心率測試儀設計2012畢業(yè)論文.doc

心率測試儀引言健康對于每一個人來說都是至關重要的。體現(xiàn)一個人的健康狀態(tài)有幾個常用的指標，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的次數(shù)它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數(shù)。同時心率值也是衡量體力勞動強度和腦力勞動強度的重要指標。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技能、工作責任、勞動強度和勞動條件四項指標。其中評定某個崗位勞動強度大小最有效的方法就是測定該崗位工人作業(yè)時的心率值。但國內一直投有有效的專用心率儀，所以勞動強度測定成了當前推行崗位技能工資制的阻力。因此，設計一種可隨身攜帶、可長時間記錄、顯示和存貯心率值，可與微機通訊并具有較強抗干擾能力的心率測試儀是十分必要的。而且具有相當大的實用價值。隨著電子技術與計算機技術的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)業(yè)的應用領域正在不斷地擴大，其應用已經(jīng)深入到人類的日常生活當中了，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。同時隨著市場的需求增大，電路測試儀的精度提高的同時，必須考慮電路的成本和系統(tǒng)的運行速度等等。摘要為了更好地運用我們所學的知識，加深對電子技術相關的掌握，本次心率測試儀電子線路的設計我采用了基于TTL和數(shù)字電路系列芯片制作了一個簡易的心率測試儀。本次電路設計是由放大整形電路、濾波電路、倍頻電路、實基電路、邏輯控制電路、計數(shù)鎖存電路、譯碼顯示電路和報警電路組成。測試儀主要是通過感應人體心率的跳動的信號，可用壓力傳感器或者紅外光傳感器來傳遞信號，經(jīng)過放大整形濾波后，可由倍頻電路來縮短測量時間，并用由555定時器接成的施密特觸發(fā)器做時基電路產(chǎn)生60s定時，最后心率信號通過計數(shù)器和鎖存器后進入七段數(shù)碼管顯示出來，一分鐘后計數(shù)顯示結束，數(shù)字不符合正常的心率范圍時，報警電路將啟動，二極管將發(fā)出亮光。關鍵字：放大電路、濾波電路、倍頻電路、時基電路、鎖存電路、計數(shù)譯碼顯示電路、報警電路心率測試儀設計1、設計方案與思路1.1傳感器：將微小的心率信號轉換為與此相應的電信號。1.2放大整形電路：將由傳感器得到的微小信號放大整形成具有一定形狀的信號。1.3倍頻電路：將放大整形后的脈沖信號的頻率提高，從而縮短測量時間。1.4時基控制電路：在555定時器的控制下，產(chǎn)生短時間的控制信號，使脈沖信號能夠在一定時間內送到計數(shù)和顯示電路中。1.5鎖存電路：保存計數(shù)的結果以便于刷新，重新計數(shù)。1.6整體框架：整形濾波器放大器傳感器時鐘振蕩器 與門譯碼顯示鎖存器計數(shù)器報警電路計數(shù)器二、單元電路設計級參數(shù)計算2.1傳感器心率傳感器的作用是將心率信號轉換為響應的電沖信號。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變?yōu)殡娦盘?。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。同時為排除電源的噪聲干擾，在傳感器之前需接一個電容接地。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、電視機，或者精密的測量儀器和復雜的自動控制系統(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”表面上是將信號的幅度由小變大，其實“放大”的本質首先是實現(xiàn)能量的控制，放大的對象是變化量。運放電路的輸入電阻高，抑制共模信號能力強，由于每個人的心率強弱不一樣，檢測的信號強弱大小也不一樣，則放大倍數(shù)應當適當。放大電路有很多種，在本次設計中，采用了同相比例運算電路。由一個運放器、三個電阻和一個電容組成,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轉化為高低電平信號輸出到單片機系統(tǒng)往往整形電，可以采用反相滯回電壓比較器進一步提高電路抗干擾能力，并且可以經(jīng)過對強弱脈搏的測試和統(tǒng)計分析可以將其閾值確定。路比較復雜，要較好的對不規(guī)則型信號進行規(guī)制整形是有一定難度的事情，電壓比較器往往是個很好的選擇，為了簡單點直接選用經(jīng)過放大后通過一個電平轉換來整形。2.3濾波電路 濾波電路的作用實質上是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號順利通過，而將另一部分頻率的信號濾掉。在無線電通信、自動測量和控制系統(tǒng)中，常常利用濾波電路進行模擬信號的處理，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能夠通過而高頻信號不能通過的濾波器；高通濾波器剛好相反，能通過而低頻信號不能通過；帶通濾波器是指頻率在某一個頻率范圍內的信號能通過，而在此頻率范圍之外的信號均不能通過；帶組濾波器剛好相反，在特定范圍內，信號均被阻斷，頻率以外的信號均允許通過。在本次設計中采用的是二階壓控有源低通濾波電路，把干擾信號即高頻信號濾掉，同時還要達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間和提高效率，在設計中采用了4倍頻，將在15s內測量出1min內的心率信號。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雜，成本比較高，所以這里采用了能滿足設計要求的異或門組成的4倍頻電路。利用第一個異或門的延遲時間對第二個異或門產(chǎn)生作用，當輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時，都會產(chǎn)生脈沖輸出。電路中的電容是為了延時而做的。2.5定時電路 555定時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、電子玩具等許多領域都有很大的應用。 在本次試驗中，555定時器是為了在60s內完成測試，則定時器的定時時間長度為60s。2.6計數(shù)電路 計數(shù)器不僅能用于對時鐘脈沖計數(shù)，還可以用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖系列以及進行數(shù)字運算等。 計數(shù)器的種類非常繁多，如果按計數(shù)器中的觸發(fā)器是否同時翻轉分類，可以將計數(shù)器分為同步式和異步式兩種。在同步計數(shù)器中，當時鐘脈沖輸入時觸發(fā)器的翻轉是同時發(fā)生的。而在異步計數(shù)器中，觸發(fā)器的翻轉有先有后，不是同時發(fā)生的。如果按計數(shù)過程中的數(shù)字增減分類，又可以將計數(shù)器分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入，作遞增計數(shù)的稱為加法計數(shù)器，作遞減計數(shù)的稱為減法計數(shù)器，可增可減的稱為可逆計數(shù)器。如果按計數(shù)器中數(shù)字的編碼方式分類，可分為二進制計數(shù)器、二-十進制計數(shù)器、格雷碼計數(shù)器等。有時也用計數(shù)器的計數(shù)容量區(qū)分各種不同的計數(shù)器，例如十進制計數(shù)器、六十進制計數(shù)器等。2.7鎖存電路鎖存器是一種對脈沖電平敏感的存儲單元電路，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)器只能傳送或存儲一位二進制數(shù)據(jù)，而在實際工作中往往是一次傳送或存儲多位數(shù)據(jù)。為此，可以把若干個鐘控D觸發(fā)器的控制端CP連接起來，用一個公共的控制信號來控制，而各個數(shù)據(jù)端仍然是各自獨立地接收數(shù)據(jù)。用這種形式構成的一次能傳送或存儲多位數(shù)據(jù)的電路稱為鎖存器。輸出端的狀態(tài)不會隨輸入端的狀態(tài)變化而變化，只有在有鎖存信號時輸入的狀態(tài)被保存到輸出，直到下一個鎖存信號。通常只有0和1兩個值。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數(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)碼管顯示計數(shù)的結果，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經(jīng)放大、整形、倍頻后進入計數(shù)器的時間，另外還應具有為各部分電路清零等功能 。2.10報警電路 人的正常心率跳動次數(shù)一般在60到150之間，所以當測量結果測量超出正常范圍時三、芯片介紹1.LM324是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器，內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償 的運算放大器，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。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。具有內部頻率補償、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、低輸入失調電壓和失調電流、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等特點。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，可以進行二進制碼和BCD碼的比較，對兩個4位字的比較結果由三個輸出端輸出。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，最基礎的是選取外部的RC值來控制。由于IC內部有一個定時電阻，則允許只外接定時電容使用，其具有清零終止輸出脈沖；為VCC和溫度變化補償；直流觸發(fā)是高平或電平邏輯輸入等特點。管腳排列圖5.NE555是屬于555系列的計時IC中的一種型號，555系列的管腳功能以及應用都是相容的，但是不同型號其價格不同，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：只需簡單的電阻器、電容器就可完成特定的振蕩延時作用，并且其延時范圍極廣，可由幾微秒到幾小時之久；其操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，即其輸出準位及輸入觸發(fā)準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，可直接推動多種自動控制的負載；其計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳、價格便宜。其引腳功能：地；觸發(fā)；輸出；復位；控制電壓；門限；放電；電源電壓。管腳排列圖6.74190為十進制的加|減法計數(shù)器，7.7432為4位二輸入或門管腳排列圖8.74273為帶公共時鐘復位八D觸發(fā)器管腳排列圖四設計結果1.結構原理圖2.電路分析心率信號經(jīng)過傳感器后，通過放大器，大約放大25倍后，進入濾波電路，放大2倍，品質因數(shù)為1，濾掉頻率大于1KHz的干擾信號，再進入整形電路中，再經(jīng)過一個電平轉換進入計數(shù)器中，在555定時器產(chǎn)生的60s時基電路后，控制信號經(jīng)過振蕩器轉換成電平信號，電平信號一部分進過與門與鎖存器的CLK端連接以便每60s刷新計數(shù)顯示，計數(shù)信號通過三個十進制加|減法計數(shù)器，可以記錄出人的正常心率范圍，計數(shù)的結果先進入鎖存器保存，再進入七段譯碼顯示器中顯示，當顯示的數(shù)字超出60到150的范圍時，報警電路中的指示燈會亮，發(fā)出警報。五設計總結總體來說，經(jīng)過本次電類課程設計實驗，并且實驗能夠獨立完成，即使有些設計結果不能滿足設計要求，但是這之間的經(jīng)歷使我受益匪淺。在思考該如何設計電路和使用芯片使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設計思維，增加了實際操作能力，使我更有信心去面對以后的挑戰(zhàn)。同時在設計實驗中，還是出現(xiàn)了許多問題，我覺得以后更要加強這方面的設計，提高自己的能力。我覺得自己的動手能力有了很大的提高；自信心也增強了。在電路設計中自己動腦子解決遇到的問題，除了書本上的知識有了用武之地，計算機軟件和網(wǎng)絡的快速發(fā)展也使得知識的來源變得簡單，解決問題也將很容易，同時鞏固和深化了自己的知識結構。這次設計恰恰給我們提供了一個應用自己所學知識的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設計對電路定位的再到最后電路的成型，都對我所學的知識進行了檢驗?？梢哉f，本次設計有苦也有甜。 設計思路是最重要的，只要你的設計思路是成功的，那你的設計已經(jīng)成功了一半。因此我們應該在設計前做好充分的準備，選用什么電路，性能能達到要求否等等都得在事前做好準備。我們要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。 留給我印象最深的是要設計一個成功的電路，必須要有耐心，要有堅持的毅力電路仿真以及分析都極大的考驗我們的心態(tài)。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設計上，如控制電路，基準時間電路，計數(shù)電路等。在試驗中我們可能會有多種方案