Пульс измеряет электроника

Большинство людей вспоминает о своем пульсе, только почувствовав недомогание. Разумно ли это? Вот что говорит известный хирург, член-корреспондент АМН СССР Н. М. Амосов: «Проверьте, и вы убедитесь в том, что большинство людей не знает частоты своего пульса в состоянии покоя. А между тем это важнейший показатель. Если у мужчины пульс 60 ударов в минуту — это хорошо, 70 — уже плоховато, 50 — отлично. У женщин частота пульса чуть выше, чем у мужчин. По мере тренированности пульс будет урежаться. Если прежде он был высок, хорошо опустить его до 60, еще лучше до 50. А вот ниже не надо». Ученый обращает внимание на важность контроля частоты пульса в процессе тренировки организма. Чем быстрее пульс возвращается к нормальному после снятия нагрузки, тем в лучшем состоянии сердце.

Казалось бы, измерить частоту пульса несложно. Нащупав выше запястья биение, определяют по часам с секундной стрелкой число ударов за минуту. Но современного человека уже не удовлетворяет такой «дедовский» метод. И вот на смену ему пришел электронный измеритель пульса. Такие приборы есть только в медицинских учреждениях, и до массового их внедрения пока еще далеко. Возможно, предлагаемый вниманию читателей измеритель частоты пульса позволит заполнить временный дефицит таких приборов.

Пульсомер прост в обращении: достаточно слегка нажать пальцем на небольшую подвижную площадку, расположенную сверху корпуса устройства, и через 10—15 с вы узнаете частоту своего пульса. Питается электронный измеритель от двух батарей «Крона-ВЦ». Их хватает на 6 месяцев работы при 25 ежедневных замерах пульса.

Пульсомер состоит из датчика инфракрасного (ИК) излучения, усилителя и измерительного устройства (рис. 1). Источник и приемник ИК-излучения (В1 и В2 соответственно) установлены сверху прибора под пластмассовой крышкой. Если на нее нажать пальцем, то находящаяся под ней микрокнопка S1 включает питание и светодиод В1 направляет на палец ИК-излучение. Подкожные капилляры отражают это излучение на приемник — фотодиод В2. Когда кровь наполняет капилляры, они расширяются, поглощая ИК-излучение. При сужении сосуда происходит отражение излучения.

Сигнал с фотодиода B2 поступает на двухкаскадный усилитель, выполненный на интегральных микросхемах А1 и А2. В первом каскаде В2 включен между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя А1. Поэтому постоянное напряжение на фотодиоде не превышает 3 мВ.

Амплитуда импульсного напряжения на выходе А1 зависит от многих факторов, но обычно она не превышает 10 мВ. Поэтому основное усиление обеспечивает ОУ А2, у которого в цепи обратной связи включено Т-образное соединение резисторов R9, R11 и R14, эквивалентное одному резистору обратной связи сопротивлением 52 МОм. Следовательно, коэффициент усиления второго каскада равен

K = Rэ/(R7 + R8 + R10) ≈ 1000.

Для подавления паразитной частоты 50 Гц, возникающей на выходе усилителя из-за проникновения света искусственных источников сквозь палец на фотодиод В2, применены два RC фильтра. Между ИМС А1 и А 2 включен фильтр R8C2, а на выходе А2— фильтр R15C3.

Импульсы положительной полярности с выхода А2 через согласующий повторитель, выполненный на транзистора V1, поступают на вход триггера Шмитта, собранного на двух логических ТТЛ-элементах D1.1 и D1.2. Для предотвращения ложных срабатываний триггер Шмитта — стробированный. Строб с выхода ждущего одновибратора D1.3, D1.4 подается на вывод 2 двухвходового логического элемента 2И-НЕ D1.1. Выходные импульсы формирующего триггера, пройдя через дифференцирующую цепочку R16C4, запускают ждущий одновибратор, собранный на логических элементах D1.3 и D1.4, который вырабатывает калиброванные импульсы длительностью 200 мс. К этому одновибратору подключении инвертор на транзисторе V3 со светодиодом B3 в коллекторной цепи, отражающий биение сердца, и двухкаскадная схема измерителя частоты пульса (V4, V5). Чтобы уменьшить габариты пульсомера, в нем применен стрелочный прибор РА1 на 1 мА и двухтранзисторная схема измерения частоты методом заряда и разряда конденсатора С6. Частота пульса, а следовательно, и частота следования импульсов ждущего одновибратора определяет величину тока, протекающего через измерительный прибор РА1. С увеличением частоты импульсов конденсатор С6 будет заряжаться до большего напряжения, и прибор РА1 покажет большее значение. Зарядная цепь конденсатора С6 проходит через открытый транзистор V5 и резистор R29. Значение сопротивления разрядной цепи определяется в основном номиналом R30 и сопротивлением измерительного прибора. Ввиду низкой частоты пульса (1—2Гц) и большой величины емкости С6, стрелка измерительного прибора достигает своего установившегося значения только после 10 импульсов, совершая небольшие колебания возле него.

Монтажная плата (рис. 2) прибора размером 53X82 мм выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Для уменьшения габаритов большая часть резисторов и потенциометры R2 и R13 установлены вертикально. Микросхема D1 расположена со стороны токопроводящих дорожек. На плате крепится и узел датчика (рис. 3). Крышка, прикрывающая ИК-диоды, служит одновременно и для включения измерителя пульса. Участок крышки Ø 6 мм, находящийся над ИК-дмодами, сделан более тонким и тщательно отполирован.

В устройстве применены конденсатора: C1 — KM-H9G; С2, С5, — К53-1; С3 — К50-6; С6 состоит из трех включенных параллельно конденсаторов К53-4 емкостью 200 мкФ. Переменные резисторы — СП5-3, постоянные резисторы — МЛТ-0,125. Кнопки: S1 типа МП-10, S2 — МП-12. В приборе применена измерительная головка М2001 с током полного отклонения стрелки 1 мА.

Питается пульсомер от стабилизированного источника. Он состоит из стабилизатора, собранного на транзисторах V2, V3, V5 (рис. 4), и разделителя напряжения на ОУ А1. Выходное однополярное напряжение после регулирующего транзистора V3 имеет величину 11 В (между выводами 4, 5) и с помощью А1 и V6, V7 преобразуется в двухполярное ±5,5 В с искусственной «средней точкой». Выходное напряжение стабилизатора устанавливают резистором R6, а точность деления пополам — цепочкой R8, R9. Разделитель напряжения по соображениям экономичности выполнен на микросхеме К140УД6: величина тока, потребляемого стабилизатором без нагрузки, не превышает 5 мА. С нагрузкой — максимальный ток 50 мА, коэффициент стабилизации — не менее 200.

Для предотвращения пробоя активных элементов в случае неправильного подключения источника питания служит Диод V1.

Монтажная плата стабилизатора показана на рисунке 5. Детали устанавливают на ней с минимально возможной высотой. Конденсаторы С2, С3 — К53-4.

Измеритель частоты пульса размещен в прямоугольном футляре размером 142X58X53 мм.

Налаживать пульсомер начинают с проверки стабилизатора напряжения. Для этого на его вход подают питание 13—18 В и при необходимости устанавливают резистором R6 напряжение между точками 4, 5 в пределах 10— 11 В. В случае если разность отрицательного и положительного напряжений превышает 0,3 В, их выравнивают, подбирая величину резистора R8 или R9. Затем измеряют ток, потребляемый стабилизатором без нагрузки.

Теперь нужно выбрать правильный режим работы датчиков ИК-излучения и микросхемы А1. Для этого положите палец на датчики и переменным резистором R2 установите постоянное положительное напряжение на выходе А1 в пределах 2—3 В. Если оно отрицательное, поменяйте местами выводы фотодиода В2.

На экране осциллографа, подключенного к выходу А1 в положении аттенюатора 10 мВ см, должны наблюдаться слабые импульсы, вызванные биением крови в капиллярах пальца. Вторая точка контроля при настройке — вывод 1 микросхемы D1. На ее вход сигналы пульса поступают в виде положительных импульсов амплитудой более 2 В. Чтобы ТТЛ-микросхема К136ЛАЗ работала в режиме, переменным резистором R13 выставляют напряжение на ее входе в пределах 0,2—0,3 В, соответствующее логическому 0. После завершения упомянутых операций начинает мигать светодиод B3 «Пульс» и стрелка измерительного прибора отклоняется.

В заключение остается только отградуировать стрелочный индикатор. Для этого используют продифференцированный сигнал развертки осциллографа амплитудой не более 5 В, подсоединив его к катоду диода V2. В положении «0,1 см/с» переключателя разверток в прибор будут поступать импульсы, соответствующие частоте пульса 60 ударов в минуту. Подбирая величину резистора R29, добиваются, чтобы стрелка индикатора максимально отклонялась до отметки «60» на шкале. Изменяя частоту развертки осциллографа, градуируют прибор до значения 120 ударов в минуту.

Завершающий этап настройки — подбор номинала резистора R31 такой величины, чтобы при нажатии на кнопку S2 «Контроль» стрелка прибора останавливалась на отметке «110», соответствующей напряжению питания 11 В.

В дальнейшем, проводя измерения, помните о том, что при сильном нажатии пальца его капилляры сужаются и прибор перестает улавливать пульсацию крови. Поэтому если после включения измерителя отсчета пульса не происходит, уменьшите давление пальца на подвижную площадку, пока не начнет мигать светодиод. Отсчет показаний берут по максимальному отклонению стрелки через 8—10 последовательных ударов пульса. А поскольку прибор имеет высокую чувствительность и улавливает любые колебания руки, измерение пульса лучше проводить сидя, положив локоть на стол.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСОМЕРА

В. ЕФРЕМОВ, Ю. ШНАПЦЕВ