心率计的设计.doc

安康学院 学年论文设计题 目 心率计的设计 学生姓名 学号 所在院(系) 专业班级 指导教师 2012年 月 日安康学院学年论文（设计） 心率计的设计（作者：）指导教师：【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；而心脏病的发作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数字心率计。心率是人体的一项重要生理参数，在现代医学中，心率对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。心率计是医学中用来测量人体心率的装置，高精度心率计的研究开发历来是医学仪器领域的一项重要课题。本设计便旨在通过已学的电路和硬件知识，设计一款简易的心率计。在本设计中由于脉搏频率与心率相同，测量心率可以用测量脉搏近似得到，因此本设计将人体脉搏作为测量对象。本设计将采用multisim软件来绘制电路。【关键词】心率；传感器，滤波器，放大器，显示电路，报警电路Heart rate meter designAuthor:Abstract：The rapid development of society today, peoples material and cultural life has been greatly improved, but at the same time, a variety of diseases threatening peoples life; and the heart attack is difficult to prevent the sudden fatal disease, so health is also more and more attention by people. This design is to solve the problem that can be measured by heart rate, heart disease prevention of heart disease in the digital heart rate meter.Heart rate is an important physiological parameter of human body, in modern medicine, heart rate for blood circulation and cardiac function in field research has important significance. Heart rate meter is used to measure the human heart rate in medical devices, high accuracy rate meter research and development of medical instrument is always an important topic in the field of. This design aims to have the circuit and hardware knowledge, design a simple heart rate meter. In the design of the pulse frequency and heart rate, heart rate can be used to measure the pulse measurement is obtained, therefore the design of human body pulse as the measuring object. The design of using Multisim software to draw circuit.Key words：Heart rate; sensor, filter, amplifier, a display circuit, alarm circuit 引言心率计是常用的医学检查设备, 实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。心率计可以通过直接在胸部测试，也可通过人手腕部分的脉搏进行测量。心率是人体的一项重要生理参数，在现代医学中，心率对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。心率计是医学中用来测量人体心率的装置，高精度心率计的研究开发历来是医学仪器领域的一项重要课题。现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。心率是指人体心脏每分钟搏动的次数它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此，设计一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值，可与微机通讯并具有较强抗干扰能力，能对超出正常范围的心率进行报警的心率测试仪是十分必要的。一、 任务分析及总体设计方案1、任务分析所设计的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：u 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；u 测量精度：测量误差4次/分钟；u 报警指示：采用LED发光二极管。基于以上任务要求，经过详细分析得到了如下结论：u 由于从红外线传感器送来的信号很微弱，一般为（25mv），并且叠加了很多干扰及噪声，这就需要信号放大、滤波与整形电路；u 要想在短时间内实现对1分钟的心率进行测量（本设计采用15秒测量），这就需要倍频器（4倍频）和基准时钟定时器（15秒）；u 由于最后要显示其测量数字，这就需要计数器、译码器和显示器；u 由于最后要用LED报警显示，并且成人、婴儿、老人的心率正常范围不一样，所以还需要控制器、比较器和报警器。所设计的红外线电子心率计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲信号进行计数，最后以数字形式显示出来，并且把计数得到的值与正常范围的上下限进行比较，以实现对成人、婴儿和老人的报警指示。2、总体设计方案 设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。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。3、设计流程图传感器滤波放大电路整形电路倍频器计数器报警器显示器定时器译码器二单元电路的设计及选择1. 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%。2. 信号放大电路的设计及参数计算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（1）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（1）图（2）3.滤波器的设计及参数计算由于有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。电路如下图（3）所示：图（3）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，见下图（4）：图（4）图（5）图（6）4 整形电路的设计与参数计算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（7）图（7）图（8）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（9）图（9）用Multisim模拟得出输入、第一级输出、第二级输出的波形如下图（10）。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（10）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。图（11）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（12）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。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。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。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。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（13）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（14）所示：图（14）总电路图：心得:在这次设计过程中还是有很多体会的，首先就是怎么系统的去做一件事情，特别是对做一些未知的事情，面对疑惑该怎么办；其次，做出来有一定的成就感；最后，学到的东西挺多的，比如说图书馆借书，要有目的的去借。怎样在网上收集所需资料，网络是一个巨大的知识库。也借着这次机会，复习了许多过去学过的东西，比如数电模电，还有office软件，经过这次设计才发现自己的office知识多么浅陋，还有multsim软件，通过这次设计更加