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心率变异性检测的设备和最新技术心率变异性（HRV）是指心率在时间上的变化，它可以提供关于自主神经系统活动和心血管健康的重要信息。
近年来，HRV检测已成为评估身体健康状况的重要工具，被广泛应用于健康管理、运动训练、心理疾病治疗等领域。
本文将介绍一些常用的HRV检测设备和一些最新的HRV技术。
1. HRV检测设备1.1 心率带心率带是最常见的HRV检测设备之一，它通常由一个带状传感器和一个可以记录和处理数据的设备组成。
传感器通常被佩戴在胸部，在运动过程中可以实时监测心率，并记录下来以供后续分析。
1.2 光电式心率监测仪光电式心率监测仪使用光传感技术，通过皮肤上的血流变化来检测心率。
它通常以手环或手表的形式出现，非常方便佩戴。
光电式心率监测仪在日常生活中广泛使用，可以实时监测心率，并提供心率变异性的数据。
1.3 心电图心电图（ECG）是一种通过记录心脏电信号来检测心率和心律的方法。
ECG通常通过在胸部、手臂或腿部等位置贴上电极来实现。
尽管ECG检测需要更多的设备和技术支持，但它提供了更准确和详细的心率变异性数据。
2. HRV检测技术2.1 频域分析频域分析是目前最常用的HRV分析方法之一，它通过将心率变化信号转换成频谱形式来研究心率变异性。
频域分析可以提供心率波动在不同频率范围内的分布情况，从而了解自主神经系统的活动情况。
2.2 时域分析时域分析是通过对心率变化信号的统计特征进行分析来评估心率变异性。
常见的时域分析指标包括均值、标准差、RMSSD（相邻R-R间期差的均方根值）等。
时域分析方法简单易懂，适用于普通用户。
2.3 非线性分析非线性分析是HRV研究中较新的方法之一，它研究的是心率变异性信号中的非线性特征。
常用的非线性分析方法包括Poincaré图、分形分析等。
非线性分析可以提供更多关于心率变异性的信息，可以用于评估自主神经系统的功能状态。
2.4 心脏负荷分析心脏负荷分析是一种通过评估心脏在不同负荷下的应变情况来评估HRV的方法。
光电监测心率方案1. 引言光电监测心率是一种非侵入式的监测心率的方法，通过使用光电传感器来检测心率的变化。
本文将介绍光电监测心率的原理、应用场景、硬件和软件方案，以及相关的优缺点和注意事项。
2. 原理光电监测心率的原理基于反射式光电技术。
通过一个发光二极管（LED）发出红外光或绿色光，血液中的红色血红蛋白能够吸收这些光线，而血液中的脉搏会导致血液的流动和光线的吸收程度发生变化。
光电传感器接收到反射回来的光线，并通过计算光线的变化来获取心率数据。
3. 应用场景光电监测心率方案广泛应用于健康监测设备和运动追踪设备中。
以下是一些常见的应用场景：•智能手环和智能手表：通过佩戴在手腕上的设备，可以实时监测用户的心率，并提供健康报告和提醒功能。
•运动耳机：通过在耳机上集成光电传感器，可以在运动过程中监测用户的心率，为用户提供运动数据和健身建议。
•医疗设备：光电监测心率方案也可以应用于一些医疗设备中，用于监测和记录患者的心率变化。
4. 硬件方案4.1 发光二极管（LED）选择合适的发光二极管是设计光电监测心率方案的重要一环。
常见的有红外光LED和绿色光LED两种选择。
红外光LED对肤色的影响较小，适用于长时间佩戴，但对环境光的影响较大。
绿色光LED的环境光干扰较小，但对皮肤过敏较敏感的人可能产生不适。
4.2 光电传感器光电传感器用于接收反射回来的光线，并将其转换为电信号。
常见的光电传感器有光电二极管（Photodiode）和光电三极管（Phototransistor）。
光电二极管具有较高的灵敏度和响应速度，适用于高精度的心率监测。
光电三极管灵敏度较低，但成本更低。
4.3 信号处理器信号处理器主要用于对光电传感器的信号进行滤波、放大等处理，以提取出准确的心率数据。
常见的信号处理器包括专用的心率处理芯片和通用的微控制器（MCU）。
4.4 供电和通信模块光电监测心率方案通常需要电池供电，并通过蓝牙、无线电频率等模块与手机或其他设备进行通信。
智能手表心率监测原理介绍智能手表作为一种结合电子技术和时尚的智能设备，其内置的心率监测功能在现代生活中扮演着越来越重要的角色。
本文将介绍智能手表的心率监测原理，以帮助读者更好地理解和使用这一功能。
一、光电式心率监测技术智能手表的心率监测通常采用光电式心率监测技术。
这种技术基于人体皮肤和血液对光的反射和吸收特性，通过红外光和可见光的发射和接收来检测心率。
具体来说，智能手表通过内置的LED灯发射绿光和红光，然后通过光敏元件接收被皮肤和血液反射的光线。
通过对反射光的分析，智能手表可以计算出心率数据。
二、心率数据的处理和分析智能手表获得的心率数据需要进行进一步的处理和分析，以提供准确的心率监测结果。
首先，智能手表将原始的光信号转换为数字信号，并进行滤波处理，以去除噪声和干扰。
然后，手表使用相应的算法对信号进行处理，以获得心率数据。
这些算法通常基于机器学习和人工智能技术，能够识别心脏的搏动和血液流动的模式，从而准确地计算心率。
三、智能手表心率监测的优势和应用场景智能手表的心率监测功能具有诸多优势，使其在健康管理和运动监测等领域得到广泛应用。
首先，智能手表的心率监测非侵入性，不需要使用胸带等外部设备，方便用户使用。
其次，智能手表可以实时监测心率，用户可以随时了解自己的心率情况，并据此进行相应的调整和干预。
此外，智能手表还可以记录用户的心率变化，通过数据分析提供更加详细的健康报告和建议。
在运动领域，智能手表的心率监测功能可以帮助用户了解自己在运动过程中的心率情况，避免运动过度带来的身体损伤。
同时，智能手表还可以提供心率区间的参考值，帮助用户进行有针对性的训练，提高运动效果。
决策者和研究人员也可以利用智能手表的心率监测数据来分析人群的心率变化情况，进行更加精准和深入的研究。
例如，可以通过智能手表的心率监测数据来分析社交活动、工作压力等因素对个体心率的影响，为健康管理和心理健康提供科学的依据。
总结：智能手表的心率监测原理基于光电式心率监测技术，通过测量皮肤和血液对光的反射和吸收特性计算心率。
光电脉搏测量仪设计报告一、设计意义从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临Array床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。
目前医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。
为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高，因此，需要有使用更加方便，测量精度更高的设备。
二、关键技术脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题, 本文设计的脉搏波检测系统以光电检测技术为基础，并采用了脉冲振幅光调制技术消除周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。
并利用过采样技术和数字滤波等数字信号处理方法，代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能。
本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。
本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC机)的实时通讯, 因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示。
三、硬件设计3.1 设计框图光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。
本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等部分。
脉搏测量仪硬件框图如图1所示。
当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。
由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。
该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。
单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。
3.2脉搏信号采集与放大整形目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。
光电心率原理光电心率监测技术是一种通过光电传感器来监测人体心率的技术。
它利用光电传感器对皮肤微血管的血流情况进行监测，从而得出心率数据。
这种技术已经被广泛运用在各类智能手环、智能手表等可穿戴设备上，成为了现代健康管理的重要工具之一。
在光电心率监测技术中，光电传感器发射出的光线会穿透皮肤，并被微血管所吸收。
由于心跳会导致微血管的血流量发生变化，因此光电传感器接收到的光线强度也会随之发生变化。
通过对这种光线强度的变化进行监测和分析，就可以得出人体的心率数据。
光电心率监测技术的原理主要包括两个方面，光的吸收和光的散射。
在皮肤组织中，血液对不同波长的光有不同的吸收能力，因此可以通过测量不同波长光线的吸收情况来得出血液的含氧量，从而间接得出心率数据。
另一方面，当心跳导致微血管的血流量发生变化时，会导致皮肤组织对光的散射情况也发生变化，通过监测这种光线散射的变化，同样可以得出心率数据。
光电心率监测技术相比传统的心率监测方式具有许多优势。
首先，它不需要使用传统心率带那样需要紧贴皮肤并且容易滑落的设备，而是通过佩戴在手腕上的设备就可以实现心率监测，使用起来更加方便。
其次，光电心率监测技术可以实现24小时不间断的心率监测，能够更加全面地了解个体的心率变化情况。
此外，光电心率监测技术还可以实现对运动中的心率变化进行实时监测，能够更好地指导运动健身。
然而，光电心率监测技术也存在一些局限性。
首先，由于光线的穿透深度和血管的深度有限，因此在某些情况下可能无法准确监测到心率数据，例如在手部运动时。
其次，光电心率监测技术对设备本身的精度要求较高，需要保证光电传感器的稳定性和准确性，这也增加了设备的制造成本。
总的来说，光电心率监测技术作为一种新型的心率监测技术，具有许多优势和潜力。
随着科技的不断进步和人们对健康管理的重视程度的提高，相信光电心率监测技术将会在未来得到更广泛的应用和发展。
心率传感器原理
心率传感器是一种能够测量人体心率的设备，其原理是利用光电测量技术。
该传感器通常由一个发光二极管和一个光敏二极管组成。
在使用心率传感器时，发光二极管会发出特定波长的光，通常是红光。
这些光会透过皮肤，并被血液所吸收。
在血液中，光会被血红蛋白吸收，而未被吸收的光则会被散射回传感器。
光敏二极管接收到反射回来的光，并将其转化为电信号。
这个电信号的大小与血液中的血红蛋白吸收光的量成正比。
由于心跳会导致血液流动的变化，血红蛋白吸收光的量也会变化。
因此，心率传感器可以通过检测光敏二极管接收到的光的强度变化来测量心率。
测量心率的过程通常包括两步：信号放大和信号处理。
在信号放大阶段，心率传感器会将光敏二极管接收到的微弱电信号放大，以增强其检测灵敏度。
在信号处理阶段，心率传感器会对放大后的电信号进行滤波和去噪处理，以获得更准确的心率数据。
心率传感器通常与智能手表、健康手环等设备结合使用，通过收集和分析心率数据来提供用户的健康指标和运动状态。
此外，心率传感器还广泛应用于医疗领域，如心电图监测、运动心电图检查等。
光电心率表原理
光电心率表是一种利用光电原理测量人体心率的设备。
其基本原理是通过LED发出的光线照射皮肤后，光线被皮肤吸收，导致皮肤反射出红外线，光电心率表则利用接收器接收到的反射光线计算心率。
光电心率表原理分为以下几步：
1. LED发出红外线：光电心率表内部设有一颗LED灯，它能够发出红外线。
当LED灯点亮时，会发出一束红外线。
2. 光线被皮肤吸收：LED发出的红外线照射到皮肤上时，红外线被皮肤吸收，一部分通过皮肤反射出来。
3. 反射光线被接收器接收：光电心率表内部设有一个接收器，能够接收到反射的光线。
接收器会不断接收反射的红外线，并将红外线转化为电信号。
4. 电信号转化成数字信号：接收器接收到的电信号会被光电心率表的处理器处理，将其转化为数字信号，这样得到的信号才能被计算机处理。
5. 计算器计算心率：通过数字信号，计算机能够通过算法计算出人体的心率。
通常计算出的心率会以每分钟的次数呈现在光电心率表的显示屏上。
光电心率表的原理简单，但其测量精度较高，所以在运动员训练、医疗健康等领域应用广泛。
值得一提的是，近年来智能手环、智能手表等设备中也应用了光电心率表的原理，成为了具有多项功能的智能穿戴设备。
附录附录一：电路图附录二：PCB图附录三：主要程序#include "STC89.h"#include <intrins.h>#include <stdlib.h>//*******宏定义****************************#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit Key_A = P1^0;sbit Key_B = P1^1;sbit Key_C = P1^2;sbit Key_M = P1^3;sbit Beep = P0^0;sbit SEG1 = P0^6;sbit SEG2 = P0^5;sbit SEG3 = P0^4;sbit SEG4 = P0^7;//*******变量定义************************************************ uchar code table[]={0x05,0xDD,0x46,0x54,0x9C,0x34,0x24,0x5D,0x04,0x14}; uchar Heart_Rate1[]={0,0,0};//甲的心率uchar Heart_Rate2[]={0,0,0};//乙的心率uchar Heart_Rate3[]={0,0,0};//丙的心率uchar Heart_Rate_Temp[] = {0,0,0,0,0};uchar Heart_Rate_Temp2[] = {0,0,0,0,0};uchar Heart_count = 0;uchar Heart_Current = 0;uchar Heart_Save = 0;uchar Heart_High;uchar Heart_Low;uint Ms_5count;uint Ms_5count_temp;uint Ms_5count_old;uchar Error_count = 0;uchar Error_count2 = 0;uchar Disp_wei_count;uchar Disp_Buf;uchar Status;uchar Status_temp;uchar Record;uchar Times_Count;bit Flag_Disp_en = 0;bit Flag_Count = 0;bit Flag_Save = 0;//*******函数声明************************************************ void init(void);void delay(uint z);void display(uchar disdata);void Key_Scan(void);void BEEP(void);void Auto_Save(void);uchar Isp_Read(uint addr);void Isp_Write(uint addr,uchar Data);void Isp_Erase(uint addr);void Isp_Idle();//*******主函数*************************************************** void main(){init();Flag_Disp_en = 1;Heart_High = Isp_Read(0x2600);Heart_Low = Isp_Read(0x2800);while(1){Key_Scan();//按键扫描//计算及处理采集回来的5次心率if(Flag_Count){uchar ii,jj;uint temp;Flag_Count = 0;//用冒泡排序法，将采集回来的5次数据从小到大排序for(ii = 0;ii<4;ii++){for(jj = 0;jj<4;jj++){if(Heart_Rate_Temp[jj]>Heart_Rate_Temp[jj+1]){temp = Heart_Rate_Temp[jj];Heart_Rate_Temp[jj] = Heart_Rate_Temp[jj+1];Heart_Rate_Temp[jj+1] = temp;}}}temp = 0;ii = 0;jj = 0;//去掉首尾两个数据，取中间三个数据的平均值for(ii = 1;ii<3;ii++){if(Heart_Rate_Temp[ii] > 0){temp = temp + Heart_Rate_Temp[ii];jj++;}}Heart_Current = temp/jj; //取平均值//判断是否超出了范围，如果超出了，打开蜂鸣器，否则关闭if(Heart_Current>Heart_High || Heart_Current<Heart_Low) {Error_count2++;if(Error_count2>3){Error_count2 = 0;Beep = 0;}}else{Error_count2 = 0;Beep = 1;}//自动记录数据Times_Count++;if(Times_Count>4)Times_Count = 0;Heart_Rate_Temp2[Times_Count] = Heart_Current;if(Times_Count == 4){uchar xx,yy;uint temp2;for(xx = 0;xx<4;xx++){for(yy = 0; yy<4; yy++){if(Heart_Rate_Temp2[yy]>Heart_Rate_Temp2[yy+1]){temp2 = Heart_Rate_Temp2[yy];Heart_Rate_Temp2[yy] = Heart_Rate_Temp2[yy+1];Heart_Rate_Temp2[yy+1] = temp2;}}}temp2 = 0;xx = 0;yy = 0;//去掉首尾两个数据，取中间三个数据的平均值for(xx = 1;xx<3;xx++){if(Heart_Rate_Temp2[xx] > 0){temp2 = temp2 + Heart_Rate_Temp2[xx];yy++;}}Heart_Save = temp2/yy;Flag_Save = 1;}}//保存时的处理if(Flag_Save){BEEP();Flag_Disp_en = 0;Auto_Save();delay(500);Flag_Disp_en = 1;BEEP();delay(600);Flag_Disp_en = 0;delay(600);Flag_Disp_en = 1;BEEP();delay(600);Flag_Disp_en = 0;delay(600);Flag_Disp_en = 1;BEEP();delay(600);Flag_Disp_en = 0;delay(600);Flag_Disp_en = 1;BEEP();delay(800);Record++;Heart_Current = 0;Status = 0;Flag_Save = 0;Ms_5count = 0;EX0 = 1;TR0 = 1;}//显示处理部分switch(Status){case 0: Disp_Buf = Heart_Current ; //显示当前的心率break;case 1: Disp_Buf = Heart_Rate1[Record]; //显示甲的心率break;case 2: Disp_Buf = Heart_Rate2[Record]; //显示乙的心率break;case 3: Disp_Buf = Heart_Rate3[Record]; //显示丙的心率break;case 4: Disp_Buf = Heart_High; //显示上限break;case 5: Disp_Buf = Heart_Low; //显示下限break;default:break;}}}。
心率测准仪的原理是心率测准仪是用于测量人体心率的仪器。
它的原理是基于心脏收缩和舒张时血液通过动脉的脉冲波动。
传统的心率测准仪是通过将传感器放置在人体皮肤上，以检测心脏收缩和舒张时动脉血流量的变化。
这些传感器通常使用光电传感器、压力传感器或电容传感器等。
光电传感器通过照射皮肤并测量反射的光线，来检测血液脉冲引起的皮肤血色素的变化。
压力传感器则通过测量动脉血流量对皮肤施加的压力来检测心脏的搏动。
电容传感器则测量皮肤上动脉脉冲引起的电容变化。
传感器将收集到的信号转换成电子信号，并通过信号处理和滤波来提取心脏搏动的频率。
常见的信号处理方法包括滤波、放大、数字化等。
滤波器能够滤除噪声和其他干扰信号，从而提取出心脏搏动的真实信号。
放大器将这个信号放大到适合测量和处理的范围。
数字化则将信号转换成数字形式，以便进一步的处理和显示。
为了得到可靠和准确的心率测量结果，心率测准仪通常需要消除来自外界的干扰。
一种常见的方法是使用滑动平均滤波器，平滑和去除测量信号中的高频噪声。
另外，一些心率测准仪还会采用运动补偿技术，以消除由于身体运动引起的测量误差。
现代心率测准仪通常与智能手机或其他移动设备配合使用。
通过传感器将测量到的心率数据传输到移动设备上，并通过应用程序进行处理和显示。
这样，用户可以实时监测自己的心率，并在需要时采取相应的行动。
综上所述，心率测准仪通过检测心脏搏动时动脉血流量的变化来测量心率。
它利用各种传感器和信号处理技术，确保测量结果准确可靠。
心率测准仪的发展为人们提供了一种方便、非侵入性的心率监测方法。
它在医疗、健身和日常生活中都有广泛的应用。
光电式指脉搏波心率检测仪实验报告一．实验目的①掌握光电法脉搏信号检测、心律检测显示原理，电路设计、制作、调试方法；②初步掌握电子电路读图、分析方法；③初步掌握电子电路设计、计算方法；④掌握电子电路连接、焊接、制作、调试技术；⑤掌握常用电子元器件的辨识、参数、使用注意事项；⑥初步了解电路的实验板电路制作和PCB板设计制作；⑦掌握电路制作常用工具及其使用。
二．实验器材电路板，各种电子元器件，电焊笔，焊锡丝，焊铁架，尖嘴钳，剥线钳，铜丝，镊子，十字螺丝刀，一字螺丝刀等三．实验原理人体手指末端微血管随动脉搏动发生容积变化，若用一束光透过指端的血管其输出光强也将随之变化；利用光敏元件可将光信号转换成电信号输出,即可获得指端容积脉搏波信号。
光电传感器根据其接收光的方向又分为反射式和透射式，透射式的光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，从光源发出的光穿过皮肤进入深层组织，除被皮肤、色素、指甲、血液等吸收外，一部分被血液漫反射，其余则透射出来，这种方法可较好地指示心律的时间关系，并可用于脉搏测量，但不利于精确度量容积；反射式的测量原理与透射式的基本相同，所不同的是探测头中的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是漫反射回来的光，此信号可精确地测得血管内容积变化。
四．实验电路图1.信号检测电路包括光电转换电路、滤波放大电路、以及滞回比较器电路。
如图1。
图1 信号检测电路1.1光电转换电路光电转换电路由光电传感器、1R 、2R 、4R 组成，1R 的作用是限流，提供光电转换器中发光二极管稳定的正向电流，使发光二极管发出稳定的光，光电三极管受到发光二极管的光照后，产生光电流，2R 的作用是分压，4R 的作用是将光电转化后的电流变化转化为电压的变化，便于进行进一步处理。
1.2前级放大由R 3、R 5、R 6以及N 1构成同相比例运算放大电路，此时测量N 1的输入电压及4R 的端电压约为0.1V （该电压因传感器的灵敏度不同稍有变化）。
目录1 技术指标 (1)2 基本原理 (1)3 方案论证 (2)3.1 光电传感探头的选择 (3)3.2 传感器驱动电路方案 (3)3.3 电源供电及运放工作方式 (3)3.4 模拟到数字转换电路 (3)4 硬件电路设计 (4)4.1 红外发射管驱动电路 (4)4.2 红外接收管电路 (4)4.3 信号调理电路 (5)4.4 模拟—数字信号转换电路 (6)4.5 电源电路 (6)4.6 单片机最小系统 (7)4.7 人机交互部分 (7)5 软件设计 (8)6 测试报告 (8)7 结论 (10)8 心得体会 (10)9 参考文献 (11)10 附录 (11)摘要：心率是反映人体健康状况的一种重要参数。
本文介绍了一种以C8051F310单片机为核心的人体心率测试装置。
系统采用反射式光电传感器ST168感应人体的心率信号，经过放大、滤波、施密特触发等电路，将其转换为脉冲电压信号，再利用单片机对脉冲信号计数、处理并显示。
实验证明，本装置具有信噪比高、精确、低成本等特点，完成了微弱信号放大，并有显示、报警等功能，具备良好的实际应用价值。
关键字：心率测试 ST168 小信号放大 C8051F3101 技术指标①自制的光电传感头灵敏度高，信号峰峰值最高可达100mV。
②光电传感头只要按要求放好即可开始测量，不需要多次调整。
③信号调理电路的同频带为0.16Hz到6.6Hz，增益可达1000以上。
④以最少数量的的芯片、最低的成本为设计准则。
⑤外接9V电源适配器，硬件电路稳定可靠，可以长时间工作。
⑥采用算法对采集到的心率信号进行优化，并能够实时测量。
⑦具备模式控制、显示、报警功能。
2 基本原理据朗伯比尔（Lamber 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将在一定程度上反映出被照射部位组织的结构特征。
心率和脉搏是同步的，故测量人体心率即测量脉搏。
脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量较高, 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。
手指光吸收量变化如图1所示。
图1 手指光吸收量变化示意图在血液中, 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, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。
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，故光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式两种, 如图2所示。
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率的时间关系；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，也可以反映出光强与心率的对应关系。
本装置采用的是反射式红外光电传感器ST168，它集成了一个红外发射管和一个红外接收管，使用十分方便。
图2 透射式光电传感器和反射式光电传感器3 方案论证系统整体方案如图3所示。
红外发射红外接收放大、滤波电路模拟到数字脉冲转换MCU输入显示、报警电路图3 系统整体结构如图3所示，红外接收为反射式接收法，接收到的信号比较微弱，且包含较广的频谱分量，故要经过放大、滤波电路进行信号调理，然后将模拟信号转换为数字脉冲信号，微处理器采集脉冲信号并对心率信号进行算法处理，然后实时显示出来，以下为系统中几个部分的方案论证。
3.1 光电传感探头的选择方案一：使用红外对管，此方法为透射式传感。
红外对管的发射管和接收管光谱响应范围一致，故光电转换效率高。
但是两个分离的管子在安装时比较困难，可能会因为探头的安装稳定性问题影响测量结果；同时，透射式传感接收到的光信号非常微弱，对后级的小信号放大电路要求很高。
方案二：使用集成光敏器件OPT101。
OPT101在芯片内部集成了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，输出的光强具有良好的线性关系，可以大大简化后级放大电路的设计，但是成本比较高，官方报价为3美元。
方案三：使用反射式光电传感器ST168。
ST168集成了一个红外发射管和接收管，二者的光谱响应匹配，光电转换效率高，可以方便地用于反射式测量，而且反射式感应到的光强比透射式更大，简化放大电路设计。
此外，ST168成本低，安装固定较为方便，故采用此种方案。
3.2 传感器驱动电路方案这里主要针对发射管驱动电路。
发射管的电路模型和LED类似，即光强和通过的电流成正比，有以下两种方案。
方案一：采用电源、电阻、发射管串联的电路。
这种电路结构简单，通过发射管的电流主要由限流电阻决定。
但是电源的波动以及温度引起的发射管压降变化会改变通过发射管的电流，从而导致红外光源的光强波动，进而引起接收的信号波动，影响测量结果。
方案二：利用三极管、稳压源组成红外发射管恒流驱动电路。
此种方案稳定了发射管中的电流，从而减弱了光源波动，提高了接收信号的稳定性。
因此采用这种方案。
3.3 电源供电及运放工作方式方案一：采用+5V、-5V供电。
这种情况下，运算放大器可以在正负电源下供电，工作的线性度好，电路更容易设计。
同时，也只需使用一个线性稳压器来给在3.3V工作的单片机供电，简化设计。
但是，正负供电需要专业的电源如稳压电源、开关电源模块，市面上一般的电源适配器无法完成，这就无疑增加了电源的成本，故不采用此方案。
方案二：采用+5V供电。
+5V的电源适配器很常见，成本低，也只需使用一个稳压器来给在3.3V工作的单片机供电。
但是，运算放大器要能够较好地线性工作，需要实现“虚拟地“+2.5V，这样“信号轨”很小，小于2.5V，必须使用成本相对较高的低电压工作、“轨到轨”输出运算放大器，增加了电路设计的成本和难度，故不采用此方案。
方案三：采用+9V供电。
+9V的电源适配器也比较常见，但是需要采用线性稳压器提供+5V、+3.3V的电源，分别为显示部分、单片机供电。
此时，“虚拟地”为+4.5V，“信号轨”可达到的范围也更大，可以使用普通的通用型运放LM324来完成，简化了信号调理电路的难度。
综合优缺点，采用此方案。
3.4 模拟到数字转换电路经过调理后的信号仍为模拟信号，而单片机只能处理数字信号，故需要设计模拟到数字转换电路，有以下三种方案。
方案一：将通过调理后的信号通过AD 转换后，单片机处理数字信号来对心率进行计数。
由于只需要知道信号的频率，不需要信号更多的信息，采用AD 转换有些“大材小用”，增加了软件的复杂度，故不采用此方案。
方案二：通过比较器LM393将模拟信号转换为脉冲信号（9V ）,再通过电阻分压将其转换为3.3V 的脉冲，接到单片机的引脚。
此方案需要多使用一块芯片LM393，同时电阻分压式的电平转换也不稳定，故不采用此方案。
方案三：由于LM324有四路运算放大器，信号调理使用了三路，可将最后一路运放设计为施密特触发器，将脉冲信号转换为脉冲信号（9V ）。
电平转换采用三极管的开关电路，增加了电路的稳定性，故采用此方案。
4 硬件电路设计4.1 红外发射管驱动电路如方案3.2所示，采用恒流源驱动方式，可以减小光源的波动，如图4所示。
图4 红外发射管驱动电路如图4，D1为ST168的发射管部分，DZ 为的稳压管，故通过发射管的电流为1R V V I BE Z D -=，Z V 为稳压管电压，BE V 为三极管b 、e 极压降。
取V V Z 3.3=，V V BE 7.0=，Ω=821R ，故mA I D 32=，小于ST168发射管的最大电流50mA ，可使红外光源的光强稳定，减小背景噪声。
4.2 红外接收管电路红外接收管实现了光—电信号的转换，电路如图5所示。
图5 红外接收电路由于光电三极管为电流型器件，故接收电路采用图5中这种简单的电流—电压转换电路，注意R2的取值一定要恰当，过大会使电路工作非线性，过小则检测到的信号幅值过小，这里取47。
k将传感器ST168、红外发射电路、接收电路以及相应的机械夹持装置制作成光电探头，而将系统的其他部分设计在另一块电路板上，这样更容易使用且便于扩展。
但由于接收电路输出的电压幅值很小，很容易受到空间电磁辐射的干扰，故探头和电路板之间应采用屏蔽线相连接。
4.3 信号调理电路此部分电路的功能是抑制信号中的直流分量和高频噪声，并实现小信号放大。
由生活常识可知，正常人的心率范围为60至200，换成频率即1Hz至3.4Hz，也就是有用信号的通频带。
对于此频带以外的信号，均为噪声，要将其抑制。
对于低频噪声，主要是信号中的直流分量，而高频噪声则有热噪声、电流噪声（在低频电路中比较明显）、50Hz工频干扰等。
电路如图6、图7所示。
图6 “虚地”电路图7 信号调理电路图6为信号调理电路提供了“虚拟地”——4.5V，使得运算放大器工作在双电源模式下，具有更好的线性度，也能更好地抑制直流分量，实现交流放大。
图6中采用低成本的通用型运放uA741，该运放在低频的性能非常优良。
C1、C20的作用是提高“虚拟地”的稳定性。
图7为信号调理电路，使用的运算放大器为LM324，LM324为四路运放，此电路中为前三路。
图中可知，信号输入以及前后级运放电路的耦合均采用交流耦合，如C2、R3所示，可计算出电路的下限频率为Hz C R f 16.02123211==∙=ππ，通过此设计来抑制信号中的直流分量以及运放的失调电压引起的直流偏置（实测发现在较大增益时，LM324的输出的直流偏置较大）。
低通滤波采用最基本的RC滤波器，如R5和C3、R11和C5，电路的上限频率Hz C R f 6.6048.0135212==∙=ππ。
此电路实现了1600倍的放大，而且可以通过改变电阻阻值来调节增益，具有很好的灵活性。
4.4 模拟—数字信号转换电路单片机只能对数字脉冲信号进行计数，故需要将模拟的心率信号转换为脉冲信号，电路如图8所示。
图8 模拟—数字信号转换电路运放LM324的第四路及R12、R13组成了施密特触发器电路。
可知施密特触发器的下门限电压为V V V R R R V T 35.4501001005.4_131213=∙+=+=-，上门限电压为V V V V VCC R R R V R R R V T 6950100505.4501001009_1312125.4_131213=∙++∙+=+++=+。
通过施密特触发器后，模拟信号变为9V 的脉冲电压信号，但此信号电平过高，是无法直接连入单片机的，故通过Q5组成的三极管反相器电路完成电平转换，这样接到P1.0管脚的数字信号电平就为3.3V 了。
