基于单片机的便携式心率计的设计与实现 电子产品, 消费电子, 单片机, 消费者, 传感器

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在消费电子领域，便携式电子产品由于体积小、质量轻的特点越来越受到消费者的喜爱，已成为人们生活中不可缺少的部分。基于这个思路，我们设计了一款便携式心率计，它可以替代用脉搏听诊器等进行测量的传统方法，使用非常方便。该产品主要包括三个部分：信号的采集、数据处理以及LCD显示和报警电路。

　　

　　如图1所示，从传感器检测到的脉搏信号转化为电压信号送入电压跟随器，起到缓冲的作用，使前级和后级隔离开来，避免相互干扰。输出的信号经前置放大后送入高通滤波器，以滤除传感器的热电干扰，再经过低通滤波器滤除环境中的高频干扰。处理完的信号送入后级继续放大以便得到干扰小且清晰的信号，此信号经比较器和二极管整流后直接送入单片机处理，以驱动显示电路和报警电路。
　　1. 电压跟随和前置放大电路
　　电压跟随器的输入信号，即脉搏传感器信号从V+端输入，反馈电阻置零，构成一个同相跟随器，起到缓冲作用，隔离前后级的影响。心音脉搏放大器的功能是将mV级的心音信号放大到V级，以供显示和记录使用。
　　根据心音脉搏信号的特性，要求放大器具有以下特性：
　　足够高的增益，约800倍。 有合适的频带宽度（0.78～ 3.33Hz） 因为心音脉搏信号比较微弱，干扰和噪声比较大，要求电路有高输入阻抗来减小信号的损失，有高共模抑制比（大于80dB）来抑制干扰和噪声。
　　由于在实际应用中，外界信号的干扰，以及考虑到放大器的稳定性，一级放大器不能实现如此大的增益，所以电压放大器一般由两级组成。其中，前级采用负反馈差动放大电路，以提高共模信号抑制比。此部分的关键是如何抑制各种噪声，避免让噪声窜入后级电路。因此在系统中，采用基于双运放电路的微功耗仪表放大器LM358作为心音脉搏信号的前级放大器。为防止产生非线性失真以致损害电路的共模抑制比，该部分的放大倍数不宜过高，选择为1000倍左右。

　　
图2 电压跟随和前置放大电路

　　2. 高低通滤波器电路
　　在本设计中，信号频率较低，在0.78～3.33Hz之间，因此滤波器的设计成为本电路的关键。首先，要经过一个0.5Hz的高通滤波器，以滤出传感器的热电干扰，然后再经过一个低通滤波器以滤除心音信号的绝大多数干扰。在实现电路中，普通的滤波器已经很难对这么低的信号进行滤波，因此在本设计中采用增益变化较平坦的巴特沃斯滤波器。其中，高通为二阶的巴特沃斯滤波器，低通为截止频率为5Hz的巴特沃斯滤波器。图3为低通滤波的原理图。

　　

　　心音信号经过前级放大后，幅度还未达到理想的应用值，且还有一定的干扰，因此需要后级放大器继续放大，以达到使用要求。整个电路采用一般的反向放大器模块电路。
　　比较整流电路的作用是将处理后的信号转化为不含负脉冲的方波，以送入单片机进行处理。该电路由一个过零比较器和整流电路构成，由于送入单片机的信号要求为正电压，所以经过整流电路后，信号将全部转化为正跳沿的方波。
　　4. 单片机控制电路
　　本部分主要包括单片机控制显示电路以及驱动蜂鸣器的报警，具体电路如图4所示。