光電脈搏檢測(cè)電路圖大全（四款模擬電路設(shè)計(jì)原理圖詳解）

脈搏信號(hào)提取原理

根據(jù)朗伯比爾（LamberBeer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。

脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)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(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過(guò)手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。

從光源發(fā)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(lái)。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(duì)稱布置，從光源發(fā)出的光穿過(guò)皮膚進(jìn)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(lái)，這種方法可較好地指示心律的時(shí)間關(guān)系，并可用于脈搏提取，但不能精確測(cè)量出血液容積量的變化;反射式的測(cè)量原理與透射式的基本相同，所不同的是測(cè)頭當(dāng)中的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是漫反射回來(lái)的光，此信號(hào)可精確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化，本系統(tǒng)采用了透射式來(lái)提取脈搏信號(hào)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

顯示人體脈搏波形的檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示：

光電脈搏檢測(cè)電路圖（一）

光電檢測(cè)電路

單片機(jī)P2.0、P2.1和P2.2三個(gè)端口分別通過(guò)開(kāi)關(guān)三極管9014驅(qū)動(dòng)三種不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管周期性點(diǎn)亮。使用開(kāi)關(guān)三極管可以保證發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定。

光敏二極管使用時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，見(jiàn)圖，根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無(wú)光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)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(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對(duì)（稱之為光生載流子），使流過(guò)PN結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱為光電流。不同波長(zhǎng)的光在光敏二極管的不同區(qū)域被吸收形成光電流。被表面P型擴(kuò)散層所吸收的主要是波長(zhǎng)較短的蘭光，在這一區(qū)域，因光照產(chǎn)生的光生載流子（電子），一旦漂移到耗盡層界面，就會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，被拉向N區(qū)，形成部分光電流；波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光，將透過(guò)P型層在耗盡層激發(fā)出電子一空穴對(duì)，這些新生的電子和空穴載流子也會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，分別到達(dá)N區(qū)和P區(qū)，形成光電流；波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光，將透過(guò)P型層和耗盡層，直接被N區(qū)吸收。在N區(qū)內(nèi)因光照產(chǎn)生的光生載流子（空穴）一旦漂移到耗盡區(qū)界面，就會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下被拉向P區(qū)，形成光電流。因此，光照射時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的光電流應(yīng)是三部分光電流之和。

運(yùn)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(lián)負(fù)反饋，所以具有輸出電阻低，輸入電阻也低的特點(diǎn)。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(yīng)大于5V，可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)工作電壓，旁邊加一個(gè)旁路電容，濾出電源紋波的影響。為了減少光敏區(qū)的暗電流，光敏二極管加保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，利用環(huán)極將器件表面漏電流旁路而使光敏區(qū)漏電流減少。用示波器觀察輸出端波形時(shí)，噪聲信號(hào)比較多，用金屬鋁片做成一個(gè)方盒將反饋電阻屏蔽后，波形中噪聲大大減少。