摘 要：介绍了以MSP430F44为处理器的血氧含量测量仪设计过程。血氧测量系统是以红外传感器来获得血样信息，并利用CA3140构成放大与整形电路产生脉冲信号，脉冲信号通过处理器分析和比对得到血氧含量值，通过1602LCD液晶屏进行显示。血氧测量仪既可应用于医院，也可用于家庭和小型体检机构，可方便快捷地对人体的血氧含量进行检测。
关键词：MSP430F44；血氧含量测量仪；红外传感器
DOIDOI：10.11907/rjdk.151290
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号文章
编号：1672-7800（2015）007-0137-03
0 引言
Nicolai和Kramer两位科学家于1932年首次发明了脉搏血氧饱和度测量仪，自此血氧含量检测仪器的发展步入了一个崭新的时代。随着电子技术的飞速发展，血氧检测仪器的功能越来越强大，其测量精度也越来越高，目前血氧测量仪的使用已经逐步从医院专用仪器转变为家庭必备测量仪器。
检测人体血液中氧的含有量是判别人体呼吸系统和人体循环系统是否缺氧的重要指标。血氧测量仪以往仅在病人手术和监护时使用，近年来随着科技进步和人们生活水平的提高，血氧测量仪正逐步走向大众，为人们提供了直接p快速p有效的血氧含量参数[1]。
人体血液缺氧主要表现为两种情况，一是急性缺氧，主要表现为意识模糊，全身皮肤、嘴唇、指甲青紫，血压下降，严重的可导致心跳停止、缺氧窒息而死亡。二是慢性缺氧，慢性缺氧者则有头晕、头痛、耳鸣、眼花、四肢软弱无力、心跳快速无力等症状。因此脉搏血氧含量测量对患者、老年人、运动员等高负荷运动群体尤为重要。
心脏是人体内部的发动机，驱动人体的各个部分正常运转，在心脏的周期性跳动过程中，血流以波的形式从主动脉血管开始向人体的动脉系统传播，形成脉搏波，从脉搏波中可提取人体的各种生理信息，脉搏波所表现出的波形、波的幅值、波的频率和周期等方面的综合信息，可基本展示人体心血管系统中许多生理病理特征，通过对这些特征的分析和判断，医护人员可以准确诊断出患者的病因，因此对脉搏波采集和处理在医学上具有广阔的前景和应用价值。由于人体的生理信号为低频信号且通常有强噪声干扰，因此红外传感器采集到的信号必需经过放大和滤波才能满足处理器的要求。
1 系统基本结构
血氧测量仪主要是通过测量所选光波波长为主要信息来测定血氧含量。由于红外光电传感器产生的光线能够穿过人体的皮肉组织，光线被红外传感器接收并转换成电压信号，处理器对电压信号进行分析处理并通过液晶屏1602LCD显示。
血氧监测仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的红外光转换成电信号，然后用电子仪表进行测量和显示的装置。血氧测量仪系统的电路组成包括光电检测电路、带通滤波电路、处理器控制电路、液晶显示电路、供电电源等。当手指置于红外发射传感器和接收传感器之间时，由于心脏的不断跳动，人体血管中血液的流量就会发生相应的变化。由于手指尖放在光线的传递路径中间，血管中血液饱和程度的变化将导致红外光的强度发生变化，这种变化和心跳的频率基本相同。红外接收传感器的电流也随着改变，经过电路转换使电流信号转变为电压信号，这就是红外传感器输出脉冲信号，该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为处理器的外部中断信号。处理器对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果发送到1602LCD显示。血氧监测仪的系统结构如图1所示。
图1 硬件系统结构
2 系统主要电路与信号处理方法
2.1 光电检测电路
获取血液信息的方法是通过红外光发射和接收的变化转换成电信号，红外传感器将接收到的红外光按一定的函数关系转换成便于测量的电压输出[2]。电路如图2所示。
图2 光电检测电路
2.2 带通滤波电路
带通滤波电路是处理光电传感器采集到的低频信号模拟电路，主要包括截止频率为40Hz的二阶低通滤波器（见图3）和截止频率为0.1Hz的二阶高通滤波器（见图4）。
2.3 单片机控制电路
运用了MSP430F44作为控制电路的核心元件，其优点是运算速度快、数据处理准确，外围电路设计简单，功耗和故障率低。控制过程中MSP430F44内部的中断/定时/计数功能对输入的脉冲电平进行运算分析并处理[3]。
图3 截止频率为40Hz的二阶低通滤波器
图4 截止频率为0.1Hz的二阶高通滤波器
2.4 信息显示与供电
测量结果选用液晶屏1602LCD显示而不是使用数码管，这样设计不仅可直接读出数据，而且显示的信息量也增多。测量仪的电源为单电源1.8～3.6V，低功耗设计，光电传感器、信号处理电路、处理器等共用同一电源[4]。
微处理器将光电传感器输出的信号波长660 nm的红光和940 nm的近红外光按表1的要求进行处理，在血液经过被测组织时，通过测量血液波动的波峰和波谷的吸光度变化来计算血氧含量[5]。
表1 信号波长分析处理
波长（nm）[]氧合血红蛋白（HbO2）[]还原血红蛋白（Hb）
660（红光）[] 少[] 多
940（红外光）[] 多[] 少
测量仪的监测部位为手指尖，通过比较参数值来确定血氧量是否正常，血氧正常值为正常成人大于等于95～97%，婴儿大于等于91～94%。
3 影响血氧测量的主要因素
测量过程中，红外传感器检测到的脉搏信号很微弱，容易受到外界环境干扰，其中主要的干扰源有强光、电磁以及测量时的运动噪声等。
（1）传感器安装位置出现偏差或被测人在剧烈运动后进行测量，会影响规则脉冲信号的提取。 （2）测量的环境为强光环境，当强光照射到红外传感器接收探头上时，可使测量偏离正常范围，影响准确性。
（3）手指末梢血氧循环差时，如人处于休克状态、手指温度过低等，都会造成被测部位动脉血流量减少，使测量不准。
（4）人体出现侧卧姿态时有可能压迫手臂，影响血液正常流动，从而出现测量不准确。
（5）指甲表层有污垢或受到涂抹时会影响光线的透过率，导致测量不准。
4 软件设计与干扰处理方法
通过控制660nm、905nm（940nm）两类波长光周期性发光，时间为100us、时间间隔为10ms不断启动次红外传感器的发光管发光，保证每秒分别采样红光和红外光和自然光各100次，测出两种波长光的透射光强对应的最大和最小电压值，然后求出各自最大电压和最小电压差值与最大电压值的比值k1、k2，然后再求出k1与k2之比值R，主程序流程如图5所示，中断程序流程如图6所示。
图5 主程序流程 图6 中断服务程序流程
提高血氧测量仪测量精度的主要方法有：对于强光干扰情况，可采取削弱背景光的处理方法，使红外传感器处于相对密闭系统，保证红外传感器不透光，即密闭处理法。对于电磁干扰和工频干扰，一般可以采用接地性和导电性好p磁导率高、封闭性好的屏蔽材料对电路进行封装，形成屏蔽体，屏蔽体可以对电磁波进行反射和吸收，并能屏蔽干扰源所产生的电场和磁场[6]。
5 结语
红外传感器还可更精密设计，如选用波长单一性更好的发光二极管作为发射光源；测量算法还有许多需要完善的地方，比如利用数字滤波方法消除被测信号中的噪声和干扰，用数字滤波来克服模拟滤波器的缺陷等等。
参考文献：
[1] 夏德民，李欣.指端脉搏波采集系统应用研究[J].哈尔滨工程大学学报，2009（5）：25-28.
[2] 明光，张欣.传感器电路基本应用[M].北京：电子工业出版社，2005：125-126.
[3] 郭天祥.51单片机C语言教程 [M].北京：电子工业出版社，2008：210-300.
[4] 程光，赵崇侃.指动脉搏波光电传感器的研制[J].南京医学院学报，2012（1）：102-110.
[5] ANALOG DEVICE.ADuC841_2_3_a data sheet[M].Analog Device ，2011：50-51.
[6] R W STEWART，E PFANN.Oversampling techniques using theTMS320C24x family[M].Literature Number：SPRA461 Texas Instruments Europe，June 2010：80-91.