從Arduino心跳波形儀到樹莓派律動(dòng)燈帶

牟曉東

在開源硬件編程中有時(shí)會(huì)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(hào)為HW-487光遮斷傳感器，也就是“對(duì)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(hào)的（檢測時(shí)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(dòng)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(huì)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(jìn)行測試時(shí)最好是將它放置于一個(gè)較為封裝的黑暗空間內(nèi)（比如用一個(gè)盒子扣?。?，因?yàn)橐M可能地屏蔽環(huán)境光對(duì)光敏三極管的影響。

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

實(shí)驗(yàn)器材包括ArduinoUNO主板一塊，HW-487光遮斷傳感器一個(gè)，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(hào)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(hào)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(hào)引腳：“int Red_LED_pin = 13;”;接著，在setup（）函數(shù)中進(jìn)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(hào)在串口進(jìn)行輸出：“Serial.println（analogRead（A0））;”;然后建立一個(gè)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(shí)驗(yàn)測試時(shí)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(hào)引腳的紅色LED發(fā)光：“digitalWrite（Red_LED_pin，HIGH）;”;接著，延時(shí)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(diǎn)擊“上傳”按鈕進(jìn)行測試，注意要點(diǎn)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(shí)，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(shí)間后就會(huì)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(huì)在波形的“波峰”出現(xiàn)時(shí)點(diǎn)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(shí)心跳的醫(yī)學(xué)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(shí)手指按動(dòng)的壓力不同或是環(huán)境光的快速變化等都會(huì)導(dǎo)致波形有較大的波動(dòng)。

同樣是利用光遮斷傳感器的探測手指脈搏信號(hào)功能，在樹莓派中將其作為燈帶的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就會(huì)很方便地設(shè)計(jì)制作出心跳律動(dòng)燈帶，實(shí)現(xiàn)燈帶的燈珠隨被測試者的心跳進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)亮與熄滅的心跳律動(dòng)酷炫效果。

實(shí)驗(yàn)器材包括樹莓派3B+主板和古德微擴(kuò)展板各一塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個(gè)，光遮斷傳感器一個(gè)，燈帶一條，杜邦線若干。首先，將古德微擴(kuò)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(kuò)展板的18號(hào)引腳，注意燈帶的VCC、GND和信號(hào)端一定要與擴(kuò)展板的引腳標(biāo)注一一對(duì)應(yīng);然后，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器插入擴(kuò)展板的UP列，同樣要注意各個(gè)引腳的標(biāo)注要與擴(kuò)展板正確對(duì)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(hào)端，插入擴(kuò)展板的24號(hào)引腳，分別對(duì)應(yīng)VCC、GND和A0端;最后，給樹莓派通電，啟動(dòng)操作系統(tǒng)（如圖4）。

在瀏覽器中訪問古德微機(jī)器人網(wǎng)站，登錄賬號(hào)后進(jìn)入“積木”圖形化編程界面。首先，通過“設(shè)置GPIO”模塊對(duì)燈帶進(jìn)行初始化操作：“可控制燈帶60個(gè)燈并設(shè)置亮度為50”;接著，建立一個(gè)“重復(fù)當(dāng)‘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(hào)”，注意它的數(shù)據(jù)區(qū)間與在Arduino的IDE中進(jìn)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(gè)模塊對(duì)變量傳感器原始值進(jìn)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(hào)燈珠;接下來，通過兩個(gè)“輸出調(diào)試信息”模塊將兩個(gè)變量的數(shù)據(jù)在LOG調(diào)試信息區(qū)輸出，并且通過兩個(gè)循環(huán)分別控制燈帶進(jìn)行亮燈（紅色）和熄滅，實(shí)現(xiàn)將光遮斷傳感器的數(shù)據(jù)映射為對(duì)應(yīng)某些數(shù)量的燈珠發(fā)光的效果;最后，添加延時(shí)等待0.02秒模塊。

將程序保存為“心跳律動(dòng)燈帶”，連接設(shè)備后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕進(jìn)行測試。隨著被測試者有規(guī)律的心跳，燈帶會(huì)對(duì)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(dòng)效果（如圖5）。

大家不妨一試。