心跳計數(shù)系統(tǒng)的方案設計

1 心跳計數(shù)系統(tǒng)的方案設計 2 方案設計 案分析 正 常人心跳為 6080 次 /分鐘，老年人為 100150 次 /分鐘，嬰兒為 90140 次 /分鐘，顯然這種信號屬于低頻范疇。因此，心跳計數(shù)系統(tǒng)是來測量低頻信號的裝置，其基本功能要求 （ 1）要把人體的心跳信號（振動）轉(zhuǎn)換成電信號，這就需要借助傳感器。 （ 2）對轉(zhuǎn)換后的電信號要進行放大和整形等處理，以保證其他電路正常工作。 （ 3）在很短的時間內(nèi)，測量出經(jīng)放大后的電信號頻率值。 總之，心跳計數(shù)系統(tǒng)的核心是在固定的短時間內(nèi)對低頻電脈沖計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來 。可見，心跳計數(shù)系統(tǒng)的主要組成部分是計數(shù)器和數(shù)字顯示器 。 出的設計方案 心跳計數(shù)系統(tǒng)的上述功能要求，可采用三個不同的方案來實現(xiàn)。 （ 1） 把轉(zhuǎn)換為電信號的脈搏信號，在單位時間內(nèi)進行計數(shù)，并用數(shù)字顯示其計數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 圖 2案一系統(tǒng)框圖 （ 2） 測量心臟跳動固定次數(shù)所需時間，然后換算為每分鐘的心跳數(shù) 圖 2案二系統(tǒng)框圖 傳感器 放大濾波整形 四倍頻電路 譯碼顯示 控制電路 傳感器 放大濾波整形 計數(shù)電路 譯碼顯示 控制電路 比較電路 報警電路 計數(shù)電路 比較電路 報警電路 2 （ 3） 利用單片機寫程序來進行控制，既有硬件又有軟件，且電路設計簡單 、抗干擾能力強、穩(wěn)定性能好、電路成本低、應用范圍廣等優(yōu)點 ，其功能可以通過軟件實現(xiàn)，并且實現(xiàn)的方式比較靈活，適合實際應用，是一種很理想的設計方案，但是不宜通過軟件進行仿真 （ 4） 圖 2案三系統(tǒng)框圖 較及選擇 這三種方案比較起來，第一種更直觀，所需的電路結構更簡單；第二種方法通過四倍頻大大可減少測量的時間，提高效率，但電路結構比較復雜，且測得的沒有一分鐘穩(wěn)定；第三種方法 既有硬件又有軟件，且電路設計簡單 、抗干擾能力強、穩(wěn)定性能好、電路成本低、應用范圍廣等優(yōu)點 ，其功能可以通過軟件實現(xiàn)，并且實現(xiàn)的方式比較靈活，適合實際應用，是一種很理想的設計方案，但是不宜通過軟件進行仿真。況且我們還沒學習單片機得知識，要在兩周時間內(nèi)設計出來還是很有難度。 通過比較和綜合考慮決定采用第一種方案， 3 系統(tǒng)概述 本設計 采用壓電陶瓷傳感器，測量脈搏的跳動，產(chǎn)生微弱的信號，通過放大器將信號放大；然后通過濾波器濾除干擾信號后，整形為脈沖信號；輸入計數(shù)器中計數(shù)，時通過定時器控制計數(shù)的時間，后得出一分鐘內(nèi)脈搏次數(shù)即為心率。再通過 74它與預設值進行比較，如果高于或低于標準值計數(shù)器計數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時，將其輸入到數(shù)值器中與比較器預設值即標準值作比較，若，測量值不在標準值范圍內(nèi)則報警，即 亮，再由數(shù)碼管進行顯示。 是否報警 傳感器 放大濾波整形 單片機控制 顯示 3 圖 3體設計框圖 4 模塊工作原理 選用合適的傳感器，將物理信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了心率的測量精度，因此其選型對整個設計具有決定性的作用。 脈搏跳 動引起皮膚表面壓力的變化，根據(jù)這個現(xiàn)象可以通過測量皮膚表面壓力的變化而本設計是測量心臟跳動次數(shù)。因此，可選用壓電陶瓷傳感器測量。 選擇此壓力傳感器。此傳感器具有抗腐蝕能力，傳感器沒有液體的流動，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠通斯電橋。由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比、激勵電壓成正比的高度線性度電壓信號。通過激光標定，該傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。其輸出信號為 3感器 放大濾波整形 計數(shù)電路 譯碼顯示 閘門、控制電路 報警電路 比較電路 4 大濾波整形部分 濾波與整形電路 。心率信號是低頻信號，低頻濾波電路可以將放大后信號中的中高頻信號濾除，然后通過整形將模擬的不規(guī)則的信號轉(zhuǎn)變成便于信號處理的數(shù)字脈沖信號 。 由傳感器出來的電壓信號較弱，在毫伏級，需要對其進行放大。所以，設計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當?shù)男盘?，便于后續(xù)電路的處理。 圖 4大濾波整形結構圖 大電路 采用通用運算放大器 成的同相放大電路 由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采用同相放大器 ，經(jīng)測試 能良好，工作可靠，且價格合理，所以本次設計選用此集成運放。原理圖如下： 圖 4同相比例放大電路 本設計放大電路如圖所示： 傳感器 放大電路 有源濾波 整形 電平轉(zhuǎn)換 5 圖 4大電路圖 波電路 理想濾波器的行為特性通常用幅度 叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中， 圖 4理想濾波器幅頻特性 通過與無源濾波器對比可以知道，一階低通有源濾波器的通帶截止頻率與無源低通濾波器相同，均與 是引入集成運放以后，通帶電壓放大倍數(shù)和帶負載能力 得到了提高。 心率信號是低頻信號，為防止中高頻信號對測量的影響，應該用低通濾波器濾除中高頻信號，只讓低頻信號通過電路，同時把被測信號放大。為了使心率信號放大到整形電路所需的電 壓值，通常電壓放大倍數(shù)在 階低通有源濾波器如圖所示： 6 圖 3階有源低通濾波器 根據(jù)虛短和虛斷的特點，可求得電路的電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率為： 由于一階低通濾波器的幅頻特性與理想的低通濾波特性相比，差距很大。為改善濾波特性，此次設計中選用二階低通有源濾波器，其通帶電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率與一階低通濾波器電路相同。二階有源低通濾波器電路圖如下圖所示： 圖 4因為被測信號混有 1000以設計的有源濾波的截止頻率為 1000參數(shù)為 2=1=為保證信號幅值達到整形電路所需的電壓值，通常放大倍數(shù)為 本設計電路如下圖所示 0230111Aj f 7 圖 4波電路 形電路圖 心率計設計中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過放大、將濾波信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字脈沖信號當然這是在不改變信號頻率的前提下完成的。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號的方案，可以有以下兩種可供選擇：一是利用電壓比較器，二是利用 555 時基電路組成的滯回比較器作為整形電路。本設計采用二方案。 設計的電路如 3示 圖 3 555組成的整形電路 數(shù)部分電路 本計數(shù)主要 采用 74行計數(shù)。下面介紹 74功能及應用。 8 下面介紹 74 時鐘 輸入端 3 清零 /能 數(shù) 據(jù)輸出端 3 以及進位輸出 (02 輸 入 輸 出 D T 0 0 0 0 0 1 0 d b a d c b a 1 1 0 1 0 1 1 1 1 狀態(tài)碼加 1 表一 74從 74清零端 0” ，計數(shù)器輸出 0” ，這個時候為異步復位功能。當 1” 且 0” 時，在 743、 3， 同步 置數(shù)功能。而只有當 D=T=“1” 、 數(shù)器加1。 74O，其邏輯關系是 13合理應用計 9 數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片 746進制以下的任意進制分頻器。 其中本設計的計數(shù)電路圖如圖所示： 圖 4三塊 74本設計主要采用的是 74行數(shù)據(jù)鎖存 圖 44管腳圖 件的輸入是和標準 出兼容 。 E 為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同 步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。 0 秒是 74動將數(shù)據(jù)進行鎖存 10 圖 4 74成的鎖存電路 較電路 由設計要求可知，心率計測量接過要與標準值比較，不在標準范圍內(nèi)則要報警，在這里判斷報警是核心內(nèi)容，需要測量結果與預設值比較，包括上限比較和下限比較。 比較器芯片選擇：選用四位數(shù)值比較器 74片引腳圖如下： 16A 74 數(shù)值 它來做測量信號的輸入端； 數(shù)值 端，用它來做預設值的輸入端； AB AB 的級聯(lián)輸入端； A 60秒 11 圖 4四片 74譯碼器的功能是把計數(shù)器輸出的計數(shù)結果 ( )轉(zhuǎn)換成七段字形碼，以驅(qū)動數(shù)碼管， 12 實現(xiàn)數(shù)字式符號的顯示。 常用的 本身由譯碼器和輸出緩沖器組成，具有鎖存、譯碼和驅(qū)動等功能，其輸出最大電流可達 25直接驅(qū)動共陰極 譯碼顯示采用掃描方式，顯示 3位數(shù)字只需一片 種顯示方式可簡化電路，節(jié)省元件和降低功耗。掃描顯示方式為 3 位 示，所有位的七段碼線都并聯(lián)在一起，而各位數(shù)碼管的共陰極分別被計數(shù)器 對于數(shù)碼管 最常用的是七段式和八段式 碼管，八段比七段多了一個小數(shù)點，其他的基本相同。所 謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個小 光二極管，通過控制不同的 亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實共陰極就是將八個陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個 另一端高電平，它便能點亮。而共陽極就是將八個 高電平， 其 示意 圖如下 ： 圖 4碼管引腳 示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點 亮，相應的段顯示。同樣，共陽極 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此共陽極接在正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段顯示。 示器顯示不同的符號或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點亮，這樣就要為 示器提供代碼，因為這些代碼可使 應的段發(fā)光，從而顯示不同的字型，因此該代碼稱之為段碼。 表 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 0 30H C 39H 06H 51H 13 2 54H E 79H 86H 3 40H F 71H 8 66H 99H P 73H 8 62H U 31H 6 72H T 31H 07H 61H 8 70H H 76H 89H 9 60H L 38H 778H “ 滅 ” 00H 73H 圖 4時器電路 555定時器應用廣泛，接成不同的外圍電路可實現(xiàn)不同的功能，在這個設計中主要實現(xiàn)定時功能，定時時間為 60秒。 =容的常用性取 9= 14 圖 3時器電路 警電路 2腳的低電平時前面的比較器輸出，通過異或門的處理來判斷的， 3腳輸出高電平，超過上限就驅(qū)動二極管發(fā)光報警。其電路圖如圖所示 。 圖 4 555組成的報警裝置圖 5 軟件設計 本章節(jié)介紹本次設計中用到的軟件，并總結本次設計學習軟件的情況。 真軟件 由英國 司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件 ,是一種 具軟件。 裝以后，主要由兩個程序組成： 運行于作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (種模擬器件和集成電路，該軟件具有以下特點： (1)實現(xiàn)了單片機仿真和 有 模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 盤和 5 系統(tǒng)仿真的功能；還有有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等等。 (2)支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有： 68000系列、 8051系列、 列、 元器件庫沒有所需要的芯片時，則可以通過加載相對應的元器件庫，然后從庫中就能夠找到相應的元器件了。(3)提供軟件調(diào)試功能。在硬 件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 51 軟件。 (4)具有強大的原理圖繪制功能?？傮w上分析知，該軟件是一款集單片機和 析于一身的仿真軟件，功能極其強大。下面將介紹 件的工作環(huán)境和一些基本操作。 由于安裝 這兒就不具體的介紹如何去安裝該軟件程序了，主要介紹在安裝完成后如何更好 的使用 裝好軟件程序后桌面上會出現(xiàn)快捷圖標，雙擊桌面上的 標或者單擊屏幕左下方的“開始”“程序”“ “ ，出現(xiàn)如圖 5示屏幕，表明進入 圖 5動界面 當上面的啟動界面完成后，進入到 工作界面， 工作界面是一種標準的 面，如圖 5示。其工作界面主要包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、模型選擇工具欄、狀態(tài)欄、挑選元件按鈕、庫元件按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口，在圖上沒有指明標題欄和菜單欄，因為我們平常所運用的軟件窗口中都包含了這兩項，想必大家都很熟悉，所以不需 16 要標出 應用 司近 10年來致力于 臺開發(fā)的最新結晶，能實現(xiàn)從電學概念設計到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設計數(shù)據(jù)管理。因而今 天的 制電路板）設計工具，而是一個系統(tǒng)工具，覆蓋了以 計系統(tǒng)是一套建立在 于其高度的集成性與擴展性，一經(jīng)推出，立即為廣大用戶所接受，很快就成為世界 E 共分 5 個模塊，分別是原理圖設計、 計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、 計。 以下介紹一些 部分最新功能：可生成 30多種 格式的電氣連接 網(wǎng)絡表 ；強大的全局編輯功能；在原理圖中選擇一級器件， 時運行原理圖和 打開的原理圖和 間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡 。 既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到 也可以進行反向注釋（由 以保持電氣原理圖和 設計上的一致性；滿足國際化設計要求（包括國標標題欄輸出， 方便易用的數(shù)?；旌戏抡妫嫒?支持用 成標準的 載文件； 2 個信號層， 16個電源 6 個機加工層；強大的 “ 規(guī)則驅(qū)動 ” 設計環(huán)境，符合在線的和批處理的設計規(guī)則檢查；智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；提供大量的工業(yè)化標準電路板 作 為設計模版；放置漢字功能；可以輸入和輸出 現(xiàn)和 軟件的數(shù)據(jù)交換；智能封裝導航（對于建立復雜的 裝很有用）；方便的打印預覽功能，不用修改 特的 3大的理使您輕松實現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機文件、測試點報告等；經(jīng)過充分驗證的傳輸線特性和仿真精確計算的算法，信號完整性分析直接從 動；反射和串擾仿真的波形顯示結果與便利的測量工具相 6 系統(tǒng)調(diào)試及仿真 調(diào)試時以低頻可調(diào)脈沖發(fā)生器的輸出作為脈搏傳感器的輸出信號 ,接通電源開關 ,如顯示器顯示無規(guī)則數(shù)字 ,表明電路基本工作正常 ,而后按下復位鍵 ,對計數(shù)器和定時器清零 ,則顯示的計數(shù)值應不斷增加 ,進一步說明電路工作正常 ,否則需進行逐級檢查 17 仿真電路總圖見附錄 2 所示。 統(tǒng)定時時間的測定 在測定系統(tǒng)定時時間時，在仿真電路中定時電路的輸出信號端接計時時鐘，并用反相后的信號作為該測量時鐘的控制信號，做到了準確測量。測量結果顯示，定時器的定時為 較準確，達到預定的指標，測試圖如圖 圖 6時測試 弦波的計數(shù)測量 在該向指標的測量時 ，信號輸入端接入頻率為 1度為 過系統(tǒng)的仿真，測量結果是 60次，準確無誤，達到既定指標。 圖 6頻率為 1 波信號的測定 該項指標的測量方法是，在信號的輸入端接入雜亂無序的信號，但有一定的幅度偏差。設置的波峰次數(shù)為 7次，測量結果顯示為 7，準確無誤。 圖 6波信號的測試 波整流整形的測定 試由傳感器感應到的信號是否放大和施密特觸發(fā)器是否工作。且能否通過整形產(chǎn)生脈沖信 號。 18 圖 5大整形電路仿真 7 設計總結 ： 9臟跳動頻率通過壓電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大整形電路進行放大整形，然后由計數(shù)器 74輸出的結果為，需再經(jīng)七段顯示譯碼器 至數(shù)碼顯示器顯示出一分鐘的心跳次數(shù)。計數(shù)器是否計數(shù)是由 555芯片組成的時基信號產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的定時脈沖控制的。心率正常與否由 74 果正常，則 555 定時器的輸出端（ 3腳）電壓 樣 發(fā)器的輸出端電壓也為高電平，發(fā)光管 則， 過 是 行報警。 2. 設計體會： 通過這次對 心跳計數(shù)系統(tǒng) 的設計與制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于 電子設計 的基本 方法 與設計理念，要設計一個電路總要先用仿真仿真成