基于光电转换原理的血氧饱和度测量仪的设计方法

随着变革开放的发展，社会的进步，人民生活水平逐步提升，各种心脑血管病症也呈易发趋势；同时，军事领域里的复杂电磁环境下战场救护及高海拔缺氧地区军队人员体征信号检测也是一个很现实的课题；解决这种问题涉及到的一个重要检测参数是肌体的血氧饱和度。传统的检测方式会形成外伤并且不能进行连续实时的检测。光电测量技术的发展可填补这一不足，基于光电转换原理的血氧饱和度检测方式逐渐得到研究人员的广泛关注。本文简述了基于Ｃ８０５１Ｆ０２１单片机的心跳血氧饱和度检测仪的总体设计思路、相应软硬件的设计方式及调试过程。本课题主要完成了以下工作：１．硬件电路设计依照心跳血氧饱和度检测仪的检测原理，设计了以Ｃ８０５１Ｆ０２１单片机为核心的心跳血氧饱和度检测仪的硬件电路，包括光驱动电路、程序控制增益调节电路、低通混频和放大电路、直流偏置电路、液晶显示电路和电源等。２。软件设计编程形成时序，控制光源驱动电路；编程实现数据采集、实现测量结果液晶显示及控制整个硬件系统；编程实现讯号的增益调节；采用数字混频技术降低噪音干扰和降低基线甩尾；采用自学习阀值判断方式去除运动伪影干扰：采用五点差分法提取心跳波的特点点。３．数值定标在完成血氧饱和度检测仪硬件系统和讯号处理以后，对心跳血氧饱和度检测仪进行试验以验证检测精度。

为了能在实际应用中得到可信的结果，应对检测仪进行数值定标，以取得最确切的定标参数。主题词：单片机：血氧饱和度；心跳血氧测定日本防科学技术学院研究生院工程硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｅｆｏｒｍａｎｄｓｏｃｉｅｔｙ，ｔｈｅｐｅｏｐｌｅ’Ｓｌｉｖｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｓｈａｖｅｂｅｅｎｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｃｅｓｏｆｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒａｎｄｃｅｒｅｂｒｏｖａｓｃｕｌａｒｈａｖｅａｌｓｏｉｎｃｌｉｎｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｃｕｅａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｏｆｂｏｄｙｓｉｇｎａｌｓｂａｔｔｌｅｆｉｅｌｄａｎｄｈｉ曲一ａｌｔｉｔｕｄｅｒｅｇｉｏｎｓｉｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｓｓｕｅ．Ｔｈｅｓｏｌｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｖｏｌｖｅｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｓｕｒｅ－－ｔｈｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｔｒａｕｍａｔｉｃａｎｄｃａｎｎｏｔｂｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｌｌｍａｋｅｕｐｆｏｒｔｈｅｓｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ．Ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓａｒｅｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇａｂｏｕｔｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．ＩｎＣ８０５１Ｆ０２１ＭＣＵｐｕｌｓｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉＳｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｄｅｂｕｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１．ＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｉｇｎＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ经皮脉搏血氧饱和度测试仪，ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｉｎｗｈｉｃｈＣ８０５１Ｆ０２１ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｔｈｅｃｏｒｅ，ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔｉｎｃｌｕｄｅｓｏｐｔｉｃａｌｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｒｏｇｒａｍｍｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｇａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ａｌｏｗ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒａｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＤＣｂｉａｓｃｉｒｃｕｉｔ，ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｐｌａｙｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｅｔｃ．２．ＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｓｉｇｎＰｒｏｇｒａｍｍｅｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｄｕｃｅｔｉｍｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｏｆｏｐｔｉｃａｌｓｏｕｒｃｅ经皮脉搏血氧饱和度测试仪，ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｉｓｐｌａｙｏｆｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎＬＣＤ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｓｉｇｎａｌｇａｉｎ；Ｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｎｏｉｓｅａｎｄｔｏｒｅｄｕｃｅｂａｓｅｌｉｎｅｄｒｉｆｔ；Ｔｈｅｓｅｌｆ－ｌｅａｍｉｎｇｔｈｒｅｓｈｏｌｄｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｍｏｔｉｏｎ；ａｆｉｖｅ－ｐｏｉｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔＯｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｐｕｌｓｅｗａｖｅ．３．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣａｌｉｂｒａｔ：ｉｏｎＡｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅｔｅｒａｎｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｏｖｅｒｉｆｙｉｔｓａｃｃｕｒａｃｙ，ｔｈｅｐｕｌｓｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅｔｅｒｉｓｔｅｓｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔａｃｒｅｄｉｂｌｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｈｏｕｌｄｆｉｒｓｔｌｙｃａｌｉｂｒａｔｅｄａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅｍｏｓｔａｃｃｕｒａｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅ—ＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；０２ＳａｔｕｒａｔｉｏｎＳｏｌｕｂｉｌｉｔｙｏｆＢｌｏｏｄ；ＰｕｌｓｅＯｘｉｍｅｔｒｙ；第ｉｉ页国防科学技术学院研究生院工程硕士学位论文表２．１两种模型的比较………………………………………………………………．２１表３．１指令条数与执行所需系统时钟周期…………………………………………．２５表３．２８位二补码输入编码与十补码数的对应关系…………………………………３５表３．３控制部分管脚定义……………………………………………………………．．４２表３．４驱动部分管脚定义……………………………………………………………一４２表３．５插口讯号组合功能表…………………………………………………………．４４表４．１ＣＫＣＯＮ寄存器的配置…………………………………………………………４９表４．２ＴＭＯＤ寄存器的配置…………………………………………………………．．４９表４．３ＴＣＯＮ寄存器的配置…………………………………………………………．．４９表４．４ＴＨＯ：定时器高字节……………………………………………………………５０表４．５ＴＬ０：定时器低字节……………………………………………………………５０表４．６ＡＭＵＸＯＣＦ寄存器的配置．ｊ……………………………………………………．．５２表４．７ＡＭＵＸＯＳＬ寄存器的配置……………………………………………………．．５２表４．８ＡＤＣＯＣＦ寄存器的配置………………………………………………………．．５２表４．９ＡＤＣＯＣＮ寄存器的配置………………………………………………………．５２表５．１数据对比测试…………………………………………………………………．６６第１Ｖ页国防科学技术学院研究生院工程硕士学位论文图２．１图２．２图２．３图３．１图３．２图３．３图３．４图３．５图３．６图３．７图３．８图３．９图３．１０图３．１１图３．１２图３．１３图３．１４图３．１５图３．１６图３．１７图３．１８图３．１９图３－２０图３．２１图３．２２图４．１图４．２图４．３图４．４图４．５图４．６图４．７Ｈｂ０２和Ｈｂ的吸收波谱特点………………………………………………．．１０组织对光的吸收曲线…………………………………………………………１２Ｒ和Ｓａ０２的标准关系曲线图………………………………………………．１５心跳血氧饱和度检测仪系统框图……………………………………………２３Ｃ８０５１Ｆ０２１的内部原理框图…………………………………………………２５数字交叉开关原理框图………………………………………………………２７光讯号的形成驱动电路………………………………………………………２８讯号的后置放大电路…………………………………………………………２８ＡＤ６２０的内部原理框图……………………………………………………．．２９低通混频电路…………………………………………………………………３０直流偏置电路…………………………………………………………………３１程序控制增益调节电路………………………………………………………３ｌＲ．２Ｒ内阻网路………………………………………………………………３２ＤＡＣ０８３２电路示意图………………………………………………………３３程控增益放大电路的简化电路……………………………………………．３４程控增益放大电路…………………………………………………………．３４１２位ＡＤＣ０功能框图………………………………………………………３６ＡＤＣ０的时序图……………………………………………………………．．３８ＡＤＣ０等效输入电路………………………………………………………．．３８ＳＥＤｌ３３５原理框图…………………………………………………………３９ＳＥＤｌ３３５与单片机适配时序………………………………………………４０液晶显示电路图……………………………………………………………．４３按键联接电路………………………………………………………………．．４４＋５Ｖ电源形成电路……………………………………………………………．４５＋３Ｖ电源形成电路…………………………………………………………．４５系统软件流程图………………………………………………………………４７时序讯号示意图………………………………………………………………．．４８ＴＯ形式ｌ原理框图…………………………………………………………．．４９时序讯号流程图………………………………………………………………．５０增益控制流程图…：…………………………………………………………．．５ｌ数据的取样流程图……………………………………………………………５３液晶显示流程图………………………………………………………………５３国防科学技术学院研究生院工程硕士学位论文图４．８曲线显示流程图………………………………………………………………５５硬件电路提取的心跳图………………………………………………………５７低通混频处理的心跳图………………………………………………………５７联通平均混频后的心跳图……………………………………………………５８平均联通算法原理图…………………………………………………………５８图５．５平均联通混频后的心跳图……………………………………………………５８图５．６ＩＩＲ数字低频混频器混频后的心跳图………………………………………５９图５．７抛物线拟合五点法混频后的心跳图…………………………………………６０图５．８抛物线拟合七点法混频后的心跳图…………………………………………６１图５．９抛物线拟合九点法混频后的心跳图…………………………………………６１图５．１０抛物线拟合十一点法混频后的心跳图………………………………………６１图５．１１两种检测数据的拟合曲线……………………………………………………６７