光电脉搏检测

《光电脉搏检测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电脉搏检测（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、方案一1.1 课题争论背景及意义随着人们生活水平的提高，地球环境遭到破坏，多种疾病威逼着人们的生命, 而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。在医学上，通过测量人的心率，便可初步推断人的安康状况。因此，心率计很快产生并得到进展。随着单片机技术的进展、人们的生活节奏加快，设计一种以使用便利为前提，能够快速测出人心率的心率计，不仅是临床者的需要，也是体育训练者和外出旅游者的需要。1.2 国内外现状传统的脉搏测量承受诊脉方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。为了抑制上述测量方法的缺乏，国内外脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器

2、测试法。1.3 争论内容利用血液是高度不透亮的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可通过光电传感器对脉搏信号进展检测，并通过单片机技术进展数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。生物医学传感器是猎取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个 关键器件。光电式脉搏传感器作为是依据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有构造简洁、无损伤、可重复好等优点。依据光电容积法原理，从改善光源、消退景光噪声、电磁屏蔽和提高信噪比四个方面动身，争论改进方法，对提高使用的敏捷性和准确度有着重大意义。通过光电传感器对脉搏信号进展检测，并用

3、单片机技术进展数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。第 2 章 系统设计2.1 光电式脉搏传感器的原理和构造2.1.1 光电式脉搏传感器的原理人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的形式从主动脉根部开头沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中很多生理病理的血流特征。依据郎伯-比尔Lambertbeer定律,物质在肯定波特长的吸光度和它的浓度成正比，当恒定波长的光照耀到人体组织上时,通过人体组织吸取、反射、衰减后测量到的光强在肯定程度上反映了被照耀部位组织的构造特征。血液是高度不透亮的

4、液体，光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。一般状况下， 当光子穿越介质时，因能量被吸取而导致的强度衰减可描述为：1式中错误!未找到引用源。是入射光强，错误!未找到引用源。是与组织结 构相关的吸取系数哺乳动物的错误!未找到引用源。值在 0.1 至 100 之间，错误!未找到引用源。是沿光轴方向的坐标长度。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的,在人体指尖,组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄 ,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。图 2-1 人体手指端复原蛋白与氧化蛋白光吸取率示意图手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组

5、织和血液组织,其中非血液组织的光吸取量是恒定的,而在血液中,静脉血的搏动相对于动脉血是格外微弱的,可以无视。因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的 , 那么在恒定波长的光源的照耀下, 本设计利用透射式的测量方法，通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。2.1.2 光电式脉搏传感器的构造从光源发出的光除被手指组织吸取以外，一局部由血液漫反射返回。其余局部透射出来。光电式脉搏传感器依据光的接收方式可分为透射形式和反射式2 种，其中透射式的放射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系，但不能准确测量出血液容积量的变化；

6、反射式的放射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以准确地测得血管内容积变化。本文争论的是透射式脉搏传感器， 侧重于脉搏信号的测量。22.2 主要元器件选择和功能介绍2.2.1 传感器 OPT101OPT101 型传感器是美国 B-B 公司研制的集光敏器件光敏二极管与信号放大于一体的器件.承受单电源供电，压电输出。输出电压随照耀到光敏器件的光强度呈线性变化。可用于医疗仪器、试验室仪表、位置与接近探测、图像分析、条线码扫描器、温室的光照度掌握等。OPT101 型传感器内部电路构造如图 4-2 所示。2.2.1 传感器 OPT101OPT101 型传感器的性能、特点：1单电

7、源供电+2.7V+36V（2） 光敏二极管的尺寸：0.09*0.09in（3） 片内放大器反响电阻：Rf=1M（4） 光敏二极管响应：0.45A/W(650nm 时)（5） 响应带宽：14K HzRf=1M（6） 静态电流：120mA(7 ) 承受 8 引脚 DIP，5 引脚 SIP，与 8 引脚图 4-2内部电路构造外表贴装封装8工作温度：070应用片内 1M与 3pF 组成的反响网络，马上引脚 4、5 连接即构成根本应用电路； 这是电路的输出幅度与照耀光线波长的关系如图 4-3，照耀光线的入射角与输出幅度的关系如图 3-4 所示。图 4-3 输出幅度与照耀光线波长的关系图 4-4 输出幅度

8、与入射角的关系2.2.2 低功率运算放大器 LM324LM324 系列器件为价格廉价的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有显著的有点：该四放大器可以工作在低到3.0 伏或高到 32 伏的电压下，静态电流大致为MC1741 的五分之一对每个放大器而言，共模输入范围包括负电源，因而消退了在很多应用场合中承受外部偏置元件的必要性，输出电压范围也包括负电源电压。其特点为：1短路保护输出2真差动输入级3单电源工作，3.0V32V 4低输入偏置电流，最大 100nALM324A35每一个封装四个放大器6内部补偿7共典范围扩展到负电源8行业标准引脚输出9在输入端的静电放

9、电位增加牢靠性而不影响器件的工作2.2.3 通用型集成电压比较器 AD790双列直插式 AD790 单集成电压比较器，与集成运放一样，它有同相和反相两个输入端，分别是引脚 2 和 3；正、负两个外接电源VS，分别为引脚 1 和 4； 当单电源供电时，-VS 应接地。此外，引脚8 接规律电源，其取值打算于负载所需高电平。为了驱动TTL 电路，应接+5V，此时比较器输出高电平为 4.3V。引脚5 为锁存掌握端，当它为低电寻常，锁存输出信号2.3 系统硬件设计主要包括信号采集和处理电路、单片机系统及显示电路两大局部。2.3.1 信号采集电路和处理电路本设计承受红色发光二极管发出的光线通过手指照耀在

10、OPT101 的受光窗， 当指尖的血流量随心脏跳动而转变时，从 LED 通过指尖到达受光窗的光线也随之转变，这样光电流也发生波动性变化，从而采集到心脏脉搏信号。设计出来的电路图见下：图 5-1 信号采集和处理电路具体说明：OPT101 芯片的 5 号引脚输出波动的电压信号，经 R2、C2、C3 接到 LM324放大器的反相输入端，为避开烦扰信号传到 U1A 的输入端，用 C2、C3 组成的双极性耦合电容将其隔离。C4 和 R5 构成低通滤波器，去除高频信号，截止频率为3.33Hz。通过AD790 电压比较器，将信号转换为方波信号输入单片机。其中，左下方的 LM324 供给参考电压，R10 为电

11、位器，用于调整电压比较器的参考电压， 以消退不同人手指的差异性。2.3.2 单片机系统及显示电路在单片机设计中，我们使用 12MHz 的晶振，用 P0、P1 和 P2 引脚掌握三个数码管进展显示，P32 引脚用来接收已转化为方波的脉搏信号，并且带有复位开4关。图 5-2 单片机系统电路图2.4 单片机系统软件设计我们设计的单片机程序中，承受单片机内部定时器定时检测周期 10s，在 10s过程中，P32 引脚检测方波脉搏信号，每次高电平降临，系统进展推断：相邻两次高电平的时间差是否大于 10ms，由于脉搏周期理论最大值为 300ms，其中的高电寻常间会更小这跟人的心跳特征有关，此推断能消退电压比

12、较器的误判和弥补个人心跳的差异性。10s 后心率显示在数码管上，并且每 10s 更一次显示。工作流程图见下。5开 始定义变量声明函数启动 10s 计时启动脉搏计数否两次脉冲信号的时间差是否大于 10ms是脉搏计数加 110s 计时完毕显示心率数图 6单片机工作流程图2.5 光电式脉搏传感器的噪声分析及改进在测量过程中，前端测量到的脉搏信号格外微弱，简洁受到外界环境干扰， 因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进展分析，从光电式脉搏传感器设计的技术角度削减干扰，使之能够准确测量到脉搏信号，光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声，下面对上述状况结合试验测量做进一步的分析。2

13、.5.1 环境光对脉搏传感器测量的影响在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，削减背景光的干扰。为了削减环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的便利性， 承受密封的指套式包装方式，整个外壳承受不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，为了避开测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层外表涂上一层吸光材料，这样能有效削减二次反射光的干扰。6由图 7 的图形明显可知，加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑

14、。这是由于加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中根本不受外界环境光的影响，而且能够有效削减二次反射光，使照耀到手指上的光波长单一， 所以得到的脉搏信号较为稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的表达出脉搏波形的特征。2.5.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，简洁受到外界电磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和一级放大电路是分别的，那么在信号的传递过程就很简洁受到外界电磁干扰，通常在一级放大电路承受电磁屏蔽的方式来消退电磁干扰，本系统承受了型的光敏器件， 在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏

15、信号的干扰。2.5.3 测量过程中运动噪声在测量过程当中，通常状况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，这样对脉搏测量产生误差，可以通过 2 个方面削减运动噪声误差：一是改善指套式传感器的机械抗运动性，比方说使指套能够更紧的夹在手指上，不易松动； 二是从脉搏信号处理的角度，通过算法来减小误差，对于传感器的设计，现在承受的主要是第一个途径。7附录一 protel 原理图8附录三 单片机程序C 语言#include #define count_M1 50000#define TH_M1 (65536-count_M1)/256 #define TL_M1 (65536-count_M1)%2

16、56 #define gewei P0#define shiwei P1 #define baiwei P2char TAB10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98;char maibo=0;int count_T0,temp=0; void show(char,char,char); void delay10ms(void); main IE=0x83; /允许 TF0、INT0 中断IP=0x02; /设定 TF0 的优先级高于 INT0 TMOD=0x01; /设定T0 为 mode1 TH0=TH_M1; TL0=TL_M

17、1;TCON=0x01; /设定负边沿触发TR0=1; /开头定时while(1) temp+;void T0_10s(void) interrupt 1 TH0=TH_M1;TL0=TL_M1;char i,j,k; if(+count_T0=200) count_T0=0; i=6*maibo/100; j=(6*maibo%100)/10; k=(6*maibo%10) show(i,j,k);maibo=0;void INT0(void) interrupt 0 if(temp10000/3) maibo+;temp=0 void show(char i,char j,char k) baiwei=TABi;shiwei=TABj;gewei=TABk; 9