HKY-06B心音传感器在岩溶环境水样数据采集场合下的创新优化

李康，周燕，李俊杰

（凯里学院，贵州凯里， 556011）

0 引言

在喀斯特岩溶环境中取样主要来源于钟乳石底部沉积附着的水[1]，各个观测点的环境不同以及外部干扰，水样下降速度具有较大偏差，地质人员在分析水样成分的同时将水的滴速纳入研究范围，目前在市场上能够对样本滴速监测的设备几乎没有，针对以上问题，本文将着重在获取岩溶环境水样滴速电信号上出发，改装原有的心音传感器HKY-06B，并对调理电路设计，将微弱的水样信号放大处理成微控制器能够识别处理的电信号[2]。目前心音传感器HKY-06B主要应用于医疗领域，国内合肥华科电子技术研究所对产品不断升级迭代，在心音信号处理上也在不断完善，其方向主要在于前端心音信号的采集，信号放大滤波电路优化上，在应用领域场合上很少有探索，因此将心音传感器经过改装迁移至岩溶环境水样采集的应用场合具有一定的研究意义。

1 国内外研究现状

心音传感器在国内外普遍用于医学生物信号的监测，在研发上不断创新，中北大学通过仿生MEMS心音传感器设计电子听诊器，用于早期心血管疾病的预防和数字诊疗需求[3]。部分研究机构在心音传感器传感材料上优化，研究PVDF共性聚物膜的压电特性，对心音信号进行电荷放大、电压放大，用数据采集卡采集[4]。国内部分高校针对心音信号与物联网结合，通过ZigBee技术组网完成信号的传输。针对心音传感器在岩溶环境数据采集上，目前，云南地理研究所在心音传感器传感面大小及压电性能上做了不少研究。国外针对心音传感器的研究主要在信号提取，信号处理，信号与疾病之间的映射关系，在软件层面高度集成化，实时测量。岩溶环境下数据自动采样基本沿用美国QED地下水采集设备，因此，心音传感器用于岩溶环境数据采集是一个创新的方向。

2 心音传感器的改装

■2.1 传统心音传感器的工作原理

HKY-06B心音传感器通过高分子聚合材料微音传感元件采集心在搏动和其他体表动脉搏动信号，再经过高度集成化信号处理电路处理[5~7]。HKY-06B心音传感器具有低电压供电，频率响应高，灵敏度高等特点[8]，普遍能够被微控制器检测，其典型应用电路如图1所示。

图1 HKY—06B心音传感器典型运用电路

HKY-06B心音传感器接口定义较为简单，电源VCC范围为3~5V，信号输出Vout为0.5~1.5V，C1与E1均为电容，在电路中主要起到滤波和得到一个纯净的电源的作用，IC1为一个运算放大器，在这里将其作为一个电压跟随器，其放大倍数为1，主要起到一个缓冲作用和无干扰的输出信号。

■2.2 传感器结构优化设计

HKY-06B心音传感器目前主要用于心音采集、胎音采集以及其他体表微音信号采集[9]，其传感接触面较小并且信号微弱，无法直接用于岩溶环境下水样数据的采集。为了能够方便并且稳定获取水样的电的信号，主要从心音传感器的传感接触面及采样装置的结构设计上优化。在实验模拟中，水滴信号很难在传感面上获取并且极其不稳定。为了解决这一问题，结合传感器传感面的材料和适用的场景，采用高分子PET胶片与EPE珍珠棉贴合作为传感器信号接触面，PET是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。PET有酯键，在强酸、强碱和水蒸气作用下会发生分解，耐有机溶剂、耐候性好，水样本在其环境下不会发生化学反应，在一定程度杜绝了水样本的污染，在接收由水样传导的形变振动较为均匀，EPE珍珠棉为聚乙烯发泡棉，非交联闭孔结构，是一种新型环保材料，具有很好的抗化学性能，对水样本污染几乎为零，随着材料密度的增加，达到同一应变时对应的应力越大，能量吸收较好，完全可以模拟人体表面皮肤环境传导电信号，水样本下落的冲力对PET胶片产生形变传到给压电薄膜转换成电信号[10]。心音传感器传感面由原来半径为2cm的传感区域扩大至现有半径6cm的传感区域，有利于水样信号的接收。在岩溶环境中，为了便于携带和多点位取样，在结构上进行了较大改变，如图2所示。

图2 水样取样装置结构图

在图2中，取样装置设计成圆锥体形，可以最大限度接收水样本，并且在一定程度上防止水样本的溅出，保证了水样电信号的完整性。二级缓冲区设计成空间球形，上大下小，水样采集时能起到缓冲作用。下面对以上三个部分设计功能进行简单描述：心音传感器扩大传感面中心点附近区域均可发生形变而产生电信号，信号传导面增大；旋转伸缩柱钉通过旋转可以不断调节传感面下边沿着力点，从而改变传感面倾斜角度，调节式寻找不同观测点最佳倾斜度和受力点，满足实际环境监测的需要；球形空间缓冲设计，容积设计为 6.28mL，样本经过雨量传感器翻斗进入样品区，雨量传感器的翻斗固定值为6.28mL触发一个脉冲信号。

3 调理电路的设计

改装心音传感器的传感面后，通过实验场景模拟，心音传感器传递出的原始信号包含交流与直流成分，并且有较多高频信号与低频信号干扰，微控制器无法精准识别并且进行数字化处理，那么首要就要解决信号隔直流、滤波、放大三个问题。在调理电路上不断优化测试，最终如图3所示设计，可以得到一个较为稳定的电平信号，下面对电路进行详细分析。

图3 调理电路

通过电容C1去除心音传感器输出信号中约为2V的直流成分，R1与R2串联组成偏置网络，节点电压记为抬高交流成分的基准电压，再通过R3与C2组成RC滤波电路，去除原始信号中低频成分，直流成分在R3上进行分担。信号接入LM324D运算放大器之前比较微弱，通过R4可调电阻器与R5组成反馈网络，根据运算放大器虚断与虚短原理，可得运算放大器放大倍数，放大倍数记为，R4是可变的，那么放大倍数K是可控的，实验发现当R4调节至4.5k时，K为3.25，运算放大器输出波形最理想。经过滤波和放大的信号波形存在正负向电平并且同步对称出现，在运算放大器的输出端分别接入两个由LM324D的运算放大器构成的电压比较器，对正向电平的切割由R8调节，这里设置为2.4V的参考电压，对负向电平的切割由R9调节，这里设置为1.2V的参考电压，电平切割完成后，最终信号通过由运算放大器构成的电压跟随器送入至微控制器，电压跟随器在这里起缓冲作用。心音传感器输出信号的变化过程如图4所示。

图4 输出信号变化过程

在图4(a)中可以看到心音传感器原始信号携带很多高频干扰成分，前置电容C1滤波后，图4(b)中信号明显变得清晰，但是伴随负向毛刺干扰，通过第一级运算放大器LM324D后，在图4(c)中正向电平和负向电平均被放大，通过设置正负向的切割电平对放大后的信号切割，并且将信号通过电压跟随器输出，在图4(d)中，可以明显看到信号成周期性出现并且稳定，调理电路的设计基本达到设计要求。

4 水样本信号识别与监测

前面对HKY-06B心音传感器传感面材料及结构上均进行了优化，扩大传感面，前置调理电路对输出信号进行了预处理，基本得到一个纯净稳定的信号。研究人员主要研究的参数为水样本滴速（水滴在钟乳石上下落的频率），在电路上对应于水滴的脉冲信号。在微控制器前端设计脉冲检测电路，如图5所示。SMBJ6.8CA为双向瞬态抑制二极管，对于心音传感器传导的电信号中如果存在尖峰电压和浪涌电流，双向瞬态抑制二极管就会导通，阻值很小，吸收大能量，功率变得很高，将电位钳制在一个预定范围，保护后级电路稳定。R1为上拉电阻，C1为滤波电容，对RainNum信号中的高频成分进行过滤，最后通过R2限流电阻接至微控制器。在本设计中，采用当前主流嵌入式芯片STM32F103ZET6作为主控器，因其具备较丰富片上资源，如，通用数据口（GPIO），异步通信串口（USART），模数转换器（ADC），定时器（TIM）等而被电子设计人员所选择。Rain_Num信号接至单片机的GIPO，同时利用Timer定时器中断函数TIM_TimeBaseInit(TIM2，&TIM_TimeBaseInitStructure)与外部中断函数EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising，监测Rain_Num信号脚电平的上升沿跳变，如触发中断，获取此时的时间，并且在软件设计中用于计数的变量进行自增操作。

图5 脉冲检测电路

5 结语

通过对HKY-06B心音传感器的结构设计将水滴压力信号带动传感接触面形变产生电信号，极大方便了在喀斯特岩溶环境中取样，也为水样数据的智能采集提供一个研究方向[11]。调理电路的设计可以说是本文最为创新的部分，通过不断的电路优化设计和试验测试，完成了心音传感器复杂原始信号到能够被微控制器识别的稳定信号。微控制器通过对水样数据处理存储可以衍生出水样观测的许多属性参数，为地下水分布模型提供数据支撑[12]。心音传感器在医学应用的场合转向喀斯特岩溶水取样，对信号的捕捉上发生了极大改变，前期在心音传感器的传感面上做了大量实验和数据分析测算，在较为合理的设计上捕获到水样压力信号是该项研究进行下去的前置条件。