心率計課程設(shè)計

1、電子心率計設(shè)計一 摘要隨著社會的發(fā)展與進步，我們的生活節(jié)奏也越來越快，面對每天繁忙的工作生活，我們不一定能像以前那樣定期抽出時間去為自己身體做一次體檢。而事實上我們身體承受的負荷卻越來越大，相比于以前我們需要給自己的身體以更多的關(guān)注，甚至是時刻了解它的健康狀況。身體的健康與否在很多方面都會有所體現(xiàn)。比如一個人的心率值就基本能反映一個人心臟是否正常工作的。大家都知道心臟是我們?nèi)梭w中最重要的器官之一，使我們生命的源動力。所以我們能時刻了解它的狀態(tài)是很重要的。由于我們平時不一定總是能抽出時間去做體檢，所以我們需要一個簡單的，便于操作的，可靠性高的儀器來幫助我們在短時間內(nèi)測到我們的心率值。讓我們能及時

2、了解到我們現(xiàn)在心臟以及身體的狀態(tài)。心率的生理意義人的心臟比握緊的拳頭稍大，平均重量為300g。它是人體內(nèi)“泵器官”，負責(zé)人體血液循環(huán)。心臟每天跳動超過10萬次，累計使8千多公升的血液，流經(jīng)約1萬9千公里長的動靜脈，從而維持血液循環(huán)。心臟有四個腔，分別是左心房、右心房、左心室和右心室。右心房接受全身各器官回流的含氧低靜脈血并輸入右心室，右心室把血液泵入肺臟進行氧氣與二氧化碳的氣體交換。左心房將自肺臟返回的含氧高的動脈血輸入左心室，左心室再將血液輸送至全身器官。從我們出生的那一刻起，心臟便24小時不停地工作，為全身輸送氧氣和養(yǎng)分。心臟能夠這樣周而復(fù)始地有規(guī)律地工作，是因為心臟有一個天然的起搏器竇房

3、結(jié)，它能自發(fā)地、有節(jié)律地發(fā)放電脈沖，并沿著結(jié)間束、房室結(jié)、希氏束和左右束支這一固定的激動傳導(dǎo)途徑由上向下傳遍整個心臟，使心臟各個腔室順序收縮，完成運送血液的工作。心臟的正常工作要求心臟節(jié)律發(fā)放和傳導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正常。心率(heart rate)指心臟分鐘搏動的次數(shù)，它能夠反映心臟的工作狀態(tài)。正常心率決定于竇房結(jié)的節(jié)律性，成人靜息時約60100次/min，平均約75次/min。心率可因年齡、性別及其他因素而變化。初生兒心率約130次/min，隨年齡增長而逐漸減慢，至青春期乃接近成人的心率。女性心率比男性稍快；運動員心率較慢。成人安靜心率超過120次/min者，為心動過速；低于40次/min者

4、為心動過緩。心率受植物性神經(jīng)和體液因素調(diào)節(jié)。安靜或睡眠時，心迷走中樞緊張性增高，心交感中樞緊張性降低，心率減慢。運動、情緒激動、精神緊張時，心迷走中樞緊張性降低，心交感中樞緊張性升高，心率加快。腎上腺素、去甲腎上腺素、甲狀腺素等體液因素也會增快心率。此外，體溫每升高1，心率加快1220次/min。二 任務(wù)分析及總體設(shè)計方案在認真學(xué)習(xí)和研究了任務(wù)指導(dǎo)書后，在老師的指導(dǎo)與啟發(fā)下，我初步定下了自己的方案。經(jīng)過和同學(xué)們的集中討論與研究和數(shù)次李老師耐心的講解與分析，方案在我腦海中逐漸清晰。通過自己的對個別知識的再次學(xué)習(xí)與網(wǎng)上資料的查閱，最終確定下方案。2.1任務(wù)分析所設(shè)計的電子心率計要求實現(xiàn)在短時間內(nèi)測

5、量1分鐘的心臟跳動次數(shù)，并且顯示其數(shù)字。當(dāng)心臟跳動次數(shù)超過正常范圍時，發(fā)出異常指示（LED發(fā)光二極管發(fā)光報警指示）。正常范圍可根據(jù)需要設(shè)定，性能指標：u 測量范圍：正常心跳次數(shù)成人為6090次/分鐘，嬰兒為90120次/分鐘，老人為100150次/分鐘，正常范圍可以設(shè)定；u 測量精度：測量誤差±4次/分鐘；u 報警指示：采用LED發(fā)光二極管?；谝陨先蝿?wù)要求，經(jīng)過詳細分析得到了如下結(jié)論：u 由于從紅外線傳感器送來的信號很微弱，一般為（25mv），并且疊加了很多干擾及噪聲，這就需要信號放大、濾波與整形電路；u 要想在短時間內(nèi)實現(xiàn)對1分鐘的心率進行測量（本設(shè)計采用15秒測量），這就需要倍

6、頻器（4倍頻）和基準時鐘定時器（15秒）；u 由于最后要顯示其測量數(shù)字，這就需要計數(shù)器、譯碼器和顯示器；u 由于最后要用LED報警顯示，并且成人、嬰兒、老人的心率正常范圍不一樣，所以還需要控制器、比較器和報警器。所設(shè)計的紅外線電子心率計的核心是在固定的短時間內(nèi)對低頻電脈沖信號進行計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來，并且把計數(shù)得到的值與正常范圍的上下限進行比較，以實現(xiàn)對成人、嬰兒和老人的報警指示。2.2總體設(shè)計方案 設(shè)計方案為:采用傳感器，量脈搏的跳動，出微弱的信號，入放大器中放大；后通過濾波器濾除干擾信號后，將形整形為方波或脈沖信號；后經(jīng)過倍頻器增加信號的頻率，輸入計數(shù)器中計數(shù)，時通過定時器控制計數(shù)

7、的時間，后得出一分鐘內(nèi)脈搏次數(shù)即為心率。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(yù)設(shè)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LED燈亮。2.3設(shè)計流程圖放大器濾波器傳感器 倍頻器整形電路計數(shù)器報警器定時器顯示 二 器件選擇 3.1 傳感器的選擇個人認為一個傳感器的品質(zhì)在很大程度上決定于它選用的傳感器，現(xiàn)在市場上心率計使用比較主流的傳感器有以下幾種。CCPS32，CPS182，紅外傳感應(yīng)感器，MPS2050。CPS182與MPS2050輸出電壓較小，且CPS182精確度不是很高，而紅外感應(yīng)傳感器同樣也有輸出電壓小的缺點，且價格會略高一些。通過對比，我選擇了C

8、CPS32傳感器，其靈敏度較高，且輸出電壓越4伏左右，這樣就無需接放大電路，可直接進行濾波，且該款傳感器還自帶很高的溫度自補償，這是其他傳感器所不具備的。以下是CCPS32的具體參數(shù)以及介紹。傳感器參數(shù)及特性介紹：CPS32傳感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷電容壓力傳感器詳細說明:一、概述CCPS32傳感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷電容壓力傳感器，陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性可以使它的工作溫度范圍高達-40125，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。其最大特點是：量程可以小到700Pa

9、，抗過載能力可達量程100倍，徹底解決了其它類型傳感器沒有小量程及在小量程時過載能力差的缺點，它除具有一般傳感器的量程外，其最具特色的是它的正負表壓功能，如：±1kPa，±10kPa等。CCPS32干式陶瓷電容厚膜壓力傳感器的高輸出，廣量程，特別適合制造高性能的工業(yè)控制用壓力變送器。大圓形膜片表面平整、易安裝，是歐美E+H、ABB、SIEMENS、H&、VEGA等公司壓力變送器生產(chǎn)首選傳感器。二、特點堅固的陶瓷電容敏感膜片自帶厚膜電路輸出1-4V卓越的抗腐蝕、抗磨損性能平整的大圓形膜片,易安裝高精度、高穩(wěn)定性寬的工作溫度范圍響應(yīng)迅速,無遲滯量程遷移比達10:1可進行

10、無源標定三、工作原理抗腐蝕的干式陶瓷電容壓力傳感器沒有液體的傳遞，過程壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，襯底的電極與膜片電極的電容量變化比例與壓力大小，使膜片產(chǎn)生0.03mm的位移，電容的變化值經(jīng)激光微調(diào)，傳感器專用信號調(diào)理電路ASIC放大輸出高達4000mV的直流電壓，內(nèi)置的溫度傳感器不斷測量介質(zhì)的溫度并進行溫度補償。過載時，膜片貼到陶瓷襯底上而不會損壞。當(dāng)壓力恢復(fù)到正常時，其性能不受任何影響。徹底解決了低量程過載能力差的缺點，是擴散硅傳感器的升級換代產(chǎn)品。標準化的高輸出具有極強的抗干擾能力，配專用線路板可進行大的量程遷移（10:1）。傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，自帶溫度補償-20

11、80，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。CCPS32陶瓷傳感器由于沒有液體的傳遞作用，無任何填充液，不會產(chǎn)生工藝污染，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，加之是干式陶瓷膜片，故不受安裝方向影響，以其作為敏感元件生產(chǎn)的壓力變送器被廣泛地應(yīng)用在各種測量壓力的場合。四、技術(shù)參數(shù)供電電壓：5VDC量程范圍：7kPa30Mpa響應(yīng)時間：<1mS綜合誤差(包括：線性，遲滯，重復(fù)性)：0.1.0.2FS%零點輸出：500±50mV滿量程輸出：4000±100mV溫度特性(溫補范圍：-20-80)：±0.01 %FS/穩(wěn)定性：<0.1% FSO/年供電電流：<2m

12、A工作溫度：-40125抗絕緣性：>2kV外形尺寸：32.4×5.25.7.12mm 五、量程選擇 因為人的血壓一般是在18kpa左右，所以結(jié)合傳感器的量程范圍，選擇傳感器的量程為 030kpa。3.2 放大電路的選擇 因為CCPS32在零點有大約50mv的零點電壓，所以可用以高共模抑制比的差分放大電路來消除。而其輸出電壓就為4伏左右，所以不需要在進行對其輸出幅度的放大。傳感器輸出阻抗大約10千歐左右，結(jié)合以上考慮我選擇了同相串聯(lián)雙運放高共模抑制比放大電路作為下一級。其輸出波形為 3.3 濾波器的選擇 人體的心率一般在60150次/分鐘，所以容易算得其最高頻率為：f=150/6

13、0=2.5Hz。則可選擇一低通濾波器濾掉大于3.14HZ的干擾。設(shè)該低通濾波器的截止頻率f0=3.14Hzf0=1/2RC=3.14Hz所以求得 RC=0.05 結(jié)合實際情況和電路 確定R=200歐 C=250uF低通濾波器電路圖如下： 當(dāng)將電源頻率改為10Hz后，濾波電路輸出的波形為：兩個圖像對比后，我們可以很明顯的看出在頻率為10赫茲時輸出的電壓基本為0，所以可以看出該低通濾波電路能起到較好的濾波作用。3.4 整形電路的選擇整形電路的功能是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為高低電平信號輸出到倍頻電路。由于最后計數(shù)器輸入的方波信號，因此還需要把面得到的信號進行比較整形，從而得到方波。整形電路一般用74LS

14、14和CC40106兩種芯片，經(jīng)過比較，個人認為74LS14集成度高，更穩(wěn)定。所以整形電路決定選擇74LS14。整形電路電路圖如下：整形后的波形如下：可以看出該整形電路整形效果較好，基本可以勝任。3.5 倍頻電路的選擇 在實際中測心率一般選擇一分鐘為時間長度，而如果是體檢或是有很多人同時需要進行心率的測量，則一分鐘的時間會略顯漫長。所以我們希望能將測量時間縮短，以便于在盡量短的時間內(nèi)為更多的人測量其心率值。于是我們需要一個倍頻電路來實現(xiàn)這一想法，而如果采用四倍頻或更高的話，會帶來至少每分鐘2次的心率誤差，如果患者的心率接近報警值，則有可能導(dǎo)致誤報警。綜合考慮我這里選擇的事2倍頻電路，即在誤差盡

15、可能小的情況下，節(jié)約更多的時間。電路圖如下：從整形電路輸出的波形圖如下:經(jīng)過倍頻電路的波形圖如下：通過兩個幅頻圖我們可以看出2倍頻電路工作穩(wěn)定，可以起到倍頻的作用。3.6 定時器的選擇一般對病人的心率的時間選擇為1分鐘，且病人的每分鐘心率也是醫(yī)生參考的標準，而之前我們已經(jīng)設(shè)計了一個2倍頻的倍頻電路，所以這里我們需要設(shè)計一個30秒得定時電路。在這里信號可采用多諧振蕩器產(chǎn)生，在簡單時基電路中，可以用555定時電路。55定時器功能表：輸 入輸 出THVODis×<VCC<VCC>VCC×<VCC>VCC×LHHHLH不變L導(dǎo)通截止不變導(dǎo)通

16、圖十三 555定時器功能表器件取值：振蕩周期：T=T1+T2=（R1+R2）Cln2振蕩頻率：f=1/T=1/(R1+R2)Cln2設(shè)脈沖幅度大于3V小于5V,占空比為q=2/3，振蕩周期為30秒則 q=(r1+r2)/(r1+r2)=2/3 故得 R1=R2由此得 T=（r1+r2）Cln2=30 取C=2u解得r1=r2=480k 定時器電路圖如下：3.7 顯示與計數(shù)電路的選擇在心率計的設(shè)計過程中計數(shù)電路是其中很關(guān)鍵的一部分，通過它測量脈沖次數(shù)從而測出心率。所以其測量的精度直接影響到心率計的測量精度。在這里我選擇了4511BD和4518BD兩種芯片。從計數(shù)器中輸出的信號為四位BCD碼，不能

17、直接輸入到顯示器中顯示，要先經(jīng)過譯碼器譯碼，輸出七段顯示代碼，才能供顯示。4511BD的引腳圖如下：計數(shù)與顯示的電路圖如下：仿真后LED的顯示情況： 3.8 比較器及報警過程的設(shè)計 我們知道心率的標準范圍有三種：1，老人，100-150次/分；2，嬰兒，90-120次/分；3，成人，60-90次/分。在這里我們需要預(yù)設(shè)號不同的上下限的數(shù)值預(yù)測的的心率值比較，如果有計數(shù)器輸出的計數(shù)值超出了對應(yīng)的范圍，則表明是使用者心率異常，需要發(fā)出報警，已引起使用人和醫(yī)生的重視。在這里我們選擇的是74LS85D芯片，作為比較與報警部分的主要芯片。其引腳圖如下：報警與比較部分電路圖如下：至此，心率計電路的器件選擇

18、和參數(shù)設(shè)計部分結(jié)束。期間每一部分的設(shè)計都通過我的反復(fù)研究與仿真都確定下來。四 總體電路圖五 器件清單六 心得體會通過這次試驗我才親身體會到自己學(xué)的知識與實際動手之間還有一定的差距。第一次設(shè)計一個具體的東西就容易各種鬧笑話，手忙腳亂。在確定各模塊電路的過程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗我用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識來判斷電路正確與否的機會。通過此次課程設(shè)計的鍛煉，自己的動手能力有了很大的提高，查找問題、解決問題的能力也有了相應(yīng)的進步。當(dāng)然，這次試驗也讓我看到了我的很多缺陷。有些電路看似已經(jīng)正確了，卻始終無法仿真出需要的波形。反復(fù)檢查后才發(fā)現(xiàn)就是一些小細節(jié)