心率采集处理电路主要由脉搏红外检测采集模块、信号抗干扰模块与信号整形模块三个部分组成。其中红外发射管 D1 与红外接收管 Q1 构成红外检测采集电路;R2 与 C1、C2 与 C3、R4 与 C4 及 IC1a 共同构成信号抗干扰电路组,分别承担低通滤波、干扰光线的光电隔离与残余高频干扰滤除等任务;IC1b、C5 与 R10、IC1c 则共同组成信号整形电路模块。
电路工作基本过程如下:红外检测采集电路中 D1 发射红外线,Q1 接收相应组织的半透明度并转换为电信号。由于人体脉搏一般在 50 次/分~200 次/分之间,对应频率范围约 0.78 Hz~3.33 Hz,故红外检测所得电信号频率极低。为防止外界高频信号干扰导致检测结果失真,需先进行低通滤波以滤除绝大部分高频干扰,电路中由 R2 与 C1 完成此任务。由于本心率计适用于室外,必然遭遇强光辐射,为避免强光干扰正常的脉搏红外接收,电路采用 C2、C3 背靠背串联组成的双极性耦合电容构成简单光电隔离电路,隔离干扰光线。此外,为彻底滤除高频干扰,电路还接入由 IC1a、R4、C4 组成的截止频率约 10 Hz 的低通滤波器,进一步滤除干扰并将前置信号放大约 200 倍。
经前述处理所得信号为叠加噪声的脉冲正弦波,须进行整形:先由比较器 IC1b 将正弦波转换为方波,利用 R8 将比较器阈值调定在正弦波幅值范围之内;再由 IC1b 第 7 引脚输出的方波经 C5、R10 构成微分电路进行微分,得到正负相间的尖脉冲。为稳定输出脉冲,该尖脉冲被输入单稳多谐振荡器 IC1c 的反相输入端,以 IC1c 输出作为后级工作的实际使用脉冲。工作时,IC1c 在输入信号后沿到来时输出高电平,使 C6 经 R11 充电;约 20 ms 后,IC1c 同相输入端电位因充电电流减小而降低,当其低于反相输入端电位(此刻尖脉冲早已过去)时,IC1c 再次翻转输出低电平。这 20 ms 的脉冲宽度与脉搏同步,并与红色发光二极管 D3 的闪烁相对应。经 IC1c 后的脉冲即为单片机控制电路所需的实际脉冲,经 R12 送至单片机 P3.3 引脚,实现后续计数与显示。
IC1a、IC1b、IC1c 所需的 4.5 V 电源通过 R14、R15 对 9 V 分压并经 IC1d 缓冲获得,该设置使电池电压降至 6 V 时本电路仍能正常工作。
