脉搏传感器

目录

脉搏监测系统任务 (2)

引言 (3)

设计方案和系统框图 (4)

硬件选用 (5)

电路设计 (11)

测量软件的设计 (12)

测试系统的测试 (17)

实验小结和体会 (20)

脉搏监测系统任务

（一）内容

基于单片机或PC机，设计一套测试系统，用于将外周血管搏动（即脉搏跳动）信号进行采集分析。

集体要求：

1.测量脉搏显示波形图

2.计算脉搏测量的结果，并进行报警判断，控制报警灯显示

3.保存测量数据

4.数据回放

（二）要求

1.提出设计方案（提出测量原理，选择传感器，构建测试系统）

2.设计测量电路

3.测试软件设计利用汇编语言、Labview或其他的开发程序（VB、VC等），设计测试软件进行数据是采集和分析。

4.调试

5.撰写报告

（三）报告要求

1.综合实践的内容

2.撰写总体的设计方案，并画出测试系统框图

3.硬件选用（包括传感器、采集卡的选用和安装等）

4.电路设计（包括测量电路的设计等电路，系统总电路）

5.测量软件的设计利用Labview或其他的开发程序（VB、VC等），设计测试软件进行数据是采集和分析。包括软件设计流程图，各功能实现的方法和代码（包括各主程序，子程序的描述以及相应的重要参数设置等描述）

6.小结和体会（可以包含调试中遇到的问题）。

引言

人体脉搏计的设计是基于传感器，放大电路，显示电路等基础电路的基础上，实现对人体脉搏的精确测量。其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷的测量脉搏次数，并用十进制数显示出来。具体的各部分电路接下来将介绍。现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，他们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。传统的脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向较坚实的面，以使脉搏的感觉传到指尖，如果将动脉压上软的组织，则脉动波会被吸收或抵消，使指尖不易触觉脉动；指尖压在动脉上的力量要适中，用力太重将阻断血流，反而无脉搏产生。这种手工方法虽然简单易行，但容易产生误差，特别是临床住院病人常规的监测上，这种手工测脉搏的方法不仅影响工作效率，并且不能连续监测，无法实时观察。我们设计的数字脉搏计是一种自动测量人体脉搏的仪器，能直观地显示人体每分钟脉搏数，可连续、动态监量，价格便宜，适于普及推广。本此课设设计了一款基于压电传感器的电子脉搏计，实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。该传感器可与电子电路相结合，将脉搏信号转化为模拟电信号，并利用滤波技术等信号处理方法准确的测量人体微弱的脉搏信号，而且可以进一步实现显示记录功能。

设计方案和系统框图

人体脉搏波检测系统的整体结构如图所示，它主要由硬件结构和软件结构组成。硬件结构包括压力式传感器、信号放大电路、滤波电路（低通与高通电路）、USB-4704采集卡；软件结构包括PC和LabVIEW可视化图形编程软件组成。本系统由压力式传感器采集脉搏信号，经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号，再通过利用USB-4704采集卡采集滤波和放大后的脉搏信息进行A/D转换并通过LabVIEW的可视化图形编程软件来实现波形的显示、存储和回放、报警等功能。本系统操作简便、性能稳定利于医护人员的观察和研究，下面我们将详细介绍一下系统的硬件和软件设计。

硬件选用

1.HK-2000B脉搏传感器：

本设计采用的脉搏传感器是HK2000B型压电脉搏传感器。HK-2000B型脉搏传感器采用高度集成化工艺，将灵敏度温度补偿元件、力敏元件（PVDF压电膜）、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部，其输出信号为模拟信号。

它的工作原理为：传感器设计基于应变电测的原理，采用悬臂梁结构式弹性元件，使弹性元件随着人体脉搏的跳动而发生微小形变。此时，粘贴在弹性元件上的电阻应变片发生变形，其电阻值发生相应变化。通过电桥将电阻变化转换成电压信号。

它的主要特点：

1) 灵敏度高。

2) 抗干扰性能强。

3) 过载能力大。

4) 一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。

HK2000B型压电脉搏传感器的外形如图所示：

技术指标：

1) 电源电压：5～6VDC

2) 压力量程：-50～+300mmHg

3) 灵敏度：2000uV/mmHg

4) 灵敏度温度系数：1×10-4/℃

5) 重复性： 0.5%

6) 迟滞： 0.5%

7)过载：100倍

2.中间变换电路

中间变换电路的作用主要是将传感器的输出变为3频线输出，如下图所示

3.采集卡

USB-4702/4704是低成本的USB数据采集模块。您不再需要打开机箱安装DAQ模块。只要插上模块，然后得到的数据。它的简单而有效的。可靠和足够坚固的工业应用，但足够便宜，家庭项目，USB-4702/4704是最完美的方式添加到任何USB功能的计算机测量与控制能力。从USB端口获得所有所需的电力，因此不断要求没有外部电源连接。USB-4702/4704的特点，他们是最具成本效益的实验室或生产线的测试和测量工具的有效选择。

要将采集卡的信息输送到Labview，我们需到硕华官方网站找到USB-4702/4704型采集卡的驱动，然后下载到电脑解压并安装。

USB-4702/4704采集卡相关参数：如下图所示

（一）主要特点：USB-4711 具有如下测量与控制功能：16 个单端模拟量输入通道

12-bit 分辨率A/D 转换器，采样速率高达100 kS/s

8 个数字量输入和8 个数字量输出通道（TTL 电平）

2 个模拟量输出通道

1 个16-bit 可编程计数器/ 定时器

每个模拟量输入通道的增益可编程

自动通道/ 增益扫描

板载用于AI 通道采样的1 K 采样FIFO 缓存

无需外部电源

设备状态LED 指示灯

板上接线端子可移除

支持高速USB 2.0

自动校准功能

（二）规格最要参数

模拟量输入：

模拟量输出：

非隔离数字量输入/输出：

（三）实物图：

电路设计

1.电荷放大电路的设计

脉搏传感器所提取的脉压信号幅值小、频率低、随机性强、易受干扰，选择硬件电路时，必须从增益、频率响应、共模抑制比、噪声和漂移等方面综合考虑。原理图如下：

为了防止因Cf长时间充电导致集成运放饱和，常在Cf上并联电阻Rf，如右图所示。为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内；而为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放输入端加保护二极管。

2．增益由于HK2000B型压电脉搏传感器的输出范围约为-0.2~0.6V,为了提高AD采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。根据所选择的A/D转换器的输入参考电压范围为0~3.3V,所以脉搏信号放大器的放大倍数应在10倍内可调。

3．频率响应体脉搏信号的频谱范围为0.1~40Hz,脉搏信号调理电路在此频率范围内必须不失真地放大所检测到的脉搏信号，为了减少不需要的带外噪声，用高通，低通滤波器来压缩通频带，这样，经过脉搏信号调理电路的脉搏信号才具有可靠的诊断价值。

测量软件设计

（一）.LabVIEW软件介绍

软件平台是借助虚拟仪器软件问(LabVIEW)在计算机上搭建的虚拟测试系统。LabVIEW是实验室虚拟仪器工作平台(1aboratory virtual instrument engi．neeriNgworkbench)的简称，是美国国家仪器公司(Na．tional Instruments)推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境．是目前国际上唯一的编泽型图形化编程语言．又称G 语言。其编写的程序称为虚拟仪器程序(简称VI)，主要包括前面板(即人机界面)和框图程序两部分。前面板用于模拟真实仪器的面板作，可设置输入数值、观察输出值及实现图表、波形、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码．用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW采用层次化结构．用户可以把创建的VI程序当作子程序调用。以创建更复杂的程序。此外，LabVIEW内部还提供了各类强大的功能模块和函数模块．以实现对信号和数据的复杂处理。用它编写方框图程序时，只需从对应的模块中选用相应的图标．然后再以线条相互连接。即可实现数据的传输。该测试仪就是借助LabVIEW．仿照真实仪器面板设计前面板．并通过LabVIEW中的DAQ助手及有关功能模块，编写框图程序。测试仪主要功能为脉搏信号的采集及数据存储和对采集存储的信

号进行回放分析。根据此要求，在hbVIEW前面板窗口中，选取有关控件及波形显示器件．并借助LabVIEW的工具模版，设计、架构测试仪前面板；在对应的框图程序窗LI．通过DAQ助手进行有关采集参数的设置．通过Write LabVIEW Measurement模块实现对信号的保存．它将信号波形以数据点的形式存放于文件中．文件的扩展名为lvm。整个采集、显示过程由循环结构控制．选择Append to file就可以将每个循环采集到的数据连成为长达40 s的完整过程记录。同放部分是通过Read from sDreadsheet file模块读取文件路径框中给出的存放数据文件来实现波形的回放．以采样频率128 Hz、采样长度40 s 为设定值。借助有关运算模块．进行脉率的测算。从而在测试仪前面板上实现脉搏波形的采集、数据存储、波形回放、频谱分析、脉率显示、异常情况警示等功能。

（二）.LabVIEW程序框图

Labview程序框图：

1.如图所示：在程序框图中，一个信号有两个输入，一个物理通道，

一个电压的范围。

2.信号输入经过误差分析：

2.通过转换时钟对信号进行一系列分析：

3.设定时间对心律图的X轴进行设定：

4.对信号进行滤波：

5.将信号进行面板显示：

6.将信号进行分析测量出频率：

7.对频率乘以60，频率单位变为分钟：

8.输出频率：

9.对频率进行比较，小于60，心律过低：

10.对频率进行比较，大于120，心律过高：

11.添加一个while循环，使之无限循环，摁停止按钮，程序停止：

12.添加一个打印机，制作出一个表格：

（三）.前面板分析：

本测试系统的调试主要是前面板上控件参数的设置和程序框图上函数参数的设置。在前面板的时候波形显示采用波形图表，X坐标为当时的时间与日期，它会随着时间的变化而变化。Y轴为心律幅值,最小值和最大值分别为1.37和1.48。左侧图标为各类数据：采样点数，采集信号模拟等选用数值输入控件。其中采样点数设置为“无符号16位”。“停止”按钮选用布尔控件的停止按钮，对程序的开始

与停止进行控制。有两个指示灯，作为报警指示灯，当测得的心率过高时左边等亮起，当测得的信号过低时右边等亮起。

测试系统的测试

步骤：

1.将HK-2000B脉搏传感器的输出接口与中间电路相连（因为脉搏传感器的输出端是耳机接头，所以需要中间设备将它转换为3频线输出）。

2.用3频线与中间设备相连接，这里需要注意的是在3频线与中间设备连接的时候，线的接头不能相互触碰，以免发生短路造成设备损坏和影响输出信号，可以用绝缘胶布或者绝缘管包住接头。

3.将3频线的另一端与硕华USB-4704型采集卡连接。这里需要保证接线端口与与中间设备的输出类型一致，即3频线的GED对应采集卡的AGEN，OUT对应采集卡的A0-A7中其中一个端口，VCC对应采集卡的+5V。而且还需要保证接线牢固，否者输出信号将不稳定。

4.将采集卡通过数据线与电脑相连接。

5.打开事先连接好的Labview电路，进行相关操作使采集卡送来的信号输送到Labview里。

6.再次检查线路是否正确。

7.找一个安静的环境，对人进行心律测量，利用护腕或者其它东西将脉搏传感器的测头固定在手腕上。测量时使人尽量保持安静，平静。点击Labview前面板的“开始”按钮开始测量。

总的实物接线图如下图所示：

经过多次测量及及时调整测得心律图如下：

由图可以看出测出的脉搏频率为71.5831，这符合正常成年人的脉搏频率标准，且得到的波形也相当的稳定，因此得出结论：设计成功！

实验小结和体会

在这三四天的课程设计中，我们用在课堂上所学到的知识亲自去设计、安装、调试一个完整的脉搏监测系统。虽然一路上波折重重，但是最终我们还是把它设计了出来。

这次实训是我们在本学期机械工程测试技术基础课和labview

软件理论课学习的基础上而开设的。实训开始前我们在杨淑珍老师的带领下在期末考试前的一个月利用周末闲暇时间集中学习了labview 编程软件。课程上完之后虽然还是对Labview并不是很了解，但是一些基本的功能还是可以理解的。通过为期3天比较繁忙的实训完成这门实训课程的设计任务。每天几乎都在做着相关的学习和设计工作，我们组员在这次实训中任劳任怨、团结协作，大家都为这次实训课付出了许多时间和精力，大家也能在自己分配的模块任务完成之余给予其他模块同伴应有的帮助和鼓励，这是我个人感觉非常重要和宝贵的一点。

这次实训中肖宇为主力，负责线路的连接，而我则负责查找相关资料，比如外接线路的连接及相关硬件使用说明的翻译。虽然在成功的途中遇到过很多困难，但是在老师、同学的帮助下最终也完成了任务。可以说这次实训不仅增长了我的见识同时还巩固了我们同学间的友谊。

总之，从选题到系统分析，到系统设计，到软件编程，最后到运行调试，每一个环节都有不同的问题，需要应用不同的方法解决，有的需要独立思考，有的需要和同学讨论或请教老师。自始至终都要不断的学习，保持端正的态度，不怕困难，这是解决问题的基本要求。