血氧饱和度信号采集功能.pdf

昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告
（2016—2017学年第一学期）
课程名称：医用传感器开课实验室：信自104
实验日期：2016-12-30
年级、专生医学号201410407114姓赵丽莎成
业、班141201410407110名刘海星绩
实验项血氧饱和度信号采集功能指导教师杨嘉林
目名称
教
师
评
语
教师签名：
年月日

一、实验原理

（一）实验原理

1、血氧测量原理

氧是维系人类生命的基础，心脏的收缩和舒张使得人体的血液脉动地流过肺
部，一定量的还原血红蛋白(HbR)与肺部中摄取的氧气结合成氧和血红蛋白
(HbO2)，另有约2％的氧溶解在血浆里。这些血液通过动脉一直输送到毛细血管，
然后在毛细血管中将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢。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HbO2Hb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。

血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数。血氧饱和度的测量目
前广泛应用有透射法（或反射法）、双波长（红光R：660nm和红外光IR：940nm）
光电检测技术，检测红光和红外光通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比
IIR/IR和非脉动组织（表皮、肌肉、静脉血等）引起光吸收的稳定分量（直流）
值，通过计算可得到血氧饱和度值SPO2，这里采用透射法双波长光电检测技术。
由于光电信号的脉动规律与心脏搏动的规律一致，所以根据检出信号的周期可同
时确定脉率，因而亦称该方法为脉搏血氧饱和度测量。这种测量方法用指套式血
氧饱和度传感器测量红光（660nm）和红外光（940nm）波长光强度经过手指后的
变化，计算其中的脉动量与直流量后，查表可以计算出血氧饱和度值。

2、光源切换
实验采用双波长透射光电检测方法来测量血氧饱和度，所以必须使无光、
660nm的红光和940nm的红外光交替产生并采集得到各不同光时段的信号，通过
减去无光时光电信号可以去除环境光的影响，并得到红光与红外光去除环境光影
响后通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比。这里各种光的交替切换通过对单
片机的PF0，PF1端口编程得到。
3、电流电压转换
血氧传感器输出信号为微弱电流信号，输出电流在1uA左右，经过I-V转换电
路后为电压信号。其中AD795具有很好的直流特性，它的输入偏置电流只有1pA，
是精准的电流电压转换放大芯片，满足电流放大要求。C1与R3并联，起低通滤波
作用并防止振荡；后接C6，R7进行高通滤波，滤除直流分量；再接二阶低通滤波
以滤除杂波，此时660nm和940nm的光信号已经转为滤波后的电压信号。
4、电压放大
经过电流电压转换和高通低通滤波后所得的电压信号由AD620R采集并进行
放大。放大倍数为：G=49.4/2+1=25.7
5、调零及滤波
因光电的直流分量较大，高通滤波截止频率过低会影响正确信号的波形，这
里由加法电路的原理设计了调零电路来去除部分直流分量，并进行低通滤波和放
大来改善波形。
6、电压跟随器的应用
经过有源二阶低通滤波后所得的信号可能不是很稳定，在这里我们应用了电
压跟随器，它的作用是限制最大输出电压、加大电流输出和减小输出阻抗等。
7、50HZ工频滤波
本功能模块电路的输出信号同样需要经过50HZ工频滤波，电路的输出信号送
至模数转换器，经模数转换后送至单片微处理器进行处理，最后送至LCD显示。

二、实验内容及步骤

1.功能板安装。先关电，把血氧功能板通过上下两个板间插件固定在主
电路板上；
2.血氧功能板固定在主板上后，此处电源线和信号输出线都通过上下两
个板间插件和主板连接在一起了，打开电源；
3.在不接传感器的情况下，把示波器的探头一端与P6相连，另一端接
GND。观察示波器显示的信号。如信号不在“0V”时，通过调节旋转电位器RP1，
同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节
电位器RP1，之后，关电取下示波器的探头；
4.以上二步完成后把血氧传感器接到主板的输入端J15上，手指插入血
氧传感器的指套中，开通电源。血氧传感器所测的波形就可以在LCD上显示了；
5.可以用示波器依次测试P1、P2、P3、P4、P5、P6，根据所测的的情况
很容易得到各功能块的作用；
6.在显示界面上选择“血氧信号采集”项，按“采样”键，进入血氧信
号显示界面。
7.记录血氧信号波形及数据。
三、电路原理图

1、电流电压转换及滤波电路

图4-1

2、放大及调零电路

图4-2

3、滤