2015年微型机与应用第22期 作者：杨 丹，丁梦晓，郑 磊，赵君豪，陶大锦

　　摘  要： 主要介绍了一种式脉搏测量仪的软硬件设计。该测量仪以单片机为主控制核心，采用DS-100A作为血氧饱和度的检测探头，利用主控制芯片对相关数据进行实时处理，若实时检测的人体数据信号与设定值相差较大，则触发SIM900A模块进行。该系统在无创实时监测的基础上额外增加了短信报警功能，更为人性化。

　　关键词： 血氧饱和度；无创便携；短信报警

　　血氧饱和度是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍、周围环境是否缺氧的重要指标。传统的测量血氧饱和的方法是先进行人体采血，通过血气分析仪进行电化学分析来测出血氧分压PO2后计算出血氧饱和度。该方法既不能进行连续实时的监测，还麻烦。近几年来，红外光谱光电法在无创式测血氧饱和度的应用方面已经取得较大的成功，通过测定透过组织床的光传导强度，来计算血氧饱和度。

　　与现有的血氧饱和度测量方法相比较，本文方法有以下特点[1]：（1）便携式设计，体积小；（2）连续无创伤地监测动脉血氧饱和度；（3）实时测量人体血氧饱和度，若测量的数据超过或低于正常值，系统将进行短信报警。

1 脉搏血氧饱和度测量原理

　　脉搏血氧饱和度测量原理是通过光电检测技术将线性变化的血氧浓度和非线性变化的脉搏这两者的物理量进行数字化，然后进一步处理实现对血氧饱和度的实时监测，且进行异常短信报警。由于人的手指是一个混合组织，当红光和红外光透过手指时，身体上的很多部位诸如皮肤、肌肉、骨骼、毛细血管、静脉血管和心脏舒张期的动脉血会产生一个恒定的吸光系数A。由于心脏搏动，动脉血充盈会引起血管容积变化继而形成脉动量的变化，由此产生变化的?驻A。当用两种特定波长的恒定光λ1、λ2照射手指时，运用Lambert-Beer定律可推导出[2-3]：

　　其中，１、１是对应于λ1波长的Hbo2、Hb的吸光系数，A１是λ1的吸光度变化量。2、2是对应于λ2波长的Hbo2、Hb的吸光系数，A2是λ2的吸光度变化量。一定波长的光和一定的透射物的吸光系数是个确定的量，即１、１、2、2为常量。要使式（1）中的Sao2和Hbo2之间呈近似线性关系，需适当选择，其表示为：

　　其中，Q为两种波长（Hbo2、Hb）的吸光度变化之比；a、b为仪器常数，与传感器结构以及测量条件有关，通过定标方法得出a、b常数。光源采用了两种不同波长的红光和红外光，其管芯经特殊的封装和PIN型光敏管组成了透射式夹指传感器。发光管的峰值分别为λ1=660 nm（红光），λ2=940 nm（红外），由单片机控制双脉冲发送使两发光管按顺序交替工作[1]。光敏管检测到的信号经调制放大，解调分离电路分别检出由红光和红外光产生的信号送单片机A/D口进行数据的处理。信号的测量过程如图1所示。

　　血氧饱和度是本系统最重要的探测参数。光电传感器接收交替发出的红光和红外光，所得数据在经过电路转化以及算法运算最终得到被测者的血氧饱和度。

　　图2所示是本系统的硬件流程图，该系统主要包括4个模块：驱动采样模块、信号处理模块、控制处理模块和报警模块。

　　2.1 驱动采样模块

　　图3为血氧探头传感器与接头的电气连接图。驱动采样模块分为驱动部分和采样部分，本系统采用目前使用最广泛的一种探头DS-100A。RID为特征电阻，R为红色发光二极管，IR为红外发光二极管，PD为光敏二极管。PD的两个接口连接AD623放大芯片[4]。

　　图4所示为H桥型电路，使红光和红外光交替以得到所要的数据，H桥型驱动电路实现了红光发光二极管和红外发光二极管的交替闪烁。人体的脉搏信号和血氧信号分别由红光和红外光来检测，但在测量过程中存在许多变量，如人体的血氧信号是线性变量，而且人体在剧烈运动后的脉搏频率与平静状况下也是不同的，大约在4 Hz。H桥型驱动电路能提供一个满足条件的采样频率，采样出两个完整的信号。

　　2.2 信号处理模块

　　图5为信号处理模块的流程原理图，前后分别经过前置放大电路、信号分离电路、低通滤波电路、高通滤波电路、A/D转换电路最终得到需要的数字信号[5]。

　　2.2.1 前置放大电路

　　AD623的交流共模抑制比随增益的增大而增大，因而能保持最小误差。通过改变正负端的电阻来改变增益，R2=510 ，R3=510 ，R1=1 k，R4=5 k，增益为20倍。AD623能最大限度地实现低失调、高输入阻抗的功能。图6为前置放大电路的具体原理图。

　　2.2.2 信号分离电路

　　信号分离电路采用四双向模拟开关CD4066，作模拟或数字信号的多路传输。CD4066中4个独立模拟开关的控制端由单片机的接口控制，控制端加高电平时开关导通，其导通电阻为几十欧姆；当控制端加低电平时开关截止，截止时呈高阻抗，视为开路。每个模拟开关的另外两个输入输出端可互换。信号分离电路如图7所示。

　　2.2.3 低通滤波电路

　　图8为典型的四阶有源低通滤波器。第一级放大滤波部分由两级RC滤波环节与同相比例运放电路组成，第一级滤波电路的通带增益为，R4=      1 k，R3=5 k；第二级放大电路即为同相比例运算电路，通带增益为，R6=4.7 k，R5=1 k。两级放大总的增益为Au=Au1*Au2=6。截止频率，C1=C2=0.1 F，即截止频率为20 Hz。

　　2.2.4 高通滤波电路

　　图9为有源高通滤波的具体原理图。它由一级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，电容C1接至输入端，引入正反馈改善幅频特性。滤波电路的通带增益为，电阻WRX为调零电阻，截止频率，R1=1 M，C1=C2=1 F，即截止频率取0.01 Hz。

　　在A/D转换电路中，采用高速串行模/数转换器AD7888。经放大电路输出后的信号，将其与A/D转换电路相连，由于信号已经被控制在0~5 V之间，所以可将模拟信号转换为便于单片机处理的数字信号。

　　AT89C52单片机需要设置地址、数据及控制信号以便更好地与AD7888配套使用。用其中的一个I/O端口产生数据转换的串行时钟，一个I/O端口写入控制字，一个I/O端口控制片选信号，一个I/O口接收数字信号数据。

　　2.3 控制处理模块

　　控制处理模块为单片机最小系统。本系统采用的单片机型号是AT89C52，它是一个低电压、高性能COMS8位单片机，片内含8 KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器。图10为同步时序控制电路时序信号图，通过单片机编写程序定时触发脉冲信号到H桥电路使红光和红外光交替发射。

　　本系统使用SIM900A模块[6]，双频GSM/GPRS模块，其无线收发模块的类型采用完全SMT封装。本文设计的GSM的短信传输模式，其数据采集硬件部分通过AT89C52单片机实现信号的处理等功能，处理采集的信号，若此血氧饱和度不在正常范围内，则将此信息发送到测量者手机上，实现了远程报警，并能第一时间采取医疗措施。

　　当采集卡上电复位后，驱动软件初始化主控芯片的端口、串口波特率、EEPROM中的固定参数、GSM通道设置以及模块串口设置。初始化后的主控芯片每隔一段时间判断是否有来自远程终端或手机短信预设的数据请求命令接口。当然外部也有时钟电路定时每分钟触发中断信号，然后由此开始采集传感器中已获取的数据值。当有命令传来，无线发送模块就将组建好的信息报文通过串口传送出去。

　　图11为系统软件流程图。血氧检测模块软件包括A/D转换、自动增益调节、血氧饱和度计算。定时器每隔10 ms产生一次中断来控制发光二极管分时发光，对信号处理后的光信号进行A/D转换和数据处理，这样就能根据光电信号的交直流成份之比，计算出血氧饱和度。

　　系统运行结果如图12所示。

　　本文设计的是一种基于GSM无创便携式血氧饱和度监控报警系统。该系统成本低、电路结构稳定简单、系统维护方便、测量精确，这样的医疗保健设备适用于中老年群体。在老龄化日益严重的今天，本系统有着非常广泛的应用前景和广阔的市场。

　　[1] 郑万挺，陈付毅.光电脉搏血氧心率仪电路设计[J].电子器件，2010，33（6）：786-789.

　　[2] 曲振宇，方舸，巫崎，等.脉搏血氧的检测研究[J].医疗装备，2010，23（5）：21-22.

　　[3] 陈丹，王晶，陈扬美，等.基于GSM便携式人体生理信号监控报警系统设计[J].电子器件，2013，36（1）：132-137.

　　[4] 高新军，刘新颖.脉搏血氧饱和度测量原理及常见血氧探头[J].中国医疗设备，2010，25（6）：57-59.

　　[5] 阮程，徐寅林，罗琚.无创血氧饱和度检测仪的研究[J].仪表技术，2011（1）：52-53.

　　[6] 甘志伟，闫凯.基于SIM900A的无线数据采集卡设计与实现[J].电子科技，2013（1）：55-58.

腕带式脉搏心率测量仪的制作方法
[0001]本实用新型涉及人体脉搏心率测试领域，尤其涉及一种腕带式脉搏心率测量仪。
[0002]国外发展情况:对于腕带式脉搏测量仪国内外基本都有广泛的研究，但绝大多数都是基于胸带传感器，即需要将传感器贴在胸口将数据发回手持设备完成心率测量，使用较为麻烦，如果长时间使用就需要经常充电，续航较短，现阶段成功研制光电反射腕带式脉搏测量仪的公司为美国M1阿尔法公司，利用双光束光电探测头，同时采集两幅脉搏波形。再通过双目视觉原理构成的脉搏图像传感器采集脉搏图像，在基于特征点的立体匹配框架中，利用图像梯度信息，引入基于三维梯度方向直方图的SIFT特征描述子作为区域特征描述符，进行图像特征的匹配，最后完成脉搏波形的准确测量，目前市场上常见的为Garmin以及GE0NAUTE，他们都是以需要胸带传感器工作的心率表但价格都较为昂贵；国内发展情况:国内便携式脉搏测量仪主要以台湾的ALATECH和EZON为主简单将传感器贴在心脏附件，信息发送给手持设备，在移动设备上显示心率。最近一段时间出现了用手机摄像头作为传感器的APP。因使用软件测量时需要长时间打开手机的闪光灯，利用闪光灯发射出的光穿透皮肤，同时利用摄像头对其明暗变化进行分析最后得出脉搏数。但该方法不能适用于连续测量，因闪光灯开启时温度会逐渐上升到人体难以承受的程度。其次，该测量方法不具备参考性，该方法仅仅是通过摄像头算法对皮肤的血液流动的明暗变化得出的脉搏，精确度有待考量，因此，解决这一类的问题显得尤为重要。
[0003]针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种腕带式脉搏心率测量仪，通过设置有脉搏测量硬件部分采集数据运输并由主控部分进行数据处理，最终得出的数据显示在显示屏上，以解决现有测量仪效率低，价格昂贵的问题。
[0004]为了解决上述问题，本实用新型提供了一种腕带式脉搏心率测量仪，包括有腕带式心率表，所述心率表的外表面设置有显示屏，所述心率表由脉搏测量硬件部分、主控部分和供电部分组成，所述脉搏测量硬件部分由LED发光二极管、光学传感器和低功率运算放大器构成，所述LED发光二极管和光学传感器安装在心率表的内表面贴于手腕的血管，所述低功率运算放大器安装在心率表的内部，所述主控部分由安装在心率表内部的单片机组成，所述供电部分采用法拉电容，由脉搏测量硬件部分采集数据运输并由主控部分进行数据处理，最终得出的数据显示在显示屏上。
[0005]进一步改进在于:所述显示屏设置有两个，一种为OLED屏幕，另一种为LCD段式数字显示屏幕。
[0007]进一步改进在于:由所述LED发光二极管、光学传感器和低功率运算放大器构成一个高度集成的一体化反射式光电探测头，且光电探测头的启动电压为1.8V。
[0008]本实用新型的有益效果是:
[0009]1.该设计具备目前市场上所有该类型产品不具备的超高速充电能力；
[0010]2.目前便携式心率测量装置，大多数需要同时佩戴胸带才能测量心率。穿戴较为不便，供电方面基本都采用普通的圆片电池供电，更换电池麻烦，而且价格也较为昂贵多为500元以上。而不需要佩戴胸带的心率表价格更为昂贵一般在2000元以上；
[0011]3.本设计中，采用超低功耗微型单片机作为处理器，光电一体传感器。总重量不超过50g。非常便于携带。同时制造成本极低约30元左右。在偏远地区推广具有很高的市场前景；
[0012]4.该设计具备目前目前市场上所有该类型产品不具备的超高速充电能力。
[0013]图1是本实用新型的结构示意图。
[0014]其中:1-心率表，2-显示屏，3-LED发光二极管，4_光学传感器，5_低功率运算放大器，6-单片机，7-法拉电容。
[0015]为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例对本实用新型做进一步详述，本实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。
[0016]如图1所示，本实施例提供了一种腕带式脉搏心率测量仪，包括有腕带式心率表I，所述心率表I的外表面设置有显示屏2，所述心率表I由脉搏测量硬件部分、主控部分和供电部分组成，所述脉搏测量硬件部分由LED发光二极管3、光学传感器4和低功率运算放大器5构成，所述LED发光二极管3和光学传感器4安装在心率表I的内表面贴于手腕的血管上，所述低功率运算放大器5安装在心率表I的内部，所述主控部分由安装在心率表内部的单片机6组成，所述供电部分采用法拉电容7，由所述脉搏测量硬件部分采集数据运输并由主控部分进行数据处理，最终得出的数据显示在显示屏上。所述显示屏2设置有两个，一种为OLED屏幕2-1，另一种为LCD段式数字显示屏幕2-2(低功耗模式下使用)。所述法拉电容采用NEC
2.7V/50F，具有容量大，充电速度极快的特点。由所述LED发光二极管3、光学传感器4和低功率运算放大器5构成一个高度集成的一体化反射式光电探测头，且光电探测头的启动电压为1.8V具备极低的功耗，超高的灵敏度。本实用新型和市场上大多数的便携脉搏测量仪不同，该系统具备实时动态的脉搏显示，通过计算两次脉搏的时间差，及时将脉搏显示在显示屏上。
[0017]该设计具备目前市场上所有该类型产品不具备的超高速充电能力；目前便携式心率测量装置，大多数需要同时佩戴胸带才能测量心率。穿戴较为不便，供电方面基本都采用普通的圆片电池供电，更换电池麻烦，而且价格也较为昂贵多为500元以上。而不需要佩戴胸带的心率表价格更为昂贵一般在2000元以上;本设计中，采用超低功耗微型单片机作为处理器，光电一体传感器，总重量不超过50g，非常便于携带。同时制造成本极低约30元左右。在偏远地区推广具有很高的市场前景;该设计具备目前目前市场上所有该类型产品不具备的超尚速充电能力。
1.一种腕带式脉搏心率测量仪，包括有腕带式心率表(I)，所述心率表(I)的外表面设置有显示屏(2)，其特征在于:所述心率表(I)由脉搏测量硬件部分、主控部分和供电部分组成，所述脉搏测量硬件部分由LED发光二极管(3)、光学传感器(4)和低功率运算放大器(5)构成，所述LED发光二极管(3)和光学传感器(4)安装在心率表(I)的内表面贴于手腕的血管上，所述低功率运算放大器(5)安装在心率表(I)的内部，所述主控部分由安装在心率表内部的单片机(6)组成，所述供电部分采用法拉电容(7)，由所述脉搏测量硬件部分采集数据运输并由主控部分进行数据处理，最终得出的数据显示在显示屏上。2.如权利要求1所述腕带式脉搏心率测量仪，其特征在于:所述显示屏(2)设置有两个，一种为OLED屏幕(2-1)，另一种为IXD段式数字显示屏幕(2-2)。3.如权利要求1所述腕带式脉搏心率测量仪，其特征在于:所述法拉电容采用NEC2.7V/50Fo4.如权利要求1所述腕带式脉搏心率测量仪，其特征在于:由所述LED发光二极管(3)、光学传感器(4)和低功率运算放大器(5)构成一个高度集成的一体化反射式光电探测头，且光电探测头的启动电压为1.8V。
【专利摘要】本实用新型公开了一种腕带式脉搏心率测量仪，包括有腕带式心率表，所述心率表的外表面设置有显示屏，所述心率表由脉搏测量硬件部分、主控部分和供电部分组成，所述脉搏测量硬件部分由LED发光二极管、光学传感器和低功率运算放大器构成，所述LED发光二极管和光学传感器安装在心率表的内表面贴于手腕的血管，所述低功率运算放大器安装在心率表的内部，所述主控部分由安装在心率表内部的单片机组成，所述供电部分采用法拉电容，由脉搏测量硬件部分采集数据运输并由主控部分进行数据处理，最终得出的数据显示在显示屏上。
【发明人】赵晓莹, 白金, 刘瑞
【申请人】安徽机电职业技术学院
【公开日】2016年6月29日