低功耗、超小型的便攜式心率計(jì)方案

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(diǎn)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(gè)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款便攜式心率計(jì)，它可以替代用脈搏聽診器等進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法，使用非常方便。該產(chǎn)品主要包括三個(gè)部分：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理以及LCD顯示和報(bào)警電路。 從傳感器檢測(cè)到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級(jí)和后級(jí)隔離開來，避免相互干擾。輸出的信號(hào)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(hào)送入后級(jí)繼續(xù)放大以便得到干擾小且清晰的信號(hào)，此信號(hào)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(dòng)顯示電路和報(bào)警電路。

圖 基于EFM32TG840 的便攜式心率計(jì)方案

系統(tǒng)特性

高低通濾波器電路

在本設(shè)計(jì)中， 信號(hào)頻率較低，在0.78～3.33Hz之間，因此濾波器的設(shè)計(jì)成為本電路的關(guān)鍵。首先，要經(jīng)過一個(gè)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(gè)低通濾波器以濾除心音信號(hào)的絕大多數(shù)干擾。在實(shí)現(xiàn)電路中，普通的濾波器已經(jīng)很難對(duì)這么低的信號(hào)進(jìn)行濾波，因此在本設(shè)計(jì)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。

電壓跟隨和前置放大電路

電壓跟隨器的輸入信號(hào)，即脈搏傳感器信號(hào)從V 端輸入，反饋電阻置零，構(gòu)成一個(gè)同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級(jí)的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV級(jí)的心音信號(hào)放大到V級(jí)，以供顯示和記錄使 用。由于在實(shí)際應(yīng)用中，外界信號(hào)的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級(jí)組成。其中，前級(jí)采用負(fù)反 饋差動(dòng)放大電路，以提高共模信號(hào)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(jí)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(hào)的前級(jí)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。

后級(jí)放大和比較整流電路設(shè)計(jì)

心 音信號(hào)經(jīng)過前級(jí)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(jí)放大器繼續(xù)放大，以達(dá)到使用要求。整個(gè)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(hào)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(gè)過零比較器和整流電路構(gòu)成，由于送入單片機(jī)的信號(hào)要 求為正電壓，所以經(jīng)過整流電路后，信號(hào)將全部轉(zhuǎn)化為正跳沿的方波。

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(dòng)蜂鳴器的報(bào)警，本系統(tǒng)電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號(hào)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。

電源管理模塊

本電路采用9V鋰 電池供電，對(duì)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(gè)模塊供電。

電路測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

實(shí)際測(cè)出的值與理論計(jì)算的值有所差別，且當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí)，輸出信號(hào)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(shí)際的測(cè)量中，一定要注意電路的抗 干擾能力。外部時(shí)鐘晶振為32768Hz，對(duì)其進(jìn)行1/2分頻。