基于PVDF的便携式脉搏仪的设计与实现

杨清志，严漫漫，张喜红

（1.亳州职业技术学院 电子与电气工程系，安徽 亳州，236800；2.芜湖市第五人民医院 设备科，安徽 芜湖，241000）

基于PVDF的便携式脉搏仪的设计与实现

杨清志1，严漫漫2，张喜红1

（1.亳州职业技术学院 电子与电气工程系，安徽 亳州，236800；2.芜湖市第五人民医院 设备科，安徽 芜湖，241000）

针对目前市场上比较紧缺面向普通非医务人员使用的高性能便携式脉搏仪，设计了一种基于PVDF压电薄膜的便携式脉搏仪，可对人体的心率、血压等进行24小时监测。测试结果表明，本设计与电子血压计、手环等市场上同类产品相比，简单可靠，性能稳定，具有较高的实用价值。

PVDF；脉搏；压电传感器

人体动脉血管随着心脏收缩与扩张而周期搏动的现象称脉搏，脉搏在血管中传播形成脉搏波。由于脉搏信号包含了多种人体健康参数，成为中医诊断的重要依据，即脉诊［1］。其中脉搏频率与心脏跳动频率，即心率基本一致，是反映患者，特别是心脏病患者健康程度的重要指标。调查发现，目前进行脉搏频率测量主要由专业人员在医院实现，面向非医务人员使用的便携式脉搏仪还未广泛使用，目前市场上面向非专业人员用的性能较好的脉搏仪主要是红外式脉搏仪，其基本原理是用探头夹住手指，通过红外线检测脉搏，再通过数据线传输到人体携带的后端设备。这种脉搏仪使用不太方便，而且不能实现连续监测［2］。

通过理论研究和实验验证，本文提出一种基于PVDF压电传感器的微型人体脉搏测试仪的设计。由于体积小，可直接佩戴在手腕上，简单方便，不仅实现便携式，由于PVDF质轻柔软，对人体皮肤无刺激，还可实现连续监测。随着人们对健康的关注和我国人口老龄化的发展，这种面向普通人群，能连续监测脉搏信息的便携式脉搏仪具有重要的实用价值。

1　系统结构

本设计由压电传感器、前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、微型单片机、液晶显示屏及微型蜂鸣器等组成，系统结构图如图1所示。

图1　系统结构图

具体实现步骤为：首先由佩戴在手腕上的PVDF压电薄膜制成的压电传感器拾取脉搏的压力信号，将压力的大小、作用频率等转化为电信号后经过放大、滤波处理后送入微型单片机MSP432，单片机将接收到的信号按设定程序进行计算处理，再将心率、血压等脉搏信息送到液晶显示器显示，如果脉搏异常则向蜂鸣器输入信号，实现超限报警。

另外，单片机能将个人的24小时监测数据记录保存，极大地方便了医生进行专业的脉象分析，从而准确掌握患者的健康信息，更有针对性地进行治疗。

2　PVDF压电传感器

2.1PVDF压电传感器概述

目前用于脉搏测量的压电传感器主要有压电陶瓷、压电晶体、压电薄膜及光电耦合器件等。由于压电薄膜质轻柔软等特点，比较适合用于便携式设备，本设计采用PVDF压电薄膜作为压电传感器拾取脉搏的压力信号［3］。

PVDF（Polyvinylidene Fluoride）压电薄膜是一种高分子材料聚偏二氟乙烯，其压电常数大（g33=-330 Vm/N），灵敏度高，可达1 Mv/εμ（长度百万分率变化），线性度好，质轻柔软，阻抗与人体皮肤接近，对动态应力非常敏感，适合于人体皮肤生命信号监测，广泛用于医学和仿生领域［4］。

2.2PVDF压电传感器的制作

如图2所示，为我们制作的压电传感器示意图，共三层，按形状设计→切割→边缘绝缘处理→导线引出→加保护层的工艺制作［5］。

为提高灵敏度，我们选用厚度为50µm的国产PVDF压电材料，两层并联（中间为负极，上下为正极），电极采用薄铜片，用导电银胶与导线粘接，最后用环氧树脂胶粘贴硅橡胶包封保护。整个压电元件外形尺寸约为5 mm×10 mm。

图2　PVDF压电薄膜结构图

3　系统硬件设计

压电传感器拾取人体脉搏的压力信号，转化成的电信号非常微弱，还需放大、滤波等处理，相应的硬件设计如下：

3.1前置放大电路设计

由于人体脉搏信号较弱，容易受到环境噪声干扰，因此前置放大电路设计至关重要，要求输入阻抗高输出阻抗低，增益稳定，精度高，共模抑制比高。同时作为便携式仪器，还应该体积小、低功耗。综合以上分析，我们选用AD620作为前置放大器的芯片。

AD620是美国Analog Devices公司（ADI）推出的一款放大器芯片，由于其体积小、低功耗、高精度、成本低等优点，被广泛用于仪用放大器，尤其适合采用电池供电的便携式产品应用［6］。

经查阅AD620的技术手册（见参考文献［7］）得知，AD620功耗较低，最大工作电流1.3 mA；精度高，增益误差≤0.01%，非线性误差≤0.002%（最大40 ppm），失调电压≤50µV，输入失调漂移≤0.6 µV/°C；共模抑制比≥100 dB，增益范围1～10 000，可通过外接电阻调节。其输入级采用超β工艺（Superβeta）处理，输入电压噪声低，只有9 nV/√Hz（1 kHz时），VPP为0.28 μV（0.1 Hz至10 Hz），最小偏置电流0.1 pA/√Hz。

可见，AD620作为前置放大器使用很理想，适合于本设计使用。

如图3所示为设计的放大电路（其中对应的8个管脚已标出），R1=R2=5 kΩ，R3=1 kΩ（用于调节增益），C1=C2=C3=0.1 pF。

3.2带通滤波器

人体脉搏信号一般为每分钟60～100次，即信号频率在1 Hz上下，属于超低频。考虑到不同群体的差异性及患者的脉搏信号异常，本设计把频率限制在0.1～10 Hz，因此需要采用带通滤波器。经查阅相关技术资料和实验对比，我们选用美国AD公司的OP07A运放制作带通滤波器。该芯片噪声低，输入失调电压小（最大为25 μV）无须调零，精度高，开环增益高，比较适合放大传感器的微弱信号使用。

图3　运算放大电路原理图

图4为我们设计的带宽0.1～10 Hz的滤波电路，第一级为高通滤波器，选用R4=1 MΩ，C4=2 μF，截止频率：

第二极为低通滤波器，选用R7=4.87 KΩ，C4=0.22 μF，截止频率：

从而实现带宽0.1～10 Hz的信号滤波。

图4　频率0.1～10 Hz的带通滤波电路

3.3二级放大电路

由于考虑到信号失真不能太大，所以前置放大器放大倍数不能太大，放大后的信号电压峰值约50 mV，还要用二级放大电路对电压信号放大。本设计采用MSP432单片机，内部AD电压0～3.7 V，所以二级放大电路放大倍数约为100倍。本设计中二级放大电路采用市场通用的LM358芯片进行设计。LM358具有低功耗、低噪声、输入失调电压小等优点，适合于本设计使用，具体放大电路如图5所示。

3.4微型单片机

本设计的脉搏计数器是便携式仪器，要求功耗低，外形小，便于在手腕上佩戴。经过查阅相关资料并反复对比研究，最终采用采用美国TI公司于2015年3月推出的MSP432超低功耗单片机。查MSP432技术手册（见参考文献［8］）知，MSP432是运行在1.62～3.7 V宽电压范围的超低功耗微控器，有效功耗95 μA/MHz，睡眠模式850 nA，在不到1 μs的时间里即可实现从低功耗模式至运行模式的唤醒。由于其诸多优点，不仅可以实现微型化便携式产品设计，还因其超低功耗，唤醒速度快而能实现对特殊群体24小时连续监测，同时还预留了诸如体温测量等功能，方便后续开发，因此MSP432是本设计的理想选择。

图5　二级放大电路

图6　脉搏测试主程序流程

3.5其他硬件

除了以上的主要硬件外，系统设计还需要一块LCD显示屏。我们选用市场上常见的技术也比较成熟的QC12864点阵式LCD显示器，除了显示心率和血压的数值外，还应显示“偏低”、“正常”、“偏高”等信息，方便大众使用。

另外，还需要两块纽扣式锂电池作电源供电，以及微型蜂鸣器用于脉搏超限报警，不再赘述。

4　脉搏仪的主程序设计

根据设计的目的，MSP432的工作流程包括硬件初始化、软硬件自检、脉搏信号循环检测以及输出报警等，程序流程如图6所示。

5　测试结果

为了验证本设计的可靠性，我们选择了有代表性的6人作为测试对象，其中A为幼儿，B为成年人，C为老年人。将测试结果与用医院大型设备（我们用芜湖市第五人民医院的欧姆龙BP-203RPEIII动脉硬化检测仪进行测试，可靠性较高）测试结果作比较，测试结果如表1和表2所示。

表1　心率测试结果对比

表2　血压测试结果对比

从测量结果对比可看出，本设计误差较小（由于老年人脉搏无力，误差偏大），可以较好地反映被测量者的脉搏信息，具有较高的实用价值。

6　总结

本设计是基于PVDF压电薄膜的压电效应，制作一种微型脉搏仪，结构简单，体积小，便于携带和使用。由于PVDF质轻柔软，特性与人体皮肤相似，可以实现对患者24小时连续监测而不产生太大的副作用。测试结果表明，本设计精度较高，具有较高的实用价值。同时采用的MSP432微型单片机还预留了多种功能接口，便于开发关于脉相诊断的其他功能。

［1］ 李婧.自适应检测脉搏波系统的研究［D］.北京：北京工业大学，2008.

［2］ 陈天华，王倩.基于MSP430和压电传感器的人体心率检测系统设计［J］.制造业自动化，2013（15）：88-89，108.

［3］ 史源，纪林海，陈春红，等.基于PVDF薄膜材料的脉搏传感器的研制［J］.山西电子技术，2012（2）：83-86.

［4］ 任程诚.基于PVDF压电薄膜的脉博传感器设计［D］.大连：大连理工大学，2011.

［5］ 韩莉莉.PVDF压电薄膜传感器的制作［J］.智富时代，2015（9）：195.

［6］ 王树振，单威，宋玲玲.AD620仪用放大器原理与应用［J］.微处理机，2008，29（4）：38-40.

［7］ 低成本、低功耗仪表放大器AD620中文资料［Z］，http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/data-sheets/AD620_cn.pdf

［8］ MSP432微控制器［Z］，http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/msp432p401r.pdf.

Design and implementation of a portable pulse analyzer based on PVDF

YANG Qing-zhi1，YAN Man-man2，ZHANG Xi-hong1

（1.Department of Electrical and Electronic Engineering，Bozhou Vocational and Technical College，Bozhou Anhui，236800，China；2.Facility Section，The Fifth People's Hospital of Wuhu，Wuhu Anhui，241000，China）

In view of the relative scarcity of the portable pulse meter with high performance for ordinary non medical personnel in the current market，a portable Pulse Analyzer based on PVDF was designed，which can monitor human body's heart rate，blood pressure and others 24 hours a day.Testing results show that compared to the electronic sphygmomanometer，bracelet and other similar products on the market，the design is simple and reliable，with stable performance and high practical value.

PVDF；pulse；piezoelectric sensor

R318.6TP212.3

A

1004-4329（2016）02-061-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-061-04

2015-11-03

安徽省教育厅重点教研项目（2015jyxm535）；安徽省省级特色专业建设项目（20101449）资助。

杨清志（1974－），男，硕士，讲师，研究方向：医用传感器。