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摘要：为了让学生加深对单片机工作原理的理解与应用，根据《单片机原理及应用》课程教学大纲精心设计了一种基于单片机的多生理信号采集系统。该实验教学案例通过设计、仿真、制作和调试一套多生理参数的检测系统，让学生能够系统地掌握单片机的基本原理、设计方法及外围电路的制作和调试技巧，促进学生进一步掌握单片机的开发与应用，培养学生的实践能力、创新能力和团队合作精神，培养他们的分析问题和解决问题的能力。
关键词：单片机；生理信号；多路采集；实验教学
本文引用格式：禹旺兵等.基于单片机的多生理信号采集系统实验教学案例设计[J].教育现代化，2019，6（66）：194-196.
An Experimental Teaching Case Eesign of Multi-physiological Signal Detecting System Based on Single Chip Microcomputer
YU Wang-bing，ZOU Xiao
（School of Physics and Electronics,Hunan Normal University,Changsha,Hunan,China）
Abstract:According to the teaching outline of"principles and applications of single-chip microcomputer",a multi-physiological signal detecting system based on single-chip microcomputer is elaborately designed to improve the understanding and application of the principle of single-chip microcomputer.Through designing project,simulating experiment,and fabricating and debugging a multiple physiological parameters detection system,the case makes systematically the students to master the basic principle of single chip microcomputer,design method,and the skills of fabricating and debugging the signal detecting system,and improve their practical ability,innovation ability and the team cooperation spirit,cultivate their ability to analyze and solve problems.
Key words:single chip microcomputer;physiological signals;multichannel detecting system;experimental teaching case
近年来，随着电子技术、计算机技术、数字信号处理以及传感技术的发展，人体生理参数诸如心音、脉搏、体温、血压等信号的采集从传统的机械化转向电子化，而且不断向着自动化和智能化的方向发展，采集的生理参数越丰富越精细，其结果就越准确可靠，因此多生理信号采集系统在临床诊断治疗和医学教学研究中具有十分重要的意义。基于单片机的多生理信号采集系统实验教学案例的主要目标是设计一个多生理信号采集系统，利用该系统及时准确地采集心音、脉搏、体温、血压等生理信号。同时采集系统通过USB接口与计算机相连，将采集到的人体生理数据存入计算机建立个人的健康档案，还可以将这些信息作为临床医学研究的样本分析数据。通过该项目的构思设计、传感器的选择、放大电路和滤波电路设计等方面的工作，巩固了模拟电子技术、数字电子技术、单片机的原理与应用以及传感器与检测技术等课程的基础知识和基本理论，既锻炼了学生的创新能力和实践能力，又培养了学生科学研究和进入工业界从事工程研究所需的实用技能。同时还培养了学生的实践能力、创新能力和团队合作精神，培养他们的分析问题和解决问题的能力。
一 案例教学设计
实验中需要掌握的有关理论知识主要包括模拟电子技术、数字电路、单片机原理及应用、微机原理与接口技术、传感器与检测技术等，以及一些与实际工程相关的系统测试方法、控制和调试技巧方法。
（一）实验教学目的
该实验项目在方案设计和系统实现过程中，根据选取方法的多样化确定合适的技术方案，既可以引导学生了解一些常见的人体生理特征参数采集原理及指标范围，又进一步加深他们对传感器与检测技术、模拟电子技术、数字电路、单片机原理及应用、微机接口技术等课程知识点的理解。在整个实现过程需要建立团结协作和工程项目理念，从技术方案的选定、传感器模块的选择、实现电路的设计、软件仿真、测试环境的搭建过程、系统调试等方面要求学生合理分工、明确目标，提高他们的专业技能和团队意识。
（二）实验内容与任务
该生理信号采集系统主要完成心音、脉搏、体温、血压等信号的采集与测量，系统设计的内容和任务主要包括：
1.选择合适的心音、脉搏、体温、血压传感器；
2.设计放大电路将生理信号放大至适当的范围；抑制噪声信号不大于15mV；
3.采用合适的电路将心音、脉搏、体温、血压以数字的方式显示，若信号超出某一参考范围，则给出报警信号。
（三）实验过程及要求
1.了解人体生理参数诸如心音、脉搏、体温、血压等信号的特点以及医学上的测试要求；
2.根据人体生理参数的特点及医学上的要求选择合适的传感器，制定以上各种信号测量放大电路的带宽、放大倍数、输入输出电阻等；
3.设计各模块合适的电路，并通过Multisim等仿真软件对测试系统进行优化设计；
4.记录各主要功能电路的输入输出波形，整理实验数据，撰写实验报告，并对设计过程进行分析和总结。
（四）实验原理及方案
1.系统结构
2.实现方案
（1）传感器选择
心音传感器：主要有空气传导式、接触传导式和加速度式三大类型。空气传导式心音传感器是心音波经空气传递到传感器的敏感振动膜，振动膜带动换能元件并使其产生与心音强度成比例的输出信号。空气传导的心音传感器通常可采用电磁感应式、压电式和电容式等原理制成。接触传导式不采用空气作为传递心音信号的媒介，而是将心音信号直接通过敏感元件传递到换能元件，因此其抗干扰能力强，效率高。加速度式是利用加速度传感器来检测心音信号的，由于加速度传感器重量轻、尺寸小，频响为10-800Hz，甚至更高，且抗干扰能力强，是目前应用较广的一种心音传感器。在本设计系统中提供的是接触传导式心音传感器。
脉搏传感器：脉搏传感器即是用来检测动脉搏动时产生的压力变化，将之转换成可以被更直观观察和检测的电信号。按照采集信号的方式主要可以分为压电式、压阻式、光电式等三种。其中压电式和压阻式通过微压力型的材料（压电片、电桥等）将脉搏跳动的压力过程转换为信号输出。光电式脉搏传感器则通过反射或对射式的方式，将血管在脉搏跳动过程中透光率的变化转换为信号输出。在本设计系统中提供的是光电式脉搏传感器。
体温传感器：用于人体温度测量，要求实现非接触式测量。常见的传感器有热辐射传感器、压电式传感器、热电阻传感器、光纤温度传感器等。本实验采用光纤式温度传感器。
血压传感器也是一种压力传感器，它是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。
（2）放大电路
仪表放大器电路的典型结构如图2所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运算放大器A1、A2构成同相输入方式，同相输入具有较高输入阻抗的特点，这样可以尽可能地减小放大电路对信号源索取电流，使微弱的生理信号全部作用到放大电路。
（3）滤波电路
生物信号的滤波处理主要包括有源低通滤波和50Hz陷波。有源低通滤波器，一般由集成运算放大器与RC网络构成，有源低通滤波电路能够通过低频信号，抑制或衰减高频信号。它具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定等优点，同时，由于集成运算放大器的开环增益和输入阻抗高，输出阻抗低，故由集成运放构成的有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC环节和同相比例放大电路构成，电路如图3所示。50Hz陷波电路利用集成运算放大器和二阶RC网络构成的有源双带阻滤波器，该滤波器作为抑制人体生理信号测量中的工频干扰而经常采用的陷波电路结构。
（4）模数转换电路
A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。本实验采用ADC0809芯片作为数模转换电路。
二 考核内容与方式
实物验收：心音、脉搏、体温、血压这四种生理信号是否能全部采集，采集的信号是否满足生理检测的要求，是否能在指定时间内完成（50%）。
实验质量：生理信号采集方案的合理性，计算机仿真结果，实际电路调试和焊接质量，采集系统组装工艺(20%)。
自主创新：采集系统各部分电路功能构思及设计是否具有创新性，自主思考与独立实践能力(10%)。
实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗(5%)。
实验数据：测试数据和测量误差(10%)。
实验报告：实验报告的规范性与完整性(5%)。
三 结语
本实验设计到的知识面比较广，主要包括传感器与检测技术、模拟电路、数字电路、信号放大与处理、单片机原理及应用、接口电路等。不但需要较强的理论基础，还需要具备利用计算机对所设计的电路进行仿真，同时还需要有较强的动手能力，该实验有利于提高学生的综合能力。
参考文献
[1]张亮.基于小波变换与希尔伯特黄变换的心音信号分析[D].山东科技大学,2010.
[2]张雄,杨延宁,曹新亮,刘斌,王箫扬.“智能充电器设计”实验教学案例[J].电子世界,2018(05):17-18.
[3]许亮.基于技能竞赛的单片机教学改革研究[J].教育现代化,2019,6(38):28-29.
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