生物医学综合实验报告.docx

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生物医学综合实验报告

生物医学综合实验报告

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实验一脉搏信号采集功能

I.实验目的

1.掌握检测脉搏传感器特性和使用方法。

2.掌握正向、反向放大电路的应用。

3.掌握脉搏测量的硬件电路原理。

4.掌握表征脉搏参数波形及特征点的识别方法。

II.实验内容

通过脉搏传感器将信号外接进入本系统，检测人体脉搏信号经单片机处理以后，其信号波形可以LCD上实时显示、或者由PC显示。

拓展内容：

对输入的脉搏信号进行处理，计算脉率。

III.实验器材

1.示波器

2.脉搏传感器

IV.实验步骤

脉搏功能测试电路布局如下：

1.电路的调试：

I.第一级运放的调试与计算：

把示波器的探头一端与E20连接，另一端接GND。

通电，不接外部传感器，观察示波器显示的信号。

如信号不在“0V”时，通过调节旋转电位器RP5，同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节电位器RP5。

之后，关电取下示波器的探头；

II.低通的选择与计算：

此脉搏功能模块在低通滤波部分设置了“10Hz低通滤波”“1KHz低通滤波”两大部分，可以通过连线选择其中的一种。

选择操作如下：

a.10Hz低通滤波：

第一、把示波器的探头一端与E21连接，另一端接GND；

第二、通过实验导线把P1与P2相连接；

第三、通电；

第四、脉搏传感器与J1正确连接。

观察示波器显示的波形。

b.1KHz低通滤波：

第一、把示波器的探头一端与E22连接，另一端接GND；

第二、通过实验导线把P1与P3相连接；

第三、通电；

第四、脉搏传感器与J1正确连接。

观察示波器显示的波形。

III.放大倍数的调试与计算：

此脉搏功能模块的放大倍数是通过旋转电位器RP7来实现的。

在I、II的基础上来实现以下功能。

选择操作如下：

第一、把示波器的探头一端与E23连接，另一端接GND；

第二、根据低通滤波来决定具体的连线。

选择了“10Hz低通滤波”，通过实验导线把P4与P6相连接；选择了“1KHz低通滤波”，通过实验导线把P5与P6相连接。

第三、P9、P7相连，P8、P26相连；

第四、脉搏传感器与J1正确连接；

第五、通电；

第六、旋转电位器RP7同时观察示波器显示的波形是否有变化。

实验操作如下：

断电，P9、P7断开，万用表电阻档的的两支表笔分别与P7和P8相连，调节RP7同时观察万用表显示的电阻值，当达到计算的电阻值后，停止调节电位器，再根据III.在示波器的显示波形，同时记录表格：

IV.50Hz陷波电路陷波电路的描述：

交流电网频率为50Hz（美国、日本为60Hz），因此人们又将电网产生的50Hz干扰称为工频干扰。

由于工频干扰频率处在EMG信号能量集中的频段，不能简单地用高通或低通滤波器将其滤除。

为了压制50Hz的工频干扰，要在仪器的信号调理部分采用陷波电路。

50Hz与直通的选择：

a.50Hz的选通：

P10与P19相连；

b.直通的选通：

P10与P21相连。

置K18的NO.1于ON，其它于OFF。

在I、II、III的基础上来实现以下功能：

●把示波器的探头一端与E44连接，另一端接GND；

●分别观察示波器显示的波形的区别。

V.在I、II、III、IV的基础上，置K18的NO.3于ON。

信号到达模数转换芯片U2；

通过按键“2”、“A”选择“脉搏信号采集”项，按确认键“6”后，进入LCD上实时显示波形。

退出此功能按返回键“1”，显示界面就退回到主界面。

V.实验原理

一、脉搏传感器

该产品采用高度集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路电路集成在传感器内。

脉搏波动一次输出一正脉冲。

该产品用于脉率检测，主要用于运动、健身器材中的心率测试。

主要特点：

1、灵敏度高。

2、抗干扰性能强。

3、过载能力大。

4、 一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。

技术指标：

电源电压：

3～12VDC

压力量程：

-50～+300mmHg

过载：

100倍

输出高电平：

大于VCC-1.5V

输出低电平：

小于0.2V

二、前级放大模块：

在一般信号放大的应用中通常只要通过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度的变因就更加复杂。

三、原理图

图1前端放大电路

图210hz低通滤波电路图31khz低通滤波电路

图4脉搏二级放大电路图550hz陷波电路图

VI.实验结果

图11khz50hz陷波脉搏图形

图21khz直流脉搏图形

图310hz50hz陷波脉搏图形

图410hz直流脉搏图形

VII.实验结果分析

实验二心电信号采集功能

I.实验目的

1、掌握心电的产生原理和导联方式

2、描记人体的心电图，了解人体正常心电图各波的波形及其生理意义。

3、要求掌握心电测量电路的硬件实现方法

4、熟悉差动放大电路、滤波电路、驱动电路在心电检测电路中的作用

5、了解心电各导联的显示波形。

II.实验仪器

1、示波器

2、心电信号发生器

3、六导心电夹

4、数字万用表

III.实验内容

1、心电发生的原理与心电向量概念

2、心电向量记录的导联系统及心电图形成

3、心电图各波段的组成与命名

4、初步学习人体心电图的描记方法，辨认正常心电图波形并了解其生理意义。

通过对心电信号检测，并通过能量转换、信号采集、放大、滤波、50HZ陷波、A/D转换、单片机处理后从LCD输出。

可以更直观的观测到心电各导联波形的差异。

VI.实验步骤

1.将输出信号与50Hz陷波电路用导线（P18和P19）连接起来，给信号进行50Hz陷波；

2.心电信号通过电极与输入端J3连接，开通电源。

在显示界面上选择“心电信号采集”项，按“采样”键，进入心电信号显示界面。

此时可以通过切换导联选择K17导联1：

0100；

导联2：

0101；

导联3：

0110；

导联aVR：

0111；

导联aVL：

1000；

导联aVF：

1001；

V．实验原理

一、心电图的典型波形

图3-26标准心电图

P波：

心房的除极过程。

P-R间期：

是从P波起点到QRS波群起点的相隔时间。

它代表从心房激动开始到心室开始激动的时间。

这一期间随着年龄的增长而有加长的趋势。

QRS间期：

从Q波开始至S波终了的时间间隔。

它代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。

S-T段：

从QRS波群的终点到T波起点的一段。

正常人的S-T段是接近基线的，与基线间的距离一般不超过0.05mm。

P-R段：

从P波后半部分起始端至QRS波群起点。

同样，正常人的这段也是接近基线的。

Q-T间期：

从QRS波群开始到T波终结相隔的时间。

它代表心室肌除极和复极的全过程。

正常情况下，Q-T间期的时间不大于0.04s。

人体心电信号是非常微弱的生理低频电信号，通常最大的幅值不超过4mV，信号频率在0.05~200Hz之间。

心电信号的提取是通过安装在人体皮肤表面的电极来拾取的。

由于电极和皮肤组织之间会发生极化现象，就会对心电信号产生严重的干扰。

加之人体是一个非常复杂的生命系统，存在各种各样的其他生理电信号对心电信号产生干扰。

同时由于我们处在一个电磁包围的环境中，人体就像一根会移动的天线从而对心电信号产生50Hz左右的干扰信号。

由于存在种种干扰，必须做好前端数据采集的硬件软件设计才能保证传送到本采集系统中的心电数据的可靠性。

心电信号系统数据采集依靠电极来拾取，在此我们做了四种颜色的电极夹，依次为：

红色（R）、黑色（RF）、黄色（L）、绿色（F）分别是右上肢驱动电极、右下肢驱动电极、左上肢驱动电极、左下肢驱动电极，V1、V3、V5是3个胸电极驱动电极。

由于我们只设置六种导联选择，所以3个胸电极驱动电极我们没有使用。

来自各电极的4路微弱信号经4个输入缓冲器缓冲放大后，送威尔逊网络及导联电路作导联选择，导联选择电路我们使用的是CD4052芯片来实现的（具体使用方法将在稍后介绍）。

其切换信号由人工拨动开关（K17）提供；右下肢驱动的信号源取自威尔逊网络中心，经右下肢驱动电路反向放大后，送右下肢驱动电极RF，以中和人体上感应的共模干扰信号。

导联选择控制将4个电极输入信号按要求切换为二组，每组含3种导联信号，同时送到3个前置放大器分别放大。

电压放大器将来自前置放大器的2路导联信号进行电压放大，以适合A/D转换的幅度要求。

微处理器的功能是：

（1）对来自电压放大器的模拟信号进行A/D转换，得到原始数据；

（2）对原始数据进行分析，判断：

导联电极是否脱落，并给予提示；电压放大器的增益是否合适，以便实时发出增益控制信号。

二、电路原理介绍

VI.

图2导联2

实验结果

图3导联3

图4导联aVR

图1导联1

图6导联aVL

图5导联aVF

VII.实验结果分析

实验三温度信号采集功能

I.实验目的

1.掌握温度传感器的使用方法；

2.掌握怎样用温度传感器检测液体的温度；

3.掌握信号的处理、放大、传输过程；

4.了解温度值是怎样显示。

II.实验内容

1.通过温度传感器检测液体的温度，并通过能量转换把热能转换为电信号、信号采集、放大、滤波、50HZ陷波、A/D转换、单片机处理后从LCD输出；

2.通过观察LCD或者示波器能够更直观的观测到液体温度变化所对应温度值的变化；

3.了解温度传感器所测得是一组数据。

III．实验器材

1、示波器

2、温度传感器

3、100ML容器

4、20-700C液体

IV.实验原理

配套传感器为温度型传感器。

传感器直接把液体温度转换为相应的电信号。

所得电信号需要经过放大和处理。

1.信号的采集并放大

传感器所得的电信号由AD620R采集进本系统并进行放大。

放大倍数为：

G=49.4/R202+1=9.8

2.放大信号杂波的处理

信号由AD620R采集进本系统含有大量的杂波和干扰并经过了放大。

现在急需把这些杂波去除掉。

在这里我们应用了10HZ的二阶低通滤波。

这样既去除了杂波也满足了我们的要求。

（3-5-1）

3.电压跟随器的应用

经过有源二阶低通滤波后所得的信号可能不是很稳定，在这里我们应用了电压跟随器，它的作用是稳压和加大电流。

4.50HZ工频滤波

本功能模块电路的输出信号同样需要经过50HZ工频滤波，电路的输出信号送至模数转换器，经模数转换后送至ATmega128处理，最后送至LCD显示，因此从LCD上可见同步的检测波形。

V.实验步骤

温度功能测试电路布局如下：

1.功能板安装。

先关电，把温度功能板通过上下两个板间插件固定在主电路板上；

2.温度功能板固定在主板上后，此处电源线和信号输出线都通过上下两个板间插件和主板连接在一起了，打开电源，功能板上工作指示灯点亮表示功能板正常工作；

3.在不接传感器的情况下，把示波器的探头一端与P6相连，另一端接GND。

观察示波器显示的信号。

如信号不在“0V”时，通过调节旋转电位器RP1，同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节电位器RP1，之后，关电取下示波器的探头；

4.用导线把P2和P3连接起来，给信号进行滤波，本处使用的是二阶低通滤波.频率为10HZ，只允许通过低于10HZ以下对我们有用的经过处理的信号；

5.使用电压跟随器，用导线把P4和P5连接起来，U4在此处不起放大作用，信号从U4的3脚进去6脚出来，起到了电压跟随的作用，稳压和加大了电流；

6.以上四步完成后把温度传感器接到主板的输入端J15上，传感器探头放到待测试的液体中，开通电源。

温度传感器所测的得的值就可以在LCD上显示波形了；

7.可以用示波器依次测试P3、P4、P5，根据所测的的情况很容易得到各功能块的作用；

8.在显示界面上选择“温度信号采集”项，按“6”确认键，进入温度信号显示界面。

VI．实验结果

VII．实验结果分析

实验四血氧饱和度信号采集功能

I.实验目的

1.掌握血氧饱和度传感器的使用方法；

2.掌握怎样用血氧饱和度传感器检测人体血氧饱和度；

3.掌握信号的采集、处理、放大、输出等过程；

4.了解血氧饱和度的控制信号；

5.了解血氧饱和度的波形和计算过程。

II.实验内容

1．熟悉血氧饱和度传感器使用方法和工作原理；

2．熟悉血氧饱和度物理测量原理；

3．熟悉血氧饱和度的数学模型和计算原理。

III.实验器材

1、血氧饱和度传感器。

2、示波器

IV.实验原理

1、血氧测量原理

配套传感器为指套式血氧饱和度传感器。

血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数。

血氧饱和度的测量目前广泛应用有透射法（或反射法）、双波长（红光R：

660nm和红外光IR：

940nm）光电检测技术，检测红光和红外光通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比IIR/IR和非脉动组织（表皮、肌肉、静脉血等）引起光吸收的稳定分量（直流）值，通过计算可得到血氧饱和度值SPO2，这里采用透射法双波长光电检测技术。

由于光电信号的脉动规律与心脏搏动的规律一致，所以根据检出信号的周期可同时确定脉率，因而亦称该方法为脉搏血氧饱和度测量。

这种测量方法用指套式血氧饱和度传感器测量红光（660nm）和红外光（940nm）波长光强度经过手指后的变化，计算其中的脉动量与直流量后，查表可以计算出血氧饱和度值。

V．实验步骤

血氧功能测试电路布局如下：

1.功能板安装。

先关电，把血氧功能板通过上下两个板间插件固定在主电路板上；

2.血氧功能板固定在主板上后，此处电源线和信号输出线都通过上下两个板间插件和主板连接在一起了，打开电源；

3.在不接传感器的情况下，把示波器的探头一端与P6相连，另一端接GND。

观察示波器显示的信号。

如信号不在“0V”时，通过调节旋转电位器RP1，同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节电位器RP1，之后，关电取下示波器的探头；

4.以上二步完成后把血氧传感器接到主板的输入端J15上，手指插入血氧传感器的指套中，开通电源。

血氧传感器所测的波形就可以在LCD上显示了；

5.可以用示波器依次测试P1、P2、P3、P4、P5、P6，根据所测的的情况很容易得到各功能块的作用；

6.在显示界面上选择“血氧信号采集”项，按“采样”键，进入血氧信号显示界面。

VI.实验结果

VII.实验结果分析