傳感器原理及項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn) 課件 項(xiàng)目8-生物識(shí)別

項(xiàng)目8

生物識(shí)別

主講人目錄8.1認(rèn)識(shí)生物識(shí)別傳感器8.2指紋傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)8.3心率血氧傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)8.4思考與練習(xí)所謂生物識(shí)別技術(shù)，就是通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性（如指紋、人臉、虹膜等）和行為特征（如語音、步態(tài)等）來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。為什么我們需要生物特征識(shí)別呢？傳統(tǒng)身份鑒定方法如鑰匙、證件、動(dòng)態(tài)口令、用戶名和密碼等，一旦身份標(biāo)識(shí)物品或身份標(biāo)識(shí)被盜或遺失，其身份就容易被他人冒充或取代。而生物特征識(shí)別技術(shù)具有更安全、保密，不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜以及隨身“攜帶”的優(yōu)點(diǎn)。目前常用的生物識(shí)別傳感器有：圖像識(shí)別傳感器、語音識(shí)別傳感器、指紋傳感器等。與人的指紋一樣，每個(gè)人的心跳信號(hào)也是獨(dú)一無二的，人體心率檢測(cè)傳感器目前主要應(yīng)用在健康監(jiān)測(cè)方面，在生物識(shí)別方面的應(yīng)用還比較少。通過學(xué)習(xí)，了解圖像識(shí)別傳感器、語音識(shí)別傳感器、指紋傳感器和心率檢測(cè)傳感器的工作原理及特點(diǎn)，學(xué)會(huì)生物識(shí)別傳感器的使用方法。知識(shí)目標(biāo)識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)通過實(shí)踐和訓(xùn)練，掌握各種生物識(shí)別傳感器的選型及實(shí)際應(yīng)用，掌握生物識(shí)別傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。認(rèn)識(shí)生物識(shí)別傳感器8.18.1認(rèn)識(shí)生物識(shí)別傳感器8.1.1

圖像識(shí)別傳感器

圖像識(shí)別傳感器是一種通過計(jì)算機(jī)視覺算法對(duì)圖像進(jìn)行分析和識(shí)別的傳感器。它主要由圖像傳感器和圖像處理單元兩部分組成。其中，圖像傳感器是圖像識(shí)別傳感器的核心組件，負(fù)責(zé)捕獲光線并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；圖像處理單元是用于對(duì)圖像傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和分析的部分，它可以是一塊專用的圖像處理芯片，也可以是嵌入在計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)或其它設(shè)備中的圖像處理程序。1.圖像傳感器的工作原理圖像傳感器，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和其它電子光學(xué)設(shè)備中。目前，常用的圖像傳感器有光電式攝像管、固態(tài)圖像傳感器、激光圖像傳感器、紅外圖像傳感器等，其中，固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用最為廣泛。固態(tài)圖像傳感器一般分為CCD(ChargeCoupledDevice，電荷耦合元件)圖像傳感器和CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體元件）圖像傳感器兩種。這兩種圖像傳感器都是通過感光器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣馍姾?，再?duì)光生電荷進(jìn)行收集和處理轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，最終將光電信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的形式輸出。1）CCD圖像傳感器

一個(gè)完整的CCD圖像傳感器由像素單元陣列、電荷電壓轉(zhuǎn)換模塊、讀出電路等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如左圖所示。CCD圖像傳感器中單個(gè)像素單元是MOS電容器，其結(jié)構(gòu)如右圖所示，最上層的金屬柵極、中間的二氧化硅層和最下面的P型襯底共同構(gòu)成了一個(gè)MOS電容。CCD圖像傳感器的系統(tǒng)框圖MOS電容器的結(jié)構(gòu)如果在像素單元MOS電容器的金屬柵極上施加正向電壓，P型襯底中的空穴在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)向底部進(jìn)行遷移，進(jìn)而在硅與二氧化硅的界面處形成耗盡層。如果當(dāng)前像素單元的柵極電壓降低，而相鄰像素單元的柵極電壓升高，在外界光線照射下產(chǎn)生的光生電荷將會(huì)從當(dāng)前像素單元轉(zhuǎn)移到鄰近像素單元。CCD圖像傳感器的工作原理就是通過不斷改變像素單元柵極的電壓實(shí)現(xiàn)光生電荷的轉(zhuǎn)移，電荷電壓轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)而將光生電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最終通過讀出電路對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的處理。2）CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器由像敏單元，行、列開關(guān)，地址譯碼器和AD轉(zhuǎn)換器、預(yù)處理電路等部分組成，其中，像敏單元組按照X方向和Y方向排成陣列，陣列中的每一個(gè)感光(像敏)單元分別有X和Y兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行定位和選擇；每一個(gè)感光(像敏)單元旁邊都有一個(gè)列放大器，這個(gè)列放大器將感光(像敏)單元收集到的信息輸出至輸出放大器，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和預(yù)處理電路處理后，通過接口電路輸出。COMS圖像傳感器的原理

相比于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）隨機(jī)窗口讀取能力：隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開多個(gè)跟蹤窗口的功能。（2）抗輻射能力：總的來說，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對(duì)于CCD有重要增強(qiáng)。（3）系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性：采用CMOS圖像傳感器可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。2.圖像傳感器的工作過程

圖像識(shí)別傳感器不僅能夠通過圖像傳感器捕捉圖像，還能夠通過圖像處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中內(nèi)容的分析和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)、物體識(shí)別、運(yùn)動(dòng)跟蹤等任務(wù)。圖像處理單元主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分析和識(shí)別，如下圖所示。（1）圖像預(yù)處理：通過圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)可能存在噪聲、失真等問題，因此需要預(yù)處理。預(yù)處理包括圖像去噪、增強(qiáng)、歸一化等操作，以優(yōu)化圖像的質(zhì)量和可用性。

在圖像處理中，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像是常見的操作，灰度轉(zhuǎn)換公式如下所示：

其中，R、G、B分別表示紅、綠、藍(lán)通道上的像素值。

（2）特征提?。簩?duì)輸入的圖像進(jìn)行特征提取，即從圖像中提取出有代表性的信息，如邊緣、顏色、紋理等。這些特征用于后續(xù)的分類、檢測(cè)或識(shí)別任務(wù)。

（3）模型訓(xùn)練：為了能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別，需要事先對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中，使用大量的標(biāo)記數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)和優(yōu)化，使其能夠識(shí)別不同類別的物體、人臉或文字等。

（4）分類與識(shí)別：基于訓(xùn)練好的模型，將輸入的圖像進(jìn)行分類或識(shí)別。它將提取到的特征與預(yù)先訓(xùn)練好的模型或數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，確定圖像中包含的物體、人臉或文字等是屬于哪個(gè)類別。

（5）目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤：除了識(shí)別類別，還可以進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。它能夠在圖像中定位和標(biāo)記出感興趣的目標(biāo)，并隨著目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。

通過以上步驟，圖像識(shí)別傳感器能夠提供更精確、快速的圖像識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的圖像處理和分析功能。3.圖像傳感器的特點(diǎn)

目前圖像識(shí)別技術(shù)主要用于人臉識(shí)別、商品識(shí)別、消費(fèi)類電子、自動(dòng)駕駛以及航空航天等領(lǐng)域。具有實(shí)時(shí)性、高精度、自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)性：圖像識(shí)別傳感器能夠快速采集和處理圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像識(shí)別任務(wù)。這對(duì)于需要快速響應(yīng)、及時(shí)決策的應(yīng)用非常重要，例如自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。

（2）高精度：圖像識(shí)別傳感器能夠提供高精度的圖像數(shù)據(jù)，使得識(shí)別和分析更加準(zhǔn)確。高精度對(duì)于需要精細(xì)識(shí)別、精確測(cè)量或高精度控制的應(yīng)用非常重要。

（3）自動(dòng)化和智能化：圖像識(shí)別傳感器可以與其他智能系統(tǒng)和設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的功能。通過圖像識(shí)別傳感器，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)感知和理解周圍環(huán)境，從而自動(dòng)做出相應(yīng)的決策和行動(dòng)。8.1.2語音識(shí)別傳感器

傳統(tǒng)的聲音傳感器是一種用于檢測(cè)環(huán)境中聲音信號(hào)的傳感器。它可以通過麥克風(fēng)或其他聲音接收器來捕捉聲波振動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。聲音傳感器通常被用于測(cè)量噪音水平、聲音強(qiáng)度、頻率等聲學(xué)參數(shù)，例如在環(huán)境監(jiān)測(cè)、聲音分析和安防系統(tǒng)中的應(yīng)用。

語音識(shí)別傳感器則是一種特殊的傳感器，是一種利用語音識(shí)別技術(shù)將語音轉(zhuǎn)化為文字或命令的傳感器，其核心在于語音識(shí)別技術(shù)。它結(jié)合了語音輸入設(shè)備（麥克風(fēng)）、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、相關(guān)的信號(hào)處理算法和語音識(shí)別引擎，能夠?qū)⒉蹲降降穆曇粜盘?hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可理解的形式，實(shí)現(xiàn)語音控制、語音輸入和語音識(shí)別等功能。1.工作原理

所謂語音識(shí)別，就是將一段語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的文本信息，系統(tǒng)主要包含特征提取、聲學(xué)模型，語言模型以及字典與解碼四大部分，其基本框架如下圖所示。語音識(shí)別的基本框架

為了更有效地提取特征往往還需要對(duì)所采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行濾波、分幀等預(yù)處理工作，把要分析的信號(hào)從原始信號(hào)中提取出來；

特征提取工作將聲音信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，為聲學(xué)模型提供合適的特征向量；

聲學(xué)模型中再根據(jù)聲學(xué)特性計(jì)算每一個(gè)特征向量在聲學(xué)特征上的得分；

語言模型則根據(jù)語言學(xué)相關(guān)的理論，計(jì)算該聲音信號(hào)對(duì)應(yīng)可能詞組序列的概率；

最后，根據(jù)已有的字典，對(duì)詞組序列進(jìn)行解碼，得到最后可能的文本表示。2.語音識(shí)別傳感器的特點(diǎn)方便性：語音識(shí)別傳感器可以直接從人類的語音輸入中提取信息，無需通過鍵盤或其他輸入設(shè)備，使得交互更加方便無需觸摸：語音識(shí)別傳感器無需觸摸物體或接近設(shè)備，免去了物理接觸的需求，有利于衛(wèi)生和便捷性。個(gè)性化交互：語音識(shí)別傳感器可以根據(jù)每個(gè)用戶的語音特征和習(xí)慣進(jìn)行個(gè)性化交互，提供更加智能化的服務(wù)和體驗(yàn)。精確性受限：特別是在面對(duì)復(fù)雜的語音環(huán)境、口音、方言或者多說話人交互時(shí)，其準(zhǔn)確性可能會(huì)受到影響。3.語音識(shí)別傳感器的應(yīng)用

智能助理和虛擬助手：語音識(shí)別傳感器可以與智能助理和虛擬助手配合使用，實(shí)現(xiàn)語音交互和控制。用戶可以通過語音指令來獲取信息、發(fā)送消息、設(shè)置提醒等。

語音控制系統(tǒng)：語音識(shí)別傳感器可用于各種設(shè)備和系統(tǒng)的語音控制，例如智能家居系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、機(jī)器人等。用戶可以通過語音指令來控制燈光、溫度、音樂播放等。

電話客服和自動(dòng)語音應(yīng)答系統(tǒng)：語音識(shí)別傳感器用于電話客服和自動(dòng)語音應(yīng)答系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別用戶的語音輸入并提供相應(yīng)的服務(wù)或解決方案。8.1.3指紋識(shí)別傳感器1.指紋

指紋簡(jiǎn)單來說是由手指指腹表面許多凹凸不同的紋線共同組合而形成的紋路，其中凸線是乳突線也稱為脊線，凹線是小犁溝也稱為谷線。研究人員在研究的時(shí)候?qū)⒅讣y形狀分類為弓型、箕型、斗型等。

指紋特征則指的是手指表面的脊與溝共同組成的平滑紋理模式，這種形式會(huì)受到胚胎形成中手指表皮環(huán)境的影響，具有非常強(qiáng)的隨機(jī)性。每個(gè)人的指紋都具有獨(dú)特的紋理和圖案，即使在同一對(duì)手指上的兩個(gè)指紋也不會(huì)完全相同，這種獨(dú)特性使得指紋識(shí)別成為常見的生物識(shí)別技術(shù)，用于身份驗(yàn)證和安全措施。

目前市面上的指紋傳感器主要包含了光學(xué)指紋傳感器、電容指紋傳感器以及超聲波指紋傳感器三種。2.光學(xué)指紋傳感器的工作原理光學(xué)指紋傳感器是利用光學(xué)原理和圖像處理算法來獲取和識(shí)別人類指紋圖像，其工作原理如上圖所示，包括以下幾個(gè)步驟：（1）入射光照射：傳感器采用一個(gè)光源（通常是LED）發(fā)出的光線，照射到指紋表面。這些入射光線會(huì)與指紋的皮膚接觸，并被指紋的微小結(jié)構(gòu)所影響。（2）反射和吸收：當(dāng)光線照射到指紋表面時(shí)，指紋脊線（凸起的部分）會(huì)反射一部分光線回到傳感器，而指紋谷線（凹陷的部分）則會(huì)吸收光線。這種反射和吸收現(xiàn)象使得傳感器能夠感知指紋表面的細(xì)微變化。（3）形成圖像：傳感器上安裝有一組光敏元件（例如CCD或CMOS），這些元件能夠接收到從指紋表面反射回來的光線。根據(jù)光線的強(qiáng)度和分布，光敏元件將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。（4）圖像處理：通過對(duì)電信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)、濾波和去噪等處理，從而形成清晰可辨的指紋圖像。圖像處理技術(shù)可以幫助消除背景噪聲、提高對(duì)比度以及強(qiáng)化細(xì)節(jié)，確保獲取到高質(zhì)量的指紋圖像。光學(xué)指紋傳感器的特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好、成本較低，可以提供分辨率為500的圖像。（2）對(duì)較大范圍的指紋圖像采集有良好的效果，可以很好地克服大面積電容式傳感器高價(jià)格缺陷。（3）安全系數(shù)高。（4）光學(xué)指紋傳感器是指紋脊和谷對(duì)全反射不一樣顯像，針對(duì)指紋淺、指紋太干燥或蛻皮的客戶，會(huì)非常容易出現(xiàn)不正確分辨的狀況。（5）對(duì)溫度等環(huán)境因素的適應(yīng)能力差，容易受到光線、灰塵等干擾。3.電容式指紋傳感器電容值的檢測(cè)是電容式指紋傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)。電容式指紋傳感器的工作原理圖如下圖所示，二維傳感器陣列生長(zhǎng)于玻璃襯底，每一個(gè)像素點(diǎn)都是一個(gè)電容板，作為電容的一極，而手指皮膚作為電容的另一極。當(dāng)手指放傳感器上時(shí)，手指表面和每塊電容板之間產(chǎn)生電荷，這些電荷的大小取決于手指的脊和谷與傳感器內(nèi)每塊電容板之間的距離，于是指紋脊和谷就會(huì)產(chǎn)生不同的電容模值，通過檢測(cè)這些不同的電容值就可得到指紋圖像。這種技術(shù)的關(guān)鍵部分就是通過脊、谷等紋理信息來獲得可靠性較高的圖像，同時(shí)這種技術(shù)能適應(yīng)多種復(fù)雜的指紋，還能夠在多種環(huán)境下獲得高質(zhì)量的指紋圖像。電容式指紋傳感器的特點(diǎn)

（1）圖像質(zhì)量較高：相比光學(xué)指紋傳感器，電容式指紋傳感器應(yīng)用的是自動(dòng)控制技術(shù)來調(diào)節(jié)指紋圖像像素以及指紋局部敏感程度，如果處于不同的環(huán)境，在相應(yīng)信息的結(jié)合下就會(huì)產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。

（2）抗靜電能力偏低：通過電容技術(shù)獲取圖像信息的難度較高，受手指與傳感器內(nèi)每塊電容板之間的距離影響很大，而且人體指尖的靜電放電會(huì)產(chǎn)生的電場(chǎng)，也可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞傳感器，所以抗靜電能力偏低。

（3）環(huán)境適應(yīng)能力差：手指的汗液與其他污染物以及手指磨損等都會(huì)影響圖像采集的質(zhì)量。4.超聲波指紋傳感器

超聲波具有穿透材料，且隨材料的不同產(chǎn)生不同回波的能力，因此，利用皮膚與空氣對(duì)于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋凹凸不平的圖像，包括脊線和谷線。超聲波傳感器在超聲波掃描指紋表面后，會(huì)由接收設(shè)備獲得反射信號(hào)，由于指紋脊與谷的超聲受到的阻擾并不相同，因此接收器接收到超聲波的能量也不同，通過測(cè)量超聲波的速度就可以獲得相應(yīng)的指紋圖像。這種傳感器與光學(xué)指紋傳感器相似，超聲波指紋傳感器同樣是要對(duì)指紋表面進(jìn)行掃描，接收設(shè)備獲得反射信號(hào)后，就會(huì)轉(zhuǎn)換成為指紋圖像。超聲波指紋傳感器的特點(diǎn)

綜合來說，超聲波指紋圖像傳感器結(jié)合了光學(xué)指紋圖像傳感器與半導(dǎo)體指紋圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)：（1）圖像質(zhì)量最高：相比于目前市場(chǎng)中應(yīng)用的指紋傳感器，超聲波指紋傳感器是精度最高、準(zhǔn)確度最好的指紋圖像采集器件。（2）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)：超聲波指紋圖像采集傳感器不會(huì)受到汗液、灰塵等因素的影響，采集的圖像就是指紋凹凸的真實(shí)情況。在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候由于受到不同因素的影響，這項(xiàng)技術(shù)性能尚未完全成熟，還需要進(jìn)一步提高和完善5.指紋傳感器的應(yīng)用

指紋識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用在身份識(shí)別、考勤、社保、公安與軍事等方面。在指紋傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)中，光學(xué)指紋傳感器占據(jù)著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。但人們?cè)谘芯颗c調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用日益廣泛的是耗能較低、體積較小、質(zhì)量較高的電容式指紋傳感器。隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，超聲波指紋傳感器采集指紋圖像質(zhì)量高，受外界環(huán)境影響小，還能獲取指紋表面的三維信息，具有非常好的發(fā)展前景，同時(shí)也是后期傳感器發(fā)展的主流趨勢(shì)。8.1.4心率檢測(cè)傳感器

心率指的是人在平和情況下心臟1min內(nèi)所跳動(dòng)的次數(shù)，而心率參數(shù)的變化能反映出人體各項(xiàng)機(jī)能的運(yùn)作情況。心率檢測(cè)傳感器是一種用于測(cè)量人體心率的設(shè)備，它可以通過感應(yīng)人體的心跳來獲取心率數(shù)據(jù)，以便更好地了解自己的身體狀況。同時(shí)，心率識(shí)別具有和指紋識(shí)別相似的原理，由于一個(gè)人的心跳節(jié)奏一般是穩(wěn)定的，因此每個(gè)人的心跳形狀都不一樣，而且不會(huì)改變。即使人的心跳加快，心跳的整體形狀也不會(huì)改變，基于此特點(diǎn)，心率檢測(cè)傳感器也可用于生物識(shí)別。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于心率缺乏足夠的穩(wěn)定性，因此心率檢測(cè)傳感器在生物識(shí)別方面的應(yīng)用還比較少，更多地被用在健康監(jiān)測(cè)方面。1.心率檢測(cè)的工作原理

心率可以基于脈搏波進(jìn)行檢測(cè)，通過監(jiān)測(cè)脈搏波的特征，如脈搏波的振幅、頻率和形態(tài)等，來計(jì)算心率。一種最簡(jiǎn)單的方法就是計(jì)時(shí)1min后統(tǒng)計(jì)有多少次脈搏值，得到的脈博值即為心率值。但這種方法每次測(cè)心率都要等1min才有一次結(jié)果，效率極其低下且實(shí)時(shí)性不高。另外一種比較普遍的方法是測(cè)量相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔，再用1min除以這個(gè)間隔得出心率值，此方法可以實(shí)時(shí)計(jì)算心率值，且效率較高。實(shí)際檢測(cè)脈搏信號(hào)時(shí)，尋找到“信號(hào)上升到振幅中間位置”的特征點(diǎn)，如下圖所示，則認(rèn)為檢測(cè)到一次有效脈搏。目前常用的心率檢測(cè)傳感器有兩種類型，一種是通過光反射測(cè)量的光電式心率傳感器，另一種是利用人體不同部位電勢(shì)測(cè)量的電極式心率傳感器。1）光電式心率傳感器

光電式心率傳感器是通過光電容積脈搏掃描法(Photoplethysmography，PPG)檢測(cè)活體組織血管中血液的容積變化進(jìn)而測(cè)算出心率的傳感器。

首先傳感器內(nèi)部使用一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管（LED）作為發(fā)光源。這些LED通常發(fā)出綠光，當(dāng)傳感器端的綠光光束照射到指端后，綠光光束將通過反射或透射的方式被光敏二極管所接收。光電反射式光電透射式

在接收光的這一過程中，光敏二極管檢測(cè)到的光強(qiáng)會(huì)因檢測(cè)端皮膚組織和血液對(duì)光強(qiáng)的吸收衰減而降低。同時(shí)皮膚、肌肉、骨骼以及血管等組織吸收光照強(qiáng)度的能力恒定，但是人體血管中的血液容積隨心臟跳動(dòng)成搏動(dòng)性變化，所以血液對(duì)于光強(qiáng)的吸收衰減作用會(huì)隨著心臟的搏動(dòng)而改變。當(dāng)心臟收縮時(shí)，人體血管中的血液容積最大，對(duì)于光強(qiáng)的吸收衰減作用也就最強(qiáng)；當(dāng)心臟舒張時(shí)，人體血管中的血液容積最小，對(duì)于光強(qiáng)的吸收衰減作用也就最弱。而后，光敏二極管將接收到的光強(qiáng)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過測(cè)量光信號(hào)的強(qiáng)度變化，傳感器可以計(jì)算出心率值。這些值會(huì)被傳輸?shù)竭B接的設(shè)備上，例如智能手表或手機(jī)應(yīng)用程序，以顯示用戶的心率數(shù)據(jù)。2）電極式心率傳感器電極式心率傳感器通過心電信號(hào)測(cè)量法(Electrocardiogram，ECG)監(jiān)測(cè)人體心率，由于每次心跳在心臟中產(chǎn)生電脈沖，因此可以利用放置在身體上不同位置的傳感器來測(cè)量所產(chǎn)生的心電勢(shì)。異常的心電勢(shì)可以指示諸如心臟病發(fā)作，胸部創(chuàng)傷，心臟血流減少，心律失?；蛐呐K畸形等情況。醫(yī)院用于監(jiān)測(cè)和記錄心臟活動(dòng)的裝置心電圖就屬于此類，如下圖所示。2.心率檢測(cè)傳感器的特點(diǎn)

光電式心率傳感器的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、價(jià)格低廉。它可以在家庭環(huán)境下使用，不需要專業(yè)的醫(yī)療設(shè)備或技術(shù)。此外，光電傳感器還可以與智能手機(jī)或手表等設(shè)備配合使用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率的功能。但是，光電式心率傳感器也存在一些局限性。首先，它測(cè)量精度低，且只能測(cè)量心率，無法測(cè)量其他心臟指標(biāo)，如心電圖等。其次，光電傳感器的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)受到外界干擾，如運(yùn)動(dòng)、環(huán)境溫度等因素的影響。因此，在使用光電式心率傳感器進(jìn)行心率測(cè)量時(shí)，需要注意避免這些干擾因素。電極式心率傳感器在心率檢測(cè)的過程中，需要在人體上多個(gè)部位連接傳感器電極（在被檢測(cè)人體連接電極數(shù)量有十個(gè)以上），所以電極式心率傳感器技術(shù)盡管能提供高精度的心率信息，但是其嚴(yán)重限制了被檢測(cè)人的活動(dòng)，因而該技術(shù)目前大部分應(yīng)用與醫(yī)療和體育等行業(yè)。指紋傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)8.28.2指紋傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)8.2.1

實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過實(shí)訓(xùn)，了解ID1016C電容式指紋傳感器模塊的工作原理，掌握ID1016C與STM32F407ZGT6芯片的接口技術(shù)，掌握STM32F407外設(shè)串口通訊編程技術(shù)，熟悉使用ID1016C對(duì)指紋進(jìn)行采集錄入、識(shí)別檢測(cè)，通過液晶顯示屏幕顯示錄入識(shí)別的過程。8.2.2ID1016C指紋模塊簡(jiǎn)介1.性能特點(diǎn)

指紋識(shí)別模塊ID1016C集指紋采集、處理、存儲(chǔ)及指紋比對(duì)為一體，采用電容式指紋識(shí)別技術(shù)，以ID809高性能處理器和半導(dǎo)體指紋傳感器為核心，運(yùn)行全新IDfinger6.0指紋算法，深度優(yōu)化、全面提速，能夠獨(dú)立完成全部的指紋識(shí)別工作，廣泛適用于指紋鎖、指紋考勤門禁、智能終端、自助設(shè)備等各種需要指紋作為認(rèn)證的硬件終端。指紋識(shí)別模塊ID1016C的特點(diǎn)：?

圖像質(zhì)量高、采集速度快、用戶體驗(yàn)好；?

功能完善，集指紋采集、圖像處理、特征提取、指紋注冊(cè)、指紋比對(duì)、指紋刪除等功能于一體；?

易開發(fā)，支持Windows、Android、嵌入式系統(tǒng)，提供完整SDK開發(fā)包；?

高性能、低功耗：模塊CPU采用先進(jìn)工藝制程生產(chǎn)，ARM?Cortex?-M4內(nèi)核，運(yùn)算速度快、功耗低；?

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可靈活嵌入各種體積受限的產(chǎn)品中；?

靜電耐壓高、抗干擾能力強(qiáng)，干濕手指適應(yīng)性好。2.引腳定義

指紋識(shí)別模塊ID1016C通過6個(gè)引腳與主機(jī)進(jìn)行通訊。這6個(gè)引腳的的定義如下表所示：3.通信方式與典型接線

指紋識(shí)別模塊ID1016C支持UART通訊方式。指紋模塊和系統(tǒng)MCU通訊時(shí)，電路連接如圖8-13所示，當(dāng)有手指按壓指紋模塊時(shí)，WAKEUP輸出高電平，WAKEUP信號(hào)是通知信號(hào)，系統(tǒng)MCU接收到WAKEUP信號(hào)后啟動(dòng)系統(tǒng)，輸出指紋模塊電源開啟信號(hào)，給VIN提供3.3V電源，然后再進(jìn)行UART通信，這樣可以將指紋模塊的休眠電流控制在10uA以下。也可以將VCC和VIN一直處于供電狀態(tài)，這樣可以將指紋模塊的休眠電流控制在15uA以下。通信原理圖8.2.3ID1016C硬件接口電路設(shè)計(jì)

指紋識(shí)別模塊ID1016C應(yīng)用實(shí)訓(xùn)原理圖如右圖所示。指紋識(shí)別模塊ID1016C第2引腳（RX）接STM32F407的PC12引腳，第3引腳（TX）接PD2引腳，第5引腳（IRQ）接PG13引腳。8.2.4程序設(shè)計(jì)

本次實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是采用ID1016C電容式指紋傳感器模塊進(jìn)行指紋的采集和識(shí)別，該任務(wù)功能主要由main.c、fingerprint.c、STM32F40x_Usart_eval.c程序文件來完成，main.c完成整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程和顯示，fingerprint.c完成指紋的采集和識(shí)別，STM32F40x_Usart_eval.c完成USART配置和通信。本次實(shí)訓(xùn)程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下：（1）配置RCC寄存器組，開啟USART5時(shí)鐘，開啟GPIOC、GPIOD、GPIOG時(shí)鐘；（2）配置GPIO端口，設(shè)置GPIOD.2為復(fù)用推挽模式，GPIOC.12為復(fù)用推挽模式，有上拉電阻；設(shè)置GPIOG.13為開漏、輸入模式，無上拉/下拉電阻；（3）配置USART5，主要參數(shù)為：使用115200bps波特率、8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、1個(gè)停止位且無校驗(yàn)位、全雙工模式，開啟中斷；（4）指紋采集識(shí)別、串口通信、LCD顯示。8.2.5程序運(yùn)行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個(gè)工程文件，編譯并運(yùn)行程序，實(shí)訓(xùn)結(jié)果如下圖所示，圖（a）開機(jī)通信狀態(tài)顯示，顯示“ok”通訊正常，顯示“error”通訊不正常，需要檢查程序并重新燒錄上電，直到液晶顯示屏顯示“ok”；圖（b）錄入指紋第一次；圖（c）錄入指紋第二次；圖（d）錄入指紋第三次；圖（e）指紋對(duì)比等待狀態(tài)；圖（f）指紋檢測(cè)結(jié)果。（a）（b）（c）（d）（e）（f）心率血氧傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)8.38.3心率血氧傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)8.3.1

實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過實(shí)訓(xùn)，掌握MAX30102心率血氧傳感器模塊與STM32F407ZGT6芯片接口技術(shù)及編程技術(shù)，熟悉使用心率血氧傳感器進(jìn)行心率及血氧檢測(cè)，在液晶顯示屏幕顯示當(dāng)前血氧值及心率。8.3.2MAX30102傳感器模塊簡(jiǎn)介

1.MAX30102傳感器特點(diǎn)

MAX30102是一款集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)模塊,搭載了美信(maxim)的MAX30102心率血氧芯片和一顆集成心率血氧算法的微控制器，可以直接輸出心率血氧數(shù)值。它包括內(nèi)部LED、光電探測(cè)器、光學(xué)元件和具有環(huán)境光抑制功能的低噪聲電子設(shè)備。MAX30102提供完整的系統(tǒng)解決方案，簡(jiǎn)化移動(dòng)和可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)過程。MAX30102采用1.8V單電源和用于內(nèi)部LED的獨(dú)立5.0V電源供電。通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容接口進(jìn)行通信。此外，該芯片還可通過軟件關(guān)斷，待機(jī)電流接近為零，使電源始終保持供電狀態(tài)。MAX30102模塊主要參數(shù)：LED峰值波長(zhǎng)/nm：660/880；LED供電電壓/V：3.3~5；檢測(cè)信號(hào)類型：光反射信號(hào)（PPG）；輸出信號(hào)接口：I2C接口；通信接口電壓/V：1.8、3.3、5（可選）。

該傳感器的優(yōu)勢(shì)為輸出能力快、信噪比高、采樣率高、體積小巧、功耗低、性價(jià)比高，芯片外圍電路非常簡(jiǎn)單，可以將成品的開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本控制到最低。2.MAX30102傳感器工作原理

MAX30102由一對(duì)高強(qiáng)度LED（紅色和紅外LED，均為不同波長(zhǎng)）和一個(gè)光電探測(cè)器組成。這些LED的波長(zhǎng)分別為660nm和880nm。MAX30102的工作原理是將兩種光都照射到手指或耳垂上并使用光電探測(cè)器測(cè)量反射光量。這種通過光檢測(cè)脈沖的方法稱為光電體積描記圖。MAX30102的工作可分為兩部分：心率測(cè)量和脈搏血氧飽和度（測(cè)量血液中的氧含量）。

心率測(cè)量：動(dòng)脈血中的氧合血紅蛋白（HbO2）具有吸收紅外光的特性。血液越紅（血紅蛋白越高），吸收的紅外光越多。當(dāng)血液隨著每次心跳泵入手指時(shí)，反射光的量會(huì)發(fā)生變化，從而在光電探測(cè)器的輸出端產(chǎn)生變化的波形。當(dāng)您繼續(xù)照射光并獲取光電探測(cè)器讀數(shù)時(shí)，您很快就會(huì)開始獲得心跳(HR)脈搏讀數(shù)。脈搏血氧測(cè)量：是基于血液中的血紅蛋白對(duì)光的吸收特性。氧合血紅蛋白吸收的紅外光比紅光多，而脫氧血紅蛋白吸收的紅光比紅外光多。因此，血氧儀中的紅光和紅外線LED交替發(fā)出光線，光電二極管接收沒有被吸收的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)放大和輸出。光電二極管接收到的紅光和紅外光的比值用于計(jì)算血液中含氧的百分比。根據(jù)動(dòng)脈血流的脈動(dòng)特性，可計(jì)算出脈搏速率和強(qiáng)度。3.MAX30102傳感器引腳定義MAX30102傳感器模塊引腳布置圖8.3.3硬件接口電路設(shè)計(jì)

MAX30102心率血氧傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)原理圖如圖8-18所示。MAX30102傳感器模塊第2引腳（SCL）接STM32F407的PE1引腳，第3引腳（SDA）接PB13引腳，第5引腳（R_DRV）接PE14引腳，第6引腳（IR_DRV）接PE13引腳，第13引腳（INT）接PF15引腳，第9、10引腳接VCC。8.3.4程序設(shè)計(jì)