在消費電子領域，便攜式電子產品由于體積小、質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。該產品主要包括三個部分：信號的采集、數(shù)據處理以及LED 顯示和報警電路。
系統(tǒng)總體設計
圖1 系統(tǒng)結構框圖
如圖1 所示，從傳感器檢測到的脈搏信號轉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，此信號經比較器和二極管整流后直接送入單片機處理，以驅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。
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計
心音信號經過前級放大后，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，所以經過整流電路后，信號將全部轉化為正跳沿的方波。
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動蜂鳴器的報警，具體電路如圖4 所示。
圖4 單片機控制電路
圖5 為單片機程序流程圖。
圖5 單片機控制流程圖
20 幀標準Jlink 接口：
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)?；旌想娐方Y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。