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在消費(fèi)電子領(lǐng)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(fèi)者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分。基于這個思路，我們設(shè)計了一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進(jìn)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LED 顯示和報警電路。 系統(tǒng)總體設(shè)計 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 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(jī)處理，以驅(qū)動顯示電路和報警電路。 系統(tǒng)硬件電路原理圖 圖2 為電路原理圖，下面對各模塊進(jìn)行逐一描述。 圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖 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(gòu)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： 1、足夠高的增益，約800 倍。 2、有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz） 3、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(yīng)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(fù)反饋差動放大電路，以提高共模信號抑制比。此部分的關(guān)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(yùn)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。 電壓跟隨和前置放大電路 2 高低通濾波器電路 在本設(shè)計中，信號頻率較低，在 0.78～3.33Hz 之間，因此濾波器的設(shè)計成為本電路的關(guān)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(jìn)行濾波，因此在本設(shè)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。 圖3:低通濾波原理圖 圖3:低通濾波原理圖 3 后級放大和比較整流電路設(shè)計 心音信號經(jīng)過前級放大后，幅度還未達(dá)到理想的應(yīng)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(dá)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(fù)脈沖的方波，以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。該電路由一個過零比較器和整流電路構(gòu)成，由于送入單片機(jī)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(jī)控制電路 本部分主要包括單片機(jī)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。 圖4 單片機(jī)控制電路 圖5 為單片機(jī)程序流程圖。 圖5 單片機(jī)控制流程圖 20 幀標(biāo)準(zhǔn)Jlink 接口： 20 幀標(biāo)準(zhǔn)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(shù)是單片機(jī)的中斷捕獲功能以及數(shù)學(xué)算法誤差消除、硬件結(jié)構(gòu)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(jī)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(dāng)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(jìn)行1/2 分頻。 結(jié)論 本設(shè)計通過數(shù)模混合電路結(jié)合單片機(jī)控制的設(shè)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(bǔ)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(jī)時間超長，功能升級空間也很大，還可以以該設(shè)計為基礎(chǔ)加載其他功能，使其功能和結(jié)構(gòu)更加完善，擴(kuò)展至對人體其他生理狀態(tài)的測定。 |
