牟曉東

在開源硬件編程中有時會使用到一種叫作“心跳檢測”的模塊，它是一種通過手指來偵測心跳的傳感器，常見的型號為HW-487光遮斷傳感器，也就是“對射遮斷式光電開關(guān)傳感器”（如圖1）。

心跳檢測模塊是采用超亮紅外（IR）LED燈和光敏三極管來探測手指脈搏信號的（檢測時需要將手指放置于二者之間），一側(cè)的LED燈發(fā)光（不可見的紅外線）透過手指后被另一側(cè)的光敏三極管接收，由于心跳血壓脈動使得手指的血存量不斷發(fā)生變化，因此最終在光敏三極管處所接收到的光通量也會隨之變化，從而引起電阻產(chǎn)生微小變化，這樣就可以大體檢測到人體的心跳變化情況。值得一提的是，在使用心跳檢測模塊進行測試時最好是將它放置于一個較為封裝的黑暗空間內(nèi)（比如用一個盒子扣?。?，因為要盡可能地屏蔽環(huán)境光對光敏三極管的影響。

Arduino簡易心跳波形儀實現(xiàn)的功能是在電腦屏幕上實時顯示出被測試者心跳的波形圖。

實驗器材包括ArduinoUNO主板一塊，HW-487光遮斷傳感器一個，紅色LED燈一支，杜邦線若干。首先，將LED燈的長腿直接插入Arduino的13號引腳，短腿則插入相鄰的GND接地引腳;接著，通過杜邦線將光遮斷傳感器的VCC正極、GND接地端和S信號端分別連接至Arduino的3.3V、GND引腳和A0模擬引腳;最后，給Arduino連接好數(shù)據(jù)線（如圖2）。

在Arduino的IDE代碼編程界面中，先定義好紅色LED燈連接的13號引腳：“int Red_LED_pin = 13;”;接著，在setup（）函數(shù)中進行三處設(shè)置：一是將串口波特率設(shè)置為115200：“Serial.begin（115200）;”，二是將LED燈設(shè)置為輸出工作模式：“pinMode（Red_LED_pin，OUTPUT）;”，三是將光遮斷傳感器連接的A0模擬引腳設(shè)置為輸入工作模式：“pinMode（A0，INPUT）;”。

在loop（）函數(shù)中，先將光遮斷傳感器的模擬輸入信號在串口進行輸出：“Serial.println（analogRead（A0））;”;然后建立一個選擇分支結(jié)構(gòu)，其判斷條件是“if（analogRead（A0）>=510）”，注意此處的“510”可根據(jù)實驗測試時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來重新修改設(shè)置，條件成立的話則控制插接在13號引腳的紅色LED發(fā)光：“digitalWrite（Red_LED_pin，HIGH）;”;接著，延時20毫秒：“delay（20）;”，再關(guān)閉紅色LED燈：“digitalWrite（Red_LED_pin，LOW）;”。

將程序保存為“Detect_Heart.ino”，點擊“上傳”按鈕進行測試，注意要點擊“工具”菜單打開“串口繪圖器”窗口，并且在左下角將波特率設(shè)置為115200。此時，在Arduino的串口繪圖器窗口就開始有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，一小段時間后就會出現(xiàn)有規(guī)律的“心跳”波形（類似于醫(yī)院的心電圖），而且根據(jù)程序中所設(shè)定的閾值（510）不同會在波形的“波峰”出現(xiàn)時點亮紅色LED燈，一閃一閃的頻率與被測試者的心跳基本上是吻合的（如圖3）。

受光遮斷傳感器的數(shù)據(jù)精度所限，該簡易心跳波形儀并不能完全反映出被測試者真實心跳的醫(yī)學狀況，比如產(chǎn)生的波形“雜亂”部分并非說明被測試者有“心律不齊”等異常情況，有時手指按動的壓力不同或是環(huán)境光的快速變化等都會導致波形有較大的波動。

同樣是利用光遮斷傳感器的探測手指脈搏信號功能，在樹莓派中將其作為燈帶的驅(qū)動信號，就會很方便地設(shè)計制作出心跳律動燈帶，實現(xiàn)燈帶的燈珠隨被測試者的心跳進行實時動態(tài)點亮與熄滅的心跳律動酷炫效果。

實驗器材包括樹莓派3B+主板和古德微擴展板各一塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個，光遮斷傳感器一個，燈帶一條，杜邦線若干。首先，將古德微擴展板正確安裝于樹莓派上;接著，將燈帶的輸入端三根引線插入擴展板的18號引腳，注意燈帶的VCC、GND和信號端一定要與擴展板的引腳標注一一對應(yīng);然后，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器插入擴展板的UP列，同樣要注意各個引腳的標注要與擴展板正確對應(yīng);光遮斷傳感器同樣也要使用杜邦線引出VCC正極、GND接地端和S信號端，插入擴展板的24號引腳，分別對應(yīng)VCC、GND和A0端;最后，給樹莓派通電，啟動操作系統(tǒng)（如圖4）。

在瀏覽器中訪問古德微機器人網(wǎng)站，登錄賬號后進入“積木”圖形化編程界面。首先，通過“設(shè)置GPIO”模塊對燈帶進行初始化操作：“可控制燈帶60個燈并設(shè)置亮度為50”;接著，建立一個“重復(fù)當‘真’”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，新建變量“傳感器原始值”并為其賦值“從ADS‘0’獲取模擬信號”，注意它的數(shù)據(jù)區(qū)間與在Arduino的IDE中進行代碼編程不同，而是在0-32767之間;再新建變量“心跳值”，通過“取整”和“映射”兩個模塊對變量傳感器原始值進行處理和賦值，經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)在某環(huán)境光條件下的傳感器原始值較為靈敏的數(shù)據(jù)區(qū)間是18000-24000，因此將它映射為燈帶的第0-59號燈珠;接下來，通過兩個“輸出調(diào)試信息”模塊將兩個變量的數(shù)據(jù)在LOG調(diào)試信息區(qū)輸出，并且通過兩個循環(huán)分別控制燈帶進行亮燈（紅色）和熄滅，實現(xiàn)將光遮斷傳感器的數(shù)據(jù)映射為對應(yīng)某些數(shù)量的燈珠發(fā)光的效果;最后，添加延時等待0.02秒模塊。

將程序保存為“心跳律動燈帶”，連接設(shè)備后點擊“運行”按鈕進行測試。隨著被測試者有規(guī)律的心跳，燈帶會對應(yīng)亮起不同數(shù)目的燈珠，非常有意思，類似于常見的跟隨音樂音量大小而不斷變化的串形指示燈律動效果（如圖5）。

大家不妨一試。