CN204797815U - 一种无线脉搏监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线脉搏监测系统，其特征在于：包括依次连接的脉搏信号采集模块、信号滤波放大模块、波形转换电路、第一微处理器，第一微处理器输出端分别与第一数码管显示模块、无线发送部分，无线发送部分与无线接收部分无线连接，无线接收部分与第二微处理器输入端连接，第二微处理器输出端分别与第二数码管显示模块、串口部分连接，串口部分输出端与PC机连接。本实用新型提出处理脉信号的新方案，即采集及处理与无线发送部分(前端系统)+无线接收与PC机显示部分(后端系统)，对脉搏信号进行采集、处理和远程监测。其设计合理、结构简单、功能多样、监测准确、监测效果好，便于推广使用。

Description

一种无线脉搏监测系统

技术领域

本实用新型涉及医疗监测设备技术领域，尤其是涉及一种无线脉搏监测系统。

背景技术

当今在医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。

人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，它是人体输送养料、传递能量和传播各种生理病理信息的重要途径，脉搏包含有丰富的人体健康状况信息。研究脉搏信息无论是在中医还是西医中都具有重要的临床诊断价值和实用意义。

计算机是现代先进的高速运算和控制工具，因此计算机技术在脉搏研究方面有着其内在的必然性。利用计算机灵敏的反映、快速的计算、数据存储能力、以及高分辨率的显示设备等功能和优势，使得对脉搏的处理更加准确和有效。

因为脉搏检测是带有我国中医特色和独有的生物信号检测技术，因此开发研制这样的监测仪器，可以同时满足医、患两方面的需求。根据对它的特点的分析，预计它的用途将是非常广泛的，特别是如果加有其他的措施之后，如加上自我分析能力部分，它就有着非常明显的社会效益与经济效益，主要体现在以下几个方面：临床诊断、早期诊断、同步监测、指导用药、中医脉象原理的研究。

但目前的脉搏监测设备大部分采用单一的传感器设备监测，并采用有线信号传输，使用不便，功能单一，监测不够准确，监测效果不够好，不能很好满足人们日益提高的脉搏医疗监测需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无线脉搏监测系统，本实用新型提出处理脉信号的新方案，即采集及处理与无线发送部分(前端系统)+无线接收与PC机显示部分(后端系统)。前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作；通过无线接收和串口接口连接到PC机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。其设计合理、结构简单、功能多样、监测准确、监测效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种无线脉搏监测系统，其特征在于：包括依次连接的脉搏信号采集模块、信号滤波放大模块、波形转换电路、第一微处理器，所述第一微处理器输出端分别与第一数码管显示模块、无线发送部分，所述无线发送部分与无线接收部分无线连接，所述无线接收部分与第二微处理器输入端连接，所述第二微处理器输出端分别与第二数码管显示模块、串口部分连接，所述串口部分输出端与PC机连接。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述第一微处理器、第二微处理器均为低功耗8位CMOS微控制器ATmega8515。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：脉搏所述脉搏信号采集模块采用IR333型红外发射二极管和IR333型红外发射二极管组成的脉搏信号采集电路。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述无线发送部分、无线接收部分采用CC1100型无线收发芯片。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述串口部分采用基于MAX232芯片的通信电路模块。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述信号滤波放大模块为有源二阶低通滤波器电路和运算器同相放大电路组成的滤波放大电路。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述波形转换电路为555定时器构成施密特触发器。

上述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述第一数码管显示模块、第二数码管显示模块均为数码管显示电路。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

本实用新型提出处理脉信号的新方案，即采集及处理与无线发送部分(前端系统)+无线接收与PC机显示部分(后端系统)。前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作；通过无线接收和串口接口连接到PC机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。其设计合理、结构简单、功能多样、监测准确、监测效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的无线脉搏监测系统结构框图；

图2为本实用新型的无线脉搏监测系统无线信号收发芯片原理图；

图3为本实用新型的无线脉搏监测系统的脉搏信号采集模块电路原理图；

图4为本实用新型的无线脉搏监测系统的信号滤波模块电路原理图；

图5为本实用新型的无线脉搏监测系统的信号放大模块电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种无线脉搏监测系统，其特征在于：包括依次连接的脉搏信号采集模块1、信号滤波放大模块2、波形转换电路3、第一微处理器4，所述第一微处理器4输出端分别与第一数码管显示模块5、无线发送部分6，所述无线发送部分6与无线接收部分7无线连接，所述无线接收部分7与第二微处理器8输入端连接，所述第二微处理器8输出端分别与第二数码管显示模块9、串口部分10连接，所述串口部分10输出端与PC机11连接。

本实施例中，所述第一微处理器4、第二微处理器8均为低功耗8位CMOS微控制器ATmega8515。ATmega8515是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8515的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega8515有如下特点8K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，512字节SRAM，一个外部存储器接口，35个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，两个具有比较模式的灵活的定时器计数器(T/C)片内外中断，可编程串行USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及三个可以通过软件进行选择的省电模式。

本实施例中，脉搏所述脉搏信号采集模块1采用IR333型红外发射二极管和IR333型红外发射二极管组成的脉搏信号采集电路。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。综上，本实施例采用基于红外发射、接收二极管的透射型脉搏信号采集电路。

透射型是指光源和光电接收器分别位于被测手指的上下两侧，它是利用肌肉比较容易透射光线，而血液对光线有选择吸收作用的原理制成。光源用红色发光二极管置于指尖上方，光电接收器用光敏三极管或者光敏二极管置于指尖下方。发光二极管发出的光线透过指尖被光敏只极管接收，手指指尖血管血液容积在血液循环过程中呈现博动性变化，于是光敏三极管或者光敏二极管获得的信号便反映了手指动脉血液容积搏动变化的情况，光敏三极管的输出信号呈现周期性变化，经放大后即得到周期性变化的指尖脉搏波信号。

脉搏信号采集电路如图3所示，LM393的UA接为单位增益缓冲器以产生2.5V的基准电压。由于红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生0.4V电压，0.5mA电流。图3中D2是红外接收二极管(BPW83型)和D1是红外发射二极管(IR333型)，他们的工作波长都是940nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图3中，R5选100Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R5过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，RO过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，UB的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有1μA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。因为红外线是不可见光，在接上电源时不能直观的知道他是否导通，因此在R5后面节上一个指示灯来判别他是否正常工作。因此脉搏信号的采集实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过UB的放大而得到的。所采集到的信号为2μV左右的电压信号。

如图2所示，所述无线发送部分6、无线接收部分7采用CC1100型无线收发芯片。无线收发模块采用由ETC公司生产的CC1100芯片，这个芯片的特点是：CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段，也可以容易地设置为300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz的其他频率。RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。

本实施例中，所述串口部分10采用基于MAX232芯片的通信电路模块。该产品是由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是tt1电平0+5v，max232就是用来进行电平转换的，该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

如图4、5所示，所述信号滤波放大模块2为有源二阶低通滤波器电路和运算器同相放大电路组成的滤波放大电路。有源二阶低通滤波器电路如图4所示，它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，信号从运放的同相端输入，故滤波器的输入阻抗很大，其输出阻抗很小。运放OP07与R13和R14组成电压控制的电压源，因此称为压控电压源LPF。优点是电路性能较稳定，增益容易调节。图4中同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益A0，即：A0＝Auf+1+Rf/R1

这种滤波器的传递函数为：

A(s)＝U0(s)/Ui(s)＝Auf/[1+(3-Auf)sCR+(sCR)＾2]，令w0＝1/RC，称为特征角频率：Q＝1/(3-Auf)，称为等效品质因素；则A(s)＝Auf*w0＾2/(s＾2+w0*s/Q+w0＾2)＝A0*w0＾2/(s＾2+w0*s/Q+w0＾2)，用s＝jw代入上式，可得到幅频响应表达式：201g|A(jw)/Auf|。因此上限截止频率公式为：fh＝1/(2*3.14*R*C)。放大倍数公式为：A＝U1/U0。截止频率为：fh＝1/(2*3.14*R12*C)＝1/(6.48*10*10＾3*0.47*10＾-6)＝33.8Hz。采集到的信号由J1接入，这个信号中含有几种干扰信号，主要有50Hz的电源信号干扰，所以这部分的主要任务就是把主要干扰滤掉。因此滤波电路的截止频率为33.8Hz，于是对于50Hz的干扰则不能通过滤波电路输出。而放大倍数A＝U1/U0，在这个电路U1/U0＝R14/R13＝235，所以图4不仅只是滤波作用，还可以对电压进行放大作用。然而对于50Hz干扰信号来说，16.4Hz已经足够消除他了，对于2uV这样弱的信号来说235倍的放大是远远达不到单片机最小识别高电平(3V)信号的，所以必须还要一个放大电路。可以用个精密的滑动变阻器来代替R13，提高放大倍数。

如图5所示，由于脉搏传感器阻抗高的特点，可以采用传统的同相放大电路如图5所示，由放大电路原理可以知道放大倍数公式为：A＝U1/U0＝R17/R15。因为同相比例运算电路在输入差摸信号的同时伴随着共摸信号输入，因此共摸抑制比成为影响运算误差的重要因素。而在理想运放的情况下的输出电压：U输出＝[(R17/R15)+1]*U输入。所以相对误差公式为：相对误差δ＝[(1+1/Kcmr)/(1+1/AodF)-1]*100％。所以当开环差摸增益Aod，共摸抑制比Kcmr越大，相对误差δ的数值就越小。信号经过滤波电路之后，电源50Hz的强干扰信号都已经被滤掉。他从C9的2端输入，而C9则对信号再次过滤，把前面留有的暗电流进一步滤掉。运放OP07、R15与R17组成一个放大倍数可调的主电路。为了防止放大电压高过单片机可以处理的+5V电压，于是只给运放OP07提供5V是供电电压，这样就可以让信号放大超过5V时，也只有5V。经过滤波放大电路之后的信号有高低电平，可以让MCU系统识别了，但还不是很完美的方波，因此在通过一个波形整形电路，把他整成一个完美的方波信号。

另外，本实用新型的波形转换电路3为典型的555定时器构成施密特触发器。所述第一数码管显示模块5、第二数码管显示模块9均为数码管显示电路。

综上所述，本实用新型采用嵌入式与无线通讯技术，提出处理脉信号的新方案，即采集及处理与无线发送部分(前端系统)+无线接收与PC机显示部分(后端系统)。前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作；通过无线接收和串口接口连接到PC机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。正是有了无线接收模块的作用，使得系统具备了远程监测的能力。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线脉搏监测系统，其特征在于：包括依次连接的脉搏信号采集模块(1)、信号滤波放大模块(2)、波形转换电路(3)、第一微处理器(4)，所述第一微处理器(4)输出端分别与第一数码管显示模块(5)、无线发送部分(6)，所述无线发送部分(6)与无线接收部分(7)无线连接，所述无线接收部分(7)与第二微处理器(8)输入端连接，所述第二微处理器(8)输出端分别与第二数码管显示模块(9)、串口部分(10)连接，所述串口部分(10)输出端与PC机(11)连接。

2.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述第一微处理器(4)、第二微处理器(8)均为低功耗8位CMOS微控制器ATmega8515。

3.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：脉搏所述脉搏信号采集模块(1)采用IR333型红外发射二极管和IR333型红外发射二极管组成的脉搏信号采集电路。

4.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述无线发送部分(6)、无线接收部分(7)采用CC1100型无线收发芯片。

5.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述串口部分(10)采用基于MAX232芯片的通信电路模块。

6.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述信号滤波放大模块(2)为有源二阶低通滤波器电路和运算器同相放大电路组成的滤波放大电路。

7.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述波形转换电路(3)为555定时器构成施密特触发器。

8.按照权利要求1所述的一种无线脉搏监测系统，其特征在于：所述第一数码管显示模块(5)、第二数码管显示模块(9)均为数码管显示电路。