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[導(dǎo)讀]導(dǎo)讀:在消費電子領(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

導(dǎo)讀:在消費電子領(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(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LCD顯示和報警電路。

基于EFM32TG840的便攜式心率計設(shè)計

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。

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:

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(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。

基于EFM32TG840的便攜式心率計設(shè)計

  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。

基于EFM32TG840的便攜式心率計設(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。

3 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。

基于EFM32TG840的便攜式心率計設(shè)計

基于EFM32TG840的便攜式心率計設(shè)計

圖5 單片機(jī)控制流程圖

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。

4 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。

5 結(jié)論

本設(shè)計通過數(shù)?;旌想娐方Y(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。

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