心率计 摘要 利用Labview做核心处理部分，利用压电陶瓷片通过脉搏跳动来采集信号，经过放大滤波等处理送入电脑中的Labview软件中处理，便可得到人的每分钟心脏跳动次数。 1、任务：利用Labview设计一个简易心率计。2、设计思想：我们考虑选择后两个想法进行验证。将得到的信号放大滤波比较等一系列电路处理之后，理想情况下我们可以得到1，0信号。然后通过导线传入到声卡中，软件编程将1，0信号导入到labview中处理，便可以得到心率。系统设计的框架图如图1：二、单元设计思想：元模块方案设计与论证 2.1传感器的选择方案一：采用红外对管。将对管夹于手指端部，通过手指血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。因为每个人的手指情况不一样，会导致每次采集的信号都不一样，这样处理信号时便多了很多的不必要麻烦，因此被迫放弃此方案。方案二：采用反射式的红外管。现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此我们便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦了。但是红外的知识相对匮乏，在经过几次试验之后，仍没有办法得到需要的信号。 二、单元设计思想：元模块方案设计与论证 方案三：采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动采集信号。当脉搏跳动时，压电陶瓷片便会产生相应的信号，虽然这是一种很陈旧的方法，但是却很实用，测试的时候能够明显的观测到信号的变化。压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。其符号及外型如图2：因此我们采用方案三。图2:压电陶瓷片的符号及外型 2.2处理部分方案选择 方案一：采用51系列的单片机。该类型单片机I/O口较少，外围电路简单，体积小，价格便宜。我们得到的0，1信号送入单片机处理，只需要简单的软件编程。但是却需要显示等其他的电路。方案二：采用labview处理。LabVIEW是一种图形化的编程语言，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。没有硬件部分，完全的软件模拟。实现起来十分的方便。因此我们采用方案二。2.3 心率的计算方法方案一：模拟方法是在给定的时间间隔内计算脉搏波的脉冲个数，然后将脉冲计数乘以一个适当的常数测量心率的。这种方法的缺点是测量误差较大、元件参数调试困难、可靠性差。但是可以平均计算一段时间的心率，可以减少误差。方案二：数字方法是先测量相邻脉冲波之间的时间，再将这个时间转换为每分钟的心跳数测量心率的。这种方法的优点是测量精度高、可靠性好，并且能同时测量瞬时心率和平均心率。但是很有可能因为偶尔的一次系统误差导致结果错误。2.3 心率的计算方法2.4 放大电路模块:传感器采集的变化的信号很小，电压大概5mv左右，因此需要对信号进行放大才能够进行处理。放大有很多种实现的方法，这里就几种常用的加以比较选择。 ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1 R8R3R4R6uoR5+ -+N1IR-+N2- +N3图3.三运放放大电路 2.3 心率的计算方法ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1 R8R3R4R6uoR5+ -+N1IR-+N2- +N3图3.三运放放大电路 电路的有关参数如下：IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rp;uo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ;uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp;uo =(uo2uo1)R5 /R3 ; 这种电路的优点在于： a,高共模抑制比； b,三运放结构； c,双端差分输入，单端输出； d,通常改变电阻R1，可改变增益。2.3 心率的计算方法ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1 R8R3R4R6uoR5+ -+N1IR-+N2- +N3图3.三运放放大电路 电路的有关参数如下：IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rp;uo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ;uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp;uo =(uo2uo1)R5 /R3 ; 这种电路的优点在于： a,高共模抑制比； b,三运放结构； c,双端差分输入，单端输出； d,通常改变电阻R1，可改变增益。采用Rp可调电阻可以 改变增益，使之符合 我们的设计。 2.3 心率的计算方法方案二，采用LM386的典型电路，标准放大200倍的电路。可以得到我 们想要的信号，如图4所示：l因为我们材料有限，仅有一个LM324。另外我们对这个电路不是很熟悉。因此放弃此方案电路。我们采用方案一。2.3 心率的计算方法2.5 滤波电路的选择:因为脉搏信号频率很低，大概1.33HZ左右，因此我们采用低通滤波。方案一：采用一阶低通滤波器。其电路如图5所示，特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。图5: 一阶低通滤波电路 2.3 心率的计算方法方案二：采用二阶有源滤波电路。在一阶低通滤波电路的基础上再加一阶RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。可以使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图6所示。图6:二阶低通滤波电路图 2.3 心率的计算方法 相对来说，滤波效果好，但是电路略显麻烦，而且需要一个运放。因此我们首选方案一。 经过我们一步一步的验证选择，加上我们对电路的一些改动，最后我们的电路图如图8所示，其中很大一部分是我们自己的设计。 图8：总体硬件电路 2.3 心率的计算方法三、硬件电路设计总结： 在设计硬件电路时，我们遇到了一系列的麻烦。 首先是放大，在刚开始时，我们是严格按照模拟电路书上的三运放的电路图做的电路，结果无论输入什么信号，或大或小，得到的总是10V左右的电压，这个电压是不是我们需要的，当时我们采用的是LM324需要的驱动电压是12V。后来经过反复的改动，试验，查阅资料等，我们考虑到，可能是由于压电陶瓷片的电荷过高，输出电压为正向最大了，为此我们在原有电路上做了改动，加上了图8中的R1，1M的电阻，来防止积累过多的电荷。这样我们才得到了理想的放大信号。 2.3 心率的计算方法 其次是滤波，采用简单的一阶低通滤波即RC滤波，在压电陶瓷片不测量脉搏跳动时，并没有发现杂波，但是一旦测量脉搏时，就会有类似于正弦的波动，为此，开始的时候我们在OUT后面加一个小电容，希望能够虑除杂波，但是效果也并不是怎么理想。后来在一次偶然的测试中，我们惊奇的发现示波器上得到了良好的波形，立即发现可能由于手刚才接触了旁边的仪器外壳，于是我们将一根接地线搭在手上再次测试，发现效果很好。于是我们考虑到人体存在一定的生物电，从这一点发散考虑，再经过进一步的测试验证，发现我们只要我们按的压电陶瓷片的那个手接地就可以，也就是我们直接按在背面的铜片上就可以了。2.3 心率的计算方法四、软件设计：程序设计的流程图。2.3 心率的计算方法l 通过声卡采集信号，就是通过简单的耳机线将信号导入声卡，Labview从声卡采集信号的程序如图9。图9：从声卡采集信号的程序 2.3 心率的计算方法l 下面是从声卡采集的信号，波形如图10 。图10 将硬件电路接入声卡在未测试时的显示波形 u根据这个图形，我们分析得到10HZ以下的杂波几乎没有，杂波主要集中在50HZ，我们猜测这个杂波可能是220V交流电引起的。我们选择10HZ以下测试脉搏信号。 2.3 心率的计算方法l 在测试脉搏的时候我们会发现相应的变化，见图12，此时我们可以知道电脑确实接收到了我们所给的脉搏信号，因此只要滤除此杂波是关键。 2.3 心率的计算方法l 低通滤波的程序如图13 。图13 低通滤波程序 2.3 心率的计算方法低通滤波后的波形显示如图14 ：2.3 心率的计算方法总程序如图152.3 心率的计算方法五、系统的测试结果与分析：我们选择了5位具有不同心率的人进行测试，分别记为甲乙丙丁戊。运用我们的作品测试结果如下表1：姓名甲乙丙丁戊准确心 率7975706765测试测试 心 率7674686664误误差3.7%1.3%2.9%1.5%1.5%上表表明，我们的作品误差不超过4，有很好的测试效果 。 2.3 心率的计算方法七、系统误差分析： 人的手在按住压电陶瓷片的时候，并不能始终保持同样的力度，如果力度有变化，则会造成输入系统的信号产生相应变化，有可能被系统采样，造成心率误差。 解决的办法就是要求使用者在使用时，尽量保持一定的力度不变。 2.3 心率的计算方法八、实物照片: 2.3 心率的计算方法这半年，在这道题上确实下了不少的功夫，感觉实时测量课采取这种教学方式很好，这样既锻炼了我们的动手能力，也让我们真真正正的学到了东西，因为一种知识只有你应用了，有成果了才属于你。尽管花费了不少的精力，但是最后我们成功了，同时学会了许多的东西，懂得了团队合作的重要性，知道了理论与现实应用存在的巨大差距。这就要求我们在以后的学习中不能放弃实践，只有理论与实践相结合，学的东西才有价值。一项新的技术不是用来学的，而是拿来用的。