1.2 国内外研究状况及发展趋势
早在1860年Vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪[3]，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、贵州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。以下按脉象仪探头的形式，传感器的特点及研制者作一简单的归纳[4]，详见表1-1。
表1-1 脉象仪的研制情况
研制者 北京医疗器械厂 上海医疗仪器研究所 天津医疗仪器研究所 上海中医学院 贵州省脉象协作组 西安交通大学 上海中医研究院 浙江大学 西苑医院 江西脉图协作组 中科院基础所 中科院智能机械所 湖南省中医学院 湖南省中医研究院 中国台湾 汪叔游 美国 Dr. Laub 德国 Park. H.S 探头形式（单部） MX-1型（应变片） MX-3型，MX型（7点式） ZH-I型（应变片） 圆形气囊加压式（7点） 横向线列式九道（应变片） 压电晶体 MX-811型（液态泵） 硅杯式（单晶硅） 软接触式（应变片，液态） 血管容积式（光敏元件） （压电晶体） 探头形势（三部） BYS-14型（应变片） 3MX-1型（应变片） MTY-A（寸部7点，应变片） ZH-II型，轴向径向均可调节 63点（PVDF压电薄膜） 阻抗仪 三部压力换能器 三部手套力与压力复合式 三部绑带充气加压 ZM-1型（子母式，应变片） 九路型（径向7点，轴向3组） 脉象探头式样[5]很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成脉象探头的主要原件有应变片，压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向发展。
脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展：
(1) 自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。
目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为
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引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。
(2) 数字化技术等先进技术的应用。
随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。
（3）多功能化越来越明显
目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。
1.3 课题研究难点
由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小干扰大，不稳定度低，随机性强等特点，使得对脉搏信号的采集放大电路的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干扰变为十分重要，需要设计低通滤波器进行滤波。选择放大器时需要从增益、频率响应，输入阻抗，共模抑制比，噪声，漂移等几个方面加以综合考虑[6]。
1.3.1 抗干扰
（1） 工频50HZ干扰及其各次谐波
使用频率为50HZ的市电的电子仪器设备会对检测系统会产生较大的干扰，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的50%,是主要的干扰源
（2） 肌电干扰
肌肉的收缩会产生微伏级的电势，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的10％，维持时间大约是50ms，频带范围可以在0HZ~10000HZ。
（3） 由于呼吸引起的基线漂移和ECG幅度变化
呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率加入ECG信号的窦性成分（正弦曲线），这个正弦成分的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的ECG信号的幅度的变化可以达到15％。基线漂移的频率是从0.15～0.3HZ。
1.3.2 低噪声、低漂移
在脉搏信号放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。脉搏信号放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这些都属于白噪声，其幅值为正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。另外，温度变化会造成零点漂移，漂移现象限制了放大器的输入范围，使得
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微弱的缓变信号无法被放大。而脉搏信号具有很低的频率成分，为了能正常测量，必须采取措施来限制放大器的漂移。所以放大器应选用低漂移，高输入阻抗并且具有高共模抑制比的集成运放电路。
1.4 课题主要研究内容
正常人的脉搏次数是每分钟60～80次（婴儿为90～140次,老年人则为100～150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测量仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求应该是:
（1）要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。
（2）对转换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。
（3）在很短的时间（若干秒）内，测出经放大后的电信号频率值。
总之，脉搏测量仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏测量仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。
脉搏测量仪的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：
（1）把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟或半分钟）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。
（2）测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为每分钟的脉搏数[7]。
这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。本设计采用第二种方案。
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2 系统总体设计
脉搏测量仪要实现对脉搏信号的检测，并且能够对脉搏信号进行处理，并进而求得脉搏数来显示。考虑到系统的实现，有两种方案可以实现。
方案一：使用纯硬件电路来实现。整个系统的框图如下图2.1所示
放大整形 脉搏检测 图2.1 纯硬件脉搏测量仪框图
人体 计数器 译码器 标准时标（分）发生器 LCD显示 （3位） 方案二：使用单片机电路来实现。通过信号调理电路，将脉搏信号转换为数字信号，然后利用单片机来实现脉搏测量功能。使用该方案其框图如下图图2.2所示。
单片机电路 显示 图2.2 单片机脉搏测量仪框图
信号调理 脉搏检测 人体 通过比较以上两种方案。方案一由于使用纯硬件方式，系统稳定度比较高。但是功能有限，灵活度较低，也不能很好的实现锻炼自己的目的。而单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。
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2.1 系统硬件电路设计方案
2.1.1传感器的选择 （1）压电式传感器
目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/ Agcl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。
目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。
（2）光电式传感器
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器[8][9]来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器[10]分为红外对管和红外放射管。
采用红外对管。将对管夹于手指端部，通过手指的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。
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，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。
（3）集成传感器
当前,市面上有很多类型的集成心电传感器[11],其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。缺点
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