低功耗、超小型的便携式心率计方案

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。 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。

图 基于EFM32TG840 的便携式心率计方案

系统特性

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。

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。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。

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。

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，本系统电路的软件部分能够精确跟踪微小心电信号的频率。所采用的技术是单片机的中断捕获功能以及数学算法误差消 除、硬件结构误差消除。

电源管理模块

本电路采用9V锂 电池供电，对于大多数电子产品而言，具有普遍性和方便性。由于此单片机为低功耗工作模式，我们通过7805和LM1117稳压芯片提供±5V、3.3V的 工作电压，然后给各个模块供电。

电路测试与数据分析

实际测出的值与理论计算的值有所差别，且当输入信号较弱时，输出信号受干扰较大。本电路中，跟随器就受到传感器的很大干扰，因此在实际的测量中，一定要注意电路的抗 干扰能力。外部时钟晶振为32768Hz，对其进行1/2分频。