数字心律计电子课程设计报告

1、信息科学与技术学院课程设计 课题题目: 数字心律计 指导老师：吴新春 指导单位：电子技术实验室 组 员：左济舟 20122405 刘舜碧 20122419目录1.摘要3设计 2.1 方案论证与设计 2.2 系统原理框图 2.3 主要电路设计与参数计算总体电路图5 5.1 本方案特点及存在的问题 5.2 功能拓展方案摘要安静状态下健康成人心率大约平均75次/分钟，正常成年人心率的波动范围为60-100/分钟，这次课题设计的任务就是通过感光传感器将脉搏信号转换为电压输出，再通过放大、滤波、整形等处理，转换为规整的方波信号；然后通过Verilog HDL编程语言实现和EP2C8T144自身晶振分频得

2、到分频信号进行处理，再检测感光传感器感应到的信号得到脉搏数，在数码管上显示，并且实现报警功能，显示心率过快（红灯）、心率过慢（黄灯）或是正常（绿灯），平均等得功能。关键字：数字心率计、滤波、时钟分频、Verilog HDL、EP2C8T144 Altium Designer方案设计A基本要求：实时数字显示心率值在心率过快或者过慢时有报警信号显示利用感光传感器提取指尖的脉搏信号转化为方波输出B提高要求：可显示心率过高，正常，和过慢可显示平均心率 模电部分：传感器获得电信号放大电压跟随器滤波（两个一阶高通滤波，两个低通滤波）整形得到几赫兹的方波信号，需用到运放，使用LM358数电部分：分频得到基准

3、时钟（在EP2C8T144芯片里利用其固有的50MHz频率进行分频编码）波形变换心率计算告警计算：心跳过快(150)，过慢（60），正常（60150）译码显示(两位半，高位灭零)，指示灯显示5mv左右，首先经过同向比例放大电路放大一万多倍，得到3V的信号，又由于50赫兹的工频干扰，信号需经过带通（0.23Hz-2.3Hz）滤波放大（放大倍数为256倍）电路的滤波作用滤掉干扰信号，并将输入信号进行放大。然后将得到的信号经过74HC14的反向处理就得到我们所需要的方波信号。 EP2C8T144自带晶振，可以通过编译一个分频的Verilog HDL语言模块将其中P17引脚引出的50MHz的频率分频得

4、到1KHz的基准信号，每当脉搏信号来一个上升沿（或下降沿）开始计基准波的个数，再来一个上升沿（或下降沿）是，计数清零，如此循环。脉搏信号一周期内基准波的个数为N，基准波频率为f，那么心率值就是，因为每一个心率值F对应有N，因此，每测得一个N，就对应一个心率值。 得到心率值后，通过数码管两位半显示心率值，并且将心率值与上下线值60和150进行比较，实现报警功能（慢、正常、快）。同时由一开关控制平均值的测量，开关按下，通过使用中间变量求和。 系统流程： 模拟部分 滤波（0.23-3.2Hz）信号提 取 整形 放大（94dB） 整形 （方波）滤波（50HZ）二次放大 计数报警数电部分 分频译码译码平

5、均2.3 主要电路设计与参数计算2.4 总体电路图测试步骤先确定实验方案，了解实验原理后就开始用Verilog HDL变成实现分频，计数，报警，平均值，译码的编程工作，生成相应模块，最后连接原理图，编程结束，锁定引脚，下载到EP2CT144，在实验箱上由PUSE时钟信号间断模拟一个信号进行输入，改变输入的脉冲频率，看数码管和LED灯的变化，结果正常显示，实现功能。对模电部分实验，先是在multisim 9中连接原理图测试是否通过，在实际操作中，先用示波器调出大约2HZ频率正弦运动的点，然后一步一步连接电路实现放大，滤波，整形功能。制作PCB板，先用Altium Designer软件建立原理图，

6、修改元件封装后，布局、布线，开始孔径，线宽都太小了，修改后进行热转印，之后就是腐蚀、钻孔，最后按照原理图焊元器件。这些做完后，就开始测试各项功能，先是用波形发生器输入脉搏模拟信号，测试基本功能可以实现，就是数码管显示和发光二极管的显示不同步，寻找原因发现碰接线柱示数明显变化，重新连接电源后，显示同步也正确。当用传感器，并对其输出信号放大、滤波、整形后输入，发现不能测脉搏信号，只有用手指敲打才会有示数，增大放大倍数效果还是不明显；并且在测试平均值功能时，按下控制开关示数随输入信号的变化而变化，检查发现开关接法错误，更正之后仍存在上面的问题。整个电路基本功能可以实现，提高部分的功能还存在一些问题。

7、测试数据及实验结果结论5.1 本方案特点及存在的问题5.2 功能拓展方案附录 4.1 模电部分 放大电路：输入为HZ，峰值为30mv的正弦波，用同向比例放大电路，放大一万倍左右，又电压跟随器的输入电阻很大，输出电阻很小，后面跟一个电压跟随器可以增大电路的带负载能力，增加电路的稳定性。 在输入端接1K电阻，取R2=1K，R3=100K 分频电路：由于有工频50HZ的影响，二阶滤波效果比一阶滤波好得多，故选择二阶低通滤波器滤掉干扰信号。 由，取f=0.1uF,R=100K，得截止频率f=15.9HZ，为防止自激震荡，取R6=R7=1K 整形电路：输入电压加在运放的反向输入端，电阻R8，R9接反向输

8、入端，Vcc为0V，输出端通过R10引回同向输入端，输出为0V或5V（实际为-0.7V,6.6V），门限宽度取为0.5V，那么R9+R8=11K,R10约为100K 电路分析及输出： 分压电路：因为输出的电压约为6.6V，而输入EPM570芯片的电压不能超过3.3V,，在输出端还要接分压电阻，三个100K的电阻串联接地，取其中1/3的电压到芯片里面。 大体思路：就是将模拟电路已经采集整形好后的脉冲信号作为外界输入，并测试一个脉冲周期内使用了多少时间。而测试时间时就需要一个标准周期的时钟信号来进行计数，然后再反过来计算出一分钟内有多少脉冲信号，并且实现译码在七段数码管上显示，同时超出或是低于设计

9、的正常范围时实现报警，并且有过高过低的提示。EP2C8T144自带晶振，其P17引脚频率为50MHZ，作为分频器的输入频率，经分频处理得到约为1KHZ的基准信号，并以此为基准计算两脉冲信号间的基准信号脉冲数，利用除法得到相应的心率值，报警显示有三种颜色红色代表心率过快，绿色代表心律正常，黄色代表心率过慢。 分频器源代码：/rst在该分频模块中是复位信号，一旦rst=1之后，分频出来的clk_2n信号将全部置0，即不能再实现分频功能，但是在整个大的模块里，它却是保持功能。分频信号clk是EP2C8T144由P17引脚自发产生出的标准50MHz的时钟信号，而我们要求将其分频为1KHz的时钟脉冲信号

10、，故我们要将50MHz的时钟信号从rst=0并且在clk触发沿时开始计数，计到25000时，clk_2n实现一个跳转，则得到半个周期，如此便是将50MHz分频为一个1KHz的时钟信号。其中cnt是中间计数信号，即计得一个25000时便归零重新计数，同时clk_2n实现翻转。module fenpin(rst,clk,cnt,clk_2n);input rst,clk;output clk_2n,cnt;reg 14:0cnt;reg clk_2n;always (posedge clk)begin if(rst)begin cnt=0;clk_2n=25000) begin clk_2n=cl

11、k_2n;cnt=0;end else cnt=cnt+1;endendmodule 计数器源代码：/其中I信号是指尖脉冲信号经过传感器已经在模拟电路整形好后的脉冲信号再经一个D触发器的信号。它是先将送过来的脉冲信号先进行一个二分频，以方便计数时可以只在I的高电平或者是低电平测量有多少个1KHz的时钟脉冲，当然我们的程序里是设定在I高电平时开始计数。这样计得得数就是模拟电路送过来信号在一个周期内有标准1KHz的个数。P具有计数功能。module jishu(I,clk_2n,p);input I,clk_2n;output 9:0p;reg 9:0p;reg J; /防止程序自动生成时是乱码.

12、always (posedge clk_2n)begin if(J=0)&(I=1) p=1; else p=p+1;endendmodule报警器源代码：/这里的I和计数器里的I是同一个信号，但是在这里他是作为输入的触发信号，H是计数器中计得的数字P，即将计数器中的计数输出接到报警源的输入里面。因为我们设置的正常范围是60-150次/分钟，即一次脉冲信号所用时间是6060=1s.所以用1KHz的时钟信号去触发时，计得的次数范围在400到1000次之间，即超过1000则指尖脉冲过慢（黄灯亮）即Y=1，而低于400则指尖的脉冲则过快（红灯亮）即R=1，而低于或高于正常就会发生报警（蜂鸣器响），即

13、G=0。当正常时绿灯亮，即G=1，且蜂鸣器也不会响。module baojing (I,clk_2n,H,G,Y,R);input 9:0H;input I,clk_2n;output G,Y,R;reg G,Y,R;reg J;always(posedge clk_2n)J=400&H1000) begin Y=1;G=0;R=0;end else if(H400) begin R=1;G=0;Y=0;end endendendmodule 测平均值的源代码：（本来要求的是测16次心率值的平均值，但是由于测16次时，编译有错，说芯片的内存不够，8次是也是这样，因此就测了4次得平均值）其中I依

14、旧是计数器中的定义，也只是作为触发信号，Q是计数器挤出来的p值，其作为输入，AN则是输出的平均信号，这里有一个中间计数变量CL即计四次才出现一个平均值，若未到第四次，则都输出的是原来的计数Q。module pingjun(I,clk_2n,Q,AN);input I,clk_2n;input 9:0Q;output9:0AN;reg 9:0A2,B2,C2,D2;reg11:0SUM;reg9:0AN;reg1:0CL=0;reg J;always(posedge clk_2n)J=I;always(posedge clk_2n)beginif(J=0)&(I=1) begin CL=CL+1

15、b1; case(CL) 0:A2=Q; 1:B2=Q; 2:C2=Q; 3:D2=Q; default:begin A2=0;B2=0;C2=0;D2=0;end endcase begin if(CL=1|CL=2|CL=3) begin AN=Q;end else begin SUM=A2+B2+C2+D2;AN=SUM/4;end end endendendmodule译码器源代码:/输入Q是计数器计得以此脉冲里的1KHz次数，AN是平均器出来后的平均4次计数的次数，而S则作为选择显示一次脉冲的次数，还是显示4次平均计数后的数，I同上，A是百位上显示的数，B是市委上显示的数，而C则是个

16、位上现实的数，W则是复位键，它既是这个译码小模块里的复位信号，也是整个大模块里的复位信号，一旦w=0，则百位、十位、各位都将全部清零，而不显示。（因为联系到这次程序不多也比较简单，芯片内存够用，就直接利用比较浪费内存的除法求得的N值）module yima(Q,AN,clk_2n,S,I,A,B,C,W,V);input 9:0AN,Q;input I,S,clk_2n,W;output6:0 A,B,C;output V;reg 6:0A,B,C;reg 3:0A1,B1,C1;reg 8:0P;reg J;reg V=1;always(posedge clk_2n)J=I;always(p

17、osedge clk_2n)beginif(W)begin A=0;B=0;C=0;end else if(J=0)&(I=1) begin if(S=0) P=60000/Q; else P=60000/AN; begin A1=P/100;B1=P%100/10;C1=P%100%10;end case(A1)1d0:A=7b0000000;1d1:A=7b0110000;default:A=7b0;/百位只有0,1两种情况，在用实验箱上进行实验时用LED灯的亮，熄表示百位1，0；引脚锁定用三个数码管显示endcasecase(B1)4d0:B=7b1111110;/共阴极数码管4d1:B

18、=7b0110000;4d2:B=7b1101101;4d3:B=7b1111001;4d4:B=7b0110011;4d5:B=7b1011011;4d6:B=7b1011111;4d7:B=7b1110000;4d8:B=7b1111111;4d9:B=7b1111011;default:B=7b0;endcasecase(C1)4d0:C=7b1111110;4d1:C=7b0110000;4d2:C=7b1101101;4d3:C=7b1111001;4d4:C=7b0110011;4d5:C=7b1011011;4d6:C=7b1011111;4d7:C=7b1110000;4d8:

19、C=7b1111111;4d9:C=7b1111011;default:C=7b0;endcaseendendendmodule测试步骤 元件名称1k电阻10k电阻33k电阻150电阻数量/个20211元件名称680k电阻68k电阻发光二极管六引脚自锁开关数量/个2243元件名称数码管接线柱E数量/个3514元件名称稳压管传感器LM32474HC14数量/个2121元件名称USB接口USB线电容1000uF数量/个1112测试结果：方波三角波正弦波输入信号测试结果（HZ）输入信号测试结果（HZ）输入信号测试结果(HZ)596060122121122185184185a.康华光 电子技术基础 （数字部分） b.康华光 电子技术基础 （模拟部分） c.模拟、数字电子技术实验教程 西南交通大学出版社 d.EDA技术与应用（