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[每日电路图] 5、心率检测电路设计详解——送给想了解心率计的小白(博主推荐)

作者:beautifulzzzz  来源:IT165收集  发布日期:2016-03-03 21:27:47

Why I Write This Artical?

现在基本上到处都有心率检测的影子,然而淘宝上找个相应的心率检测的模块却是又少又贵!

本人不服,遂打算自己做一个心率检测模块!

一、心率小常识:(18px)

  心率是一项重要的人体机能指标,健康成年人大约每分钟心跳72下(72 beats per minute (bpm))。通常情况下运动员的心率比缺少运动的程序员的心率低。小孩心率会高一些,大约120bpm。大一点的小孩心率大约在90bpm。当一个人运动时,心率会逐渐升高,当停下后又会慢慢恢复。如果心率比正常的低,表明心率过缓;比正常高,表明心动过速~(当了回医生哈)

二、测心率土方法:

  一般情况下最省钱的测心率的方法是——把脉法(将手指放到手腕上的动脉处,在30s的时间内统计动脉搏动,然后乘以2)。这种将大姆手指放到动脉上的方法在心率高的情况下容易出错。我记得大二的时候上体育课,老师让用土方法自己测量自己的心率,我当时报出30多bpm老师震惊了~然后让我再测一边,还是30多,最后帮我找个班里最beautiful的妹子帮我测的...更复杂的方法是用电子技术,进行数字化统计。

tu1 测心率的土方法

三、测心率的电子方法:

3.1、手环测心率的原理:(16px)

  当然,虽然淘宝上卖的心率检测模块种类比较少,但是全世界制作心率检测模块、人体健康模块、手环核心模块等等的厂家非常多!前两天还联系一家台湾的制作一个4mmx2mmx1mm的小芯片,集成了加速度、心率和血氧3个传感器,不过他们不喜欢我这种只要几片、几十片的用户,最后他们客服打电话建议我找他们代理去拿。

  电子技术测心率用的比较多的是LED侦测法,如下图主要是根据LED反射光的强度来反应心跳的~

tu2 手环测心率的原理

3.2、夹式测心率的原理:

3.2.1、夹式测心率概括性说明:

  像figure2中夹子型的测心率设备,其原理是如下figure1:夹子下面的TX是个LED灯,用来照射拇指;上面有个感光设备RX用来采集手指中的光亮度变化。因为心脏跳动会导致血液浓度变化,从而影响从TX发射的光。接着用滤波电路将RX的数据的部分杂质滤除,并转换到微处理AD可处理的合适电压范围,最后通过计算将结果显示到LCD上。

tu3 夹式测心率的原理

 

3.2.2、夹式测心率分析原理图:

  如下图,夹式测心率设备的原理图比较简单:包含夹子模块、2个运放模块、1个低通滤波器(滤掉毛刺)、MCU和显示器模块。第一个放大器使增益刚刚超过100,第二个运放的增益大约560,最后将两极运放结果输入到单片机进行处理。
 

tu4 夹子式测心率电路原理图

 

3.2.3、夹式测心率软件伪代码:

  软件部分是以10s为一个周期,然后将10s的计算心率的结果乘以6得到一次心率值。最终采用3次测量区平均的方法得出最终单次心率值。

tu5 夹子式测心率软件伪代码

3.3、反射式测心率的原理:

3.3.1、透射式与反射式心率检测方法的联系:

  上面夹子式心率检测方法也可以理解为透射式心率检测方法,但是像手环、手表等智能设备采用透射式就不方便了,此时可以采用反射式心率检测方法。其实,反射式和透射式在运放、低通滤波、嵌入式程序、以及LCD显示部分基本一样。不同之处在于透射式采用夹子,夹子下端有光源,上端是感光原件,通过采集透射光的变化判断心率变化;而反射式则光源和感光原件在同一侧(中间用隔光板隔开),手指按到采集设备上,发光源的光会经过手指反射到感光设备。

tu6 反射式心率检测方法原理

 

3.3.2、另一种心率检测原理图介绍(和夹子式的大同小异):

  该信号调理电路包括2个独立的低通滤波器,他们的截止频率大约为2.5Hz,也就说最高能测量的心率为150bpm。该运放芯片采用双运放芯片MCP602(淘宝上1元/个),它由单电源供电,提供轨到轨输出摆幅(rail-to-rail output swing,如果参数为:50mV,表示输出电压范围为Vee+50mV到Vcc-50mV)。这个滤波是非常必要的,它能够滤掉任何高频噪声。每个运放的增益为101,总共运放为10000。同时,每个运放前有一个1uF的电容,来滤掉直流分量。

MCP602 The operational amplifier IC used in this circuit is MCP602, a dual OpAmp chip from Microchip - See more at: http://embedded-lab.com/blog/heart-rate-measurement-from-fingertip/#sthash.tqWrgk2i.dpuf low pass filters with a cut-off frequency of about 2.5 Hz. - See more at: http://embedded-lab.com/blog/heart-rate-measurement-from-fingertip/#sthash.tqWrgk2i.dpuf low pass filters with a cut-off frequency of about 2.5 Hz. - See more at: http://embedded-lab.com/blog/heart-rate-measurement-from-fingertip/#sthash.tqWrgk2i.dpuf

四、一些反射式光学传感器:

  如果在淘宝上直接搜心率模块,出来的种类很少。经过这篇文章,想必你已经知道此类心率检测模块只不过是一个反射是或透射式光学传感器加上一些运放而已。我也是这么过来的,遂写篇文章分享给大家。同时我也把找到的几个容易买到的反射式光学传感器分享给大家:TCRT 1000、LTH1550、SFH7050。希望通过本篇文章小白能够了解手环、手表上心率检测的基本原理;工程师能够少走弯路,参考借鉴。

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@beautifulzzzz 2016-01-15 continue~ 
e-mail:beautifulzzzz@qq.com

Tag标签: 心率   小白   电路图  
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