脈搏信號提取原理

根據朗伯比爾（LamberBeer）定律，物質在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征。

脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。

從光源發出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。透射式的光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，從光源發出的光穿過皮膚進入深層組織，除被皮膚、色素、指甲、血液等吸收外，一部分由血液漫反射回，其余部分則透射出來，這種方法可較好地指示心律的時間關系，并可用于脈搏提取，但不能精確測量出血液容積量的變化;反射式的測量原理與透射式的基本相同，所不同的是測頭當中的發射光源和光敏器件位于同一側，接收的是漫反射回來的光，此信號可精確地測得血管內容積變化，本系統采用了透射式來提取脈搏信號。

系統硬件設計

顯示人體脈搏波形的檢測系統如圖1所示：

光電脈搏檢測電路圖（一）

光電檢測電路

單片機P2.0、P2.1和P2.2三個端口分別通過開關三極管9014驅動三種不同波長的發光二極管周期性點亮。使用開關三極管可以保證發光二極管發光強度穩定。

光敏二極管使用時要反向接入電路中，即正極接電源負極，見圖，根據PN結反向特性可知，在一定反向電壓范圍內，反向電流很小且處于飽和狀態。此時，如果無光照射PN結，則因本征激發產生的電子-空穴對數量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當有光照射PN結時，結內將產生附加的大量電子空穴對（稱之為光生載流子），使流過PN結的電流隨著光照強度的增加而劇增，此時的反向電流稱為光電流。不同波長的光在光敏二極管的不同區域被吸收形成光電流。被表面P型擴散層所吸收的主要是波長較短的蘭光，在這一區域，因光照產生的光生載流子（電子），一旦漂移到耗盡層界面，就會在結電場作用下，被拉向N區，形成部分光電流；波長較長的紅光，將透過P型層在耗盡層激發出電子一空穴對，這些新生的電子和空穴載流子也會在結電場作用下，分別到達N區和P區，形成光電流；波長更長的紅外光，將透過P型層和耗盡層，直接被N區吸收。在N區內因光照產生的光生載流子（空穴）一旦漂移到耗盡區界面，就會在結電場作用下被拉向P區，形成光電流。因此，光照射時，流過PN結的光電流應是三部分光電流之和。

運放CA3140，輸入偏置電流僅為10^2nA，可作為光電流放大器，利用放大器反向輸入端的虛地特性，可在輸出端得到與光敏二極管中的光電流成正比的光電壓。如圖3-11所示電路，由于引入電壓并聯負反饋，所以具有輸出電阻低，輸入電阻也低的特點。輸出電阻低，使輸出電壓接近理想電壓源，輸入電阻低，使光電流流入放大電路中為恒定值。為了減少輸出的非線性，光敏二極管的工作電壓應大于5V，可通過電位器調節工作電壓，旁邊加一個旁路電容，濾出電源紋波的影響。為了減少光敏區的暗電流，光敏二極管加保護環結構，利用環極將器件表面漏電流旁路而使光敏區漏電流減少。用示波器觀察輸出端波形時，噪聲信號比較多，用金屬鋁片做成一個方盒將反饋電阻屏蔽后，波形中噪聲大大減少。