1、 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 组织光的吸收量是恒定的。在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血来说十分微弱， 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搏动引起，那么在恒 定波长的光照下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的心率信号。 光电传感器的结构 传感器由红外发光二级管和接收三极管组成。采用红外发光二极管作为 光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的心率波曲线的漂移。红外接收三极管在红 外光照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，红外 接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。 从光源发出的光除了被手指组织吸收以外，部分由血液漫反射返回，其余部 分透射出来。。
2、红外接收三极管 输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。只要把此电信号转换成脉冲并进 行整形计数和显示，即可实时的测出心脏跳动的次数。 信号取样电路 硬件电路中，关键部分在于心率信号的检测。系统采用红色发光二极管和硫 化镉光敏电阻组成透射遮光指套式光电传感器。红色发光二极管稳定性好，遮光 指套式的装置减少了外界光的干扰，只需将待测手指插入，便可进行测量测试 时，被测手指正好处在发光二极管和光敏电阻之间，这样来，光敏电阻的阻值 便将随着手指的血容量的变化而变化。 心率信号取样电路如图所示，是红外发射和接收装置，由于红外发射 二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对阻值 的选取要求较高。选择同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度 考虑的。过大，通过红外发射二极管的电流偏。
3、准的要求，我 们最终选择了比较普遍的单片机来实现系统设计。 简介 是美国公司生产的低电压高性能位单片机，片 内含可反复擦写的只读程序存储器和随机存取数据存 储器，器件采用公司高密度非易失性存储技术生产，兼容 指令系统，片内置通用位中央处理器和存储单元，功能强大。 的特点 与产品指令系统完全兼容 次擦写周期 全静态操作 三级加密程序存储器 字节的内部 个可编程口线 个位定时计数器 个中断源 可编程串行通道 的结构 此次设计所使用的的封装形式是。如图所示。 图的封装形式 引脚功能 电源电压 接地 口口是组位漏极开路型双向口，也是地址数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流方式驱动个逻辑门电路，对端口写 可作为高阻抗的输入端。 振荡器反相放大器的输出端。 心。
4、光电式心率传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式两种。 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，这种方法可较 好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器,实 现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。结构如图所示。 图透射式光电传感器 光电传感器检测原理 随着心脏的跳动，人体组织半透明度随之改变当血液送到人体组织时，组 织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大这种现象在人体组 织较薄的手指尖耳垂等部位最明显。因此本设计将红外发光二极管产生的红 外线照射到人体手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏 三管来接收其透射光并转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期 性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动,于。
5、较多，指夹常年使用，污渍会使测量灵敏度下降耳脉 测量比较干净，传感器使用环境污染少，易维护，但耳脉较弱，尤其是当季节变 化时，所测信号易受环境温度影响，造成测量结果不准确。过去在医院临床监 护和中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成心率的 测量，但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要 个加压和减压的过程，存在体积庞大加减压过程造成不适心率检测的精确 度低等缺点。 近年来国内外致力于开发无创非接触式传感器，这类传感器的重要特征是测 量探测部分不侵入机体，不会造成机体创伤，能够自动消除系统误差，测量精度 高，通常在体表间接测量人体的生理和生化参数。 人体心室周期性的收缩和舒张引起主动脉的收缩和舒张，是血压以波的形式 从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这。
6、路的传递函数，可得 放大倍数为 截止频率为 按人体心率跳动为次分钟时的频率是考虑，低频特性是令人满意 的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。波形如图所示。 图脉动正弦波 波形整形电路 本电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到单片机系统，可 以采用反向滞回电压比较器进步提高电路抗干扰能力。经过对强弱心率信号的 测试和统计分析可以将其阈值确定。整形电路如图所示，是个电压比较 器，构成个微分器，和组成单稳态多谐振荡器，其脉 宽由决定。的输出信号波形如图经的微分后总是将 正负相间的尖脉冲波形如图加到单稳态多谐振荡器的反向输入端， 不会造成很大的触发误差，因此稍微调节下即可将。
7、电式心率监测系统是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测心 脏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电路单片机电路数码显示电源等部分。光电 传感器是将非电量红外光转换成电量的转换元件，由红外发射二极管和接收三极 管组成，可以将接收到的红外光按定的函数关系通常是线性关系转换成便于测 量的物理量如电压电流或频率等输出。信号处理电路主要处理光电传感器采集 到的低频信号的模拟电路包括放大滤波整形等。单片机电路利用单片机自身 的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率包括外部晶 振外部中断等。电源电路向光电传感器信号处理单片机提供的电源，可以 是的交流或直流的稳压电源。 工作原理 本设计采用单片机为控制核心，实现心率监测系统的基本测量功能。
8、示运放输出端的信号与该输入端的相位相 同。的引脚排列见图。 图运算放大器图引脚排列 由于四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点， 被广泛应用在各种电路中。 低通放大电路 由于通过光电传感器接收到的信号极其微弱，容易被其外围电路所干扰，因 此系统必须为信号处理电路提供电源。检测到的信号经过放大器放大后仍 存在较大的偏置电压，因此必须在信号输入端加滤波电容，将电路中的直流成份 滤掉并保证不影响交流信号的传递。 该系统按人体心率在运动后跳动次数达次分钟的计算来设计低通放大 器，如图所示。组成低通滤波器以进步滤除残留的干扰，截止频率 由决定，运放将信号放大，放大倍数由和的比值决定。 经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。 图信号低通放大电路 根据阶有源滤波电。
9、种波成为心率波。从心率波中提 取人体的病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到了中外医学界的重视。 心率波所呈现出的形态波形强度波幅速率波速和节律周期等方面的综合 信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多病理的血流特征，因此对心率 波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪 声背景下的低频弱信号，心率波信号更是低频微弱的非电生理信号，因此必需经 过放大和滤波以满足采集的要求。 第章心率监测系统结构 心率监测系统的设计，必须是通过采集人体心率变化引起的些生物信号， 然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的心率 变化，最后要得出每分钟的心跳次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理 物理变化并存储心跳次数。 系统结构 光。
10、率信号取样 目前心率监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心 率传感器压阻式心率传感器以及应变式心率传感器。近年来，光电检测技术在 临床医学应用中发展很快,主要由于光能避开强烈的电磁干扰,具有很高的绝缘 性,可非侵入地检测病人各种症状信息，具有结构简单无损伤精度高可重复 等优点。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作专家和学 者的重视。 光电传感器的原理 根据朗伯比尔定律，物质在定波长处的吸光度和其浓度成 正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织的吸收反射衰减后， 测量到的光强将在定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。 心率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。
11、。 该系统的硬件框图如下图所示 图心率监测系统的工作原理 当手指放在红外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，血管中血液饱和度的变化 会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，这就使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 进行计算处理之后把结果送到数码管显示。 外部中断信号 光电传 感器 低通放 大器 比较器振 荡器 单片机 数码显 示电路 外部晶振 报警 电路 第章硬件系统设计 控制器 本系统基于系列单片机来实现功能，因为系统没有其它高。
12、小，红外接收三极管无法区别有 心跳和无心跳时的信号。反之，过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不 能准确地辨别有心跳和无心跳时的信号。 硬件系统是通过检测指尖来采取脉搏信号，从而得到心率信号。当手指离开 传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使 它不致泄露到输入端而造成指示，用串联组成的双极性耦合电 容把它隔断。 图信号采集电路 信号放大电路 放大器 是四运放集成电路，它采用脚双列直插塑料封装它的内部包含四 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。 每组运算放大器可用图所示符号来表示，它有个引出脚，其中 为两个信号输入端，为正负电源端，为输出端。两 个信号输入端中，为反相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的 相位相反为同相输入端，表。
参考资料：
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【毕业设计】基于单片机心率设计