基于最小方差法的脉搏频率测量系统研究

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1、2016年4月陕西理工学院学报(自然科学版)Apr．2016第32卷第2期JournalofShaanxiUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol．32No．2［文章编号］1673－2944(2016)02－0029－05基于最小方差法的脉搏频率测量系统研究张开生，权思敏(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021)［摘要］系统以嵌入式芯片LPC2103为控制核心，采用红外脉搏传感器HKG-07A

2、采集人体脉搏信号，将采集到的信号经过放大电路处理之后传输至嵌入式芯片，利用芯片内部的定时器计数短时间内脉搏跳动的次数，通过求最小方差的方法计算人体每分钟的脉搏频率，并将测量结果实时显示在数码管上。与传统脉诊方法相比，该方法实时性强，便于测试者使用。［关键词］脉搏频率;脉搏传感器;最小方差;嵌入式;数码管［中图分类号］TN21;TP368．2［文献标识码］A在我国传统中医学中，脉诊是最具有特色的一种诊断方法，它历史悠久，内容丰富，在中医诊断中占有极为重要的地位。然而，通过脉诊判断出人体的脉搏频率及身体健康状况需要多年的不断学习与经［1-2］验积累，并且

3、脉诊的测量结果不够直观。随着现代科学技术的不断发展，特别是信号检测处理技术及计算机科学技术的飞速发展，人们对人体脉搏信号的检测分析有了更加深入的研究。传统的脉搏频率测量是通过人体脉搏检测并计数，从而得出人体每分钟的脉搏频率，其测量结果不稳定，误差大，并且［3］不直观。本系统采用的嵌入式芯片，运算处理速度快，实时性强，并且采用最小方差的方法测量脉搏频率，可以将测量结果误差最小化。1系统设计脉搏频率测量系统由红外脉搏传感器、信号放大电路、嵌入式芯片以及脉搏频率显示4部分组成。根据系统模块功能的不同，系统的结构框图如图1所示。(1)红外脉搏传感器:将采集到

4、的人体脉搏信号转换为相对应的模拟电压信号进行输出。(2)信号放大电路:将脉搏传感器采集到的微弱的图1系统框图脉搏信号进行放大，并将其传输到嵌入式芯片内部A/D转换器中，以便于将脉搏信号转换为数字信号进行后续计算、处理。(3)嵌入式芯片:嵌入式芯片是以LPC2103为核心，它用来控制A/D转换器的相应寄存器对输入［4］的脉搏信号进行从模拟信号到数字信号的转换，并利用芯片内部的定时器结合最小方差对数字信号进行定时计数处理，从而计算出人体脉搏频率。(4)脉搏频率显示:将脉搏频率计数、测量的结果实时显示在数码管上。收稿日期:2015-10-28修回日期:20

5、16-01-08基金项目:西安市科技局项目(CXY1343(6));榆林市科技局项目(2011K-29);陕西省西安未央科技区项目(2012-03)作者简介:张开生(1963—)，男，山西省运城市人，陕西科技大学教授，博士，主要研究方向为嵌入式系统的应用;权思敏(1991—)，女，陕西省宝鸡市人，陕西科技大学硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统及物联网的应用。·29·陕西理工学院学报(自然科学版)第32卷2系统硬件设计2．1信号采集脉搏传感器位于脉搏频率测量系统最前端，具有获取检测信号与转换信号的重要作用。由于压力类脉搏传感器主要是腕带式的，其输出的

6、脉搏波形容易随着被测试人员的穿戴习惯而发生变化。系统采用红外脉搏传感器可以有效地避免这一问题，并准确地输出被测试者的脉搏波形。红外系列脉搏传感器检测人体脉搏波形的原理，是根据波长固定的红外线对人体血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动而引起的被测试者指尖的血液容积发生相应的变化，采集到的脉搏信号会经过脉搏传感器内部的信号放大、调理等电路的处理。本系统采用的传感器型号为HKG-07A，其输出信号为反应指尖血容积变化的完整的脉搏波电压信号，该系列红外脉搏传感器主要用于临床上脉搏频率的测量、监测以及脉搏波形的病理分析。2．2信号

7、预处理在系统硬件电路中，最主要的是对脉搏信号进行处理的放大、调理电路，其主要作用是把红外脉搏传感器采集到的微弱的脉搏信号调理为满足嵌入式芯片LPC2103内部的A/D转换要求的信号。由于红外脉搏传感器采集到的脉搏信号电压幅度范围为0～600mV，而嵌入式芯片LPC2103内部的A/D转［4］换器的输入电压范围是0～3．3V，为了达到芯片的转换要求，需要把脉搏信号放大到合适的范围，即把脉搏信号放大5倍。信号放大电路主芯片选用的是AnalogDevices公司的AD8553，电路图如图2所示。图2AD8553电路图2．3显示电路脉搏频率显示电路采用7段共

8、阳数码管实时显示脉搏频率的测量结果，数码管由8个发光二极管组成，当发光二极管被点亮时，会显示相对应的数字。数