【文章內(nèi)容簡介】 后從靜脈回流。血液是一種高度不透明的液體。近紅外單色光在一般組織中的穿透性比在血液中大幾十倍。皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈波動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，而心臟舒張時則外周血容量減小。血容積搏動使組織中血液透光率隨之變化，當光源和光敏元件置于被測部位（如手指）的同一側（或兩側），光源發(fā)出的光照射在組織上，經(jīng)反射（或透射）后被光敏元件接，光敏元件將脈動的光強度信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的電信號。在檢測系統(tǒng)中將變化量與直流量相互分離，從而得到光電容積脈搏波。搏信號的頻率范圍在 －20Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此必須通過低通濾波電路濾除工頻干擾，這里我們使用二階低通濾波電路進行濾波處理。 在通常脈搏測量過程中，手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對運動，會使脈搏測量產(chǎn)生誤差，這里我們采用指夾式機械模型，提高其機械抗運動性，使指夾能夠更緊的夾在手指上，不易松動來降低運動噪聲的干擾。被測量 電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路第二章 系統(tǒng)硬件設計5 光電傳感器的電路設計在本設計中我們采用 IR333 型紅外發(fā)射二極管作為光源，BPW83 型紅外接收二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，兩種二極管的峰值波長都在 900nm 附近，在指夾中，紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管并排擺放。R2 選 500Ω 是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R2 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83 型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R2 過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號，電容 C1 起到隔直通交的作用，因為從光電二極管拾取的電壓信號是直流和交流疊加的信號。光電傳感器電路原理圖如圖 22 所示。 +圖 22 光電式傳感器電路 光電式脈搏傳感器實驗測量和噪聲分析在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境的干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設計的技術角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環(huán)境光干擾、工頻干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結合儀器軟硬件設計做進一步的分析。在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅有包含脈搏信息的反射光的信號，而且有測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。在同時考慮到傳感器使用的方便性，本儀器采用特制的指夾封裝形式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小背景光的影響。工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文6措施之一。 放大濾波電路設計 由光電傳感器拾取的脈搏信號十分微弱，僅為微伏量級或毫伏量級，所以首先要對信號進行放大，介于此系統(tǒng)的特點，我們使用了兩級放大電路，分別為初級放大和次級放大。在信號采集過程中，工頻、人體位移、呼吸作用等都會對原始信號產(chǎn)生干擾，所以必須對信號進行濾波處理。 放大電路的設計由于光電傳感器拾取的脈搏信號十分微弱，僅為微伏量級或毫伏量級，所以要求前置級滿足下述要求：高輸入阻抗。光電信號是不穩(wěn)定的內(nèi)阻變化的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗，所以要求放大器具有高的輸入阻抗。低噪聲、低漂移?？梢詼p小信號源的影響，增強信號的拾取能力，使輸出穩(wěn)定。AD620 是一種僅需在其引腳跨接一個電阻就能調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的低功耗、高精度儀表放大器，其放大倍數(shù)調(diào)節(jié)范圍為 11000 倍，盡管 AD620 由傳統(tǒng)的三運放組成，但一些主要性能卻優(yōu)于由三個分立運放構成的儀表放大器。它的電源范圍寬(177?！?77。18V)，體積小,功耗低(最大供電電流僅為 1.3mA)，因而經(jīng)常使用在低電壓、低功耗的應用場合。AD620 的工作原理是：AD620 是在傳統(tǒng)的三運放組合方式的基礎上研制的單片儀用放大器。輸入三極管 Q1 和 Q2 提供了唯一雙極差分輸入，因內(nèi)部的超 β 處理，它的輸入偏移電流比一般情況低 10 倍。通過 Q1A1R1 環(huán)路和 Q2A2R2 環(huán)路的反饋，保持了 Q1，Q2 集電極電流為常量，所以輸入電壓相當于加在外接電阻 R 的兩端，從輸入到 A1/A2 輸出的差分放大倍數(shù)為 G=（R1+R2 ）/R G +1，由 A3 組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個與 REF 管腳電位有關的單路輸出。AD620 原理圖如圖 23所示。內(nèi)部增益電阻 R1 和 R2 被精確確定 ,使得運放增益精確地由確定：G= /RG +1 或 RG = /(G1)。由于經(jīng)光電傳感器采集到的信號為毫伏量級，并且在信號的次級放大中還可以設置 25 倍的放大倍數(shù)，所以在前級放大電路的設計中令放大倍數(shù)為 101 倍，經(jīng)過計算 RG =R3=500Ω，交流信號由 3 引腳輸入經(jīng)放大后通過低通濾波器進行處理。信號初級放大電路原理圖如圖 25 所示。第二章 系統(tǒng)硬件設計7 圖 23 AD620 原理圖 AD62022485RgIN+VsOUTPEFW圖 24 AD620 封裝引腳圖G圖 25 信號初級放大電路淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文8 低通濾波電路設計濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它處理信號、傳送數(shù)據(jù)和抑制干擾。有源濾波和無源濾波相比，有源濾波采用了集成運放，集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗低，構成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。通常脈搏信號的頻率范圍在 －20Hz 之間，因此通過低通濾波器可以有效濾除50Hz 工頻干擾及其他的高頻噪聲干擾。本文采用二階有源低通濾波器對經(jīng)初級放大后的信號進行濾波處理。二階低通濾波電路圖如圖 26 所示。R 1 = 1 . 6 k R f = 4 8 k+_△∞+R = 1 . 6 k R = 1 . 6 kC 2 = 0 . 1 u FC 1 = 0 . 1 u F6V iV o圖 26 二階低通濾波電路 USB 總線簡介 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在 PC 領域的接口技術。USB是在 1994 年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft 等多家公司聯(lián)合提出的。與其它老式 PC 機接口相比，USB 的有如下優(yōu)點：(1)熱插拔。用戶可以把 USB 外設連接到一臺正在運行的 PC 機上，操作系統(tǒng)能自動識別，并且用戶可以立即使用，而不需要重新啟動 PC 機。用戶可以在任何時候斷開 USB 外設，而不管計算機是否正在運行，這都不會損壞 PC 機和外設。(2)即插即用。USB 實現(xiàn)了自動配置，它不需要用戶手工配置 I/O 地址和中斷請求。當USB 外設接入 PC 機時，操作系統(tǒng)會自動檢測到這個連接，并加載合適的驅(qū)動程序。(3)共享式接口。第二章 系統(tǒng)硬件設計9USB 端口支持多個外設的連接，采用“菊花瓣”式的連接方式。通過 USB 集線器，一個 USB 主控制器上最多可連接 127 個外設。(4)低成本。USB 能實現(xiàn)強大的功能，它比以前的接口更加復雜，但是它的組件和電纜并不貴，帶有 USB 接口的外設和具有同樣功能的老外設接口相比，所需費用差不多，有時會更少一些。(5)性能可靠。USB 系統(tǒng)通過硬件設計和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩方面來保證其傳輸?shù)目煽啃浴?6)提供電源。USB 電纜向外設提供了一根+5V 的電源線，電流的大小取決于集線器，最小為 100mA，最大不會超過 500mA，用戶可以直接使用這個總線電源。另外，USB 支持低功耗模式，如果其連續(xù) 3ms 沒有總線活動的話， USB 就會自動進入掛起狀態(tài)，以節(jié)省電能消耗。 USB 體系結構USB是一種電纜總線，支持在主機和各式各樣的即插即用的外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸。由主機預定的標準協(xié)議使各種設備分享USB帶寬，當其它設備和主機在運行時，總線允許添加、設置、使用以及拆除外設。(1)USB系統(tǒng)的描述一個USB系統(tǒng)主要被定義為三個部分:USB的互連；USB的設備(device)；USB的主機(host)。USB的互連是指USB設備與USB主機之間進行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面：總線的拓撲結構：USB設備與主機之間的各種連接方式；內(nèi)部層次關系：根據(jù)性能疊置，USB的任務被分配到系統(tǒng)的每一個層次；數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動方式；USB的調(diào)度：USB提供了一個共享的連接。對可以使用的連接進行調(diào)度，以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，無須進行優(yōu)先級判別。(2)電源主要包括兩方面：電源分配：即USB的設備如何通過USB分配得到由主計算機提供的能源；電源管理：即通過電源管理系統(tǒng)，USB的系統(tǒng)軟件和設備如何與主機協(xié)調(diào)工作。(3)總線協(xié)議USB總線是一種輪循方式的總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文10每一次總線執(zhí)行動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包。(4