硕士学位论文-呼吸及脉搏监测仪的研究.pdf

华北电力大学（北京） 硕士学位论文 呼吸及脉搏监测仪的研究 姓名：李川 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：王泽忠;王皓 20060501 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 本文阐述了适合于家庭使用的呼吸及脉搏检测仪的研究。在近年的调查研究中， 发现有一些老年人，也有少量的中年人在睡眠时不幸谢世，而身边的亲人竟没能发 现。预防这突如其来的灾难，已有的措施是将弱势之人送到医院，利用医院的综合 仪器进行监护，或建立远程的监测系统，将监护对象的情况通过互联网，传到医疗 中心。这方面的情况在国外已有开展，但这需要昂贵的费用，不能适用于普通家庭。 本文设计的呼吸及脉搏检测仪，通过传感器将监护对象的呼吸及脉搏信号检测出来 送到单片机中处理，当发现有异常情况时自动拨打报警电话，进行语音报警，同时 发射近距离的无线信号报警。 关键词：传感器，单片机控制自动报警 a b 趼r a c t t h et h e s i si st h es t u d yo nm e a s u r i n ga n d m o n i t o r i n gi n s t r u m e n tf o rr e s p i r a t o r ya n d p u l s ea d a p t i n gt ot h ef a m i l y if o u n ds o m eo l dp e o p l ee v e ns o m em i d d l ea g i n gp e o p l e w e r ed e a di nt h es l e e pt h r o u g hi n v e s t i g a t i n gi nr e c e n t l yy e a r s ，b u tt h e i rr e l a t i v eb e s i d e t h e md i dn o tk w o nt h ep i t i f u lt h i n g f o rp r e v e n t i n gt ot h es u d d e n l yg r i e f , t h ep e o p l e m e a s u r e da n dm o n i t o r e da r es e n tt ot h eh o s p i t a lt op r o t e c tr o wu s i n gb yt h ec o m p l e x m e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gi n s t r u m e n to rw eb u i l dt h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga n d m e a s u r i n gs y s t e m t h e nt h es i t u a t i o nw a ss e n tt ot h em e d i c a lt r e a t m e n tc e n t e rt h r o u g h t h ei n t e r u e t ，t h i ss i t u a t i o nh a da p p e a r e di nt h ea l i e nh o s p i t a l s ，i tn e e dt h ee x p e n s i v ec o s t s oi ti sn o ta d a p tt ot h ec o m m o nf a m i l y i nt h ed e s i g no ft h em e a s u r i n ga n d m o n i t o r i n g i n s t r u m e n tf o rr e s p i r a t o r ya n dp u l s ei nt h i st h e s i s ，t h es i g n a l so fr e s p i r a t o r ya n dp u l s eo f t h ep a t i e n t sf r o mt h es e n s o r sc a nb em e a s u r e da n ds e n tt ot h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r t h ep h o n ew i l lb ed i a l e dt og i v ea na l a r mw i t ht h el a n g u a g ea n dt h es h o r t d i s t a n c er a d i o w a v ew i l lb et r a n s m i t t e dt o g i v ea na l a r m i nt i m ew h e nu n u s u a ls i t u a t i o n sw e r e a p p e a r e d l ic h u a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e z h o n g k e y w o r d s ：s e n s o r , s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r ，a l a r m 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 本文阐述了适合于家庭使用的呼吸及脉搏检测仪的研究。在近年的调查研究中， 发现有一些老年人，也有少量的中年人在睡眠时不幸谢世，而身边的亲人竟没能发 现。预防这突如其来的灾难，已有的措施是将弱势之人送到医院，利用医院的综合 仪器进行监护，或建立远程的监测系统，将监护对象的情况通过互联网，传到医疗 中心。这方面的情况在国外已有开展，但这需要昂贵的费用，不能适用于普通家庭。 本文设计的呼吸及脉搏检测仪，通过传感器将监护对象的呼吸及脉搏信号检测出来 送到单片机中处理，当发现有异常情况时自动拨打报警电话，进行语音报警，同时 发射近距离的无线信号报警。 关键词：传感器，单片机控制，自动报警 a b s t r a c t t h et h e s i si st h es t u d yo nm e a s u r i n ga n d m o n i t o r i n gi n s t r u m e n tf o rr e s p i r a t o r ya n d p u l s ea d a p t i n gt ot h ef a m i l y if o u n ds o m eo l dp e o p l ee v e ns o m em i d d l ea g i n gp e o p l e w e r ed e a di nt h es l e e pt h r o u g hi n v e s t i g a t i n gi nr e c e n t l yy e a r s ，b u tt h e i rr e l a t i v eb e s i d e t h e md i dn o tk w o nt h ep i t i f u lt h i n g f o rp r e v e n t i n gt ot h es u d d e n l yg r i e f , t h ep e o p l e m e a s u r e da n dm o n i t o r e da r es e n tt ot h eh o s p i t a lt op r o t e c tn o wu s i n gb yt h ec o m p l e x m e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t o rw eb u i l dt h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga n d m e a s u r i n gs y s t e m t h e nt h es i t u a t i o nw a ss e n tt ot h em e d i c a lt r e a t m e n tc e n t e rt h r o u g h t h ei n t e r u e t ，t h i ss i t u a t i o nh a da p p e a r e di nt h ea l i e nh o s p i t a l s ，i tn e e dt h ee x p e n s i v ec o s t s oi ti sn o ta d a p tt ot h ec o m m o nf a m i l y i nt h ed e s i g no ft h em e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n g i n s t r u m e n tf o rr e s p i r a t o r ya n dp u l s ei nt h i st h e s i s ，t h es i g n a l so fr e s p i r a t o r ya n dp u l s eo f t h ep a t i e n t sf r o mt h es e n s o r sc a nb em e a s u r e da n ds e n tt ot h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r t h ep h o n ew i l lb ed i a l e dt og i v ea r ta l a r mw i t ht h el a n g u a g ea n dt h es h o r t d i s t a n c er a d i o w a v ew i l lb et r a n s m i t t e dt og i v ea na l a r mi nt i m ew h e nu n u s u a ls i t u a t i o n sw e r e a p p e a r e d l ic h u a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e z h o n g k e y w o r d s ：s e n s o r ，s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r ，a l a r m 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文呼吸及脉搏监测仪的研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：t 瓣日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： 日期：戮 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 呼吸及脉搏 第一章引言 呼吸及脉搏是人生命的重要指标，它代表着一个人的健康状况。近年来常常听 到某某邻居在睡梦中突然谢世，身边也有熟悉的人也是这样离开人世，近几个月此 事件更是频发，它带给亲人的巨大悲痛和遗憾深深地震撼了我，经调查发现这已经 不是个别现象，而是时有发生的现象，它极大地威胁着人们的健康，特别是老人及 知识分子。究其直接的原因是呼吸及心脏的骤停，如何能及时甚至提前预报病情而 能避免悲剧的发生，是一个急需研究的课题，对于这一个课题的研究，就具有了重 要的现实意义。 1 2 国内外对呼吸及脉搏的监测 1 2 1 国外的呼吸及脉搏监测仪的发展情况 医疗监护在国外发展较早，始于2 0 世纪3 0 年代，近2 0 年来随着生物医学测量 技术、传感技术、通讯技术和计算机技术的飞速发展，监护方式逐渐向系统化和网 络化发展，监护的范围也逐渐拓宽。由于监护技术涉及多学科技术，所以监护仪的 种类也非常繁杂，性能参差不齐，给选购者和购买者带来诸多困难。危重病症的监 护在国外发展较早，始于2 0 世纪3 0 年代。在第二次世界大战时期，欧洲战场为应 付大量危重创伤患者救治的需要，逐步建立了一种专为严重创伤患者的救治病区， 这就是所谓现代加强医疗单位( i n t e n s i v ec a r eu n i t ) 的最早雏形。特别是呼吸i c u 得 到了的进一步发展。目前认为这种i c u 发展的趋势是医学发展到一定水平的必然结 果。随着生物医学技术、遥感技术、通信技术、微电子计算机技术、医学高新技术 的发展和人们生活的提高，新的监护方式与技术，诸如各类遥测与远程监护观注于 工作状况、运动状况、休息及睡眠下的人体信息的检测技术等，正悄悄地进入到人 类的日常生活中。实现生命信息的全方位检测、监护方式的系统化与网络化是监护 的代表性发展方向。越来越多的人希望能够接受这种医疗行为( 包括各种检查、治 疗) ，因此过去无需监测和监护的科室都需要监测和监护，因而拓宽了监测和监护 的应用范围。所以用于人体生理信息监测和监护及控制的各种监护仪器应运而生。 国外医疗监护仪已能利用各类电极、生物医学传感器( 包括物理、化学、生物 传感器) 检测心电、脑电、血压( 有创和无创) 、呼吸、脉搏、血流量、体温、心 输出量、血氧饱和度、p h 、p 0 2 、p c 0 2 、葡萄糖、胆固醇、激素和蛋白质。呼吸及 脉搏监测只是其中的一项，医院的设备一般是综合指标监测。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 现在监护装鼍一般需要配置中央监护站，与床边的监护仪连接起来，中央的监 护仪器必须同时显示来自任何一个病人的所有波形和信息，同时并不终止来自其他 病人的e c g 等波形，中央监护站与每台床边监护仪之间豹通信传输有有线( 电话线、 电缆、光纤等传输介质) 和无线( 电磁波、红外光等) 两种，中央监护仪及床边监 护仪都配有记录器和打印机，将报警事件记录下来，大屏幕彩色显示器对中央监护 站特别有用，可显示多个e c g 波形，便于分辨区别病人信息的性能，可帮助医务人 员确认所显示的病人的信息。另外，采用公用电话交换网络能实现生理参数的远程 诊断和监护，这被称为电话线传输监护。另外还有计算机网络、有线电视网、卫星 通信网络、地面移动通信网络可供利用。目前多趋向于采用组合式监护系统 ( c o m p o n e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ) ，即设置一个床旁机，另加具有不同监测功能的插 件，将病人的信号经初步处理后输入主机，在主机中经过进一步处理后显示出来并 可输给相应的记录设备。该系统中不同的插件代表不同的监测功能，这样可以通过 变换插件，来完成不同的监测功能组合，使床旁监测仪功能灵活多变。在将来有新 的监测指标出现时，只需购入相应的插件和主机相接，即可使仪器具备新的功能而 保持其先进性。计算机系统在监护室中已获得了愈来愈广泛的应用，监护室的计算 机化管理将显著地提高其工作效率和工作的有序化程度，计算机化已经成为监测和 监护室的重要发展趋势，但价格昂贵。 国外的医疗体系与我国国情不同，西方国家的医疗一般以社区医疗为主，社区 医生经常为其所辖的需服务的人检查身体，如有问题及时送综合性医院诊治，综合 性的监测设备也集中于医院，目前也无低价的专门的呼吸及脉搏监测仪用于家庭。 1 2 2 国内的呼吸及脉搏监测仪的发展情况 我国的病人监护仪的研制起于五十年代，发展较晚。我冒最早的i c u 是成立 于5 0 年代中期，用予心胸外科术后监护室。7 0 年代初期的冠心病监护室得到了进 一步发展，而综合性的全院i c u 则是建立于8 0 年代初期。进入9 0 年代后，i c u 数 量增长较快，但水平参差不齐，在近2 0 年来，i c u 发展较快，在少数大医院设立了 基本符合国际标准监护室格局的呼吸监护室。 近年来随着综合啻力的增强及人民生活水平的提高，也引进了大量的国外先进 的监护仪，也能生产出高质量的多功能医用多参数监测仪。到目前为止已有些产品 的性能也能与国外的同类产品抗衡，但就总体而论，呼吸监测报警方面的仪器在国 内集中于医院且为综合多参数仪的一个组成部分。总体技术水平方面仍与发达国家 有着较明显的差距，还不能达到国外产品的性能及规模，且其价格昂贵，目前也无 专门用于家庭监测的医疗呼吸及脉搏监测仪。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3 研制适合家用的呼吸及脉搏监测仪的意义 目前中国社会正向老龄化发展，一个子女往往要负责照顾到两个甚至多位老人， 随着社会的发展，生活节奏的加快和工作压力的增大，使很多子女无暇照顾到老人， 加之生活习惯及文化的差异，个人性格差异等影响，有些老人选择了和子女分开生活 的方式，那么老人的健康如何保证? 老人的生活如何监护? 这就导致他们的健康监 护处于非常不利的情况。近来的调查发现，有些老人由于突发疾病，身边无人照顾 不幸辞世，有的是心脏病突发有的是呼吸不畅，其中一大部分是在夜晚睡觉时突然 发病，而亲人又不能及时发现，这样的悲剧在我们身边屡见不鲜，也给家属造成了巨 大的精神打击，留下了终身遗憾。 再看中年高级知识分子的情况，经常超负荷的工作，极大地威胁着他们的健康。 英年旱逝的情况也时有发生，特别是这种情况常常发生在晚间睡眠时。因此研制适 用于家庭，面向老人和弱势群体的呼吸及脉搏监测仪，就很有必要。 那么，现有的医疗监测仪情况如何昵? 应该说，现有的生命参数监测仪，已经 能够对病人进行全天监护，及时记录病人的各项生理指标，具有报警等时时监测能 力，但是这些设备主要集中于医院，其价格少则几万，多则几十万上百万，价格昂 贵制约了其普及性，普通百姓无能力负担其昂贵的租用费用，更不用说购买一台仪 器放在家中。因此，研制价格低廉，功能可靠且小型化，适用于家用的呼吸及脉搏 监测仪非常有必要。这无疑会带来巨大的社会效益和经济效益，具有良好豹市场前 景。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 1 设计方案比较 2 1 1 方案 第二章整体设计方案 监护装置配置中央监护站，将床边的监护仪连接起来，中央监护仪必须同时显 示来自任何一个病人的所有波形和信息，中央监护站与每台的床边监护仪之间的通 信传输有有线( 电话线、电缆、光纤等传输介质) 和无线( 电磁波、红外光等) 两 种，中央监护仪和床边监护仪全都配有记录器和打印机，将报警事件记录下来，大 屏幕彩色显示器对中央监护站特别有用，可显示多个记录波形，便于分辨区别病人 信息的，可帮助医务人员确认所显示的病人的信息。此种监测价格昂贵，目前还无 法普及。 2 1 2 方案二 充分利用家庭的有线电话线结合摘机拨号集成电路，附之以单片机控制就可以 完成对被监测对象的实时监测，并及时拨打报警电话。优点是能提前或及时发现情 况及时报警，并体积小，价格低，易安装调试，工作可靠。 本研究采用了方案二。 2 2 设计方案框研究方案的原理 如图2 - 1 所示： 图2 - 1 呼吸及脉搏监测仪 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 传感器采集四路信号，分别是鼻呼吸、胸呼吸、腹部呼吸、手指的脉搏跳动信 号；由于传感器来的信号幅度较小，所以进行信号放大、整形，将结果送到单片机 相应的引脚，当单片机检测到不正常信号时，立刻通过拨号电路拨打电话，当电话 接通后将事先录制的语言通过电话播放出去，同时发射信号给隔壁的儿女报警及本 室内报警以唤醒身边的伴侣。电话可以循环拨打，拨打顺序可以自行设定，拨号电 路可以直接跨接到电话线两端。 华北电力大学工程硬士专业学位论文 第三章信号采集方案 3 1 人体信号的采集方式 在进行信号采集的时候，有几种方式可以选用，一种是非接触式采集，此种方 式对人体无任何的影响，不会干扰被监铡人的正常生活；一种是接触采集，信号的 采集装置接触人体，甚至要置入体内，或多或少的影响到被测人的正常生活，所以 测量传感器的选用就显得十分重要。 3 2 呼吸信号采集 3 2 1 人体的呼吸信号意义 根据几个信号的强弱，就知道被钡4 人员健康情况。呼吸信号的采集来源于三个 指标，分别是鼻呼吸、胸呼吸和腹部呼吸，健康的人一般是用鼻呼吸和胸呼吸，而 当有异常情况时，主要是腹呼吸，而鼻呼吸和胸呼吸微弱，或全停止。所以对被监 测人员的呼吸提取，就从鼻呼吸和脾呼吸、腹呼吸三个方面入手。 3 2 2 呼吸信号采集方式研究 将呼吸信号转化为电信号的方式有几种，一是利用电阻应变片作为传感器，当 有呼吸运动时，在运动的方上引起电阻的变化，从而采集到电信号，此种传感器的 电阻材料主要是康铜丝和卡码合金，该种传感器的特点是线性误差小，长时间使用 零点稳定性好。但该传感器的灵敏度受到电阻丝弯曲形状影响较大，在机械应力的 作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化。 固态压阻式传感器是近年发展起来的新型传感器件，由于它的原理是基于半导 体的压阻效应。所以也称之为半导体应变式传感器。 半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化， 这种现象叫压阻效应。这与金属电阻的应变效应有本质的区别。晶体在应力的作用 下，晶格间的载流子电子、空穴的相互作用发生了变化，半导体材料从能量的角度 看，原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化，这就影响了导带中载流 子的数目，同时又使载流子的迁移率发生了变化，因此晶体的电阻率发生了变化， 半导体应变片的应变灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍。通常把半导体 应变式传感器称之为压阻式传感器。半导体晶片的压电效应的方向性强，对于一个 给定的半导体晶片来说，在某一晶格方向上压电效应最显著，而在其它方向上压电 效应就较小或不会出现。 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 半导体应变片目前主要有两大类型：体型半导体应变片，这种元件的应变片需 要用特殊胶水来粘贴，精度受到影响；扩散式半导体应交片，它是应用扩散掺杂工 艺，在一块芯片上一次完成，精度、可靠性都很高。目前被大量应用于医学测量等 领域。本研究就采用了该种器件。呼吸信号的采集原理如下，如图3 - 1 所示： 图3 - 1 扩散压敏电阻式惠斯登全桥传感器 为了提高灵敏度，把扩散压敏电阻接成惠斯登全桥，并且把电阻值增加的两个 电阻对接，以使电桥输出的灵敏度最大。 当有应力作用时，即有呼吸运动时，两个电阻的增量为r ，另两个对接电阻 减小量为一r ，由于温度的影响，每个电阻都有r 的变化量。根据图3 - 1 ，电桥 的输出为： u 坚堡竺坐! 一 旦堡二竺! 坐! 。 r a r + a 爵+ r + 尺+ 足，胄+ r + 墨+ r 一r + 蝇 整理后得 u 。u 旦 。 月+ 崛 当艄，一0 时 u 。u 竺 当用恒压源供电时，电桥输出与r 成正此，同时与恒压u 成正此， 电桥输出与电源电压的精度有关。事实上很难使岛一0 ，当崛一0 时， 和温度呈非线性关系，所以恒压源供电不能消除温度漂移的影响。 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 也就是说 电桥输出 当用恒流源供电时，假设电桥两个支路电阻相等，即r 。= r 。= 2 ( r + ar ) ，则有 ，。- i , 。c 一吾， a ， 因此，电桥的输出为 华北电力大学工程硕士专业学位论文 u 。，一寺懈+ 能+ a r r ) 一专胆一曲+ 蝎) ( 3 - 5 ) 整理后得 u 。- ，a r ( 3 - 6 ) 可见，输出和r 成正比，同时也和电源电流成正比，即和恒流源供给的电流 大小与精度有关。恒流源供电的优点是不受温度变化的影响。因此在本研究方案中， 传感器的供电由恒流源提供。 还有一种方式是在被测人的褥子上安放压力及振动传感器、当被测人有呼吸运 动时就可以感知到并转化为电信号，该种信号的选取方式虽然最方便于被测人员的 生活，但是技术上要求高、研制费用昂贵，不适用于本研究。 把传感器放在被测人员的鼻下方时，可以测量气流的变化也可以测量热敏电阻 的变化，这样就可以得到鼻呼吸的信号。 3 2 3 呼吸传感器的选用 由于半导体传感器的体积小、灵敏度高、价格便宜、可以将温度补偿电路和信 号变换电桥放在一个很小的芯片内、所以本研究选用了半导体传感器、将其固定在 胸带和腹带上就可以测量胸呼吸和腹呼吸的情况，得到大约2 0 m y 的脉冲信号输出。 将鼻热敏电阻置予鼻孔下方，根据热敏电阻的阻值变化，就可以得到鼻呼吸存 在与否的开关信号。 3 3 脉动信号采集 3 3 1 脉动信号采集方式 脉搏是动脉血管随心脏舒缩而周期性波动的现象，脉动包括血管内压、容积、 位移和管壁张力等多种物理量的变化。脉搏的测量有以下几种方法：一是从心电信 号中提取：该种方法需要在身体上联上好几个电极，一般是用在医院中的较大型的 综合监测仪上，不适合用在家庭中对老人进行在睡眠时的长时监测；二是在测量血 压时，压力传感器测到波动信号，计算脉动频率，如果用该方法来监测可以得到被 信号，但由于老人的体质弱，测到的信号也相对较弱，且不易安放；三是光电容积 法，该方法在测信号时安放容易，信号易采集。 3 3 2 脉动传感器的选择 光电容法测量脉搏如图3 - 2 所示，此法是监护测量中最普遍的，传感器由光源 和光电变换器两部分组成，它夹在被测人员的指尖或耳廓上。光源选择对动脉血中 氧合血红蛋白有选择性的一定波长的光，最好用发光二极管，其光谱选择在6 l o 。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 一7 l o m 。 光电管 穰光 图3 - 2 光电容法测量脉搏 此光束透过人体外周血管，当动脉搏动充血，容积变化时，改变了这束光的透 光率，由光电变换器接收经组织透射或反射的光，转变为电信号送放大器放大和输 出，由此反映动脉血管的容积变化和心跳情况。 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 1 前置放大器的要求 第四章放大器研究 由于人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生 理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、存储、记录之前，应该进行一些预处 理，以保证测量结果的准确性。一般预处理包括，利用过压保护电路防止输入信号 过大损坏仪器及利用高频滤波电路滤除空间电磁波及人体其它生理号干扰，但最主 要的是将传感器获得的信号加以放大，同时减小嗓声和干扰信号以提高信噪比，对 有用的信号中感兴趣的部分，实现采样、调制、解调、阻抗匹配等。“放大”在信 号预处理中是第一位的。根据所测参数和所用传感器的不同，放大电路也不同。 用于测量生物电位的放大器称为生物电放大器，生物电放大器比一般放大器有更严 格的要求。 在本研究中放在传感器后面的电路就是前置放大电路，由于从传感器取得的信 号很微弱，且混杂了一些其他的干扰信号。因此前置放大电路的主要功能是，滤除 一些共模干扰信号，同时进行一定的放大。为了实现这个自的，对于前置信号放大 器有以下特殊的要求。 高输入阻抗。由于担心电信号很微弱，且拾取到的信号几至十几毫伏左右，同 时信号源的内阻较大，所以就要求前置放大器具有较高的输入抗阻，否则所测到的 信号就有较大的误差，同时也降低了抗干扰能力。因此，通常选用场效应管作为前 置放大放大器输入级。 高共模抑制比。能抑制各种电磁信号的干扰，尤其是5 0 h z 交流电的干扰，因 为5 0 h z 的频率在呼吸及脉搏放大器的频率范围之内，而且交流电引起的干扰往往 要比微弱的呼吸及脉搏的电信号大许多，若把呼吸及脉搏电信号和交流干扰信号同 时放大，呼吸及脉搏的电信号将会叠加上严重的干拢。由于电磁信号为共模信号。 因此，前置放大器必须具有很高的共模抑制比，才能具有很强的抗干扰能力，把干 扰信号抑制掉。 低零点漂移。因为室内的温度会随着季节而变化，要求监测仪工作可靠。前置 放大器的零点漂移主要由室内的温度变化引起，这种漂移经过后级放大，将严重影 响到后续电路的采样分析。因此要求前鼍放大器的零点漂移越小越好。 低声噪。噪声是放大电路中，各元器件内部带电粒子的不规则运动造成的。在 多级放大电路中，第一级产生的噪声对测量结果影响最大，因此要求前置放大电路 采用低噪声的集成放大电路。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 2 前置放大电路图设计 4 2 1 放大器2 8 3 1 从呼吸以及脉搏传感器传来的电压信号经过屏蔽导线输入到放大器的输入端。 本研究选用了美国模拟器件公司生产的传感器接口模块2 8 3 1 ，该器件只要配接少量 的外围器件，就可以适应于多种传感器，特别是电阻型传感器。2 8 3 1 性能指标见表 4 - 1 ，内部结掏如图4 1 所示： 2 82 62 7 2 42 22 5 1 7 1 9 图4 - 1 传感器接口模块2 8 3 1 的内部电路 该模块由四部分组成：仪器放大器、缓冲器、滤波器和可调激励源。它将用户 设计传感器接口时所需的多种功能电路有机地结合起来，分别地完成对信号的处 理，减小接口电路的体积、降低功耗、消除器件问的强干扰。 模块的输入级为仪器放大器。它用来测量两个输入端1 2 、1 5 脚之间的电压差， 然后以所设置的增益进行放大。此仪器放大器的输入阻抗很高、失调低，漂移很小， 见表4 1 。通过调节在1 0 、1 1 脚的电阻可以改变仪器放大器的增益。1 3 、1 4 脚接失 调微调电阻，以减小失调。 在缓冲级，调节2 、3 脚上的电阻可以实现块增益间的微调。此外，缓冲器也 可以为器件提供高达1 5 v 的偏置，以适应多种传感器的需要。对于宽频带信号的测 量，可以从缓冲器的1 脚输出信号。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 三阶有源滤波器可以输出4 - 5 v 的电压和1 0 0 u a - 1 0 m a 的电流，也可以为电阻 式传感器提供激励。 表4 12 8 3 1 性能指标 参纛 盈玲u 羽豫l k翟翳耋l 增增藏翔黼 柚生狲 湘 麓增藏馨缱缝4 - o 0 i 鼍0 + 5 麓_ 士o 舵5 目撇 漂g _ l 、 ，v士撼嗥w 生筠艄燃土鳓肌 耋 g s m - o v v c 3 - v c m x土i t , v c m “ * 0 ：5 1 , v x ：m a t ，l 甄船 f w ( 1 7 s g ) p , v c士( 3 盎i s 0 g ) p v r c 羹棘 h w日m* m 对蠢c 谛l o o o v v耘w 一瓤嗍 盘轴v ，胃 量电曩- o 。h 玳- o 翻 - 0 翻蚺愚 l l l l , 恢一毫藏( o q ) 4 e p a c盘柏玳 ：1 ：4 0 p a 曩抗1 0 0 m o i i 或试 1 0 1 ) m l li i 射滞1 0 0 m ou 孵一 人毫太苓蓐压 土u 嗤v制影雌v 擐藏曩簟幢火土l 擘v盘l w虫州 囊厥声0 0 1 啪掣_撕l l m v h , m a 芰 g = l m l o v p e1 0 - l o o i 6 i j , v ”i h 譬 毫蠢声 o o l 一2 1 - b 匍h瑚娜”袖p h o - l 舶0 v vl o - - 1 0 0 i 4 k 捌叫 3 日| 峨一 洳o 囊窟皇压鼬l )主 土撺盘阳v 出 毫t 知蚺- 5 m 一-：1 ：j i m a m 4 2 2 胸腹呼吸放大器应用设计 4 2 2 1 滤波器设计 由于胸腹呼吸均为低频信号，为了使得监测结果可靠，就需要滤除高频和工频 干扰。2 8 3 1 模块设有三阶有源低通滤波器，如图4 2 所示： 图4 2 中的r 。、r 。、是用户选择电阻。不同的阻值可以得到不同的截止频率， 满足不用的应用需要。如果要选择的截止频率为f c ，当f c = 3 0 h z 时，则三只选择电 阻为： r ；e l l = 1 1 6 l o 。( 2 6 7 f c 一4 3 4 ) ( 4 1 ) r 。= 2 7 6 l o v ( 4 1 2 f c 一7 ) ( 4 2 ) r 。l 。= 1 0 5 1 0 6 ( 0 8 0 6 f c 1 3 )( 4 3 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 v i n o 0 2 2 u 4 2 2 2 激励源的选择 图4 22 8 3 1 模块设有三阶有源低通滤波器 选择测量电桥的激励源时，主要从两个方面考虑：一是灵敏度，二是稳定性。 从灵敏度来考虑，激励源的信号大些。但是如果激励信号过大，流过传感器电阻的 电流偏大，传感器电阻发热，阻值变化，从而就会影响测量精度。一般来讲，流过 传感器的电流应为6 - 8 m a 。 4 2 2 3 增益调整 为了使放大器的输出电压能和单片机接口电路电压要求机匹配，就需要调节模 块的增益以调整放大器的输出电压。在调节模块增益之前，要算出测量传感器电桥 的输入信号的变化范围，确定模块的增益，然后根据公式： g = ( 1 + 9 4 0 r g ) 2 0 0 0 ( r ，+ 1 6 2 0 0 ) ( 4 - 4 ) 估算出增益的糙调电阻r g ( o ) 和微调电阻r ，( q ) 值；将串有电阻的电阻箱 分别接到模块的l o 、l l 脚上和2 、3 脚上，在放大器的输入端加上模拟信号，调节 微、粗调电阻上串接的电阻箱，测量模块的输出值，使其达到要求。 4 2 2 4 胸腹呼吸信号的放大电路 如图4 - 3 所示，为胸腹呼吸放大器： 由图4 3 可以看出，2 8 3 1 用于半导体应力传感器非常简单。在这种应用中，传 感器用电流源供电，具有更好的温度稳定性。调整2 、3 脚之间的电阻值，可以将 输入电压调整到0 5 v 之间的输出脉信号，送到p 0 口： 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图4 3 胸腹呼吸放大器 4 2 2 5 鼻呼吸信号的放大电路 图4 - 4 所示为真呼吸放大电路： 图4 - 4 鼻呼吸放大电路 将鼻热敏电阻接在1 5 、1 2 脚之间，由1 9 、2 3 脚提供恒流激励，由于它本身具 有高阻抗，可以消除由线上的电压降引起的测量误差，调整2 、3 脚的电阻，实现 电压增益的调整。使输出电压随呼吸的频率成o 一5 v 的脉冲输出，给单片机p o 口。 4 2 3 脉搏信号放大器应用设计 脉搏测景放大器，是通过检测指尖血流量的改变或耳廓血流量的改变来同步显 示心跳的节拍的。测量时，只要被测人将手指插入检澳i - t l 内或将传感器轻带在耳廓， 即可通过测量器面板上发光二极管l e d ，检测自己的心律情况。 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 脉搏测量器的电路，如图4 5 所示。图中，红色发光二极管l e d 与硫化镉光 敏电阻r 1 7 ，组成血流量检测传感器，是脉搏测量器电路的关键部件： 图4 5 脉搏测量器的电路 4 2 3 1 脉搏信号放大器原理分析 电源电压经电源开关s 送入三端稳压集成块i c i ，输出稳定的5 v 电压，为l e d 与r 1 7 组成的脉搏传感器提供工作电压，使传感器处于工作准备状态。当被测人手 指插入检测传感器时，r i ? 两端的检测电压送至i c 2 a 的脚，经i c 2 a 与i c 2 d 两级 放大后，在i c 2 d 的脚输出1 v 以上的心跳信号电压，经r 1 2 送至比较器i c 2 c 的 同相输入端脚，使i c 2 c 的脚输出一系列与心律同步的负脉冲串。该负脉冲串 触发单稳电路i c 3 ，便在其脚输出相应的正脉冲串。该脉冲送到单片机的p 1 0 口。 传感器检测原理是：人体组织对红光多少有些透明而血液则不透明，当指尖的 血流量随着心跳动而改变时，从l e d 通过指尖到达r 1 7 的光线强弱随之改变，引起r 1 7 阻值由5 0 0 k q 到3 2 0 k q 的变化，这样r i ? 两端随心跳变化的电压。电位器r 1 1 是用 来设置电路的灵敏度，当滑动端的电压调整至2 v 左右便加至i c 2 c 的脚作为比较 器的基准电压。 1 5 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 2 3 2 脉搏信号放大器元件选择 i c l ：三端稳压集成块，7 8 l 0 5 。 i c 2 ：运放集成电路，l m 3 2 4 n 。 i c 3 ：时基集成电路，l m c 5 5 5 c n 。 d ：i n 4 1 4 8 型二极管。 l e d ：红色发光二极管。 r 1 ：4 7 0 q ：r 2 ：2 2 0 k q ：r 3 ：2 2 k 0 ；r 4 、r 6 ，r 1 5 ：im 0 ；r 5 ：1k q ：r 7 、 r 8 、r i o 、r 1 4 ：l o o k q ；r 9 ：5 1k q ；r 1 3 ：4 7 m o ：r 1 5 ：1 5 k q 电位器；r i i ： 4 7 k q 。 c i ：3 3 0 uf ；c 2 、c 3 、c 5 、c 7 、c 8 、c 9 、c 1 0 ：0 1 弘f ：c 4 、c 6 ：1 0 uf ： c 1 1 ：4 7 0 i if 。 r 1 7 ：硫化镉光敏电阻。 4 2 3 3 安装与调试 光敏电阻r 1 7 与发光二极管l e d 分别安装固定，接通电源，用万用表测其稳压块 输出电压应在4 7 5 5 2 5 v 之间。待电路稳定几秒钟，在r 1 7 无光线照射的情况下， 测i c 2 d ( z ) 脚上的电压应达l v 或2 v ，否则应检查电池电压在正常负载下是否为+ 8 v 。 再检查c 1 、c l l 与i c i 的极性正确否。测量i c 2 b 脚电压应在2 5 v 左右，否则关掉电 源，检查与i c 2 有关的所有元件及印制铜箔线有否短路、虚假焊。若仍然查不出原 因，可更换一块新的l m 3 2 4 n 芯片再测，直至故障排除后再进行下一步测试。 将灵敏度控制电位器r l l 顺时针方向转到底，使i c 2 c 脚电压达2 v 左右，此 时电路灵敏度为最高。将传感器组件放入不透光小盒中，并将食指尖稳定地平放在 l e d 与r 1 7 上面。接通电源待电路稳定后，用示波器观察i c 3 波形的幅度，若波形 的幅度正常，则r 1 1 保持原位不动；当电路过于灵敏，则将r l l 逆时针转动少许， 使电路灵敏度降低。可多更换几个人进行心律测试，均正常时再安装。若波形的幅 度不正常，应在r 1 7 无光照的情况下检查i c 2 c 脚电压是否为5 v 左右。当人手指 伸入传感器件后，脚电压应在o v 与5 v 之间来回摆动。否则，应检查i c 2 c 及电 阻r i o 、r 1 3 。当电路调整完毕后。可以发出脉搏波动的电信号。 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第五章无线报警电路研究 5 1 无线报警电路原理 无线报警电路，是由发射机电路与接收机电路组成。 5 1 1 发射机电路 线报警发射机电路，如图5 - 1 所示 瞬5 - 1 无线报警发射机电路 图中i c 3 为无线电发射模块，其外形如图5 2 中( a ) 所示，共5 只引脚。引脚 接负电源；引脚接正电源，引脚为发射控制端，接高电平时发射机工作；引脚 为脉冲信号调制输入端，对发射电波进行幅度调制；引脚为电波发射端。接发 射天线。 f = 习 、- 丌州 一葛羹 + 主 舢 a j 0 1 碎一r o l l螂0 j 1 讳一啊搬_ f ，弋碎一_ 舢一卜- _ 腻 n - |卜啊孵 雌一卜 i | l 争i jl e 孓列 - 4卜一- if - 一一卜n - i l _ j n - i i 一1 0 1 _ 一1 0 啊-蝣卜- 一卜- 一 - 一卜h 华北电力大学工程硕士专业学位论文 i t 2 为编码器v d 5 0 2 6 - 4 ，与其配对的译码器是v d 5 0 2 7 4 或v d 5 0 2 8 4 ，它们的 管脚排列如图5 2 所示。 i c l 为六非门数字集成电路c d 4 0 6 9 ，如图5 3 所示： 1 4 1 31 2 1 1l o a l 2 善l5 5 t 图5 - 3 六非门数字集成电路c d 4 0 6 9 当f 5 、f 6 输出低电平时，三极管v 截止，发射机不发射无线电波；若f 5 、f 6 输 出高电平，v 的发射极为i c 2 提供稳定的工作电压，i c 3 的脚呈现高电平而工作， 发射无线电波，此时的脚叻输出的是报警地址码的串行脉冲，使发射机发出的便是 受串行脉冲调制的无线电波，且每秒钟发射0 2 秒。 当情况一切正常时，单片机的脚输出为低电平。当三极管v 导通时，集电极输 出为低电平，单片机后面的多谐振荡器的输入一直为零，多谐振荡器停止振，电路 不发射电磁波。当情况异常，单片机脚输出为高电平，当三极管v 截止时，此时三 极管的集电极为高电平，后面的多谐振荡器开始振荡，发射电路开始发射无线电磁 波，发射频率约为1 h z 。可见只要出现异常情况，发射机便发射无线电波。接收机 接收到发射机发出的信号便报警。 5 1 2 接收机电路 接收机电路如图5 - 4 中( a ) 所示： 需 蚕+ 一爱蕾 图5 - 4 接收机电路 华北电力大学工程硕士专业学位论文 接收机电路如图5 - 4 中( a ) 所示，图中i c i 为无线电接收模块m 3 0 3 r ，其外形如 图5 4 中( b ) 所示，共5 只引脚。引脚为信号接收端，接收电波。引脚为电源 正极，引脚为电源负极，引脚为测试端，引脚为脉冲信号输出端。可调整其 电感器来调接接收频率。 i c 2 为译码器v d 5 0 2 7 - 4 ，i c 3 为六非门数字集成电