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一款基于EFM32的便携式心率计设计

发布时间:2020-07-21 17:42:58 阅读: 来源:锐钛型钛白粉厂家

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LED 显示和报警电路。

本文引用地址:系统总体设计

图1 系统结构框图

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。

系统硬件电路原理图

图2 为电路原理图,下面对各模块进行逐一描述。

图2 系统硬件电路原理图

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:

1、足够高的增益,约800 倍。

2、有合适的频带宽度(0.78~ 3.33Hz)

3、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。

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。

图3:低通滤波原理图

图3:低通滤波原理图

3 后级放大和比较整流电路设计

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。

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