7.4.2 电路设计
这部分内容较为烦琐，著者准备以信号发出到信号接收的过程为顺序进行叙述。不过我们可以明确整个系统，包含红外发射电路、红外接收电路以及其他功能性电路。根据百度百科的记录，正常心率应该是在60～100次每分钟[29]，此外身体状况也会影响这个数据，这个正常数据应该是1～1.67Hz之间，所以我们还需要滤波电路来滤掉其他明显错误的信号。下面介绍红外发射电路和红外接收电路等，如图7.8所示。
图7.8 红外发射和接收电路
红外发射电路：考虑到功率和二极管寿命的影响，不能让红外二极管一直工作，并且树莓派引脚输出的电流不足以带动二极管工作。所以著者用三极管做驱动来控制发射二极管的工作，同时也可以保证带负载能力，在这里必不可少地要有一个限流电阻避免二极管烧毁。
红外接收电路：著者使用红外接收二极管来接收由红外发射二极管发出的、经过手指指肚的红外信号。需要注意的是这个二极管由于它的结构特殊性，需要在接入电路的时候反接，同时也需要一个限流电阻进行相应的限流工作。
高通滤波电路和低通滤波电路[30]：由人体正常的数据得知，我们可以设置一个高通滤波器来滤掉其他的频率较低的噪声。此时我们需要获取频率高于1Hz的信号，但是考虑到个体差异性以及运动员等特殊体质，我们将下限截止频率设置为0.7238Hz，亦即43次每分钟。这样我们还需要限制频率过高的噪声，同样考虑到其他原因我们设置的上限要比正常的数值大一点，这样我们完全可以设置为3.122Hz，亦即187次每分钟。我们这样设计的系统就可以实现频率在0.7～3Hz之间的信号，为信号的最终生成奠定了坚实的基础。有源高通滤波电路和低通滤波电路分别如图7.9和图7.10所示。
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图7.9 有源高通滤波电路图
信号放大电路：完成上面的设计之后，我们的信号还是一个很微弱的信号，我们仍然需要一个简单的信号放大电路来放大信号，让心率的跳变能够成功地被树莓派的终端所捕获，这里不用A/D转换之后获取数据，也是一个很巧妙的设计，首先是因为树莓派没有直接读取模拟量的能力，需要外加A/D芯片来实现这一功能；其次这样循环读取占用大量的CPU资源，从系统效率的角度来讲非常不划算，并且我们目前并不是太在意波形的状况。
7.10 低通滤波电路
结合上面传感器的设计以及本节电路设计，系统总的PCB板图如图7.11所示。
图7.11 健康无损监测系统PCB板图
