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文档简介
电子课程设计(说明书) 心跳速率检测器院系名称: 机械工程与自动化学院 班 级 :测控11301 姓 名 :田兴耀 学 号: 1302220129指导老师 :周国鹏 前言一、训练内容:设计一个心跳速率检测器,实现以下目标:1能完成对人体心跳速率的检测,测试位置可以为任何理论上可进行测试的位置,但必须说明选择理由以及所选位置和方法测试结果与实际结果的误差范围,并给出补偿方法。 2.能用3位7段数码管完成心跳速率的显示,按分钟给出。3需要指出设计依据,即心跳检测传感器信号输出类型与信号频率与幅度,并按上述数据建立一个仿真模型(至少是部分模型,如信号放大部分等),在protel99se或类似仿真软件中进行仿真。4.要求在设计中不得使用单片机等类似器件,否则判为零分,使用分立的模拟和数字器件进行电路设计并给出设计说明。5.分钟时间的提供如果感觉困难可以用外部定时器,如现成的定时器或单片机时间定时等,但现成器件仅能用于完成分钟时间确定,不得提供其他信号或输出。6对每部分单元电路都必须说明功能与信号流向与信号接口,并注明接口信号仿真波形。二、具体要求:1. 设计方案选择与确认;设计框图的构思与绘制;原理电路图的绘制;对原理电路的仿真与修改;元器件选择;实际电路的制作与调试;2. 不能使用单片机或类似处理器进行数字信号处理,必须使用基本逻辑门电路构建数字电路部分,时钟可以使用集成器件提供;3. 说明书正文(不含目录)不少于10页,小4号宋体,1.5倍行距,页面设计参考本页,标题用4号黑体;4. 提供完整的电路原理图与仿真结果图; 5. 按要求时间提交课程设计。三、训练目的主要是培养学生应用基本电子电路知识的能力,要求学生能独立或按组完成一个选定的设计题目,能在老师的指导下完成如下工作:1、设计方案选择与确认;2、设计框图的构思与绘制;3、原理电路图的绘制;4、对原理电路的仿真与修改;5、元器件选择;6、课程设计说明书的撰写。目录:前言.1一:设计方案.31.方案构思.32.框图设计.33.电路设计工具.3二:电路设计及其仿真.4(一)传感器的选择.4(二)单元电路设计41. 放大电路.52. 滤波电路.63. 整形电路.84. 倍频电路.95. 计数译码显示电路106. 定时电路127. 控制电路138. 整体电路原理图及其仿真效果.16三:总结.17附录.17一:设计方案1.方案构思: 为了方便测量,可以选择指尖脉搏进行心率测量,则需用到传感器;然后对采集到的模拟信号进行放大滤波整形,得到周期矩形波即为数字信号;考虑到为缩短测量时间,再对所得信号进行倍频(T=1/f);然后用计数器计数,最后通过译码器和7段数码管显示测量结果;还需要定时电路进行定时,因为用到了倍频电路,所以定时时间可大大缩短;电源为5V恒压源。2.框图设计:定时 3.电路设计工具:本次电路设计的原理图部分和仿真部分均用Multisim软件给出。且接下来的电路设计和仿真部分一起给出,更能清晰地表达设计过程和思路。 二:电路设计及其仿真一、传感器的选择: 查阅了许多资料,发现大都用压电传感器,且都测试指尖脉搏,而经进一步查阅发现,市面上的一些压电传感器并不能测试出指尖微弱的压力。通过网络商城上了解到一种脉搏传感器- pulsesensor脉搏传感器,该传感器体积小,供电3-5V,还集成放大消除噪声功能,放大倍数为330倍。该传感器有三根线,红色为电源线,黑色为底线,蓝色为数据线即产生模拟信号。虽然该传感器有放大功能,接下来的电路设计中还是会有放大电路部分。二、单元电路设计1.放大电路: 放大电路将传感器产生的的信号进行放大,得到信号,便于后续电路的处理。本次用LF412构成同相放大电路,电路原理图如下:因输入的是交流周期信号,所以在左端要加一个电容通交流信号,现选定R3=5K,要求电压增益为21,则有如下公式:AV=1+R4/R3=21 得R4=100K下面进行仿真,以频率为1Hz,振幅为10V的正弦波波作为输入信号,仿真电路及结果如下:如图,当输入峰值为19.980V时,其输出值为418.528V, 而理论值为19.980V X 21=419.580V,两者近似,该模型可行。2.滤波电路:心率信号是低频信号,为防止噪声中高频信号对测量的影响,应该用低通滤波器滤除中高频信号,只让低频信号通过电路。本次设计二阶巴特沃思低通滤波电路,其滤波特性与理想滤波特性相1)运放选择:经查阅资料,为减少运放对滤波电路的负载效益,同时便于调整,现选用LF412,电路原理图如下:2)电容电阻的选择:人的平均心率为75次/min,先选定截止频率fc=5Hz,电容C3选择微法级,选标注值0.3uf,且二阶低通滤波器的特征角频率为wc=1/(RC)所以 R5=R6=1/(2fcC)=1/(2*5*0.33*10-6)96K , 现选择标准电R=95.3K,这与计算值有一点误差,可能导致截止频率比额定频率稍有升高,但是问题不大。滤波器也会产生电压增益,下面是巴特沃思低通、高通电路阶数n与增益G之间的关系:现选R7=62K,所以R8=(1.586-1)* R736.33K。下面进行仿真,以频率为1Hz,振幅为10V的正弦波波作为输入信号,仿真结果如下:3.整形电路传感器的信号经放大滤波后依旧不能被数字器件所识别,因此需要将其整形成周期矩形波。如图施密特触发器,可用其进行脉冲整形:为锻炼对数字器件的使用能力,本次用555定时器构成施密特触发器进行波形的整形,电路原理图如下:下面进行仿真,以频率为1Hz,振幅为10V的正弦波波作为输入信号,仿真结果如下:正弦波被整形为矩形波,模型可行。4.倍频电路:由式T=1/f,可知,频率越大,周期约小,因此可以放大所得信号的频率已减少测量时间,这样更加人性化。这里设计8倍频电路,在整个电路设计过程中发现后面的数据锁存器将时间延时一倍,因此最终整个电路总体将信号频率放大4倍,也就是测量时间缩短4倍。下图是由两个实用二倍频电路和一个快速二倍频电路组成的8倍频电路(具体原理暂时不清楚):下面进行仿真,以频率为1Hz,振幅为10V的方波作为输入信号,仿真结果如下:如图由下到上依次为,原波,2倍频,4倍频,8倍频。5.计数译码显示电路:利用3片同步十进制计数器74ls160构成并行进位计数器,每片计数器的输出端接入7段数码管译码器74ls47,最后接入7段显示数码管。如图为74ls160:ENP和ENT端高电平有效,可作为前一片计数器的输入端ROC为进位端,QA-QD为输出端,A-D为输入端,因此次为十进制计数器,输入端可悬空;经放大滤波整形的信号可作为时钟信号接入CLK端。如图为74ls47及7段数码管:74ls47中A-D接入4位74ls160产生的BCD码,0A-0G接入7段显示数码管。总连接电路原理图如:下面进行仿真,以频率为1Hz,振幅为10V的方波作为输入信号,仿真结果如下:6.定时电路:用555定时器构成多谐振荡器,以产生周期信号作为时钟。前面提到,由于有倍频电路,所以只需要定时15秒就可以了。1) 多谐振荡器:如图用555构成震荡周期为1秒的多谐振荡器:555定时器的周期与其充电的时间有关,充电时间由图中的电容C1、电阻R1和R2所决定周期的计算公式为: T=Ln2(R1+2R2)C1本实验需要的周期是1s,计算出较为稳定的电阻电容值为:R1=15k,R2=68k, C1=10F,C2=10nF 计算得T=1s2)15进制计数器: 因为要定时15s,所以想到用同步十六进制计数器74ls161,构成15进制计数器,如图用置数法构成15进制计数器:A-D端接地,当满一周期后,即OD-OA端产生数字信号1110,进过非门和与非门,产生一个低电平,启动置数端LOAD,输入端A-D置入0000,实现15进制转换。此处不好进行仿真,将在总电路图中演示。7.控制电路:本次设计总共可分三处控制:1) 计数清零控制:只需要将三片74ls160的ENP和ENT端通过一个单刀开关连接电源,拨动开关就可以控制计数显示清零。如下图:2) 电路启动控制及锁存: 对于整个电路需要一个启动开关,且脉搏信号,若直接输入计数器,一旦定时结束,并不能保存数据,数码管不能持续显示,因此要加一个锁存控制电路。综合上述两点,本次采用JK触发器构成的T触发器,来实现电路启动和锁存。如图为T触发器的特性表: 当输入为高电平时,每来一个时钟,Q*就翻转一次,当输入为低电平时,Q*能保持不变,因此可以达到储存数据的作用。触发器T端输入定时信号。如图为电路原理图:T触发器输出信号是时钟信号的延迟信号,延迟一倍,即相当于频率减半,而前面的倍频电路使频率放大8倍,所以总共频率放大4倍。3) 定时控制电路:希望定时器开始定时时,电路启动,且15秒定时结束后,计数译码器能够保持不变,便于观察。用555定时器产生的脉冲时钟控制74ls161接成的15进制计数器,每一个周期循环,在输出端就会产生一个低电平。于是考虑如何利用这个,低电平。经过多次试验,使用SR触发器构成该电路,SR触发器特性表及电路图如下图所示:当输入都为高电平时,Q*保持不变,当S置1,R置0时,Q*置0。刚好可以利用这个特性,使定时信号作为SR触发器的R端输入,S端接入高电平,输出端Q*接入T触发器的输入端。当定时器启动时,S、R端都为高电平,T触发器工作,计数开始;当定时器第一个计时周期15秒到达时,会产生一个低电平信号,此时Q*端翻转为0,T触发器停止工作,但其中数据依然保存,数码管显示数字不变。8整体电路原理图及其仿真效果: 三:总结 由于基础知识掌握得不怎好,本次课程设计花了一个多星期,从仿真软件的学习,到对每个电路单元的理解,也算是下足了功夫,最后也算是把整个课程设计做完了。借本次课程设计,应该算是触摸到电路设计的门
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