【正文】 //輸出串口數(shù)值 delayMicroseconds(1000)。 主程序： void setup() { (115200)。 按照以下電路圖連接實(shí)物圖： 圖中用 R2 器替代脈搏信號傳感器。 Arduino 有 A0A5 共計 6 個模擬接口，這 6 個接口也可以算作為接口功能復(fù)用 ,除模擬接口功能以外，這 6個接口可作為數(shù)字接口使用，編號為 D14— D19。 Arduino 單片機(jī)介紹 單片機(jī)實(shí)物圖如下： Arduino 是源自意大利的一個開放源代碼的硬件項(xiàng)目平臺，該平臺包括一塊具備簡單 I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。 整個心率傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖： 特別說明，由于傳感器使用的是固定倍數(shù)的放大器，而人體生理信號是微弱信號，細(xì)微的差異會導(dǎo)致放大后的信號產(chǎn)生巨大的差別。此外，由于脈搏信號的頻帶一般在 之間，信號幅度都很小，一般都是毫伏級的水平，容易受到各種的信號干擾。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠反映出皮膚淺部微動脈信息所需的光波波長為 560nm，適合用來提取脈搏信號。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血使其容積變化，然后導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生變化，此時由光電轉(zhuǎn)換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，將光線轉(zhuǎn)換為電信號并將其放大和輸出。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂上。而光電容積法脈搏測量作為監(jiān)護(hù)測量中普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)。 傳感器實(shí)物圖如下： 正面（手指接觸面） 反面（非手指接觸面） 傳感器參數(shù)說明 電路板直徑： 16mm 電路板厚度： 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 27 LED 峰值波長： 515nm 供電電壓： 檢測信號類型：光反射信號（ PPG） 輸出信號類型：模擬信號 信號放大倍數(shù)： 330 倍 輸出信號大?。?0VCC 電流大?。?04mA（ 5V以下） 傳感器原理說明 傳統(tǒng)的脈搏測量方法有主要有三種：一是從心電信號中提取；二是通過測量血壓時壓力傳感器檢測到的波動來測量脈率；三是光電容積法。 PulseSensor 是一款開源硬件，目前國外官網(wǎng)上已有其對應(yīng)的 Andrino 程序和上位機(jī) Processing 程序，其適用于心率方面的科學(xué)研究和教學(xué)演示，也非常適合于二次開發(fā)。將其佩戴于手指、耳垂等處，通過導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號傳輸給 Arduino、 51等單片機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本文使用的是 Andrino。 數(shù)字信號處理，簡稱 DSP，是面向電子信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了 信息與通信工程 ，電路與系統(tǒng)，集成電路工程，生物醫(yī)學(xué)工程，物理電子學(xué)，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，電磁場與微波技術(shù)，水聲工程，電氣工程，動力工程， 航空工程 ， 環(huán)境工程 等領(lǐng)域。動脈為富有彈性的結(jié)締組織與肌肉所形成管路。人體循環(huán)系統(tǒng)由心臟、血管、血液所組成，負(fù)責(zé)人體 氧氣 、二氧化碳、養(yǎng)分及廢物的運(yùn)送。%求功率譜最大值時 ,對應(yīng)頻率最大值 。 grid on。Welch 法海明窗功率譜估計 39。)。 ylabel(39。頻率 (Hz)39。 plot(f,Pxx)。 Pxx=10*log10(p)。 noverlap=256。 fs=1000。 w=hanning(Nfft)。 Nfft=512。 s2=s1mean(s1)。 F為為得到的頻率點(diǎn) 。 fs為采樣頻率 。 noverlap 為重疊點(diǎn)數(shù) 。 其調(diào)用格式為： [Pxx,F] = pwelch(x,window,noverlap,nfft,fs) 參數(shù)說明： x為是我們輸入的有限長的信號（這里是脈搏信號） 。因此我們選擇 Hanning 窗。 對信號加以不同的窗函數(shù)，功率譜的估計的質(zhì)量也是不同的。 Welch 法可以有效減小方差和偏差，它采用加窗交疊求出功率譜。 脈搏信號頻域特征 功率譜能夠反應(yīng)出隨機(jī)信號的各頻率成分功率能量分布，因此頻域分析主要就是對脈搏信號進(jìn)行功率譜分析。)。 title(39。幅度 39。)。 plot((N/2:N/21)*fs/N,abs(fftshift(fft(x,N)))*2/N) %繪制信號的頻譜，橫軸對應(yīng)實(shí)際頻率 xlabel(39。 代碼： figure。 實(shí)際上潮波和重博波是脈搏信號中極大值點(diǎn)把主波峰去除后的最大值點(diǎn)和次大值點(diǎn)。找到了脈搏的峰值點(diǎn)就能夠求出脈搏的周期，相鄰的峰值之間的采樣點(diǎn)個數(shù)乘以采樣時間。去掉噪聲點(diǎn)后就可以相對準(zhǔn)確地提取所需的脈搏信號的特征。 我們可以根據(jù)以上兩個條件，即主波峰的間距要大于最小間距 300，或者相鄰的波峰之間的高度差需要小于最小的高距差 。 我們把脈搏主波峰之間相隔的最少采樣點(diǎn)個數(shù)定義為最小間距 D,也就是相鄰的脈搏周期之間的最小采樣點(diǎn)的個數(shù)。本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 19 圖 計算脈搏周期流程 這里我們設(shè)定的脈搏信號的采樣頻率為 1000Hz,采集的時間為 10000ms,人體的脈搏跳動平均在 30～ 200次 /分鐘 ,那么也就是說 10000ms內(nèi)存在 5～ 30個脈搏完整周期 。 圖 脈搏極大值點(diǎn)的提取流程 計算脈搏周期 假設(shè)脈搏信號的極大值點(diǎn)為數(shù)組 x(i)，遍歷整個 x(i)找出脈搏信號的峰值。 脈搏信號的極大值點(diǎn)的提取流程如圖 所示。 步驟 3兩個 主波峰之間的差值就是脈搏信號的周期 T（根據(jù)該周期即可算出脈率P = 60 / T） 。 (2) 算法流程 具體算法流程為 : 步驟 1把采集到的脈搏信號假設(shè)為 x(n) ,找出其所有的極大值點(diǎn)一般一個脈搏信號周期內(nèi)存在 4個極大值點(diǎn) 。 極值法提取脈搏時域信號 (1) 極值法的基本思想 根據(jù)上面的兩種脈搏波特征提取算法的優(yōu)缺點(diǎn) ,容易看出如果要提取出脈搏波的特征信息 ,其實(shí)就是求出脈搏信號的極 值點(diǎn)。 根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得出脈搏信號通過算術(shù)平均計算以后雖然平滑度有所提升 ,誤差相對閾值法也有明顯的改善 ,但是 N的值不太好確定 , 如果 N取太大 ,信號的平滑度較好 ,但靈敏度會降低；相反的如果 N取太小 ,雖然提高了靈敏度 ,但平滑度又下降了 ,就會增大誤差。 (2) 自適應(yīng)的算術(shù)平均算法 還是假設(shè)我們的脈搏信號的采集結(jié)果是 x(n),然后在 x(n)中我們?nèi)〕鲞B續(xù)的脈搏信號的 N個采樣值點(diǎn)并求出這些點(diǎn)的算術(shù)平均值 ,把這個平均值當(dāng)作該 N個采樣點(diǎn)的取值代表。 然后對 y(n)用差分法，目的是區(qū)分出前面所說的脈搏信號的上升支和下降支 ,再從相鄰的上升支中找到最大值點(diǎn)和最小值點(diǎn)，從而也就能確定出主波峰（最大值點(diǎn)）和始射點(diǎn)（最小值點(diǎn)）。 (1) 閾值法 這里我們假設(shè)脈搏波信號為 x(n) , 然后設(shè)定一個閾值，經(jīng)過我的調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)者認(rèn)為雖然每個脈搏波的波峰會有所波動，但是它們總是波動于一個固定的范圍內(nèi)，基本上不會超 過最大的波形高度的 倍，我們?nèi)?shí)際高度的 倍為參考閾值。 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 15 圖 標(biāo)準(zhǔn)脈搏信號波形圖 傳統(tǒng)的脈搏波特征提取方法 通過我的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，至今為止，研究學(xué)者們提出了一些提取方法，基本上都可以準(zhǔn)確的提取出脈搏信號的時域特征。AB段為脈搏波的升支（上升沿） , BG 段為脈搏波的降支（下降沿）。 grid on。幅度 39。)。 xlabel(39。Butterworth 低通濾波器濾波后的脈搏信號 39。 plot(x3)。%通過零相位濾波器濾除干擾信號 。 grid on。幅度 39。)。 xlabel(39。Butterworth 低通濾波器幅頻響應(yīng) 39。 plot(fs*W3/(2*pi),abs(H3))。 [H3,W3]=freq