心跳速率檢測器

實用標(biāo)準(zhǔn)文案武漢紡織大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱： 心跳速率檢測器完成期限： 2016年06月20日至2015年6月23日院系名稱 機械工程與自動化學(xué)院 指 導(dǎo) 老 師周國鵬專業(yè)班級 測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師職稱學(xué)生姓名 你好毒院系課程設(shè)計（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長簽字精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案目 錄摘要????????????????????????????????2一、設(shè)計任務(wù)書 ???????????????????????????3二、總體設(shè)計 ????????????????????????????52.1心跳檢測系統(tǒng)原理???????????????????????52.2總體電路框圖設(shè)計???????????????????????5三、心率檢測單元電路設(shè)計??????????????????????63.1傳感器????????????????????????????63.2放大電路設(shè)計?????????????????????????63.3濾波電路設(shè)計?????????????????????????73.4整形電路設(shè)計?????????????????????????93.5外部定時電路設(shè)計 ??????????????????????103.6計數(shù)器電路設(shè)計 ???????????????????????123.7鎖存器和顯示電路設(shè)計 ????????????????????13四、總電路及原理分析????????????????????????144.1心跳心率計原理說明 ?????????????????????144.2電路仿真 ??????????????????????????14五、設(shè)計心得體會??????????????????????????15附表：電路總圖?????????????????????????16精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案摘要在黨的英明領(lǐng)導(dǎo)下，中國的經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們的生活水平也提高了， 膳食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，加上人們對運動的不重視，人類因各類突發(fā)性疾病的死亡率逐年提高，心血管疾病已成為威脅人類健康的多發(fā)病， 而且發(fā)病率逐年提高，發(fā)病年齡也出現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)中國醫(yī)學(xué)協(xié)會的統(tǒng)計有近 60%的心臟類疾病的死亡是發(fā)生在家庭和社區(qū)范圍內(nèi)的。 如果在心血管疾病病發(fā)的早起就能發(fā)現(xiàn)心率的異常，及時通知家屬，就能及早就醫(yī)。醫(yī)學(xué)實踐表明，心臟類疾病如果可以及時發(fā)現(xiàn)并做恰當(dāng)處理，則患者有 70%-80%的生存率。因此，研究設(shè)計出一種具有性能穩(wěn)定、成本低、體積小、重量輕，抗干擾能力強，且方便攜帶的心率測量儀，將具有很好的發(fā)展前景。本設(shè)計工作原理是利用壓電傳感器接收到人體信號， 通過電路中的放大電路將信號放大，通過濾波電路將干擾信號濾去， 整形處理，使用外部定時器進行一分鐘定時，計數(shù)器處理完成后由三位數(shù)碼管顯示出來。 該心跳監(jiān)控系統(tǒng)可以便捷的測量出人體的心跳，基本實現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，且方便攜帶。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案關(guān)鍵詞：脈搏，心跳速率，電路，設(shè)計設(shè)計任務(wù)書一、課題訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計一個心跳速率檢測器，實現(xiàn)以下目標(biāo)： 1、能完成對人體心跳速率的檢測，測試位置可以為任何理論上可進行測試的位置， 但必須說明選擇理由以及所選位置和方法測試結(jié)果與實際結(jié)果的誤差范圍，并給出補償方法； 2、能用3位7段數(shù)碼管完成心跳速率的顯示，按分鐘給出； 3、需要指出設(shè)計依據(jù)，即心跳檢測傳感器信號輸出類型與信號頻率與幅度，并按上述數(shù)據(jù)建立一個仿真模型精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案（至少是部分模型，如信號放大部分等），在 protel99se 或類似仿真軟件中進行仿真。要求在設(shè)計中不得使用單片機等類似器件， 否則判為零分，使用分立的模擬和數(shù)字器件進行電路設(shè)計并給出設(shè)計說明。分鐘時間的提供如果感覺困難可以用外部定時器， 如現(xiàn)成的定時器或單片機時間定時等，但現(xiàn)成器件僅能用于完成分鐘時間確定， 不得提供其他信號或輸出。對每部分單元電路都必須說明功能與信號流向與信號接口， 并注明接口信號仿真波形。主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本電子電路知識的能力， 要求學(xué)生能獨立或按組完成一個選定的設(shè)計題目，能在老師的指導(dǎo)下完成如下工作： 1、設(shè)計方案選擇與確認；2、設(shè)計框圖的構(gòu)思與繪制； 3、原理電路圖的繪制；4、對原理電路的仿真與修改；5、元器件選擇；6、課程設(shè)計說明書的撰寫。二、設(shè)計（論文）任務(wù)和要求（包括說明書、程序、圖紙、等具體要求）設(shè)計方案選擇與確認；設(shè)計框圖的構(gòu)思與繪制；原理電路圖的繪制；對原理電路的仿真與修改；元器件選擇；實際電路的制作與調(diào)試；不能使用單片機或類似處理器進行數(shù)字信號處理，必須使用基本邏輯門電路構(gòu)建數(shù)字電路部分，時鐘可以使用集成器件提供；說明書正文（不含目錄）不少于10頁，小4號宋體，1.5倍行距，頁面設(shè)計參考本頁，標(biāo)題用 4號黑體；提供完整的電路原理圖與仿真結(jié)果圖；按要求時間提交課程設(shè)計。三、課程設(shè)計（論文）主要參數(shù)及主要參考資料精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分康華光版第五版電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分康華光版第五版電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)編著韓建,全星慧,周圍電工電子技術(shù):電子技術(shù)與計算機仿真范小蘭主編單片機原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計:原理、應(yīng)用、Protues仿真、實驗設(shè)計/張齊,朱寧西,畢盛編著電子線路CAD實用教程潘永雄等編著陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2006精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案總體設(shè)計2.1 心跳檢測系統(tǒng)原理心跳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率。心跳 心率的數(shù)值根據(jù)個人的年齡、 性別及其他生理情況而不同。 各種心跳分析，都是要通過對心跳心率的計數(shù)來完成的。采用壓電傳感器的心跳心率檢測系統(tǒng)的基本檢測原理為 :隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏及頸部的搏動較為明顯， 我們采用壓電傳感器放在上述位置， 把壓電傳感器測到的信號放大并進行整形、 計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。2.2 總體電路框圖設(shè)計大調(diào)傳、理計鎖顯濾信感波數(shù)存示器、號器器器整（形）放定時器精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案1.傳感器：將脈搏轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號 .2.調(diào)理信號：放大電路將傳感器輸出信號放大；低通濾波器將干擾信號濾除；整形電路將正弦波整成脈沖信號。3.定時電路：要測定一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，必須要有準(zhǔn)確的定時電路。為了便于實現(xiàn)，減少電路單元，本次設(shè)計我們設(shè)定時間隔 60s。4.計數(shù)器：計數(shù)器是記錄心跳次數(shù)所必需的。要求此計數(shù)單元具有清零重新計數(shù)的功能。5.鎖存器：對心跳心率產(chǎn)生的電平的存儲。6.顯示器：正確顯示心率。為了便于讀數(shù)，應(yīng)選擇十進制顯示器。心率檢測單元電路設(shè)計3.1傳感器采用動態(tài)微壓傳感器，如下圖所示，是一種高性能、低成本的壓電式小型壓力傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料， 動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，在經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。 該傳感器具有靈敏度高，抗過載及抗沖擊能力強，抗干擾性強、操作簡便、體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 SC0073 壓電薄膜脈搏傳感器，具有靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，抗過載及沖擊力強，搞干擾性好，操作方便等特點。 是一種高質(zhì)量的心音脈搏傳感器。該傳感器具有良好的低頻應(yīng)響，可以方便地測試勁動脈搏，可以與國內(nèi)外有關(guān)的生理記錄相配。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案3.2放大電路設(shè)計3.2-1放大電路上兩圖為OP27AP，其中1--調(diào)零2--負輸入3--正輸入 4--電源負5--NC6--輸出 7--電源正8--調(diào)零此放大電路屬于電壓串聯(lián)負反饋，〖 heartbeat 為正弦輸入，o3為輸出〗為了使集成運放反向輸入端與通向輸入端的對地電阻一致， R11、R12、R13的阻值應(yīng)滿足以下關(guān)系：R11=R12//R13輸入輸出關(guān)系為Av=Vo/Vi=1+R13/R12由于輸入最大0.2V左右，為了便于信號的輸出和處理初步設(shè)定電路總放大倍數(shù)為25倍，故設(shè)R11=0.96kΩ，R12=1KΩ，R13=24KΩ。理論上，當(dāng)輸入±0.1v電壓時，輸出為±2.5V。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案3.2-2放大電路波形由上圖可知，放大電路達到預(yù)定要求。3.3濾波電路設(shè)計3.3-1濾波電路上兩個圖是 UA742 的引腳圖影響電路信號的是高頻的信號，按人體脈搏在運動后最高跳動次數(shù)達 240次/分計即 4HZ 算來設(shè)計低通濾波器，而且頻率很低（如脈搏 50次/分鐘為0.78Hz，200次/分鐘為3.33Hz），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要經(jīng)精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案過R、C低通濾波，去除高頻干擾。采用簡單的二階電路當(dāng) R4=R14=R=1M ，C3=50nF,C4=10nF 時，f0=W0/2π,W02=(f0×2π)2=1/R14*R15*C1*C2f0= 7.12HZ. 此 為 上 限 截 至 頻 率 。3.3-2 濾波后的波形低通濾波器容許低頻信號通過 ,但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號的通過，然而會出現(xiàn)輸出延遲。對于不同濾波器而言 ,每個頻率的信號的減弱程度不同。一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。 實際上的轉(zhuǎn)換區(qū)域也不再存在。 一個理想的低通濾波器可以用數(shù)學(xué)的方法（理論上）在頻域中用信號乘以矩形函數(shù)得到，作為具有同樣效果的方法，也可以在時域與 sinc函數(shù)作卷積得到。濾波器對于實際真正的信號來說是不可實現(xiàn)的， 這是因為sinc函數(shù)是一個延伸到無窮遠處的函數(shù)，所以這樣的濾波器為了執(zhí)行卷積就需要預(yù)測未來并且需要有過去所有的數(shù)據(jù)。照理說能在頻率分析中看到截止頻率，然而并沒有，因為這個軟件要純英文才能使用這個部分，我已經(jīng)在下載路徑上使用了中文， 故一直不能顯示實際截止頻率。3.4整形電路設(shè)計精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖3.4-1整形電路心率計設(shè)計中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過放大、 濾波的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號，當(dāng)然這是在不改變信號頻率的前提下完成的。 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號的方案，可以有以下兩種可供選擇：一是利用電壓比較器，二是利用555時基電路組成的滯回比較器作為整形電路。這里我選用的是過零比較器。零比較器，顧名思義，其閾值電壓 UT=0V，電路如圖3.4-2所示。集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為 +UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓ui<0V時，UO=+UOM；當(dāng)輸入電壓ui>0V時，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖 3.4-3。圖3.4-2 過零比較器 圖3.4-3 過零比較器的傳輸特性過零比較器電路簡單，可實現(xiàn)波形的整形作用。O1為整形電路的輸入，R5（2）為電路輸出，R10(1)理想輸入是0V，但是輸出波形部分整形，不是理想輸出，故實際輸入為2V，圖3.4-4為整形后的波形圖雖然不是矩形脈沖，但是已經(jīng)達到理想值。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案經(jīng)過整形電路后，V（out）的低電壓值不等于 0V，分析原因是由于穩(wěn)壓管DWY的閾值電壓不為零。當(dāng)輸出端為負值時，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，Vout=0-V th=-0.4V 。所以它兩端的電壓值并不嚴(yán)格等于 D1的穩(wěn)壓電壓，而是有一定的偏移。圖3.4-4 整形波形3.5外部定時電路設(shè)計圖3.5-1多諧振蕩器圖3.5-2 計數(shù)器精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案輸入輸出清0置9時鐘QDQC功能R(1)、R(2)S(1)、S(2)CP1CP2QBQA00990×11××0000清0×00×11××1001置90↓ 1 QA 輸 出 二進制計數(shù)1 ↓ QDQCQB輸出 五進制計數(shù)QDQCQBQA輸↓ QA 出8421BCD 十進制計數(shù)0 × 0 ×碼× 0 × 0QAQDQCQB輸QD出5421BCD 十進制計數(shù)↓碼1 1 不 變 保 持上圖為74LS90引腳排列精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案采用555定時器接成多諧振蕩器，產(chǎn)生時序脈沖，用計數(shù)器對此計數(shù)。當(dāng)達到某一數(shù)值是輸出一脈沖， 作為定時電路輸出。具有較高的定時精度。且有利于計數(shù)器清零和計數(shù)值鎖存。通過多諧振蕩器產(chǎn)生周期為 0.1s的脈沖，然后計數(shù) 600次，則總定時時間T=0.1*600s=60s 。多諧振蕩器的振蕩周期為 T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2,為了計算簡單，取C=2.2uf，R1=R2=21958Ω（用可變電阻實現(xiàn)），則 T=0.1s，然后用74LS90計數(shù)600次。所產(chǎn)生的CLK脈沖接鎖存器的 CLK，控制鎖存器。產(chǎn)生的技術(shù)脈沖如下：在時間為60s處，產(chǎn)生有個脈沖，即我們需要的計時脈沖。3.6計數(shù)器電路設(shè)計計數(shù)單元選用的是 74160，7448為七段LED驅(qū)動。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案左是74160 引腳圖， 右是7448引腳圖74160是一個4位二進制的計數(shù)器，它具有異步清除端與同步清除端不同的是，它不受時鐘脈沖控制，只要來有效電平，就立即清零，無需再等下一個計數(shù)脈沖的有效沿到來。當(dāng)（ LD的非）為有效電平時，計數(shù)功能被禁止，在 CP脈沖上升沿作用下 D0～D3的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器并呈現(xiàn)在 Q0～Q3端。若接成七進制計數(shù)器，控制置數(shù)端的信號是 N（7）狀態(tài)，如在D0～D3置入0000，則在Q0～Q3端呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)就是 0110。7448輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（ RBI）都接無效電平時，輸入 DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的 7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符。除 DCBA=0000外，RBI也可以接低電平。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案3.7鎖存器和顯示電路設(shè)計圖3.7-1 圖3.7-274LS273 引腳及功能圖74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。 CPU的ALE信號必須經(jīng)過反相器反相之后才能與 74LS273的控制端CLK端相連。CP（CLK）：觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng) CP從低到高電平時，D0-D7 的數(shù)據(jù)通過芯片，為 0時將數(shù)據(jù)鎖存，D0-D7 的數(shù)據(jù)不變。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案一分鐘以后得到需要的心跳心率以后，人為的清零?？傠娐芳霸矸治?.1心跳心率計原理說明將壓電傳感器與人體接觸，當(dāng)電路通電以后，計數(shù)器開始計時，傳感器傳感器輸出的0.2V的心率信號開始進入放大電路。在仿真電路中我們用幅值為 0.1V，偏置電壓為0.1V的正弦信號代替心率信號。心率信號經(jīng)過放大電路后，被放大倍，變?yōu)?V。但是其中摻雜有干擾信號。接下來心率信號進入濾波電路，濾除其中的高頻干擾信號，獲得單一的心率信號。然后進入整形電路。心率信號與+2V的參考電壓比較后，產(chǎn)生比較標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。整形電路中還有一個作用，就是把頻率低、幅度小的干擾信號忽略掉了。方波信號進入計數(shù)電路，計數(shù)器開始計數(shù)，同時將計數(shù)值傳送到鎖存 U8、U9和U10的CLK。當(dāng)鎖存器將計數(shù)值鎖存后，U8、U9和U10輸出端一直保持計數(shù)值。讀出心跳此次數(shù)以后人為清零。定時器定時60s后，產(chǎn)生一個正的很窄的脈沖，作用于鎖存器 U8、U9、U10，使得鎖存器輸入端的計數(shù)值進入鎖存器鎖存。4.2電路仿真選取三種不同頻率的正弦信號接入電路。當(dāng)輸入信號的頻率為 0.5Hz時，60s后顯示器顯示“030”。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案當(dāng)輸入信號的頻率為 1Hz時，60s后顯示器顯示“61”。（在多諧振蕩器計數(shù)器計時是，理性值為0.1s，計算電阻是R7=R8=21958Ω，但這也是估計值，并非準(zhǔn)確值）當(dāng)輸入信號的頻率為 2Hz時，60s后顯示器顯示“121”（理論值為120）設(shè)計心得體會在這次設(shè)計作業(yè)中，我快速學(xué)會了使用 protues 這個仿真軟件，比我在學(xué)其他軟件的時間還要短，而且讓我對數(shù)電和模電又復(fù)習(xí)了一遍， 盡管很多知識還是半知未解，要詢問度娘，在設(shè)計過程中，考慮