一种简易人体脉搏测试仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种简易人体脉搏测试仪，包括：信号采集单元包括红外发射二极管以及红外接收三极管，红外发射二极管发出的红外光透过被测物由红外接收三极管接收，得到红外光的光强信号；信号调理单元连接信号采集单元，包括低通放大器以及低通滤波器，低通放大器连接信号采集单元，低通滤波器连接低通放大器；信号整形单元连接信号调理单元，包括依次连接的比较器、微分器以及单稳态多谐振振荡器，接收经过信号调理单元处理的光强信号，输出对应的脉冲信号；单片机单元连接信号整形单元，包括计时器，用以对脉冲信号中每两个脉冲之间的间隔时间进行计时，得到被测物的脉搏数据；显示单元连接单片机单元，实时显示所得到的被测物的脉搏数据。
【专利说明】一种简易人体脉搏测试仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学设备【技术领域】，特别涉及一种用于测量人体脉搏的装置。
[0002]
【背景技术】
[0003] 从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送 氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的 动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从 整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、 血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有 关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床 意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。
[0004] 由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小干扰大，不稳定度低，随机性强等特点， 使得对脉搏信号的采集设备的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干扰变为十分重要。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种简易人体脉搏测试仪，本发明 通过以下技术方案实现： 一种简易人体脉搏测试仪，包括： 信号采集单元，包括红外发射二极管以及红外接收三极管，红外发射二极管发出的红 外光透过被测物由红外接收三极管接收，得到所接收的红外光的光强信号； 信号调理单元，连接信号采集单元，信号调理单元包括低通放大器以及低通滤波器，低 通放大器连接信号采集单元，用以放大光强信号，低通滤波器连接低通放大器，用以滤除干 扰； 信号整形单元，连接信号调理单元，信号整形单元包括依次连接的比较器、微分器以及 单稳态多谐振振荡器，接收经过信号调理单元处理的光强信号，输出对应的脉冲信号； 单片机单元，连接信号整形单元，单片机包括计时器，用以对脉冲信号中每两个脉冲之 间的间隔时间进行计时，得到被测物的脉搏数据； 显示单元，连接单片机单元，用以实时显示所得到的被测物的脉搏数据。
[0007] 较佳的，信号采集单元还包括一第一电阻，连接在红外发射二极管的正极，用以得 到所需的红外发射二极管的发射强度。
[0008] 较佳的，信号采集单元还包括一第一电容以及一第二电容，第一电容与第二电容 串联形成双极性耦合电容，连接在红外接收三极管的集电极。
[0009] 较佳的，微分器包括一第三电容以及一第二电阻，第三电容连接在比较器的输出 端，第二电阻连接在第三电容的输出端与比较器的反向输入端之间。
[0010] 较佳的，第而电容与比较器的反向输入端之间连接有一滑动变阻器，用以调节比 较器的阀值电压。
[0011] 较佳的，单稳态多谐振振荡器包括运算放大器，运算放大器的反向输入端连接第 三电容的输出端，运算放大器的输出端通过一第四电容以及一第三电阻接地。
[0012] 较佳的，被测物的脉搏数据为若干次脉冲信号中每两个脉冲之间的间隔时间的平 均值。
[0013] 本发明不仅价格低廉，且耗电低，体积小，具有便携性与精确性。
[0014]
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1所示的是本发明的结构示意图； 图2所示的是本发明的电路图。
[0016]
【具体实施方式】
[0017] 以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述 和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0018] 为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的 解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0019] 如图1所示，本实施例提供的一种简易人体脉搏测试仪，包括：信号采集单元1，信 号调理单元2,信号整形单元3,单片机单元4,显示单元5。通过信号调理单元2,将脉搏信 号转换为数字信号，然后利用单片机单元4来实现脉搏测量功能。采用单片机作为主控芯 片，有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还 可以方便的对系统进行升级。
[0020] 其中信号采集单元1主要是选用合适的传感器将脉搏信号转换为电信号，一般传 感器输出的电压都在几毫伏左右。信号调理单元2主要包括信号的低通滤波，以及实现信 号的放大，经过信号调理单元，几毫伏的脉搏信号的电压被放大为4V-5V左右。信号整形单 元3则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。单片机单元4通过 计时器求出一次脉搏的时间，并进而得出脉搏数，然后将该数据送到显示单元5进行显示。 显示单元5选择数码管或者液晶屏，对数据进行实时显示。
[0021] 血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据 此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向 电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向 电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收 到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为 红外对管和反射式的红外管。
[0022] 根据郎伯-比尔（Lambert - beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度 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 光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。一般情况下，当光子穿越介质时，因 能量被吸收而导致的强度衰减可描述为： I = IOexp (- α X ε ) 式中10是入射光强，α是与组织结构相关的吸收系数(哺乳动物的值在〇. 1至100之 间)，ε是沿光轴方向的坐标长度。
[0023] 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。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，本设计利用透射式的测量方法，通过检测透过 手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。
[0024] 如图2所示，信号采集单元主要采用反射式的红外管U3,包括红外发射二极管以 及红外接收三极管。红外发射二极管发出的红外光透过被测物由红外接收三极管接收，得 到所接收的红外光的光强信号。由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的 发射强度就越大，所以对R12阻值的选取要求较高。R12选择47同时也是基于红外接收三 极管感应红外光灵敏度考虑的。R12过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极 管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R12过小，通过的电流偏大，红外接收三极管 也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线 时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示， 用C9、C10串联组成的双极性耦合电容把它隔断。
[0025] 信号调理单元主要包括低通放大器U4C，R26、C13组成低通滤波器以进一步滤除 残留的干扰，截止频率由R26、C13决定，低通放大器U4C将信号放大，放大倍数由R24和R26 的比值决定。
[0026] 信号整形单元中，U4B是一个电压比较器，C11、R20构成一个微分器，U4D和C8、R25 组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由C8、R25决定。该比较器的阀值电压可用R22调节在正弦 波的幅值范围内，但是对R22的调节要求并不严格，因为U4B的输出信号经Cll、R20的微 分后总是将正、负相间的尖脉冲加到单稳态多谐振荡器U4D的反向输入端，不会造成很大 的触发误差。
[0027] 当有输入信号时，U4D在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平，使C8通 过R25充电。大约持续20ms之后，因 C8充电电流减小而使U4D同相输入端的电位降低到 低于反相输入端的电位(尖脉冲已过去很久)，于是U4D改变状态并再次输出低电平。这长 的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管D2的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测 量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时，该脉冲电平通过R17送到单片机 的INTO脚，进行对心率的计算和显示。
[0028] 在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。为了能够在不到10s的时间内，测量出 一分钟的脉搏，可以使用单片机的定时器来实现。在检测到第一个脉冲到达时，开启定时 器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所需要的时间，然后 由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。
[0029] 考虑到单片机要实现以上功能，选择使用AT89S51来构成电路。AT89S51是一个 低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP (In-system progra_able)的可反 复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技 术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器 和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统 提供高性价比的解决方案。
[0030] AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM)，32个外部双向输入/输出（I/O) 口，5个中断优先级2层中 断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT )电路，片内 时钟振荡器。
[0031] 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空 闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻 结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片 还具有ΗΠΡ、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
[0032] 经过整形的信号由单片机的INTO 口输入，使用单片机的外部中断0。单片机的P0 口作为数据口，与显示屏相接，来输出单片机所计算的脉搏值。单片机的P2. 5, P2. 6, P2. 7 口接到液晶屏的控制端，来控制单片机工作。设置定时/计数器1屏蔽，定时/计数器〇工 作方式为16位计数器，并对中断做出定义。
[0033] 当低频信号的下降沿到来时，中断触发。记录这个周期内计数器记录的时钟周期 数。当系统时钟为12M时，周期T与时钟周期数S的关系是： T=SX1(T6 当T > 0. 065535s时，计数器记录的时钟周期数会溢出，这时，需要记录计数器溢出次 数C，然后再将计数器清零，重新记录。
[0034] 设定单片机在检测到5次心跳信号后再计算时间，然后求5次的平均数来计算一 次心跳的周期，那么可以得知，一次心跳的周期T为： T=(C*65535+S)*l(T6/5 这时的T即是以秒为单位的。求出T之后，一分钟的脉搏数F就可以很容易的得到： F=60/T 显示单元既可以选择使用LED，也可以选择使用IXD，本发明不做限制。
[0035] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
【权利要求】
1. 一种简易人体脉搏测试仪，其特征在于，包括： 信号采集单元，包括红外发射二极管以及红外接收三极管，所述红外发射二极管发出 的红外光透过被测物由所述红外接收三极管接收，得到所接收的红外光的光强信号； 信号调理单元，连接所述信号采集单元，所述信号调理单元包括低通放大器以及低通 滤波器，所述低通放大器连接所述信号采集单元，用以放大所述光强信号，所述低通滤波器 连接所述低通放大器，用以滤除干扰； 信号整形单元，连接所述信号调理单元，所述信号整形单元包括依次连接的比较器、微 分器以及单稳态多谐振振荡器，接收经过所述信号调理单元处理的所述光强信号，输出对 应的脉冲信号； 单片机单元，连接所述信号整形单元，所述单片机包括计时器，用以对所述脉冲信号中 每两个脉冲之间的间隔时间进行计时，得到被测物的脉搏数据； 显示单元，连接所述单片机单元，用以实时显示所得到的被测物的脉搏数据。
2. 根据权利要求1所述的简易人体脉搏测试仪，其特征在于，所述信号采集单元还包 括一第一电阻，连接在所述红外发射二极管的正极，用以得到所需的所述红外发射二极管 的发射强度。
3. 根据权利要求1所述的简易人体脉搏测试仪，其特征在于，所述信号采集单元还包 括一第一电容以及一第二电容，所述第一电容与所述第二电容串联形成双极性f禹合电容， 连接在所述红外接收三极管的集电极。
4. 根据权利要求1所述的简易人体脉搏测试仪，其特征在于，所述微分器包括一第三 电容以及一第二电阻，所述第三电容连接在所述比较器的输出端，所述第二电阻连接在所 述第三电容的输出端与所述比较器的反向输入端之间。
5. 根据权利要求4所述的简易人体脉搏测试仪，其特征在于，所述第而电容与所述比 较器的反向输入端之间连接有一滑动变阻器，用以调节所述比较器的阀值电压。
6. 根据权利要求4所述的简易人体脉搏测试仪，其特征在于，所述单稳态多谐振振荡 器包括运算放大器，所述运算放大器的反向输入端连接所述第三电容的输出端，所述运算 放大器的输出端通过一第四电容以及一第三电阻接地。
7. 根据权利要求1所述的简易人体脉搏测试仪，其特征在于，被测物的脉搏数据为若 干次所述脉冲信号中每两个脉冲之间的间隔时间的平均值。
【文档编号】A61B5/02GK104138251SQ201410319847
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】王晓兰, 蒋中 申请人:苏州经贸职业技术学院