课程设计电子心率计的设计

1、课程设计说明书正文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跳的次数，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。 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；将其作为计数控制信号，用基准时间一定的方波作为计数脉冲在一个心跳周期内计数，计数值n与基准时间t的乘积就是一次心跳的时间。再对“60/基准时间t”个脉冲进行n分频，对分频后的信号计数，其计数值则为本次心率数值。之

2、后计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入的频率进行f/v转换后与标准电压值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即led灯亮。流程图如下。 一级放大电路电压跟随器传感器电压比较整形电路二阶有源低通滤波二级放大电路n值计数转换为控制信号施密特触发器二次整形60/t脉冲发生电路可预置数计数器f/v转换电路n分频信号计数译码显示电路电压值比较报警电路2：电路设计，元器件参数计算及选择2.1：传感器的选择:红外线检测原理：随着心脏的博动，人体组织半透度随之改变，当血液流回心脏，组织半透度增大，这种现象在人体组织较薄的指尖、耳垂等部位最明显。用红外发光二极管产生红外线照射到人体上述部位，并用

3、装在一旁的红外光电管来检测机体组织的透明度并转换成电信号，其信号频率与脉搏频率相对应并且其为低频近似的正弦信号。tcrt5000(l)具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上，利用红外光谱反射对象存在另一个对象上，操作的波长大约是950毫米。探测器由光电晶体三极管组成的。2.2：后级电路的设计：跟随器：电压跟随器： 电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级

4、及隔离级。因为，电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输出阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。仿真图：黄色信号（下）为输入信号。蓝色信号（上）为输出信号。由图中可以看出，输入输出信号基本相等。2.3:放大电路的设计传感器输出为微弱信号，需进行放大后才便于后续电路的处理。考虑到后续电路中滤波器电路也具有信号放大的功能，所以放大器的放大倍数不宜过大，初步选择为660

5、倍。设计电路的原理如下：rfr1信号输入端 信号输出端r2222 其放大倍数的计算公式为: a=rfr1二级放大电路：由图可知a1=20 ，a2=33a=a1*a2=660二级放大电路仿真图：黄色信号（下）为输入信号（其一格为2mv）蓝色信号（上）为输出信号（其一格为2v）2.4：滤波器的设计 干扰信号对测量结果带来很大的误差，对信号进行分析与处理时, 常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题, 这些噪声有的是与信号同时产生的, 有的是传输过程中混入的。因此, 从接收的信号中消除或减弱干扰噪声, 就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性, 消除或减弱噪声,提取有用信号的

6、过程称为滤波, 实现滤波功能的系统称为滤波器。在测量的过程中，对于心率计的信号干扰主要是高频信号的干扰，所以设计的滤波器的为低通滤波器，通带截止频率设置为1000hz，在所有的低通滤波器中，二阶有源滤波器具有时域响应快，截止性能良好，并且有一定的电压放大倍数的特点，故选择滤波器为二阶有源滤波器。有源二阶滤波器基础电路如图1所示：图1 二阶有源低通滤波基础电路它由两节rc滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0 为截止频率），电路的每级rc 电路的相移趋于-90º，两级rc 电路的移相到

7、-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为： 令 称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率 则要求截止频率f0=1000hz；品质因数q=0.707。低通滤波器的通带电压增益 =1.586。选择c=82nf,选择标准电阻r=9.09 k，rf=2.55 k。二阶有源滤波电路：二阶有源滤波电路仿真：（蓝输出信号 黄输入信号）模拟信号输入时由于二阶有源

8、滤波电路的通频带增益有了一个放大的效果这样加上前二级放大电路的放大作用，总电压放大倍数为1046.76，则可以将mv级信号放大到v级。1khz频率信号输入仿真：如仿真波形所示：当频率大于1000hz的信号输入时，电压衰减为0，取得了良好的滤波效果2.5：整形电路：输入信号进入后将首先通过比较器将正弦型信号转变成-5v5v的方波信号，之后方波信号进入施密特触发器进行进一步的整形，将信号转换为0v5v的数字信号，并提高信号的上升和下降时间，有利于信号的分辨与处理。施密特触发器是脉冲波形变换中常用一种电路，它在性能上有两个特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中电路转换时对应的输入电平，与输入信号从

9、高电平下降的过程中对应的输入电平不同。第二，在电路转换时通过电路内部中的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡。利用这两个特点不仅可以使边沿变化缓慢的信号整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将噪声有效地消除。整形电路仿真：经施密特触发器整形前后的信号比较：2.6：555定时器电路：555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 rs 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 c1 的同相输入端的电压为 2vcc /3，c2 的反相输入端的电压为vcc /3。若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 c2 的输出为 0，可使 rs 触发器

10、置 1，使输出端 out=1。如果阈值输入端 th 的电压大于 2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc /3，则 c1 的输出为 0，c2 的输出为 1，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平。引脚功能：1接地gnd 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限（阈值） 7放电 8电源电压vcc参数功能特性： 供应电压 4.518v 供应电3-6 ma 输出电225ma (max) 上升/下时间100 ns 存储温度范围 -65 至 +150 工作温度 0 至 +70构成多谐振荡器，组成信号产生电路： 多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一

11、暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。接通电源后，假定是高电平，则t截止，电容c充电。充电回路是vccr1r2c地，按指数规律上升，当上升到时（th、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，t导通，c放电，放电回路为cr2t地，按指数规律下降，当下降到时（th、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管t截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，振荡周期： t=（r1+2r2）cln2 设计电路定时时间为0.05s取r11=42k,r12=700k,c4=50nf。555定时器仿真图：2.7：控制信号电路：此电

12、路使用d触发器对心跳信号做了2分频，则此时输出信号的高低脉冲时间为一次心跳的时间，此信号作为电路的控制信号，其实现的功能是高电平时间为计数时间，而低电平时间成为了后续电路载入n值进入预置数计数器的时间等待下一个高电平时间开始计数处理。控制信号仿真：黄色信号为输入的模拟心跳信号。蓝色信号为整形后的输出信号。紫色信号为转换后的控制信号。2.8：n值计数电路:采用芯片为74ls160十进制计数芯片管脚图介绍：时钟输入 cp 四个数据输入端 p0p3清零 /mr计数控制端 cep，cet置数 pe数据输出端 q0q3进位输出端 tccp(clk)cepcet/mrpeq3q2q1q0xxx低电平x00

13、00上升沿高电平高电平高电平高电平十进制计数状态x低电平x高电平保持计数值xx低电平高电平保持计数值xxx高电平p3p2p1p0仿真图(输入信号频率为1hz)：2.9：1200脉冲产生电路：采用芯片为74ls161四位二进制计数芯片管脚图介绍：时钟cp和四个数据输入端p0p3清零/mr使能cep，cet置数pe数据输出端q0q3以及进位输出tc. (tc=q0·q1·q2·q3·cet)利用3片74ls161可以对输入脉冲进行计数，当计数到第1200个脉冲时，停止计数保持计数值，并产生一个控制信号使可预置数计数器清零，直到下一个心跳周期到来后重新清零计数

14、器进入下一个工作周期。2.10：n位预置数计数器：此计数器是对1200个脉冲进行n分频，首先将n值计数器的计数值取反，之后输入到n位预置数计数器中等待心率控制信号的低电平，之后送入到计数器中，从此时的计数值到产生溢出信号之间的计数值为n，对rco的溢出信号计数直到1200计数器产生清零信号，这之间的计数值为心率值。2.10心率计算及译码显示模块：使用74ls48 bcd数码管段码芯片74ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数或功能输入bi/rbo输出备注 ltrbid c b a abcdefg0hh0 0 0 0h111111011hx0 0 0 1h01100002hx0 0 1 0

15、h11011013hx0 0 1 1h11110014hx0 1 0 0h01100115hx0 1 0 1h10110116hx0 1 1 0h00111117hx0 1 1 1h11100008hx1 0 0 0h11111119hx1 0 0 1h111001110hx1 0 1 0h000110111hx1 0 1 1h001100112hx1 1 0 0h010001113hx1 1 0 1h100101114hx1 1 1 0h000111115hx1 1 1 1h0000000bixxx x x xl00000002rbihl0 0 0 0l00000003ltlxx x x x

16、h11111114对n位预置数电路产生的溢出信号计数，将计数值（bcd码）转换为段码输出，在数码管上显示出来。2.12：报警模块：本模块利用lm131系列芯片作为f/v转换器，f/v转换器是把频率变化信号线性的转化为电压变化信号，它主要包括电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器三部分。输入信号通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳态触发器，随即产生定宽t、定幅度u的输出脉冲序列。将此序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率f的输出电压u,且u=t*u*f。该电路采用了lm131作为f/v转换器，查得基本电路如下图，其频率电压转换关系式为 取=10k, =10k, =10k, =

17、100uf。将转换后的电压与预设的上下限电压比较，如果超出允许的范围则点亮led灯。预设电压值：下限上限心率电压值（v）心率电压值(v)老人1001.2541500.836婴儿901.3931201.045成人602.09901.393最后仿真结果1（信号频率为1hz(60次/分)）：最后仿真结果2（信号频率为0.5hz(120次/分)）：3：本次课程设计的体会这次课程设计经历了两周时间，在这两周的时间内，有了和平时不一样的学习感受。首先课程设计的自主性很高，完成课程设计任务书中的要求所需的电路，材料，芯片都由自己来决定，这样对以后步入社会独立解决工作中的问题积累了基本的经验。再次，课程设计充

18、分调动了我以前所学过的知识，让我把数点，模电中所学过的知识组合运用起来，并且加深了我对某些知识的理解，以及对一些容易在理论中忽略但在实践中不可轻视的知识点有了更好的掌握，重温了很多以前没掌握和没掌握好的知识点。在这次设计中遇到了许许多多的困难，而在此时通过与同学交流和上网查阅资料将它解决之后，我发现原来自己也可以解决实际的问题，而不单单只是算几道题，做几份试卷，虽然知识原理上的设计与电脑平台上的仿真，但这和解决几道题的感觉完全不一样，我发现自己可以将学到的知识运用到实际当中去，不在只是做各种参数的运算，这两种学习方式在实践中学习和在理论书籍中学习给我不同的感受，理论学习目前看来就是学习电路的原理，计算电路的参数，而在课程设计中不单单有电路参数的计算和原理的把握，更有一些细节信息的处理，资料的查询，对于以后实际工作中处理问题积累下了基本的经验。总的来说，在这两个周中，我不但温故，还知新了，收获了很多，虽然累了点但还是觉得很值得。3：参考资料清单【1】：杨素行.模拟电子技术基础简明教程.清华大学电子学教研组.高等教育出版社.2006年第三版【2】：阎石.数字电子技术基础.清华大学电子学教研组.高等教育出版社.2006年5月第五版【3】：张国雄.金篆芷.测控电路.天津大学.机械工业出版社.2001年1月4.器件清单序号名称型号数量1放大器lm3247片2