目次
序文
脈拍測定器の設計は、心拍による血液の変化を検出し、さまざまな反射信号を生成し、センサーを使用して脈拍を電気信号に変換し、増幅、整形、フィルタリングして、最終的に送信します。処理用のワンチップマイコンを使用し、5mm赤外線受光管と送信管からなる光電ペア管を用いた脈拍計測のハードウェア回路設計について紹介します。
1. 脈拍の測定方法
光電検出方式は、血液が体内を流れる際の光の透過率や反射率の違いを光電センサーで検出し、電気信号に変換する方式です。この方法には 2 つの方法があります。1 つは透過型、もう 1 つは反射型です。
オポジットビーム型は、適切な大きさのリングの両側に送信管と受信管を配置し、測定時に人間の指をリングの中に入れると、その変化により光電受信管の光電流が変化します。指の血流もそれに応じて変化します。
反射型は光の発光と受光が同じ方向を向いており、人体の血流が変化すると光の反射率も変化し、心拍数を検出します。今回は、5mm赤外線受信管と送信管からなる透過型光電管測定パルスのハードウェア回路設計のみを紹介します。5mm 赤外線受信管と送信管の物理的な図を以下の図 1-1 に示します。
図 1-1 5mm 赤外線受信管と送信管の物理的なイメージ
2. 脈拍測定の原理
2.1 パルス信号処理全体回路
図 2-1 に示すように、独自のパルス信号信号処理回路は主にローパス フィルター、信号増幅、波形整形の 3 つの部分で構成されており、信号増幅と波形整形はデュアル オペアンプ LM358 によって実現されています。
図 2-1 信号処理回路全体
2.2 信号取得回路
パルス信号取得回路を図 2-2 に示します. U2 と D2 はそれぞれ赤外線発光素子と受光素子であり、赤外線発光ダイオードの電流が大きくなるほど発光角度が小さくなり、発光強度が大きくなるため、抵抗値は大きくなります。 R5 へ 値の選択はより要求が厳しくなります。R5 に 220Ω を選択したのは、赤外線受信トランジスタの赤外線感度の考慮にも基づいています。R5 が大きすぎると、赤外線発光ダイオードを流れる電流が小さすぎ、赤外線受信トランジスタは心拍がある場合とない場合の信号を区別できません。逆に、R5が小さすぎると、流れる電流が大きくなりすぎて、赤外線受信トランジスタが心拍の有無を正確に区別できなくなります。
光電センサが出力するパルス信号は非常に微弱な信号であり、周波数も非常に低いため（50拍/分で0.78Hz、200拍/分で3.33Hzなど）、様々なノイズ干渉を伴います。したがって、信号は R7、C4 ローパス フィルターの後、高周波干渉を除去する必要があります。
図 2-2 信号取得回路
2.3 信号増幅回路
図 2-3 に示すように、RT1 と R14 の抵抗の比がアンプの倍率となり、計算するとアンプの理論値は 200 倍になりますが、倍率は 20 倍程度しかありません。図中のC5はカップリングコンデンサで、DCを遮断してACと通信するために使用されますが、1uFのコンデンサを使用しているのはすべての信号を通過させるためです。
図 2-3 信号増幅回路
2.4 波形整形回路
電圧比較器は、一般的に使用される集積回路です。警報回路、自動制御回路、計測技術に使用でき、V/F変換回路、A/D変換回路、高速サンプリング回路、電源電圧監視回路、発振器、電圧制御回路にも使用できます。発振回路、ゼロクロス検出回路など ここでは主にその基本概念、動作原理、代表的な動作回路を紹介します 電圧比較器は2つのアナログ電圧を比較し、どちらの電圧が高いかを判定します 受信信号電圧がこの値より小さい場合は0Vを表示し、この値より大きい場合は0Vを表示します値が 5V の場合、0 と 5V の方形波が形成されます。図 2-4 に示すように、ローパス増幅後のパルス信号は 0 V と 5 V の方形波に整形され、パルスのハイレベルは心拍と同期し、赤色のライトの点滅で示されます。発光ダイオード RED1、つまり発光ダイオードは心拍ステータス ディスプレイとして機能し、発光ダイオードは心臓が鼓動するたびに 1 回点灯します。
図 2-4 電圧コンパレータ
フィルタリング、増幅、整形後の脈拍信号はワンチップマイコンに送られて処理され、処理結果が表示器に表示されることで脈拍測定システムの設計が完了します。
要約する
この記事では、回路設計について詳しく紹介します.5mm赤外線受信管と送信管からなる光電ペア管を使用して、フィルタリング、増幅、整形などのパルスのハードウェア回路設計を測定します.不備があればご指摘ください.コメント欄に書き込んで一緒にコミュニケーションをとりましょう。