光电脉搏信号检测电路设计
电类课程设--脉搏跳动测量电路设计
目录一已知参数和设计要求 (1)1.1 基本要求 (2)1.2 发挥部分 (2)1.3 课程设计工作计划 (2)1.4 学生应完成的工作：（1）完成基本设计要求；（2）完成课 (2)二设计方案 (2)2.1 设计原理： (2)2.2 系统原理框图： (3)2.3单元电路设计 (3)2.3.1放大电路 (3)2.3.2 滤波电路 (4)2.3.3整形电路 (4)2.3.4 LM234引脚图 (5)2.3.5数显电路 (6)2.3.6单片机和报警电路 (6)2.3.7单片机程序设计流程图： (7)2.4总电路图 (10)三心得体会 (11)四参考文献 (12)一、已知参数和设计要求设计一个脉搏跳动测量电路。
设计参数：脉搏跳动传感器为模拟信号:5--50mv,噪声信号小于20mv。
要求1、基本要求：（1）电压比较用施密特触发器；（2）显示每分钟跳动值；（3）循环显示，每隔10s刷新一次，显示前一分钟的心跳次数，显示最小位为1次。
（4）每分钟跳动小于60、大于130时进行声光报警；正常心跳次数时蜂鸣器不响，绿灯亮；非正常心跳次数时蜂鸣器响，红灯亮。
2、发挥部分：选定传感器；判断测量范围中的异常。
3、课程设计工作计划：第一周完成资料查询、总体方案设计及部分电路设计；第二周完成具体电路设计及设计报告4、学生应完成的工作：（1）完成基本设计要求；（2）完成课程设计报告。
二、设计方案1、设计原理：电路由传感器模拟信号、信号放大电路、滤波电路、整形电路、单片机电路、数码显示电路和报警电路等六部分组成。
传感器模拟信号经过信号放大电路进行放大，再由一个二阶压控有源低通滤波器滤掉信号中的噪声信号，然后信号经过有555定时器构成的施密特触发器对信号波形进行整形后输入到单片机中，单片机采用8051单片机，在单片机中对信号计数，然后输出到数显电路和报警电路。
数显电路显示每分钟跳动数，报警电路对于正常心跳次数时蜂鸣器不响，绿灯亮；非正常心跳次数时蜂鸣器响，红灯亮。
双波长频分光电脉搏波测量电路(最终报告)
课程报告（设计报告+调试报告）课程名称：测控电路课题项目：双波长频分光电脉搏波测量电路课题仪器：红外发光二极管、红外发光二极管、OPT101等系别：光电信息与通信工程学院专业：测控技术与仪器班级/学号:学生姓名:实验日期:成绩：指导教师：目录一、题目介绍(一)设计背景(二)设计目的(三)设计原理(四)设计任务(五)预期目标二、设计部分(一)总体方案设计(二)各部分电路具体分析1、正弦波的产生2、发光二极管3、光敏二极管4、带通滤波器5、解调6、差模放大器（AD620）7、单片机三、测试部分1、正弦波的产生2、发光二极管3、光敏二极管（OPT101）4、带通滤波器5、解调6、差模放大器（AD620）7、低通滤波8、单片机（用单片机产生1KHz和10KHz的方波，1号管脚1KHz，2号管脚10KHz）9、噪声分析10、实际输出波形四、实验心得五、参考文献六、附录附录一：全电路仿真图附录二：PCB布线图附录三：元器件清单一、题目介绍(一) 设计背景过去人们测量脉搏时常用的方法是使用测量脉搏的听诊器，或者使用吸附在人体上的电极等老式测量方法，这些方法无疑都不便于室外场所使用。
所以需要设计一个便于测量脉搏的仪器——双波长频分光电脉搏波测量电路。
它采用红光及红外线来进行检测采集人体的脉搏，检测的部位为被检测人的任意一个手指。
(二) 设计目的1、掌握光电传感器的选择及其接口电路的设计，特别是主动驱动方式的光电传感器的设计；2、了解频分方式的信号调试、分离与解调，并针对信号的特点设计相应的信号处理电路，理解对测量系统的一般要求（精度、测量范围、响应速度），了解电路参数的测量。
（三）设计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始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许多生理病理的血流特征。
基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计
1 设计主要内容及要求1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：（1）了解脉搏检测相关背景知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。
（2）初步掌握常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。
（3）通过学习，具体掌握所选择脉搏测量传感器的使用特点、测量电路和使用方法。
1.2 基本要求（1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。
（2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。
（3）设计异常心跳的报警电路。
1.3 发挥部分自由发挥2设计思路该装置是根据手指毛细血管的血容量随心脏搏动而改变这一生理特点，利用光电转换原理以及单片机计数测量原理完成对心率次数的测量。
测量脉搏的装置是以脉冲跳动间隔时间为基准的倒计数方式，从而保证在几秒钟内得到精确的每分钟脉冲次数，并提高了快速测量的准确性。
该系统采用光电传感器进行测量，在传感器两端加上一定的工作电压，则其输出电压随着光照强度的变化而变化，产生电压信号。
该信号经过滤波处理后，再由运放转将信号放大，然后送入单片机进行处理。
在进行处理前，信号将要分为两路，一路经波形变换后得脉冲信号，送单片机进行对电压信号的测频处理，并计算1min内脉搏跳动的次数；另一路经A/D 转换后送到单片机处理系统进行波形测量与显示。
单片机把传感器采集的数据经过译码器显示在液晶屏上，同时当测得脉搏跳动次数超于规定脉搏跳动次数范围时，电路将自动进入中断，发光二极管闪烁，蜂鸣器报警。
键盘控制器用于功能选择。
系统的测频利用软件进行精度的调整，节省了资源。
3设计方框图4各部分电路设计4.1.硬件系统的设计图4.1硬件数字前置电路设计图4.1．1.脉搏信号的检测硬件电路中，关键部分在于脉搏信号的检测。
系统采用红色发光二极管和硫化镉光敏电阻组成投射遮光指套式光电传感器发光二极管稳定性好，遮光指套式的装置式的装置减少了外界光的干扰，只需要将待测手指插入，便可以进行测量。
光电脉搏血氧心率仪电路设计
２１ ０ ０年 ｌ ２月
电 子 器 件
Ｃ ｉｅ ｅＪ ｕ ａ ｏ ｌｃｒｎ Ｄ ｖｃ ｓ ｈｎ ｓ ｏ ｍ ｌ ｆ ｅ ｔ ｅ ｉｅ Ｅ ｏ
Ｖ０ ． ３ Ｎｏ ６ １３ ． Ｄｅ ． ２ ０ ｅ ０ｌ
Ｃｉ ｃ ｉ ｓｇ ｆ Ｐｈ ｔ ｅ ｅ ｔ ｉ ｌｅ Ｏｘ ｍ ｅ ｅ ｒ ｕ ｔＤｅ ｉ ｎ ｏ ｏ ｏ ｌ ｃ ｒ ｃ Ｐｕ ｓ ｉ ｔ ｒ
ｔ ｅ ｓｇ ａ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｃ ｒ ｕ ｔ ｉｎ ｌｐ ｏ ｅ ｓｎ ｉｃ ｉ ｆ ｒｔｓｉｇ ｔ ｅ ｂ ｏ ｄ ｏ ｙ ｅ ｎ ｅ ｒ ａｅ ａ ｈ ａ ｅ ｔ ｈ ｉｎ ｌａ ｑ ｉｉｉ ｉｃ ｉ，ｓｇ ａ ｒ ｃ ｓ ｉｇ ｃ ｒ ｕｔ ｏ ｅ ｔ ｈ ｌ ｏ ｘ ｇ ｎ ａ ｄ ｈ ａ ｒ ｔ ｔｔ ｅ ｓ ｍ ｉ ｏ ｎ ｔ ｍｅ，
关键 词 ： 血氧饱和度 ； 脉搏血氧测量原理 ； 硅光电池 ； 单片机 ＳＣ９ ５Ｒ Ｔ ８Ｃ ８ Ｄ＋
中 图分 类号 ： ３ ３ １ ＲＨ ３ ．
文献 标识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ５—９ ９ （０ ０ ０ ０ ８ ０ １０ ４ ０ ２ １ ） ６— ７ ６— ４
随着 生 活节奏 的加快 ， 生活水 平 的提高 ， 们对 人 人 体健康 意识也 随 之 提高 ， 望 能 随 时 的对 自身 某 希
ａ ｈ ｅ ｔ ｇ ｒ ｓ ｌｓｗｉｌｂ ｉｐ ａ ｅ ｙ ＬＣＤ．Ｆｏ ｃ ｕ ｌｐｅ ｓ ｎ ｅ ｔｎ ｎｄ ｔ ｅ ｔ ｓｉ ｅ ｕ ｔ ｌ ｅ ｄ ｓ ｌｙ ｄ ｂ ｎ ｒａ ｔ ａ ｒｏ ｓｔ ｓｉ ｇ，ｔ ｅ ｂ ｏ ｄ ｏ ｙ ｅ ｓｆｏ ９ ｏ ９ ｎ ｈ ｌ ｏ ｘ ｇ ｎ ｉ ｒｍ ３ ｔ ８ ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ａ ａ ｅｉ ｏ ７ ｏ７ ｈ ｅ ｒ ｒ ｔ ｓｆ ｍ ０ ｔ ５，ａ ｔｍｅ ｔ ｈ ｃ ｕ ｌｔ ｓｉ ｇ ｒ ｑ ｉｅ ｎｔ ｔ ｒ ｎｄ ｉ ｅｓｔ ｅ ａ ｔ ａ ｅ ｔｎ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ．Ｔｈ ｙ ｔｍ ａ ｄ ａ ｔ ｇ ｓｏ ｗ ｏ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｈ ｓ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｌ ｃ ｓ ， ｏ
光电脉搏测试报告
光电脉搏检测电路测试报告电路总体设计思路：电路总体要求：1．稳定提取人体手指信号2．对频率在0.5-20Hz内信号进行有效放大3．将50Hz干扰尽量滤除4．将脉搏波信号放大至伏量级进行观察单元电路测试与分析：1．光电传感电路电路主要功能：提取人体指端脉搏信号，将其转化为电信号输出。
测试方法：测试者平稳的将手指轻压光敏三极管上方，尽量覆盖它的透明部分，用发光二极管或其他光源照射手指。
测试结果：输出端得到约为4V直流信号，在其基础上有交流信号的变化，幅值约为1mV。
测试分析：光发射部分：测试时采用了实验室的台灯照射手指，因其功率较大，实验效果较好。
光接受部分：光敏三极管阻值随光照发生变化，从有到无变化范围为20-400k欧姆，通电后光敏三极管两端分压范围约为1-4V。
手指轻压在金属封装的光敏三极管上，基本遮住了光接受部分，减少了环境光的干扰，通电时从输出端测得信号为3.96V直流信号基础上含有交流信号，交流信号幅值为0.940mV频率为50Hz，即为光电传感器转化得到的人体脉搏信号，由于信号微弱，被工频干扰所覆盖。
2．前级处理、放大电路电路主要功能：去除直流低频信号，抑制高频信号，对50Hz工频干扰进行初步衰减，同时对有用的脉搏信号进行了初步的放大。
测试方法：用实验室信号发生器输入同一幅值的正弦信号，通过调节输入不同的频率用示波器进行输出信号幅值的观察。
测试结果：输入信号幅值为80mV理论放大10倍，截止频率为23Hz。
实验数据如下：f(Hz) 5.786 7.035 9.17 14.11 16.05 18.02 20.9 23.41 30.81 40.29 50.02 100 V(V) 0.45 0.506 0.562 0.6 0.597 0.584 0.564 0.543 0.479 0.405 0.348 0.19 可见，实际放大7.5倍左右，截止频率在30多Hz，在50Hz有4.35倍的放大。
光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计
北京 ： 北京航 空航 天大学出版社 ， １ ９ ９ ８ ．
［ ５ ］曹全新 ． 航 空电子综合仿 真 系统研 究 【 Ｊ 】 ．
测控 技 术 ， ２ ０ ０ ７ ．
员座椅、机械师座椅和万 向机械臂等组成 ，如
图 ２所 示 。
（ ５ ）其他机柜 ：包括 无线 电设备激励柜 、
作者简介
赵 永红，女，现为中航 通飞研究院有限公 司主
ＮＩ ． Ｒ Ｉ Ｇ、航 电设备柜 。 模拟座舱 中的操纵系统和模拟件等通过 Ｉ ／ 非航 电系统 ＭＩ
０计算机与飞行仿真系统进 行铰接 ， 航 电系统 、 ４总结 顶部控制板等真件直接与飞行仿真系统交联 ，
＜ ＜上 接 １ ３ １页
主控台上安装 的试验 软件主要包括 ：Ｉ ＣＤ 开发与管理工具；硬线连接管理软件 ；试验健
实现仿真模型与参试设备的半物理仿真。数据 服务器能够将 Ｉ ／ Ｏ接 口采集 的数据 连同时钟 同
台和条件 。
康监控管理软件 ；自动化测试软件 ；航 电仿真 步信息进行保存 。 参考文献 管理软件；综合配线 ／ 配 电管理软件 ；Ｉ Ｏ资源 （ ２ ）Ｉ ／ ｏ接 口柜：在 试验 台与真 件设 备 ［ １ 】 飞机 设计手 册 ． 第１ ７ 分册 ［ Ｍ ］ ． 北京 ： 航 配置与数据激励软件；试验数据采集监控管理 间搭建桥梁，为仿真模型提供硬件接 口资源 ，
空 工 业 出版 社 ， ２ ０ ０ １ ．
【 ２ 】新 航 空概 论 【 Ｍ 】 ．北 京 ：航 空 工 业 出 版
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［ ３ ］ 莫伊 尔等著 ． 范秋 丽等译 ． 民用航 空电子
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光电脉搏检测
方案一1.1课题研究背景及意义随着人们生活水平的提高,地球环境遭到破坏,多种疾病威胁着人们的生命,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,便可初步判断人的健康状况;因此,心率计很快产生并得到发展;随着单片机技术的发展、人们的生活节奏加快,设计一种以使用方便为前提,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采用诊脉方式,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;为了克服上述测量方法的不足,国内外脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法;1.3研究内容利用血液是高度不透明的液体,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行检测,并通过单片机技术进行数据处理,实现智能化的脉搏测试技术;生物医学传感器是获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根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结构简单、无损伤、可重复好等优点;根据光电容积法原理,从改善光源、消除景光噪声、电磁屏蔽和提高信噪比四个方面出发,研究改进方法,对提高使用的灵活性和准确度有着重大意义;通过光电传感器对脉搏信号进行检测,并用单片机技术进行数据处理,实现智能化的脉搏测试技术;第2章系统设计光电式脉搏传感器的原理和结构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始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许多生理病理的血流特征;根据郎伯-比尔Lambert－beer定律,物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比,当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射、衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征;血液是高度不透明的液体,光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍;一般情况下,当光子穿越介质时,因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为：式中是入射光强,是与组织结构相关的吸收系数哺乳动物的值在至100之间,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 人体手指端还原蛋白与氧化蛋白光吸收率示意图手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织,其中非血液组织的光吸收量是恒定的,而在血液中,静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的,可以忽略;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射下, 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;光电式脉搏传感器的结构从光源发出的光除被手指组织吸收以外,一部分由血液漫反射返回;其余部分透射出来;光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式和反射式2种,其中透射式的发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,但不能精确测量出血液容积量的变化；反射式的发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,此信号可以精确地测得血管内容积变化;本文讨论的是透射式脉搏传感器,侧重于脉搏信号的测量;主要元器件选择和功能介绍传感器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.采用单电源供电,压电输出;输出电压随照射到光敏器件的光强度呈线性变化;可用于医疗仪器、实验室仪表、位置与接近探测、图像分析、条线码扫描器、温室的光照度控制等;OPT101型传感器内部电路结构如图4-2所示;传感器OPT101OPT101型传感器的性能、特点：1单电源供电 +~~+36V2光敏二极管的尺寸：3片内放大器反馈电阻：Rf=1MΩ4光敏二极管响应：W650nm时5响应带宽：14K HzRf=1MΩ6静态电流：120mA7 采用8引脚DIP,5引脚SIP,与8引脚图 4-2 内部电路结构表面贴装封装8工作温度：0~70℃应用片内1MΩ与3pF组成的反馈网络,即将引脚4、5连接即构成基本应用电路；这是电路的输出幅度与照射光线波长的关系如图4-3,照射光线的入射角与输出幅度的关系如图3-4所示;图 4-3 输出幅度与照射光线波长的关系图4-4 输出幅度与入射角的关系低功率运算放大器LM324LM324系列器件为价格便宜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,它们有显着的有点：该四放大器可以工作在低到伏或高到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,因而消除了在许多应用场合中采用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,~~32V 4低输入偏置电流,最大100nALM324A5每一个封装四个放大器 6内部补偿7共模范围扩展到负电源 8行业标准引脚输出9在输入端的静电放电位增加可靠性而不影响器件的工作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,与集成运放相同,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接逻辑电源,其取值决定于负载所需高电平;为了驱动TTL电路,应接+5V,此时比较器输出高电平为;引脚5为锁存控制端,当它为低电平时,锁存输出信号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部分;信号采集电路和处理电路本设计采用红色发光二极管发出的光线通过手指照射在OPT101的受光窗,当指尖的血流量随心脏跳动而改变时,从LED通过指尖到达受光窗的光线也随之改变,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,为避免烦扰信号传到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;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提供参考电压,R10为电位器,用于调节电压比较器的参考电压,以消除不同人手指的差异性;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引脚控制三个数码管进行显示,P3^2引脚用来接收已转化为方波的脉搏信号,并且带有复位开关;图5-2 单片机系统电路图单片机系统软件设计我们设计的单片机程序中,采用单片机内部定时器定时检测周期10s,在10s 过程中,P3^2引脚检测方波脉搏信号,每次高电平来临,系统进行判断：相邻两次高电平的时间差是否大于10ms,因为脉搏周期理论最大值为300ms,其中的高电平时间会更小这跟人的心跳特征有关,此判断能消除电压比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更新一次显示;工作流程图见下;图6 单片机工作流程图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十分微弱,容易受到外界环境干扰,因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析,从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰,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,下面对上述情况结合实验测量做进一步的分析;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,减少背景光的干扰;为了减少环境光对脉搏信号测量的影响,同时考虑到传感器使用的方便性,采用密封的指套式包装方式,整个外壳采用不透光的介质和颜色,尽量减小外界环境光的影响,为了避免测量过程中的二次反射光的影响,在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料,这样能有效减少二次反射光的干扰;开 始定义变量声明函数启动10s 计时启动脉搏计数两次脉冲信号的时间差是否大于10ms 脉搏计数加1否是10s 计时结束显示心率数由图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;这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响,而且能够有效减少二次反射光,使照射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,能够很好的体现出脉搏波形的特征;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,容易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离的,那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰,通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰,本系统采用了新型的光敏器件,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信号的干扰;测量过程中运动噪声在测量过程当中,通常情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个方面减少运动噪声误差：一是改善指套式传感器的机械抗运动性,比如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,现在采用的主要是第一个途径;附录一 protel原理图附录三单片机程序C语言include<>define count_M1 50000define TH_M1 65536-count_M1/256define TL_M1 65536-count_M1%256define gewei P0define shiwei P1define baiwei P2char TAB10={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98};char maibo=0;int count_T0,temp=0;void showchar,char,char;void delay10msvoid;main{ IE=0x83; //允许TF0、INT0中断IP=0x02; //设定TF0的优先级高于INT0TMOD=0x01; //设定T0为mode1TH0=TH_M1; TL0=TL_M1;TCON=0x01; //设定负边沿触发TR0=1; //开始定时while1 temp++;}void T0_10svoid interrupt 1{ TH0=TH_M1;TL0=TL_M1;char i,j,k;if++count_T0==200{ count_T0=0;i=6maibo/100;j=6maibo%100/10;k=6maibo%10showi,j,k;maibo=0;}}void INT0void interrupt 0{ iftemp>10000/3{ maibo++;temp=0 }}void showchar i,char j,char k{ baiwei=TABi;shiwei=TABj;gewei=TABk; }。
光电脉搏仪的设计
经验交流ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍＵｎｉｃａｔｉｏｎｓ《自动化技木与应用》２００８年第２７卷第８期必需采用ＲＳ一２３２／４８５转换器。
本系统使用的ＭＡＸｌ４８０Ｂ是一种完全电气隔离的Ｒｓ２３２／Ｒｓ４８５数据通信接口，在一个标准的ＤＩＰ封装中有完整的接１２１，包括收发器、光耦合器和变压器，逻辑侧的单电源＋５Ｖ给接口两侧供电。
信号与电源在内部跨过隔离层进行传送，电源通过中心抽头的变压器从隔离层的逻辑侧（：ｔｌｚ隔离侧）变换至隔离侧，信号由高速的光耦合器从隔离的一侧传至另一侧。
４软件设计在进行单片机软件程序设计时，使用Ｃ语言编写和调试。
设计过程中从以下几个方面进行考虑：（１）合理利用单片机资源，包括ＲＡＭ、定时器／计数器以及外扩资源，（２）实行结构化、模块化，各功能均由子模块实现，（３）键盘输入与显示部分的设计本着方便用户的原则，在完成某特定功能时尽可能使操作简单化【２１。
整体上软件程序主要完成信号采集运算、实时监控、显示、通信、参数设定、声光报警等功能，包括主循环程序模块、信号采集和处理模块、实时控制模块、采样模块、串行通信程序模块，键盘输入和显示输出模块、声光报警模块等。
４．１主循环程序模块单片机系统启动后，首先系统初始化，然后进入主循环程序。
在主循环程序中，系统不断对一些端１２１或标志位进行检测或判断，然后根据设定的规则进行控制。
在执行主循环程序的过程中，当出现中断，程序转入到中断处理子程序，执行完中断处理，则程序返回主循环程序；当检测某标志量的状态发生变化时，程序跳入到相应子程序，子程序执行完后，程序返回主程序继续往下执行。
主循环程序模块包括各变量初始化子程序、看门狗复位子程序和显示子程序等。
４．２采样模块进行采样时，根据选择开关选择传感器的类型，对每个传感器采样十次，平滑滤波后将实际的采样值最终作为显示和驱动用。
４．３串行通信程序模块分布式控制网络系统的核心部分就是数据通信，它的成功与否往往制约着系统的成功与失败。
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光电脉搏信号检测电路设计
生物医学工程１班－唐维－3004202327
摘要：系统采用硅光电池做为光电效应手指脉搏传感器识取脉搏信号。
信号经放大后采用低通放大器克服干扰。
关键词：脉搏测量放大器二阶低通
一、前言
脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。
随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。
利用血液是高度不透明的液体,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, 可通过传感器对脉搏信号进行检测,这种技术具有先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的发展方向。
本文将详细介绍一种光传导式的脉搏信号检测电路，并说明所涉及到的问题和方法。
二、系统设计
1 系统目标设计及意义
设计制作一个光电脉搏测试仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形，要求测量稳定、准确、性能良好。
2 设计思想
（1）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化, 而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变
的, 这样就把人体的脉搏(非电学量) 转换为相应于脉博的电信号, 方便检测。
（2）按正常人脉搏数为60~80次/min ，老人为100~150次/min ，在运动后最高跳动次数为240次/ min 设计低通放大器。
5Hz 以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方，应注意保留。
（3）测量中考虑到并要消除的干扰有：环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz 干扰。
（4）由于透过指尖射到硅光电池的光强很小，输出短路电流约为0.1uA ～3 uA ，所以总共放大106倍以便于观察。
传感器得到的脉搏信号极为微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号之中，所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。
设计两极放大，因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅，测量不准确。
每个单级放大器的放大倍数不大于30，以免自激振荡。
（5）所选的电阻参数要尽量精确， IC 选用偏置电流小、输入失调电压小的运算放大器，考虑到性价比，使用LM324。
由于硅光电池的输出短路电流受光照变化较大，使得输出变化大，所以采用12V 双电源供电。
3 整体框图
本系统共分为三个模块：
方框图中各部分的作用是：
（1）传感器：将脉搏的跳动转换为电压信号，放大104倍。
（2）一级放大电路：对微弱信号进行放大，放大约20倍
（3）二阶低通滤波电路： 滤除干扰信号并进一步放大，再放大约20倍。
4 单元电路的设计
⑴ 光电信号转换电路
图1 光电信号转换电路
如图，换能元件为硅光电池，脉搏信号的拾取实际上是光透过指尖射到硅光电池时发生相应的强度变化,从而产生硅光电池电流的微弱变化，再经过放大而得到的。
所拾取的信号为电压信号。
电路的输出为：1g Vi i R =-∙
R1过大，稳定性差，容易产生漂移误差，影响增益精度，考虑到灵敏度和线性度的协调，选R 1=22K Ω，使得输出达到mv 级。
为了抑制高频干扰和消除运放输入偏置电流的影响 ，接入电容C 1、电阻R 2和电容C 2。
电容的取值是基于脉搏信号的频率考虑的。
（2）一级反向放大电路
如图：
图2 一级放大
为了与前面匹配，并使选用器件简便，选择R 3=22K Ω，为满足放大20倍，选用R 4=500K Ω。
得理想放大倍数4
3
22.7R H R =-
=-倍 C 3用来隔直；C 4用以防止放大器自激并起到低通作用，为了不影响有用信号又能滤掉50HZ 干扰 ，C 4不能太大也不能太小，取C 4=0.01μF 将频率截止到31HZ 恰好。
（3） 后置二阶低通放大电路
图3 为二级低通放大电路。
按人体脉搏在最高跳动次数240 次/min 计算，据归一化法设计低通放大器，如图3 所示。
转折频率由R 6、C 5 、R 7 和C 6 决定，放大倍数由R 7 和R 5的比值决定，R8用来减小输入阻抗不平衡的影响。
图3二级低通放大器
二价低通滤波器的传递函数：
256
56756
756715671
()1111()()R Vo s R R R C C S Vo s S C R R R R R C C -
∙
=
++++
理想放大倍数为
7
5
22.7
R
H
R
=-=-倍。
0.707倍零频增益高频转折频率：
f H=14Hz
低频特性满足条件，不影响有用信号。
5整体电路为：
运放LM324特性
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如上图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，引脚排列见图：
特性:
双电源工作电压：±1.5V至±15V
输入偏置电压：2.0～5.0mV
输入偏置电流：2nA
共模抑制比：典型值80dB
带宽：1.3MHZ
失调电压：典型值7μA，最大值30μA
失调电流：典型值10PA，最大值200PA
总结：
整体电路仅采用一个LM324，且电阻值只用到22KΩ和500KΩ两种电阻，使设计简单，节省资源。
总的理想放大倍数为4×106，截止到14赫兹左右，基本满足脉搏信号的拾取条件。
测试报告
1、静态工作点的测量
将输入两端短路，接入工作电压，用万用表测得输出电压为390mv,低于500mv基本满足条件。
2、硅光电池特性测量
如图连接电路，用普通台灯当光源照射，
测得输出约为2V，所以硅光电池输出短路电流变化量约为1～2μA。
3、一级放大电路
图2 一级放大
用信号源输入20mv电压，并改变输入信号频率进行观察，测得数据表为：
根据观察可得在脉搏信号强的部分如5HZ时放大22倍，且截止频率在30HZ左右，与理想值基本吻合。
4、后级滤波加放大
图3二级低通放大器
用信号源输入224mv电压，并不断改变输入信号频率观察输出，测得数据表为：
据观察得截止频率在10HZ左右，且在50HZ时输出只有5HZ（脉搏信号较强时）时的大约十分之一，可见滤波效果较好。
5、脉搏信号测试
将手指紧贴硅光电池表面，用台灯照射，打开工作电源，观察示波器。
测得男生脉搏波形接近：
女生脉搏波接近：
总结：
脉搏信号的主峰频率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能观察放大器和滤波器在低频时的放大情况，使得数据有点模糊。
由于示波器为直流耦合,所以直流电平漂移很严重,这就要求受试者一定要平静,身体自然放松,使漂移降到最低程度。
光照射指尖部, 使硅光电池中心正对着微血管床。
由于放大倍数较大，入射光强不要太强，否则会使输出饱和，且不同的人脉搏波强度不同，为适应不同条件下的检测，最好的办法是把一级放大电路的反馈电阻用一个可调电阻和普通电阻串联。
本文设计的脉搏传感器目前仅能提供脉搏的振幅及频率，尚不能用于医学实践。
若对传感器采集的信号经过进一步的波形分析及借助医生的经验，可对临床诊断提供帮助。