Наша сеть партнеров Banwar
На сторінках порталу Радіолоцман в розділі схеми не так давно публікувалася стаття « Вимірювач пульсу на мікроконтролері PIC16F628A », В якій розглядалися схема і конструкція ІК датчика для визначення частоти пульсу щодо зміни обсягу крові в артерії пальця. Такий метод відноситься до фотоплетізмографія - методу безперервної графічної реєстрації змін об'єму крові, що відображають динаміку кровонаповнення судин досліджуваних органів, частини тіла людини або тварини, заснованого на вимірі оптичної щільності. Однак специфікації датчика в цій статті не було. Незважаючи на це, схема датчика була проста для повторення, причому можна було використовувати різні ІК світлодіоди і фотодіоди, і для коректної роботи треба було б лише підібрати номінал струмообмежувальні резистора і зворотнього зв'язку.
Малюнок 1.
Зовнішній вигляд плати ІК-датчика Easy Pulse
У цій статті мова піде про модернізованої версії сенсора, що отримала назву Easy Pulse. У проекті використовується спеціальний ІК-датчик TCRT1000 , Який спрощує схему і конструкцію, так як інфрачервоний світлодіод і фототранзистор розташовані в одному компактному екранованому корпусі. Його конструкція дозволить знизити перешкоди від зовнішнього засвічення і підвищити ефективність датчика. Конструктивно датчик являє собою компактну друковану плату, яка містить також схему перетворення і нормування сигналу. На виході датчика ми отримуємо цифрові імпульси, синхронізовані з пульсом (Малюнок 1). Датчик може підключатися до АЦП або на іншому цифровому входу мікроконтролера для подальшої обробки та обчислення значення пульсу (кількість ударів серця в хвилину).
теорія
Проект заснований на принципі фотоплетізмографія, який є неінвазивний методом вимірювання зміни об'єму крові в тканинах за допомогою джерела світла і фотодетектора. Оскільки зміна обсягу крові синхронно з биттям серця, цей метод може використовуватися для розрахунку частоти серцевих скорочень. Існує два основних типи фотоплетізмографія: один заснований на пропущенні світла, інший на відображенні. У першому випадку світловий пучок пропускається крізь частина тіла людини (наприклад, через палець або мочку вуха), а фотодетектор визначає результуючу інтенсивність світла, тому джерело випромінювання і приймач розташовуються навпроти один одного. У другому випадку джерело світла і фотоприймач розташовуються на одній стороні, і інформацію про пульсі несе відбитий сигнал. Вимірювання пульсу за таким методом може здійснюватися на будь-якій частині людського тіла. При будь-якому методі вимірювань в інтенсивності світла, відбитого від об'єкта або пройшов через частину тіла, будуть виявлені флуктуації відповідно до пульсуючим потоком крові, викликаних биттям серця.
На рисунку 2 схематично зображено датчик для отримання сигналу пульсу від пальця людини. Інфрачервоний світлодіод використовується для освітлення пальця суб'єкта. Залежно від обсягу крові в пальці, поглинається більше або менше світла, отже, змінюється інтенсивність відбитого світла. Графічне представлення залежності змін сигналу в часі і є сигнал фотоплетізмографія.
Метод палацовий фотоплетізмографія (дослідження відбитого сигналу).
Фотоплетізмограмми має кілька складових, вона реєструє хвилі першого, другого і третього порядку. Хвилі другого і третього порядку відносяться до повільним коливань (їх можна назвати постійної складової). Хвилі 1-го порядку відносяться до швидких коливань і співвідносяться з пульсом (можна назвати змінної складової). Вони відображають рух обсягу крові в вимірюваної точці під час систоли і діастоли і можуть використовуватися в якості джерела інформації про пульс. Для вилучення даного сигналу будуть потрібні ефективні схеми посилення і нормування сигналу.
Принципова схема
Як було сказано вище, в якості ІК сенсора використовується TCRT1000 - екранований оптичний відбивний датчик компанії Vishay , До складу якого входять інфрачервоний світлодіод і фототранзистор. На рисунку 3 зображена схема включення зовнішніх компонентів, необхідних для управління датчиком. Подача високого рівня на вхід Enable включає інфрачервоний світлодіод, тобто активує сенсор TCRT1000. Палець людини зверху датчика діє як відбивач, фототранзистор фіксує відбите світло.
Малюнок 3.
Схема включення зовнішніх компонентів для управління оптичним датчиком TCRT1000.
На виході датчика (VSENSOR) ми отримаємо періодичний фізіологічний сигнал, пов'язаний зі зміною інтенсивності відбитого інфрачервоного випромінювання, обумовленим пульсуючим об'ємом крові в пальці. Сигнал, таким чином, синхронізований з частотою серцебиття. Наступна схема (Малюнок 4) являє собою перший етап перетворення сигналу від ІК-датчика, на якому виконується придушення чималих повільних хвиль (постійної складової) і підвищення слабких швидких хвиль (змінної складової), які несуть інформацію про пульсі.
Малюнок 4.
Схема пасивного фільтра верхніх частот і активного фільтра нижніх частот - перший етап перетворення і нормування сигналу від ІК-датчика TCRT1000.
На схемі вище видно, що сигнал з ІК-сенсора спочатку проходить через пасивний фільтр верхніх частот (ФВЧ), щоб позбутися від постійної складової. Частота зрізу фільтра (fc) дорівнює 0.7 Гц. Далі сигнал проходить через активний фільтр нижніх частот (ФНЧ), виконаний на операційному підсилювачі. Коефіцієнт посилення фільтра дорівнює 101, частота зрізу - 2.34 Гц. Таке рішення дозволяє усунути небажаний сигнал постійної складової і високочастотні шуми, в тому числі, наводку мережі змінного струму 50 Гц (60 Гц), і посилити потрібний сигнал, що несе інформацію про пульсі, в 101 разів.
Далі слід ще одна подібна схема фільтрації (ФВЧ, ФНЧ) і посилення сигналу (Малюнок 5). Таким чином, загальний коефіцієнт посилення становить 101 × 101 = 10201. У результаті, дві стадії фільтрації і посилення перетворять вхідний сигнал фотоплетізмографія в ТТЛ імпульси, які синхронні з серцебиттям. Частота цих імпульсів (f) пов'язана з частотою серцевих скорочень (BPM) формулою:
Beats per minute (BPM) = 60 × f
Потенціометр 5 кОм на виході першої схеми фільтрації та посилення потрібен для досягнення загального коефіцієнта менше 10201. Світлодіод на виході другої схеми фільтрації та посилення буде блимати з частотою серцебиття. Заключний вузол схеми є простій не інвертується буфер для зниження вихідного опору. Це важливо, якщо для читання сигналу використовується АЦП мікроконтролера.
Друга стадія фільтрації і посилення сигналу і вихідний неинвертирующий буфер.
Всі операційні підсилювачі, які використовуються в схемі, знаходяться в одній чотирьохканальна мікросхемі - MCP6004 . Підсилювачі мають низьке енергоспоживання і зберігають працездатність при напрузі живлення в діапазоні від 1.8 до 6.0 В.
ІК-сенсор можна встановити на плату, а можна винести на шлейфі (Малюнок 6). Це надає гнучкість при використанні, так як в такому випадку його можна закріпити між двома пальцями або на долоні.
ІК-сенсор може підключатися до плати за допомогою шлейфа.
Діапазон напруг живлення плати сенсора, рівний 3 - 5 В, дозволяє використовувати її з родинами мікроконтролерів з напругою живлення 3.3 В або 5 В.
Частина 2 - Перевірка основних функцій, робота з датчиком.
embedded-lab.com