多功能心率計(jì)(04)

1、題 目 多功能心率計(jì) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 時(shí) 間 2013年12月13日 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院EDA訓(xùn)練任務(wù)書(shū)姓名_ _ 班級(jí) 指導(dǎo)老師： 設(shè)計(jì)課題：EDA訓(xùn)練設(shè)計(jì)任務(wù)與要求任務(wù)要求心率計(jì)是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人心臟單位時(shí)間跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，設(shè)計(jì)一個(gè)電子心率計(jì)，要求實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量1分鐘的心臟跳動(dòng)次數(shù)，并且顯示其數(shù)字。當(dāng)心臟跳動(dòng)次數(shù)超過(guò)正常范圍時(shí)，發(fā)出異常指示（LED發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警指示）。正常范圍可根據(jù)需要設(shè)定。性能指標(biāo)要求1、測(cè)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。2、 測(cè)量精度：測(cè)量誤差&

2、#177;4次/分鐘。設(shè)計(jì)步驟1、 查閱相關(guān)資料，開(kāi)始撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；2、 先給出總體方案并對(duì)工作原理進(jìn)行大致的說(shuō)明；3、 依次對(duì)各部分分別給出單元電路，并進(jìn)行相應(yīng)的原理、參數(shù)分析計(jì)算、功能以及與其他部分電路的關(guān)系等等說(shuō)明；4、 列出標(biāo)準(zhǔn)的元件清單；5、 總體電路的繪制及總體電路原理相關(guān)說(shuō)明；6、列出設(shè)計(jì)中所涉及的所有參考文獻(xiàn)資料。參考文獻(xiàn)1閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù). M北京：高等教育出版社，2006年2 陳振官等編著. 新穎高效聲光報(bào)警器. M北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005年3 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-4244 稻葉保.振蕩電路的設(shè)

3、計(jì)與應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，2004.29-99目 錄1、 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2、 流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . .3、 方案論證 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4、 單元電路選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . .5、 電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6、 性能測(cè)試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7、 結(jié)論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8、 參考文獻(xiàn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. . . . . . . . . . 附錄A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 附錄B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一、緒論心率計(jì)是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人心臟單位時(shí)間內(nèi)跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，由于人體各部位心率一致，所以通常測(cè)量人手臂處的脈搏即可測(cè)出人體心率。任務(wù)要求測(cè)出的心率為一分鐘內(nèi)心的次數(shù)，并顯示，測(cè)量結(jié)果要與標(biāo)準(zhǔn)范圍作比較，不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則報(bào)警。要把人體的脈搏數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器。正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6090次，嬰兒為90120次,老年人

6、為100150次, 這種頻率信號(hào)屬于低頻范疇。該方案選用傳感器MPX2050GP，該傳感是帶溫度補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)散硅壓力傳感器，它具有良好的線(xiàn)性和溫度穩(wěn)定，并且靈敏度高，是一種專(zhuān)門(mén)用于血壓測(cè)量的傳感器。該傳感器接在電橋電路中，當(dāng)有壓力傳到傳感器時(shí)，其電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生差動(dòng)電壓，由于該電壓很弱（為10毫伏左右），需用一放大器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行放大。由于震動(dòng)、工頻信號(hào)和放大器的噪聲等的影響，導(dǎo)致其輸出電壓中有很多干擾信號(hào)，為此需采用一濾波器濾除脈搏信號(hào)中的干擾，由于脈搏信號(hào)為低頻信號(hào)，所以該濾波器必須為低通濾波器。為了便于計(jì)數(shù)，需將經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)整形為矩形波信號(hào)，為此還需設(shè)計(jì)整形電路，整形為方波或

7、脈沖信號(hào)。我們需要在十五秒內(nèi)完成脈搏計(jì)數(shù)，在這里我們采用了倍頻的方式。由于15秒是一分鐘的1/4，所以理想情況下60秒內(nèi)測(cè)得的脈搏數(shù)是15秒內(nèi)測(cè)得值的4倍。所以可以通過(guò)對(duì)被測(cè)脈搏波進(jìn)行細(xì)分（即4倍頻），從而通過(guò)計(jì)數(shù)器在15秒內(nèi)所得計(jì)數(shù)結(jié)果就是一分鐘的脈搏數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時(shí)，將其輸入到數(shù)值器中與比較器預(yù)設(shè)值即標(biāo)準(zhǔn)值作比較，若測(cè)量值不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)則報(bào)警，即LED燈亮。二、心率計(jì)及報(bào)警器的流程圖傳感器放大器濾波器整形電路倍頻器比較器報(bào)警定時(shí)器計(jì)數(shù)器譯碼器顯示器圖1、流程圖三、 方案論證設(shè)計(jì)一個(gè)人體心率計(jì)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)在30s內(nèi)測(cè)量人的心率跳動(dòng)次數(shù)，并且將心率次數(shù)顯示出來(lái)。正常

8、人的心率數(shù)為6080次/min，嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min。方案一1、傳感器 將心率跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為與此相對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。2、 放大整形電路 把傳感器的微弱電流，微弱電壓放大。3、倍頻器 將整形后所得到的脈沖信號(hào)的頻率提高。如將30s內(nèi)傳感器所獲得的信號(hào)頻率2倍頻，即可得到對(duì)應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間。4、控制電路 用555定時(shí)器以保證在基準(zhǔn)時(shí)間控制下，使2倍頻后的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)、顯示電路中。5、計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路 用來(lái)讀出心率數(shù)，并以十進(jìn)制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來(lái)。上述測(cè)量過(guò)程中，由于對(duì)脈沖進(jìn)行了2倍頻，計(jì)數(shù)時(shí)間也相應(yīng)地縮短了2倍(30s)，而數(shù)碼管

9、顯示的數(shù)字卻是lmin的心率跳動(dòng)次數(shù)。用這種方案測(cè)量的誤差為±2次min，測(cè)量時(shí)間越短，誤差也就越大。電路原理框圖如圖2所示。倍頻器基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路放大與整形計(jì)數(shù)譯碼顯示器控制電路傳感器圖2、 方案一脈搏計(jì)原理框圖方案二測(cè)量心率跳動(dòng)固定次數(shù)（比如5次，10次）所需的時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為沒(méi)分鐘的心率數(shù)。電路原理圖如圖3所示?；鶞?zhǔn)時(shí)間發(fā)生器傳感器放大與整形六進(jìn)制計(jì)數(shù)器門(mén)控電路定脈沖數(shù)產(chǎn)生電路8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器可預(yù)置8位計(jì)數(shù)器譯碼、顯示電路圖3、 方案二脈搏計(jì)原理框圖這兩種方案比較起來(lái)，第一種更直觀，所需的電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單些；第二種方案的測(cè)量誤差比較小，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)電路要復(fù)雜些。為了使脈搏計(jì)輕巧而便

10、宜，通常采用第一種方案。本文進(jìn)行的設(shè)計(jì)就基于這一方案。四、單元電路的選擇采用的MPX2050力敏元件是一種高性能的,適合于帶有溫度補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)微壓阻式傳感器，其內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)，并經(jīng)激光校準(zhǔn)，如圖3.1（c）。經(jīng)激光校準(zhǔn)后，傳感器的零輸出、滿(mǎn)量程輸出及輸出一致性、溫度補(bǔ)償特性等都達(dá)到較好的性能指標(biāo)。它的基本性能指標(biāo)是：零位輸出小于±1mV，滿(mǎn)量程輸出40mV±1.5mV，在0+85范圍內(nèi)有較好的溫度補(bǔ)償效果；線(xiàn)性度可達(dá)±0.1%FS±0.25%FS；工作溫度范圍為-40+125，允許過(guò)載為200%。主要參數(shù)見(jiàn)圖3.1（b）。圖4、參數(shù)五、電路設(shè)計(jì)一、

11、傳感器心率傳感器也是脈搏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)。脈搏傳感器是脈象檢測(cè)系統(tǒng)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(lèi)、壓阻類(lèi)和壓電類(lèi)。傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換器，作用是通過(guò)紅外光照射人的手指的血脈流動(dòng)情況，把心率跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其原理電路如圖5圖5 紅外光電傳感器二放大與整形由于傳感器輸出電阻比較高，本次課程設(shè)計(jì)中的放大電路采用了同相放大器，如圖所示，運(yùn)放采用了OP07，電源電壓采用正負(fù)5V，放大電路放大倍數(shù)為20倍左右。整形電路在這里采用了最為簡(jiǎn)單的與非門(mén)電路。電路如圖6所示。圖6 放大與整形電路三、倍頻電

12、路1、二倍該電路的作用是對(duì)放大整形后的脈搏信號(hào)進(jìn)行2倍頻，以便在30s內(nèi)測(cè)出1min內(nèi)的人體心率跳動(dòng)次數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間，以提高診斷效率。倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器、異或門(mén)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的異或門(mén)組成的2倍頻電路。電路如圖7所示。圖7、 倍頻電路2、四倍在15秒內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)一分鐘的脈搏數(shù)。由于15秒是一分鐘的1/4，所以理想情況下60秒內(nèi)測(cè)得的脈搏數(shù)是15秒內(nèi)測(cè)得值的4倍。所以可以通過(guò)對(duì)被測(cè)脈搏波進(jìn)行細(xì)分（即4倍頻），從而通過(guò)計(jì)數(shù)器在15秒內(nèi)所得計(jì)數(shù)結(jié)果就是一分鐘的脈搏數(shù)。倍頻電路的實(shí)現(xiàn)方式如圖8。圖8、 四倍頻電路圖四、定時(shí)

13、電路555定時(shí)器是為了試驗(yàn)在30s內(nèi)完成任務(wù)，使單穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度為30s。所以定時(shí)時(shí)間為30s。本試驗(yàn)采用555單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路。工作原理大概如下：開(kāi)關(guān)打上，RST、VCC都為高電平，由于有電容C3的存在、THR和THI為低電平。此時(shí)輸出為低電平，隨著電容的充電，當(dāng)時(shí)間達(dá)到30s的時(shí)候，電容兩端電壓為2/3VCC,THR和THI為1/3VCC，此時(shí)輸出變?yōu)榈碗娖?。時(shí)間常數(shù)有t=1.1RC可以求得。取C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M歐。手動(dòng)清零，只需將將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)就可以，電路如圖9所示。圖9、 定時(shí)電路五、計(jì)數(shù)譯碼顯示采用BCD-HEX型數(shù)碼管。經(jīng)鎖存器輸出的數(shù)據(jù)可直接與數(shù)碼管進(jìn)行連接，

14、無(wú)需外加譯碼器。因?yàn)榇诵吞?hào)數(shù)碼管內(nèi)含有將BCD碼轉(zhuǎn)換為HEX的程序，為電路的設(shè)計(jì)與布局節(jié)省了空間，使電路相對(duì)簡(jiǎn)單些。一般的七段數(shù)碼管外還需加一個(gè)七段譯碼器才能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。圖10、 計(jì)數(shù)鎖存顯示電路六、總體電路原理相關(guān)說(shuō)明本電路采用了紅外光電轉(zhuǎn)換通過(guò)紅外光照射人的手指的血脈流動(dòng)情況，把脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳感器由于輸出電阻比較高所以放大電路采用了同相放大器運(yùn)放采用了OP07，電源電壓采用正負(fù)5V，放大電路放大倍數(shù)為20倍左右，脈沖電壓通過(guò)整形電路這里采用了最為簡(jiǎn)單的與非門(mén)電路該電路的作用是對(duì)放大整形后的脈搏信號(hào)進(jìn)行2倍頻，以便在30s內(nèi)測(cè)出1min內(nèi)的人體脈搏跳動(dòng)次數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間，以提高診

15、斷效率。在通過(guò)55定時(shí)器目的為了試驗(yàn)在30s內(nèi)完成任務(wù)，使單穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度為30s。所以定時(shí)時(shí)間為30。55定時(shí)器的工作原理是如上圖所示開(kāi)關(guān)打上，RST、VCC都為高電平，由于有電容C3的存在、THR和THI為低電平。此時(shí)輸出為低電平，隨著電容的充電，當(dāng)時(shí)間達(dá)到30s的時(shí)候，電容兩端電壓為2/3VCC,THR和THI為1/3VCC，此時(shí)輸出變?yōu)榈碗娖健r(shí)間常數(shù)有t=1.1RC可以求得。取C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M歐。手動(dòng)清零，只需將將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)就可以路主要要完成對(duì)方波脈沖計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果譯碼顯示出來(lái)的功能。六、 性能的測(cè)試本次課程設(shè)計(jì)中是利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使用正弦波模擬人體心

16、率跳動(dòng)。如圖11所示。 圖11、 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一、 放大電路測(cè)試由于輸入級(jí)是毫伏級(jí)，為了便于信號(hào)的輸出和處理，采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路放大傳感器的輸出電壓。電路如圖3.2所示。它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中N1、N2為兩個(gè)性能一致的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱(chēng)差動(dòng)放大輸入級(jí)，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制N1、N2的共模信號(hào)。當(dāng)N1、N2性能一致時(shí)，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在Rp兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部電阻匹配。此外，該電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)Rp可以改變?cè)鲆娑挥?/p>

17、響電路的對(duì)稱(chēng)性。 圖12、 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路圖13、LM741封裝管腳圖如下圖所示，LM741芯片為單運(yùn)放芯片，其引腳功能為：引腳號(hào)1234功 能偏置反向輸入端正向輸入端負(fù)電源引腳號(hào)5678功 能偏置輸出端正電源空腳圖 14、放大前與放大后的波形對(duì)比（A通道為信號(hào)源波形，B通道為放大后波形）二、倍頻電路測(cè)試用2個(gè)異或門(mén)把頻率放大2倍，電路如圖10所示，波形如圖15所示。圖、15用Multisim模擬得出輸入、第一級(jí)輸出、第二級(jí)輸出的波形如下圖16。該倍頻電路是由兩個(gè)二倍頻電路組成，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的二倍頻，第二級(jí)對(duì)倍頻后的信號(hào)再倍頻之后得到4倍頻信號(hào)。 圖16、 輸入信號(hào)、二倍頻

18、和四倍頻三、定時(shí)電路測(cè)試本次課題中，要求用30秒測(cè)出1min的人體心率，所以用555定時(shí)器使輸出端在30秒以?xún)?nèi)為低電平，30秒之后為高電平，用開(kāi)關(guān)清零。電路如圖17所示，波形如圖18所示。圖17 、 555定時(shí)器部分電路圖18、 555定時(shí)輸出波形4.電路整體性能測(cè)試在本次課程設(shè)計(jì)中當(dāng)加入一個(gè)1Hz，10V的信號(hào)源時(shí)，在30秒時(shí)脈搏計(jì)上的示數(shù)為61，在題目要求的誤差范圍內(nèi)其他測(cè)量值如表一所示表一 輸入頻率以及脈搏計(jì)顯示示數(shù)輸入頻率脈搏計(jì)顯示1hz610.5hz352hz130七、 結(jié)論本次設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了課題的要求，將心率跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，放大整形后進(jìn)行二倍頻，并在30s（基準(zhǔn)時(shí)間

19、） 內(nèi)對(duì)此信號(hào)計(jì)數(shù)，便得到了1min脈搏數(shù)在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，我搜集參考了大量相關(guān)材料以確定設(shè)計(jì)方向及思路，從選擇傳感器，解決從傳感器出來(lái)的信號(hào)如何整形，到最終的畫(huà)仿真電路，都一步一步的精心計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)比不同的設(shè)計(jì)方案，選擇最佳，不僅考慮電路的合理性也考慮了電路的鏈接及經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)設(shè)計(jì)我更深入了解了心率計(jì)的工作原理，它的工作過(guò)程主要分為：通過(guò)壓電傳感器，采集信號(hào)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)；然后將得到的電信號(hào)通過(guò)放大電路、濾波整形電路進(jìn)行放大、濾波、整形；由閘門(mén)電路產(chǎn)生閘門(mén)時(shí)間信號(hào)控制信號(hào)的計(jì)數(shù)時(shí)間，同時(shí)由控制電路進(jìn)行啟動(dòng)控制、清零計(jì)數(shù)控制；將測(cè)量結(jié)果由4508BD譯碼鎖存；最終的結(jié)果由三位數(shù)碼管顯示電路顯示出來(lái)。本次設(shè)計(jì)的核心部分是對(duì)傳感器的選擇，壓電傳感器是心率計(jì)的測(cè)量主體。壓電傳感器發(fā)展迅速，技術(shù)成熟?；趬弘妭鞲衅魃系男穆视?jì)，是利用人體的血壓變化來(lái)測(cè)量心跳頻率的變化，血壓隨心跳