CN103799999A

CN103799999A - 基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置

Info

Publication number: CN103799999A
Application number: CN201210559749.0A
Authority: CN
Inventors: 刘忠杰; 黄榜; 何磊; 宋小波; 何峰; 李芬; 缪琴
Original assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Current assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明公开了一种基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，包括用于测量脉搏的压电蜂鸣片、信号调理电路、气囊、测量气囊压力的压力传感器、主控数据采集芯片、信号发送天线、数据接收芯片、接收端电源、信号接收天线；主控数据采集芯片和数据接收芯片通过无线网络连接；主控数据采集芯片通过信号调理电路采集压电蜂鸣片的输出信号；主控数据采集芯片控制气囊产生需要的额定压力；主控数据采集芯片采集压力传感器的输出信号；数据接收芯片通过ZigBee网络接收主控数据采集芯片传输的脉搏信号；信号发送天线和信号接收天线构成无线网络通信的硬件接口。本发明能快速、准确地测量出脉搏信号，并进行无线传输与接收。

Description

基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置

技术领域

本发明涉及一种基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，主要应用于体育竞技心率统计、社区老人脉搏监控和其它医疗卫生领域。

背景技术

随着医疗事业的蓬勃发展，中医在全世界范围内得到广泛的应用，脉搏信号的测量在中医临床诊断中具有很大的应用前景，为此开发一款低成本高精度的脉搏测量仪具有很大的意义。通常目前，脉搏测量仪的传感部件分为两类，一类是光电式传感器，另一类是压电式传感器。通常压电式传感器所选用的材料为PVDF压电薄膜，这种材料通常很贵，同时其输出信号需要配备复杂信号调理电路，不利于产品的应用推广。为此，找到一种低成本且开发简单的替代传感元件是十分有必要的，基于压电陶瓷蜂鸣片的无线脉搏测量仪装置正好满足这一要求，同时还可以进行远距离的无线传输。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其能快速、准确地测量出脉搏信号，并进行无线传输与接收。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，包括用于测量脉搏的压电蜂鸣片、信号调理电路、气囊、测量所述气囊压力的压力传感器、主控数据采集芯片、信号发送天线、数据接收芯片、接收端电源、信号接收天线；所述主控数据采集芯片和数据接收芯片通过无线网络连接；所述主控数据采集芯片通过所述信号调理电路采集所述压电蜂鸣片的输出信号；所述主控数据采集芯片控制所述气囊产生需要的额定压力；所述主控数据采集芯片采集所述压力传感器的输出信号；所述数据接收芯片通过ZigBee网络接收所述主控数据采集芯片传输的脉搏信号；所述主控数据采集芯片连接所述信号发送天线，所述数据接收芯片连接所述信号接收天线，所述信号发送天线和信号接收天线构成所述无线网络通信的硬件接口。

其中，所述主控数据采集芯片和气囊之间还设有微型气泵，所述微型气泵由所述主控数据采集芯片控制对所述气囊产生的压力进行微调。

其中，所述主控数据采集芯片还连接有LCD显示器和按键，所述按键操作所述主控数据采集芯片的***参数，所述LCD显示器实时显示测量的脉搏波形和脉搏跳动频率。

其中，所述主控数据采集芯片为CC2530主控数据采集芯片，所述数据接收芯片为CC2530数据接收芯片。

其中，所述信号调理电路对所述压电蜂鸣片的输出信号进行滤波、放大、二次滤波及二次放大后，转化为0-3.3V范围内变化的电压信号，输出的电压信号由所述CC2530主控数据采集芯片的AD(AIN0～AIN7)采样引脚采样。

其中，所述CC2530数据接收芯片连接有指示灯和串口，所述指示灯标示数据传输状况，所述串口连接到上位机并传输数据。

其中，所述压电蜂鸣片为两电极型感应式圆形压电蜂鸣片，包括由压电陶瓷材料制成的内层和由金属材料制成的外层，脉搏跳动时会挤压压电蜂鸣片，并在其两电极将会产生0.01～0.015V的电压输出。

其中，所述CC2530数据接收芯片连接有为其供电的接收端电源。

其中，所述CC2530数据接收芯片还连接有接收端开关。

(三)有益效果

本发明相比较于现有技术，具有如下有益效果：本发明为了降低干扰信号，提取出有效信号，针对不同的干扰采用不同的滤波和抗干扰措施，能够很好的消除噪声；陶瓷压电蜂鸣片是一个低成本的压力传感器元件，通过对其输出信号的硬件和软件滤波处理后，输出信号能够满足实际测量的需要，因此利用陶瓷压电蜂鸣片对脉搏信号的进行测量是可行的，再加上ZigBee无线传输，使基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置有较好的商业应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的硬件方框图。

图2是本发明实施例的主要测量部件的示意图。

图3是本发明实施例的信号调理电路的硬件连接图。

图4是本发明实施例的信号调理电路的电路框图。

图5a是本发明实施例的脉搏信号的测量波形一。

图5b是本发明实施例的脉搏信号的测量波形二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示的，一种基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，包括用于测量脉搏的压电蜂鸣片、信号调理电路、气囊、测量所述气囊压力的压力传感器、主控数据采集芯片、信号发送天线、数据接收芯片、接收端电源、信号接收天线；所述主控数据采集芯片和数据接收芯片通过无线网络连接；所述主控数据采集芯片通过所述信号调理电路采集所述压电蜂鸣片的输出信号；所述主控数据采集芯片控制所述气囊产生需要的额定压力；所述主控数据采集芯片采集所述压力传感器的输出信号；所述数据接收芯片通过ZigBee网络接收所述主控数据采集芯片传输的脉搏信号；所述主控数据采集芯片连接所述信号发送天线，所述数据接收芯片连接所述信号接收天线，所述信号发送天线和信号接收天线构成所述无线网络通信的硬件接口。

所述主控数据采集芯片和气囊之间还设有微型气泵，所述微型气泵由所述主控数据采集芯片控制对所述气囊产生的压力进行微调。当压力过大时，微型气泵将放气，压力过小时，微型气泵将会给气囊充气。

所述主控数据采集芯片还连接有LCD显示器和按键，所述按键操作所述主控数据采集芯片的***参数，所述LCD显示器实时显示测量的脉搏波形和脉搏跳动频率。

所述主控数据采集芯片为CC2530主控数据采集芯片，所述数据接收芯片为CC2530数据接收芯片，。

如图1、图3和图4所示的，所述信号调理电路对所述压电蜂鸣片的输出信号进行滤波、放大、二次滤波及二次放大后，转化为0-3.3V范围内变化的电压信号，输出的电压信号由所述CC2530主控数据采集芯片的AD(AIN0～AIN7)采样引脚采样。这里选用的CC2530的AIN0作为AD采样的输入，由于采样时的模拟信号存在着基线不稳和其他的干扰，CC2530主控数据采集芯片需对采样后的数据做进一步的数据处理，经过数字信号处理的数据最终将会通过ZigBee无线网络传给CC2530数据接收芯片，而CC2530数据接收芯片则可以通过串口传给电脑或者其它上位机软件。

所述CC2530数据接收芯片连接有指示灯和串口，所述指示灯标示数据传输状况，当有数据传输时，指示灯将会不断闪烁，所述串口连接到上位机并传输数据。

如图2所示的，所述压电蜂鸣片为两电极型感应式圆形压电蜂鸣片，包括由压电陶瓷材料制成的内层和由金属材料制成的外层，脉搏跳动时会挤压压电蜂鸣片，并在其两电极将会产生0.01～0.015V的电压输出。压电陶瓷蜂鸣片被施加直流电压时，产生交替重复的机械弯曲变形，从而在空气中产生声波，通常被用作发声器件；然而压电陶瓷片在外力的作用下，也会产生电波，将机械能转化为电信号，此时便可以把压电陶瓷蜂鸣片当作一种传感器来使用。作为传感器其具有灵敏度高，可靠性好，寿命长，厚度薄，重量轻，体积小等特点。为了能够满足测量微弱的脉搏信号，经过大量实验验证，选择两电极型感应式圆形压电蜂鸣片可以更好的满足测量要求，该无线脉搏传感器测量主要部件蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。通常用手指挤压压电蜂鸣片，在其两电极将会产生0.01～0.015V的电压输出，在压力相同的情况下蜂鸣片输出的电压数值越高，其灵敏度也就越高。

本发明针对压电陶瓷蜂鸣片设计了信号调理电路，脉搏跳动的机械信号经压电陶瓷蜂鸣片被转换为电信号，经过差分式一次放大电路放大后，被送入一个50Hz的陷波器中，滤除工频干扰信号之后，信号再次经过一个带通滤波器电路，进一步滤除其它干扰信号，最后经过一个二次放大电路将信号放大到AD转换器的取样电压范围之内并输出。压电陶瓷蜂鸣片在测量脉搏跳动这样微弱信号的时候，其输出电压一般在15mV以下，考虑到各种频率的噪声对传感器输出信号的影响，采取了不同的滤除和抑制措施。针对陷波电路和时间常数电路中用到电阻应选用0.1％的高精度金属膜电阻，电容应选钽电容作补偿电容。对50Hz工频噪声应采取硬件工频陷波的措施，实验证明，该方法对工频干扰信号的抑制效果较好；对电磁信号抑制应采取对信号线进行屏蔽和设计截止频率为40Hz的2阶低通滤波器等方法。尽管人的体温基本保持恒定，但手腕部位皮肤表面的温度受外界温度变化的影响仍很大，且手腕部位皮肤与传感器表面的温差也会给测量带来很大影响，为了消除温度效应噪声。可以利用人体脉搏(1Hz左右)与热电噪声信号(0.5Hz以下)间存在频率差别，设计一个下限频率为0.5Hz的高通数字滤波器，来避免了温度效应给脉搏测量带来的不良影响。

所述CC2530数据接收芯片连接有为其供电的接收端电源。

所述CC2530数据接收芯片还连接有接收端开关。

如图5a和图5b所示的，本发明的基线校正方法采用的是一种能够很好保持信号边缘特性的非线性低通滤波器。基于中值滤波的基线校正方法的关键在于滤波器窗口宽度的选择。如果窗口选得过窄，有用波可能会被滤除，即随着窗口宽度的减小滤波器滤除的部分就增加，丢失的信息也就相应增加了；如果选得过宽，窗口不仅没有明显改善处理效果，而且增加了运算量，甚至还有可能达不到处理效果，则达不到抑制基线漂移的目的。由于CC2530芯片选用的采样频率为100Hz，可知中值滤波算法的窗口的宽度应该为(80～90)Hz，窗口宽度为85。wdata[170]为采集的脉搏原始数据存储数组，mdata[85]为计算后的中值的存储数组，new_data为最新采样数据存储，i当前处理数据索引，f_pos为当一个新数据被采集后排序数组tmp_data中要删除的一个旧数据的索引位置。程序会每采样85个数据后修正数据并更新显示一次数据。为了实现对新添加数据后的wdata的快速排序，tmp_wdata排序处理子程序实现了wdata序列的排序功能。图5a为没有使用中值滤波算法所测量脉搏波形，从图5a中可以看出输出波形的基线存在波动。图5b为采用中值滤波算法之后的脉搏波形，可以看出脉搏基线基本上在同一条轴线上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：包括用于测量脉搏的压电蜂鸣片、信号调理电路、气囊、测量所述气囊压力的压力传感器、主控数据采集芯片、信号发送天线、数据接收芯片、接收端电源、信号接收天线；所述主控数据采集芯片和数据接收芯片通过无线网络连接；所述主控数据采集芯片通过所述信号调理电路采集所述压电蜂鸣片的输出信号；所述主控数据采集芯片控制所述气囊产生需要的额定压力；所述主控数据采集芯片采集所述压力传感器的输出信号；所述数据接收芯片通过ZigBee网络接收所述主控数据采集芯片传输的脉搏信号；所述主控数据采集芯片连接所述信号发送天线，所述数据接收芯片连接所述信号接收天线，所述信号发送天线和信号接收天线构成所述无线网络通信的硬件接口。

2.根据权利要求1所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述主控数据采集芯片和气囊之间还设有微型气泵，所述微型气泵由所述主控数据采集芯片控制对所述气囊产生的压力进行微调。

3.根据权利要求2所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述主控数据采集芯片还连接有LCD显示器和按键，所述按键操作所述主控数据采集芯片的***参数，所述LCD显示器实时显示测量的脉搏波形和脉搏跳动频率。

4.根据权利要求3所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述主控数据采集芯片为CC2530主控数据采集芯片，所述数据接收芯片为CC2530数据接收芯片。

5.根据权利要求4所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述信号调理电路对所述压电蜂鸣片的输出信号进行滤波、放大、二次滤波及二次放大后，转化为0-3.3V范围内变化的电压信号，输出的电压信号由所述CC2530主控数据采集芯片的AD采样引脚采样。

6.根据权利要求5所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述CC2530数据接收芯片连接有指示灯和串口，所述指示灯标示数据传输状况，所述串口连接到上位机并传输数据。

7.根据权利要求6所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述压电蜂鸣片为两电极型感应式圆形压电蜂鸣片，包括由压电陶瓷材料制成的内层和由金属材料制成的外层，脉搏跳动时会挤压压电蜂鸣片，并在其两电极将会产生0.01～0.015V的电压输出。

8.根据权利要求7所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述CC2530数据接收芯片连接有为其供电的接收端电源。

9.根据权利要求8所述的基于压电蜂鸣片的无线脉搏仪装置，其特征在于：所述CC2530数据接收芯片还连接有接收端开关。