Измеритель пульса

Стремясь избежать последствий гиподинамии, все больше людей пополняют клубы любителей бега. Для самоконтроля пульса, необходимого непосредственно до и после выполнения упражнений, будет полезен небольшой цифровой прибор, к датчику которого достаточно приложить палец и через 12 с светодиодное табло.покажет результат.

Питание прибора осуществляется от 3 батарей Крона-ВЦ, энергии которых хватает для работы в

Техническая характеристика

Диапазон измерений, удар/мин 40...199 Максимальная погрешность измерения,

удар/мин ±5

Время измерения, с 12

Габариты, мм 147X57X50

Масса, г 300

Напряжение источников питания, В - 18 и 9
Ток, потребляемый от источника питания с напряжением 18 В, мА 13
Диапазон рабочих температур, °С —10...+40

течение 4 месяцев при 25 ежедневных замерах пульса. За интервал времени, равный 12 с, подсчитывается число ударов сердца, затем это число умножается на 5 и результат появляется на светодиодных индикаторах. Результат не всегда получается кратным 5, так как хотя каждый импульс, соответствующий удару сердца, заменяется 5 импульсами, которые заносятся в счетчики, но при отсутствии жесткой синхронизации такой способ. подсчета импульсов обеспечивает выдачу на индикаторы практически всех чисел от 40 до 199.

Функциональная схема измерителя пульса представлена на рис. 1, Сигнал, излучаемый ИК-светодиодом , отражается от пальца и улавливается фотодиодом датчика, который подключен ко входу усилителя А1. Далее, пройдя через фильтр низких частот, сигнал поступает на второй усилительный каскад А2, на выходе которого его амплитуда достигает значения, достаточного для работы схемы формирователя D1. Последний представляет собой триггер Шмитта и вырабатывает импульсы, соответствующие ударам пульса, которые, пройдя через дифференцирующую цепь R1C1, запускают ждущий одновиб-ратор D2. Одновибратор D2 выполняет две функции: блокирует триггер D1 и запускает схему цифрового пересчета. Блокирование триггера D1 делает считывание сигналов пульса более надежным, так как после прохождения импульса в течение следующих 200 мс триггер Шмитта не реагирует на другие входные сигналы. Кроме того, выходной импульс одновибратора D2 в режиме Счет через схему совпадений D3 запускает два ждущих одновибратора D4 и D5. Одновибратор D4 задает время измерения пульса, а другой одновибратор D5 вырабатывает сигналы, осуществляющие пересчет. В результате подачи сигналов одновибратора D5 и генератора G1 на вход схемы совпадения D8, на ее выходе формируются пачки импульсов, каждая из которых состоит из 5 импульсов.

и небольшой ток потребления (In ≈ 1 мА), что позволило создать экономичный прибор, работающий в широком диапазоне температур. Фотодиод VD2 включен между инвертирующим и неинверти-рующим входами первого ОУ, поэтому постоянное напряжение на нем не превышает нескольких мВ, что является особенностью первого каскада. Второй каскад усилителя имеет коэффициент усиления около 1000, а амплитуда полезного сигнала на его выходе достигает 3 В. Между первым и вторым каскадами включены разделительный конденсатор С1 и R С-фильтр (R 8C 2), снижающий фон с частотой 50 Гц. С этой же целью. на выходе элемента DA 2 включен фильтр R 14C 3. Усилительная часть прибора заканчивается собранным на транзисторе VT 1 эмиттерным повторителем, который служит для согласования выхода ОУ и входа ТТЛ микросхемы DD .1. К136ЛАЗ. Четыре логических элемента этой микросхемы выполняют функции триггера Шмитта (DD 1.1 и DD1.2) и одновибратора (DD1.3 и DD1.4). Триггер Шмитта по входу 2 блокируется импульсами одновибратора,что позволяет четко фиксировать коли-честг ударов пульса. На выходе 11 одновибратора сигнал имеет вид прямоугольных импульсов отрицательной полярности длительностью 200 мс и амплитудой 5 В, часта, а повторения которых изменяется от 0,5 до 3,3 Гц.

Индикация ударов пульса осуществляется светрдиодом . VD4. Таким образом посредством микросхем DA1, DA2 и DD1 удается выделить импульсы ударов пульса.

При желании радиолюбители могут заменить цифровую часть прибора более простой, аналоговой, в качестве которой подойдет простой стрелочный частотомер с диапазоном измерения 0,5...3 Гц и шкалой, дроградуирован-ной в уд/мин.

Измерение частоты пульса в .приборе,.принято самое простое — подсчет импульсов за определенный период времени, хотя, строго говоря, удачней была.бы система отсчета пульса в режимах средний (за 10 ударов пульса) или мгновенный (от удара к удару). Однако последние способы подсчета пульса требуют более сложной реализации, что приведет к нежелательному увеличению габаритов прибора.

Цифровая часть измерителя частоты пульса содержит следующие функциональные узлы: двенадцатисекундный одновибратор (DD2.1 и DD2.2), одновибратор с длительностью импульса 2,5 мс (DD3.2—DD3.4), генератор прямоугольных импульсов с частотой 2 кГц (DD4.1 и DD4.2), триггеры управления (DD5.1 и DD5.2) и двоич -. но-десятичные счетчики-дешифраторы (DD6—DD8). Подсчет числа импульсов цифровой частью начинается после нажатия на кнопку SB2 Счет. При нажатии вырабатывается импульс, который обнуляет счетчики DD6—DD8 и переводит RS-триггер DD5 2 ,в состояние, при котором его выходной сигнал дает разрешение на прохождение импульсов подсчета пульса через логический элемент DD3.1. Первый же пришедший сигнал пульса запускает оба одновибратора . Каждый импульс одновибратор a DD3.2—DD3.4, поступая на схему DD4.3, стробирует прохождение пяти импульсов генератора на счетчики.

Такой режим работу продолжается в течение 12 с после прихода первого импульса пульса и длится до тех пор, пока одновибратор DD2.1, DD2.2 спадом импульса не сбросит RS-триггер DD5.2 и, следовательно, прохождение импульсов ч.ерез элемент DD3.1 прекратится. Одновременно. с этим одновибратор DD2.1, DD2.2 через цепь C10R31 воздействует на триггер DD5.1, который открывает транзистор VT4, и на трех семисег-ментных светодиодных индикаторах будет высвечено число ударов пульса в минуту. Кнопка SB1 Сброс служит для установки начальных состояний триггеров управления и одновибратора DD2.1, DD2.2, ею же происходит гашение светодиодов индикации.

Соединение счетчиков-дешифраторов DD6—DD8 се-мисегментных индикаторов HG1—НG3 — стандартное. Микросхема DD8, с которой задается значение сотен, соединена с индикатором только через два резистора R51, R52, поэтому, если число ударов пульса меньше ста, светодиодная матрица HG3 не загорается.

Схема стабилизатора двуполярного напряжения ±5 В изображена на рис. 3. Собственно стабилизатор собран на транзисторах VT1—VT3. Применение двух-каскадного усилителя на транзисторах VT2, VT3 и включение опорного стабилитрона в цепь базы транзистора VT3 позволили получить коэффициент .стабилизации по напряжению более 500 при выходном сопротивлении не более 0,2 Ом. Включением в качестве регулирующего элемента р-п-р транзистора VT1 удалось добиться стабилизации выходного напряжения при минимальном напряжении на входе не менее 11,8 В. При включении запуск стабилизатора осуществляется цепочкой C1R1 VD2R4. В момент включения импульсом тока зарядки конденсатора С1 открывается транзистор VT2 и выво дит устройство в режим стабилизации.

Стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания в выходной цепи. Выходное напряжение стабилизатора, равное 11 В, с помощью микросхемы DA1 и транзисторов VT4, VT5 преобразуется в двуполярное -напряжение ±5,5 В с искус ственной средней точкой. К сожалению, установка такого расщепителя после стабилизатора лишает последний возможности реагировать на короткие замыкания.в цепях нагрузки. Выходной ток стабилизатора при коротком замыкании в одной из нагрузок достигает 200 мА, однако применение транзисторов средней мощности обеспечивает достаточную (при недлительном КЗ) надежность. Разумеется, такой большой выходной ток при настройке можно получить питая стабилизатор от мощного источника. В реальном приборе короткое замыкание приведёт к быстрому разряду батарей Крона-ВЦ. Для предотвращения пробоя транзисторов при неправильном подключении батарей питания в схему введен диод VD1. Ток, потребляемый стабилизатором двуполяр-ного напряжения в режиме холостого хода, не превышает 7 мА.

Измеритель пульса заключен в прямоугольный пластмассовый корпус черного цвета. Его размеры определяются размером наибольшей из печатных плат (рис. 4—6), на которой смонтирована основная часть устройства. На передней панели прибора расположены кнопки и надписи Счет, Сброс белого цвета, светодиодное табло прикрыто прозрачной целлулоидной пленкой красного цвета.

Печатные платы прибора, а их всего 3 изготовлены из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Высота установленных элементов на плате не должна превышать высоту ИК-датчика . Потенциоч метры R2 и R12 приклеивают эпоксидным клеем таким образом, чтобы их регулировочные винты, были расположены перпендикулярно к плате. Микросхема DD1, имеющая планарные выводы, распаивается со стороны печатных проводников. Семисегментные индикаторы расположены на небольшой отдельной плате из стеклотекстолита, разводка проводников которой ввиду ее прог стоты не дается. Она соединяется с основной платой через ограничительные резисторы R37—R52, которые одновременно выполняют и функции элементов крепежа платы.

Резисторы устанавливаются вертикально. Один конец у каждого резистора распаян на основной плате, другой на плате индикаторов (в статье не приводится). Важным узлом прибора является ИК-датчик, конструкция которого представлена на рис, 7. Он представляет собой прямоугольный брусок текстолита, имеющий два цилиндрических канала, в которые вставляются свето-диод и фотодиод. В собранном датчике эти элементы несколько выступают из каналов и упираются в пласт массовую крышку.

Крепится датчик к плате с помощью винта МЗ. Пластинка датчика, закрывающая ИК-диоды , требует при изготовлении особого внимания и аккуратности. Ее внутреннюю и внешнюю поверхности необходимо тщательно отполировать, так как шероховатость пластинки может привести к недопустимому рассеиванию ИК-лучей и, как следствие этого, к дроблению сигнала пульса. Под основной печатной платой расположены плата стабилизатора (рис. 8, 9) и отсек питания для размещения 3 батарей Крона-ВЦ. При изготовлении отсека питания необходимо обеспечить его герметизацию. Светодиод VD4 Пульс впаивается в основную плату вертикально.

В левой боковой стенке установлен тумблер включения питаний SAL

В приборе применены конденсаторы КМ-6 (CI, C8, С9, С10), КМ (С5, С6, С7, СП, С12), К53-1 (С2, С4), К50-6 (С8). Все постоянные-резисторы , примененные в приборе, МЛТ-0,125, переменные R2 и R12— СП-5-3;

R28 — СП4-1. Кнопка SB1 состоит из двух микропе реключателей МП-9; SB2 — МП 12. Тумблер включения питания SA1 — MT-1. В стабилизаторе двуполярного на пряжения применены конденсаторы К53-1 (C1), KM-6 (С2), К52-1 (СЗ, С4), резисторы МЛТ-0,125.

Это могут быть ОУ К14РУД7...КН0УД12. и К153УД5, Микросхемы серии К176 можно заменить на аналогичные из серии К561.

Налаживание смонтированного устройства начинают с проверки стабилизатора напряжения. Для этого на его вход подают от внешнего источника напряжение 15 В и подбором стабилитрона и сопротивления резистора R7 (150...200 Ом) устанавливают на коллекторе VT1 выходное напряжение 10,8...11 В. Это напряжение на выходе платы стабилизатора делится пополам относительно общей клеммы. Так как микросхема . К140УД1А склонна к самовозбуждению,.необходимо проконтролировать отсутствие на ее выходе ВЧ колебаний, наличие которых значительно увеличивает ток, потребляемый стабилизатором. При необходимости ёмкость, корректирующего конденсатора С2 следует увеличить. Если выходные напряжения отличаются более чем на 0,1 В, их выравнивание осуществляется незначительным изменением сопротивлений резисторов R8 и R9. После этого готовый стабилизатор проверяют под током нагрузки 40...50 мА в интерйале входного напряжения, 12...18 В. Изменение, выходного напряжения при изменении тока нагрузки от 0 до 20 мА не должно превышать 10 мВ.

Для настройки основной платы потребуется осциллограф с секундной разверткой (например, С 1-76), Сначала проверяется режим работы ИК-датчика и входного ОУ. Для этого, положив палец на датчик (пока без защитной пластины), регулируют ток излучающего све-тодиода VD1 потенциометром R2, устанавливая выходное напряжение ОУ DA1 в. пределах + 2...3 В. Если постоянное выходное напряжение отрицательной полярности, необходимо изменить распайку фотодиода VD2. После проведения этой регулировки на выходе DAI с помощью осциллографа можно наблюдать сигналы пуль са с амплитудой 0,5...4 мВ. Вторая контрольная точка — выход микросхемы DA2. Переменным резистором R12, при закрытом светонепроницаемым предметом датчике, устанавливают положительное напряжение на выводе 6 микросхемы DA2 в пределах +0,6...0,7 В. Затем контролируют напряжение на выходе эмиттерного повторителя VT1 — резистором R12 устанавливают напряжение + 0,1...0,15 В. После этих операций первичная настройка усилительной части заканчивается — при касании пальцем ИК-Датчика в такт с пульсом мигает светодиод VD4. Если цифровая часть смонтирована без ошибок, то , какой-либо специальной настройки не потребуется. При включении питания должны загореться нули на индикаторах единиц и десятков, а индикатор, указывающий сотни, не должен светиться. Затем, положив палец на ИК-датчик, добиваются мигания светодиода Пульс. Теперь, если нажать на кнопку SB2 Счет, число на светодиодных индикаторах при каждом ударе пульса должно увеличиваться на пять. Примерно через 12 с счет импульсов заканчивается. При нажатии на кнопку SB1 Сброс, индикаторы должны погаснуть. Если цифровая часть исправна, следует проверить точность пересчета импульсов. Но вначале настраивают одновибратор DD2.1, DD2.2, который легко проверить с помощью секундомера, замеряя время от момента прохождения первого импульса пульса после нажатия кнопки Счет до загорания светодиодного табло. Период импульсов одновибратора регулируется резистором R28. Для проверки пересчета необходимо подавать секундные импульсы положительной полярности на вход транзистора VT1. Проще всего такие импульсы получить от генератора ГЗ-39. Изменяя частоту генератора от 0,5 до 3,3 Гц, проверяют точность измерения. Если подобного генератора нет в наличии, импульсы такой частоты можно получить либо от цифровых электронных часов, либо от генератора горизонтальной развертки осциллографа. При необходимости производят подстройку генератора частоты 2 кГц или одновибратора DD2.1, DD2.2. Последняя операция настройки — установка защитной пластинки на ИК-датчик, который обязательно следует протереть спиртом. Положив палец на датчик, вновь проверяют выходное напряжение ОУ DA1 и, при необходимости, подстраивают его, учитывая, что приближение выходного напряжения к своему предельному положительному значению увеличивает чувствительность прибора.

Если чувствительность прибора оказалась недостаточной, следует уменьшить толщину пластинки ИК-датчика до предела или изготовить ее из другого, более прозрачного для ИК-лучёй материала. Повысит чувствительность и увеличение емкости конденсатора С1 на 1...2 мкФ.

Пользоваться цифровым измерителем пульса несложно. Включают прибор и сразу же нажимают кнопку Сброс в целях экономии энергии батарей питания. Затем, взяв прибор в руки, нежно, без нажатия, кладут палец на пластинку ИК-датчика и добиваются мигания светодиода в такт с ударами пульса. Через 3...4 удара пальцем левой руки нажимают кнопку Счет. Через 12 с на табло появится цифра, показывающая число ударов пульса в минуту. Индикаторы гасятся нажатием на кнопку Сброс. Во время измерения надо следить за тем, чтобы рука не колебалась и, если во время 12-се-кундного цикла было дробление сигналов светодиода от колебаний руки, измерение надо прервать нажатием кнопки Сброс и снова запустить кнопкой Счет. Измеряя пульс, надо помнить, что, если прибор улавливает биение крови внутри капилляров, то колебание руки будет отмечено и подавно, что приведет к искажению результата измерения. Работа с прибором на открытом воздухе имеет некоторые особенности. Так, зимой может оказаться, что замерить пульс очень трудно, если у человека холодные руки, а на ярком солнце его лучи ослепляют ИК-датчик, и пульс можно измерять только в тени.