Описание.
К рассмотрению предлагается устройство, измеряющее частоту сердечных сокращений (ЧСС), а также её нестабильность. Первой решаемой задачей – была минимизация потребляемой мощности, так как прибор хотелось иметь миниатюрный, такой, чтобы человек мог постоянно иметь его при себе. Поэтому в нем используется контроллер серии V, имеющий очень малый потребляемый ток и большой диапазон питающих напряжений (1,8-5,5)В.
Схема отрабатывалась на эмуляторе Proteus 7.8 SP2, а также собиралась в «железе».
Принцип действия.
В качестве датчика применили открытую оптопару: инфракрасный (красный) светодиод – излучатель и фотодиод – приемник. Пара устанавливается внутри наперстка, так чтобы при одевании его на палец свет от излучателя к приемнику проникал только сквозь тело (не было прямого освещения приемника излучателем). Уровень сигнала на выходе приемника зависит от степени наполнения сосудов кровью.
Приемный фототранзистор пришлось долго подбирать. Простенькая схемка усилителя на одном транзисторе совершенно не годилась, глубина модуляции светового потока степенью наполнения капилляров кровью оказалась очень небольшой, около 3-5%. К этому слабому сигналу добавляется сильная сетевая помеха 50Гц, причем она не только электромагнитная, но и световая (от ламп дневного света). Выделить полезный сигнал цифровыми методами такому простому контроллеру не под силу.
В микроконтроллере ATtiny13, кроме АЦП, имеется компаратор напряжений и было решено воспользоваться им. АЦП микроконтроллера в новой схеме служит только как таймер, отсчитывающий длительность зондирующего импульса. Основная обработка полезного сигнала возложена на внутренний компаратор. Фильтрация сетевой помехи осуществляется внешним ФНЧ.
Схема обработки сигнала фототранзистора представляет собой устройство на двух ОУ. Она представлена на рис. 1. В качестве ОУ применен микропотребляющий TLC27L2.
Принципиальная схема.
Рис. 1.
Первый ОУ U2A усиливает сигнал. Второй ОУ (U2В)– повторитель с высоким входным сопротивлением.
Сигнал усиливается и подается на пиковый детектор с постоянной времени 1 секунда (R3, C1), сетевая помеха, при таких номиналах нагрузки детектора, значительно подавляется, но не полностью (дальнейшую фильтрацию, пришлось таки, делать программно). Из этой точки сигнал поступает на прямой вход компаратора контроллера. Чтобы компаратор имел «следящий» порог, на инвертирующий вход подается не постоянное смещение, а тот же сигнал, но дополнительно сглаженный цепью R4, C2. Повторитель на U2В нужен для смещения рабочей точки усилителя U2A в отрицательную область пропорционально уровню полезного сигнала на инвертирующем входе компаратора. Такое схемное решение приводит к частичной потере сигналом его постоянной составляющей, которая полезной информации не несет.
Датчик пульса состоит из светодиода D3 – передатчика и фототранзистора Q1– приемника. В качестве приемника Q1 был использован фототранзистор оптопары BPI-3C1-10, причем линза была спилена мелким напильником (с линзой светодиода была проделана та же операция). Линзы спиливаются для расширения диаграммы направленности, потому что и приемник и передатчик прилегают к коже. Внешний вид BPI-3C1-10 показан на рис. 2.
Оптопара аккуратно «разбирается» кусачками, из нее извлекаются фототранзистор и светодиод.
Датчик сделан временный – светодиод и фототранзистор приматываются лейкопластырем к мизинцу, сверху надевается металлический заземленный наперсток. Приемник Q1 соединен с платой экранированными проводами, как обозначено на схеме. Внешний вид неснаряженного датчика приведен на рис. 3.
Как видно из фотоснимка, экранированные провода подходят к фотоприемнику, экран соединяется с наперстком, а светодиод (передатчик) соединен с платой обычными проводами.
В новом варианте прибора выход пищалки и одного из светодиодов пришлось объединить, так как не хватает свободных выходов контроллера.
Схема, которая приведена на рис. 1 собрана на печатной плате, он была разведена в пакете PCAD, файл прилагается.
Для тех у кого нет этого пакета прилагается рисунок в натуральную величину рис. 4.
Рис. 4.
Если делать печатную плату по «утюжной» технологии, рисунок при распечатке необходимо «зазеркалить». Устройство необходимо полностью поместить в экран.
Резисторы, конденсаторы и микросхемы – для поверхностного монтажа. Как элементы размещены на плате видно из рис. 5. Резисторы и конденсаторы – размера 0805, микросхемы – SOIC-8. Пищалка пьезоэлектрическая, ни в коем случае – другая, иначе контроллер может лишиться порта.
Рис. 5.
Все необходимые для повторения файлы находятся в архиве.