基于單片機(jī)的便攜式心率儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        在消費(fèi)電子領(lǐng)域,便攜式電子產(chǎn)品由于其體積小和重量輕而越來越受到消費(fèi)者的歡迎,并且它們已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分。

        基于這個(gè)想法,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種便攜式心率監(jiān)測(cè)器,可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用聽診器等測(cè)量脈搏的方法。

        使用起來非常方便。

        該產(chǎn)品主要包括三個(gè)部分:信號(hào)采集,數(shù)據(jù)處理,LCD顯示和報(bào)警電路。

        如圖1所示,傳感器檢測(cè)到的脈沖信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后發(fā)送到電壓跟隨器,該電壓跟隨器用作隔離前級(jí)和后級(jí)以避免相互干擾的緩沖器。

        輸出信號(hào)被預(yù)先放大并發(fā)送到高通濾波器以濾除傳感器的熱電干擾,然后通過低通濾波器以濾除環(huán)境中的高頻干擾。

        經(jīng)過處理的信號(hào)被發(fā)送到下一級(jí)以繼續(xù)放大,以獲得低干擾和清晰的信號(hào)。

        該信號(hào)經(jīng)比較器和二極管整流后直接送至單片機(jī)進(jìn)行處理,以驅(qū)動(dòng)顯示電路和報(bào)警電路。

        1.電壓跟隨器和前置放大器電路電壓跟隨器的輸入信號(hào),即脈沖傳感器信號(hào)從V +端子輸入,反饋電阻設(shè)置為零,形成同相跟隨器,用作緩沖器并隔離前級(jí)和后級(jí)的效果。

        心音脈沖放大器的功能是將mV電平的心音信號(hào)放大到V電平以進(jìn)行顯示和記錄。

        根據(jù)心音和脈搏信號(hào)的特性,要求放大器具有以下特性:gain足夠高的增益,約為800倍。

        適當(dāng)?shù)膸挘?.78?3.33Hz)由于心音脈沖信號(hào)相對(duì)較弱,干擾和噪聲較大,因此要求電路具有高輸入阻抗以減少信號(hào)損耗,并具有較高的共模抑制比(大于80dB)以抑制干擾和噪音。

        由于在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到外部信號(hào)的干擾,并且考慮到放大器的穩(wěn)定性,一級(jí)放大器無法獲得如此大的增益,因此電壓放大器通常由兩級(jí)組成。

        其中,前級(jí)使用負(fù)反饋差分放大器電路來提高共模信號(hào)抑制比。

        這部分的關(guān)鍵是如何抑制各種噪聲并避免讓噪聲進(jìn)入后續(xù)電路。

        因此,在該系統(tǒng)中,基于雙運(yùn)放電路的微功率儀表放大器LM358被用作心音脈沖信號(hào)的前置放大器。

        為了防止非線性失真損壞電路??的共模抑制比,該部分的放大倍率不應(yīng)太高,并且應(yīng)為1000倍左右。

        圖2電壓跟隨器和前置放大器電路2.高通和低通濾波器電路在本設(shè)計(jì)中,信號(hào)頻率很低,在0.78?3.33Hz之間,因此濾波器的設(shè)計(jì)成為該電路的關(guān)鍵。

        首先,通過0.5Hz高通濾波器以濾除傳感器的熱電干擾,然后通過低通濾波器以濾除心音信號(hào)中的大部分干擾。

        在電路的實(shí)現(xiàn)中,普通濾波器很難過濾這樣的低信號(hào),因此在本設(shè)計(jì)中,使用了增益變化平坦的巴特沃斯濾波器。

        其中,高通是二階巴特沃斯濾波器,低通是截止頻率為5 Hz的巴特沃斯濾波器。

        圖3是低通濾波的示意圖。

        在對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大之后,幅度尚未達(dá)到理想的應(yīng)用值,并且仍然存在一定的干擾,因此后置放大器需要繼續(xù)放大以滿足使用的要求。

        整個(gè)電路使用通用的反相放大器模塊電路。

        比較整流電路的作用是將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成沒有負(fù)脈沖的方波,然后將其發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

        該電路由一個(gè)過零比較器和一個(gè)整流電路組成。

        由于發(fā)送到單片機(jī)的信號(hào)要求為正電壓,因此在整流電路之后,信號(hào)將全部轉(zhuǎn)換為具有正沿的方波。

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