壓電傳感器心率計(jì)計(jì)算機(jī)方案與仿真

壓電傳感器的心率計(jì)的計(jì)算機(jī)方案與仿真壓電傳感器的心率計(jì)的計(jì)算機(jī)方案與仿真PAGE61/61PAGE61壓電傳感器的心率計(jì)的計(jì)算機(jī)方案與仿真PAGE

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文>

鑒于壓電傳感器的心率計(jì)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

學(xué)院：

專業(yè)：

姓名：

學(xué)號(hào)：

指導(dǎo)教師：

2021年6月

綱要

脈搏波所體現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反應(yīng)出人體心血管系統(tǒng)中很多生理疾病的血流特色。依據(jù)人體脈搏信號(hào)特色，本文設(shè)計(jì)了一種脈搏顛簸頻次丈量系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的壓電傳感器根基上的心率計(jì)，原理構(gòu)造主要由六局部構(gòu)成，此中包含：丈量電路、放大電路、濾波整形電路、計(jì)數(shù)顯示電路、控制電路、電源供電電路。此中傳感器的選用是設(shè)計(jì)中的首要任務(wù)，其次就是信號(hào)的放大及計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)點(diǎn)是計(jì)數(shù)電路上當(dāng)數(shù)方式的選擇。顯示電路能夠借助傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊作為參照。利用壓電傳感器，將人體的脈搏經(jīng)過(guò)壓電陶瓷片變換為可辦理的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大

器、濾波電路、整形電路等模塊，在555時(shí)基電路、數(shù)碼顯示、控制、計(jì)數(shù)等電路元件的配合下，利用Multisim2001仿真軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)此心率計(jì)的仿真設(shè)計(jì)。各個(gè)電路模塊，依據(jù)其功能特色均有多種方案選擇，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，利用所掌握的理論知識(shí)，對(duì)各種方案做出比較，并要求選擇出最正確方案，達(dá)成整體設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)利用Multisim2001軟件對(duì)每一模塊的仿真。

本次設(shè)計(jì)任務(wù)詳盡剖析了壓電傳感器應(yīng)用于心率丈量上的原理及長(zhǎng)處，論述了其余各配合電路的構(gòu)成與工作特色，得出了在不一樣丈量數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)條件下的仿真結(jié)果，使得本次課題的預(yù)期結(jié)果得以實(shí)現(xiàn)。

重點(diǎn)詞：壓電傳感器，控制電路，計(jì)數(shù)器，Multisim2001仿真軟件

Abstract

Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Accordingtothecharacteristicsofthehumanpulsesignals,apulsefluctuationfrequencymeasurementsystemisdesigned.Thedesignofpiezoelectricsensorsonthebasisofheartrate,themainprinciplebehindthestructurefromthesixcomponents,including:measuringcircuit,amplifier,filterplasticcircuit,countsshowcircuit,controlcircuits,powersupplycircuits.Theselectionofthesesensorsistheprimarytaskinthedesign,followedbythesignalisenlargedandthenumberofcircuitdesign,thekeypointiscountingcircuitinthecountingmethodchoice.Showcircuitcanusethetraditionaldesignmoduleasareference.Useofpiezoelectricsensors,willfeelthepulseofthehumanbodythroughthepiezoelectricceramicscanhandletheconversiontoelectricalsignals,throughintegratedoperationalamplifiers,filtercircuits,suchasplasticcircuitmodule,in555at-circuit,digitaldisplay,control,countingandothercircuitelements,CoupledwiththeuseMultisim2001simulationsoftware,canachievethisrateofsimulationdesign.Eachcircuitmodule,accordingtotheirfunctionalcharacteristicshavethechoiceofavarietyofprogrammes,weinthedesignprocess,masteredbytheuseofthetheoryofknowledge,tocomparethevariousoptionsandaskedtochoosethebestoption,tocompletetheoveralldesign,andImplementationofMultisim2001softwareforeachmoduleofthesimulation.

Thetaskofdesigningadetailedanalysisofpiezoelectricsensorsformeasuringheartrateandontheprincipleofmerit,ontheothercircuitwiththecompositionandcharacteristicsofthework,comeindifferentmeasurementdataandtechnicalparametersundertheconditionsofthesimulationresults,makingThetopicstoachievetheexpectedresults.

Keywords:Piezoelectricsensors,controlcircuit,counters,Multisim2001simulationsoftwarecontrolcircuit.

目錄

綱要I

AbstractII

目錄III

第一章前言1心率研究的意義1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2課題要求2設(shè)計(jì)內(nèi)容2主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)2傳感技術(shù)的研發(fā)簡(jiǎn)況3第二章設(shè)計(jì)方案論證5傳感器的分類(lèi)及工作原理5傳感器的分類(lèi)5傳感器的工作原理6傳感器的采納剖析7設(shè)計(jì)方案8第三章硬件電路設(shè)計(jì)10心率計(jì)工作原理框圖10電源供電電路11采納溝通220V電源供電方式11采納直流電源供電方式11丈量電路11傳感器的性能13傳感器的型號(hào)選擇13傳感器的供電電路13放大電路14濾波整形電路16濾波電路16整形電路17

優(yōu)選文檔你我共享

倍頻電路20利用CD4046鎖相環(huán)及計(jì)數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路20利用簡(jiǎn)單門(mén)電路等構(gòu)成的二倍頻電路級(jí)聯(lián)21控制電路22閘門(mén)信號(hào)的產(chǎn)生22啟動(dòng)清零的控制26計(jì)數(shù)譯碼顯示電路26第四章仿真結(jié)果與剖析30Multisim2001的功能及特色30丈量電路31放大電路32濾波電路33整形電路34倍頻電路35閘門(mén)控制電路36閘門(mén)電路36控制電路37計(jì)數(shù)顯示電路37整機(jī)電路39結(jié)論40

參照文件41

道謝42

附錄43

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

第一章前言

心率研究的意義

中醫(yī)對(duì)脈診是十分重視的，認(rèn)為經(jīng)過(guò)脈診能夠認(rèn)識(shí)患者臟腑氣血的盛衰，

能夠探測(cè)病因、病位、展望療效等。從近代醫(yī)學(xué)的角度來(lái)看，人體循環(huán)系統(tǒng)承

擔(dān)著協(xié)調(diào)渾身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，運(yùn)走代謝廢物等重要

的工作，還擔(dān)當(dāng)運(yùn)送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動(dòng)向均衡。從整體的角度

對(duì)疾病進(jìn)行綜合剖析，明顯循環(huán)系統(tǒng)的信息將占很重要的比重；從整個(gè)循環(huán)系

統(tǒng)來(lái)看橈動(dòng)脈介于大動(dòng)脈與小動(dòng)脈之間，因?yàn)樾呐K的舒縮、內(nèi)臟血容量的變

化、血管端點(diǎn)阻抗、管道內(nèi)脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因

素使脈象攜帶著有關(guān)懷臟運(yùn)動(dòng)、內(nèi)臟循環(huán)、外周循環(huán)等豐富的心血管系統(tǒng)及整

體的動(dòng)向信息。所以脈診的臨床意義很大，它的機(jī)理是急待于我們進(jìn)行研究的。

作為現(xiàn)代電子儀器與醫(yī)學(xué)相聯(lián)合的一個(gè)重要應(yīng)用課題，擁有深遠(yuǎn)意義?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不停展開(kāi)和進(jìn)步，令人們對(duì)各種丈量?jī)x器的要求愈來(lái)愈高，而心率的丈量是一種評(píng)論人生理狀況的好方法。心率是一種重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻次。本設(shè)計(jì)是一款性價(jià)比比較高的電子心率計(jì)，它解決了傳統(tǒng)丈量方法的不正確性和隨機(jī)性，能夠正確的丈量出人體的心率，并以數(shù)字的方式將丈量結(jié)果顯示。它利用壓電陶瓷片將人體脈搏變換為可辦理的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、整形濾波，而實(shí)現(xiàn)人體心率的丈量和顯示，擁有抗擾亂能力強(qiáng)、穩(wěn)固性能好、電路本錢(qián)低、應(yīng)用范圍廣等長(zhǎng)處。

本設(shè)計(jì)旨在綜合壓電傳感器以及有關(guān)專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字脈搏計(jì)，對(duì)

人體脈搏進(jìn)行丈量經(jīng)數(shù)碼管顯示，最后利用軟件Multisim2001仿真出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本課題綜合性較強(qiáng)，能夠牢固所學(xué)專業(yè)根基理論和根本操作技術(shù)，培養(yǎng)綜

合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)獨(dú)立剖析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力；經(jīng)過(guò)在設(shè)計(jì)中選擇適合的傳感器，從而掌握其原理、應(yīng)用范圍、功能等；還能夠深入認(rèn)識(shí)心率計(jì)的工作原理、元器件選擇以及電子儀器的常用設(shè)計(jì)方法等，從而掌握使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)與仿真的根本思想和方法。經(jīng)過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，重溫了專業(yè)理

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

論知識(shí)，鍛煉了著手操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)聯(lián)合，為未來(lái)從事有關(guān)行業(yè)累積了初步的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在醫(yī)療診療中，快速脈搏測(cè)定已從傳統(tǒng)的丈量方法向多參數(shù)生命體征監(jiān)護(hù)

儀和自動(dòng)脈搏丈量?jī)x展開(kāi)。因?yàn)槠洳僮骱?jiǎn)單、快捷、正確、可準(zhǔn)時(shí)、可記憶存

儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能特色，不單減少了醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度,也使醫(yī)療手段得以現(xiàn)代

化、高科技化。新技術(shù)和新工藝使傳感器和實(shí)驗(yàn)室儀表二者成為同一個(gè)芯片，

這是嶄新的提升。這種多元化的丈量系統(tǒng)正朝著體積小，功耗低、使用靈巧、

便于攜帶，合適于社區(qū)和住院病房使用,有較強(qiáng)的剖析能力，可擴(kuò)展等方向發(fā)

展。如與PC機(jī)進(jìn)行通訊，將收集到的脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C端，從

而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

當(dāng)今多半醫(yī)生用聽(tīng)診器丈量脈搏，醫(yī)用脈搏計(jì)能夠精準(zhǔn)測(cè)出心率，并且能夠測(cè)出心肌縮短力度，從而判斷病人的健康狀況；而家用脈搏計(jì)只需測(cè)出脈搏

的頻次，功能簡(jiǎn)單，數(shù)字脈搏計(jì)正好適應(yīng)了這一要求，使用簡(jiǎn)單，便于攜帶,。

課題要求

1、采納適合的傳感器。

2、設(shè)計(jì)與傳感器配合的信號(hào)辦理電路。

3、設(shè)計(jì)有關(guān)電子線路并繪圖。

4、嫻熟掌握Multisim2001和Protel99SE的使用方法。

5、達(dá)成對(duì)設(shè)計(jì)的電子線路和系統(tǒng)的仿真切驗(yàn)。

6、測(cè)試有關(guān)點(diǎn)的波形，記錄、剖析整理測(cè)試數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、方案比較及論證，查閱有關(guān)資料，選擇最正確設(shè)計(jì)方案，列出設(shè)計(jì)思

想。

2、認(rèn)識(shí)心率計(jì)的丈量原理，構(gòu)造特色以及控制要求。

3、認(rèn)識(shí)心率計(jì)的工作原理、構(gòu)造框圖等，達(dá)成單元電路設(shè)計(jì)。

4、實(shí)現(xiàn)電路的丈量與仿真。

5、繪制電路原理圖，列元件明細(xì)表，整理及剖析有關(guān)數(shù)據(jù)。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

6、總結(jié)。

主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)

1、計(jì)數(shù)范圍：1～999。

2、數(shù)字顯示位數(shù)：三位靜態(tài)十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示被測(cè)信號(hào)數(shù)值。

3、擁有計(jì)數(shù)及鎖存功能。

4、性能優(yōu)秀，工作靠譜。

傳感技術(shù)的研發(fā)簡(jiǎn)況

跟著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的展開(kāi)，特別是近20年來(lái)，電子技術(shù)日異月新，計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用把人類(lèi)帶到了信息時(shí)代，各種電器設(shè)施充滿了人們生產(chǎn)和生

活的各個(gè)領(lǐng)域，相當(dāng)大一局部的電器設(shè)施都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在公民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有有極其重要的地位。

自20世紀(jì)50年月以來(lái)，科學(xué)家關(guān)于脈學(xué)的理論、脈診方法、臨床診療和實(shí)驗(yàn)研究等方面均展開(kāi)了大批工作，獲得了較大進(jìn)展。脈象的客觀化研究集中

在脈象儀的研制方面。脈象傳感器是脈象儀的重點(diǎn)局部。英國(guó)人Marey最早設(shè)

計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波。1860年初次

出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描繪脈搏圖，1895年開(kāi)始采納換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式

光學(xué)脈搏描繪器。20世紀(jì)50年月我國(guó)學(xué)者朱顏初次將杠桿脈搏描繪器引用到

中醫(yī)脈診的研究中來(lái)。自20世紀(jì)70年月到現(xiàn)在，研究人員已研制出種類(lèi)眾多的

換能器以模擬中醫(yī)把脈的手指收集脈搏信號(hào)并記錄。目前應(yīng)用的脈象傳感器種

類(lèi)眾多，依據(jù)其工作原理可分為4種：經(jīng)過(guò)感覺(jué)脈動(dòng)處壓力的變化而描繪脈搏

圖的壓力傳感器；經(jīng)過(guò)感覺(jué)脈管容積的變化來(lái)描繪脈象的光電傳感器；利用聲

學(xué)原理，拾取由脈搏惹起的振動(dòng)即所謂聽(tīng)信號(hào)的傳聲器；還有超聲多普勒檢測(cè)

技術(shù)。

可是目前國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)關(guān)于脈搏和血壓的丈量在相當(dāng)程度上還依靠于聽(tīng)診

器，醫(yī)療事業(yè)的展開(kāi)使其丈量將由數(shù)字化儀器所取代。傳感器是脈搏檢測(cè)儀器

中的重要零件。國(guó)內(nèi)外科研人士在提取脈搏圖象方面已展開(kāi)了大批工作，先后

研制了不一樣種類(lèi)的傳感器及丈量設(shè)施以獲取脈搏波形。如：液態(tài)傳感器，將單

位長(zhǎng)度管段動(dòng)脈內(nèi)血液體積隨時(shí)間變化量變換成導(dǎo)電液柱體電阻的改變參量來(lái)

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

丈量脈搏波形。它的敏捷度雖高，卻因液態(tài)傳感器自己構(gòu)造特色的限制使丈量

過(guò)程其實(shí)不方便。由新式高分子資料PVDF、擴(kuò)散硅等壓電資料<擁有壓電效應(yīng)〕

制成的壓電傳感器在醫(yī)用領(lǐng)域獲取了寬泛應(yīng)用。采納紅外線來(lái)檢測(cè)收集人體的

脈搏，檢測(cè)的部位為隨意一手指或許耳垂的液晶顯示型心率計(jì)也較為應(yīng)用。隨

著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的展開(kāi)，智能傳感器也應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在醫(yī)用領(lǐng)域?qū)鞲?/p>

器與信號(hào)收集、放大裝置、計(jì)算機(jī)等相聯(lián)合構(gòu)成新式智能丈量系統(tǒng)，不單能夠

對(duì)脈搏的頻次、血壓等實(shí)現(xiàn)一方面丈量，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體進(jìn)行多點(diǎn)丈量，完好

檢測(cè)脈搏的顛簸狀態(tài)，更為科學(xué)的反應(yīng)脈象變化，為醫(yī)生供應(yīng)了詳盡的診療參

考依照。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

第二章設(shè)計(jì)方案論證

心率是一種重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻次。心率計(jì)的根

本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心率的丈量，此中包含：心跳能否正常、能否過(guò)快或過(guò)慢、能否居心率不齊等現(xiàn)象。心率的數(shù)值依據(jù)個(gè)人的年紀(jì)、性別及其余生理狀況而不一樣。各種心跳剖析，都是要經(jīng)過(guò)對(duì)心率的計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)成的。

為實(shí)現(xiàn)丈量目的，第一要將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波和整形，變?yōu)楹线m信號(hào)進(jìn)一步辦理的數(shù)字信號(hào)。這一過(guò)程在任何方案中都是一定的，所以放大、整形無(wú)需論證，只需選擇各電路的最正確方案。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)的方法好多，在本設(shè)計(jì)中，我們一定選擇一種最適合的方法應(yīng)用到心率計(jì)中，以知足設(shè)計(jì)需要。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)比較常用的方式有兩種：一種是應(yīng)用計(jì)數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)；另一種是利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。

應(yīng)用計(jì)數(shù)芯片，經(jīng)過(guò)一些根本的數(shù)字電路知識(shí)，來(lái)配共計(jì)數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，而后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。這種方式線路比較復(fù)雜，可是技術(shù)成熟，并且很簡(jiǎn)單進(jìn)行仿真，比較合適學(xué)慣用。

利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，擁有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗擾亂能力強(qiáng)、穩(wěn)固性能好、電路本錢(qián)低、應(yīng)用范圍廣等長(zhǎng)處，其功能能夠經(jīng)過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)的方式比較靈巧，合適實(shí)質(zhì)應(yīng)用，是一種很理想的設(shè)計(jì)方案，可是不宜經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行仿真。

依據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用Multisim2001軟件仿真的要求，我們選擇第一種方式即應(yīng)用計(jì)數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

傳感器的分類(lèi)及工作原理

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感覺(jué)到被丈量的信息，并能將檢測(cè)感覺(jué)到的信

息，按必定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其余所需形式的信息輸出，以知足信息的傳

輸、辦理、儲(chǔ)存、顯示、記錄和控制等要求。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

傳感器的分類(lèi)

目前對(duì)傳感器還沒(méi)有一個(gè)一致的分類(lèi)方法，但比較常用的有以下三種：1、

按傳感器的物理量分類(lèi)，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳

感器2、按傳感器工作原理分類(lèi)，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。3、按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)，可分為：輸

出為開(kāi)關(guān)量<“1〞和"0〞或“開(kāi)〞和“關(guān)〞〕的開(kāi)關(guān)型傳感器；輸出為模擬型

傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。

傳感器的工作原理

1、電阻式傳感器：其根來(lái)源理是將被測(cè)物理量的變化變換成電阻值的變

化，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的丈量電路而最后顯示被丈量值的變化，電阻式傳感器與相應(yīng)的丈量電路構(gòu)成測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加快度、測(cè)扭距、測(cè)溫度等測(cè)試系統(tǒng)。

2、電位器式傳感器：電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感

器，能夠?qū)C(jī)械位移或其余能變換為位移的非電量變換為有必定函數(shù)關(guān)系的電

阻值的變化，從而惹起輸出電壓的變化。所以它是一個(gè)機(jī)電傳感元件。

3、電感式傳感器：是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)丈量的一種裝

置，能夠用來(lái)丈量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。電感式傳感器的核心局部是可變自感或可變互感，在被丈量變換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般利用磁場(chǎng)作為媒介或利用磁鐵的某種現(xiàn)象。這種傳感器的主要特色是擁有線圈繞組。電感式傳感器擁有以下長(zhǎng)處：構(gòu)造簡(jiǎn)單靠譜，輸出功率大，抗擾亂能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高，分辨率高，示值偏差一般為示值范圍的％～％，穩(wěn)固性好。它的弊端是頻次響應(yīng)低，不宜用于快速動(dòng)向丈量。

4、電容式傳感器：電容式傳感器是利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

電容量，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)變的器件。電容式傳感器已經(jīng)在位移、壓

力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成分剖析的丈量等方面獲取了廣

泛的應(yīng)用。電容式傳感器的精度和穩(wěn)固性也日趨提升，高達(dá)％精度的電容

式傳感器在外國(guó)已有商品供應(yīng)。長(zhǎng)處是溫度穩(wěn)固性好，構(gòu)造簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

動(dòng)向響應(yīng)好，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸丈量，擁有均勻效應(yīng)。弊端是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，寄生電容影響大，輸出特征非線性。

5、磁電式傳感器：是經(jīng)過(guò)磁電作用將被丈量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等>轉(zhuǎn)

換成電信號(hào)的一種傳感器。

6、壓電式傳感器：利用壓電資料的壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢儆诘湫偷挠性磦鞲衅?。它的敏感元件由壓電資料制成。常有的壓電資料有石英

晶體、人工合成的多晶體陶瓷(如欽酸鋇、錯(cuò)欽酸鉛等>以及有機(jī)高分子聚合物

PVDF。工作原理是鑒于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。此電荷

經(jīng)電荷放大器和丈量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸

出。壓電式傳感器用于丈量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加快度等

(見(jiàn)壓電式壓力傳感器、加快度計(jì)>。它的長(zhǎng)處是頻帶寬、敏捷度高、信噪比

高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作靠譜和重量輕等。因?yàn)閴弘妭鞲衅鞯膭?dòng)向響應(yīng)好，在動(dòng)向丈量中使用寬泛。弊端是某些壓電資料需要防潮舉措，并且輸出的直流響應(yīng)差，需要采納高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)戰(zhàn)勝這一缺點(diǎn)。

7、光電式傳感器：是將光通量變換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的根基是光電變換元件的光電效應(yīng)。由光的粒子學(xué)說(shuō)可知，光能夠認(rèn)為是由具

有必定能量的粒子所構(gòu)成，而每個(gè)光子所擁有的能量E與其頻次大小成正比。

光照耀在物體上就能夠當(dāng)作是一連串的擁有能量E的粒子轟擊在物體上。所謂

光電效應(yīng)即是因?yàn)槲矬w汲取了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。

傳感器的采納剖析

傳感器種類(lèi)眾多，不一樣工作原理的傳感器應(yīng)用于不一樣的產(chǎn)品研究及開(kāi)發(fā)。

所以，傳感器的選擇是完本錢(qián)設(shè)計(jì)的重要局部。

1、電阻式傳感器：沒(méi)法進(jìn)行頻次丈量，所以不合用于本課題的設(shè)計(jì)。

2、電容式傳感器：因?yàn)椴豢梢赃M(jìn)行微信號(hào)丈量，所以不合用于本課題的設(shè)

計(jì)。

3、電位器傳感器：是用來(lái)丈量位移、距離、地點(diǎn)、尺寸、角度、角位移等幾何量的一種傳感器，所以不合用于本課題的設(shè)計(jì)。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

4、電感式傳感器：其分辨力和示值偏差與示值范圍有關(guān)。示值范圍大時(shí)，分辨力和示值精度將相應(yīng)降低。所以不合用于本課題的設(shè)計(jì)。

5、磁電式傳感器：載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中由電磁效應(yīng)而輸出電動(dòng)勢(shì)，所以不合用于本課題的設(shè)計(jì)。

6、磁阻式傳感器：與電磁感覺(jué)有關(guān)，所以不合用于本課題的設(shè)計(jì)。

7、光電式傳感器：因?yàn)楣怆娬闪糠椒`巧多樣，可測(cè)參數(shù)許多，一般情

況下?lián)碛蟹墙佑|、高精度、高分辨率、高靠譜性和反應(yīng)快等特色，所以光電式傳感器合用丈量心率。

8、壓電式傳感器：它能夠把加快度、壓力、溫度、濕度等很多非電量轉(zhuǎn)

換為電量。擁有敏捷度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、動(dòng)向響應(yīng)好等長(zhǎng)處,所以壓電式傳感器合用丈量心率。

因而可知，光電式傳感器、壓電式傳感器是能夠知足心率丈量要求的。依據(jù)本次課題設(shè)計(jì)要求，我們采納壓電式傳感器。本次設(shè)計(jì)采納半導(dǎo)體壓力傳感

器2S5M，其敏感元件為半導(dǎo)體應(yīng)變片。壓力傳感器2S5M用恒流源供電比用電壓源供電的丈量精度高，故丈量電路采納恒流源的供電形式。這里的電流源

不是采納電流源元件，而是用放大器電路獲得。詳細(xì)的電路及其原理說(shuō)明見(jiàn)第三章。

設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路及整形電路出來(lái)的信號(hào)為脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的

頻次是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即。能夠看出丈量fx一定將N或t兩個(gè)量之一作為閘門(mén)或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行丈量。關(guān)于不一樣的頻次范圍，有三種不一樣的丈量方法。

1、周期丈量法：采納單片機(jī)內(nèi)的一個(gè)準(zhǔn)時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)Ts。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門(mén)，由程序控制開(kāi)關(guān)

對(duì)時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得nx，所以被測(cè)信號(hào)周期為，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)

為。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

2、頻次丈量法：也叫倍頻法，依據(jù)頻次計(jì)的原理，將被測(cè)信號(hào)倍頻后，

丈量其在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即為心率值。比如設(shè)心率為每分鐘n次，那么

頻次丈量電路不直接丈量心率脈沖數(shù)，而用一個(gè)計(jì)數(shù)器的8倍頻后的信號(hào)進(jìn)行

計(jì)數(shù)，并規(guī)定計(jì)數(shù)時(shí)間為秒，那么秒內(nèi)的計(jì)數(shù)值為<8n/60〕7.5=n?？梢?jiàn)，該計(jì)數(shù)值恰巧等于所需測(cè)定的心率。

此次設(shè)計(jì)采納頻次丈量法，這種方法采納的電路構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠在幾秒內(nèi)測(cè)得相對(duì)靠譜的心率值。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

第三章硬件電路設(shè)計(jì)

心率計(jì)工作原理框圖

本次數(shù)字心率計(jì)的設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)模塊：丈量電路、放大整形電路、

計(jì)數(shù)顯示電路、控制電路、電源供電電路等。其原理方框圖如圖3-1所示：

傳感器放大濾波整形倍頻電路

閘門(mén)、控制電路計(jì)數(shù)譯碼顯示

圖3-1心率計(jì)原理框圖

1、傳感器局部。采納適合的傳感器，將物理信號(hào)變換成電信號(hào)輸出。傳

感器的精度、敏捷度、抗擾亂能力及安裝方式?jīng)Q定了心率的丈量精度，所以其

選型對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)擁有決定性的作用。

2、信號(hào)放大電路局部。從傳感器出來(lái)的電壓信號(hào)較弱，一般在毫伏級(jí)，需要進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值合適的信號(hào)，便于后續(xù)電路的辦理。

3、濾波與整形電路。心率信號(hào)是低頻信號(hào)，低頻濾波電路能夠?qū)⒎糯蠛?/p>

信號(hào)中的中高頻信號(hào)濾除，而后經(jīng)過(guò)整形將模擬的不規(guī)那么的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谛?/p>

號(hào)辦理的數(shù)字脈沖信號(hào)。

4、倍頻電路。提升整形后脈沖信號(hào)的頻次，以此在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得心率的數(shù)值。

5、閘門(mén)電路。產(chǎn)生短時(shí)間的控制信號(hào)，控制丈量時(shí)間。

6、控制電路。用以保證在基準(zhǔn)時(shí)間控制下，使倍頻后的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

7、顯示電路局部。由計(jì)數(shù)譯碼后的心率值最后送往LED顯示電路直觀地顯示出來(lái)。所以，需要采納適合的顯示設(shè)施及顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)心率值的顯示。

考慮到每個(gè)模塊都能夠有多種實(shí)現(xiàn)方案，下邊經(jīng)過(guò)比較各種方案，來(lái)選擇最優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方案。

電源供電電路

心率計(jì)的正常丈量、信號(hào)輸出離不開(kāi)電源。依據(jù)心率計(jì)的工作原理，電源

能夠采納溝通供電和直流供電兩種方式。往常狀況下，溝通電壓采納220V的電壓等級(jí)，直流電壓采納±5V～±15V的直流電壓等級(jí)。

采納溝通220V電源供電方式

溝通220V的供電方式主要原理是，經(jīng)過(guò)整流橋進(jìn)行整流濾波，將溝通電

壓變?yōu)橹绷麟妷涸俳o心率計(jì)進(jìn)行供電。主要工作過(guò)程是，先利用隔絕變壓器將

220V的電壓進(jìn)行降壓，獲取所需電壓，而后經(jīng)過(guò)整流設(shè)施進(jìn)行整流、濾波，再

輸出穩(wěn)固的直流電壓供應(yīng)給心率計(jì)。

采納直流電源供電方式

便攜式心率計(jì)一般采納三節(jié)5V直流干電池直接對(duì)電路進(jìn)行供電，這種供電方式方便、適用。

此次心率計(jì)設(shè)計(jì)中，溝通供電、直流供電兩種方式我們都能夠采納。也能夠同時(shí)采納兩種供電方式在仿真切驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。

丈量電路

心率信息的收集，是要依靠丈量電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。丈量電路在心率丈量過(guò)程中起著“先行官〞的作用。沒(méi)有正確的丈量，那么全部數(shù)據(jù)信息都將沒(méi)存心義。

實(shí)現(xiàn)丈量目的的重要元件就是傳感器。目前傳感器技術(shù)展開(kāi)快速，我們可

以在設(shè)計(jì)過(guò)程中采納技術(shù)成熟的成型傳感器。依據(jù)前面的方案論證，知足心率

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

計(jì)要求的傳感器有：光電式傳感器和壓電式傳感器。我們此次設(shè)計(jì)采納壓電式傳感器。

本設(shè)計(jì)以丈量心臟跳動(dòng)頻次為目的，經(jīng)過(guò)查閱大批有關(guān)資料，常用的心率丈量可有以下三種方案：一是經(jīng)過(guò)丈量單位血管長(zhǎng)度血液流量的變化來(lái)丈量心跳的頻次；二是經(jīng)過(guò)丈量心臟跳動(dòng)流過(guò)傳感器時(shí)對(duì)傳感器的壓力的變化來(lái)丈量頻次；三是利專心臟跳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)來(lái)丈量。

方案一：經(jīng)過(guò)丈量單位血管長(zhǎng)度血流量的變化測(cè)心跳頻次

實(shí)現(xiàn)此種方式丈量的傳感器主要以液態(tài)傳感器、光電傳感器為主，這兩種傳感器均是利用血液流過(guò)傳感器時(shí)，單位長(zhǎng)度血管內(nèi)血液體積的變化惹起電信號(hào)的變化。不一樣的是前者是惹起傳感器丈量范圍內(nèi)電阻的變化，從而惹起電壓的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行丈量。爾后者是由血液體積的變化惹起光芒經(jīng)過(guò)人體后明暗的變化來(lái)觸發(fā)光電傳感器而獲取電信號(hào)。這兩種傳感器都有較高的敏捷度，但也都有各自的弊端。液態(tài)傳感器因?yàn)樽约簶?gòu)造特色的限制使丈量過(guò)程其實(shí)不十分方便，而光電傳感器對(duì)光芒經(jīng)過(guò)人體的厚度有較高的要求，只好丈量手指、耳朵等相對(duì)較薄的地方。這兩種傳感器均只好用于專業(yè)的醫(yī)用領(lǐng)域和其余特別領(lǐng)域，而不合用于家庭保健，所以不作為本次設(shè)計(jì)采納的傳感器。

方案二：利專心跳時(shí)的振動(dòng)來(lái)丈量

此方案是利專心臟的跳動(dòng)來(lái)觸發(fā)振動(dòng)傳感器，這種振動(dòng)傳感器當(dāng)在某一方向有振動(dòng)時(shí)，傳感器就被觸發(fā)導(dǎo)通，沒(méi)有外力時(shí)就不導(dǎo)通。但大部分振動(dòng)傳感器都擁有方向性，且因?yàn)閭鞲衅鳂?gòu)造的原由，大多寬泛用于汽車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)、家庭財(cái)富及名貴物件等各種不一樣種類(lèi)的防盜報(bào)警裝置上，在丈量人體心跳、脈搏等方面極少用到，故此方案也不作為本次設(shè)計(jì)采納。

方案三：經(jīng)過(guò)丈量對(duì)傳感器的壓力的變化來(lái)丈量頻次

實(shí)現(xiàn)此方式丈量所采納的傳感器多為壓電傳感器和電容式傳感器，其工作原理是利用人體的血壓變化來(lái)丈量心跳頻次的變化，人體心臟在跳動(dòng)的過(guò)程中，血壓也跟著心臟的跳動(dòng)而變化，從而惹起力敏元件的物理效應(yīng)，變換成電信號(hào)進(jìn)行丈量。電容式傳感器敏捷度高，動(dòng)向響應(yīng)好，但輸出阻抗高，負(fù)載能力差，受寄生電容影響大，輸出特征為非線性，不合適本設(shè)計(jì)采納。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

壓電傳感器是利用壓電資料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的，所謂壓電效應(yīng)就是某些資料在沿著必定方向遇到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；看作使勁方向改變時(shí)，電荷的極性也跟著改變。壓電資料所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多采納差分式電橋構(gòu)造，此種傳感器技術(shù)相對(duì)比擬成熟，敏捷度高，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作靠譜，質(zhì)量輕，應(yīng)用寬泛，比較合適本設(shè)計(jì)采納。作為家庭生活保健用品，選擇一款質(zhì)量、體積都比較小，性能穩(wěn)固的，價(jià)錢(qián)適中的壓電傳感器為妙。

傳感器的性能

傳感器的型號(hào)選擇

本次設(shè)計(jì)采納半導(dǎo)體壓力傳感器2S5M，其敏感元件為半導(dǎo)體應(yīng)變片，應(yīng)變片遇到壓力后電阻的變化可用下式表示：

<3-1〕

此中△R——電阻的變化量；R——應(yīng)變片的電阻；

K——應(yīng)變敏捷系數(shù)；ε——應(yīng)變；

ν——泊松比；δ——應(yīng)變片的電阻率；

△δ——電阻率的變化量。

式中第一項(xiàng)決定于電阻體的大小和形狀，第二項(xiàng)決定于電阻率的變化量。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)K較小，K最大為二。但半導(dǎo)體應(yīng)變片因?yàn)閴好綦娮栊?yīng)惹起很大的電阻變化，K可達(dá)100到150.所以半導(dǎo)體壓力傳感器的分別性很大，這給成批生產(chǎn)帶來(lái)不便，需將放大器的增益設(shè)計(jì)成可調(diào)的。

該傳感器的初始偏壓在-10mV左右，利用偏移電壓互相賠償，可抵達(dá)0，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)溫度賠償。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

傳感器的供電電路

壓力傳感器2S5M用恒流源供電比用電壓源供電的丈量精度高，故丈量電

路采納恒流源供電的形式。這里的電流源不是采納電流源元件，而是用運(yùn)算放

大器電路獲得，詳細(xì)的電路見(jiàn)以下圖，27kΩ和3kΩ電阻分壓，集成運(yùn)放的輸出

電流即為傳感器的輸入電流，這個(gè)電流不隨負(fù)載<即傳感器〕的變化而變化，

根本是一個(gè)恒流源，保證了丈量精度。

圖3-2恒流源原理圖

運(yùn)放的正輸入端其電位為：

<3-2〕

此中要求27kΩ和3kΩ電阻的阻值極為精準(zhǔn)，其溫度系數(shù)要小，應(yīng)采納金屬膜電阻。

運(yùn)放的負(fù)輸入端電位為：

<3-3〕

所以，運(yùn)放的輸出端的輸出電流即傳感器的輸入電流：

<3-4〕

傳感器的橋式電阻為Ω,所以傳感器2S5M上的壓降為：

<3-5〕

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

再加上電阻375Ω上的壓降為：

<3-6〕

所以電源電壓完好知足要求。

放大電路

由傳感器出來(lái)的電壓信號(hào)較弱，在毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值合適的信號(hào)，便于后續(xù)電路的辦理。

方案一：采納通用運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的同相放大電路

因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲭娮璞容^高，故放大電路采納同相放大器，經(jīng)測(cè)試LM324性能優(yōu)秀，工作靠譜，且價(jià)錢(qián)合理，所以本次設(shè)計(jì)采納此集成運(yùn)放。原理圖以下：

圖3-3同對(duì)比率放大電路

從圖3-2中能夠獲?。?/p>

<3-7〕

<3-8〕

<3-9〕

<3-10〕

考慮到每個(gè)人個(gè)體之間的差別，人與人之間脈搏信號(hào)的強(qiáng)弱不一樣，反應(yīng)在

脈搏波形中即是幅度不一樣。為了使該設(shè)計(jì)能合用于不一樣的人，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，

R1采納滑動(dòng)變阻器，經(jīng)過(guò)調(diào)理其電阻，能夠改變放大倍數(shù)。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

方案二：用多級(jí)級(jí)聯(lián)的單管放大電路放大

一般狀況下，單管放大電路的電壓放大倍數(shù)只好抵達(dá)幾十倍，放大電路的其余技術(shù)指標(biāo)也難以抵達(dá)實(shí)質(zhì)工作中提出的要求，所以，在實(shí)質(zhì)的電子設(shè)施中，多半采納各種各種的多級(jí)放大電路。

可是此方案的電路的元件許多，集成運(yùn)放簡(jiǎn)單靠譜，且同對(duì)比率放大電路

輸入電阻高，所以此次設(shè)計(jì)采納LM324構(gòu)成的同對(duì)比率放大電路來(lái)放大被測(cè)信

號(hào)。

濾波整形電路

要求心率計(jì)在計(jì)數(shù)的根基上，經(jīng)過(guò)數(shù)碼管將丈量的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，這就必

須將模擬信號(hào)變換成能夠計(jì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)。這局部的實(shí)現(xiàn)是經(jīng)過(guò)濾波整形電路

來(lái)達(dá)成的。這個(gè)模塊的電路可分為濾波電路和整形電路兩局部。

濾波電路

理想濾波器的行為特征往常用幅度-頻次特征圖描繪，也叫做濾波器電路的

幅頻特征。理想濾波器的幅頻特征以以下圖。圖中，w1和w2叫做濾波器的截

止頻次。

圖3-4理想濾波器幅頻特征

經(jīng)過(guò)與無(wú)源濾波器對(duì)比能夠知道，一階低通有源濾波器的通帶截止頻次與無(wú)源低通濾波器相同，均與RC的乘積成反比，可是引入集成運(yùn)放此后，通帶電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力獲取了提升。

心率信號(hào)是低頻信號(hào)，為防備中高頻信號(hào)對(duì)丈量的影響，應(yīng)當(dāng)用低通濾波器濾除中高頻信號(hào)，只讓低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電路，同時(shí)把被測(cè)信號(hào)放大。為了使心

率信號(hào)放大到整形電路所需的電壓值，往常電壓放大倍數(shù)在倍左右。一階低通有源濾波器以以下圖：

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

圖3-5一階有源低通濾波器

依據(jù)虛短和虛斷的特色，可求得電路的電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻次為：

<3-11〕

<3-12〕

<3-13〕

因?yàn)橐浑A低通濾波器的幅頻特征與理想的低通濾波特征對(duì)比，差距很大。

為改良濾波特征，此次設(shè)計(jì)中采納二階低通有源濾波器，其通帶電壓放大倍數(shù)

和通帶截止頻次與一階低通濾波器電路相同。二階有源低通濾波器電路圖以下

圖所示：

圖3-6二階有源低通濾波器

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)混有1000Hz的擾亂尖脈沖，所以設(shè)計(jì)的有源濾波的截止頻

率為1000Hz左右。取參數(shù)為C1=C2=0.1uF,R1=R2Ω，為保證信號(hào)幅值抵達(dá)

整形電路所需的電壓值，往常放大倍數(shù)為倍左右。

整形電路

心率計(jì)設(shè)計(jì)中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過(guò)放大、濾波的模擬信號(hào)變換成數(shù)字脈沖信號(hào)，自然這是在不改變信號(hào)頻次的前提下達(dá)成的。將模擬信號(hào)變換成數(shù)字脈沖信號(hào)的方案，能夠有以下兩種可供選擇：一是利用電壓比較器，二是利用555時(shí)基電路構(gòu)成的滯回比較器作為整形電路。

方案一：利用集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器

依據(jù)比較器的閾值電壓和傳輸特征來(lái)分類(lèi)，常用的比較器有過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比較器和雙限比較器等。各種種類(lèi)的比較器可由通用集成運(yùn)放構(gòu)成，也可采納專用的集成電壓比較器。相對(duì)來(lái)說(shuō)，通用集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器工作速度比較慢。集成電壓比較器工作速度比較快，且在要求相同的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，集成電壓比較器的價(jià)錢(qián)比較便宜。別的，集成電壓比較器的輸出電平一般可與TTL等數(shù)字邏輯電平直接兼容，而無(wú)需外加限幅電路。

各種比較器中最簡(jiǎn)單的一種是過(guò)零比較器，依據(jù)過(guò)零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖3-7所示。集成運(yùn)下班作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出電

壓為+UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓ui<0V時(shí)，UO=+UOM；當(dāng)輸入電壓ui>0V時(shí)，UO=-UOM。所以，電壓傳輸特征如圖3-8。

圖3-7過(guò)零比較器圖3-8過(guò)零比較器的傳輸特征

過(guò)零比較器電路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)波形的整形作用。

方案二：利用555時(shí)基電路

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

電路構(gòu)成及工作原理

圖3-9555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

<1〕VI=0V時(shí)，Vo1輸出高電平。

<2〕當(dāng)VI上漲到時(shí)，Vo1輸出低電平。當(dāng)VI由持續(xù)上漲，Vo1保持不變。

電壓滯回特征和主要參數(shù)電壓滯回特征

圖3-10施密特觸發(fā)器的電路符號(hào)和電壓傳輸特征

主要靜態(tài)參數(shù)

<1〕上限閾值電壓VT+——VI上漲過(guò)程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低電平VOL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。<2〕下限閾值電壓VT-——VI降落過(guò)程中，vO由低電平VOL跳變到高電平VOH時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。

<3〕回差電壓VT,回差電壓又叫滯回電壓，定義為

TVT+－VT—=<3-14〕V=

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

假定在電壓控制端VIC<5腳〕外加電壓VS，那么將有VT+VS、VT—VS/2、VT===VS/2，并且當(dāng)改變VS時(shí)，它們的值也隨之改變。

方案三：用集成施密特觸發(fā)器

圖3-1174LS14D圖形符號(hào)

因?yàn)榧墒┟芴赜|發(fā)器電路簡(jiǎn)單，工作靠譜，故此次設(shè)計(jì)的整形電路采納集成施密特觸發(fā)器74LS14D。

倍頻電路

要在短時(shí)間內(nèi)達(dá)成每分鐘心跳次數(shù)計(jì)數(shù)功能，而在整形電路中，整形后的

信號(hào)與原信號(hào)的頻次是相同的，假如要測(cè)其每分鐘脈沖數(shù)，那么起碼應(yīng)丈量一分

鐘才能夠?qū)崿F(xiàn)，為了縮短丈量時(shí)間，一定將整形后的信號(hào)的頻次加倍，這樣就

能夠知足在短時(shí)間內(nèi)達(dá)成丈量任務(wù)的要求。明顯，假定將原信號(hào)頻次變?yōu)楸緛?lái)的

N倍那么丈量時(shí)間就能夠縮短為本來(lái)的1/N。所以，此次設(shè)計(jì)采納倍頻電路來(lái)提

高被測(cè)信號(hào)的頻次，減少心率丈量的時(shí)間。

利用CD4046鎖相環(huán)及計(jì)數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路

CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特色是電源電壓范圍寬<為

3V－18V〕，輸入阻抗高(約100MΩ>，動(dòng)向功耗小，在中心頻次

f0為

10kHz

下功耗僅為

600μW，屬微功耗器件。其引腳圖以下：

8AAAAAA1CD4046

916

優(yōu)選文檔你我共享

圖3-12CD4046的引腳圖

CD4046的引腳擺列，采納16腳雙列直插式，各管腳功能：

腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。

腳相位比較器Ⅰ的輸出端。

腳比較信號(hào)輸入端。

腳壓控振蕩器輸出端。

腳嚴(yán)禁端，高電平常嚴(yán)禁，低電平常同意壓控振蕩器工作。

6、7腳外接振蕩電容。

8、16腳電源的負(fù)端和正端。

腳壓控振蕩器的控制端。

腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。

11、12腳外接振蕩電阻。

腳相位比較器Ⅱ的輸出端。14腳信號(hào)輸入端。

15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。

利用簡(jiǎn)單門(mén)電路等構(gòu)成的二倍頻電路級(jí)聯(lián)

二倍頻電路有多種，下邊是一種適用的二倍頻電路。

3U5AU6BR1124070BD_5V50k|?4070BD_5VC10

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

圖3-13適用二倍頻電路圖

其工作原理為：當(dāng)輸入信號(hào)由0正躍到1時(shí)，1端輸出由0正躍到1，因?yàn)殡娮韬碗娙莸拇嬖?，電容被充電?端輸出按指數(shù)規(guī)律上漲。在上漲到Uth前，電路輸出為高電平1。一旦2端輸出上漲到大于Uth時(shí)，電路輸出又由1負(fù)躍到

0。當(dāng)一端輸出負(fù)躍到0時(shí)，電路輸出由0正躍到1，一端輸出0，這時(shí)電容經(jīng)電阻放電，在2端輸出降落到Uth時(shí)，輸出又由1負(fù)躍到0，從而實(shí)現(xiàn)了二倍

頻。

12U3CU1AU2B894070BD_5V4070BD_5V4070BD_5V0

圖3-14快速二倍頻電路圖

把二倍頻電路級(jí)聯(lián)起來(lái)就能夠?qū)崿F(xiàn)4倍頻、八倍頻、16倍頻等倍頻電路。

在Multisim中不存在CD4046元件，且創(chuàng)辦新元件是一項(xiàng)浩蕩的工程，而用門(mén)電路構(gòu)成的倍頻電路簡(jiǎn)單易行，可實(shí)現(xiàn)2的N次方倍頻。所以此次設(shè)計(jì)中的倍頻電路采納門(mén)電路構(gòu)成的倍頻電路。

控制電路

因?yàn)樵陬}目中要求在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此需要一個(gè)電路來(lái)控制整

個(gè)電路的運(yùn)轉(zhuǎn)、復(fù)位、自啟動(dòng)等，控制電路是用來(lái)控制計(jì)數(shù)脈沖的輸入以及控

制計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)，在心率計(jì)設(shè)計(jì)中起到“閘門(mén)〞的作用?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)的

利害直接影響到整個(gè)心率計(jì)的性能。這個(gè)任務(wù)由本局部電路實(shí)現(xiàn)。

閘門(mén)信號(hào)的產(chǎn)生

閘門(mén)信號(hào)的功能是產(chǎn)生一個(gè)閘門(mén)脈沖信號(hào)，以控制在該時(shí)間內(nèi)達(dá)成一分鐘的丈量任務(wù)，該功能的實(shí)現(xiàn)可由以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

方案一：采納CMOS石英晶體多諧振蕩器及分頻器構(gòu)成的時(shí)間基準(zhǔn)電路

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

O375O4O542O6614O7O11O8136SD1O915524060BD_5V1D1~O1O112O12133CP1012MRO1394CTCCD111RSRTC1004013BD_5V65.1M|?332768Hz100pF50%56pFKey=A0

圖3-15石英晶體多諧振蕩器

說(shuō)明：圖中4060BD的3腳輸出頻次為2Hz的方波信號(hào)，經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后1腳輸出脈寬為1s的方波信號(hào)。振蕩頻次由石英晶體自己決定，這里假如

取f0=32768Hz，經(jīng)過(guò)分頻器<分頻器可由各種進(jìn)制的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，比較簡(jiǎn)單，

不再表達(dá)〕分頻，能夠獲取一系列低頻信號(hào)。其長(zhǎng)處是產(chǎn)生的時(shí)間基準(zhǔn)十分精

確，偏差小，電路穩(wěn)固，弊端是只好產(chǎn)生頻次為2n的方波信號(hào)，在本電路中需

要及15s的時(shí)間信號(hào)，因此需要將上述基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行42分頻獲取周期為

1s的方波信號(hào)，而后再經(jīng)過(guò)5進(jìn)制及15進(jìn)制的計(jì)數(shù)器獲取相應(yīng)的時(shí)間控制信號(hào)，這樣電路接線極其復(fù)雜，本錢(qián)高，不易調(diào)試。

方案二：用555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

圖3-16555準(zhǔn)時(shí)器的電氣原理圖和電路符號(hào)

(a>原理圖<b〕電路符號(hào)

1．555準(zhǔn)時(shí)器內(nèi)部構(gòu)造：

<1〕由三個(gè)阻值為5kΩ的電阻構(gòu)成的分壓器；

<2〕兩個(gè)電壓比較器C1和C2：

v+＞v－，vo=1；

v+＜v－，vo=0。

<3〕根本RS觸發(fā)器；圖3-17電壓比較器

<4〕放電三極管T及緩沖器G。

2.555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器以以下圖所示，R1、R2、C是外接準(zhǔn)時(shí)元件。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

圖3-18用555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

其工作原理為：

開(kāi)端狀態(tài)：接通電源前電容C上無(wú)負(fù)荷，所以接通電源瞬時(shí)，C來(lái)不及充電，故Uc等于0，比較器C1輸出為1，C2輸出為0，根本RS觸發(fā)器Q=1，~Q=0，Uo=Uoh，Td截止。

暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ：Q=1、~Q=0、Uo=Uoh,Td截止，是電路的一種暫穩(wěn)狀態(tài)，因?yàn)?/p>

在這種狀態(tài)下，有一個(gè)電容C充電、電壓遲緩高升的漸變過(guò)程在進(jìn)行著，時(shí)間

常數(shù)是τ1=<R1+R2〕C。

自動(dòng)翻轉(zhuǎn)Ⅰ：當(dāng)電容C充電，Uc上漲到時(shí)，比較器C1輸出跳變?yōu)?/p>

0，根本RS觸發(fā)器立刻翻轉(zhuǎn)到0狀態(tài)，Q=0、~Q=1、Uo=Uol，Td飽和導(dǎo)通。

暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ：Q=0、~Q=1、Uo=Uol，Td飽和導(dǎo)通，是電路的另一種暫穩(wěn)狀態(tài),因?yàn)樵谶@種狀態(tài)下，相同有一個(gè)電容C放電、Uc遲緩降落的漸變過(guò)程在進(jìn)行著，時(shí)間常數(shù)是τ2=R2×C。

自動(dòng)翻轉(zhuǎn)Ⅱ：當(dāng)電容C放電、Uc降落到時(shí)，比較器C2輸出跳

變?yōu)?，根本RS觸發(fā)器立刻翻轉(zhuǎn)為1狀態(tài)，Q=1、~Q=0、Uo=Uoh,Td截止，即暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

3.振蕩參數(shù)

暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ保持時(shí)間：

<3-15〕

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ保持時(shí)間：

<3-16〕

電路振蕩周期:

<3-17〕

電路振蕩頻次:

<3-18〕

占空比：

<3-19〕

上邊的電容的充電時(shí)間老是大于放電時(shí)間，輸出的波形不行能對(duì)稱，所以采納占空比可調(diào)的多諧振蕩器，其電路圖以下：

圖3-19占空比可調(diào)的多諧振蕩器

電容充放電時(shí)間為：<3-20〕

<3-21〕

占空比：

<3-22〕

只需改變電位器活動(dòng)端的地點(diǎn)，就能夠方便的調(diào)理占空比q，當(dāng)R1等于

R2時(shí)，q=0.5,輸出脈沖將成為對(duì)稱的矩形脈沖。

此次設(shè)計(jì)采納555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器，不一樣的倍頻還需對(duì)

輸出的信號(hào)進(jìn)行分頻。分頻采納芯片4024BD，其管腳圖以下：

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

Vdd

121196543

144024BD

cp

f

圖3-204024BD的引腳功能圖

如上圖所示，用4024芯片能夠?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行2分頻、四分頻、八分頻到128分頻，此次設(shè)計(jì)即采納555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器和芯片4024構(gòu)成閘門(mén)電路。

啟動(dòng)清零的控制

整個(gè)電路的啟動(dòng)、清零的控制將由這局部電路來(lái)達(dá)成，方案有可自啟動(dòng)及

自動(dòng)清零、手動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)清零和手動(dòng)啟著手動(dòng)清零等電路，比較之下，手動(dòng)啟

著手動(dòng)清零電路最簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)，所以此次設(shè)計(jì)采納手動(dòng)啟著手動(dòng)清零電

路來(lái)控制電路的啟動(dòng)和清零。開(kāi)關(guān)可采納單刀單擲開(kāi)關(guān)和雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，可控

制555電路的啟動(dòng)和計(jì)數(shù)器的清零及被測(cè)信號(hào)的經(jīng)過(guò)，詳細(xì)電路見(jiàn)第四章的仿真電路。

計(jì)數(shù)譯碼顯示電路

本次心率計(jì)要求是能夠用三位十進(jìn)制顯示，數(shù)顯管用七段LED數(shù)碼管，并

且要有鎖存的功能。此模塊電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是由計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行計(jì)數(shù)，而后

經(jīng)過(guò)譯碼、鎖存，最后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片，來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。但在計(jì)數(shù)、譯

碼、鎖存以及驅(qū)動(dòng)等芯片的選擇上有所差別，不一樣的芯片功能有所差別，相應(yīng)

的電路設(shè)計(jì)也有差別。此電路的框圖以下：

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

計(jì)數(shù)器譯碼鎖存器顯示器

圖3-21計(jì)數(shù)譯碼顯示電路框圖

計(jì)數(shù)器采納芯片4518BD，它是雙四位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，其引腳圖和真值表以下：

圖3-224518BD的符號(hào)圖表3-14518BD的真值表

CPENMR

上漲沿HL

L降落沿L

降落沿XL

X上漲沿L

上漲沿LL

H降落沿L

XXH

其引腳功能以下：

CP1：時(shí)鐘輸入端。

EN1：計(jì)數(shù)使能端。

工作方式

加計(jì)數(shù)

加計(jì)數(shù)

不變

不變

不變

不變

輸出0

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

1A，1B，1C，1D：計(jì)數(shù)輸出端，輸出為二進(jìn)制。

MR：復(fù)位端，高電平有效。

本次設(shè)計(jì)中譯碼鎖存器采納芯片4511BD，它是7段BCD鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)器，其引腳圖以下：

圖3-234511BD引腳圖表3-24511BD的真值表

~EL~BI~CTDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000blank011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

011100011111118011100111100119111XXXX**其余0000000Blank其引腳功能說(shuō)明以下：

BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時(shí)，數(shù)碼管不顯示任何東西。

LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，同意譯碼輸出，LE=1時(shí)譯碼器處于鎖定保持狀態(tài)。

LT：3腳是測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)BI=1時(shí)，LT=0時(shí)，數(shù)碼管將所有顯示

這主要用于測(cè)試7段數(shù)碼管有沒(méi)有物理破壞。

A3,A2,A1,A0為8421BCD碼輸入端，高位到低位挨次為A3~A0。

a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，輸出高電平有效。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

第四章仿真結(jié)果與剖析

Multisim2001的功能及特色

Multisim2001是電子線路仿真軟件EWB(ElectronicsWorkbench，虛構(gòu)電子工作臺(tái)>的升級(jí)版。

Multisim是一個(gè)完好的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，供應(yīng)了特別強(qiáng)盛的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，并

供應(yīng)原理圖輸入接口、所有的數(shù)模Spice仿真功能FPGA/CPLD綜合RF設(shè)計(jì)能

力和后辦理功能。還能夠進(jìn)行從原理圖到PCB布線工具包<如Electronics

Worbench的Ultiboard〕的無(wú)空隙數(shù)據(jù)傳輸。

Multisim2001用軟件的方法虛構(gòu)電子與電工元器件，虛構(gòu)電子與電工儀器

和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件〞和“軟件即儀器〞。Multisim2001是一個(gè)原理電

路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛構(gòu)仿真軟件。

Multisim2001的元器件庫(kù)供應(yīng)數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)采納，同時(shí)也能夠新建或擴(kuò)大已有的元器件庫(kù)，并且建庫(kù)所需的元器件參數(shù)能夠從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)

品使用手冊(cè)中查到，所以可很方便地在工程設(shè)計(jì)中使用Multisim2001的虛構(gòu)測(cè)試儀器儀表種類(lèi)齊備，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀

器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；還有一般實(shí)驗(yàn)室少

有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯剖析儀、邏輯變換器、失

真儀、頻譜剖析儀和網(wǎng)絡(luò)剖析儀等。

Multisim2001擁有較為詳盡的電路剖析功能，能夠達(dá)成電路的瞬態(tài)分

析和穩(wěn)態(tài)剖析、時(shí)域和頻域剖析、器件的線性和非線性剖析、電路的噪聲剖析

和失真剖析、失散傅里葉剖析、電路零極點(diǎn)剖析、交直流敏捷度剖析等電路分

析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員剖析電路的性能。

Multisim2001能夠設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包含電工電路、

模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及局部微機(jī)接口電路等。能夠?qū)Ρ环抡娴碾娐?/p>

中的元器件設(shè)置各種故障，如開(kāi)路、短路和不一樣程度的漏電等，從而察看不一樣

故障狀況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還能夠儲(chǔ)存測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及儲(chǔ)存測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、

顯示波形和詳細(xì)數(shù)據(jù)等。

Multisim2001有豐富的Help功能，其Help系統(tǒng)不單包含軟件自己的

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

操作指南，更重要的是包含有元器件的功能說(shuō)明，Help中這種元器件功能說(shuō)明有益于使用Multisim2001進(jìn)行CAI教學(xué)設(shè)計(jì)。此外，Multisim2001還供應(yīng)了與國(guó)內(nèi)外流行的印刷電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Protel及電路仿真軟件PSpice之間的文件接口，也能經(jīng)過(guò)Windows的剪貼板把電路圖送往文字辦理系統(tǒng)中進(jìn)行編寫(xiě)排

版，同時(shí)還支持VHDI和VerilogHDI語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。利用

Multisim2001能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛構(gòu)實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與

實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比，擁有以下特色：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲竭M(jìn)行，能夠邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，改正調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊備，能夠達(dá)成各種種類(lèi)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和剖析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不用耗實(shí)質(zhì)的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類(lèi)和數(shù)目不受限制，實(shí)驗(yàn)本錢(qián)低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；

設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路能夠直接在產(chǎn)品中使用。Multisim200l易學(xué)易用，便于電子信息、通訊工程、自動(dòng)化、電氣控

制類(lèi)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有益于培養(yǎng)綜合剖析能力、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新的能力。

丈量電路

傳感器電路不需要仿真，其供電電路為恒流源，仿真電路圖如圖4-1所

示，其輸出完好切合傳感器的電源要求。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

VCC15V

VCC

R1

27k|?

1

C1

1uFR23k|?

0

41k|?650%R3Key=AR42890Ω890ΩVCC15V5VCCU1A

3R5R61890Ω890Ω211LM324D37VEEVEER8-15V375Ω0

+U2VDC10MW-

0

圖4-1恒流源電路

放大電路

放大電路：被測(cè)信號(hào)的幅值為毫伏級(jí)，所以放大電路要將被測(cè)信號(hào)放大

1000被左右，由集成運(yùn)放U4A構(gòu)成放大電路，元件參數(shù)設(shè)置以下：R1=5KΩ，

R2=100KΩ，C1=100uF為隔直電容。

G5VTVCCABCD5413

1100uF

2

LM324D

100|?3VEE2

-5V5k|?04Key=A20%100k|?

圖4-2放大電路圖4-3函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置參數(shù)

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

圖4-4放大電路的波形

說(shuō)明：波形圖中幅度較小的波形為放大前信號(hào)，幅度較大的為放大后信號(hào)，注意兩個(gè)波形的縱坐標(biāo)每格代表的幅值不一樣。

濾波電路

濾波電路：正常人心率數(shù)為60到80次每分，嬰兒為90到100次每

分，老人為100到150次每分。所以人體的心臟跳動(dòng)頻次應(yīng)在～3Hz之

間，在此應(yīng)采納截止頻次為5Hz的低通濾波器，參數(shù)選擇為R4=R5Ω，

C2=C5=1uF,放大倍數(shù)為2。其設(shè)計(jì)電路圖如圖4-5所示。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

XSC1XFG11GC20100nFVCCC15V5100nFVCCU1AR46R3343ΩR2Ω102210k|?11LM324DVEEVEER1-5V6kΩ

圖4-5濾波電路

T

ABCD

圖4-6被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后再濾波的波形

說(shuō)明：幅度小的為被測(cè)信號(hào)放大后的波形，幅度較大的為濾波電路。

整形電路

整形電路就是將模擬信號(hào)變換成脈沖數(shù)字信號(hào)的電路。仿真電路如圖4-7所示。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

XSC1

XFG1

G

T

ABCD

1

U1A02

74LS14D

圖4-7整形電路仿真

圖4-8整形波形

說(shuō)明：正弦波為輸入的放大濾波后的信號(hào)，矩形波為經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器后的整形波形。

倍頻電路

倍頻電路由最根本的二倍頻電路級(jí)聯(lián)而成，其工作原理在上一章中已論述，這里不再贅述，以下圖是由兩個(gè)適用二倍頻電路和一個(gè)快速二倍頻電路構(gòu)成的8倍頻電路。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

XSC2

3U5AU6BU7CU8DR14R27125650k|?4070BD_5V20k|?4070BD_5V4070BD_5V4070BD_5VC1C21000V1

Hz

V

U3CU1A0U2B894070BD_5V4070BD_5V4070BD_5V0

圖4-98倍頻電路

其各局部的倍頻波形以以下圖4-10所示：

圖4-108倍頻電路波形

說(shuō)明：第一個(gè)為倍頻前波形，第二個(gè)為二倍頻后波形，第三個(gè)為4倍頻波

形，第四個(gè)為8倍頻波形。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

閘門(mén)控制電路

閘門(mén)電路本電路是由時(shí)基電路555和芯片4024BD構(gòu)成閘門(mén)時(shí)間信號(hào)，由555時(shí)基電路構(gòu)成多諧振蕩器，經(jīng)芯片4024BD分頻后獲取想要的時(shí)間脈沖，從Q1到Q7的分頻輸出脈沖的寬帶不一樣。其仿真電路圖和輸入輸出波形以以下圖所示。VCC15VGT43.2k|?ABCD6VCC50k|?5RSTOUT10050%DIS2MRQ1122Key=A1Q2118THR~CPQ3961N1200CQ45TRIQ54Q61N1200C3CONQ73410uFGND4024BD_5V9C10nF555_VIRTUAL0CfTimer43.2k|?

圖4-11閘門(mén)時(shí)間電路

圖4-12閘門(mén)信號(hào)波形

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

控制電路

控制電路用來(lái)控制電路的啟動(dòng)、清零等，詳細(xì)仿真電路如圖4-13所示，圖

中開(kāi)關(guān)K1為單刀單擲開(kāi)關(guān)，控制555電路的啟動(dòng)，同時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)K1接高電平常，6線接4024的清零端，使4024清零，不致影響下次的丈量。開(kāi)關(guān)K2為單

刀雙擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)打到1線時(shí)計(jì)數(shù)器4518BD清零，打到0線時(shí)，4518BD能夠開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RS觸發(fā)器2線輸出1，當(dāng)4線的閘門(mén)時(shí)間信號(hào)為1時(shí)，那么此時(shí)同意倍頻后的信號(hào)經(jīng)過(guò)，進(jìn)行計(jì)數(shù)譯碼顯示。

15V開(kāi)關(guān)K2VCCVCC05k|?555多諧振蕩器15V1開(kāi)關(guān)K1Key=Space64518BD清零端4024清零端24011BD_5V3倍頻后電路4閘門(mén)時(shí)間電路VCC54023BD_5V4011BD_5V15V圖4-13控制電路

計(jì)數(shù)顯示電路

本設(shè)計(jì)要求丈量并顯示結(jié)果，計(jì)數(shù)范圍在1～999之間，三位十進(jìn)制靜態(tài)顯

示，所以需要三個(gè)七段LED數(shù)碼顯示管。由計(jì)數(shù)器4518BD計(jì)數(shù)脈沖在閘門(mén)時(shí)

間內(nèi)的個(gè)數(shù)，送往4511BD譯碼鎖存，驅(qū)動(dòng)三位數(shù)碼管顯示，電路圖如圖4-14所示。它的清零、計(jì)數(shù)由控制電路控制。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

0

CKCKCK

U4U2U3

ABCDEFGABCDEFGABCDEFG1234567

3210954111111BCDEFGOOOOOOOU1

4511BD_5V

ABCDLITEBLDDDD~~~712654351525354

0

3456

BCD

1111U7A

4518BD_5V111PNRCEM271

15162117182019

293235303431333210954111111ABCDEFGOOOOOOOU54511BD_5V

ABCDLITEBLDDDD~~~7126543504948

47

3456

ABCD1111U8B4518BD_5V111PNRCEM271

262728222425

40393836374142

3210954111111ABCDEFGVDDOOOOOOOU65V4511BD_5VABCDLITEBLDDDD~~~7126543VDD434445

46

3456

ABCD1111U9A4518BD_5V111PNRCEM271055

V1

8Hz

5V

0

圖４-14計(jì)數(shù)譯碼顯示電路

以上是對(duì)各個(gè)電路模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真剖析，經(jīng)過(guò)聯(lián)合每一個(gè)電路模

塊，設(shè)計(jì)出一個(gè)總的電路方案，其整機(jī)電路圖如附錄1所示，總的電路仿真圖

如附錄2所示。在能夠?qū)ζ溥M(jìn)行電路仿真的前提下，我認(rèn)為此方案抵達(dá)了預(yù)期成效。在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，對(duì)每一個(gè)能夠進(jìn)行仿真的模塊電路都進(jìn)行了可行性仿真，包含濾波整形電路、控制電路和計(jì)數(shù)顯示電路，實(shí)現(xiàn)了給定一個(gè)模擬人體心率的脈沖信號(hào)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)數(shù)，并在數(shù)碼顯示管上顯示出來(lái)。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

經(jīng)過(guò)對(duì)放大電路此后的電路仿真，根本能夠抵達(dá)要求，但在計(jì)數(shù)數(shù)值上與

給定的計(jì)數(shù)脈沖還存在差距，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，查出了是閘門(mén)電路的時(shí)間信號(hào)不夠準(zhǔn)

確的原由，因?yàn)闇?zhǔn)不時(shí)間由電阻與電容的參數(shù)決定，所以解決的方法是與電阻

R1串連一個(gè)能夠進(jìn)行微調(diào)的電位器即可，經(jīng)過(guò)頻頻測(cè)試，完好能夠抵達(dá)精準(zhǔn)定

時(shí)的目的，同時(shí)倍頻電路也是產(chǎn)生偏差的一個(gè)原由，應(yīng)當(dāng)盡量做到倍頻后的信號(hào)對(duì)稱，這樣才能更精準(zhǔn)。

整機(jī)電路

整機(jī)圖的仿真見(jiàn)附錄，此中附錄1為8倍頻的整機(jī)電路，附錄2為16倍頻的整機(jī)電路，經(jīng)過(guò)仿真，可獲取在輸入不一樣頻次的信號(hào)時(shí)，兩種不一樣整機(jī)電路

在6次仿真時(shí)記錄的心率值。

表4-1輸入信號(hào)為1Hz時(shí)的心率值

1234568倍頻時(shí)59606059605916倍頻585959605759時(shí)表4-2輸入信號(hào)為2Hz時(shí)的心率值1234568倍頻時(shí)11812011912112011816倍頻112117108112106116時(shí)由數(shù)據(jù)比較可知，8倍頻時(shí)的數(shù)據(jù)較靠譜，固然16倍頻時(shí)丈量時(shí)間縮短一倍，可是丈量結(jié)果偏差太大。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

結(jié)論

在快要三個(gè)月的設(shè)計(jì)中，我們從收集參照大批有關(guān)資料確立設(shè)計(jì)方向及思路，到選擇傳感器，而后解決從傳感器出來(lái)的信號(hào)怎樣轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖，到最后的畫(huà)仿真電路，得出以下結(jié)論。

心率計(jì)的工作過(guò)程主要分為：經(jīng)過(guò)壓電傳感器，收集信號(hào)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的電信號(hào)；而后將獲取的電信號(hào)經(jīng)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；將丈量結(jié)果由4511BD譯碼鎖存；最后的結(jié)果由三位數(shù)碼管顯示電路顯示出來(lái)。

本次設(shè)計(jì)的核心局部是對(duì)傳感器的選擇，壓電傳感器是心率計(jì)的丈量主體。壓電傳感器展開(kāi)快速，技術(shù)成熟。鑒于壓電傳感器上的心率計(jì)，是利用人體的血壓變化來(lái)丈量心跳頻次的變化，血壓隨心跳變化，惹起力敏元件的物理效應(yīng)，由傳感器變換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)丈量目的。

我們此次設(shè)計(jì)用到的仿真測(cè)試，依據(jù)方案的正確選擇得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)成功進(jìn)行了仿真結(jié)果剖析。固然沒(méi)有做出成型的產(chǎn)品實(shí)物，但其工作原理是一致的，再利用仿真測(cè)試，相同能夠抵達(dá)更靠譜、更多剖析化的成效。

跟著社會(huì)的展開(kāi)，科學(xué)技術(shù)的不停提升，心率計(jì)的型號(hào)、工作方式、功能等將會(huì)隨之不停更新，其工作原理也將會(huì)愈來(lái)愈完美。心率計(jì)的各個(gè)構(gòu)成局部也將更為現(xiàn)代化、智能化，讓我們共同努力來(lái)實(shí)現(xiàn)這美好的未來(lái)。

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

參照文件

張福學(xué)著.傳感器應(yīng)用及其電路優(yōu)選.電子工業(yè)第一版社

李哲英等著.適用電子線路設(shè)計(jì).電子工業(yè)第一版社

蔡建新,張唯真著.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué).北京大學(xué)第一版社.1997

楊志忠著.數(shù)字電子技術(shù).高等教育第一版社

荀殿棟,徐志軍等著.數(shù)字電路設(shè)計(jì)適用手冊(cè).電子工業(yè)出.2003

趙世強(qiáng)等編.電子電路EDA技術(shù).西安電子科技大學(xué)第一版社

肖景和著.數(shù)字集成電路應(yīng)用精髓.人民郵電第一版社

蔣卓勤等著.Mulitisim2001及其在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)第一版社

飧寶元等著.傳感器及其應(yīng)用手冊(cè).機(jī)械工業(yè)第一版社

[10]李良榮.現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)—鑒于Multisim7&Ultiboard2001.機(jī)械工業(yè)第一版

社

李忠波袁宏等著.電子設(shè)計(jì)與仿真計(jì)數(shù).機(jī)械工業(yè)第一版社

李磊,褚家如等著.壓電微懸梁輕微壓電信號(hào)檢測(cè).2004

蘭吉昌著.數(shù)字集成電路應(yīng)用260例.化學(xué)工業(yè)第一版社.2021

[14]蔡鵬,黃成祥.單片機(jī)丈量頻次的一種簡(jiǎn)易方法[J].機(jī)械，2000，27<增刊〕：

184-185.

陳曉榮，蔡萍，周紅全.鑒于單片機(jī)的頻次丈量的幾種適用方法[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化妝置2003(1>:40-42.

ElectroniccircuitsandDivision,GreggDivision,

McGraw-Hill,c1982.

Pub.1981.

Electricalengineering.A.S.KasatkiTranslatedfromtheRussianbyBorisA.S.KasatkiTranslatedfromtheRussianbyBorisV.Kuznetsov.Mir,1983.

AAAAAA

優(yōu)選文檔你我共享

道謝

第一，由衷感謝姜李副教授對(duì)自己的精心指導(dǎo)，姜老師頻頻咨詢研究進(jìn)度，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)辟研究思路，精心點(diǎn)撥、熱情鼓舞。姜老師謹(jǐn)小慎微的作風(fēng)，慎重務(wù)實(shí)的態(tài)度，踏扎實(shí)實(shí)的精神，不單授我以文，并且教我做人，雖歷時(shí)四個(gè)月，卻給予平生得益無(wú)量之道。對(duì)姜老師的感謝之情是沒(méi)法用語(yǔ)言表達(dá)的。

再次，我還要向四年來(lái)學(xué)校內(nèi)幫助過(guò)我，教授給我知識(shí)，做人的道理，做事