基于光电技术的心率测量仪

        1 信号拾取原理

　　血液是一种高度不透明液体。近红外光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍[1]。指头内部的血液容积在心脏搏动下呈周期性变化，心脏舒张时手指中血容量减小，红外光透过率增大，心脏收缩时相反。因此，可以将红外光强的变化反映脉搏的变化。手指一侧的红外发光二极管发出稳定的红外光，透过手指由另一侧的PIN 管接收透过光强，再将光强信号转化为电信号[2]。

　　2 系统组成

　　整个系统由信号拾取电路、滤波电路、放大电路、基于MCU( 80C51F310) 的数字电路组成，同时配合有按键、声光指示和数码显示管。LM324 均采用5 V 单电源供电，故在正向输入端设置了可调参考电压[3]。

　　2. 1 信号拾取电路

　　具体实现电路如图1 所示。由外接直流电源提供5 V 的直流电压，红外发射二极管串联偏置电阻发射光信号，实测工作电流约为50 mA。红外接收二极管反向偏置接收光信号，实测工作电流约为0. 5 mA，将光信号转化为电信号，经电容隔直流送给滤波电路，实测信号幅值约为15 mV。隔直后的原始信号如图2 所示。

　　2. 2 信号滤波电路

　　采用二阶有源滤波，根据实际需要设置R 和C的值，使得截止频率约为7 Hz，并有反向放大能力。其中比较器LM324 在正向输入端加入2. 5 V 的参考电位。具体实现电路如图3 所示。

　　2. 3 放大电路

　　具体放大电路如图4 所示。比较器LM324使用单电源供电，同样需要设置参考电位。由于输出电压范围约为0. 8 ～ 4. 0 V，故把参考电平设置为1. 6 ～ 2. 5 V 左右，使用220 kΩ 与100 kΩ的电阻串联分压，电平不恒定，有噪声抖动，但在允许范围之内。实际测量中第一级放大20 倍，第二级放大10 倍。为了调整波形，最后使用了简单的反相器。放大后的信号和比较电平如图5所示。

　　　2. 4 单片机系统

　　单片机系统包含了复位电路、程序烧写电路、按键、LED 数码管、蜂鸣器。单片机系统如图6 所示。80C51F310 单片机的供电电压是3. 3 V，而稳压电源的供电电压是5 V，所以需要将5 V 电压转换成稳定的3. 3 V 提供给单片机。为了使LED 有足够的亮度，要求与它接口的电路能提供10 ～ 20 mA的驱动电流，所以需要使用一片锁存器74HCT573来驱动LED 显示器。其输入高电平的下限值为2. 0V，单片机的输出高电平为3. 3 V。预设了4 个按键，选择P0. 4 ～ P0. 7 作为4 个按键的接口，系统以查询方式获取按键信息。

　　另外，为80C51F310 设置了一个可调的比较电压输送到P1. 1 端口。由于使用片内的比较器，故经放大后的信号直接输入单片机的P0. 1 端口，并用软件设置比较器的回差电压以减少噪声干扰。比较器的结果将产生中断信号，从而使单片机计数并计时，通过算法得出平均值，将计算结果显示在LED 显示器上。