光电式指脉搏波心率检测仪实验报告

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）。

由I ⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=u R R u 6501 可算出放大倍数11101001=+=u A
1.3高通滤波电路
高通滤波电路由C 1、R 7、R 8、R 9、R 10、N 2组成，
其截止频率=p f 1821C R π=110
22105.72163=⨯⨯⨯⨯-πHZ ， 放大倍数=up A 1+109
R R =10
3001+=31 注：滤波放大的效果可以通过示波器观察。

1.4低通滤波电路
低通滤波电路由R 11、C 2、R 12、R 13、N 3组成，
其截止频率=p f 21121
C R π= =⨯⨯⨯⨯-6310
1101.521π31HZ 放大倍数=up A 1+1213
R R = 10
511+=6.1 注：R 13的大小可在51K ～100K 之间选择,这是由因为传感器灵敏度的不同产生的误差，具体依N 3 的6脚输出的波形幅度而定。

1.5滞回比较器
由R 14、R 15、R 16、N 4、R 17、VL 1组成，滞
回比较器的作用是波形转换和整形，脉搏波经过滞回比较器后变为方波。

N 4的输出电压0u ＝O U ＝±4.5V ，阈值电压
O T U R R R U •+±=±16
1414。

当输入电压I u 大于阈值电压+T U 时，0u 才会从+O U 迅速跃变
成-O U ；当输入电压I u 小于阈值电压-T
U 时，输出电压0u 才会从-O U 迅速跃变成
+O U 。

此时将N 4的输出端接示波器可以观
察到越变的方波，幅值为±4.5V 。

本电路先确保图2 单稳态触发电路
阈值电压与输入电压的匹配。

VL 1的闪烁是由于方波的高低电平，同时其闪 烁与脉搏波同步。

2、单稳态触发电路
单稳态触发器如图2所示,经分析
可得，输出正脉冲宽度
w t =1.1()52322C R R +， w t 即定时
时间。

接通电源后，2脚未加负脉冲，
电路处于稳态，因而，当2脚加一低电
平触发脉冲时，电路由稳态进入暂稳
态，即3脚输出电平由低电平变为高电
平，此时，高电平使V1导通，U1变为
低电平，VL2亮，直到充电结束，3脚变为低电平，V1截止，VL2灭，以此来达到定时的目的。

本电路定时1分钟，定时时间可通过调节R
的阻值改变。

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3、计数、译码、显示电路
图3所示为本系统的计数、译码、显示电路模块，由三位共阴极LED数码管、计数器4553、译码显示驱动器CD4511组成。

4553、CD4511的引脚图可以通过查找相关资料获得，而获取数码管的引脚最简便的方法是接一低电压（2-3V）分别接到公共脚和其他段码脚即可检测共阴或共阳、以及各个段码的引脚。

按照各引脚图正确焊接好后，应先用信号发生器对本电路进行检测，即将4553的1脚接一低电平，12脚输入一定频率的方波，数码管正常计数则说明本电路正常。

图3 计数、译码、显示电路
当与脉搏同步的方波到来后，定时器输出的低电平到达计数器4553的11脚时，计数器即开始计数，计数后的二进制数值送CD4511译码器进行译码后以BCD 形式显示在LED数码管，三位LED数码管的段码线并联在一起，形成段码线的多路复用，以动态方式显示（即某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时段码线上输出相应位要显示的字符的段码），位选线通过三极管连到计数器4553的位选脚上，形成分时选通。

当定时1分钟时间到，计数器4553的11脚变为高电平，计数器停止计数，数码管上显示的数值即是测得的心率值。

系统可通过开关S
清零，以便进行下一次计数。

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4、电源电路
电源电路的调试可根据各级整形滤波后的波形来检测电路是否正常工作,也可用电压表测量各端的电压值。

变压器输出的双9V交流电压经过桥式整流后得到两路单向脉动电压,经滤波电容及三端稳压器后分别得到稳定的±5V电压，VL3、VL4亮显示电源正常工作。

输出电压不正确，应测量各级的电压及波形，逐一进行排查。

图4 电源电路
五．实验感想
由于模电数电基础知识不是特别扎实，导致焊接电路时有些电路的功能及接线搞不清楚，还有就是不够耐心，看到错综复杂的电路和电子元件，容易心浮气躁，导致在实验过程中容易接错电路。

另外，在焊接电路时，虚焊较多，有些焊点过大，不仅不美观，可能还会导致电路短路等。

其次，电路板区域划分没有事先规划好，有些区域排版不够合理，导致整体看上去凌乱，不整洁。

有些电子元件的极性以及管脚排列容易造成混乱，导致错误。