电子心率计设计.doc

电子心率计设计课程设计说明书1：课程设计任务书课程设计题目电子心率计设计学院专业年级任务要求心率计是用来测量一个人心脏单位时间跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，设计一个电子心率计，要求实现在短时间内测量1分钟的心脏跳动次数，并且显示其数字。当心脏跳动次数超过正常范围时，发出异常指示（LED发光二极管发光报警指示）。正常范围可根据需要设定。性能指标要求1、测量范围：正常心跳次数成人为6090次/分钟，婴儿为90120次/分钟，老人为100150次/分钟，正常范围可以设定。2、 测量精度：测量误差4次/分钟。3、 报警指示：采用LED发光二极管。学生应完成的工作：1、课程设计说明书。要求：内容完整，图表完备，字迹工整，条理清晰，分析有据，计算准确。课程设计说明书应包括以下内容：a) 任务书；b) 说明书正文； 任务分析与方案设计； 电路设计，元器件参数计算及选择； 电路原理框图及电路工作原理说明； 本次课程设计的体会。c) 参考资料清单；2、完整电路图一张。要求：布局合理，清晰完整，线条粗细均匀一致，图形大小适合，图形和符号要规范。3、所用元器件清单（序号、名称、型号、规格或数值、数量）。目前资料收集情况（含指定参考资料）：1 童诗白、徐振英编，现代电子学及应用，高等教育出版社，19942 陈明义、宋孝瑞等编，电子技术课程设计实用教程，中南大学出版社，20023 陈晓文主编，电子线路课程设计，电子工业出版社，2004课程设计的工作计划：2010年6月28日2010年6月30日：根据设计任务，收集相关资料；2010年6月30日：在熟悉资料的基础上确定总体方案；2010年7月1日2010年7月6日：单元电路设计，元器件参数计算；2010年7月7日2010年7月8日：完整电路图绘制；2010年7月9日2010年7月10日：完成课程设计说明书。任务下达日期 2010 年 6 月 28 日完成日期 2010 年 7 月 10 日指导教师 （签名）学 生 （签名） 目 录 1 摘要 12 正文 4 2.1任务分析与方案设计 4 2.2 设计流程图51. 单元电路的设计与选择 6 3.1 脉搏检测电路的设计 6 3.2 信号放大电路的设计及参数计算 7 3.3 信号滤波电路的设计及参数计算 10 3.4 整形电路的设计与参数计算 12 3.5 倍频电路 14 3.6 时基电路 15 3.7 控制电路 17 3.8 计数电路 18 3.9 锁存电路 19 3.10 数码显示器20 3.11 报警电路设计202. 心得体会 223. 附录 235.1 电路总图 23 5.2 元器件清单 244. 参考文献 25 1.摘要在社会飞速发展的今天,人们的物质文化生活得到了极大的提高,但同时多种疾病威胁着人们的生命,而心脏病又是人们难以预防的突发致命疾病,所以健康也被越来越多的人所重视.本设计要解决的问题就是可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的电子心率计。便携式电子心率计运用P89V51RB2增强型单片机作为核心控制处理单元，采用传感器MPX2050GP带温度补偿的扩散硅压力传感器，用来测量一个人心脏单位时间内跳动次数的电子仪器，由于人体各部位心率一致，所以通常测量人手臂处的脉搏即可测出人体心率。任务要求测出的心率为一分钟内心跳的次数，并显示，测量结果要与标准范围作比较，不在范围内则报警。2正文2.1 任务分析与方案设计 心率计是用来测量一个人心脏单位时间内跳动次数的电子仪器，由于人体各部位心率一致，所以通常测量人手臂处的脉搏即可测出人体心率。任务要求测出的心率为一分钟内心的次数，并显示，测量结果要与标准范围作比较，不在标准范围内则报警。要把人体的脉搏数转换成电信号,这就需要借助传感器。正常人的脉搏次数是每分钟6090次，婴儿为90120次,老年人为100150次, 这种频率信号属于低频范畴。该方案选用传感器MPX2050GP，该传感是带温度补偿的扩散硅压力传感器，它具有良好的线性和温度稳定，并且灵敏度高，是一种专门用于血压测量的传感器。该传感器接在电桥电路中，当有压力传到传感器时，其电阻发生变化，电桥失去平衡，产生差动电压，由于该电压很弱（为10毫伏左右），需用一放大器对其信号进行放大。由于震动、工频信号和放大器的噪声等的影响，导致其输出电压中有很多干扰信号，为此需采用一滤波器滤除脉搏信号中的干扰，由于脉搏信号为低频信号，所以该滤波器必须为低通滤波器。为了便于计数，需将经过滤波的信号整形为矩形波信号，为此还需设计整形电路，整形为方波或脉冲信号。我们需要在十五秒内完成脉搏计数，在这里我们采用了倍频的方式。由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作比较，若测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮。2.2 设计流程图传感器放大器滤波器整形电路倍频器比较器报警定时器计数器译码器显示器图2.1 电子率及设计流程图3单元电路的设计与选择31 脉搏检测电路的设计采用的MPX2050力敏元件是一种高性能的,适合于带有温度补偿的动态微压阻式传感器，其内部有温度补偿电阻网络，并经激光校准，如图3.1（c）。经激光校准后，传感器的零输出、满量程输出及输出一致性、温度补偿特性等都达到较好的性能指标。它的基本性能指标是：零位输出小于1mV，满量程输出40mV1.5mV，在0+85范围内有较好的温度补偿效果；线性度可达0.1%FS0.25%FS；工作温度范围为-40+125，允许过载为200%。主要参数见图3.1（b）。(a)(b)图3.1 （c） 由于传感器灵敏度为0.8V/KPa,而人体正常情况下收缩压大致为136(18KPa)-90mmHg（12KPa），舒张压为86-60mmHg。因为收缩压较舒张压大，故以收缩压信号作为预处理信号。脉搏测量电路输出的峰值电压大约为12*0.8=9.6mv到18*0.8=14.4mv。3.2 信号放大电路的设计及参数计算3.2.1放大电路设计由于输入级是毫伏级，为了便于信号的输出和处理，采用三运放高共模抑制比放大电路放大传感器的输出电压。电路如图3.2所示。它由三个集成运算放大器组成，其中N1、N2为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1、N2的共模信号。当N1、N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在Rp两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。此外，该电路还具有增益调节能力，调节Rp可以改变增益而不影响电路的对称性。 图3.2 三运放高共模抑制比放大电路图3.3 LM741封装管脚图如图3.3所示，LM741芯片为单运放芯片，其引脚功能为：引脚号1234功 能偏置反向输入端正向输入端负电源引脚号5678功 能偏置输出端正电源空脚图3.4 LM741内部电路3.2.2 电路参数的计算为了消除Ui0、Ui2偏置电流的影响，通常取R1=R2，R3=R4，R5=R6。由于输入级是毫伏级，为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为250倍,通过Multisim软件模拟及参照相关资料得第一级放100倍，第二级为2.5倍，放大倍数计算分配如下：第一级放大100倍，差模增益：Kd=(Uo2-Uo1)/(Ui2-Ui1)=1+（R1+ R2）/Rp100第二级放大2.5倍，N3差模增益：Kd= R5/ R32.5总的放大倍数为：K=100*2.5=250Multisim模拟结果如下（图3.5所示），第一级输出Ui0（out）、Ui2（out）放大100倍，最后输出V（out）共放大250倍。图3.5 3.3 滤波器的设计及参数计算3.3.1 滤波器的设计由于有50 HZ的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰, 必须对所取信号进行滤波处理。考虑到脉搏的频谱特性以及滤波50 HZ工频干扰可以采用截止频率为2.5 HZ的低通滤波器滤除。因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单，调整方便，且使用电路多采用运算放大器做有源器件，几乎没有负载效应，故选择压控电压源型滤波电路。电路如图3.6所示。图3.63.3.2 压控电压源型二阶低通滤波器电路参数的计算因为脉搏的正常跳动为60150次/分钟，所以容易算得其最高频率为：f=150/60=2.5HZ,为了便于计算，设该低通滤波器的截止频率：f0=2.5HZf0=w0/2=2.5HZw02=(2.52)2=1/R1R2C1C2=246.5取R1=2000K，R2=4000K，C1=0.05uF，C2=0.01uF。把R1R2C1C2的值带入验证得：R1R2C1C2=2106*4106*510-8*110-8=0.004w0=15.811f0=15.811/2=2.51772.5故取R1=2000K，R2=4000K，C1=0.05uF，C2=0.01uF，见图3.7。图3.7 滤波波特图及滤波电路AC分析结果图3.8 滤波后波形3.4 整形电路的设计与参数计算3.4.1 整形电路的设计整形电路就是将模拟信号转换成脉冲数字信号的电路。仿真电路如图3.9。图3.9 整形电路图3.10 74LS14D六反相器施密特触发器整形电路的瞬态分析结果图3.11所示。 图3.11 整形电路模拟分析3.5 倍频电路在15秒内进行计数一分钟的脉搏数。由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。倍频电路的实现方式如图3.12。图3.12 四倍频电路图用Multisim模拟得出输入、第一级输出、第二级输出的波形如下图3.13。该倍频电路是由两个二倍频电路组成，第一级实现对输入信号的二倍频，第二级对倍频后的信号再倍频之后得到4倍频信号。 图3.13 输入信号、二倍频和四倍频3.6时基电路 时基信号是标准测量的基础，这个信号可采用多谐振荡器产生，在简单时基电路中，可以用555定时电路。根据门控电路要求，需要设计正脉冲宽度T为15秒，定时电路的周期可设为2030秒。可根据555的计算公式计算电阻R1和R2及电容C1、C2的参数。555定时器功能表：输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通图3.14 555定时器功能表555定时器构成的多谐振荡器如图3.15所示，R1、R2、C是外接定时元件。图3.15 用555定时器构成的多谐振荡器其工作原理为：起始状态：接通电源前电容C上无负荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故Uc等于0，比较器C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器Q=1，Q=0，Uo=Uoh，Td截止。暂稳态：Q=1、Q=0、Uo=Uoh,Td截止，是电路的一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充电、电压缓慢升高的渐变过程在进行着，时间常数是1=（R1+R2）C。自动翻转：当电容C充电，Uc上升到时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0、Q=1、Uo=Uol，Td饱和导通。暂稳态：Q=0、Q=1、Uo=Uol，Td饱和导通，是电路的另一种暂稳状态,因为在这种状态下，同样有一个电容C放电、Uc缓慢下降的渐变过程在进行着，时间常数是2=R2C。自动翻转：当电容C放电、Uc下降到时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转为1状态，Q=1、Q=0、Uo=Uoh,Td截止，即暂稳态。器件取值,振荡周期：T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2振荡频率：f=1/T=1/(R1+R2)Cln2设脉冲幅度大于3V小于5V,占空比为q=2/3，振荡周期为15秒，则： q=(R1+R2)/(R1+R2)=2/3故得：R1=R2由此得：T=（R1+2R2）Cln2=20 取C=10u，解得：R1=R2=950k电路图如图3.17所示,本电路是由基本电路555和芯片4024BD组成的闸门时间信号，由555时基电路组成多谐振荡器，经芯片4024BD分频后得到想要的时间脉冲。图3.16 4024BD引脚图如上图所示，用4024芯片可以将信号进行2分频、四分频、八分频到128分频，此次设计即采用555定时器组成的多谐振荡器和芯片4024组成闸门电路。图3.17 时基电路图示3.7控制电路 控制电路用来控制电路的启动、清零等，仿真电路如图3.18所示。图中开关K1为单刀单掷开关，控制555电路的启动，同时，当开关J1接高电平时，4接4024的清零端，使4024清零，不致影响下次的测量。开关J3为单刀双掷开关，开关打到3线时计数器4518BD清零，打到0线时，4518BD可以开始计数，同时经过简单RS触发器2线输出1，当6线的闸门时间信号为1时，则此时允许倍频后的信号通过，进行数译码显示。图3.183.8 计数电路此次计数器采用74LS161，此计数器不仅具有二进制加法功能，而且还具有预置数、保持和异步清零等附加功能。在异步清零的计数器电路中，只要R端出现低电平，触发器立即被置零，不受CLK的控制。图3.19 74LS161引脚图CLKRPEEPET工作状态*0*置零10*预置数*1101保持*11*0保持（C=0）1111计数4位同步二进制计数器74161功能表从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。此次设计中将十六进制的计数器接成了十进制的计数器。输出端Q3与Q1经与门连接到下个一计数器的CLK端，作为级联信号，与此同时接一个非门连接第一个计数器的CLR端，此过程即是第一个计数器计到10时便向前一个计数器进位，自身清零，重新计数。25图 3.20 千进制计数器的串行进位方式的计数电路图在计数电路中，从右到左依次是个、十、百位，低一级的输出端QD与QB经与门接到下一级的计数端，进位信号也为级联信号, 与此同时接一个非门连接第一个计数器的CLR端，此过程即是第一个计数器计到10时便向前一个计数器进位，自身清零，重新计数。3.9 锁存电路在锁存电路的设计中，采用了CD4508锁存器。CD4508内部包含两个独立的4位所存D型触发器，它具有输入数据选通、复位和三态输出控制等功能，通常适用在总线系统中传输多路数据，其引脚图如下:图3.21 CD4508引脚图图3.22 CD4508引脚功能说明图在锁存电路中，将RST端、DIS端接地，当ST端接高电平“1”时，数据可由D端传输到Q端；当ST端接低电平“0”时，输出端Q的数据被锁存。CD4508不同于其他D型触发器，它在传输数据时不需要时钟脉冲的作用，只要符合数据传输条件，即RST端、DIS端接地和ST端接高电平，D端数据即可传输到Q端。因此实际电路中可省去脉冲振荡电路。图3.233.10 数码显示器采用BCD-HEX型数码管。经锁存器输出的数据可直接与数码管进行连接，无需外加译码器。因为此型号数码管内含有将BCD码转换为HEX的程序，为电路的设计与布局节省了空间，使电路相对简单些。一般的七段数码管外还需加一个七段译码器才能驱动数码管。图3.24 计数锁存显示电路3.11报警电路设计本电路采用8个JK触发器组成二进制计数器，其输出结果为xxxx xxxx（x为0或1），其输出结果通过与门和发光二极管相连，当某一输入使与门输出高点平时，则点亮发光二极管。设红色放光管亮时，为血压过高；当黄色发光管亮时，表示血压过低，并由控制开关来区分被测人（老人、儿童、成年人）。电路如图3.25所示：图3.25 报警电路4.心得体会在本设计过程中，我搜集参考了大量相关材料以确定设计方向及思路，从选择传感器，解决从传感器出来的信号如何整形，到最终的画仿真电路，都一步一步的精心计算设计，对比不同的设计方案，选择最佳，不仅考虑电路的合理性也考虑了电路的链接及经济性。通过设计我更深入了解了心率计的工作原理，它的工作过程主要分为：通过压电传感器，采集信号将压力信号转变为微弱的电信号；然后将得到的电信号通过放大电路、滤波整形电路进行放大、滤波、整形；由闸门电路产生闸门时间信号控制信号的计数时间，同时由控制电路进行启动控制、清零计数控制；将测量结果由4508BD译码锁存；最终的结果由三位数码管显示电路显示出来。本次设计的核心部分是对传感器的选择，压电传感器是心率计的测量主体。压电传感器发展迅速，技术成熟。基于压电传感器上的心率计，是利用人体的血压变化来测量心跳频率的变化，血压随心跳变化，引起力敏元件的物理效应，由传感器转换成电信