利用PCB抄板技术解析便携式单片机控制液晶显示型心率计

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　　前言

　　此款新型便携式心率计，设计方法比较简单易行，使用的元件也比较普遍。从总体来看，它具有体积小、抗干扰能力强、使用方便、易于观察、易于携带等多种优点。因此，该心率计将非常适合于体育训练和室外作业等场合的使用。为使更多的人快速全面地掌握此心率计的设计思路、电路原理图及其工作流程，深圳市世纪芯集成电路有限公司利用PCB抄板技术将为您全面解析这一新型的便携式单片机控制液晶显示型心率计软硬件设计流程及其电路原理与组织构架。通过PCB抄板技术，可使业内人士全面掌握其设计思路，捕捉某些高端设计的闪光点，为己所用，亦可方便地融入到自己的设计，开发出更高端的产品。

　　关键词：PCB抄板 心率计 电路原理图 单片机

　　PCB抄板

　　PCB抄板简单来说，就是将产品内部所有电路模块借助专业抄板软件与抄板技术进行完整复制来实现产品的全套克隆，以协助电子工程师进行产品技术解析、升级应用研究以及二次开发，是目前流行的产品仿制开发手段。一种新产品要快速地普为广大消费者所享有，并在短时间内突破其原有的技术瓶颈实现产品功能的升级，PCB抄板技术是比不可少的手段之一。电子工程师通过反向技术研究，即可掌握某一产品的核心技术，从而推动技术的正向研究。

　　本心率计检测的基本原理

　　过去人们测量脉搏时常用的方法是使用测量脉搏的听诊器，或者使用吸附在人体上的电极等老式测量方法，这些方法无疑都不便于室外场所使用。本心率计在设计时就充分考虑到了这一点。它采用红外线来进行检测采集人体的脉搏，检测的部位为被检测人的任意一个手指或者是耳垂。

　　检测的基本原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小;当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此，本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。

　　硬件电路设计

　　笔者设计的这款便携式单片机控制液晶显示型心率计，硬件整体电路如图1所示。它可分为两个大的电路组成部分，即心率采集处理电路和单片机控制显示部分。

　　心率采集处理电路

　　心率采集处理电路如图2所示。该部分电路主要由脉搏次数红外检测采集电路模块、信号抗干扰电路模块、信号整形电路模块等三个主要的电路模块组成。其中，红外线发射管D1和红外线接收管Q1组成了红外检测采集电路;R2与C1、C2与C3、R4与C4和IC1a共同构成了信号抗干扰电路组，它们分别承担了对信号的低通滤波、干扰光线的光电隔离、残余高频干扰的滤除等任务。另外，IC1b、C5与R10、IC1c则共同组成了信号整形电路模块。

　　心率采集处理电路工作的基本过程如下：

　　首先，红外检测采集电路中D1发射红外线，而Q1则接收相应组织的半透明度，同时转换为电信号。由于脉搏一般在50次/分~200次/分之间，对应的频率范围在0.78Hz~3.33Hz之间，因此经红外检测采集到并转换得到的电信号频率就非常低。为了防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波，以便滤出绝大部分的高频干扰。电路中采用R2和C1来完成滤除高频干扰的任务。

　　然后，由于本心率计设计的适用场所为室外，因此它必然会遇到强光辐射的情况。为了避免在接收正常脉搏红外线时受到强光的干扰，电路中设计使用C2、C3背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简单的光电隔离电路，从而实现了对于干扰光线的隔离。此外，为了防止前面对于高频干扰滤除的不够彻底，电路中还设计连接了由IC1a、R4、C4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除干扰，同时将前面的信号放大200倍左右。

　　经前面处理得到的信号为叠加有噪声的脉冲正弦波，接下来必须对这个信号经过整形。先是通过比较器IC1b将正弦波转换成方波。利用R8可以实现将比较器的阈值调定在正弦波的幅值范围之内的目的。接下来，从IC1b的7引脚输出的方波信号经C5、R10构成的微分电路，进行微分处理后将成为正负相间的尖脉冲。为了稳定脉冲的输出，电路设计时是将此脉冲输入到单稳多谐振荡器IC1c的反相输入端，并利用IC1c的输出来作为后极工作的实际使用脉冲。

　　IC1c在工作时，凡有输入信号时，它会在输入信号后沿到来时输出高电平，从而使C6通过R11充电。大约持续20ms之后，IC1c同相输入端的电位会因C3充电电流减小而降低，当此电位低于反相输入端的电位时(尖脉冲已过去很久)， IC1c就将改变状态并再次输出低电平。这20ms的