压电传感器的心率计的计算机设计方案与仿真

1、由氏ft）衣嗒SHANDONGSHANDONG UNIVLRSIUNIVLRSI I I Y Y OFOF I I bClbCl iNOLOGYiNOLOGY毕业设计（论文基于压电传感器的心率计的计算机设计与仿真学院: 专业： 姓 名: 学 号: 指导教师:2018年6月摘要脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反 映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。根据人体脉搏信号特征， 本文设计了一种脉搏波动频率测量系统。本次设计的压电传感器基础上的心 率计，原理结构主要由六部分组成，其中包括：测量电路、放大电路、滤波整 形电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路。其中传感

2、器的选取是设计 中的首要任务，其次就是信号的放大及计数电路的设计，关键点是计数电路中 计数方式的选择。显示电路可以借助传统的设计模块作为参考。利用压电传感 器，将人体的脉搏通过压电陶瓷片转换为可处理的电信号，经过集成运算放大 器、滤波电路、整形电路等模块，在555时基电路、数码显示、控制、计数等电路元件的配合下，利用 Multisim2001仿真软件，可以实现此心率计的仿真设 计。各个电路模块，根据其功能特点均有多种方案选择，我们在设计过程中， 利用所掌握的理论知识，对各种方案做出比较，并要求选择出最佳方案，完成 整体设计，并且实现利用Multisim2001软件对每一模块的仿真。本次设计任务

3、详细分析了压电传感器应用于心率测量上的原理及优点，阐 述了其他各配合电路的组成与工作特点，得出了在不同测量数据和技术参数条 件下的仿真结果，使得本次课题的预期结果得以实现。关键词：压电传感器，控制电路，计数器，Multisim2001仿真软件AbstractAbstractThe shape, intensity, speed, and rhythm of pulse signals mostly reflect the physical and pathological characters of heart-blood system in human bodies. According t

4、o the characteristics of the human pulse signals, a pulse fluctuation freque ncy measureme ntsystem is desig ned. The desig n of piezoelectric sen sorso n the basis of heart rate, the main principle behind the structure from the six components, including: measuring circuit, amplifier, filter plastic

5、 circuit, counts show circuit, control circuits, power supply circuits. The selection of these sensors is the primary task in the design, followed by the signal is enlarged and the number of circuit design, the key point is counting circuit in the counting method choice. Show circuit can use the tra

6、ditional design module as a referenee. Use of piezoelectric sensors, will feel the pulse of the human body through the piezoelectric ceramics can handle the conversion to electrical signals, through integrated operational amplifiers, filter circuits, such as plastic circuit module, in 555 at-circuit

7、, digital display, control, counting and other circuit elements , Coupled with the use Multisim2001 simulation software, can achieve this rate of simulatio n desig n. Each circuit module, accordi ng to their functional characteristics have the choice of a variety of programmes, we in the design proc

8、ess, mastered by the use of the theory of knowledge, to compare the various options and asked to choose the best option, to complete the overall design, and Implementation of Multisim2001 software for each module of the simulation.The task of desig ning a detailed an alysis of piezoelectric sen sors

9、 for measuri ng heart rate and on the principle of merit, on the other circuit with the composition and characteristics of the work, come in different measurement data and technical parameters under the conditions of the simulation results, making The topics to achieve the expected results.Keywords:

10、Keywords: Piezoelectric sen sors, control circuit, coun ters, Multisim2001 simulatio n software con trol circuit.20目录摘要IAbstractAbstract目录III 第一章引言11.1心率研究的意义11.2国内外研究现状21.3课题要求21.4设计内容21.5主要技术指标及参数21.6传感技术的研发简况3 第二章设计方案论证52.1传感器的分类及工作原理52.1.1传感器的分类52.1.2传感器的工作原理62.2传感器的选用分析72.3设计方案8 第三章 硬件电路设计103.1

11、心率计工作原理框图103.2电源供电电路113.2.1采用交流220V电源供电方式113.2.2采用直流电源供电方式113.3测量电路113.4传感器的性能133.4.1传感器的型号选择133.4.2传感器的供电电路133.5放大电路143.6滤波整形电路163.6.1滤波电路163.6.2整形电路173.7倍频电路203.7.1利用CD4046锁相环及计数器构成的倍频电路3.7.2利用简单门电路等组成的二倍频电路级联213.8控制电路223.8.1闸门信号的产生223.8.2启动清零的控制263.9计数译码显示电路26第四章仿真结果与分析304.1 Multisim 2001的功能及特点30

12、4.2测量电路314.3放大电路324.4滤波电路334.5整形电路344.6倍频电路354.7闸门控制电路364.7.1闸门电路364.7.2控制电路374.8计数显示电路374.9整机电路39结论40参考文献41致谢42附录43第一章引言1.1心率研究的意义中医对脉诊是十分重视的，认为通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰， 可以探测病因、病位、预测疗效等。从近代医学的角度来看，人体循环系统承 担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要 的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度 对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个

13、循环系 统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变 化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因 素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整 体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究 的。作为现代电子仪器与医学相结合的一个重要应用课题，具有深远意义。现 代医学的不断发展和进步，使人们对各种测量仪器的要求越来越高，而心率的 测量是一种评价人生理状况的好方法。心率是一种重要的生理参数，它反应了 人体心脏工作的频率。本设计是一款性价比比较高的电子心率计，它解决了传 统测量方法的不准确性和随机性，能够准

14、确的测量出人体的心率，并以数字的 方式将测量结果显示。它利用压电陶瓷片将人体脉搏转换为可处理的电信号， 再经过信号的放大、整形滤波，而实现人体心率的测量和显示，具有抗干扰能 力强、稳定性能好、电路成本低、应用范围广等优点。本设计旨在综合压电传感器以及相关专业知识，设计一个数字脉搏计，对人体脉搏进行测量经数码管显示，最终利用软件Multisim 2001仿真出实验结果。本课题综合性较强，可以巩固所学专业基础理论和基本操作技能，培养综 合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；通过在设计中选择合适 的传感器，进而掌握其原理、应用范围、功能等；还可以深入了解心率计的工 作原理、元器件选择以及电

15、子仪器的常用设计方法等，进而掌握使用计算机进 行电子线路设计与仿真的基本思想和方法。通过这次毕业设计，重温了专业理 论知识，锻炼了动手操作技能，实现了理论和实践的有机结合，为将来从事相 关行业积累了初步的设计经验。1.2国内外研究现状在医疗诊断中，快速脉搏测定已从传统的测量方法向多参数生命体征监护 仪和自动脉搏测量仪发展。由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存 储数据等功能特点，不仅减轻了医务人员的工作强度，也使医疗手段得以现代化、高科技化。新技术和新工艺使传感器和实验室仪表两者成为同一个芯片， 这是全新的提高。这种多元化的测量系统正朝着体积小，功耗低、使用灵活、 便于携带，适合于社区和

16、住院病房使用，有较强的分析能力，可扩展等方向发展。如与PC机进行通信，将采集到的脉搏信号通过无线网络传输到PC端，从而实现远程医疗等。现今多数医生用听诊器测量脉搏，医用脉搏计可以精确测出心率，并且可 以测出心肌收缩力度，从而判断病人的健康状况；而家用脉搏计只需测出脉搏 的频率，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带，。1.3课题要求1、 选用合适的传感器。2、 设计与传感器配合的信号处理电路。3、 设计相关电子线路并画图。4、 熟练掌握 Multisim2001和Protel99SE的使用方法。5、 完成对设计的电子线路和系统的仿真实验。6、 测试相关点的波形，记录、分析整

17、理测试数据。1.4设计内容1、方案比较及论证，查阅相关资料，选择最佳设计方案，列出设计思 想。2、 了解心率计的测量原理，结构特点以及控制要求。3、 了解心率计的工作原理、结构框图等，完成单元电路设计。4、 实现电路的测量与仿真。5、 绘制电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。6、总结。1.5主要技术指标及参数1、计数范围：1999。2、数字显示位数：三位静态十进制计数显示被测信号数值。3、具有计数及锁存功能。4、性能良好，工作可靠。1.6传感技术的研发简况随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们

18、生产和生 活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是 现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。自20世纪50年代以来，科学家对于脉学的理论、脉诊方法、临床诊断和 实验研究等方面均开展了大量工作，取得了较大进展。脉象的客观化研究集中 在脉象仪的研制方面。脉象传感器是脉象仪的关键部分。英国人Marey最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。1860年首次出现杠杆和压力鼓式描述脉搏图，1895年开始采用换能的方式，出现了杠杆式 光学脉搏描述器。20世纪50年代我国学者朱颜首次将杠杆脉搏描述器引用到 中医脉诊的研究中来。自20

19、世纪70年代至今，研究人员已研制出种类繁多的 换能器以模拟中医切脉的手指采集脉搏信号并记录。目前应用的脉象传感器种 类繁多，根据其工作原理可分为 4种：通过感受脉动处压力的变化而描述脉搏 图的压力传感器；通过感受脉管容积的变化来描述脉象的光电传感器；利用声 学原理，拾取由脉搏引起的振动即所谓听信号的传声器；还有超声多普勒检测技术。但是目前国内医疗机构对于脉搏和血压的测量在相当程度上还依赖于听诊 器，医疗事业的发展使其测量将由数字化仪器所代替。传感器是脉搏检测仪器 中的重要部件。国内外科研人士在提取脉搏图象方面已开展了大量工作，先后 研制了不同种类的传感器及测量设备以获得脉搏波形。如：液态传感器

20、，将单 位长度管段动脉内血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来 测量脉搏波形。它的灵敏度虽高，却因液态传感器本身结构特点的限制使测量 过程并不方便。由新型高分子材料 PVDF、扩散硅等压电材料 具有压电效应） 制成的压电传感器在医用领域得到了广泛应用。采用红外线来检测采集人体的 脉搏，检测的部位为任意一手指或者耳垂的液晶显示型心率计也较为应用。随 着电子计算机技术的发展，智能传感器也应用到各个领域。在医用领域将传感 器与信号采集、放大装置、计算机等相结合构成新型智能测量系统，不仅可以 对脉搏的频率、血压等实现单方面测量，也可实现对人体进行多点测量，完整 检测脉搏的波动状态，更加科

21、学的反映脉象变化，为医生提供了详细的诊断参考依据第二章设计方案论证心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频率。心率计的根 本任务是实现对人体心率的测量，其中包括：心跳是否正常、是否过快或过慢、是否有心率不齐等现象。心率的数值根据个人的年龄、性别及其他生理情 况而不同。各种心跳分析，都是要通过对心率的计数来完成的。为实现测量目的，首先要将压力信号转变为电信号，再进行信号的放大、 滤波和整形，变成适合信号进一步处理的数字信号。这一过程在任何方案中都 是必须的，因此放大、整形无需论证，只需选择各电路的最佳方案。实现数字脉冲计数的方法很多，在本设计中，我们必须选择一种最合适的 方法应用到心率

22、计中，以满足设计需要。实现对数字脉冲计数比较常用的方式 有两种：一种是应用计数芯片实现计数；另一种是利用单片机控制实现计数。应用计数芯片，通过一些基本的数字电路知识，来配合计数芯片实现计 数，然后驱动数码管显示。这种方式线路比较复杂，但是技术成熟，而且很容 易进行仿真，比较适合学习用。利用单片机控制实现计数，具有电路设计简单、抗干扰能力强、稳定性能 好、电路成本低、应用范围广等优点，其功能可以通过软件实现，并且实现的 方式比较灵活，适合实际应用，是一种很理想的设计方案，但是不宜通过软件 进行仿真。根据本次毕业设计使用Multisim 2001软件仿真的要求，我们选择第一种方 式即应用计数芯片实

23、现计数功能。2.1传感器的分类及工作原理传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信 息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2.1.1传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传 感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光 电、光栅、热电偶等传感器。3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量 “ 1”和0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型 传感器；输出为脉冲

24、或代码的数字型传感器。2.1.2传感器的工作原理1、电阻式传感器：其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变 化，再经过相应的测量电路而最后显示被测量值的变化，电阻式传感器与相应 的测量电路组成测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭距、测温度等测 试系统。2、 电位器式传感器：电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感 器，可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为有一定函数关系的电 阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。3、 电感式传感器：是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装 置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理 量。

25、电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自 感或互感的变化时，一般利用磁场作为媒介或利用磁铁的某种现象。这类传感 器的主要特征是具有线圈绕组。电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠， 输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨率高，示值误差一般 为示值范围的0.1%0.5%，稳定性好。它的缺点是频率响应低，不宜用于快 速动态测量。4、 电容式传感器：电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件。电容式传感器已经在位移、压 力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广 泛的应用。电容式传感器的精度和稳

26、定性也日益提高，高达0.01%精度的电容式传感器在国外已有商品供应。优点是温度稳定性好，结构简单、适应性强， 动态响应好，可以实现非接触测量，具有平均效应。缺点是输出阻抗高，负载 能力差，寄生电容影响大，输出特性非线性。5、 磁电式传感器：是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等 转 换成电信号的一种传感器。6、 压电式传感器：利用压电材料的压电效应，将机械能转化为电能，属 于典型的有源传感器。它的敏感元件由压电材料制成。常见的压电材料有石英 晶体、人工合成的多晶体陶瓷（如钦酸钡、错钦酸铅等 以及有机高分子聚合物 PVDF工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。此电荷 经电

27、荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等 （见压电式压力传感器、加速度计 。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比 高、结构简单、工作可靠和重量轻等。由于压电传感器的动态响应好，在动态 测量中使用广泛。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应 差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。7、 光电式传感器：是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由光的粒子学说可知，光可以认为是由具 有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光

28、照射在物体上就可以看成是一连串的具有能量E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为 E的光后产生的电效应。2.2传感器的选用分析传感器种类繁多，不同工作原理的传感器应用于不同的产品研究及开发。 因此，传感器的选择是完成本设计的重要部分。1、 电阻式传感器：无法进行频率测量，因此不适用于本课题的设计。2、 电容式传感器：由于不能进行微信号测量，因此不适用于本课题的设 计。3、 电位器传感器：是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移 等几何量的一种传感器，因此不适用于本课题的设计。4、电感式传感器：其分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范围大 时，分辨力和示值精度将相应降低。

29、因此不适用于本课题的设计。5、磁电式传感器：载流半导体在磁场中由电磁效应而输出电动势，因此 不适用于本课题的设计。6、磁阻式传感器：与电磁感应相关，因此不适用于本课题的设计。7、光电式传感器：由于光电测量方法灵活多样，可测参数较多，一般情 况下具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，所以光电式 传感器适用测量心率。&压电式传感器：它可以把加速度、压力、温度、湿度等许多非电量转 换为电量。具有灵敏度高、结构简单、动态响应好等优点，所以压电式传感器适用测量心率。由此可见，光电式传感器、压电式传感器是可以满足心率测量要求的。根 据本次课题设计要求，我们选用压电式传感器。本次设计采用半导

30、体压力传感 器2S5M，其敏感元件为半导体应变片。压力传感器 2S5M用恒流源供电比用 电压源供电的测量精度高，故测量电路采用恒流源的供电形式。这里的电流源 不是采用电流源元件，而是用放大器电路取得。具体的电路及其原理说明见第 二章。2.3设计方案通过放大电路、滤波电路及整形电路出来的信号为脉冲信号。脉冲信号的 频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即一 。可以看出测量fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测 量。对于不同的频率范围，有三种不同的测量方法。1、周期测量法：采用单片机内的一个定时 /计数器，以单片机内的标准机 器周期作为标准时基信号Tso被测信号

31、的周期作为信号闸门，由程序控制开关 对时基进行计数得nx,因此被测信号周期为二，每分钟脉搏跳动次数为 I 。2、频率测量法：也叫倍频法，根据频率计的原理，将被测信号倍频后， 测量其在闸门时间内的脉冲个数，即为心率值。例如设心率为每分钟n次，则频率测量电路不直接测量心率脉冲数，而用一个计数器的8倍频后的信号进行计数，并规定计数时间为7.5秒，贝U 7.5秒内的计数值为8n/60) 7.5=n。可见，该计数值恰好等于所需测定的心率。此次设计采用频率测量法，这种方法采用的电路结构简单，易于实现，可 以在几秒内测得相对可靠的心率值。第三章硬件电路设计3.1心率计工作原理框图本次数字心率计的设计可分为以

32、下几个模块：测量电路、放大整形电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路等。其原理方框图如图3-1所示:图3-1心率计原理框图1、传感器部分。选用合适的传感器，将物理信号转换成电信号输出。传 感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了心率的测量精度，因此其 选型对整个设计具有决定性的作用。2、信号放大电路部分。从传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级， 需要进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放 大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。3、滤波与整形电路。心率信号是低频信号，低频滤波电路可以将放大后 信号中的中高频信号滤除，然后通过整形将模拟的不规则的信

33、号转变成便于信 号处理的数字脉冲信号。4、倍频电路。提高整形后脉冲信号的频率，以此在短时间内测得心率的 数值。5、闸门电路。产生短时间的控制信号，控制测量时间。6、控制电路。用以保证在基准时间控制下，使倍频后的脉冲信号送到计 数器进行计数。7、显示电路部分。由计数译码后的心率值最后送往 LED显示电路直观地 显示出来。所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现心率值的显 示。考虑到每个模块都可以有多种实现方案，下面通过比较各种方案，来选择 最优化的实现方案。3.2电源供电电路心率计的正常测量、信号输出离不开电源。根据心率计的工作原理，电源 可以采用交流供电和直流供电两种方式。通常情况下，交

34、流电压采用220V的电压等级，直流电压采用土 5V土 15V的直流电压等级。3.2.1采用交流220V电源供电方式交流220V的供电方式主要原理是，通过整流桥进行整流滤波，将交流电 压变为直流电压再给心率计进行供电。主要工作过程是，先利用隔离变压器将 220V的电压进行降压，得到所需电压，然后通过整流设备进行整流、滤波，再 输出稳定的直流电压提供给心率计。3.2.2采用直流电源供电方式便携式心率计一般采用三节 5V直流干电池直接对电路进行供电，这种供电方式方便、实用这次心率计设计中，交流供电、直流供电两种方式我们都可以采用。也可 以同时采用两种供电方式在仿真实验中实现。3.3测量电路心率信息的

35、采集，是要依靠测量电路来实现的。测量电路在心率测量过程 中起着“先行官”的作用。没有准确的测量，那么一切数据信息都将没有意 义。实现测量目的的重要元件就是传感器。当前传感器技术发展迅速，我们可 以在设计过程中选用技术成熟的成型传感器。根据前面的方案论证，满足心率 计要求的传感器有：光电式传感器和压电式传感器。我们此次设计选用压电式 传感器。本设计以测量心脏跳动频率为目的，通过查阅大量相关资料，常用的心率 测量可有以下三种方案：一是通过测量单位血管长度血液流量的变化来测量心 跳的频率；二是通过测量心脏跳动流过传感器时对传感器的压力的变化来测量 频率；三是利用心脏跳动时的振动来测量。方案一：通过测

36、量单位血管长度血流量的变化测心跳频率实现此种方式测量的传感器主要以液态传感器、光电传感器为主，这两种 传感器均是利用血液流过传感器时，单位长度血管内血液体积的变化引起电信 号的变化。不同的是前者是引起传感器测量范围内电阻的变化，从而引起电压 的变化，转化成电信号进行测量。而后者是由血液体积的变化引起光线通过人 体后明暗的变化来触发光电传感器而得到电信号。这两种传感器都有较高的灵 敏度，但也都有各自的缺点。液态传感器由于本身结构特点的限制使测量过程 并不十分方便，而光电传感器对光线通过人体的厚度有较高的要求，只能测量 手指、耳朵等相对较薄的地方。这两种传感器均只能用于专业的医用领域和其 他特殊领

37、域，而不适用于家庭保健，因此不作为本次设计选用的传感器。方案二：利用心跳时的振动来测量此方案是利用心脏的跳动来触发振动传感器，这种振动传感器当在某一方 向有振动时，传感器就被触发导通，没有外力时就不导通。但大多数振动传感 器都具有方向性，且由于传感器结构的原因，大多广泛用于汽车、摩托车、自 行车、家庭财产及贵重物品等各种不同类型的防盗报警装置上，在测量人体心 跳、脉搏等方面很少用到，故此方案也不作为本次设计采用。方案三：通过测量对传感器的压力的变化来测量频率实现此方式测量所选用的传感器多为压电传感器和电容式传感器，其工作 原理是利用人体的血压变化来测量心跳频率的变化，人体心脏在跳动的过程 中，

38、血压也随着心脏的跳动而变化，进而引起力敏元件的物理效应，转换成电 信号进行测量。电容式传感器灵敏度高，动态响应好，但输出阻抗高，负载能 力差，受寄生电容影响大，输出特性为非线性，不适合本设计采用。3-1)压电传感器是利用压电材料的压电效应来进行工作的，所谓压电效应就是 某些材料在沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两 个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态；当作 用力方向改变时，电荷的极性也随着改变。压电材料所产生的电荷量与外力的 大小成正比。压电式传感器大多采用差分式电桥结构，此种传感器技术相对比 较成熟，灵敏度高，结构简单，工作可靠，质量轻，应用

39、广泛，比较适合本设 计采用。作为家庭生活保健用品，选择一款质量、体积都比较小，性能稳定 的，价格适中的压电传感器为妙。3.4传感器的性能3.4.1传感器的型号选择本次设计选用半导体压力传感器 2S5M，其敏感元件为半导体应变片，应 变片受到压力后电阻的变化可用下式表示：其中 R电阻的变化量；R应变片的电阻；K 应变灵敏系数；c应变；V 泊松比；S应变片的电阻率； S电阻率的变化量。式中第一项决定于电阻体的大小和形状，第二项决定于电阻率的变化量。金属应变片的应变系数 K较小，K最大为二。但半导体应变片由于压敏电阻效 应引起很大的电阻变化，K可达100到150.因此半导体压力传感器的分散性很 大，

40、这给成批生产带来不便，需将放大器的增益设计成可调的。该传感器的初始偏压在-10mV左右，利用偏移电压相互补偿，可达到0，实现零点温度补偿。3-2)342传感器的供电电路压力传感器2S5M用恒流源供电比用电压源供电的测量精度高，故测量电 路采用恒流源供电的形式。这里的电流源不是采用电流源元件，而是用运算放 大器电路取得，具体的电路见下图，27kQ和3kQ电阻分压，集成运放的输出电流即为传感器的输入电流，这个电流不随负载即传感器)的变化而变化，基本是一个恒流源，保证了测量精度。运放的正输入端其电位为:其中要求27kQ和3kQ电阻的阻值极为精确，其温度系数要小，应选用金 属膜电阻。运放的负输入端电位

41、为：3-3)二因此，运放的输出端的输出电流即传感器的输入电流：3-4 )_=_I传感器的桥式电阻为0.89kQ,因此传感器2S5M上的压降为:3-5)13-6)因此电源电压完全满足要求输入3-7)再加上电阻375Q上的压降为:3.5放大电路由传感器出来的电压信号较弱，在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设 计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当 的信号，便于后续电路的处理。方案一：采用通用运算放大器 LM324构成的同相放大电路由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用同相放大器，经测试LM324性能良好，工作可靠，且价格合理，所以本次设计选用此集成运放。原理图如下：

42、从图3-2中可以得到:I 3-8)_13-9)_J 3-10)考虑到每个人个体之间的差异，人与人之间脉搏信号的强弱不同，反映在 脉搏波形中即是幅度不同。为了使该设计能适用于不同的人，在设计的时候， Ri采用滑动变阻器，通过调节其电阻，可以改变放大倍数。输出图3-3同相比例放大电路幅频特性。理想滤波器的幅频特性如图所示。图中,w1和w2叫做滤波器的截方案二：用多级级联的单管放大电路放大一般情况下，单管放大电路的电压放大倍数只能达到几十倍，放大电路的 其他技术指标也难以达到实际工作中提出的要求，因此，在实际的电子设备 中，大都采用各种各样的多级放大电路。但是此方案的电路的元件较多，集成运放简单可靠

43、，且同相比例放大电路 输入电阻高，所以此次设计选用 LM324组成的同相比例放大电路来放大被测信 号。3.6滤波整形电路要求心率计在计数的基础上，通过数码管将测量的数据显示出来，这就必 须将模拟信号转换成可以计数的数字信号。这部分的实现是通过滤波整形电路 来完成的。这个模块的电路可分为滤波电路和整形电路两部分。3.6.1滤波电路理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的止频率。理想LP(b)理想HP(c)理想BP图3-4理想滤波器幅频特性通过与无源滤波器对比可以知道，一阶低通有源滤波器的通带截止频率与 无源低通滤波器相同，均与 RC的乘积成反比，但是引入集成运放以后，通

44、带 电压放大倍数和带负载能力得到了提高。心率信号是低频信号，为防止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，同时把被测信号放大。为了使心 率信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数在1.6倍左右。一阶低通有源滤波器如图所示：根据虚短和虚断的特点，可求得电路的电压放大倍数和通带截止频率为:3-11)3-12)3-13)由于一阶低通滤波器的幅频特性与理想的低通滤波特性相比，差距很大。 为改善滤波特性，此次设计中选用二阶低通有源滤波器，其通带电压放大倍数 和通带截止频率与一阶低通滤波器电路相同。二阶有源低通滤波器电路图如下图3-5 一阶有源低通滤波器因为

45、被测信号混有1000Hz的干扰尖脉冲，所以设计的有源滤波的截止频 率为1000Hz左右。取参数为C1=C2=0.1uF,Ri=R2=1.6k莒为保证信号幅值达到 整形电路所需的电压值，通常放大倍数为1.6倍左右。3.6.2整形电路心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、滤波的模拟信号转 换成数字脉冲信号，当然这是在不改变信号频率的前提下完成的。将模拟信号 转换成数字脉冲信号的方案，可以有以下两种可供选择：一是利用电压比较 器，二是利用555时基电路组成的滞回比较器作为整形电路。方案一：利用集成运放组成的电压比较器根据比较器的阈值电压和传输特性来分类，常用的比较器有过零比较器、 单限比较

46、器、滞回比较器和双限比较器等。各种类型的比较器可由通用集成运 放组成，也可选用专用的集成电压比较器。相对来说，通用集成运放组成的比 较器工作速度比较慢。集成电压比较器工作速度比较快，且在要求同样的响应 时间时，集成电压比较器的价格比较低廉。此外，集成电压比较器的输出电平 一般可与TTL等数字逻辑电平直接兼容，而无需外加限幅电路。各种比较器中最简单的一种是过零比较器，根据过零比较器，顾名思义， 其阈值电压UT=0V，电路如图3-7所示。集成运放工作在开环状态，其输出电 压为+U OM或-UM。当输入电压Uj0V时, UO=-UOM。因此，电压传输特性如图3-8。图3-7过零比较器图3-8过零比较

47、器的传输特性过零比较器电路简单，可实现波形的整形作用。方案二：利用555时基电路输出1.电路组成及工作原理LEJ图3-9555定时器构成的施密特触发器1） VI =0V时，VOi输出高电平。2）当V上升到时，V1输出低电平。当V由继续上升 Voi保持不变。2.电压滞回特性和主要参数电压滞回特性图3-10施密特触发器的电路符号和电压传输特性主要静态参数1）上限阈值电压VT+-V上升过程中，输出电压VO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。凶2）下限阈值电压 V V下降过程 中，VO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。目3）回差电压 VT,回差电压又叫滞回电压

48、，定义为 VT= VT+VT=卜 3-14）若在电压控制端 Vc V =VS/2、 VT=V/2，而且当改变Vs时，它们的值也随之改变。方案三：用集成施密特触发器U1AU1A74LS14D74LS14D图3-11 74LS14D图形符号由于集成施密特触发器电路简单，工作可靠，故此次设计的整形电路选用 集成施密特触发器74LS14D。3.7倍频电路要在短时间内完成每分钟心跳次数计数功能，而在整形电路中，整形后的 信号与原信号的频率是相同的，如果要测其每分钟脉冲数，则至少应测量一分 钟才可以实现，为了缩短测量时间，必须将整形后的信号的频率加倍，这样就 可以满足在短时间内完成测量任务的要求。显然，若

49、将原信号频率变为原来的 N倍则测量时间就可以缩短为原来的 1/N。因此，此次设计采用倍频电路来提 高被测信号的频率，减少心率测量的时间。3.7.1利用CD4046锁相环及计数器构成的倍频电路CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽CP1CD132768Hz丰丰 56pF100pF Key=A50%图3-15石英晶体多谐振荡器说明：图中4060BD的3脚输出频率为2Hz的方波信号，经D触发器二分 频后1脚输出脉宽为1s的方波信号。振荡频率由石英晶体自身决定，这里如果 取fo=32768Hz，经过分频器 分频器可由各种进制的计数器实现，比较简单， 不再叙述）分频，可以得到

50、一系列低频信号。其优点是产生的时间基准十分精 确，误差小，电路稳定，缺点是只能产生频率为2n的方波信号，在本电路中需要7.5s及15s的时间信号，因而需要将上述基准信号进行42分频得到周期为1s的方波信号，然后再通过 5进制及15进制的计数器得到相应的时间控制信 号，这样电路接线极其复杂，成本高，不易调试。方案二：用555定时器构成的多谐振荡器65131244013BD_5V图3-16 555定时器的电气原理图和电路符号（a原理图b ）电路符号1. 555定时器内部结构:1）由三个阻值为5k Q的电阻组成的分压器; V-, vo=1 ；v+v V- , Vo=0。V3）基本RS触发器；图3-1

51、7电压比较器4）放电三极管T及缓冲器G。2.555定时器构成的多谐振荡器如下图所示，R1、R2、C是外接定时元件+Utc+Utc卜卜Tc图3-18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G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I: 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 T 1=R+R2)CO自动翻转I:当电容 C充电，Uc上升到 时，比较

52、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=UO|，Td饱和导通。暂稳态U: 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T 2=R2 C O自动翻转U:当电容C放电、Uc下降到 _I 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IO3.振荡参数暂稳态I维持时间：3-15)3-16) 3-17) 3-18)电容充放电时间为:占空比：LzsJ3-22)暂稳态U维持时间:电路振荡周期：电路

53、振荡频率：占空比：3-19)上面的电容的充电时间总是大于放电时间，输出的波形不可能对称，所以 选用占空比可调的多谐振荡器，其电路图如下：+ + VccVcc图3-19占空比可调的多谐振荡器 3-20) CE1 1D4518BD4518BD 15V15V图3-22 4518BD的符号图表3-1 4518BD的真值表CPENMR工作方式上升沿HL加计数L下降沿L加计数下降沿XL不变X上升沿L不变上升沿LL不变H下降沿L不变XXH输出0其引脚功能如下：CP1:时钟输入端,EN1 :计数使能端1A, IB, 1C, 1D:计数输出端，输出为二进制MR :复位端，高电平有效。本次设计中译码锁存器选用芯片

54、 4511BD，它是7段BCD锁存译码驱动器，其引脚图如下:U1U14514511BD1BD 5V5V * -mrm图3-234511BD引脚图表3-2 4511BD的真值表ELBICTDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000bla nk011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011111118011100111100119111XXXX*其

55、他0 000000Bia nk其引脚功能说明如下：BI: 4脚是消隐输入控制端，当BI=O时，数码管不显示任何东西。LE:锁定控制端，当LE=O时，允许译码输出，LE=1时译码器处于锁定保 持状态。LT : 3脚是测试信号的输入端，当BI=1时，LT=O时，数码管将全部显示 这主要用于测试7段数码管有没有物理损坏。A3,A2,A1,A0为8421BCD码输入端，高位到低位依次为 A3A0。a，b，c，d，e，f，g为译码输出端，输出高电平有效。第四章仿真结果与分析4.1 Multisim 2001的功能及特点Multisim 2001是电子线路仿真软件 EWB（Electro nics Wor

56、kbe nch,虚拟电子 工作台的升级版。Multisim是一个完整的设计工具系统，提供了非常强大的元件数据库，并 提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能FPGA/CPLD综合RF设计能力和后处理功能。还可以进行从原理图到PCB布线工具包 如ElectronicsWorbench的Ultiboard）的无缝隙数据传输。Multisim 2001用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器 和仪表，实现了 软件即元器件”和软件即仪器” Multisim 2001是一个原理电 路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim 2001的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，

57、同时也可以 新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产 品使用手册中查到，因此可很方便地在工程设计中使用Multisim 2001的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪 器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；还有一般实验室少 有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失 真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim 2001具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分 析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析 和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分 析方法

58、，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim 2001可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、 模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路 中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同 故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所 有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、 显 示 波 形 和 具 体 数 据 等。Multisim 2001有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能说明，Help中这种元器件功能说明有利于使用 Mult

59、isim 2001进行CAI教案。另外，Multisim 2001还提供了与国 内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排 版，同时还支持 VHDI和Verilog HDI语言的电路仿真与设计。禾U用Multisim 2001可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与 实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实 验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各 种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打

60、印 输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件， 实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高； 设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。Multisim 200l易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控 制类专业学生学习和进行综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开 发和创新的能力。4.2测量电路传感器电路不需要仿真，其供电电路为恒流源，仿真电路图如图4-1所示，其输出完全符合传感器的电源要求。15VR4 890 QVEE LM324DVEE-15VR6 890 Q图4-1恒流源电路R8375 Q瘵：FunctionFunctio