基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计

PulseSensor史上最全脉搏心率传感器方案

【导读】PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，支持ardunio开发开源硬件！用来测试心跳速率和脉搏波形的传感器，适用于学生、艺术家、运动员、开发者、游戏或者运动终端开发人员，可以开发出和心率有关的互动产品。

方案简介：

PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。将其佩戴于手指、耳垂等处，通过导线连接可将采集到的模拟信号传输给Arduino等单片机用来转换为数字信号，再通过arduino等单片机简单计算后就可以得到心率数值，此外还可将脉搏波形通过串口上传到电脑显示波形。PulseSensor是一款开源硬件，目前国外官网上已有其对应的开源arduino程序和上位机Processing程序，其适用于心率方面的科学研究和教学演示，也非常适合用于二次开发。

方案原理：

传统的脉搏测量方法主要有三种：

一是从心电信号中提取；

二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；

三是光电容积法。

前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500nm~700nm）的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

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智能脉搏检测仪的设计

作者：宋晗哲

来源：《科学与财富》2016年第28期

摘 要：智能脉搏检测仪电路包括采集电路，低通滤波电路，放大整形电路，单片机电路和显示电路。脉搏信号需要经过采集电路转化为电信号；经过低通滤波电路，滤除夹杂在脉搏信号中的高频信号；然后经过放大电路进行放大，整形电路进行整形，最后连接到STC89C52芯片的IO接口，由数码显示器接收并输出数据。本检测仪制作完成后，经过测试，能够检测出脉搏，并且工作状态稳定，具有巨大的应用价值和广泛的应用前景。

关键词：光电式传感器；STC89C52芯片；脉搏；检测

社会快节奏的生活，是心脏病的发病率逐渐上升的重要原因，很多的心脏病人突发心脏病而来不及求救导致死亡，可知心脏病已经是非常严重的健康问题。心脏病死亡原因主要是没有及时发现身体指标的变化，如果可以研究出随时可以检测身体指标的仪器，就可以有效防止这种惨剧的发生。我们知道，脉搏是携带生理信息的，随时检测脉搏就可以随时检测自己身体的指标。智能脉搏检测仪智能之处是采取借助光电式传感器的方法，采集信号过程比较方便，采集时间从一分钟减少到十秒钟，从而可以缩小检测过程的误差，提高检测脉搏的精确和速度。现如今智能脉搏检测仪在医疗市场占据了不可或缺的位置，具有很高的医学价值。本次智能脉搏检测仪的设计，提出设计思路，完成电路设计，焊接实物，研究和分析其优劣之处，取长补短，制作出一个真正利民的智能脉搏检测仪。

1 设计方案

如图1所示，智能脉搏检测仪的设计电路包括信号采集电路，低通滤波电路，放大整形电路，单片机电路和数码显示电路。

信号采集电路把脉搏信号转化成电信号，脉搏信号能量的变化产生电动势，低通滤波电路把脉搏信号携带的高频信号滤除，输出后的电信号比较微弱，不是稳定规律的脉冲信号，需要对其放大整形，信号经过放大整形电路得出幅度较高的输出信号，并且脉冲信号比较规律、完整和稳定，信号经过一些列电路后连接到STC89C52芯片的IO接口，STC89C52芯片接外部晶振可以实现定时功能，利用单片机时钟进行计数，随即数码显示器接收并读出数据。

电子脉搏计的设计

设计目的：设计一个脉搏计，要求实现在15s内测量lmin的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60~80次／min，婴儿为90～100次／min，老人为100～150次/min。

总体方案：

1、课题分析 电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏)，它的基本功能应该是：

①用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波。

②在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。

2、选择总体方案

如下图所示，图中各部分的作用如下：

1)传感器 将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。

2)放大、滤波、整形 电路将传感器的微弱信号放大，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，整形除传感器 放大与整形 倍频器

基准时间产生电路 控制电路 计数译码显示

图1 脉搏计方案 去杂散信号。

3)倍频器 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。

4)基准时间产生电路 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。

5)控制电路 用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

6)计数、译码、显示电路 用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。

3．单元电路的设计：

1． 传感器 传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号。

2. 放大电路 由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，采用两个同相比例放大器，分别放大10倍。电路图及元件参数如下所示。

3. 滤波电路 采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图3所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大。考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为1kHz左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。

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智能人体心率检测装置的设计

作者：孙 亮 胡 泽 李 丹

来源：《现代电子技术》2009年第02期

摘 要：介绍一种以AT89C2051为控制核心的智能人体心率检测装置的设计方法。利用光电传感器采集人体脉搏信号，经过前置级放大、滤波、积分比较等信号处理电路，将其转换成脉冲电压信号，再利用单片机对脉冲信号进行处理计算出心率并显示。由于传感器信号十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围，且夹杂着各种噪声和干扰，因此要求前置级放大电路具有高增益、高共模抑制比等技术指标。实验结果表明，系统硬件、软件设计方案合理，实现了微小信号放大、显示及报警功能。具有测量灵敏度高、实时性好、性价比高等优点。

关键词：心率；光电转换；前置级放大；噪声分析

中图分类号：TN98,TP368.1文献标识码：B

文章编号：1004 373X(2009)02 164 03

Design of Intelligent Heart－rate Measuring Instrument

SUN Liang,HU Ze,LI Dan

(Southwest Petroleum University,Chengdu,610500,China)

Abstract：The design method of intelligent heart－rate measuring instrument based on

AT89C2051 is introduced.The pulse is collected by photoelectric－sensor,and it is converted into

pulse voltage signal through the signal processing circuits of pre－amplifying,LPF,integral