光电脉搏传感器论文

天津工业大学理学院—传感器课程设计（论文）

第一章 前 言

1．1课题来源

随着人们生活水平的提高，地球环境遭到破坏，多种疾病威胁着人们的生命,而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。在医学上，通过测量人的心率，便可初步判断人的健康状况。因此，心率计很快产生并得到发展。随着单片机技术的发展、人们的生活节奏加快，设计一种以使用方便为前提，能够快速测出人心率的心率计，不仅是临床者的需要，也是体育训练者和外出旅游者的需要。

传统的脉搏测量采用诊脉方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。

为了克服上述测量方法的不足，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并通过单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。

1.2课题的目的和意义

生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。

光电式脉搏传感器作为是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。根据光电容积法原理，从改善光源、消除景光噪声、电磁屏蔽和提高信噪比四个方面出发，研究改进方法，对提高使用的灵活性和准确度有着重大意义。同样光电容积法是当今测量脉搏信号的一种有效方法，也可以用来测量血氧饱和度、氧分压和心搏出量等生理指标，为临床诊断提供强有力的技术支持。通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。这种技术具有先进性、实用性和稳定性，同时也是生物医学工程领域的发展方向。

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第二章 工作原理及可行性分析

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。

根据郎伯-比尔（Lambert－beer）定律,物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射、衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。血液是高度不透明的液体，光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。一般情况下，当光子穿越介质时，因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为：

式中是入射光强，是与组织结构相关的吸收系数（哺乳动物的值在0.1至100之间），是沿光轴方向的坐标长度。

脉搏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较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。

图2-1 人体手指端还原蛋白与氧化蛋白光吸收率示意图

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,其中非血液组织的光吸收量是恒定的,而在血液中,静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的,

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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充盈而引起的,那么在恒定波长的光源的照射下, 本设计利用透射式的测量方法，通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。

图2-2 反射式和透射式测量示意图

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第三章 设计要求

该光电脉搏传感器须能工作在0℃以上，能在10s内测量出一般成人的心率，测量显示范围为30-200次/分，并能持续测量，每10秒更新一次心率显示，能够通过电路进行高频滤波，消除高频噪声干扰；测量腔内部其他部分涂有吸光物质，消除反射光的干扰；单片机能通过算法对结果进行检验和校正。测量腔入口连有遮光指套，指套口有适合的松紧带来适应各种粗细的手指。

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第四章 主要元器件选择和功能介绍

4.1单片机AT89S52

主要性能：

（1） 与MCS-51单片机产品兼容 （2） 8K字节在系统可编程Flash存储器 （3） 1000次擦写周期 （4）全静态操作：0Hz～33Hz （5） 三级加密程序存储器 （6） 32个可编程I/O口线 （7） 三个16位定时器/计数器 （8） 八个中断源

（9） 全双工UART串行通道 （10）低功耗空闲和掉电模式 （11）掉电后中断可唤醒 （12） 看门狗定时器 （13）双数据指针 （14）掉电标识符

功能特性描述： 图4-1 AT89S52的引脚结构 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止.AT89S52的引脚结构如图4-1所示。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dand.html