测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理

2021/11/09 19:55 · 传感器知识资讯 ·  · 测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理已关闭评论
摘要:

测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理相关推荐传感器在电子半导体行业应用明治传感器源自志奋领科技,成立于2010年,是一家全球领先的精密和智能传感器解决方案及产品设计制造商….传感器技术发表于10-2517:31?237次阅读量子传感器的性能分析量

测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理

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-M -M 位置传感器配套仪表

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
9 – 30

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(mA):
4 – 20

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
0 – 10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
7.5

主体特性

信号调节 - LVDT/RVDT 重量?(g):
117

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
DIN 3

使用环境

工作温度范围?:
-20 – 75?°C?[?0 – 165?°F?]

操作/应用

...

发表于 08-21 02:00 ?

10次
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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

17次
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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

12次
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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

12次
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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

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电气特征

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压?(V):
±15

模拟输出?:
±10 V

电气连接?:
PT02A-10-6P

主体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸?:
圆柱形

弹簧回弹式?:
分离式铁芯, 分离式铁芯

壳体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料?:
不锈钢

外壳直径?:
4.78?mm?[?.188?in?]

使用环境

工作温度范围?:
0 – 70?°C?[?32 – 158?°F?]

环境规范?:
1,000 PSI 压力

...

发表于 08-21 01:00 ?

8次
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-M -M 角位移传感器 - RVDTRVIT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

产品类型特性

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型?:
RVDT

结构特性

电气连接?:
M12.5 针

电气特征

Input Current (Max)?(mA):
25

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型?:
0 – 10 VDC

主体特性

角度感应范围?(°):
0 – 120

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量?(g):
99

外壳材料?:

机械附件

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装?:
Servo Groove

...

发表于 08-21 01:00 ?

16次
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-00 -00 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
5 针连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
4 – 30

零加速输出?(mV):
±50

信号特征

频率响应?(Hz):
0-1500

主体特性

轴数?:
1

重量?:
16?g?[?.56?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-1 -1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

结构特性

Resolver Size?:
21

Pole Pairs?:
1

其他

Angular Error?('):
20

发表于 08-21 01:00 ?

8次
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315-120 315-120 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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-00 341A-240 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

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4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-300

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

16次
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4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-800

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
20.8 x 20.8 x 14.5

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
100...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
14.6 x 10.2 x 7.6

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
...

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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-000 -000 位置传感器配套仪表

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电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
±12, ±15

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
±10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
2.5 – 10

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
Printed Circuit Board Edge or Terminal Block

使用环境

工作温度范围?:
-1 – 55?°C?[?30 – 130?°F?]

其他

传感器类型?:
带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT

传感器通道?:
1

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-000 -000 线性位移传感器 - LVDT

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使用环境

工作温度范围?:
5 – 60?°C?[?41 – 140?°F?]

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7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
IEPE

即插即用加速度计传感器类型?:
交流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
10-32 同轴连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±5

励磁电压?(VDC):
18 – 30

励磁电流?(mA):
2 – 10

信号特征

频率响应?(Hz):
0.3-

主体特性

轴数?:
1

重量?:
8.6?g?[?.303?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

14次
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-020 -020 倾角传感器和倾角仪

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结构特性

接口?:
模拟

电气特征

电源电压?(VDC):
12 – 24

模拟接口?(mA):
4 – 20

端接特性

倾角传感器和测斜仪安装?:
垂直

尺寸

尺寸?(mm):
最多 70

倾角传感器和测斜仪精确度?(°):
最多 +/- .5

分辨率?(°):
最多 +/- .01

使用环境

测量原理?:
液体

工作温度范围?:
-25 – 60?°C?[?-13 – 140?°F?]

包装特性

倾...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 AST4300AP4P1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
非易燃压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
10 英尺导管

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

压力?:
344.73?bar?[?5000?psi?]

工作温度范围?:
-40 – 80?°C?[?-40 – 176?°F?]

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

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-00 AST4600AP4W1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
防爆型压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
导管 2 m 引线

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

工作温度范围?(°C):
-40 – 85

工作温度范围?(°F):
-40 – 185, -40 – 185

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

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测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理  第1张

测脉搏传感器:一种中医脉搏传感器及测量方法

摘要:

本发明提供了一种中医脉搏传感器及测量方法,中医脉搏传感器具有一外壳,外壳内设置有加压机构,脉象探头定位机构;加压机构包括有步进电机,导向丝杆和传感器探测头,步进电机的转子连接导向丝杆的一端,导向丝杆的另一端固定传感器探测头,藉由导向丝杆推动传感器探测头移动;脉象探头定位机构包括主传感器,若干定位辅传感器,定位调节机构,主传感器和定位辅传感位于传感器探测头末端,定位调节机构与传感器探测头相连.本发明采用主传感器与多点传感器复合的检测方法,可广泛应用于健康医疗,互联网医疗,中医实验教学以及中医各科的临床辅助诊断等的精密自动探位,自动加压式中医脉搏传感器检测装置及其检测方法.

展开
测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理  第2张

测脉搏传感器:使用 PulseSensor 脉搏传感器测量心率之一:平台搭建

转自:玩的就是心跳 —— 使用 PulseSensor 脉搏传感器测量心率
作者:邵国际
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玩的就是心跳 —— 使用 PulseSensor 脉搏传感器测量心率

邵国际

高冷的逗比码农

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内容简介

对于 arduino 来说,网上有大量关于 PulseSensor 脉搏传感器的资料,而其他单片机上的实例较少。本文使用 STM32F407 系列芯片的 ADC 模块,从硬件配置、简易心率算法编写到官方 Processing 上位机的使用,带你全方位玩转 PulseSensor,玩的,就是心跳!

PulseSensor 脉搏传感器介绍
基本参数

供电电压:3.3~5V

检测信号类型:光反射信号(PPG)

输出信号类型:模拟信号

输出信号大小:0~VCC

电流大小:~4ma(5v 下)
功能原理

PulseSensor 是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。将其佩戴于手指、耳垂等处,利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量。传感器对光电信号进行滤波、放大,最终输出模拟电压值。单片机通过将采集到的模拟信号值转换为数字信号,再通过简单计算就可以得到心率数值。

PulseSensor 是一款开源硬件,目前国外官网上已有其对应的开源 arduino 程序和上位机 Processing 程序,其适用于心率方面的科学研究和教学演示,也非常适合用于二次开发。 网上关于传感器的 arduino 资料已经十分丰富(毕竟同为开源硬件),本文采用 STM32F407系列芯片 的 ADC 模块读取并处理传感器数据,实现心率测量。
引脚定义

传感器只有三个引脚,分别为信号输出 S 脚 、电源正极 VCC 以及电源负极 GND,供电电压为 3.3V - 5V,可通过杜邦线与开发板连接。上电后, 传感器会不断从 S 脚输出采集到的电压模拟值。需要注意的是,印有心形的一面才是与手指接触面,在测量时要避免接触布满元件的另一面,否则会影响信号准确性。

读取传感器电压值 —— STM32 ADC 功能配置
硬件配置

开发板使用的是公司的 M4 板子,传感器 3.3V 供电,信号采集选用 ADC1 的 通道 2,硬件连接如下:

开发板传感器PA2S3V3+GND-

把 PA2 用作模拟功能,配置 ADC 为 12 位分辨率,单次转换,并设置转换序列长度为 1,首次转换通道 2。为确保数据准确性,选择APB2 时钟 6 分频作为 ADC 时钟(即 84M / 6 = 14M),采样时间 480 个周期(使得采样时间更加充分),最后使能 ADC。初始化函数如下:

}

编写好初始化函数后还需要写一个进行 AD 转换的函数,这也是我们功能的核心。思路是通过将十次 AD 转换值进行冒泡排序,然后掐头去尾求平均值作为最后的转换输出值,程序如下:

}
串口打印,验证数据读取
是驴是马得拉出来溜溜,配好的 ADC 能不能用也要经过检验。方法是把从传感器读到的转换值在串口打印,以此测试 ADC 转换是否工作正常。为了模拟波形的效果,编写如下波形打印函数 —— 将读出来的数据缩小适当倍数后,用同一行的星号数量来表示。

}
在主函数的 while (1) 循环中不断调用 Print_Wave() 函数在串口打印输出,每次打印延时一段时间,代码如下:

}
注:由于本文重点是 ADC,所以不对串口与定时器的具体配置展开说明,有需要请查看源代码相应部分程序。
把开发板连接电脑,下载程序后打开串口工具接收数据,通过对传感器测量面绿光的遮挡,可在串口看到用字符打印的波形,波峰波谷清晰可见,并不懂波动,证明 ADC 读取到了传感器输出的模拟电压信号。效果如下图:

计算心率值 —— 采样数据处理算法
心率指的是一分钟内的心跳次数,得到心率最笨的方法就是计时一分钟后数有多少次脉搏。但这样的话每次测心率都要等上个一分钟才有一次结果,效率极低。另外一种方法是,测量相邻两次脉搏的时间间隔,再用一分钟除以这个间隔得出心率。这样的好处是可以实时计算脉搏,效率高。由此引出了IBI 和 BPM 两个值的概念:
IBI: 相邻两次脉搏的时间间隔(单位:ms)
BPM(beats per minute):心率,一分钟内的心跳次数
且:BPM = 60 / IBI
从网上找来的 arduino 开源算法复杂的一匹,看了一遍感觉一头雾水(反正我暂时没看懂)。由上面的分析可以得出,我们的最终目的就是要求出 IBI 的值,并通过 IBI 计算出实时心率。既然知道原理了那就自己来把算法实现吧。
核心操作 —— 识别一个脉搏信号
无论是采用计数法还是计时法,只有能识别出一个脉搏,才能数出一分钟内脉搏数或者计算两个相邻脉搏之间的时间间隔。那怎么从采集的电压波形数据判断是不是一个有效的脉搏呢?
显然,可以通过检测波峰来识别脉搏。最简单粗暴的方法是设定一个阈值,当读取到的信号值大于此阈值时便认为检测一个脉搏。似乎用一个 if 语句就轻轻松松解决。但,事情真的有那么简单么?
其实这里存在两个问题。

问题一:阈值的选取
作为判断的参考标尺,阈值该选多大?10?100?还是1000?我们不得而知,因为波形的电压范围是不确定的,振幅有大有小并且会改变,根本不能用一个写死的值去判断。就像下面这张图一样:
可以看出,两个形状相同波形的检测结果截然不同 —— 同样是波峰,在不同振幅的波形中与阈值比较的结果存在差异。实际情况正是如此:传感器输出波形的振幅是在不断随机变化的,想用一个固定的值去判定波峰是不现实的。
既然固定阈值的方法不可取,那自然想到改变阈值 —— 根据信号振幅调整阈值,以适应不同信号的波峰检测。通过对一个周期内的信号多次采样,得出信号的最高与最低电压值,由此算出阈值,再用这个阈值对采集的电压值进行判定,考虑是否为波峰。也就是说电压信号的处理分两步,首先动态计算出参考阈值,然后用用阈值对信号判定、识别一个波峰。

问题二:特征点识别
上面得出的是一段有效波形,而计算 IBI 只需要一个点。需要从一段有效信号上选取一个点,这里暂且把它称为特征点,这个特征点代表了一个有效脉搏,只要能识别到这个特征点,就能在一个脉搏到来时触发任何动作。
通过记录相邻两个特征点的时间并求差值,计算 IBI 便水到渠成。那这个特征点应该取在哪个位置呢,从官网算法说明可以看出,官方开源 arduino 代码的 v1.1 版本是选取信号上升到振幅的一半作为特征点,我们可以捕获这个特征点作为一个有效脉搏的标志,然后计算 IBI。

算法整体框架与代码实现
分析得出算法的整体框架如下:
缓存一个波形周期内的多次采样值,求出最大最小值,计算出振幅中间值作为信号判定阈值通过把当前采样值和上一采样值与阈值作比较,寻找到「信号上升到振幅中间位置」的特征点,记录当前时间寻找下一个特征点并记录时间,算出两个点的时间差值,即相邻两次脉搏的时间间隔 IBI由 IBI 计算心率值 BPM
代码如下,程序中使用一个 50 长度的数组进行采样数据缓存,在主函数 while (1) 中以 20ms 的周期不断执行采样、数据处理,其中的条件语句 if (PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE) 就表示找到了特征点、识别出一次有效脉搏,串口输出心率计算结果。

// printf(“B%d\r
”, BPM); // 上位机B数据发送
// printf(“Q%d\r
”, IBI); // 上位机Q数据发送
}
// printf(“S%d\r
”, SIG); // 上位机S数据发送
}
将传感器正面轻按在食指上,单片机在每检测到一个脉搏时打印心率值 BPM 和相邻两次脉搏的时间间隔 IBI,实测结果还算稳定(为啥我心率这么高……)。

注意事项:
避免手指触碰传感器背面传感器与手指之间不要施加过大压力,否则会阻碍血液流动而读不到脉搏信号传感器与手指之间的接触要保持稳定,按压力度的轻微变化都会影响电压值
使用 Processing 上位机查看心率
PulseSensor 官方提供了 Processing 语言编写的、超好看的上位机软件,而且项目在 Github 上开源,通过上位机可以查看实时心率图、心率值 BPM 和 脉搏间隔 IBI,那要如何使用这么好用的软件呢?
修改串口数据发送格式
首先要对程序稍作修改,上位机通过解析串口接收到的数据进行心率图绘制、数据图形化显示。要想使用上位机查看心率。单片机串口发送的数据就必须符合上位机的解析格式。具体格式如下:

数据格式均为 ASCII 码,由于数据量较大,采用的波特率为 。其中包含三种数据:以「S」为前缀的,表示脉搏数据(脉象图的数值化表示);以「B」为前缀的,表示 BPM 数值(心率值);以「Q」为前缀的,表示 IBI 数值(相邻两个心跳之间的时间)。这三种数据通过串口发送给上位机 Processing 软件,就会在窗口中显示出来。其中 S 数据 20ms 发送一次,数据量大;B 和 Q 数据只有在检测到有效脉搏后,在每一次心跳后发送一次,数据量下。如下图:

前面写的程序中串口波特率已经是 ,采样频率也是所需的 20ms(代码中的宏定义SAMPLE_PERIOD 的值就是 20),我们只需要计算出上位机所需要的 S、B、和 Q 三个数据,并在适时发送到串口即可。发送代码在上面程序中已经被注释掉,把串口打印调试代码换成注释掉的上位机数据发送 printf() 语句,编译程序并下载到开发板。
下载 Processing 上位机软件
访问上位机的 Github 项目页面:WorldFamousElectronics/PulseSensor_Amped_Processing_Visualizer: Processing code for pulse wave visualization,点击 Clone or download 按钮下的 Download ZIP 即可下载上位机软件及其源码。

下载 Processing 运行环境、打开上位机
由于上位机是用 Processing 语言编写,不能直接打开,需要通过 Processing 运行环境加载运行。
从 Processing 官网下载对于版本的运行环境,地址:Download \ Processing.org
打开下载的 Processing 运行环境,点击右上角「文件」菜单的「打开」按钮,选择下载并解压后的上位机程序 PulseSensorAmpd_Processing_150.pde。

运行上位机,显示心率值
点击运行按钮运行软件,即可看到上位机软件界面。把开发板上电连接电脑,在软件中选择对应的 COM 口,随后软件开始接收串口数据并显示。

实测的波形极容易受传感器与手指的接触力度影响,可用透明胶带进行缠绕固定,数据会稳定许多。

总结
与许多可穿戴设备的心率传感器相比, PulseSensor 还存在很大差距,而自己写程序也仅仅是达到「勉强可用」的程度,输出数据偶尔还是会有大波动。代码也还有许多可改进的地方(比如将 20ms 的数据采样处理用定时器中断实现)。突然觉得传感器采集到数据只是前提,对数据的处理才是一切应用的核心,不断地调整参数、改良算法也是整个过程中最有趣的部分。
这次折腾脉搏传感器让我明白了一件事:为什么我的数学这么渣!!!
keil 工程源码下载:测心率_脉搏传感器 密码 8ut8

参考文章
Pulse Sensor使用说明书V5.0Pulse Sensor Amped – Arduino Code v1.2 Walkthrough

测脉搏传感器:一文读懂光电式脉搏传感器的原理  第3张

测脉搏传感器:手指检测心跳设计——传感器制作篇

有一个红外发射管,一个红外接收管,人脉搏跳动的时候,血液的透光性不一样会导致接收器那边接收的信号强弱不一样,因此可以把变化的信号滤波、放大、整形等系列处理后 ,单片机利用外部中断对其进行计数。
这是手指检测心跳设计的思路。本来我在网上买了一个模块,不过那个模块什么用处都没有,完全是骗人的,劝大家以后不要买。

就是这个模块,还有这个淘宝店,服务一点都不好。
然后,抱怨完,该言归正传。没有检测模块怎么办呢?苍天不负有心人,我还有以前剩下来的红外检测模块。

这个模块,有红外发射和接收的功能,既然有,那就开始改装吧。
首先我把,发射管给剪下来了。

然后重新连接这个小灯,和接收管面对面放。因为经过测试,一个发生管通过手指的光强有点小,新成的脉搏不是很明显,我有拆了一个红外灯,俩个形成更大一点的抖动。

手指放在两个灯之间,便可以检测到心跳,下面是示波器检测到,接收管的波形。

从图中可以明显的看到波形,这是两个红外管的效果,一个管是60mv的峰峰值吧,这个100多,相对大一点,为下面的滤波降低点难度。
做到这里,就是证明这个方案还是可行,还比买的便宜还好用。
下面就是电路设计了,主要的知识就是模电的滤波器设计和放大器设计。贴出我的电路图,参数已经标出实际效果不错。

这里的主要思路是,第一级高通滤波电路,参数为f=0.3388HZ
第二级是一个电压跟随电路,为了隔离两路的阻抗。
第三季是一个压控电压源二阶低通滤波器。
经过三级可以输出较好的图形。
这是焊好的板子

第一级输出波形

第三级输出的波形

从上面的波形图可以卡出来,波形很稳定,并且可以被单片机的中断识别了。
这种情况可能会出现不稳定的现象,因此我打算用AD采集这个波形,通过分析波形来统计心跳频率。

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