多功能心率計(04)

1、題 目 多功能心率計 班 級 學 號 姓 名 時 間 2013年12月13日 景德鎮(zhèn)陶瓷學院EDA訓練任務書姓名_ _ 班級 指導老師： 設計課題：EDA訓練設計任務與要求任務要求心率計是用來測量一個人心臟單位時間跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，設計一個電子心率計，要求實現(xiàn)在短時間內(nèi)測量1分鐘的心臟跳動次數(shù)，并且顯示其數(shù)字。當心臟跳動次數(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)需要設定。性能指標要求1、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，正常范圍可以設定。2、 測量精度：測量誤差&

2、#177;4次/分鐘。設計步驟1、 查閱相關資料，開始撰寫設計說明書；2、 先給出總體方案并對工作原理進行大致的說明；3、 依次對各部分分別給出單元電路，并進行相應的原理、參數(shù)分析計算、功能以及與其他部分電路的關系等等說明；4、 列出標準的元件清單；5、 總體電路的繪制及總體電路原理相關說明；6、列出設計中所涉及的所有參考文獻資料。參考文獻1閻石主編. 數(shù)字電子技術. M北京：高等教育出版社，2006年2 陳振官等編著. 新穎高效聲光報警器. M北京：國防工業(yè)出版社，2005年3 康華光.電子技術基礎（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

3、計與應用M.北京：科學出版社，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、 電路設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6、 性能測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7、 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8、 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. . . . . . . . . . 附錄A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 附錄B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一、緒論心率計是用來測量一個人心臟單位時間內(nèi)跳動次數(shù)的電子儀器，由于人體各部位心率一致，所以通常測量人手臂處的脈搏即可測出人體心率。任務要求測出的心率為一分鐘內(nèi)心的次數(shù)，并顯示，測量結果要與標準范圍作比較，不在標準范圍內(nèi)則報警。要把人體的脈搏數(shù)轉換成電信號,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, 這種頻率信號屬于低頻范疇。該方案選用傳感器MPX2050GP，該傳感是帶溫度補償?shù)臄U散硅壓力傳感器，它具有良好的線性和溫度穩(wěn)定，并且靈敏度高，是一種專門用于血壓測量的傳感器。該傳感器接在電橋電路中，當有壓力傳到傳感器時，其電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生差動電壓，由于該電壓很弱（為10毫伏左右），需用一放大器對其信號進行放大。由于震動、工頻信號和放大器的噪聲等的影響，導致其輸出電壓中有很多干擾信號，為此需采用一濾波器濾除脈搏信號中的干擾，由于脈搏信號為低頻信號，所以該濾波器必須為低通濾波器。為了便于計數(shù)，需將經(jīng)過濾波的信號整形為矩形波信號，為此還需設計整形電路，整形為方波或

7、脈沖信號。我們需要在十五秒內(nèi)完成脈搏計數(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)測得的脈搏數(shù)是15秒內(nèi)測得值的4倍。所以可以通過對被測脈搏波進行細分（即4倍頻），從而通過計數(shù)器在15秒內(nèi)所得計數(shù)結果就是一分鐘的脈搏數(shù)。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LED燈亮。二、心率計及報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警定時器計數(shù)器譯碼器顯示器圖1、流程圖三、 方案論證設計一個人體心率計，要求能夠實現(xiàn)在30s內(nèi)測量人的心率跳動次數(shù)，并且將心率次數(shù)顯示出來。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 將心率跳動信號轉換為與此相對應的電脈沖信號。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的頻率提高。如將30s內(nèi)傳感器所獲得的信號頻率2倍頻，即可得到對應一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測量時間。4、控制電路 用555定時器以保證在基準時間控制下，使2倍頻后的脈沖信號送到計數(shù)、顯示電路中。5、計數(shù)、譯碼、顯示電路 用來讀出心率數(shù)，并以十進制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來。上述測量過程中，由于對脈沖進行了2倍頻，計數(shù)時間也相應地縮短了2倍(30s)，而數(shù)碼管

9、顯示的數(shù)字卻是lmin的心率跳動次數(shù)。用這種方案測量的誤差為±2次min，測量時間越短，誤差也就越大。電路原理框圖如圖2所示。倍頻器基準時間產(chǎn)生電路放大與整形計數(shù)譯碼顯示器控制電路傳感器圖2、 方案一脈搏計原理框圖方案二測量心率跳動固定次數(shù)（比如5次，10次）所需的時間，然后轉換為沒分鐘的心率數(shù)。電路原理圖如圖3所示?；鶞蕰r間發(fā)生器傳感器放大與整形六進制計數(shù)器門控電路定脈沖數(shù)產(chǎn)生電路8位二進制計數(shù)器可預置8位計數(shù)器譯碼、顯示電路圖3、 方案二脈搏計原理框圖這兩種方案比較起來，第一種更直觀，所需的電路結構更簡單些；第二種方案的測量誤差比較小，但實現(xiàn)起來電路要復雜些。為了使脈搏計輕巧而便

10、宜，通常采用第一種方案。本文進行的設計就基于這一方案。四、單元電路的選擇采用的MPX2050力敏元件是一種高性能的,適合于帶有溫度補償?shù)膭討B(tài)微壓阻式傳感器，其內(nèi)部有溫度補償電阻網(wǎng)絡，并經(jīng)激光校準，如圖3.1（c）。經(jīng)激光校準后，傳感器的零輸出、滿量程輸出及輸出一致性、溫度補償特性等都達到較好的性能指標。它的基本性能指標是：零位輸出小于±1mV，滿量程輸出40mV±1.5mV，在0+85范圍內(nèi)有較好的溫度補償效果；線性度可達±0.1%FS±0.25%FS；工作溫度范圍為-40+125，允許過載為200%。主要參數(shù)見圖3.1（b）。圖4、參數(shù)五、電路設計一、

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轉換為響應的電沖信號。脈搏傳感器是脈象檢測系統(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。傳感器采用了紅外光電轉換器，作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把心率跳動轉換為電信號，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，本次課程設計中的放大電路采用了同相放大器，如圖所示，運放采用了OP07，電源電壓采用正負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單的與非門電路。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放大整形后的脈搏信號進行2倍頻，以便在30s內(nèi)測出1min內(nèi)的人體心率跳動次數(shù)，從而縮短測量時間，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)進行計數(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)測得的脈搏數(shù)是15秒內(nèi)測得值的4倍。所以可以通過對被測脈搏波進行細分（即4倍頻），從而通過計數(shù)器在15秒內(nèi)所得計數(shù)結果就是一分鐘的脈搏數(shù)。倍頻電路的實現(xiàn)方式如圖8。圖8、 四倍頻電路圖四、定時

13、電路555定時器是為了試驗在30s內(nèi)完成任務，使單穩(wěn)態(tài)的時間長度為30s。所以定時時間為30s。本試驗采用555單穩(wěn)態(tài)定時電路。工作原理大概如下：開關打上，RST、VCC都為高電平，由于有電容C3的存在、THR和THI為低電平。此時輸出為低電平，隨著電容的充電，當時間達到30s的時候，電容兩端電壓為2/3VCC,THR和THI為1/3VCC，此時輸出變?yōu)榈碗娖健r間常數(shù)有t=1.1RC可以求得。取C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M歐。手動清零，只需將將開關斷開就可以，電路如圖9所示。圖9、 定時電路五、計數(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)碼管進行連接，

14、無需外加譯碼器。因為此型號數(shù)碼管內(nèi)含有將BCD碼轉換為HEX的程序，為電路的設計與布局節(jié)省了空間，使電路相對簡單些。一般的七段數(shù)碼管外還需加一個七段譯碼器才能驅動數(shù)碼管。圖10、 計數(shù)鎖存顯示電路六、總體電路原理相關說明本電路采用了紅外光電轉換通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把脈搏跳動轉換為電信號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放采用了OP07，電源電壓采用正負5V，放大電路放大倍數(shù)為20倍左右，脈沖電壓通過整形電路這里采用了最為簡單的與非門電路該電路的作用是對放大整形后的脈搏信號進行2倍頻，以便在30s內(nèi)測出1min內(nèi)的人體脈搏跳動次數(shù)，從而縮短測量時間，以提高診

15、斷效率。在通過55定時器目的為了試驗在30s內(nèi)完成任務，使單穩(wěn)態(tài)的時間長度為30s。所以定時時間為30。55定時器的工作原理是如上圖所示開關打上，RST、VCC都為高電平，由于有電容C3的存在、THR和THI為低電平。此時輸出為低電平，隨著電容的充電，當時間達到30s的時候，電容兩端電壓為2/3VCC,THR和THI為1/3VCC，此時輸出變?yōu)榈碗娖?。時間常數(shù)有t=1.1RC可以求得。取C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M歐。手動清零，只需將將開關斷開就可以路主要要完成對方波脈沖計數(shù)，將計數(shù)結果譯碼顯示出來的功能。六、 性能的測試本次課程設計中是利用函數(shù)信號發(fā)生器，使用正弦波模擬人體心

16、率跳動。如圖11所示。 圖11、 函數(shù)信號發(fā)生器一、 放大電路測試由于輸入級是毫伏級，為了便于信號的輸出和處理，采用三運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。它由三個集成運算放大器組成，其中N1、N2為兩個性能一致的同相輸入通用集成運算放大器，構成平衡對稱差動放大輸入級，N3構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制N1、N2的共模信號。當N1、N2性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關，而其共模輸出、失調及漂移均在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節(jié)能力，調節(jié)Rp可以改變增益而不影

17、響電路的對稱性。 圖12、 三運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芯片為單運放芯片，其引腳功能為：引腳號1234功 能偏置反向輸入端正向輸入端負電源引腳號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比（A通道為信號源波形，B通道為放大后波形）二、倍頻電路測試用2個異或門把頻率放大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、第一級輸出、第二級輸出的波形如下圖16。該倍頻電路是由兩個二倍頻電路組成，第一級實現(xiàn)對輸入信號的二倍頻，第二級對倍頻后的信號再倍頻之后得到4倍頻信號。 圖16、 輸入信號、二倍頻

18、和四倍頻三、定時電路測試本次課題中，要求用30秒測出1min的人體心率，所以用555定時器使輸出端在30秒以內(nèi)為低電平，30秒之后為高電平，用開關清零。電路如圖17所示，波形如圖18所示。圖17 、 555定時器部分電路圖18、 555定時輸出波形4.電路整體性能測試在本次課程設計中當加入一個1Hz，10V的信號源時，在30秒時脈搏計上的示數(shù)為61，在題目要求的誤差范圍內(nèi)其他測量值如表一所示表一 輸入頻率以及脈搏計顯示示數(shù)輸入頻率脈搏計顯示1hz610.5hz352hz130七、 結論本次設計基本實現(xiàn)了課題的要求，將心率跳動信號轉換為對應的電脈沖信號，放大整形后進行二倍頻，并在30s（基準時間

19、） 內(nèi)對此信號計數(shù)，便得到了1min脈搏數(shù)在本設計過程中，我搜集參考了大量相關材料以確定設計方向及思路，從選擇傳感器，解決從傳感器出來的信號如何整形，到最終的畫仿真電路，都一步一步的精心計算設計，對比不同的設計方案，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)濟性。通過設計我更深入了解了心率計的工作原理，它的工作過程主要分為：通過壓電傳感器，采集信號將壓力信號轉變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?；然后將得到的電信號通過放大電路、濾波整形電路進行放大、濾波、整形；由閘門電路產(chǎn)生閘門時間信號控制信號的計數(shù)時間，同時由控制電路進行啟動控制、清零計數(shù)控制；將測量結果由4508BD譯碼鎖存；最終的結果由三位數(shù)碼管顯示電路顯示出來。本次設計的核心部分是對傳感器的選擇，壓電傳感器是心率計的測量主體。壓電傳感器發(fā)展迅速，技術成熟?；趬弘妭鞲衅魃系男穆视?，是利用人體的血壓變化來測量心跳頻率的變化，血壓隨心跳