，两级放大电路的放大倍数都可调，采用滑动变阻器调节，放大器采用低噪声、高精度的集成运放0PA2277，通过两级放大输出后的脉搏信号最高幅值为2V左右，为避免输出信号出现负电位，以便与后续的比较器电路匹配，在放大电路之后加一级基准电位抬高电路114电路抬高输出信号基准电位，该电路采用运放0PA2277搭建的加法器来实现，电位约抬高1.5V左右。
[0029]心跳信号采集单元1的另一种实现方式是采集人体的心电信号，如附图3和附图4所示。包括心电电极121，输入保护电路122，心电信号前置放大器123，心电信号滤波电路124，心电信号二次放大电路125和直流电位抬高126。心电电极采用金属表面电极，从人体表面采集到的心电信号在进行放大之前，先要通过输入保护电路来保护电路和人体的安全。输入保护电路122的原理结构图如附图4所示，包括高压保护电路1221，高频滤波电路1222和低压保护电路1223三部分。高压保护电路采用氖泡将引入的外界干扰高压限制到60-70V，再由高频滤波电路滤除高频干扰，此高频滤波电路采用电阻和电容组成的RC低通滤波器实现，其截至频率约为32KHz，低压保护电路由运放组成的电压跟随器在输入和输出并联两个方向相反的二极管搭建而成，可将大于0.7V的干扰电压大大减小而不影响正常的心电信号通过。从输入保护电路122输出的心电信号首先经过前置放大器的放大，心电信号前置放大器123采用运放0PA2277组成三运放同相并联结构的差分放大器，放大倍数可调，通过前置放大器输出的信号约为输入信号的20倍左右。经过初步放大的心电信号再经过心电信号滤波电路124，该滤波电路由高通滤波和低通滤波组成带通滤波器，其截至频率为0.05-30HZ，滤波后的心电信号在通过二次放大使其整体放大倍数约为1000倍，最后再将已经放大到合适幅值的心电信号直流电位抬高2V左右，以避免其出现负电位，与后续比较器相匹配。
[0030]另外，需要说明的是本发明提供的基于心跳监测的呼吸控制器上述实施例中的单片机控制与处理单元3实质就是采用单片机实现一个电子计数器，其功能模块结构如附图5所示。主要包括心跳次数计数模块，参数设置模块，计时模块，键盘处理模块和LCD显示模块五部分功能。心跳次数计数模块就是通过单片机的计数器对前端比较器2输出的脉冲信号进行累加计数。通过参数设置模块主要设置“延时时间”和“计数初值”。计数器对心跳次数进行累加计数，当计数值与初始设置的“计数初值”相等时，间隔时间等于设置的“延时时间”，就输出语音提示。被试则根据语音提示开始吸气或呼气，控制呼吸。计时模块利用单片机的定时器计时，用于实现上述延时时间到进行语音提示的“延时时间”功能。键盘处理模块和LCD显示模块主要进行延时时间和计数初值的设置、调节与显示，并在计数过程中实时显示心跳次数。
[0031]本发明提供的基于心跳监测的呼吸控制器的应用方法通过附图6来说明。附图6是利用基于心跳监测的呼吸控制器研究心肺耦合实验方法的流程图。
[0032]首先设置延时时间和计数初值，计数初值决定了控制呼吸时呼吸频率与心跳频率的比值，例如需要控制呼吸频率与心跳频率的比值为6，即6次心跳对应一次呼吸，则需要设置“计数初值为6”;延时时间可用于调节启动呼吸开始的时间，即用于调节呼吸和心跳信号之间的相位。在设置完参数之后，按开始键启动控制器开始对心跳次数进行计数，计数次数等于设置的计数初值时，根据延时时间输出语音提示，被试听到语音提示，开始呼吸，听到一次语音提示，呼吸一次，实现呼吸的控制。
【主权项】
1.一种基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:包括心跳信号采集单元(1)、比较器(2)、单片机控制与处理单元(3)、声音提示模块(4)、键盘控制单元(5)、LCD显示单元(6)和记录/显示单元(7); 所述心跳信号采集单元(1)包括心跳信号采集传感器，信号滤波和放大电路，心跳信号采集单元(1)得到的信号分两路输出，一路直接输出到记录/显示单元(7)，另一路通过比较器(2)整形为数字脉冲信号； 所述单片机控制与处理单元(3)用于对脉冲信号进行计数，并通过LCD显示单元(6)实时显示心跳次数，当心跳次数与预设值相等时通过声音提示模块(4)输出声音指示被测控制呼吸； 所述键盘控制单元(5)用于初始值预设和心率测试的启动和停止。2.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述心跳信号采集传感器采用红外传感器(111)，心跳信号采集单元(1)包括红外传感器(111)、脉搏信号一级放大电路(112)、脉搏信号二级放大电路(113)和基准电位抬高电路(114)，通过红外传感器(111)接收到的脉搏信号，经过交流耦合滤除直流分量，输入到脉搏信号一级放大电路(112)和脉搏信号二级放大电路(113)放大后，输入至基准电位抬高电路(114)抬高输出信号基准电位，脉搏信号一级放大电路(112)和脉搏信号二级放大电路(113)采用滑动变阻器调节放大倍数都可调。3.根据权利要求2所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述脉搏信号一级放大电路(112)、脉搏信号二级放大电路(113)和基准电位抬高电路(114)均采用集成运放0PA2277来实现。4.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述心跳信号采集单元⑴包括心电电极(121)，输入保护电路(122)，心电信号前置放大器(123)，心电信号滤波电路(124)，心电信号二次放大电路(125)和直流电位抬高(126)。5.根据权利要求4所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述输入保护电路(122)包括高压保护电路(1221)，高频滤波电路(1222)和低压保护电路(1223);高压保护电路(1221)采用氖泡将引入的外界干扰高压限制到60-70V，再由高频滤波电路(1222)滤除高频干扰。6.根据权利要求4所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述低压保护电路(1223)由运放组成的电压跟随器在输入和输出并联两个方向相反的二极管搭建而成，将大于0.7V的干扰电压大大减小，高频滤波电路(1222)采用电阻和电容组成的RC低通滤波器实现，其截至频率约为32KHz。7.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述比较器(2)采用运放OPA2333和滑动变阻器，利用滑动变阻器调节阈值，将心跳信号转成与心跳信号周期相同的数字脉冲信号。8.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:通过心跳信号采集单元(1)得到的模拟信号和比较器(2)输出的脉冲数字信号，同时输出到记录/显示单元(7)进行记录和显示。9.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于:所述键盘控制单元(5)包括左移、上移、下移、启动和停止5个键。
【专利摘要】本发明提供一种基于心跳监测的呼吸控制器，包括心跳信号采集单元，比较器，单片机控制与处理单元，声音提示模块，键盘控制单元，LCD显示单元和记录/显示单元；心跳信号采集单元包括心跳信号采集传感器，信号滤波和放大电路，经心跳信号采集单元的信号分两路输出，一路直接输出到其他设备进行记录和显示，另一路通过比较器整形为数字脉冲信号；单片机控制与处理单元对脉冲信号进行计数，并通过LCD显示单元实时显示心跳次数，当心跳次数与预设值相等时通过声音提示模块输出声音指示；所述键盘控制单元用于初始值预设和心率测试的启动和停止，发明主要用于基于心跳检测的呼吸控制，通过同步心率和呼吸，研究心肺之间的耦合机理。
【IPC分类】A61M16/00, A61B5/0245
【公开号】CN105251089
【申请号】CN201510727415
【发明人】任郁苗, 张建保, 王相苗
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月30日