Elektronika domowa 31
dajniejszego (na skutek treningów) serca,
Elektroniczny miernik tętna
które w jednym skurczu jest wstanie prze-
pompować więcej krwi. Rozgrzewka spor-
Serce to z mechanicznego punktu widzenia pompa ssąco-tłocząca. Natomiast z biolo- towców przed zawodami to między inny-
gicznego punktu widzenia to najważniejszy organ w naszym ciele. Dlatego też warto
mi sposób na zwiększenie tętna czyli
zainteresować się jego kondycją, wszak na choroby serca w krajach cywilizowanych
zwiększenie wydajności układu krwiono-
umiera znaczna część ludzi. Jednym z mierzalnych parametrów pozwalających ocenić
śnego. Drugim celem rozgrzewki jest roz-
pracę serca jest tętno czyli szybkość pracy serca mierzona jako liczba uderzeń na
ruszanie stawów i rozgrzanie mięśni.
minutę. Proponujemy wykonanie prostego miernika tętna opisanego w tym artykule.
Wspomniane wcześniej tętno żylne
powstaje na wskutek rozszerzania siÄ™ du-
żych żył i zależne jest od cofania się pew-
nej ilości krwi podczas skurczu prawego
przedsionka serca.
Na podstawie tętna można rozpoznać
wstępnie wiele dolegliwości sercowych,
choć dużo dokładniejsze wyniki daje elek-
trokardiografia. Lekarze rozróżniają tętno
twarde i miękki nitkowate, naprzemienne
nierówne, przerywane itd. Dla nas istotne
będzie tylko zmierzenie samego tętna bez
zabawiania się w określanie innych jego
parametrów.
Tętno nie zależy od naszej woli. Ozna-
cza to, że bezpośrednio nie możemy wpły-
wać na szybkość pracy serca. Pośrednio
w dość łatwy sposób można zwiększyć
tętno choćby przez podjęcie wysiłku fi-
zycznego. Znacznie trudniej jest jednak
obniżyć tętno poniżej wartości typowej.
Jest to jednak możliwe.
Samo zjawisko jest zaÅ› bardzo ciekawe
i polega na synchronizacji (tak to nie jest
Tętno zwane też pulsem to rytmiczne się stetoskopem angażując swój słuch. Inne pomyłka) naszego organizmu z zewnętrz-
rozciąganie ścian naczyń krwionośnych popularne miejsca pomiaru tętna to tętni- nym wzorcem mechanicznym. Cała zaba-
wywołane zmianami ciśnienia krwi. Te ca szyjna zewnętrzna, tętnica ramieniowa wa wymaga spokoju i odrobiny cierpliwo-
z kolei są następstwem skurczów i rozkur- i udowa, podkolanowa i tętnica grzbieto- ści. Mając miernik tętna należy usiąść wy-
czów komór serca. Medycy rozróżniają wa stopy. Jakoś jednak nigdy żaden lekarz godnie na fotelu naprzeciwko zegara, ta-
dwa rodzaje tętna tzw. tętno tętnicze i tęt- nie mierzył mi tętna na stopie choć fak- kiego z sekundnikiem. Jeszcze lepszy jest
no żylne. Tętno tętnicze przebiega w tęt- tycznie jest to możliwe (sam sprawdziłem). zegar z wahadłem. Będąc zupełnie odprę-
nicach w postaci fali rozchodzącej się od Znowu tłumacząc z języka medyczne- żonym pozostaje tylko uważnie wpatrywać
aorty (głównej tętnicy wychodzącej z ser- go na elektroniczny jest to po prostu po- się w zegar i wsłuchiwać w stuk sekundni-
ca) i od tętnicy płucnej. Fala ta w dalszym miar częstotliwości pracy serca wyrażany ka. Po kilku lub kilkunastu minutach nasze
ciągu rozchodzi się do tętniczek. Te ostat- w liczbie uderzeń na minutę. Prawidłowe tętno spadnie do poziomu 60/min lub ina-
nie opisy rozchodzenia się fali są już pra- tętno u osób dorosłych wynosi ok. 70/min. czej mówiąc 1/sek. Jest to właśnie synchro-
wie elektroniczne. Szybkość rozchodzenia Tętno rzadkie to poniżej 50/min i przyspie- nizacja organizmu z zegarem. Ponoć moż-
się fali tętniczej jest niezależna od tętna szone ponad 100/min. Podane wyżej war- na w ten sposób zbić tętno znacznie niżej
i wynosi ok. 5÷8 m/s, jest też wiÄ™ksza od toÅ›ci tÄ™tna odnoszÄ… siÄ™ do stanu spoczyn- majÄ…c odpowiednio wolno chodzÄ…cy ze-
szybkości przepływu krwi, która w aorcie ku. W chwili podjęcia przez organizm gar lub inny taktomierz lecz jak słyszałem
płynie z prędkością ok. 40 cm/s. Ujmując wysiłku tętno wzrasta. Jest to naturalna może to być niebezpieczne i prowadzić do
bardziej technicznie pojęcie tętna można konsekwencja wynikająca z zapotrzebo- omdlenia. Zatem eksperymentów z obni-
powiedzieć, że jest to fala akustyczna wy- wania organizmu na większą ilość tlenu żaniem tętna poniżej 60/min nie polecam.
wołana pulsacyjnym przepływem krwi. i cukrów. Przy dużym wysiłku tętno może Elektroniczny pomiar tętna można pro-
Klasyczna lekarska metoda badania dochodzić nawet do 180/min. Z kolei skraj- wadzić w oparciu o zmiany rozchodzenia
częstości tętna polega na jego pomiarze nej bezczynności organizmu, czyli pod- się fal podczerwieni wywołane przepły-
na tętnicy promieniowej w okolicach nad- czas snu tętno ulega zmniejszeniu. Co cie- wem krwi. Oddziałuje tu głównie ilość
garstka. W tym miejscu tętnica przebiega kawe sportowcy w stanie spoczynku z re- i emperatura przepływającej krwi. Dobrym
płytko pod skórą i bardzo łatwo jest wy- guły mają niższe tętno niż ludzie nie tre- miejscem do pomiaru jest płatek ucha lub
czuć tętno dotykiem. Można też posłużyć nujący. Fakt ten wynika ze znacznie wy- mały palec u ręki. To drugie miejsce po-
Elektroniczny miernik tętna
32
Rys. 1 Schemat ideowy miernika tętna
miaru jest gorsze odpada w przypadku dło- rator a w części cyfrowej licznik i wyświe- pasowanie do diody odbiorczej. Wzmac-
ni pokrytych grubym naskórkiem. Układ tlacze. niacz ten pracuje w układzie odwracają-
miernika składa się z diody nadawczej Czujnik tętna składa się z diody nadaw- cym. Ponieważ układ zasilany jest napię-
i odbiorczej podczerwieni które umiesz- czej i odbiorczej. Dioda nadawcza pod- ciem o jednej polaryzacji wejście nieod-
cza się po przeciwnych stronach płatka czerwieni zasilana jest stosunkowo dużym wracające zostało spolaryzowane z dziel-
ucha. Sygnał otrzymany w ten sposób jest prądem rzędu 20 mA ma to na celu uzy- nika napięciowego R2, P1, R3. Potencjo-
bardzo mały i wymaga dużego wzmocnie- skanie dużej wartości natężenia fali pod- metr P1 umożliwia ustawienie napięcia
nia. czerwonej która powinna przeniknąć wyjściowego wzmacniacza na poziomie
przez tkanki miękkie. Promieniowanie któ- połowy napięcia zasilania. Częstotliwość
re  przeszło przez tkanki jest zmodulo- sygnału który podlega wzmocnieniu jest
Opis układu
wane pulsacyjnym przepÅ‚ywem krwi, czyli bardzo maÅ‚a rzÄ™du 1÷2 Hz dlatego też
Układ do pomiaru tętna składa się tętnem. Sygnał ten jest jednak bardzo mały w układzie wzmacniacza zastosowano sil-
z dwóch zasadniczych części: analogowej i należy go odpowiednio wzmocnić. ne ograniczenie pasma przenoszenia sy-
i cyfrowej. W części analogowej znajduje W pierwszym stopniu znajduje się wzmac- gnału przy pomocy kondensatora C2 włą-
się czujnik tętna, wzmacniacze i kompa- niacz operacyjny US1A który stanowi do- czonego w pętlę sprzężenia zwrotnego.
Elektroniczny miernik tętna 33
tor C5) do wartości ok. 15 Hz, czyli znacz-
nie niżej niż częstotliwość sieci energe-
tycznej która może wprowadzać dodatko-
we zakłócenia. Na wyjściu tego stopnia sy-
gnał wolnozmienny ma już wartość rzędu
setki miliwoltów.
Sygnał o takiej wartości może zostać
doprowadzony do komparatora, którego
rolę pełni wzmacniacz US2A. Zastosowa-
ny układ komparatora jest bardzo cieka-
wy, gdyż zawiera pływające napięcie od-
niesienia. Napięciem odniesienia jest tu
sygnał z wyjścia wzmacniacza US1B, któ-
ry poddano filtracji wydzielajÄ…c z niego
składową stałą. Sygnał ten doprowadzo-
no do wejścia odwracającego kompara-
tora. Zastosowano tu bardzo prosty filtr
dolnoprzepustowy R11, C6 o dużej stałej
czasowej. Na drugie niedowracajÄ…ce
wejście komparatora doprowadzono sy-
Rys. 2 Zasada pomiaru częstotliwości
gnał mierzony. Dzięki takiemu rozwiąza-
Obcięcie pasma zaczyna się powyżej czę- bezpośrednio do nóżki 5 układu. Polary- niu komparator jest uniezależniony od
stotliwości 70 Hz. zację wejścia zapewnia w tym przypadku wartości składowej stałej napięcia na
Na wyjściu wzmacniacza US1A otrzy- rezystor R7, który czerpie napięcie równe wyjściu wzmacniacza operacyjnego
muje się sygnał zmienny o niewielkiej połowie napięcia zasilania z dzielnika R5, US1B. Zmiany napięcia wyjściowego są
amplitudzie rzędu pojedynczych miliwol- R6. Wzmocnienie wzmacniacza określo- całkowane przez układ R11 i C6, tak że
tów, który doprowadzony został do następ- ne jest stosunkiem rezystorów R9 do R8 do komparatora dociera zawsze wartość
nego stopnia wzmocnienia US1B. Wzmac- w wynosi ok. 150 V/V. Także w tym stop- średnia napięcia wyjściowego wzmacnia-
niacz ten pracuje w układzie nieodwraca- niu zastosowano ograniczenie szerokości cza US1B. Dzięki temu uzyskano maksy-
jącym, gdyż sygnał doprowadzany jest pasma przenoszonego sygnału (kondensa- malną czułość i niewrażliwość na wol-
Rys. 3 Płytka drukowana i rozmieszczenie elementów
Elektroniczny miernik tętna
34
nozmienne zmiany napięcia spowodowa- szenie dokładności do ą10 impulsów na licznika US5. W trakcie zliczania impul-
ne dryftem termicznym. minutę. sów z komparatora aktualny wynik zlicza-
Czułość tego typu komparatora zależy Można też wykonać pomiar w inny spo- nia jest wyświetlany przez cały czas.
od szerokości pętli histerezy ustalanej sto- sób (rys. 2b). Układ pomiarowy nie ulega Umożliwia to śledzenie tętna.
sunkiem rezystorów R12 i R10. W opisy- tu zmianie. Zmienia się tylko czas trwania Po upływie 60 sekund na kolektorze
wanym tu układzie, dla podanych warto- impulsów wzorcowych Tw, które są teraz T2 pojawia się stan wysoki doprowadza-
ści elementów wynosi ona ok. 50 mV. znacznie krótsze od impulsów mierzonych. ny także do wejścia CLOCK INHIBIT. Licz-
Na wyjściu komparatora otrzymuje się Bramka otwiera się na czas trwania jedne- niki zostają zablokowane a wynik pozo-
sygnał prostokątny o poziomie logicznym go impulsu wejściowego Tm a licznik zli- staje wyświetlony.
umożliwiający bezpośrednie sterowanie cza impulsy wzorcowe Tw. Znając czas W ostatnim liczniku US3 podłączone
układów cyfrowych. trwania impulsów wzorcowych można tu zostały tylko segmenty b i c wyświetlacza
Pomiar tętna to jak już pisano pomiar zmierzyć czas trwania impulsów wejścio- W1. Podyktowane to zostało brakiem miej-
częstotliwości przebiegu wolnozmienne- wych. Wynik podawany jest w sekundach sca na płytce drukowanej. Jednakże takie
go. W klasycznym pomiarze częstotliwo- lub ich wielokrotnościach. Chcąc otrzymać rozwiązanie pociągnęło za sobą koniecz-
ści na wejściu licznika (rys. 2a) umieszczo- wynik w jednostkach częstotliwości ko- ność wygaszania zera na tym wyświetla-
na jest bramka do której doprowadzane są nieczne jest wykonanie prostego działania czu (z zapalonego zera powstała by jedyn-
impulsy mierzone Tm. Do bramki dopro- czyli obliczenia odwrotności. Do tego jed- ka). Dlatego też w tym stopniu zastosowa-
wadza się także impulsy wzorcowe Tw, któ- nak niezbędny jest mikroprocesor. Zaletą no inną wersję licznika CD 4026 posiada-
rych czas trwania jest znacznie dłuższy od tego rozwiązania jest znacznie krótszy czas jącą wygaszanie nieznaczącego zera
okresu impulsów mierzonych. W zadanym pomiaru nieco dłuższy niż okres wielkości w czasie gdy nóżka 3 RBI jest zwarta do
i znanym dokładnie czasie Tw licznik zli- mierzonej Tm. Wadą konieczność stosowa- masy. Zatem po wyzerowaniu układu na
czy n impulsów mierzonych. Zatem wy- nia procesora który należy zaprogramować. wyświetlaczu pojawią się dwa zapalone
nik będzie podany w liczbie impulsów na Chcąc uprościć i obniżyć koszty urządze- zera a wyświetlacz W1 będzie wygaszo-
jednostkę czasu czyi w hertzach lub ich nia wybrano układ pierwszy mierzący im- ny. Zapali się on dopiero wtedy gdy tętno
wielokrotności. Jeżeli czas pomiaru Tw bę- pulsy wejściowe w ciągu 60 sekund. przekroczy wartość 100/min.
dzie wynosił 60 sek to otrzymamy wynik Impulsy wzorcowe o czasie trwania Układ ze względu na dużą czułość
w liczbie impulsów na 1 minutę. Ta meto- 60 sek dostarczane są przez tajmer US6. wejść analogowych jest wrażliwy na za-
da jest bardzo prosta wymaga jednak dłu- Generacja impulsu wzorcowego inicjowa- kłócenia wywołane pracą układów cyfro-
giego czasu pomiaru 1 min. Jej dokładność na jest zwarciem styków włącznika WA
1, wych i na zakłócające sygnały zewnętrz-
wynosi ą1 impuls na minutę. Skrócenie co powoduje wyzerowanie tajmera (zwar- ne. Dlatego też przewody doprowadzają-
czasu pomiaru do 6 sek powoduje pogor- cie nóżki 4 US6 do masy). Równocześnie ce sygnał z diody odbiorczej w czujniku
z kolektora T1 doprowadza- muszą być bezwarunkowo ekranowane.
ny jest ujemny impuls wy- Drugim stopniem ochrony przed zakłóce-
zwalający do nóżki 2 US6. niami było rozdzielenie zasilania analogo-
Zwarcie włącznika WA
1 po- wego i cyfrowego. Masy analogowa i cy-
woduje także pojawienie się frowa prowadzone są oddzielnie, także tą
dodatniego impulsu zerujące- drogą nie ma możliwości przenikania za-
go liczniki US3÷US5. Impuls kłóceÅ„. DrugÄ… drogÄ™ zakłóceÅ„ w plusie za-
ten jest nieco opóz
niony silania odcięto stosując dodatkowy pomoc-
w stosunku do impulsów ze- niczy stabilizator +12 V (US 7) z którego
rujących i wyzwalających taj- zasilane są układy analogowe. Te środki
mer. W ten sposób unika się ochronne w zupełności zabezpieczają
wpisania do liczników poje- urządzenie przed zakłóceniami. Układ
dynczego impulsu przy zmia- pobiera prąd rzędu 150 mA przy wyświe-
nie stanu na wejściach CLK tlaniu wyniku zerowego.
INH.
Rozpoczęcie generacji im-
Montaż i uruchomienie
pulsu wzorcowego sygnali-
zowane jest zapaleniem się Układ miernika tętna, pomimo że za-
diody D1. Niski stan na ko- wiera sporą liczbę elementów udało zmie-
lektorze T2 sprawia, że wej- ścić się na płytce drukowanej którą można
ścia CLOCK INHIBIT liczni- zamontować w niewielkiej obudowie typu
ków CD 4026 zostają odblo- KM33B. Obudowa ta przewidziana jest do
kowane i możliwe jest zli- umieszczenia w niej baterii typu 6F22, któ-
czanie impulsów doprowa- ra w tym urządzeniu nie będzie wykorzy-
dzonych z wyjścia kompara- stywana. Dlatego też z obudowy należy wy-
tora US2A do wejścia łamać plastikowe żeberka rozdzielające
CLOCK pierwszego układu wnętrze obudowy. Ponadto należy wyciąć
Rys. 4 Płyta czołowa w skali 1:1
Elektroniczny miernik tętna
35
dwa dolne kołki przeznaczone do skręce- Ważne jest aby osłabić sprężynę klamerki Na koniec proponuję przeprowadze-
nia ze sobą dwóch połówek obudowy. Płyt- co jest łatwe po wymontowaniu jej i nie- nie opisanej wcześniej próby synchroni-
kę można przymocować śrubkami M3 wier- wielkim rozgięciu. Zbyt silna sprężyna, zacji tętna do zegara, czyli uzyskanie wy-
cąc w dolnej części obudowy otwory a takie posiadają niestety klamerki, może niku 60 /min.
w odpowiednich miejscach. Można też uła- zatamować przepływ krwi co uniemożli-
Wykaz elementów:
twić sobie zadanie i przykleić płytkę do dna wi pomiar i nie wyjdzie nikomu na zdro-
Półprzewodniki
obudowy przy pomocy taśmy dwustronnej wie. Przy dłuższym braku przepływu krwi
US1, US2  TL 082
i paska gąbki o grubości ok. 5 mm. Wybór grozi martwica!
US3  4033
pozostawiamy czytelnikom. Po zamontowaniu wszystkich elemen-
US4, US5  4026
W górnej części obudowy (wieczku) tów można przystąpić do uruchomienia
US6  555 wersja CMOS
wycina się prostokątny otwór na wyświe- miernika. Po podłączeniu napięcia zasilania
US7  LM 7812
tlacz. W otwór trzeba wkleić szybkę. Może warto sprawdzić czy wszystkie układy są
T1, T2  BC 547B
to być kawałek pleksiglasu bezbarwnego zasilane (wzmacniacze operacyjne +12 V,
D1  LED czerwona
lub barwionego w kolorze wyświetlaczy. reszta +15 V). Po podłączeniu czujnika po-
Rezystory
Oprócz tego wierci się też dwa otwory pod tencjometrem P1 ustawia się napięcie wyj-
R1  510 W/025 W
mikrowłącznik i diodę LED sygnalizującą ściowe wzmacniacza operacyjnego US1A na
R8  680 W/0,125 W
trwanie pomiaru. W obudowie wiercimy połowę napięcia zasilania. Dokładna war-
R13÷R28,
także otwory do przykręcenia gniazd. tość tego napięcia nie jest istotna. Może to
R31  1 kW/0,125 W
Gniazdo czujnika zamontowane jest na być +6ą1 V. Ustawianie napięcia wykonuje
R36  1,2 kW/0,125 W
płytce drukowanej. Gniazdo zasilania (+15 się przy założonym na ucho klipsie czujni- R2, R3  2 kW/0,125 W
R4, R10,
V stabilizowane) umieszczamy po przeciw- ka. Regulację należy wykonać kilka sekund
R30, R32,
nej stronie obudowy. Na obudowę przykleja po założeniu klipsa. Czas ten jest niezbędny
R33, R35  10 kW/0,125 W
się płytę czołową której wzór został za- do ustalenia się napięcia na wyjściu układu.
R5, R6  22 kW/0,125 W
mieszczony na rysunku 4. Sposób wyko- Przy klipsie zdjętym z ucha na wyjściu US1A
R34, R37  47 kW/0,125 W
nania płyty czołowej był wielokrotnie opi- będzie występowało napięcie bliskie napię-
R9  100 kW/0,125 W
sywany w Praktycznym Elektroniku dlate- ciu zasilania.
R11  300 kW/0,125 W
go też nie będziemy go powtarzać. Drugą regulacją jest ustawienie czasu
R7, R29  1 MW/0,125 W
Teraz kilka uwag dotyczÄ…cych czujni- generowania impulsu przez tajmer US6.
R12  2 MW/0,125 W
ka tętna. W opisywanym urządzeniu moż- Czas ten powinien wynosić 60 sek. Przy usta- P1  10 kW TVP1232
P2  470 kW TVP1232
na wykorzystać gotowy czujnik tętna wy- wianiu czasu można posłużyć się zegarkiem
konany w postaci klipsu. Taki czujnik moż- z sekundnikiem, który zapewni wystarcza- Kondensatory
na zakupić w większości sklepów sporto- jącą dokładność. Najwygodniej posłużyć się
C10  180 pF/50 V
wych jako wyposażenie dodatkowe do sta- jest diodą LED D1, która świeci się przez cały ceramiczny
C9  1 nF/50 V ceramiczny
cjonarnych rowerów treningowych. Czuj- czas pomiaru, czyli 60 sek. Z uwagi na duży
C8, C12  47 nF/50 V ceramiczny
nik można też wykonać we własnym za- rozrzut pojemności kondensatorów elektro-
C1, C5, C4  100 nF/63 V MKSE-20
kresie. Do jego wykonania wystarczy do- litycznych zakres regulacji czasu pomiaru
C2  220 nF/63 V MKSE-20
wolna dioda nadawcza i odbiorcza pod- może okazać niewystarczający. W takim
C6  4,7 mF/25 V
czerwieni. Obie diody można umieścić na przypadku konieczna jest wymiana konden-
C7, C11  47 mF/25 V
plastikowej klamerce naprzeciwko siebie. satora C7 na inny egzemplarz lub też wy-
C3  100 mF/25 V
miana rezystora R29 na inną wartość więk-
C13  470 mF/25 V
szą jeżeli czas będzie zbyt krótki lub mniej-
Inne
szą jeżeli będzie zbyt długi.
WA
1  mikrowłącznik
Pomiar można rozpocząć dopiero kil-
W1÷W3  wyÅ›wietlacze ze
ka sekund po założeniu klipsa na ucho
wspólną katodą
naciskając na chwilę mikrowłącznik
MAN 6780/QT
WA
1. W czasie pomiaru należy siedzieć czerwone lub SC52-
11 GWA zielone
spokojnie nie wykonując żadnych gwał-
czujnik  czujnik tętna, patrz opis
townych ruchów. Wstępnie wartość tęt-
w tekście
na można ocenić po szybkości zmian
obudowa  KM33B
cyfr na wyświetlaczu.
płytka drukowana numer 607
Jeżeli układ nie będzie chciał mierzyć,
tzn. cyfry na wyświetlaczu nie będą się
Płytki drukowane wysyłane są za
zmieniały w czasie gdy zapalona jest dio- zaliczeniem pocztowym. Płytki można
da D1, oznacza to, że sygnał docierający
zamawiać w redakcji PE.
z czujnika jest zbyt mały. Przyczyną może
Cena: płytka numer 607 - 6,80 zł
być gruby naskórek na uchu. W takim przy-
+ koszty wysyłki (10 zł).
padku należy znacząco zmniejszyć war-
tość rezystora R8. Ę%
Ę%
Ę% Jacek Nowak
Ę%
Ę%
Fot. 1 WyglÄ…d gotowego do pracy urzÄ…dzenia