、滤波电路，都不奏效。无奈之下请教老师，才明白了放大电路的症结所在。正确的放大电路同相、反相端通过电阻后并不直接接地，而是接到两个二极管上，用二极管“垫

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起”大约1.2V的电压，这样才能保证信号的波动在放大过程中不被淹没。

在隔直电容的选择上也出了一点问题：我们开始用两个22μF的电容隔直，但放大电路输出的信号时有时无，没有经验的我们还以为是运放芯片接触不良，换了一块地方接芯片不奏效，用钳子使劲按着不管用，轻轻敲打反而会有比较好的输出。这是为什么呢。。。？向李老师求救，老师晃动电容，发现输出有较大波动，指导我们是电容的问题。通过多次比较，选定了两个10μF的电容配合信号起振的频率，终于解决了问题。

我们组的另外一个难题出现在第二周电路的改动上。之前我们用三个D触发器来实现数码管的显示和清零，设计了一个“001-011-111-110-100-001”的循环，通过与非门的运算，实现在001时计数，111时译码管显示，100时计数器清零。这样的循环虽然分工明确，但用十秒钟的周期来驱动，每一次计数都要等近50秒钟，显得迟钝笨拙。后来为了简洁我们的电路，提高效率，就抛弃了原来的D触发器，决定另辟蹊径。但这次问题出在计数器的清零和译码器的刷新上。（详见13页）开始的时候，由于这两个功能来自同一个时钟（清零信号是时钟取反），我们的示数一直是“00”。我当时很快就意识到了错误所在，但两个人一直没有想到好的改进办法，一度想到要恢复原来的D触发器控制显示与清零。在理性的分析了各处的波形之后，问题就简化成“先显示，后清零”，同时要满足清零的高电平要短。这让我很容易就想到在电工电子课上学到的单稳态触发器，利用周期最初的上升沿触发一个短暂的高电平，实现清零。

与不足 问题

尽管最后的结果还是令人满意的，但我觉得这个电路还是有很多值得改进的地方。对比实际中应用的脉搏监测仪（兼有波形检测、血液容积量变化监

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测等多种功能），我们的电路系统就相形见绌了。

实验中一直伴随的问题就是外界干扰。由于我们的传感器只是简单的装在一个夹子上，所以难以避免周围的干扰。周围环境光强度的变化会很大程度上影响我们的波形和计数结果，被测者自身的一些运动干扰也会严重影响测量结果。为了更加完善这个系统的稳定性和感干扰能力，传感器的外形应该有所改进。夹子两侧应该有遮光的挡板，在夹子闭合的时候，能够挡住大部分外界的光。这样无论是外界环境变化还是被测者自身的位置改变，都不会令波形紊乱。

我们在电路中设计的输入控制信号实际上没有得到很好的应用。输入信号在“0”和 “1“之间变动的时候（电线插电或插地），会有很多干扰影响信号的输入，大量杂波进入了计数器，有时还会导致数码管溢出。如果有一个比较稳定的开关，那么就可以较为理想的实现这一控制功能。

和感想 收获

回顾这次电路的设计和实践，尽管过程中遇到很多困难，甚至有过一两次绝望的心情，但在实习结束后，真的感受到自己的学习、实践能力、合作精神都有了很大很大的提高。在做完这个项目的时候，我获得了巨大的成就感，因为是从最基础的管脚图开始，整个电路一点一滴的建立和成型，都是我们合作亲自完成的。很难说那一个模块是某一个人独立完成的，因为每一个独立的创意背后都有同伴的修改和提醒；每一个方案的使用或放弃都是经过了深入的讨论；每一个参数的选择都包含着两个人不断的尝试；甚至很多很多电线的搭接都是两个人合力做成。我们的数电部分比较成功，除了这个电路的自身特点以外，很大程度上都依靠我们两个相互监督和协作。为了改进功能和美化线

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