多功能心率计(04)

1、题 目 多功能心率计 班 级 学 号 姓 名 时 间 2013年12月13日 景德镇陶瓷学院EDA训练任务书姓名_ _ 班级 指导老师： 设计课题：EDA训练设计任务与要求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&

2、#177;4次/分钟。设计步骤1、 查阅相关资料，开始撰写设计说明书；2、 先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、 依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、 列出标准的元件清单；5、 总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。参考文献1阎石主编. 数字电子技术. M北京：高等教育出版社，2006年2 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. M北京：国防工业出版社，2005年3 康华光.电子技术基础（数字部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-4244 稻叶保.振荡电路的设

3、计与应用M.北京：科学出版社，2004.29-99目 录1、 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2、 流程图. . . . . . . . . . . . . . . . . . .3、 方案论证 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4、 单元电路选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . .5、 电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6、 性能测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7、 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8、 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. . . . . . . . . . 附录A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 附录B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一、绪论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

6、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

7、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。二、心率计及报警器的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1、流程图三、 方案论证设计一个人体心率计，要求能够实现在30s内测量人的心率跳动次数，并且将心率次数显示出来。正常

8、人的心率数为6080次/min，婴儿为90100次/min，老人为100150次/min。方案一1、传感器 将心率跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。2、 放大整形电路 把传感器的微弱电流，微弱电压放大。3、倍频器 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将30s内传感器所获得的信号频率2倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。4、控制电路 用555定时器以保证在基准时间控制下，使2倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。5、计数、译码、显示电路 用来读出心率数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。上述测量过程中，由于对脉冲进行了2倍频，计数时间也相应地缩短了2倍(30s)，而数码管

9、显示的数字却是lmin的心率跳动次数。用这种方案测量的误差为±2次min，测量时间越短，误差也就越大。电路原理框图如图2所示。倍频器基准时间产生电路放大与整形计数译码显示器控制电路传感器图2、 方案一脉搏计原理框图方案二测量心率跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为没分钟的心率数。电路原理图如图3所示。基准时间发生器传感器放大与整形六进制计数器门控电路定脉冲数产生电路8位二进制计数器可预置8位计数器译码、显示电路图3、 方案二脉搏计原理框图这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻巧而便

10、宜，通常采用第一种方案。本文进行的设计就基于这一方案。四、单元电路的选择采用的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40mV±1.5mV，在0+85范围内有较好的温度补偿效果；线性度可达±0.1%FS±0.25%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）。图4、参数五、电路设计一、

11、传感器心率传感器也是脉搏传感器的作用是将心率信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。目前典型的心率传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把心率跳动转换为电信号，其原理电路如图5图5 红外光电传感器二放大与整形由于传感器输出电阻比较高，本次课程设计中的放大电路采用了同相放大器，如图所示，运放采用了OP07，电源电压采用正负5V，放大电路放大倍数为20倍左右。整形电路在这里采用了最为简单的与非门电路。电路如图6所示。图6 放大与整形电路三、倍频电

12、路1、二倍该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行2倍频，以便在30s内测出1min内的人体心率跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的2倍频电路。电路如图7所示。图7、 倍频电路2、四倍在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8。图8、 四倍频电路图四、定时

13、电路555定时器是为了试验在30s内完成任务，使单稳态的时间长度为30s。所以定时时间为30s。本试验采用555单稳态定时电路。工作原理大概如下：开关打上，RST、VCC都为高电平，由于有电容C3的存在、THR和THI为低电平。此时输出为低电平，随着电容的充电，当时间达到30s的时候，电容两端电压为2/3VCC,THR和THI为1/3VCC，此时输出变为低电平。时间常数有t=1.1RC可以求得。取C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M欧。手动清零，只需将将开关断开就可以，电路如图9所示。图9、 定时电路五、计数译码显示采用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，

14、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10、 计数锁存显示电路六、总体电路原理相关说明本电路采用了红外光电转换通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号传感器由于输出电阻比较高所以放大电路采用了同相放大器运放采用了OP07，电源电压采用正负5V，放大电路放大倍数为20倍左右，脉冲电压通过整形电路这里采用了最为简单的与非门电路该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行2倍频，以便在30s内测出1min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊

15、断效率。在通过55定时器目的为了试验在30s内完成任务，使单稳态的时间长度为30s。所以定时时间为30。55定时器的工作原理是如上图所示开关打上，RST、VCC都为高电平，由于有电容C3的存在、THR和THI为低电平。此时输出为低电平，随着电容的充电，当时间达到30s的时候，电容两端电压为2/3VCC,THR和THI为1/3VCC，此时输出变为低电平。时间常数有t=1.1RC可以求得。取C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M欧。手动清零，只需将将开关断开就可以路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来的功能。六、 性能的测试本次课程设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体心

16、率跳动。如图11所示。 图11、 函数信号发生器一、 放大电路测试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

17、响电路的对称性。 图12、 三运放高共模抑制比放大电路图13、LM741封装管脚图如下图所示，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 14、放大前与放大后的波形对比（A通道为信号源波形，B通道为放大后波形）二、倍频电路测试用2个异或门把频率放大2倍，电路如图10所示，波形如图15所示。图、15用Multisim模拟得出输入、第一级输出、第二级输出的波形如下图16。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16、 输入信号、二倍频

18、和四倍频三、定时电路测试本次课题中，要求用30秒测出1min的人体心率，所以用555定时器使输出端在30秒以内为低电平，30秒之后为高电平，用开关清零。电路如图17所示，波形如图18所示。图17 、 555定时器部分电路图18、 555定时输出波形4.电路整体性能测试在本次课程设计中当加入一个1Hz，10V的信号源时，在30秒时脉搏计上的示数为61，在题目要求的误差范围内其他测量值如表一所示表一 输入频率以及脉搏计显示示数输入频率脉搏计显示1hz610.5hz352hz130七、 结论本次设计基本实现了课题的要求，将心率跳动信号转换为对应的电脉冲信号，放大整形后进行二倍频，并在30s（基准时间

19、） 内对此信号计数，便得到了1min脉搏数在本设计过程中，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