基于单片机的脉搏测试手表的设计

张　亮

（西安工业大学电子信息工程学院　西安　710021）

1　引言

随着科学和技术的发展，人们的保健意识越来越强，越来越注重身体健康。心率脉搏监测是一个十分重要的测量参数，但是从市场来讲，以往专门测量心率值的仪器较少，人们为了知道自己的运动或者劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，都得赶到医院而不能实时测量，给人们的生活造成不便。为了贯彻“预防为主”的方针，实现人人都能享受基本医疗保健的目标，把过去“以医院为轴心”的医疗服务体系过渡到当今“以家庭为基础”的社区卫生服务体系已成为必然趋势，设计各种便携式医疗仪器已成为趋势。脉搏测试手表是一种集轻型化、一体化等优点的新型兼生活与保健于一体的仪器，它适用于家庭、健身馆和医院等多种场合。目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪［1］。本论文提出了便捷的脉搏测试系统的设计方案，该系统能实时监测脉搏信号，将信号进行整形得到需要的生理参数，以便于医生诊断以及家庭维护。本设计主要完成信号的采集、信号整形、信号放大以及显示电路的设计。经设计得到的系统可以进一步应用于市场。

本论文主要完成脉搏手表的信号采集、调制电路设计，并利用单片机完成控制模块的设计，最终硬件电路的制作。本设计为电子硬件电路设计，使用51单片机作为主控单元（89C51），并配合相应的采集模块及显示模块电路、报警模块完成硬件系统的设计。硬件主要包含的模块：信号采集模块、整形电路模块、按键模块、报警模块。采集模块将信号采集进入系统，经过整形电路的滤波和放大，电压转换器的转换编程方波，进入单片机记录脉冲的上升沿，完成对脉搏的采集［2～3］。

2　总体方案设计

本系统是一个以89C51为核心的脉搏检测电路系统，同时也是一个时钟系统。本系统的设计包含着两个功能。一个是时钟功能，系统可实时地显示时间（时分秒），并且在时间与实时不符的时候进行调控；另一个功能就是测脉功能，当选择该模式时可以获得实时脉搏值，并与被测者年龄段的正常脉搏值进行比对，若过快则启动报警，提醒被测者注意。主要通过以单片机为核心控制，将采集模块、校准模块、按键模块、显示模块以及报警模块集合成为一个脉搏测试手表的系统电路的设计［4］。

图1　系统电路总体框图

通过压电传感器将脉搏信号转化为电信号，电信号经过滤波、整形、放大，便于记录。看似简单，其实不然，脉搏信号的特点使得有用信号常常被掩埋在噪声里，所以不得不通过器件选择和滤波来避免这种情况的发生。系统需要完成脉搏表采集模块、整形模块、按键模块、显示模块以及报警模块等功能模块的设计，其中在整形模块中选择器件时需要考虑到信号的低频、微弱的特点，不仅要得出目标信号，更要注意其他信号的干扰；在显示模块中，必须考虑到所选择的数码管的极性和连接方式，以及数码管的驱动电压［5］。

MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。复位电路原理图如图2所示。

图2　复位电路原理图

脉搏测试过程中，精确的定时直接影响到脉搏值的准确度。本设计中采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2MHz～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。本次设计中采用11.0592M的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。因此我们要考虑谐振器件的质地及规格：当采用石英晶振时，电容可以在20pF～40pF之间选择；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30pF～50pF之间。通常选取22pF的石英晶振电容就可以了。时钟电路原理图如图3所示。

图3　时钟电路原理图

采用以芯片AD745、LMF90、MAX7410为核心元器件来设计信号调理电路，经过后期的工作，发现这样的电路工作稳定可靠、重复性好、噪声小，抗干扰能力强，工频及工频倍频陷波效果明显，信号处理实时、准确。

报警部分使用蜂鸣器实现。虽然LED灯也可以进行报警功能，但是根据手表的佩戴部位，声音报警更容易引起人们的重视；考虑到便携式、低成本、易实现的特点，手表的时钟显示采用电子手表常用的共阴极数码管［7］。报警模块原理图如图4所示。

图4　报警模块

在时间和脉搏值的显示上，本系统采用八段数码管的动态显示［8］，显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。相比静态显示采用动态显示既可节省I/O口数目，也可降低整个系统的能耗。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间与间隔时间的比例有关，通过软件调整参数可以实现较高稳定度的显示。

在测试器系统中，按键模块含有五个按键，分别用于控制脉搏表的检测和时钟的调试，其中两个是时钟的调配按钮，一个是模式选择按钮，一个是时钟设置按钮。这五个键均接在p1口作为输入。各键代表的含义如表1所示。

为了优化AD745的DC响应特性和AC响应特性，减少偏置电流误差和AC响应误差达到超低噪声性能的要求，输入电阻的阻抗必须很高。前置放大器输入阻抗越高，传感器的最小分辨频率越低、传感器输出信号信噪比越高。本设计中令C13和传感器压电晶片的电容值相等（输入端口接传感器）；R1=R3=108欧姆，R2和 R4取值远小于 R1，使得前置放大增益值为：1+R4/R1。设计的传感器输出阻抗值为108数量级，前置放大器输入阻抗高达1010数量级，用来平衡前置放大电路中AD745输入源电阻（电阻和电抗），使得传感器的输出阻抗和前置放大器的输入阻抗能够达到很好的阻抗匹配。

3　系统仿真结果

脉搏测试手表软件要求既可工作在普通手表的计时模式，按正常时钟使用，又可工作在测脉模式，实现对脉搏计数的快速测量及显示，并在数值超出正常值时发出报警。本实验的软件部分由主程序、时钟计时子程序、测脉子程序、显示子程序等部分组成。其中主程序如图5所示［9］。

图5　主流程图

图6是在multisim10中连接的是电压转换电路及结果，这是本设计中最为关键的一步。电路由LM339组成电压比较器。当被比较的信号电压Uin小于参考电压时，输出为高电位（UO）。当Uin大于参考电压时，输出为高电位（UL），本次设计中进入的脉搏信号将会被转化成幅值为0V或5V的方波信号。

图6　系统仿真结果与显示

图7　前置放大电路的仿真及结果

本次设计中另一个部分是放大部分。前置放大受到压电传感器的影响，对前置的输入阻抗要求很高。根据之前已经制定的阻抗及连接电路进行仿真，仿真结果如图7所示。这部分的放大电路采用的是AD745运放器进行放大的。电路图中本设计中令C13和传感器压电晶片的电容值相等（输入端口接传感器）；R1=R3=108Ω，R2和R4取值远小于R1，使得前置放大增益值为：1+R4/R1。设计的传感器输出阻抗值为108数量级，前置放大器输入阻抗高达1010数量级，用来平衡前置放大电路中AD745输入源电阻（电阻和电抗），使得传感器的输出阻抗和前置放大器的输入阻抗能够达到很好的阻抗匹配。

根据仿真结果可知，电路产生了脉冲信号，可以作为信号接入单片机，达到了记录脉搏测试功能，完成设计的要求，因此可以得知，此电路是可行的，是可以实现设计要求的［10］。

4　结语

一般正常人的脉搏信频率都在20Hz～40Hz，经过传感器采集来的信号极易受50Hz和150Hz电磁干扰。LMF90是美国National Semiconductor公司生产的一种4阶椭圆陷波器，它具有如下特点：陷波中心频率 f0可以通过外部晶振设置；响应特性只需要调整引脚极性，无需其他外部元器件设置，设计简单，实现容易，故本设计以集成芯片LMF90为核心器件设置陷波器来抑制或消除工频及其倍频干扰信号。经过了放大和滤波的脉搏信号已基本满足对目的信号的要求，可用于实际脉搏手表的系统之中［11］。

［1］Yu Fu，Jian Liu.System Design forWearable Blood Oxygen Saturation and Pulse Measurement Device［J］.ProcediaManufacturing，2015（3）：1187-1194.

［2］João Paulo Teixeira，António Ferreira.Ambulatory Electrocardiogram Prototype［J］.Procedia Computer Science，2015（64）：800-807.

［3］ LiXinyu，Pulse Measuring Instrument Based on SCM［J］.Electronic Technology，2011（8）.

［4］Rickard John，Ahmed Salim，Baruch Martin，Klocman Bernard，Martin David O.Menon Venu Utility of a Novel Watch-based Pulse Detection System to Detect Pulselessness in Human Subjects［OL］.Departmentof Cardiovascular Medicine，Cleveland Clinic，Cleveland，Ohio；10.1016/j.hrthm.2011.07.030.

［5］彭桂力，刘知贵，李婧，等.无创血压、脉搏装置的初步设计［J］.北京生物医学工程，2007，26（2）：210-212.PENG Guili，LIU Zhigui，LI Jing，et al.The Design of Anon-hurt Blood Pressure and Pulse Measurement Instrument［J］.Beijing Biomedical Engineering，2007，26（2）：210-212.

［6］刘广伟，毛陆虹，谢生，等.一种光电反射式脉搏血氧监测方法［J］.光电子·激光，2014，25（3）：620-624.IIU Guangwei，MAO Luhong，XIE Sheng，etal.AMonitoring Method of Blood-oxygen Saturation Using Reflection Type Photoelectric Sensor［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2014，25（3）：620-624.

［7］杨玉兰.压电式脉搏波检测系统的研究［J］.长春理工大学学报（自然科学版），2010，33（4）：153-156.YANG Yulan.Research On the System of Piezoelectric Pulse Wave Testing［J］.Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition，2010，33（4）：153-156.

［8］王雪，朱嘉林.基于51单片机便携式脉搏测量仪设计［J］.北京信息科技大学学报，2016，31（4）：67-70.WANG Xue，ZHU Jialin.Design of a Portable Pulse Measuring Instrument Based on 51 Single Chip［J］.Journal of Beijing Information Science&Technology University，2016，31（4）：67-70.

［9］柳海华，卢路瑶，朱秀委.一个基于STC12单片机的无线脉搏监测系统［J］.微型机与应用，2016，35（18）：93-96.LIU Haihua，LU Luyao，ZHU Xiuwei.A Wireless Pulse Monitoring System Based on STC12 MCU［J］.Microcomputer&Its Applications，2016，35（18）：93-96.

［10］蔡军伟，颜幸尧.人体脉搏波两种测量方法的实验研究［J］.中国计量学院学报，2015，26（4）：450-457.CAI Junwei，YAN Xingyao.Experimental Study on Two Methods of PulseWave Measurement［J］.Journal of China University ofMetrology，2015，26（4）：450-457.

［11］易江平.MSP430F2553在智能脉搏测试仪的设计与应用［J］.自动化技术与应用，2016，35（9）：130-133.YIJiangping.Design and Application of Body Pulse Tester Based on MSP430F2553，Techniques of Automation and Applications，2016，35（9）：130-133.