基于ARM的数字式人体脉搏仪的设计.doc

嵌入式系统设计

题目：基于ARM的数字式人体脉搏仪的设计

专业：电气工程及其自动化
学号：K030941441
姓名：张雄

2011年11月14日一数字式人体脉搏器测量系统总体方案设计
1.1系统硬件电路设计方案
数字式人体脉搏器是通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大电路对其进行放大。然后，将放大后的脉搏信号通过A/D转换模块转换为单片机易于处理的脉冲信号。通过对单片机进行编程来实现对脉搏波动频率的测量和计算，最终在显示电路中直观的显示出来。
硬件原理框图如图1.1所示：
图1.1数字式人体脉搏仪测量系统硬件原理框图
由图可知，本系统硬件部分主要由以下部分构成：脉搏传感器部分、信号放大电路部分、A/D转换电路部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。其中各部分实现功能如下：
（1）脉搏传感器部分。选用合适的脉搏传感器，将脉搏信号转换成电信号输出。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
（2）信号放大电路部分。脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
（3）A/D转换电路部分。单片机是数字信号处理工具，输入单片机的信号必须是离散的数字信号或者是脉冲信号，经A/D转化，便于单片机处理。
（4）单片机处理电路部分。本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率，以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
（5）显示电路部分。单片机处理得到的脉搏波动频率信息，最后在显示电路中直观地显示出来。所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
1.1.1脉搏传感器的选择
传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分，其基本功能是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电量。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
目前，脉搏信号的测量方式主要有：
（1）光电脉搏波传感器。血管不受压力时，血流均匀，反射光也比较均匀，故传感器无脉搏信号输出；当血管受压血液不流动时，传感器也无输出信号；只有当血管受到挤压，血管中的血液断续流动时，反射光也随之变化，这时传感器输出脉搏信号，达到了测量脉搏的作用。这种传感器的特点是结构简单、可靠性高、抗干扰能力强，主要用于测量脉搏的跳动次数。人体不同部位的脉搏波波形存在差异，光电脉搏波传感器不适合用于提取不同部位的脉搏波信号。
（2）压力传感器测量。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

图1.2信号发生部分
其测量原理是，将测力传感器的受力端压在人体桡动脉处，模仿人的指头。这种方式通常采用压阻式传感器，它具有抗干扰能力强的特点，但由于动脉血管产生的力很小，故量程小，抗冲击力不强。
脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。
本设计中的脉搏传感器用MPX4115压力传感器[3]，如图2.2所示。表2.1表明了引脚连接，脚1接运算放大电路输入端，脚2接地，脚3接+5V电源等。表2.2，2.3分别为传感器的一些参数。
表1.1MPX4115
引脚功能１２３４５６Vout地VsN/CN/CN/C表1.2最大额定值(Tc=25℃)
参数符号数值单位最大压力（P1>P2）
Pmax400KPa存贮温度Tstg-40～+125℃操作温度TA-40～+125℃表1.3传感器工作特性参数（VS=5.1Vdc,TＡ=25℃）
参数符号最小典型最大单位压力范围Pop15-115KPa供电电压Vs4.855.15.35Vdc供电电流Lo-7.010mAdc最大压力偏置（0℃～85℃）
@Vs=5.0VVpss0.1350.2040.273Vdc满量程输出（0℃～85℃）
@Vs=5.0VVoff4.7254.7944.863Vdc满量程比例（0℃～85℃）
@Vs=5.0VVFSS4.5214.5904.69