基于單片機(jī)的人體阻抗測(cè)量系統(tǒng)

引 言

　　醫(yī)學(xué)阻抗測(cè)量是利用生物組織與器官的電特性及其變化，提取與生物體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的一種檢測(cè)技術(shù)。它通常借助于驅(qū)動(dòng)電極向檢測(cè)對(duì)象送入一微小的交變電流(或電壓)信號(hào)，同時(shí)測(cè)量?jī)蓸O的電壓(或電流)信號(hào)，從而計(jì)算出相應(yīng)阻抗，然后應(yīng)用于不同目的。
 

　　本設(shè)計(jì)利用MSP430F149自帶的串口通過(guò)RS485進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸，上位機(jī)可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制、數(shù)據(jù)保存等處理。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。該單片機(jī)有60 KB Flash、2 KB RAM，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。單片機(jī)通過(guò)向AD9852發(fā)送頻率字、幅度字從而控制正弦波的頻率、幅度。正弦波經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)電壓、功率放大等電路作用后，經(jīng)過(guò)線圈T1隔離作用于人體，同時(shí)由線圈TFl和T2感應(yīng)出的電流、電壓相對(duì)量，經(jīng)過(guò)程控放大器和真有效值轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入單片機(jī)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)電流、電壓值計(jì)算出電阻，再通過(guò)串口傳輸給PC機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2 硬件電路

　　2.1 單片機(jī)控制AD9852電路

　　如圖2所示，單片機(jī)P1.O～P1.7，通過(guò)復(fù)用與AD9852數(shù)據(jù)、地址引腳相連，P2.3～P2.7與AD9852五個(gè)較重要的控制引腳相連接。單片機(jī)主要是通過(guò)向DDS輸出幅度字、頻率字來(lái)控制AD9852產(chǎn)生的正弦波的頻率和幅度。

　　2.2 電流、電壓測(cè)量電路

　　圖3所示為電流測(cè)量電路原理。為了在不同幅度下都能準(zhǔn)確測(cè)量電流，在峰一峰值轉(zhuǎn)有效值電路前加了一片程控放大器，單片機(jī)通過(guò)輸出增益控制使得即使前端電壓很小時(shí)也能將其提高到一定程度，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。同樣，在電流測(cè)量電路中，也使用了同樣的原理圖。

2.3 RS485電路

　　圖4所示的單片機(jī)與RS485通信轉(zhuǎn)換電路中，通過(guò)3個(gè)光耦器件對(duì)單片機(jī)電路和RS485總線進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。采用SP485E來(lái)支持RS485串行協(xié)議，但由于SP485E的工作邏輯是TTL電平，而RS232通信的邏輯電流不是TTL電平，需要通過(guò)SP232器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖5所示。RS485工作在半雙工通信狀態(tài)，通過(guò)CTR485控制數(shù)據(jù)的輸入/輸出方向。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在IAR EmbeddedWorkbench環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)、調(diào)試，其軟件流程如圖6所示。單片機(jī)軟件主要分為兩部分，一部分通過(guò)控制AD9852產(chǎn)生正弦波，同時(shí)對(duì)電壓、電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算，其流程如圖7所示;另一部分將采集來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，軟件流程如圖8所示。

　　 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)踐證明，正弦波幅度對(duì)阻抗幅度值影響較小;而頻率對(duì)阻抗幅度值影響較大。用雞蛋清實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增大，阻抗值減小，并且蛋清濃度越高阻抗越大。當(dāng)正弦波頻率為440 kHz時(shí)，通過(guò)程控放大器將電流電壓調(diào)整在O.7 ～2.5時(shí)，無(wú)感電阻與電壓、電流比值的關(guān)系如圖9所示。

　　圖中橫坐標(biāo)為U/I，縱坐標(biāo)為R/10。由圖可見(jiàn)，在誤差允許的范圍內(nèi)二者呈近似線性關(guān)系。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)提供了一種人體阻抗測(cè)量方法，可作為醫(yī)療儀器的輔助功能，為組織診斷等提供一定的參考，可移植于不同應(yīng)用。