Как сделать прибор для измерения пульса

Простейшие приборы для измерения пульса делаются на основе инфракрасного светодиода и фотодиода, поэтому их точность и качество не очень. Сегодня мы хотим поговорить о усовершенствованной версии проекта, которая использует отражательный оптический датчик для фотоплетизмографии TCRT1000. Использование TCRT100 упрощает процесс сборки датчика, так как диодный излучатель и детектор располагаются бок о бок в общем освинцованном пакете, блокируя окружающий рассеянный свет, которые в противном случае мог бы повлиять на характеристики датчика. Также разработана печатная плата, которая несет на себе оба датчика сигнала и блока обработки сигнала. Выходной импульс может подаваться либо на канал АЦП или цифровой вход PIC микроконтроллера для дальнейшей обработки и получения частоты пульса в ударах в минуту на индикаторе.


Этот проект основан на принципе фотоплетизмографии (ФПГ), которая представляет собой неинвазивный метод измерения изменение объема крови в тканях с помощью источника света и детектора. Поскольку изменение объема крови синхронно с биением сердца, этот метод может использоваться для расчета частоты сердечных сокращений. Коэффициент пропускания и коэффициент отражения являются 2-мя основных параметрами фотоплетизмографии. Для ФПГ источник света и светодетектор помещается возле ткани для измерения результирующего света. Из-за ограниченной глубины проникновения света через ткани органов, ФПГ применим к ограниченной части тела, например для пальца или мочки уха. Тем не менее, благодаря высокой отражательной способности ФПГ, источник света и детектор света размещены на одной стороне части тела. Полученный сигнал по величине будет колебаться в зависимости от пульсового кровотока, вызванных биением сердца.


На рисунке показана базовая отражательная способность ФПГ - зонд для извлечения импульсного сигнала из пальца. Палец подсвечивается с помощью инфракрасного светодиода. Больше или меньше света поглощается, в зависимости от ткани и объема крови. Следовательно, интенсивность отраженного света зависит от пульсирующей крови согласно биению сердца.

Электрическая схема

Датчик, используемый в данном проекте является TCRT1000 - это отражательный оптический датчик с инфракрасным излучателем света и фототранзистор, расположенные вместе и заключенные внутри модуля, так что есть минимальное воздействие окружающего видимого света. На схеме ниже указаны внешние цепи смещения для датчика TCRT1000. Количество света, отраженного назад от пальца, контролируется фототранзистором.


В схеме, выходной сигнал датчика проходит через rс фильтр высоких частот (ФВЧ), чтобы избавиться от постоянной составляющей. Отсечение частоты ФВЧ установлено на уровне 0.7 Гц. Следующий этап - активный фильтр низких частот (ФНЧ), который состоит из операционного усилителя ОУ. Коэффициент усиления и частота среза ФНЧ задаются 101 и 2.34 Гц, соответственно. Таким образом, комбинация ФВЧ и ФНЧ помогает удалить нежелательный сигнал постоянного тока и высокочастотные шумы 50 Гц электрической сети, в то же время как усиливая низкие амплитуды импульсного сигнала (переменной составляющей тока).





На выходе из первого каскада идет аналогичный ФВЧ/ФНЧ для дальнейшей фильтрации и усиления. Таким образом, общий коэффициент усиления по напряжению достигается от двух каскадов 101 х 101 = 10201. Частота (F) этих импульсов связана с частотой сердечных сокращений (уд / мин):

Удары в минуту = 60*F

Подстроечный потенциометр 5К ставится на выходе первого каскада в случае, если суммарное усиление должно быть менее 10201. Светодиод подключен к выходу второго каскада, он будет мигать, когда будет обнаружено сердцебиение. Заключительный каскад представляет собой простой неинвертирующий буфер, чтобы снизить выходное сопротивление. Это полезно, если канал АЦП микроконтроллера используется для чтения усиленного сигнала ФПГ.

Использование пульсомера

Поместите кончик указательного пальца на датчик. Не нажимайте слишком сильно на датчик. Через пару секунд схема стабилизирует сигнал и вы увидите как светодиод мигает синхронно с биением сердца. Выходной сигнал (Uвых) можно подать на вход АЦП микроконтроллера для измерения частоты пульса. Выходное напряжение сигнала можно также просмотреть на экране осциллографа. Следующая фотография показывает этот сигнал.


Простой частотомер может быть подключен к устройству для отображения на дисплее частоты. А если умножить частоту на 60, вы и получите сердечный ритм в ударах / минуту. Документация на схему тут