作者制作了一個(gè)基于光敏電阻的心率監(jiān)測(cè)器以在示波器上顯示。這樣您就可以在示波器上查看波形，同時(shí)還可以讀出您的心率。

當(dāng)心臟收縮并將血液推向全身時(shí)，可以檢測(cè)到血壓的瞬時(shí)波動(dòng)。這就是我們可以感覺到脈搏的原因。在皮膚和肌肉足夠薄的身體區(qū)域，可以在穿過的光的輕微變化中檢測(cè)到這些脈沖。雖然我們的眼睛不夠敏感，甚至無法看到穿過我們身體的光線，更不用說波動(dòng)了，但光敏電阻確實(shí)具有這種程度的敏感度。

光敏電阻會(huì)隨著落在其上的光強(qiáng)而改變其電阻。盡管對(duì)于光照強(qiáng)度的細(xì)微變化，電阻的變化可能非常小，但可以使用幾個(gè)運(yùn)算放大器 IC 來放大它們。

操作原理

下圖顯示了電路原理圖以及該項(xiàng)目中使用的面包板。

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光敏電阻與 20kΩ 電阻器位于分壓器中，這意味著隨著電阻器上光量的增加，分壓器上的電壓也會(huì)增加。第一個(gè)運(yùn)算放大器（上圖中的“Amp1”）用作分壓器的濾波器，從信號(hào)中去除高頻噪聲。第二個(gè)運(yùn)算放大器（“Amp2”）用作反相放大器，設(shè)置為最大化通過濾波器的信號(hào)。第三個(gè)運(yùn)算放大器（“Amp3”）設(shè)置虛擬接地，將信號(hào)集中在 2.5V。這確保運(yùn)算放大器能夠提供從 0V 到 5V 的最大信號(hào)擺幅。經(jīng)過過濾和放大后，信號(hào)看起來像這樣。

為了讓 Arduino 測(cè)量您的心率，信號(hào)需要通過一個(gè)比較器（示意圖中的“Cmp”）。比較器是專門設(shè)計(jì)用于輸出高信號(hào)或低信號(hào)的運(yùn)算放大器。當(dāng)正輸入電壓大于負(fù)輸入電壓時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)正輸入電壓小于負(fù)輸入電壓時(shí)，比較器輸出低電平。在其最基本的配置中，比較器用作閾值檢測(cè)器，在測(cè)量電壓高于或低于該閾值時(shí)發(fā)出信號(hào)。由于比較器輸出高電平 (5V) 或低電平 (0V)，因此非常適合與 Arduino 的數(shù)字引腳連接。

注意噪音和重搏切跡。

仔細(xì)觀察來自運(yùn)算放大器的信號(hào)圖像，很明顯在電壓下降之前有一個(gè)二次脈沖（這稱為重博陷波）。此外，信號(hào)中存在大量噪聲。這兩個(gè)事實(shí)意味著基本的比較器配置將無法正確檢測(cè)脈沖。比較器將生成多個(gè)脈沖，而不是每次心跳都生成一個(gè)方波脈沖。發(fā)生這種情況是因?yàn)樵肼晻?huì)導(dǎo)致信號(hào)在上升和下降過程中多次超過閾值，并且可能在重搏切跡期間根據(jù)閾值的設(shè)置位置而定。這將導(dǎo)致 Arduino 計(jì)算出比實(shí)際存在的更多的脈沖。

可以使用滯后來處理噪聲信號(hào)。這個(gè)文件德州儀器 (Texas Instruments) 就滯后信號(hào)調(diào)理主題進(jìn)行了精彩討論，展示了信號(hào)噪聲如何影響比較器性能，以及如何處理這些問題。我使用他們的原理圖和導(dǎo)出的方程式（分別為文檔的第 5 頁(yè)和第 7 頁(yè)）為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了非對(duì)稱比較器。總體思路是來自輸出的反饋回路將改變正輸入端的電壓，這意味著從低到高的閾值將不同于從高到低的閾值。這在心臟脈搏的背景下意味著比較器可以設(shè)置為在上擺的一個(gè)點(diǎn)觸發(fā)，然后在下擺的不同點(diǎn)觸發(fā)，最好是在重搏切跡之后。這樣，Arduino 將在每次心跳時(shí)看到一個(gè)方波脈沖，

黃色信號(hào)來自比較器，每次心跳時(shí)它都會(huì)變低。

光敏電阻的制備

我強(qiáng)烈建議在光敏電阻上使用某種透明覆蓋物，例如透明熱縮管。至少，確保導(dǎo)線被完全覆蓋，以免它們接觸到您的皮膚。您身體產(chǎn)生的電壓完全在光敏電阻檢測(cè)到您的脈搏時(shí)產(chǎn)生的電壓范圍內(nèi)，因此與您的皮膚接觸可能會(huì)影響結(jié)果。

確保光敏電阻包裹在某種東西中以防止引線接觸皮膚。

調(diào)整心率監(jiān)測(cè)器

對(duì)于示意圖中的電位器 (R7)，使用單圈電位器并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以最大化運(yùn)算放大器的增益而不進(jìn)入飽和狀態(tài)。首先將電位器的一側(cè)設(shè)置為大約 375Ω，并將濾波器（“Amp1”）連接到這一側(cè)。這個(gè)增益量應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生足夠的脈沖，您將能夠在 WaveForms Live 中看到它。在執(zhí)行下一節(jié)（“在實(shí)時(shí)波形中查看脈沖”）中的步驟并成功查看您的脈沖后，您可以根據(jù)需要更改增益。通過轉(zhuǎn)動(dòng)電位器來增大脈沖幅度，使濾波器側(cè)電阻變小。如果幅度已經(jīng)太大并導(dǎo)致削波，請(qǐng)?jiān)龃鬄V波器側(cè)電阻。閱讀以下圖像上的說明，以確定所需信號(hào)的外觀。

1 / 7 ?增益為無窮大，增加濾波器側(cè)電阻。

我建議對(duì)電阻器 R3 和 R4 使用多圈電位器，以便精確設(shè)置比較器的閾值。電阻 R5 可以是 10-100kΩ 范圍內(nèi)的任何電阻，只要它被精確測(cè)量即可。您可以使用附件部分中的電子表格，根據(jù) R5 的測(cè)量值和閾值電壓來確定將 R3 和 R4 設(shè)置為什么值。閾值“Vl”和“Vh”需要根據(jù)您通過示波器看到的脈沖進(jìn)行更改（請(qǐng)參閱標(biāo)題為“設(shè)置比較器閾值”的部分）。

電阻R8和R9可以用一個(gè)電位器代替，中間的引腳接運(yùn)放的正輸入端。這樣就可以很容易地調(diào)整虛擬接地，而無需尋找匹配電阻。在將輸出調(diào)整為 2.5V 時(shí)使用電壓表或 OpenScope。

在 WaveForms Live 中查看脈沖

為了通過 WaveForms Live 查看您的心跳，您需要更改菜單中的一些設(shè)置。默認(rèn)情況下，輸出要么被拉長(zhǎng)并且難以解釋，要么更新速度非常慢并且很難調(diào)整您對(duì)光敏電阻的握持以產(chǎn)生清晰的脈沖。

將 OpenScope 示波器通道 2（藍(lán)線）連接到“Amp2”的輸出，并確保接地線連接到面包板上的地面。在 WaveForms Live中，將Time更改為“1s”，然后在Trigger菜單中按下OFF按鈕。對(duì)于Osc Ch 1和Osc Ch2 菜單，將Offset設(shè)置為 2.5V，然后單擊Samples旁邊的鎖定圖標(biāo)，然后在可用的字段中鍵入“1000”。這將使信號(hào)出現(xiàn)在易于解釋的時(shí)間尺度上，但會(huì)使更新比默認(rèn)情況下更頻繁地發(fā)生。屏幕應(yīng)每 4 秒左右更新一次。如果這仍然太慢，您可以增加樣本值，但以縮短信號(hào)片段為代價(jià)（“2000”將一次捕獲大約一個(gè)心跳）。

按下RUN按鈕，用手指在光敏電阻上測(cè)量脈搏。您需要找出獲得一致結(jié)果的最佳方法。該系統(tǒng)對(duì)壓力變化非常敏感，因此您需要找到一種方法讓您的手指保持靜止。我發(fā)現(xiàn)測(cè)量脈搏的最佳位置是在食指的第一個(gè)關(guān)節(jié)處。訓(xùn)練自己需要一點(diǎn)時(shí)間，但最終你會(huì)找到最好的方法。如果您的脈搏看起來太小，請(qǐng)按照上一節(jié)（“調(diào)整心率監(jiān)測(cè)器”）第一段中的說明調(diào)整電位計(jì)。

我找到的固定光敏電阻的最佳方法。

設(shè)置比較器閾值

一旦信號(hào)在示波器上可見，您將需要設(shè)置比較器將觸發(fā)并向 Arduino 發(fā)出信號(hào)的閾值。獲取具有代表性的波形并停止捕獲以將波形保留在顯示屏上。在屏幕底部按下CURSORS按鈕。在類型下選擇“電壓”并設(shè)置兩個(gè)CursorChannels到“Osc 2”。顯示屏上將出現(xiàn)兩條水平虛線。拖動(dòng)左側(cè)的三角形來移動(dòng)它們。將其中一條線設(shè)置在脈沖峰值附近的點(diǎn)，將另一條線設(shè)置在重搏切跡下方的點(diǎn)。查看屏幕底部并記錄括號(hào)中顯示的兩個(gè)電壓。在最后附上的電子表格中輸入這些值作為閾值電壓“Vl”和“Vh”。較小的值為“Vl”，較大的值為“Vh”。根據(jù)這些值和您選擇的電阻器 R5 值，設(shè)置電子表格計(jì)算的電位器 R3 和 R4 值。

用于設(shè)置比較器閾值的良好波形示例。

設(shè)置比較器后，它應(yīng)該開始輸出類似于“光敏電阻器的準(zhǔn)備”部分之前的信號(hào)。

Arduino代碼

Arduino 代碼由頻率計(jì)數(shù)器和計(jì)算心率（以每分鐘心跳次數(shù)為單位）的方法組成。頻率計(jì)數(shù)器會(huì)考慮來自比較器的脈沖寬度，并拒絕任何小于 200 毫秒或大于 800 毫秒的脈沖。當(dāng)光敏電阻未用于測(cè)量且比較器可能為高電平、低電平或在兩種狀態(tài)之間快速切換時(shí)，這將防止它顯示錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。該代碼保持前 15 秒心率的運(yùn)行平均值，以濾除因意外運(yùn)動(dòng)引起的信號(hào)噪聲而遺漏的脈搏。

未來的改進(jìn)

該項(xiàng)目的主要缺點(diǎn)是很難以脈沖在兩次使用之間具有相同幅度的方式來固定光敏電阻。由于傳感器依賴于環(huán)境光來檢測(cè)脈搏，因此全天改變光照水平可能會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。我注意到在陰天我的比較器閾值太寬，而在明亮的日子里重搏切跡非常明顯并且可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的脈沖檢測(cè)。此外，光敏電阻甚至可以檢測(cè)到房間運(yùn)動(dòng)引起的細(xì)微光線變化。一致性問題可以通過幾種不同的方式來解決。

傳感器系統(tǒng)可以包括 LED 以提供一致的光。這類似于醫(yī)生辦公室使用的心臟監(jiān)測(cè)夾或手機(jī)中的心率監(jiān)測(cè)器。我試著用另一側(cè)的光敏電阻將紅色 LED 靠在手指的頂部。結(jié)果令人鼓舞，因此如果可以制作良好的圍欄，這可能是一個(gè)可行的選擇。

在軟件方面，一個(gè)潛在的解決方案是在 Arduino 中使用自動(dòng)量程算法。它會(huì)檢測(cè)脈沖并找到它們的波峰和波谷。但是，這不足以執(zhí)行心率測(cè)量。一個(gè)合適的頻率計(jì)數(shù)器需要中斷。如果沒有中斷，Arduino 的處理器可能會(huì)在檢查輸入引腳和錯(cuò)過脈沖之外做其他事情。由于中斷僅在數(shù)字引腳上可用，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程的最佳方法是使用數(shù)字電位器。Arduino 將使用模擬引腳找到脈沖出現(xiàn)的范圍，確定比較器閾值應(yīng)該是多少，通過數(shù)字電位器應(yīng)用它們，然后使用來自比較器的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行頻率計(jì)數(shù)。