心率測試儀設(shè)計(jì)2012畢業(yè)論文.doc

心率測試儀引言健康對(duì)于每一個(gè)人來說都是至關(guān)重要的。體現(xiàn)一個(gè)人的健康狀態(tài)有幾個(gè)常用的指標(biāo)，如體溫，脈搏，心率以及血壓等。心率是指人體心臟每分鐘搏動(dòng)的次數(shù)它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)。同時(shí)心率值也是衡量體力勞動(dòng)強(qiáng)度和腦力勞動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)。目前全國正在推行新的工資制度崗位技能工資制。崗位技能工資制包括勞動(dòng)技能、工作責(zé)任、勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)條件四項(xiàng)指標(biāo)。其中評(píng)定某個(gè)崗位勞動(dòng)強(qiáng)度大小最有效的方法就是測定該崗位工人作業(yè)時(shí)的心率值。但國內(nèi)一直投有有效的專用心率儀，所以勞動(dòng)強(qiáng)度測定成了當(dāng)前推行崗位技能工資制的阻力。因此，設(shè)計(jì)一種可隨身攜帶、可長時(shí)間記錄、顯示和存貯心率值，可與微機(jī)通訊并具有較強(qiáng)抗干擾能力的心率測試儀是十分必要的。而且具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)大，其應(yīng)用已經(jīng)深入到人類的日常生活當(dāng)中了，尤其是在醫(yī)療中。智能化電子產(chǎn)品將成為新的潮流趨勢。目前市場上所推出的家庭醫(yī)療電子產(chǎn)品大多以測量血壓為主, 智能脈搏測試儀器尚不多見。利用數(shù)字電路里的計(jì)數(shù)電路和模擬電路里的放大電路能夠很好的滿足市場上大量電子產(chǎn)品的需求。同時(shí)隨著市場的需求增大，電路測試儀的精度提高的同時(shí)，必須考慮電路的成本和系統(tǒng)的運(yùn)行速度等等。摘要為了更好地運(yùn)用我們所學(xué)的知識(shí)，加深對(duì)電子技術(shù)相關(guān)的掌握，本次心率測試儀電子線路的設(shè)計(jì)我采用了基于TTL和數(shù)字電路系列芯片制作了一個(gè)簡易的心率測試儀。本次電路設(shè)計(jì)是由放大整形電路、濾波電路、倍頻電路、實(shí)基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)鎖存電路、譯碼顯示電路和報(bào)警電路組成。測試儀主要是通過感應(yīng)人體心率的跳動(dòng)的信號(hào)，可用壓力傳感器或者紅外光傳感器來傳遞信號(hào)，經(jīng)過放大整形濾波后，可由倍頻電路來縮短測量時(shí)間，并用由555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器做時(shí)基電路產(chǎn)生60s定時(shí)，最后心率信號(hào)通過計(jì)數(shù)器和鎖存器后進(jìn)入七段數(shù)碼管顯示出來，一分鐘后計(jì)數(shù)顯示結(jié)束，數(shù)字不符合正常的心率范圍時(shí)，報(bào)警電路將啟動(dòng)，二極管將發(fā)出亮光。關(guān)鍵字：放大電路、濾波電路、倍頻電路、時(shí)基電路、鎖存電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路、報(bào)警電路心率測試儀設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案與思路1.1傳感器：將微小的心率信號(hào)轉(zhuǎn)換為與此相應(yīng)的電信號(hào)。1.2放大整形電路：將由傳感器得到的微小信號(hào)放大整形成具有一定形狀的信號(hào)。1.3倍頻電路：將放大整形后的脈沖信號(hào)的頻率提高，從而縮短測量時(shí)間。1.4時(shí)基控制電路：在555定時(shí)器的控制下，產(chǎn)生短時(shí)間的控制信號(hào)，使脈沖信號(hào)能夠在一定時(shí)間內(nèi)送到計(jì)數(shù)和顯示電路中。1.5鎖存電路：保存計(jì)數(shù)的結(jié)果以便于刷新，重新計(jì)數(shù)。1.6整體框架：整形濾波器放大器傳感器時(shí)鐘振蕩器 與門譯碼顯示鎖存器計(jì)數(shù)器報(bào)警電路計(jì)數(shù)器二、單元電路設(shè)計(jì)級(jí)參數(shù)計(jì)算2.1傳感器心率傳感器的作用是將心率信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖信號(hào)。心率傳感器是心率測試儀中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結(jié)果的顯示。目前典型的心率傳感器有以下三種：光電類、壓阻類和壓電類。在這三種當(dāng)中目前采用最多的是壓電型傳感器，其工作原理是利用敏感元件直接把壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。在傳感器的選擇中，壓力傳感器和紅外光傳感都是很好的選擇。同時(shí)為排除電源的噪聲干擾，在傳感器之前需接一個(gè)電容接地。2.2放大與整形 放大電路是模擬電子電路中最常用、最基本的一種典型電路。無論日常使用的收音機(jī)、電視機(jī)，或者精密的測量儀器和復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)等，其中一般都有各種各樣不同類型的放大電路。所謂“放大”表面上是將信號(hào)的幅度由小變大，其實(shí)“放大”的本質(zhì)首先是實(shí)現(xiàn)能量的控制，放大的對(duì)象是變化量。運(yùn)放電路的輸入電阻高，抑制共模信號(hào)能力強(qiáng)，由于每個(gè)人的心率強(qiáng)弱不一樣，檢測的信號(hào)強(qiáng)弱大小也不一樣，則放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)。放大電路有很多種，在本次設(shè)計(jì)中，采用了同相比例運(yùn)算電路。由一個(gè)運(yùn)放器、三個(gè)電阻和一個(gè)電容組成,放大倍數(shù)大約為25倍。電路圖如下：整形電路的功能是將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào)輸出到單片機(jī)系統(tǒng)往往整形電，可以采用反相滯回電壓比較器進(jìn)一步提高電路抗干擾能力，并且可以經(jīng)過對(duì)強(qiáng)弱脈搏的測試和統(tǒng)計(jì)分析可以將其閾值確定。路比較復(fù)雜，要較好的對(duì)不規(guī)則型信號(hào)進(jìn)行規(guī)制整形是有一定難度的事情，電壓比較器往往是個(gè)很好的選擇，為了簡單點(diǎn)直接選用經(jīng)過放大后通過一個(gè)電平轉(zhuǎn)換來整形。2.3濾波電路 濾波電路的作用實(shí)質(zhì)上是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號(hào)順利通過，而將另一部分頻率的信號(hào)濾掉。在無線電通信、自動(dòng)測量和控制系統(tǒng)中，常常利用濾波電路進(jìn)行模擬信號(hào)的處理，如用于數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾等。在模擬電路中，根據(jù)工作信號(hào)的頻率范圍，濾波電路有很多種類，有低通，高通，帶通和帶組等濾波電路。低通濾波電路是指低頻信號(hào)能夠通過而高頻信號(hào)不能通過的濾波器；高通濾波器剛好相反，能通過而低頻信號(hào)不能通過；帶通濾波器是指頻率在某一個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能通過，而在此頻率范圍之外的信號(hào)均不能通過；帶組濾波器剛好相反，在特定范圍內(nèi)，信號(hào)均被阻斷，頻率以外的信號(hào)均允許通過。在本次設(shè)計(jì)中采用的是二階壓控有源低通濾波電路，把干擾信號(hào)即高頻信號(hào)濾掉，同時(shí)還要達(dá)到把心率放大的效果，有源濾波電路的截止頻率為1kHz左右，放大倍數(shù)為2倍左右。2.4倍頻電路為了縮短測量時(shí)間，提高測量效率，在電路中添加倍頻電路將有效的縮短測量時(shí)間和提高效率，在設(shè)計(jì)中采用了4倍頻，將在15s內(nèi)測量出1min內(nèi)的心率信號(hào)。倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器、異或門倍頻器等，由于鎖相倍頻器電路比較復(fù)雜，成本比較高，所以這里采用了能滿足設(shè)計(jì)要求的異或門組成的4倍頻電路。利用第一個(gè)異或門的延遲時(shí)間對(duì)第二個(gè)異或門產(chǎn)生作用，當(dāng)輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。電路中的電容是為了延時(shí)而做的。2.5定時(shí)電路 555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用。 在本次試驗(yàn)中，555定時(shí)器是為了在60s內(nèi)完成測試，則定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間長度為60s。2.6計(jì)數(shù)電路 計(jì)數(shù)器不僅能用于對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖系列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。 計(jì)數(shù)器的種類非常繁多，如果按計(jì)數(shù)器中的觸發(fā)器是否同時(shí)翻轉(zhuǎn)分類，可以將計(jì)數(shù)器分為同步式和異步式兩種。在同步計(jì)數(shù)器中，當(dāng)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)是同時(shí)發(fā)生的。而在異步計(jì)數(shù)器中，觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，不是同時(shí)發(fā)生的。如果按計(jì)數(shù)過程中的數(shù)字增減分類，又可以將計(jì)數(shù)器分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。隨著計(jì)數(shù)脈沖的不斷輸入，作遞增計(jì)數(shù)的稱為加法計(jì)數(shù)器，作遞減計(jì)數(shù)的稱為減法計(jì)數(shù)器，可增可減的稱為可逆計(jì)數(shù)器。如果按計(jì)數(shù)器中數(shù)字的編碼方式分類，可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、格雷碼計(jì)數(shù)器等。有時(shí)也用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量區(qū)分各種不同的計(jì)數(shù)器，例如十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等。2.7鎖存電路鎖存器是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。一位鐘控D觸發(fā)器只能傳送或存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而在實(shí)際工作中往往是一次傳送或存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)。為此，可以把若干個(gè)鐘控D觸發(fā)器的控制端CP連接起來，用一個(gè)公共的控制信號(hào)來控制，而各個(gè)數(shù)據(jù)端仍然是各自獨(dú)立地接收數(shù)據(jù)。用這種形式構(gòu)成的一次能傳送或存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)的電路稱為鎖存器。輸出端的狀態(tài)不會(huì)隨輸入端的狀態(tài)變化而變化，只有在有鎖存信號(hào)時(shí)輸入的狀態(tài)被保存到輸出，直到下一個(gè)鎖存信號(hào)。通常只有0和1兩個(gè)值。典型的邏輯電路是D觸發(fā)器，其字長(位數(shù))有4位、8位等。鎖存電路的主要作用是用于作用是保持?jǐn)?shù)據(jù)。一般采用D鎖存器電路。2.8譯碼顯示電路 通過用數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)的結(jié)果，一般采用七段譯碼顯示。2.9控制電路 控制電路的作用主要是控制脈搏信號(hào)經(jīng)放大、整形、倍頻后進(jìn)入計(jì)數(shù)器的時(shí)間，另外還應(yīng)具有為各部分電路清零等功能 。2.10報(bào)警電路 人的正常心率跳動(dòng)次數(shù)一般在60到150之間，所以當(dāng)測量結(jié)果測量超出正常范圍時(shí)三、芯片介紹1.LM324是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器，內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償 的運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。其封裝形式為塑封14引線雙列直插式。具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償、直流電壓增益高、單位增益頻帶寬、電源電壓范圍寬、低功耗電流、低輸入偏流、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流、共模輸入電壓范圍寬、差模輸入電壓范圍寬、輸出電壓擺幅大和輸出保護(hù)等特點(diǎn)。管腳排列圖2.74LS136為集電極開路輸出的四組異或門，管腳排列圖3.74LS85為4位數(shù)值比較器，可以進(jìn)行二進(jìn)制碼和BCD碼的比較，對(duì)兩個(gè)4位字的比較結(jié)果由三個(gè)輸出端輸出。4.74LS123為具有清零端的雙可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，工作電壓一般在5V左右，有三種方法控制脈沖寬度，最基礎(chǔ)的是選取外部的RC值來控制。由于IC內(nèi)部有一個(gè)定時(shí)電阻，則允許只外接定時(shí)電容使用，其具有清零終止輸出脈沖；為VCC和溫度變化補(bǔ)償；直流觸發(fā)是高平或電平邏輯輸入等特點(diǎn)。管腳排列圖5.NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC中的一種型號(hào)，555系列的管腳功能以及應(yīng)用都是相容的，但是不同型號(hào)其價(jià)格不同，穩(wěn)定度、耗電量、可產(chǎn)生的振蕩頻率也大不相同。NE555屬于小規(guī)模集成電路，具有以下特點(diǎn)：只需簡單的電阻器、電容器就可完成特定的振蕩延時(shí)作用，并且其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒到幾小時(shí)之久；其操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，即其輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合；其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載；其計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳、價(jià)格便宜。其引腳功能：地；觸發(fā)；輸出；復(fù)位；控制電壓；門限；放電；電源電壓。管腳排列圖6.74190為十進(jìn)制的加|減法計(jì)數(shù)器，7.7432為4位二輸入或門管腳排列圖8.74273為帶公共時(shí)鐘復(fù)位八D觸發(fā)器管腳排列圖四設(shè)計(jì)結(jié)果1.結(jié)構(gòu)原理圖2.電路分析心率信號(hào)經(jīng)過傳感器后，通過放大器，大約放大25倍后，進(jìn)入濾波電路，放大2倍，品質(zhì)因數(shù)為1，濾掉頻率大于1KHz的干擾信號(hào)，再進(jìn)入整形電路中，再經(jīng)過一個(gè)電平轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)數(shù)器中，在555定時(shí)器產(chǎn)生的60s時(shí)基電路后，控制信號(hào)經(jīng)過振蕩器轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，電平信號(hào)一部分進(jìn)過與門與鎖存器的CLK端連接以便每60s刷新計(jì)數(shù)顯示，計(jì)數(shù)信號(hào)通過三個(gè)十進(jìn)制加|減法計(jì)數(shù)器，可以記錄出人的正常心率范圍，計(jì)數(shù)的結(jié)果先進(jìn)入鎖存器保存，再進(jìn)入七段譯碼顯示器中顯示，當(dāng)顯示的數(shù)字超出60到150的范圍時(shí)，報(bào)警電路中的指示燈會(huì)亮，發(fā)出警報(bào)。五設(shè)計(jì)總結(jié)總體來說，經(jīng)過本次電類課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颡?dú)立完成，即使有些設(shè)計(jì)結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，但是這之間的經(jīng)歷使我受益匪淺。在思考該如何設(shè)計(jì)電路和使用芯片使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力，使我更有信心去面對(duì)以后的挑戰(zhàn)。同時(shí)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，還是出現(xiàn)了許多問題，我覺得以后更要加強(qiáng)這方面的設(shè)計(jì)，提高自己的能力。我覺得自己的動(dòng)手能力有了很大的提高；自信心也增強(qiáng)了。在電路設(shè)計(jì)中自己動(dòng)腦子解決遇到的問題，除了書本上的知識(shí)有了用武之地，計(jì)算機(jī)軟件和網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展也使得知識(shí)的來源變得簡單，解決問題也將很容易，同時(shí)鞏固和深化了自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。這次設(shè)計(jì)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路定位的再到最后電路的成型，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。可以說，本次設(shè)計(jì)有苦也有甜。 設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，選用什么電路，性能能達(dá)到要求否等等都得在事前做好準(zhǔn)備。我們要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。 留給我印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有耐心，要有堅(jiān)持的毅力電路仿真以及分析都極大的考驗(yàn)我們的心態(tài)。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是各個(gè)單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，如控制電路，基準(zhǔn)時(shí)間電路，計(jì)數(shù)電路等。在試驗(yàn)中我們可能會(huì)有多種方案