光电脉搏测试仪方案

2015南京邮电大学大学生电子竞赛

（A题）

光电脉搏测试仪

参赛队学生：刘宗璇B14070611

摘要

脉搏在生物医学中是一项常用指标，根据人体血液的特点,血液的高度不透明性，使得光在穿透血液时与其他人体组织相比低几十倍。本题采用光容积法，利用光线照射人体组织如指尖或耳垂，制做光电脉搏探头，将透射光作为信号采集后送入信号调理电路，经过放大调理后送入微控制器进行处理计算，测量人体每分钟脉搏跳动次数，并通过外部显示器显示脉搏信号波形。

目录

一、系统总体流程 (4)

1.1系统结构 (4)

二、系统方案设计 (4)

2.1系统原理 (4)

2.2供电电源设计 (5)

2.3光电脉搏探头设计 (6)

2.3信号调理电路设计 (8)

2.4微控制器方案设计 (9)

三、程序设计流程 (9)

四、实验数据采集 (10)

五、总结 (13)

光电脉搏测试仪（A题）

一、系统总体流程

二、系统方案设计

2.1系统原理

动脉管壁随着心动周期周而复始、一起一伏的搏动，称为动脉搏动，简称脉搏。当心室收缩时，血液冲开主动脉瓣，并把血液射入主动脉中，主动脉内压突然增高，迫使血管壁迅速膨大，当心室舒张时，主动脉压降低，主动脉壁因其具有弹性而回缩，这样，动脉管壁就随心室的收缩出现周期性的起伏搏动，形成脉搏。

根据朗伯比尔( Lamber Beer) 定律, 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。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将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

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。

2.2供电电源设计

由于本系统采用了双电源供电方式时，为了给系统提供稳定的正负电压，采用MAX7660电压转换芯片转出-5V电压。

2.3光电脉搏探头设计

方案一：采用opt101光电传感芯片，通过接收指尖投射的红外光转换为电压。由于内部集成了滤波电路及运算放大器，使得输出端可以较明显的显示脉搏波形，此方案可以减轻后续信号调理电路的压力。

方案二：采用普通红外对管，红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。红外线在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。

由图可见光电接收管所感受到外界光强变化产生的电流变化十分微小，所以会对后续信号采集调理电路要求较高。

题目要求不可采用光电收发一体化芯片所以采用方案二进行脉搏信号的采集。

通过查阅资料发现，光电二极管属于高阻抗电流传感器，为了使信号易于采集，将输出信号接入一个跨阻抗放大器如图。

其直流输出电压关系为：

为了使信号不被噪声淹没，选用静态输出电流较小，低噪声放大器OPA27GP，并在输入放大器前加入一个电容来滤除一部分噪音。

图为一级放大电路

2.3信号调理电路设计

图为一级采样

为了让信号能够稳定的被微控器采到将上一级所采到的信号再次进行放大

二级放大电路

通过测量发现二级放大后输出的电压峰峰值为5v为了使ADC能够准确采样，采用反相偏置的方案，在输入端加-5V电压分压后与信号相加，将其偏置到正电压，并经分压后送入ADC。

2.4微控制器方案设计

本系统采用STM32 微控制器内部ADC进行采样，通过OLED显示屏显示脉搏波形，外部按键进行控制。

三、程序设计流程

四、实验数据采集

一级信号采集，甲脉搏

一级信号采集，乙脉搏

二级信号采集

三级信号采集

Oled波形显示

总结

通过测量发现，人体正常脉搏跳动次数为65~90次/分钟，光电管作为一种高阻抗输出微小电流的传感器，在进行信号采集时要正确使用运算放大器采用跨阻抗输出，并进行滤波。

该题难度主要体现在对微小信号的采集及ADC采样和波形显示，通过这此竞赛，使我们对运算放大器的使用方法和技巧有很大提高，意识到理论与实践之间的差别和关联。