在消費電子領域，便攜式電子產(chǎn)品由于體積小,、質(zhì)量輕的特點越來越受到消費者的喜愛,，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個思路,，我們設計了一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進行測量的傳統(tǒng)方法,，使用非常方便,。該產(chǎn)品主要包括三個部分：信號的采集、數(shù)據(jù)處理以及LCD顯示和報警電路,。
 

 

如圖1所示,，從傳感器檢測到的脈搏信號轉(zhuǎn)化為電壓信號送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用,，使前級和后級隔離開來,，避免相互干擾。輸出的信號經(jīng)前置放大后送入高通濾波器,，以濾除傳感器的熱電干擾,，再經(jīng)過低通濾波器濾除環(huán)境中的高頻干擾。處理完的信號送入后級繼續(xù)放大以便得到干擾小且清晰的信號,，此信號經(jīng)比較器和二極管整流后直接送入單片機處理,，以驅(qū)動顯示電路和報警電路。

1. 電壓跟隨和前置放大電路

電壓跟隨器的輸入信號,，即脈搏傳感器信號從V+端輸入,，反饋電阻置零,，構成一個同相跟隨器，起到緩沖作用,，隔離前后級的影響,。心音脈搏放大器的功能是將mV級的心音信號放大到V級，以供顯示和記錄使用,。

根據(jù)心音脈搏信號的特性,，要求放大器具有以下特性：

● 足夠高的增益，約800倍,。

● 有合適的頻帶寬度（0.78～    3.33Hz）

● 因為心音脈搏信號比較微弱,，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來減小信號的損失,，有高共模抑制比（大于80dB）來抑制干擾和噪聲,。

由于在實際應用中，外界信號的干擾,，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性,，一級放大器不能實現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成,。其中,，前級采用負反饋差動放大電路，以提高共模信號抑制比,。此部分的關鍵是如何抑制各種噪聲,，避免讓噪聲竄入后級電路。因此在系統(tǒng)中,，采用基于雙運放電路的微功耗儀表放大器LM358作為心音脈搏信號的前級放大器,。為防止產(chǎn)生非線性失真以致?lián)p害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數(shù)不宜過高,，選擇為1000倍左右,。

2. 高低通濾波器電路

在本設計中，信號頻率較低,，在   0.78～3.33Hz之間,，因此濾波器的設計成為本電路的關鍵,。首先,，要經(jīng)過一個0.5Hz的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾,，然后再經(jīng)過一個低通濾波器以濾除心音信號的絕大多數(shù)干擾,。在實現(xiàn)電路中，普通的濾波器已經(jīng)很難對這么低的信號進行濾波,，因此在本設計中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器,。其中,，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz的巴特沃斯濾波器,。圖3為低通濾波的原理圖,。
 

心音信號經(jīng)過前級放大后，幅度還未達到理想的應用值,，且還有一定的干擾,，因此需要后級放大器繼續(xù)放大，以達到使用要求,。整個電路采用一般的反向放大器模塊電路,。

比較整流電路的作用是將處理后的信號轉(zhuǎn)化為不含負脈沖的方波，以送入單片機進行處理,。該電路由一個過零比較器和整流電路構成,，由于送入單片機的信號要求為正電壓，所以經(jīng)過整流電路后,，信號將全部轉(zhuǎn)化為正跳沿的方波,。

4. 單片機控制電路

本部分主要包括單片機控制顯示電路以及驅(qū)動蜂鳴器的報警，具體電路如圖4所示,。
 

20幀標準Jlink接口：

本系統(tǒng)電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號的頻率,。所采用的技術是單片機的中斷捕獲功能以及數(shù)學算法誤差消除、硬件結構誤差消除,。

5. 電源管理模塊

本電路采用9V鋰電池供電,，對于大多數(shù)電子產(chǎn)品而言，具有普遍性和方便性,。由于此單片機為低功耗工作模式,，我們通過7805和LM1117穩(wěn)壓芯片提供±5V、3.3V的工作電壓,，然后給各個模塊供電,。

電路測試與數(shù)據(jù)分析

實際測出的值與理論計算的值有所差別，且當輸入信號較弱時,，輸出信號受干擾較大,。本電路中，跟隨器就受到傳感器的很大干擾,，因此在實際的測量中,，一定要注意電路的抗干擾能力。外部時鐘晶振為32768Hz,，對其進行1/2分頻,。

結論

本設計通過數(shù)模混合電路結合單片機控制的設計實現(xiàn)了對心率信號的實時測定，并能發(fā)出警告,。整個電路盡量考慮到各方面的因素,，做到線路簡單，減小電磁場干擾,，充分利用軟件編程,，彌補元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32,，使得待機時間超長,，功能升級空間也很大，還可以以該設計為基礎加載其他功能,，使其功能和結構更加完善,，擴展至對人體其他生理狀態(tài)的測定。