血氧饱和度测量仪的设计要点
血氧饱和度测量仪
的设计
目录
摘要 (3)
第一章绪论 (4)
1.1血氧饱和度的基本概念 (4)
1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意义 (3)
1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求 (4)
1.4基本步骤 (5)
1.4.1 理论依据 (5)
1.4.2 硬件电路的设计 (6)
1.4.3 软件设计 (6)
1.4.4 仿真及数值定标 (6)
第二章实验方案设计及论证 (6)
2.1 设计理论依据 (6)
2.2. 双波长法的概念 (6)
2.3 光电脉搏传感器 (7)
2.4 传感器可能受到的干扰 (9)
2.5实验方案设计 (10)
第三章硬件电路的设计 (10)
3.1硬件原理框图 (10)
3.2各部分电路的设计 (11)
第四章软件模块设计 (13)
4.1主程序流程图 (14)
4.2子程序流程图 (14)
4.3硬件调试 (16)
第五章设计收获及心得体会 (17)
第六章参考文献 (19)
附录程序清单 (20)
摘要
氧是维持人体组织细胞正常功能，生命活动的基础。人体的绝大多数组织细胞的能量装换均需要氧的参加。所以，实时监护人体组织中氧的代谢具有重要的意义。
人体的新陈代谢过程是生物氧化过程。氧通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(2HbO )，再输送到人体各部分组织细胞中去。在全部血液中，被氧结合的2HbO 容量占全部可结合容量的百分比称为血氧饱和度2O Sa 。许多临床疾病会造成氧供给的缺乏，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的还会威胁人的生命，所以动脉血氧浓度即2O Sa 。 的实时监测在临床救护中非常重要。
在本次关于血氧饱和度测量仪的设计中，是基于MCS —51单片机的设计，需要选测合适的光电脉搏传感器采集数据，并利用4为LED 数码显示测量值，利用键盘切换显示脉搏跳动的频率。
关键词：51单片机 血氧饱和度 比尔—朗伯定理
第一章绪论
1.1血氧饱和度的基本概念
血氧饱和度(SO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2+Hb浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占百分数。因此，监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。正常人体动脉血的血氧饱和度为98% ，静脉血为75%。（Hb为血红蛋白，hemoglobin，简写Hb）
1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意义
人体的新陈代谢过程是生物氧化过程，而新陈代谢过程中所需要的氧，是通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)，结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再输送到人体各部分组织细胞中去通过连续或间断地监测血氧饱和度可以对人体携带氧的能力进行估计, 同时,其又是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标, 在手术麻醉、监护室急救病房、病人运动和睡眠研究、以及慢性呼吸循环系统疾病患者的监上都有着重要的作用。
传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血，再利用血气分析仪进行电化学分析，测出血氧分压PO：，计算SaO2：。这种方法比较麻烦，且不能进行连续的监测。因此，一种采用无损光谱学连续检测人体的血氧含量的方法应运而生。其基本原理是根据组织对光的固有特性，利用光在组织中传播的效应来获取和研究生物组织生理的、代谢的有用信息，安全、可靠、对肌体无损，具有广泛的研究应用前景和重要的实用价值。
1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求
通过MCS—51单片机（或其他单片机）制作一台数字显示的血氧饱和度测量仪。要求如下：
1.了解什么事血氧饱和度，掌握无创测量血氧饱和度的方法；
2.选择光电脉搏传感器，设计血氧饱和度检测电路；
3.利用4为LED 数码显示测量值并可以切换显示脉搏跳动的频率；
4.选测单片机构建信号采集系统；
5.需将完成的检测调理电路，通过软件仿真验证。 1.4基本步骤 1.4.1理论依据
无创血氧饱和度的检测原理是根据Beer-Lambert 定律，引出分光光度法进行物质定性分析和定量分析。根据这个理论基础，由氧合血红蛋白与还原血红蛋白对不同波长色光的吸光度不同和血氧饱和度的定义，推导出动脉血管中的血氧饱和度计算公式。根据朗伯-比尔定律可以得出单色光透过某均匀溶液后透射光强I 与溶液诸参数的关系是：
ECD e I I -?=0
式中：E 表示该溶液对某特定单色光的吸光系数；C 表示该溶液的浓度；D 表示光透过溶液所经光程长度。若定义吸光度A 为：A=ln(I0／I)=ECD
假如均匀组织为血管，当动脉血脉动时，D 将有一个△D 的改变，此时透射光I 也将有一个△I 的改变，此时吸光度A 的改变△A 为： △A=ln[I ／(I-△I)]=EC ×△D
根据医学定义，由于含氧血红蛋白和还原血红蛋白处于同一血液溶液中，他们的含量之比即为浓度之比，这样血氧饱和度为：
)1ln(ln
1
][][][2
1222I
I
I I I W w C C C Hb HbO HbO SpO ?-=?-=??+=
+=
如下：现定义
式中：△W 即为该色光光电信号的交直流成份之比，由以上表达式再根据数学变换，当有两路光源透射过手指后最终可以推出血氧饱和度的计算表达式为：
)()(12
122
2
2E E W
W E E E W W E SpO -'-?'
?-'-?'
?=
式中：Ei 表示不同物质的吸光系数，对于一定波长和一定组织成分而言，Ei 是确定的常量。将上式写为如下形式，并展开成二阶泰勒级数为：
22Cx Bx A d W
W c b W W a
SpO ++=+?'?+?'
?= 只要测量出色光光电信号的交直流成份之比△W ’／△W 与标准血氧计测量的血氧饱和度，利用最小二乘法二次曲线拟合技术，确定常数A ，B ，C 就可以得到血氧饱和度经验公式。 1.4.2硬件电路的设计
根据脉搏血氧饱和度的测量仪的测量原理，设计了以MCS —51单片机为核心的脉搏血氧饱和度仪的硬件电路，包括方波脉冲发生电路，光电驱动电路，滤波电路，放大电路，数码显示电路，解调电路，电源等。 1.4.3软件设计
编程产生时序，控制光源驱动电路，ADC0809，数码显示，实现检测结果数字显示及控制整个硬件系统，编程实现信号的增益调节等。 1.4.4仿真及数值定标
在完成血氧饱和度测量仪硬件系统金额信号处理之后，对脉搏血氧饱和度测量仪进行实验以验证测量的精度。为了能在实际应用中得到可信的结果，应对测量仪进行数值的定标，以取得最准确的定标参数。
第二章 实验方案设计及论证
2.1设计理论依据
血氧饱和度测量仪的设计主要依据是比尔—朗伯定律，和双波长法以及光电脉搏传感器，采用无创血氧饱和度测量仪的设计理念。
2.2双波长法的概念
在单位时间内有两条波长不同的光束λ1和λ2交替照射同一个溶液，由检测器测出的吸收度是这两个波长下吸收度的差值△A 。△A 与被测定物质的浓度成正比，这个方法称双波长分光光度法。
双波长分光光度法的关键是正确选择两波长λ1、λ2，要求被测组分D 在两波长处的△A 足够大，而干扰组分G 和背景在两波长应有相同的吸光度(△A=0)。为满足上述要求，一般是将λ2选在待测组分的最大吸收波长，λ1是选在干扰组
分等吸收波长。可测定浑浊样品，也可测定吸收光谱相互重叠的混合物样品，也是当杂质使主峰产生肩峰时测定主峰物质的较好定量方法。
2.3光电脉搏传感器
a.光电式脉搏传感器的原理
根据朗伯比尔(Lamber Beer) 定律, 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时, 通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量高, 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄, 透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。
b.光电脉搏传感器的结构
从光源发出的光除被手指组织吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2 种, 其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光, 这种方法可较好地反映出心律的时间关系, 但不能精确测量出血液容积量的变化; 反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧, 接收的是血液漫反射回来的光, 此信号可以精确地测得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器, 侧重于脉搏信号的测量。
c. 光敏原件
光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法, 其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。在传统的光电式脉搏传感器设计中, 通常采用的是独立光敏元件, 利用半导体的光电效应改变输出的电流, 通常光敏元器件输出的电流极低, 容易受到外界干扰, 而且对后续
的放大器的要求比较严格, 需要放大器空载时的电流输出较小, 避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰, 这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。
在本设计中，采用一种光敏元件OPT101 , 该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部, 这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响, 而且芯片输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节, 有利于芯片适应整体的电路设计, 同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。
d.发射光源
光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件, 以及相应的信号调理控制电路构成。为了充分利用器件的效果, 光源和光敏元件的选择是综合考虑的, 光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高的波段内, 图4 为OPT101 的光波长响应曲线。
脉搏信号主要由动脉血的充盈引起, 而血液中还原血红蛋白( Hb) 和氧合血红蛋白( HbO2 ) 含量变化将造成透光率的变化, 当氧合血红蛋白和还原血红
蛋白对光的吸收量相等时, 透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起, 此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图5 为血红蛋白的光吸收曲线, 从图中可以看出, 血液中HbO2 和Hb 对于不同波长光的吸收系数的差异明显, 而且 2 条曲线好几个不同的交点, 考虑到在805nm波长处, 血红蛋白的光吸收率比较低, 那么透射过手指的光强较大, 有利于光敏器件的接收, 因此发射光源的波长选择为805nm。
2.4传感器可能收到的干扰
在测量过程中, 前端测量到的脉搏信号十分微弱, 容易受到外界环境干扰, 因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析, 从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰, 使之能够准确测量到脉搏信号。光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声, 下面对上述情况结合实验测量做进一步的分析。
a.环境光对脉搏传感器测量的影响
在光电式脉搏传感器中, 光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光信号, 而且包含测量环境下的背景光信号, 由于动脉搏动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多, 因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定, 减少背景光的干扰。
测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响, 同时考虑到传感器使用的方便性, 采用密封的指套式的包装方式, 整个外壳采用不透光的介质和颜色, 尽量减小外界环境光的影响。为了避免测量过程中的二次反射光的影响, 在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料, 这样能有效减少二次反射光的干扰。
由图7 的图形明显可知, 加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本上不受外界环境光的影响, 而且能够有效减少二次反射光, 使照射到手指上的光波长单一, 所以得到的脉搏信号较为稳定, 没有明显的重叠杂波信号, 能够很好地体现出脉搏波形的特征。
b.电磁干扰对脉搏传感器的影响
通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱, 容易受到外界电磁信号的干扰, 在传统的光电式脉搏传感器电路中, 由于光敏器件和一级放大电路是分离的, 那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰,通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。本系统采用了新型的光敏器件, 在芯片内部集成光敏器和一级放大电路, 有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰
工频干扰是电路中最常见的干扰, 脉搏信号变化缓慢, 特别容易受到工频信号的干扰, 因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在013～30 Hz 之间, 小于工频50 Hz ,因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰, 这在信号调理电路中容易实现; 同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制。这样不但能够降低系统的功耗, 而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰。在脉搏信号数据采集后, 可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。
c. 测量过程中运动噪声
在测量过程当中, 通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动, 这样对脉搏测量产生误差, 可以通过2 个方面减少运动噪声误差: 一是改善指套式传感器的机械抗运动性, 比如说使指套能够更紧的夹在手指上, 不易松动; 二是从脉搏信号处理的角度, 通过算法来减小误差,对于传感器的设计, 现在采用的主要是第一个途径。
2.5实验方案设计
根据实验指导书，设计采用MCS—51单片机的最小系统，通过555定时器产生方波，通过二分频对红光二极管和红外光二极管作用，根据双波长法测量血氧饱和度，光电传感器OPT101接受光信号，再通过解调电路，滤波电路，输入A/D转换器，单片机取出通过A/D转换器的数据，并在LED上显示。通过编程，使当按键盘后，显示切换成脉搏频率的显示。
第三章硬件电路的设计
3.1硬件原理框图
该系统主要由传感器驱动电路，光电传感器，时序控制电路，积分滤波，液晶显示电路和8951单片机构成。信号处理和控制采用的是美国CYGNAL 共生产的C8951单片机，与普用的8051单片机相比，89C51具有以下几个重要特点：
1.速度快：高达25M/s 的速度，比标准8051快了20倍以上，丝毫不逊于PLC ，ARM 单片机。
2.强大的模拟信号处理功能：有32路12位的ADC ，两路12位精度的DAC ，两路模拟比较器。
3.强大的控制功能：多大64位的I/O 口线，独特地数字开关阵列可将内部的定时器串行总线，外部中断源，A/D 转换输入等定位于P0，P1，P2。
4.存储器：64KB 的FLASH 存储器，部分可用数据存储器，片内4KB 的RAM 存储器。
5.。丰富的串行接口：具有标准的全双工UART ，C I /2串行总线和SP2串行总线。
3.2各部分电路的设计 3.2.1单片机的最小系统电路
用8051等内有ROM 单片机构成最小系统时，只要在单片机的外围接时钟电路和复位电路，单片机就可以工作了。8031类内无ROM 型单片机，仍
AT89C51单
片机
A/D 转换器
键盘
复位自检 LED 显示
滤波电路
解调器和光电传感器
红光/红外光发光管
555定时器产生方波信号
需要外扩更大程序存储器的单片机，在构成最小单片机应用系统时，不仅要外接晶体振荡器和复位电路，还应在片外扩展程序存储器ROM ，这时EA 应接高电平。
XTAL218
XTAL1
19
ALE 30EA
31
PSEN 29RST
9
P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78
P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD
17
P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1
AT89C51
X1
12M
C1
20pF
C2
20pF
+5V
R1
4k7
R2
200R
C3
20uF
3.2.2 555定时器产生方波信号电路
采用555定时器产生一个2KHZ 的方波信号，采用电路图为：参照附录硬件原理图。电阻选用10K 的电阻，电容则为0.01uF 。之后需要接入一个D 触发器用于二分频。
R
4
DC
7Q 3
G N D
1
V C C
8
TR
2
TH
6
CV
5
U8
555
D1
DIODE
D2
DIODE
R8
10k7
RV1
100k
R9
10k7
RV2
100k
C80.01uF
C9
0.01uF
+5V
R10
10k7
3.2.3 滤波电路
采用BUTTERWORTH 滤波器进行滤波操作，分别对红光交流，红光直
流，红外光交流，红外光之流进行滤波处理，其中电感原件为通直阻交，电容原件为通交阻直。其次，还要通过一个正负1放大器来对共模干扰进行滤除，之后再进行滤波器滤波操作。
5
6
7
8
4
U7:B
AD746SP
R4
69k7
R5
69k7
R65.86k7
R7
10k7
_5V
+5V
C4
0.1uF
L1
1uH
C6
0.1uF
3.2.4 解调电路及外拉电阻
采用4053作为解调器，两个电容均选用10K 的。外拉电阻采用RD1（10K ）,外拉电阻的作用是维持电平稳定，增加单片机带负载能力。
3.2.5红光和红外光发光模块
利用两个发光二极管进行红光和红外光的发光控制。当555定时器产生的2KHZ 的方波脉冲，通过D 触发器二分频后，来控制红光和红外光的发光。
17
7
Q2
NPN
Q3
NPN
RV3
100R
R18
200R
R20
200R
RED
LED
第四章 软件模块设计
脉搏血氧饱和度测量仪的软件部分主要包括：硬件初始化和系统自检，红光
和红外光的时序控制，A/D 采样和数据的操作，数码显示等模块。以下是流程图：
4.1主程序流程图
Y
N
为保证系统的正常工作，在上电之后完成微处理器系统，外围设备的初始化设计和自检。微处理器上电之后，立即进入初始化模块进行设置，关闭所有中断，进行系统总线的初始化，接着依次设置系统的晶振，定时器，串行通讯端口，片内外的模拟/数字转换器和所有的I/O 端口。然后C8051加载应用程序运行，大量的过程处理和算术运算是由函数库软件实现的，实时监测过程的执行是由中断服务程序实现的。
4.2子程序流程图
4.2.1 ADC0809采集数据流程图
开始
硬件初始化
系统自检
定时器发送相应驱动
控制信号
A/D 中断
A/D 采样
flag=1？
显示血氧浓度
调用显示子函数
显示脉搏频率
结束
Y
N
4.2.2显示部分子程序流程图
4.2.3对被存储的数据操作的流程图
开始
编译选通代码
选择通道
转换数据
EOC=1？
结束转换
返回
开始
编译显示代码
从表中查询对应编码
选择对应数码管
返回
开始
转换成十六进制码
读低八位
读高八位
将低八位和高八位合并成
一个字
返回
4.2.4系统调试
根据方案设计的要求，调试过程共分为3大部分：硬件调试，软件调试和软硬联跳。
单片机的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和纠结的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，在和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础。如果硬件调试不通过，软件设计就是无从说起
4.3硬件调试
（1）排除逻辑故障
这类故障往往是由于设计和加工制板的过程中工艺性的错误造成的。主要包括：错线，开路，短路。排出的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性
错误，并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或者与其他信号线短路。
必要时利用数字万用表和短路测试功能，可以缩短排错时间。
（2）排除原件失效
造成这类错误的原因主要有两个：一个是元器件买来时就是坏的；另一个是安装错误，造成期间烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号，规格和要求是否一致。在保证安装无误之后，用替换方法排除错误。
（3）排除电源故障
在通电前，一定检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。
第五章设计收获及心得体会
三周的课程设计转眼即逝，又到了结束的时候了。这次信号检测课程设计可以说是非常辛苦的，但是却学到了很多以前没有接触过的东西，比如PROTEUS 同时还巩固了以前在课堂上学到的知识，并且掌握了许多在课本上学不到的东西。
通过参加本次课程设计，熟悉了数字信号处理的基本方法，对信号的检测有了一个进一步的新的认识，对单片机及C语言进一步熟悉。以前接触的基本都是单片机的一些基础知识，而这次的课程设计需要对单片机有较深的理解，这就需要我们深入的去进一步学习和了解单片机的知识，比如单片机的最小工作系统的电路。
在血氧饱和度的测量中，光电传感器是非常重要的，这是采用双波长法的基础。其次，滤波器也是很必要的。懂得理论结合实践的重要性，只在课堂上学好知识是远远不够的，还需要亲手去操作，亲手去实践，去验证。只有把所学到的理论知识应用到实践中去，并从实践中得出结论才能提高自己的实际动手能力和独立思考能力。
作为一名电子信息科学与技术大三的学生，我觉得信号检测综合训练是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数时间是花费在教室中的，在课堂上掌握的也仅仅是理论知识，课程设计正是一个让我们把理论转换成实践的一个平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的就是查阅了大量有关于血氧饱和度和单片机的资料了，为了让自己的课设做的更加完善，
查阅资料这是必不可少的。我们不是艺术家，不能够抛开实际尽情的在幻想的海洋里遨游。而我们，作为工科学生，要做的一切有根有据，一切有理可循，不切实际的构想永远只能是构想，不能升级成为设计。
在这次课程设计中，我们运用到了许多我们以前学到的东西，如PROTEUS,KeilVision软件等。虽然从未独立应用过他们，但在学习的过程中带着问题去学习我发现效率很高，这是我做课设的一大收获。在课程设中遇到问题很正常，但我们应当将问题记录下来，并分析清楚，以免下一次出现同样的问题，发现，提出，分析，解决问题和实践能力都能够显著提高
总的来说，这次课程设计还是相对比较成功的，在设计中遇到过很多问题，但在老师和同学们的帮助下，最终顺利的完成了课设任务，心理有些小小的成就感。同时在这次课程设计中也让我发现了自身的许多不足之处，比如对数字信号的掌握不够熟悉，对单片机的掌握也是半斤八两，没有做到融会贯通，举一反三，在一些基础知识上没有显得游刃有余，对知识缺乏深入探究的好奇心，这是在今后生活中需要认真去改正的。并且在将来的毕业设计和生活学习中做的更好，更加完善。
最后，感谢王琦老师在课设期间对我们的帮助，帮助我们顺利的完成了这次的课设任务。
第六章参考文献
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[4] 于巍, 古庆恩, 黄世安. 脉搏血氧饱和度监测技术的研究进展【J】. 中国医学装备, 2008,(4).
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精度分析【J】. 光谱学与光谱分析, 2006,(10).
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[11]潘明，黄继业，潘松.单片机原理与应用技术【J】.清华大学出版社.2011
附录1：元件清单
序号品名规格信号数量备注
1 单片机AT89C51 1
2 数据锁存器74HC37
3 3
3 液晶显示屏LCD1602 1
4 放大器AD746SP 5
5 555定时器555 1
6 解调器74LS4063 1
7 正负1放大器TL084 1
8 D触发器74LS74 1
9 逻辑或非门74LS02 1
10 逻辑非门74LS04 1
11 逻辑与门74LS09 2
12 按键式开关 5
13 三极管8550 3
14 二极管 2
15 发光二极管 2
16 石英晶振12MHZ 1
17 电阻200欧 6
69K 10
10K 12
5.86K 5
1K 2
100K 4
1M 1
18 电感1uH 2
19 电容0.01uF 2
0.1uF 8
20pF 2
4.7uF 4
1nF 1
20uF 1
8pF 1
血氧饱和度测量仪的设计要点
血氧饱和度测量仪 的设计
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (4) 1.1血氧饱和度的基本概念 (4) 1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意义 (3) 1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求 (4) 1.4基本步骤 (5) 1.4.1 理论依据 (5) 1.4.2 硬件电路的设计 (6) 1.4.3 软件设计 (6) 1.4.4 仿真及数值定标 (6) 第二章实验方案设计及论证 (6) 2.1 设计理论依据 (6) 2.2. 双波长法的概念 (6) 2.3 光电脉搏传感器 (7) 2.4 传感器可能受到的干扰 (9) 2.5实验方案设计 (10) 第三章硬件电路的设计 (10) 3.1硬件原理框图 (10) 3.2各部分电路的设计 (11) 第四章软件模块设计 (13) 4.1主程序流程图 (14) 4.2子程序流程图 (14) 4.3硬件调试 (16) 第五章设计收获及心得体会 (17) 第六章参考文献 (19) 附录程序清单 (20)
摘要 氧是维持人体组织细胞正常功能，生命活动的基础。人体的绝大多数组织细胞的能量装换均需要氧的参加。所以，实时监护人体组织中氧的代谢具有重要的意义。 人体的新陈代谢过程是生物氧化过程。氧通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(2HbO )，再输送到人体各部分组织细胞中去。在全部血液中，被氧结合的2HbO 容量占全部可结合容量的百分比称为血氧饱和度2O Sa 。许多临床疾病会造成氧供给的缺乏，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的还会威胁人的生命，所以动脉血氧浓度即2O Sa 。 的实时监测在临床救护中非常重要。 在本次关于血氧饱和度测量仪的设计中，是基于MCS —51单片机的设计，需要选测合适的光电脉搏传感器采集数据，并利用4为LED 数码显示测量值，利用键盘切换显示脉搏跳动的频率。 关键词：51单片机 血氧饱和度 比尔—朗伯定理
工作台与座椅与作业空间设计
工作台与座椅与作业空间设计 6.1 工作台设计 6.1.1 工作台的基本类型 工作台一般均由面板和支承部分构成。根据组合形式不同，一般可分为桌式工作台、柜式工作台和平台式工作台三种。 1)桌式工作台桌式工作台是常见的工作台，它包括各种办公桌、课桌、微机操作台及各类服务性柜台等（图6.45）。桌式工作台的特点是结构简单，视野开阔，采光好，桌面上可任意组放各类供操作使用的物品。桌面下方可根据需要任意组合分割出供储备的使用空间。桌式工作台的桌面一般多做成水平的，也可根据需要做成带10°-20°倾角的斜面。因为桌式工作台在使用时多采用坐姿，所以，在设计和选用时必须充分考虑工作座椅的配套问题。 2)柜式工作台柜式工作台是指控制器和显示器均固定安装在面板上的专用工作台。按工作台面板组合形式的不同，一般又可分为直柜式工作台、弯折式工作台和弧面形工作台等。柜式工作台的操作一般多采用坐姿或站、坐姿。因此在没计时必须充分考虑不同操作姿势的座椅配套问题，同时还应充分考虑到容膝空间问题。 ①直柜式工作台该形式工作台的支承部分多是一字形排列的箱柜，台面由几块面板按平面、竖面或斜面组合而成。其特点是台面沿横向尺寸较大，既可单件使用，也可多件组合使 用；既可一人操作，也可供多人同时操作(图6．46)。 ②弯折式工作台该形式工作台是在直柜式工作台的基础上演变 而成的。即根据需要把直柜式工作台的左、右两边各弯折一次， 形成三面相交的形式。其基本要求是，弯折后各面板的中心距人 眼的垂直距离应大致相等，并保证在最佳视野范围内(图6．47)。 ③弧面形工作台该形式工作台是在弯折式工作台基咄上的进一 步变形 (图6．48)。
血氧仪的测试原理
血红蛋白是血细胞的重要组成部分，它负责将氧气从肺部输送到身体的其它组织。血红蛋白在任一时刻所含的氧气量被称为血氧饱和度(即SpO2)。血氧饱和度是反映人体呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理参数，它是显示我们人体各组织是否健康的一个重要生理参数。严重缺氧会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。 在肺部，氧气附着在受红细胞约束的蛋白质上，称为血色素（符号Hb），血液中的血色素有两种形态：氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)，则 血氧饱和度SpO2= (HbO2x100)/( HbO2+Hb)x100% 血氧仪的测试原理是：氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同的吸收特性，还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线，吸收较少的红外频率光线；而氧合血红蛋白吸收较少的红色频率光线，吸收较多的红外频率光线。这个区别是SpO2测量系统的最基本依据。 为测量人体对红光和红外光线的吸收。红色和红外线发光二极管位置相互靠得尽可能近，发射的光线可透过人体内的单组织点。先由响应红色和红外光线的单个光电二极管接收光线，然后由互阻放大器产生正比于接收光强的电压。红色和红外LED通常采用时间复用的方式，因此相互间不会干扰。环境光线经估计将从每个红色和红外光线中扣除。测量点包括手指、脚趾和耳垂。 脉搏血氧仪提供了以无创方式测量血氧饱和度或动脉血红蛋白饱和度的方法。脉搏血氧仪的工作原理基于动脉搏动期间光吸收量的变化。分别位于可见红光光谱(660纳米)和红外光谱(940纳米)的两个光源交替照射被测试区(一般为指尖或耳垂)。在这些脉动期间所吸收的光量与血液中的氧含量有关。微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率，并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较，从而得出血氧饱和度。 典型的血氧仪传感器有一对LED，它们通过病人身体的半透明部位(通常是指尖或耳垂)正对着一个光电二极管。其中一个LED是红光的，波长为660nm；另一个是红外线的，波长是940nm。血氧的百分比是根据测量这两个具有不同吸收率的波长的光通过身体后计算出的。 图1：基于ADI的ADuC7024的血氧仪电路框图。
血氧饱和度模拟仪的工作原理和技术指标
血氧饱和度模拟仪工作原理和技术指标 郑州市先达电子技术有限公司 一、LFIG-2血氧饱和度模拟仪的工作原理 LFIG-2血氧饱和度模拟仪（图左侧）的光学模拟指（图中间）被脉搏血氧仪（图右侧）的血氧指夹（图中间）夹住后，就接收到了血氧仪发出的红光脉冲和红外脉冲，并将其转化为电脉冲，然后再把预存的标准的人体血氧饱和度R曲线数据加载上去，形成电调制信号，这个信号通过发光管把它变成光调制信号并输出。血氧仪接收到这个包含血氧饱和度信息的光调制信号后，进行了测量和计算，最终得到了血氧饱和度的测量值。这样我们既有血氧饱和度的标准值，也有血氧饱和度值的测量，二者数值比相比较即可得到血氧仪的测量误差。 依据JJF1542-2015《血氧饱和度模拟仪》校准规范，利用当今领先的ARM微处理器、现代光电技术和模拟数字混合技术，我们成功研制了了LFIG-2血氧饱和度模拟仪（或称脉搏血氧饱和度模拟仪,简称血氧模拟仪）。LFIG-2血氧饱和度模拟仪能提供血氧模拟，报警测试等检测项目，这为计量检测部门、生产厂家和医院等单位对脉搏血氧仪进行检定和校验提供了质优价优的技术保障。 LFIG-2血氧饱和度模拟仪也符合JJG1163-2019《多参数监护仪》检定规程中对血氧部分的技术要求，可对多参数监护仪的血氧模块进行检定。 二、LFIG-2血氧饱和度模拟仪的技术指标 1、血氧饱和度范围：30%～100%， 分辨力(或步长): 1 %， 重复性: 1 %， 最大允许误差：±2%，在75%～100%范围；
±3%，在30%～ 74%范围。 2、脉率范围：20～300次/分， 分辨力(或步长): 1次/分， 最大允许误差：±1次/分。 3、脉搏信号幅度范围：0～20%， 分辨力(或步长)：0.01%。 4、传输控制(或手指模拟)：深色手指、胖手指、中等手指、浅色手指、瘦手指、新生儿脚趾。 5、具有10种预装R曲线如BCI、 Nellcor、Masimo、HP (Philips)、 OxiMax 和Ohmeda等。具有10种自创建R曲线如Mindray。 6、具有8种预设的病态血氧饱和度模拟。 7、可模拟50Hz/60Hz和阳光环境下的光干扰。 三、LFIG-2血氧饱和度模拟仪产品特点 1、采用彩色液晶显示，采用触摸屏和物理按键双操作，用户界面友好。 2、具有光学模拟手指，可方便连接各种脉搏血氧仪。 3、具有接收红光和红外光强指示功能。 4、具有血氧、脉率、脉幅和无脉搏报警测试功能。 5、具有10种可编程自动测试程序。 6、仪器内部自带锂电池，轻巧耐用，方便现场检定。采用低功耗设计，续 航能力强。 7、符合JJF1542-2015《血氧饱和度模拟仪》校准规范。 8、符合JJG1163-2019《多参数监护仪》规程中脉搏血氧部分的技术要求。
振动测试系统
一、振动测试系统 1.主要功能 DASP V10振动测试系统包括信号采集和实时分析软硬件。DASP V10 是一套运行在Windows95/98/Me/NT/2000/Xp平台上的多通道信号采集和实时分析软件，通过和东方所的不同硬件配合使用，即可构成一个可进行多种动静态试验的试验室。DASP V10 软件既具有多类型视窗的多模块功能高度集成特性，具有操作便捷的特点。基于东方所在各种工程应用领域的长期经验，DASP-V10对各种功能模块重新进行整合，成为一套功能更加全面、操作更加便捷、界面更加美观、性能继续保持领先的动静态信号测试分析系统。DASP V10 软件的每一个模块中均包含了非常多的功能，各种功能可交错使用，在测试和分析的功能和性能上突破了以往信号分析仪的种种限制，与INV系列采集仪配合形成的系统的各项指标均可达到或超过国家高级仪器的标准。DASP V10 软件的所有测试分析结果都可以多种方式输出，包括图形的复制、存盘、打印，数据导出为TXT、CSV、Excel电子表格和Access数据库格式，并可轻松输出图文并茂的Word格式或者Html格式的分析报告。基于DASP V10 的平台上，还可以运行专业模态和动力学分析系统、虚拟仪器库、信号发生器以及针对声学、旋转机械、路桥土木、计量检定等行业的多种软件系统，满足各方面各层次的测试和分析需求。
3.隶属 （1）实验室：水机测控实验室（B01-205/207） （2）负责人：魏德华 二、ANSYS/CFD流体分析软件 1.主要功能 FLUENT、CFX是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，国际市场占有率达70%。凡跟流体、热传递及化学反应等有关的领域均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛应用，包括管路、渠道、流体机械、燃烧、环境分析、油气消散/聚积、喷射控制、多相流等方面的流动计算分析。 2.主要设备 3.隶属 （1）实验室：水机测控实验室（B01-205/207） （2）负责人：石祥钟
第6章 工作台椅与工具设计
第6章工作台椅与工具设计 一、填空题 1、控制台形式主要有：式控制台、式控制台、式控制台和式控制台。 2、根据图中阴影区的形状来设计控制台，可使得操作者具有良好的。 3、控制台的设计，最关键的是与的布置必须位于作业者正常的作业空间范围内。 4、控制台设计的主要工作是客观地掌握。 5、电子化办公台的调节方式有：方向的高低调节、方向的台面调节以及台面的调节等。 6、脊柱侧面有四个生理弯曲，即、、及。在人的四个生理弯曲中，与坐姿舒适性直接相关的是。 7、设计座椅时，保证的正常形状是获得舒适坐姿的关键。 8、尺寸是座椅静态尺寸设计的主要依据。 9、工作座椅必须具有的主要构件是：、、。 10、双把手工具的主要设计因素是。 二、选择题 1、在下面四个生理弯曲中，与坐姿舒适性直接相关的是（）。 A、颈曲 B、胸曲 C、腰曲 D、骶曲 2、在确定座椅深度尺寸时，需要参考（）尺寸。 A、臀部至膝盖的距离 B、臀部至脚后跟的距离 C、臀部至小腿的距 离
3、使用螺丝起子工作时，手的抓握属于（）。 A、着力抓握 B、精确抓握 4、用手握铅笔写字属于（）。 A、精确抓握 B、着力抓握 5、图示钢丝钳设计中，较好的是( )。 A、(a)图 B、(b)图 6、下图把柄设计中，较好的是( )。 A、(a)图 B、(b)图 7、一般认为，将工具的把手与工作部分弯曲（）左右，效果最好。 A、0o B、10o C、30o 8、在下图所示的烙铁把手的设计中，（）为优良设计。 A、右图 B、左图 9、图示手把设计中，较好的为( )。 A、上排 B、下排
三、简答题 1、座椅的设计原则是什么？ 2、手握式工具的设计原则是什么？
反射式血氧饱和度测试仪的设计
科技信息 1、前言 无创伤血氧饱和度检测已经广泛应用于临床患者的监护和手术中 的麻醉监护。随着人们健康意识的不断提高，日常的健康监护、康复监 护甚至有些运动员的体征检测和在高危环境下作业人员的体征检测都 需要用到血氧饱和度数据。所以血氧饱和度的研究具有广泛的研究价 值和应运前景。目前在临床上我们广泛使用的血氧饱和度检测工具基 本上都是生命参数测试仪，这类仪器体积庞大携带不方便而且需要固 定电源，虽然这些年也出现了大量便携式的透射光法血氧计，并且技术 已经相对成熟，国内外很多研究机构都对其软件和硬件做了充分的探 讨，并且已经出现大量成熟的产品，但由于透射式血氧饱和度测试仪一 般只能夹在手指上，测试位置比较单一，不能测试人体多个位置的血氧 饱和度甚至很多时候都会影响到被测试者的日常活动，很不方便。根 据这些局限我们设计出了一种基于Zigbee的反射式血氧饱和度测试 仪，并对以往的透射式的血氧饱和度测试仪电路进行了改进，使电路更 简单，功耗更小，并通过Zigbee网络使血氧饱和度数据能够实现无线数 据传输和远程监护的目的。 2、反射式血氧饱和度的检测原理 透射式血氧饱和度检测中，光检测器与发光二极管分别置于被检 测部位的两侧，通过发光二极管发出的光透过人体组织然后被光检测 器接收，通过接收到的光强度来计算血氧饱和度值。而反射式血氧饱 和度检测仪的光检测器和发光二极管是在同一侧的，光波在通过人体 组织时除了一部分被人体组织吸收以外，还会有另外一部分散射出 来。根据光的传播理论，光子的传播可用组织光学特性参数来描述，这 些特性参数定量的描述了组织光学效应。反射式血氧饱和度检测仪就 是通过这部分散射光对血氧饱和度进行计算的，反射式血氧饱和度检 测原理如图1所示： 图1反射式血氧饱和度检测原理 由于透射式和反射式都是利用人体对于光的吸收和未吸收量的比 例来计算人体血氧饱和度值的，所以本质上没有太大差别，根据Lan- bert—Beer定律我们得到的透射式血氧饱和度计算公式在原理上与反 射式的推导公式是相同的。所以根据透射光推导方式同样可以得到反 射式血氧饱和度的计算公式，反射式血氧饱和度的计算公式如式（1）所 示： SpO2=A-B?I λ1 AC /Iλ1DC I2AC/I2DC （1） 3、反射式血氧饱和度检测仪的硬件设计 基于微型化、低功耗、便携式和网络化的要求我们设计的反射式血氧饱和度检测仪采用CC2530芯片作为检测仪的主控芯片，它主要具有数据采集和处理，功耗控制，无线数据传输和组网的功能。为了使检测仪更微型化，电路更加简单，准确性更高我们放弃了传统的光电接收器而采用数字光频转换接收器，这样省去了大量的模拟器件，使电路大大简化，并且数字化的信号采集器件使得信号受到的电磁干扰更少，可靠性得到了提高。整个系统主要包括电源管理电路，反射式血氧探头，探头驱动电路，自动增益控制电路，Zigbee无线发送模块等，其系统框架如图2所示： 图2反射式血氧饱和度检测仪结构框图 3.1反射式探头的设计 发光管我们采用常用的血氧饱和度发光管，光接收器采用的是TSL235光频转换器，它是一种高度集成的器件，内部包含了光电二极管、放大器、限幅器、积分电路、带通滤波器、比较器等，它可以直接将光信号转换成频率信号输出，与传统的光信号采集电路相比省去了放大滤波等电路，使电路得到了很大的简化，并且可靠性得到了进一步的提高，有利于小型化和低功耗的设计。TSL235光频转化在600nm到900nm光频范围内的响应率相对较高很适合应用到血氧饱和度的采集中。 3.2LED驱动电路的设计 LED驱动电路作为血氧饱和度测试仪的重要组成部分，驱动电路的设计对于整个系统的工作性能有很大的影响。为了使系统达到微型化和低功耗的目的，我们要使电路尽量的简单和使用低功耗的器件。此处我们采用660nm和905nm双波长的LED灯，两个波长的LED灯交替发光。并且在此驱动电路中我们加入了自动增益控制模块，能根据不同的测试者自动的调节发射光强度，使其达到最适合血氧饱和度测量的条件，并且可以使LED灯消耗的能量达到最小，节省了功耗。驱动电路如图3所示： 图3红光、红外光驱动电路 3.3无线收发模块 本检测仪的设计是基于Zigbee网络的，所以具有组成Zigbee网络的能力，网络化是该检测仪的最大特点。在设计中我们采用CC2530芯片作为主控芯片，它包含了一个增强型工业标准的8051内核为系统提供数据处理，自动增益控制，驱动控制等功能，并且还包含一颗CC2530射频收发器，其工作频率范围为2.4-2.4835GHz，采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式，采用O-QPSK调制方式，灵敏度达到-94dBm。这样使系统具有很高集成度的同时也使系统的功耗得到 反射式血氧饱和度测试仪的设计 重庆邮电大学生物医学工程研究中心李章勇刘亚东姜瑜王伟 ［摘要］反射式血氧饱和度测试仪是利用人体血液对特定波长光的吸收强度的关系结合扩散传输理论得出反射式血氧饱和度的计算公式，据此研究出一种基于Zigbee网络的血氧饱和度检测系统。本文通过硬件和软件的改进大大降低了系统的功耗，并且通过加入相应的滤波算法，使得系统在简单电路下便能达到理想的滤波效果。最后通过对Zigbee网络的应用使得本文设计的反射式血氧饱和度的应用范围得到了进一步的扩展。 ［关键词］反射式血氧饱和度低功耗Zigbee CC2530 基金项目：本文受工信部重大项目（2011）353和重庆市教委KJ100502项目支持。 — —75
人体组织血氧饱和度绝对量检测设备及其方法的制作方法
图片简介: 本技术提供一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，包括电源模块、采集控制模块、光源驱动模块、探测机构以及放大/滤波模块，其中：该电源模块与采集控制模块电性连接；该采集控制模块与该光源驱动模块电性导通并包括光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器；该光源驱动模块连接并驱动所述探测机构以及该探测机构经所述放大/滤波模块与该采集控制模块电性导通，藉由前述结构或其构造的结合，实现了该检测装置，从而达成了血氧饱和度的绝对值检测、无创测量以及实时、便携、造价低廉以及使用快速、测量准确的良好效果。 技术要求 1.一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，包括电源模块、采集控制模块、光源驱动模块、探测机构以及放大/滤波模块，其特征在于：该电源模块与采集控制模块电性连接； 该采集控制模块与该光源驱动模块电性导通并包括光源选择计数器、同步触发器、多路 开关A/D转换器以及数据处理器；该光源驱动模块连接并驱动所述探测机构以及该探测机构经所述放大/滤波模块与该采集控制模块电性导通。 2.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述探测机构包括光源及若干光敏传感器。
个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中单一LED灯配套2组光敏传感器并呈三角状布设。 4.如权利要求2所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述光源为若干个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中单一LED灯配套4组光敏传感器并呈X 状布设。 5.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器通过电路集成一体，其中该光源选择计数器和该同步触发器分别与所述光源驱动模块电性导通并向该光源驱动模块传递指令信号；所述多路开关A/D转换器与所述放大/滤波模块电性连接并接受该放大/滤波模块传递的信号。 6.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：该检测装置进一步包括记忆/显示单元，该记忆/显示单元连通所述采集控制模块并包括储存模块和显示模块。 7.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述采集控制模块还包括与电脑导通的连接端口。 8.一种适于如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置的方法，包括将该探测机构附着于人体被检测部位，所述光源照射到人体皮层上，由所述光敏传感器探测经过人体皮层反射回来的光强信号的变化，从而间接地反映出人体血氧饱和度的的状况，其特征在于，该方法包括的步骤是：所述探测机构是以柔性带状组件为载体，并以阵列形式布设光源及光敏传感器于该柔性带状组件上；由光驱动模块控制探测机构的光源并由光敏传感器同步采集局部血氧饱和度绝对量检测的光强信号，经放大/滤波模块输入到采集控制模块，通过采集控制模块的数据处理器运算，得出可识别的数据参数并导入至记忆/显示单元。
测控仪器的设计专题
总复习提纲 第一章测控仪器设计概论 从计量测试角度可将仪器分为计量测试仪器、计算仪器、控制仪器及控制装置。（计-计-控-控）计量测试仪器的主要测量对象是各种物理量，即8大物理量，它分为 (1)几何量计量仪器包括各种尺寸检测仪器，如长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器、扫描仪、跟踪仪等． (2)热工量计量仪器包括温度、湿度、流量测量仪器，如各种气压计、真空计、多波长测温仪表、流量计等。 (3)机械量计量仪器如各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪，力矩测量仪、振动测量仪等。 (4)时间频率计量仪器如各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测量仪等。 (5)电磁计量仪器用于测量各种电量和磁量的仪器，如各种交直流电流表、电压表、功率表、电阻测量仪、电容测量仪、静电仪、磁参数测量仪等。 (6)无线电参数测量仪器如示波器、信号发生器、相位测量仪、频率发生器、动态信号分析仪等。 (7)光学与声学参数测量仪器如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪等。 (8)电离辐射计量仪器如各种放射性、核素计量，X、γ射线及中子计量仪器等。 测控仪器：是利用测量与控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。 4．测控仪器由哪几部分组成?各部分功能是什么?（8大组成部分） 5．写出下列成组名词术语的概念并分清其差异：分度值与分辨力；示值范围与测量范围；灵敏度与鉴别力(灵敏阀)；仪器的准确度、示值误差、重复性误差；视差、估读误差、读数误差。通用计量术语及定义． (1)测量仪器(measuring instrument)测量仪器又称计量器具，它是指单独地或同辅助设备一起用以进行测量的器具。而测量是指用以确定量值为目的的一组操作。 测量仪器和测量器具是有区别的，测量仪器是将被测量转换成指示值或等效信息的一种计量器具，即具有转换和指示功能。测量器具是以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的器具，如砝码、标准电阻、量块、线纹尺、参考物质等。 (12)灵敏度(sensitivity)测量仪器响应(输出)的变化除以对应的激励(输入)的变化。若输入激励量为AX，相应输出是△Y，则灵敏度表示为S=△Y／△X 仪器的输出量与输入量的关系可以用曲线来表示，称为特性曲线，特性曲线有线性的也有非线性的，非线性特性用线性特性来代替时带来的误差，称为非线性误差。特性曲线的斜率即为灵敏度。 灵敏度的量纲可以是相同的，也可以是不相同的，如电感传感器的输入量是位移，而输出量是电压，其灵敏度的量纲为V／mm；而齿轮传动的百分表其输入量是位移，输出量也是位移，在这样情况下，灵敏度又称为放大比。 灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。 (13)鉴别力(阈)(discrimination)使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓慢而单调地进行。它表示仪器感受微小量的敏感程度。仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关，也可能与摩擦有关或与激励值有关。 (14)分辨力(resolution)显示装置能有效辨别的最小示值。对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。对模拟式仪器，分辨力就是分度值。 分辨力是与仪器的精度密切相关的。要提高仪器精度必须有足够的分辨力来保证；反过来仪器的分辨
血氧饱和度测量仪的设计
血氧饱和度测量仪的设计
血氧饱和度测量仪 的设计
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (4) 1.1血氧饱和度的基本概念 (4) 1.2血氧饱和度测量仪课程设计的意
义 (3) 1.3血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求 (4) 1.4基本步骤 (5) 1.4.1理论依据 (5) 1.4.2硬件电路的设计 (6) 1.4.3软件设计 (6) 1.4.4仿真及数值定标 (6) 第二章实验方案设计及论证 (6)
2.1设计理论依据 (6) 2.2.双波长法的概念 (6) 2.3光电脉搏传感器 (7) 2.4传感器可能受到的干扰 (9) 2.5实验方案设计 (10) 第三章硬件电路的设计 (10) 3.1硬件原理框图 (10) 3.2各部分电路的设
计....................................................................................1 1 第四章软件模块设计.......................................................................................1 3 4.1主程序流程图..........................................................................................1 4 4.2子程序流程图..........................................................................................1 4 4.3硬件调试 (16) 第五章设计收获及心得体会 (17) 第六章参考文献 (19) 附录程序清单…………………………………………………
振动测试技术方案设计
振动测试技术案 采用加速度计作为振动传感器，在各种工况下，对被测系统多个测点的加速度信号进行测量，通过FFT频谱分析，得到结构的固有频率，描述系统的振动特性。 却迪哎怯嗟惟悟号追辿蟹數赛紫蚩胖讣竿机 图1振动测试硬件流程图 、传感器指标分析 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用便，所以成为最常用的振动测量传感器。在一般通用振动测量时，用户主要关心的是加速度计传感器的技术指标，包括灵敏度、带宽、量程、分辨率、输出电气特性等。 （1）灵敏度 传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一，灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计，最常用的振动测量压电式加速度计
灵敏度，电压输出型(IEPE型)为50?100 mV/g，电荷输出型为 1 ?50 PC/g。 (2)带宽 传感器的带宽是指传感器在规定的频率响应幅值误差( 士5%, 士10%, 士3dB)传感器所能测量的频率围。频率围的高，低限分别称为高、低频截止频率。截止频率与误差直接相关，所允的误差围大则其频率围也就宽。作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电气参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。 (3)量程 加速度传感器的测量量程是指传感器在一定的非线性误差围所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量围越小，反之灵敏度越小则测量围越大。IEPE(电压)输出型压电加速度传感器的测量围是由在线性误差围所允的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般 都为士5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。需要指出的是IEPE压电传感器的量程除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和传感器偏置电压的制约。当 供电电压与偏置电压的差值小于传感器技术指标给出的量程电压时，传感器的最大输出信号就会发生畸变。因此IEPE型加速度传感器的偏置电压稳定与否不仅影响到低频测量也可能会使信号失真，这种现 象在高低温测量时需要特别注意，当传感器的置电路在非室温条件下不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号忽大忽小。 (4)分辨率 即能测量到的最小加速度变化量。加速度传感器的分辨率受其噪声的限制，输出噪声的大小随频带宽度而变化。 (5)输出电气特性
血氧饱和度测量仪的设计
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目录 摘要 (3) ~ 第一章绪论 (4) 血氧饱和度的基本概念 (4) 血氧饱和度测量仪课程设计的意义 (3) 血氧饱和度测量仪课程设计的技术要求 (4) 基本步骤 (5) 理论依据 (5) 硬件电路的设计 (6) 软件设计 (6) - 仿真及数值定标 (6) 第二章实验方案设计及论证 (6) 设计理论依据 (6) . 双波长法的概念 (6) 光电脉搏传感器 (7) 传感器可能受到的干扰 (9) 实验方案设计 (10) 第三章硬件电路的设计 (10) ( 硬件原理框图 (10) 各部分电路的设计 (11) 第四章软件模块设计 (13) 主程序流程图 (14) 子程序流程图 (14) 硬件调试 (16) 第五章设计收获及心得体会 (17) 第六章参考文献 (19) ? 附录程序清单 (20) ^
） 摘要 氧是维持人体组织细胞正常功能，生命活动的基础。人体的绝大多数组织细胞的能量装换均需要氧的参加。所以，实时监护人体组织中氧的代谢具有重要的意义。 人体的新陈代谢过程是生物氧化过程。氧通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的血红蛋白(Hb)结合成氧合血红蛋白(2HbO )，再输送到人体各部分组织细胞中去。在全部血液中，被氧结合的2HbO 容量占全部可结合容量的百分比称为血氧饱和度2O Sa 。许多临床疾病会造成氧供给的缺乏，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的还会威胁人的生命，所以动脉血氧浓度即2O Sa 。 的实时监测在临床救护中非常重要。 在本次关于血氧饱和度测量仪的设计中，是基于MCS —51单片机的设计，需要选测合适的光电脉搏传感器采集数据，并利用4为LED 数码显示测量值，利用键盘切换显示脉搏跳动的频率。 关键词：51单片机 血氧饱和度 比尔—朗伯定理 %
压电传感器SC0073脉搏测量仪设计
大连民族学院机电信息工程学院 自动化系 单片机系统课程设计报告 题目：脉搏测量仪设计 专业：自动化 班级：自动化103 学生姓名：王宏刚，勾延伟，金文杰 指导教师：陈晓云，张秀春 设计完成日期：2012年11月28日
目录 1任务分析和性能指标 (1) 1.1任务分析 (1) 1.2性能指标 (1) 2总体方案设计 (2) 2.1硬件方案 (2) 2.1.1传感器 (2) 2.1.2 信号处理 (2) 2.1.3 单片机 (2) 2.1.4 电源 (2) 2.2软件方案 (2) 3硬件设计与实现 (4) 3.1前置放大电路 (4) 3.2二阶有源滤波电路 (4) 3.3波形整形电路 (5) 3.4单片机接口电路 (6) 4软件设计与实现 (7) 4.1主程序 (7) 5 调试及性能分析 (8) 5.1调试分析 (8) 总结 (9) 参考文献 (10) 附录1 元器件清单 (11) 附录2 调试系统照片 (12) 附录3源代码 (13)
1任务分析和性能指标 1.1任务分析 医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。 动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。 1.2性能指标 系统能准确测量人的脉搏次数，一分钟误差不超过1次，有直观的显示系统。系统要求有自己设计电路部分。
心电监护仪——血氧饱和度监测的注意事项
心电监护仪——血氧饱和度监测的注意事项 一、血氧饱和度的定义 血氧饱和度(SpO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。常用动脉血氧定量技术，它测定的是从传感器光源一方发射的光线有多少穿过患者组织到达另一方接收器，这是一种无创伤测定血氧饱和度的方法。血氧饱和度读数变化是报告患者缺氧最及时、最迅速的警告。计算公式如下：SpO2 = HbO2/（HbO2+Hb）×100%。氧饱的正常值为95%-100%，氧饱与氧分压直接相关。 二、血氧饱和度的测定方法 血氧饱和度的测量通常分为电化学法和光学法两类。 1、电化学法即行人体采动脉血，再用血气分析仪测出血氧饱和度值，这是一种有创的测量方法，且不能进行连续的监测。 2、光学测量法是采用光电传感器的无创方法，是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理进行测量的，该方法使用最多的就是脉搏血氧饱和度仪。仪器探头的一侧安装了两个发光管，分别发出红光和红外光，另一侧安装一个光电检测器，将检测到的透过手指动脉血管的红光和红外光转换成电信号。由于皮肤、肌肉、脂肪、静脉血、色素和骨头等对这两种光的吸收系数是恒定的，只有动脉血流中的HbO2和Hb浓度随着血液的动脉周期性的变化，从而引起光电检测器输出的信号强度随之周期性变化,将这些周期性变化的信号进行处理，就可测出对应的血氧饱和度，同时也计算出脉率。 三、SpO2报警值的设置 SpO2正常值，吸空气时SpO2测得值≥95％～97％。低氧血症:SpO2＜95％者为去氧饱和血症，SpO2＜90％为轻度低氧血症，SpO2＜85％为重度低氧血症。一般报警低限的设置应高于90％。 四、血氧饱和度监测中的常见问题 1、信号跟踪到脉搏，屏幕上无氧饱和度和脉率值。
脉搏血氧饱和度
脉搏血氧饱和度的测量 一、测量值：脉搏血氧饱和度、脉率 二、测量原理：以两路光线（红光vs，红外光ir）高频交替照射被测部位，两路透射光经光电转换得到两路变化的光电流信号，两路光电流信号经过放大、去直流、去工频干扰得到两路信号的交流部分，交流部分的平均功率之比即为动脉血的含氧量，通过线性拟合得到脉搏血氧饱和度；其中任何一路信号交流部分即为脉搏波，测得其周期可计算出脉率。 三、测量电路及其参数。电路包括三部分：探头驱动电路、光电流放大和去直流电路、计算电路。探头驱动电路实现两路光线由对称的两组三极管构成，与计算电路的两个IO端口和两个DA端口相连，分别控制两路光线的交替开关和幅值。光电流放大和去直流电路由两级运放构成，一级运放将光电流信号放大为电压信号，这个电压信号包含交流分量和较大的直流分量（分别对应着测量部位的动脉血和其他成分），因此需要二级运放去直流处理。计算电路接受两个运放的输出，作为反馈为探头驱动电路和去直流电路提供参考电压幅值。 探头接口说明：1为地线，6、7分别为外屏蔽和内屏蔽线，2为红外光输入正极，红光输入负极，3为红光输入正极，红外光输入负极，9为光电管输出正极，5为光电管输出负极。 四、测量流程 基本测量流程如下图。200Hz定时器中断，两路LED交替通断，即1秒内两路光各有100次采样。以红外光这一路为例：每次开启红外光LED，根据OA0输出改变LED的幅度ir_LED_level（Q3 的基极），根据OA1输出改变去直流电路的直流参考电压ir_dc_offset (OA1的正向输入端)，得到的OA1的输出作为计算电路的输入，关灯，原始信号去工频处理后得到ir_heart_signal，数字去直流后得到ir_heart_signal_ac，该信号进入脉搏波周期判断的队列group_caculate[64]，同时计算ir_heart_signal_ac信号的平方和，并且采样计数，同时进行脉
实验一与实验二_血氧饱和度检测仪设计实验
第一部分综合实验箱简介2 第二部分实验项目4 实验一温度测试4 实验二心血管参数测试9 实验三肺功能参数测试22 实验四握力测试31 实验五血压测试36 实验六心电测试41 实验七血氧饱和度测试50 实验八脉搏波波速测试59 第三部分附录77 一、心血管参数测试77 二、肺功能参数测试79 三、血压测量81 四、接口器件--P D I U S B D12U S B84 五、软件及U S B驱动安装88 第一部分综合实验箱简介 YJ-02型医学电子教学仪器综合实验箱以高性能的W78E516单片机作为核心控制器件，配以外存储器、接口器件、模/数转换等电路实现模拟信号的采集、转换和处理，以及各种状态的检测和控制。 实验箱由温度测试、心血管功能测试、肺功能测试、握力测试、血压测试、心电测试、脉搏波波速测试、血氧饱和度测试等实验组成，实验箱采用模块设计。主板电路布局见图 1.1。主板包含血压测试、心电测试两个实验模块。所有实验均由单片机配合程序分别控制完成，实验数据通过USB 口上传到PC机。实验箱右侧上方有一个通讯指示灯(LED)，当实验箱与PC机联机通讯成功时通讯指示灯点亮，表示实验箱与PC机处于联机通讯测试状态。实验箱应用软件应用于32位win9X或Win2000
或WinXP及Win7(32位及64位)平台，显示器屏幕推荐分辨率为1024*768，实验数据、曲线和参数均可在PC机上显示和保存。 图1.1 电路布局图 本实验箱供电电源为直流+10V～+18V/1A，由外部提供。在实验前，用导线将电源引入实验箱左上侧的两个标有+15V和GND字样的接线柱，正端接红色接线柱，负端接黑色接线柱。 打开PCB板上的电源开关，电源指示(绿色)灯亮，表明电源接通，可以正常操作。当出现异常时，应首先关闭电源，再检查相关电路，正常后再重新开启电源。实验前用USB连接线将实验箱的USB口与PC机USB口相连。在PC机退出联机通讯操作之前，不要关闭实验箱电源。 【实验时，严禁带电装卸集成电路或更换元器件。严禁在联机通讯状态带电拔USB通讯线。拔传感器时，不要用手直接拉传感器线，应握住传感器根部插头拔除。禁止将插线或其它导体放置于实验箱PCB板上，以免造成短路，损坏器件。】 第二部分实验项目 实验一血氧饱和度测量仪设计实验 一.实验目的 1.了解血氧饱和度测试的意义和无创伤测试基本原理。 2.掌握血氧饱和度测试的基本方法。
人机工程学课后习题
第一章人机工程学概论(习题) 1、简述人机工程学的定义 2、举出我们日常生活中与人机工程学相关的例子 3、说出人机工程学科常见的名称 4、简要地说明现代人机工程学研究的内容和方法？ 5、讲述人机工程学发展的4个阶段 6、人机工程学与工业设计的关系？ 7、随机列举数种产品，初步分析其中存在的人机问题并提出解决方案 第二章人体测量与数据应用(习题) 1、什么是人体测量学？人体测量中的主要统计函数？ 2、常用的人体测量仪器有哪些？ 3、人体测量立姿要求？ 4、人体尺寸数据的特征有哪些？ 5、人体尺寸分布状况的描述方法？ 6、学会查人体尺寸表。成年男子坐姿两肘间宽大于473mm的人所占百分位数是多少？ 7、求华南地区男子（18－55）胸围的P98百分位数 8、人体测量数据应用的原则？ 9、产品人体尺寸设计的方法与步骤？ 10、人体尺寸修正量的意义及构成。 11、举例说明实际中需要心理修正量的设计实例。 12、公共汽车顶棚的扶手横杆高度应属于哪一型产品尺寸设计？ 13、请确定火车卧铺铺长的最小功能尺寸和最佳功能尺寸？ 第二章人的感知与运动特征(习题) 1、什么叫视野及视野的分类？ 2、什么叫视觉的暗适应与明适应？ 3、造成眩光的主要因素有哪些？ 4、视觉的特征有哪些？ 5、听觉的特征？ 6、什么叫听觉的掩蔽效应？ 7、触觉的特征？ 8、如何提高人的信息处理能力？ 9、什么是操纵力？手与脚的操纵力有哪些特点？ 10、什么是反应时间？如何缩短反应时间？ 11、肢体的运动输出特性主要有那些方面？ 12、影响运动准确性的因素有那些？ 13、操作运动准确性要求主要包括哪几个方面？ 第三章人的心理与行为特征(习题) 1、什么是感觉、知觉？ 2、感觉与知觉的关系？ 3、感觉的基本特征有哪些？
便携血氧监测仪的研制~
分类号密级 U D C 编号 本科毕业论文(设计) 题目：便携血氧检测仪的研制 学院 专业名称 年级 学生姓名 学号 指导教师 二〇一七年五月 摘要
人体的血氧信息和脉搏信号是衡量人体健康状况的两个重要参数，是维持人体生命活动的重要前提。因此不管是在突发的紧急情况还是医疗领域甚至运动保健等生活中的常见场景下，对血氧和脉搏信号的测量和监测都显得至关重要。 本设计以51单片机为核心，主要包括光电传感器采集模块，数模转换器模块，LED显示模块和蓝牙模块以及手机端。单片机是一种集成多种功能的微控制器，在我们日常生活中的各个领域的应用都相当普遍。指套式光电式传感器的物理基础是光电效应，精度高、反应快且非接触，能在各种光电检测系统中实现光电转化。由发光二极管和光敏二极管组成，能够有效采集人体信号，为人体的血氧和脉搏信息的提取和分析提供良好的数据来源。 通过单片机结合光带传感器测量人体的血氧和脉搏数据，并且能够实现在手机端的实时监测，这一设计将会对患有血管或呼吸系统疾病的病人、60岁以上的老年人、进行极限运动长期酗酒等人群带来福音，及早发现危险，减少意外发生。 关键词：单片机血氧检测仪 Abstract
The blood oxygen information and pulse signal of human body are two important parameters to measure the health status of human beings, and they are the important premise to maintain the human life. Therefore, the measurement and monitoring of blood oxygen and pulse signals are very important, whether in emergency situations or in the medical field, or even in the common situations of sports, health care and so on. The design of the 51 single-chip microcomputer as the core, including photoelectric sensor acquisition module, digital to analog converter module, LED display module and Bluetooth module, as well as mobile terminals. SCM is a micro controller integrated with various functions. It is widely used in every field of our daily life. The physical basis of the fingertip photoelectric sensor is the photoelectric effect, high precision, fast response and non-contact, can realize photoelectric conversion in photoelectric detection system. It is composed of light emitting diode and photosensitive diode, which can effectively collect human signals, and provide a good data source for the extraction and analysis of human blood oxygen and pulse information. With the band sensor measuring the body's oxygen saturation and pulse data through the microcontroller, and can achieve real-time monitoring in the mobile phone terminal, the design will have vascular or respiratory disease patients, 60 years of age or older, extreme sports long-term drinking crowd to bring the gospel, early detection of risk, reduce accidents. Key words:Single chip, Oximeter