心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

設(shè)計(jì)（論文）題目：心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)(此文paperpass查重為17.5% 知網(wǎng)查重為15.7% )重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要心臟的每一次搏動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致手指皮膚毛細(xì)血管產(chǎn)生一次充盈和收縮，該血脈變化信號(hào)可用于檢測(cè)心率。本課題設(shè)計(jì)了一種基于反射式光電傳感器的心率測(cè)試儀，由反射式光電傳感器提取出手指皮膚處的微弱脈搏信號(hào)并加以處理，使心率的測(cè)量顯得更簡(jiǎn)便更精確。本設(shè)計(jì)主要由六部分組成，包括測(cè)量電路、放大電路、濾波整形電路、倍頻電路、控制電路和計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。該設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是測(cè)量電路中傳感器的選取，其次就是信號(hào)的放大及濾波整形電路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵點(diǎn)是計(jì)數(shù)譯碼顯示電路中計(jì)數(shù)和譯碼方式的選擇。該設(shè)計(jì)利用外置恒流源電路的反射式光電傳感器，將人體的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾娦盘?hào)，再將所得電信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大、濾除高頻、a/d轉(zhuǎn)換和倍頻等處理得到數(shù)字脈沖信號(hào)，接著在由555定時(shí)器組成的閘門(mén)控制電路的控制下，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器、譯碼器的處理，最終將心率測(cè)試結(jié)果用數(shù)碼管顯示出來(lái)。利用mulitisim仿真軟件，可以對(duì)此心率測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)仿真。本設(shè)計(jì)只需要被測(cè)人把手指放在傳感器內(nèi)不足10秒鐘就可以精確測(cè)量出心率值，測(cè)量結(jié)果用三位七段數(shù)碼管顯示。本設(shè)計(jì)在仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸入1hz正弦信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)6次測(cè)試，心率平均值為60次/分鐘，最大誤差1.67%；當(dāng)輸入2hz正弦信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)6次測(cè)試，心率平均值為119次/分鐘，最大誤差1.68%。仿真結(jié)果滿足課題要求的當(dāng)心率大于50次/分鐘時(shí)，誤差小于5%，仿真實(shí)驗(yàn)成功，所設(shè)計(jì)心率測(cè)試儀達(dá)到預(yù)期目的?！娟P(guān)鍵詞】心率測(cè)試儀 反射式傳感器 mulitisim仿真軟件 數(shù)字脈沖信號(hào)abstractthe heart beat of each time will cause the capillaries of finger skin have a filling and shrinkage, the changes of blood signal can be used for the detection of heart rate, which causes the finger skin producing the weak vibration. the vibration signal can be used to test the heart rate this topic designs a heart rate tester which is based on reflecting photoelectric sensor, by reflecting photoelectric sensor extracts the pulse signal from finger skin and process it, at last making the heart rate measurement appears more simple and precise.this design mainly by six parts, including measuring circuit, amplifying circuit, filtering plastic circuit, times frequency circuit, control circuit and count decode display circuit. as for the design , the selection of sensor is the primary task in the measurement circuit, followed by signal amplifier and filtering plastic circuit design, the key point is that the count of the counter decoder circuit and the choice of the ways of decoding. this design uses reflecting photoelectric sensor whose outer is constant current source circuit, this design makes the human body pulse signal into the electrical signals which can be handled, and then through the electrical signal voltage amplifier, filtering hf, a/d conversion and frequency doubling processing get digital pulse signal, and then process it under the control of the gate control circuit which is composed by 555 timing device, followed by the counter, decoder, eventually display the heart rate test results with a digital tube. using mulitisim simulation software can realize the simulation about the heart rate tester. this design only needs to the man putting his finger in the sensor less than 10 seconds to measure the value of heart rate, the measured results will be displayed with three seven period of digital pipe. this designed simulation results show that when the input 1 hz sine signals, after six times test, average heart rate for 60 times/minutes, the maximum error 1.67%; when the input 2 hz sine signals, after six times test, heart rate average of 119 times a minute, the maximum error of 1.68%. the simulation results meet requirements when the subject is greater than 50 / minutes heart rate, the error is less than 5%, the simulation experiment is successful, and the design of the heart rate tester achieved the expected purpose.【key words】 heart rate tester reflecting sensor mulitisim simulation software digital pulse signal目 錄前 言1第一章 基于反射式光電傳感器的設(shè)計(jì)2第一節(jié) 心率測(cè)試儀組成構(gòu)架圖2第二節(jié) 反射式光電傳感器分析3一、反射式光電傳感器定義3二、反射式光電傳感器在心率測(cè)試儀中的應(yīng)用3三、傳感器信號(hào)關(guān)系4第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案分析5一、測(cè)量法的選擇5二、技術(shù)指標(biāo)要求6三、測(cè)試誤差分析6第二章 指尖脈搏信號(hào)采集8第一節(jié) 反射式光電傳感器的工作原理8第二節(jié) 傳感器恒流源電路9第三章 信號(hào)處理11第一節(jié) 放大電路11一、電路說(shuō)明11二、電路仿真12第二節(jié) 濾波電路13一、電路分析13二、仿真波形15第三節(jié) 整形電路15一、集成施密特觸發(fā)器74ls14d16二、電路仿真16第四節(jié) 倍頻電路17一、利用簡(jiǎn)單門(mén)電路等組成的二倍頻電路級(jí)聯(lián)17二、8倍頻電路仿真18第五節(jié) 本章小結(jié)19第四章 心率顯示20第一節(jié) 控制電路20一、控制信號(hào)的產(chǎn)生20二、啟動(dòng)清零的控制24第二節(jié) 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路25一、計(jì)數(shù)器25二、譯碼顯示電路26三、電路仿真圖27第三節(jié) 系統(tǒng)測(cè)試28第四節(jié) 本章小結(jié)29致 謝30附 錄33一、英文原文33二、英文翻譯37三、工程設(shè)計(jì)圖紙40 - 40 -前 言心率不但能夠反映心臟的工作狀態(tài)是否正常，也可以用來(lái)衡量腦力勞動(dòng)和體力勞動(dòng)的強(qiáng)度。健康成年人安靜時(shí)，心率的個(gè)體差異比較顯著，大概范圍在60150次/分之間，平均為75次/分左右。根據(jù)被測(cè)人的年齡、性別以及其他生理情況，心率會(huì)有所不同。初生兒的心率很快，可達(dá)130次/分以上。在健康的成年人中，一般男性的心率比女性較慢。人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，心率會(huì)隨機(jī)體代謝的強(qiáng)度增加而增加，在一定范圍內(nèi)心率可以作為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和機(jī)體的代謝水平的參考指標(biāo)，因此，心率常被用于有氧運(yùn)動(dòng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的控制。運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，心率恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短又可用作評(píng)定運(yùn)動(dòng)負(fù)荷是否適宜以及心臟機(jī)能狀態(tài)是否正常的依據(jù)和指標(biāo)。因此心率測(cè)試有很大的臨床意義，它的機(jī)理急待于我們進(jìn)行研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心率測(cè)試技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，消費(fèi)者對(duì)心率測(cè)試儀精度的要求也越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家先后研制了不同類(lèi)型的心率測(cè)試儀，而設(shè)計(jì)關(guān)鍵是對(duì)高精確度高靈敏度傳感器的開(kāi)發(fā)。本設(shè)計(jì)采用反射式光電傳感器來(lái)采集人體的脈搏信號(hào)，檢測(cè)的部位為被測(cè)者手指指尖或者耳垂。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能傳感器也逐步應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。醫(yī)用領(lǐng)域?qū)鞲衅髋c信號(hào)采集、放大濾波裝置、計(jì)算機(jī)等相結(jié)合構(gòu)成新型智能測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以單方面測(cè)量心率、血壓等，也可進(jìn)行對(duì)人體的多點(diǎn)測(cè)量，完整檢測(cè)脈搏的波動(dòng)狀態(tài)，能夠更加科學(xué)的反映心率的變化，從而為醫(yī)生的診斷提供詳細(xì)參考依據(jù)。本課題旨在綜合反射式光電傳感器以及相關(guān)專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字心率計(jì)，對(duì)人體心率進(jìn)行測(cè)量處理并數(shù)字顯示。本課題有較強(qiáng)的綜合性，可以鞏固所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作技能，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)，以及獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，通過(guò)在設(shè)計(jì)中選擇合適型號(hào)的傳感器，進(jìn)而掌握其原理、應(yīng)用范圍、功能等，還可以深入了解心率計(jì)的工作原理、元器件選擇以及電子儀器的常用設(shè)計(jì)方法等。第一章 基于反射式光電傳感器的設(shè)計(jì)第一節(jié) 心率測(cè)試儀組成構(gòu)架圖本設(shè)計(jì)分成以下幾個(gè)模塊：測(cè)量電路、放大電路、濾波整形電路、倍頻電路、控制電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。其原理方框圖如圖1.1所示反射式光電傳感器整形電路濾波電路放大電路第二節(jié) gsm移動(dòng)通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介控制電路計(jì)數(shù)器倍頻電路譯碼器顯示器 圖1.1 心率計(jì)結(jié)構(gòu)框圖1、傳感器。傳感器為本設(shè)計(jì)最關(guān)鍵部分，旨在將血脈流量變化的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出。傳感器的靈敏度、精確度、以及抗干擾能力和安裝方式?jīng)Q定了心率的測(cè)量誤差。2、信號(hào)放大電路。由于傳感器所測(cè)得的心率信號(hào)比較微弱，所以在經(jīng)過(guò)后續(xù)濾波處理以前必須先將信號(hào)進(jìn)行放大，使得輸出電信號(hào)在整形電路中能滿足施密特觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電壓值。3、濾波與整形電路。由于心率信號(hào)的頻率很低，因此，在信號(hào)處理電路中，必須設(shè)計(jì)低通濾波器將信號(hào)中夾雜的高頻信號(hào)濾除。然后通過(guò)整形將模擬的不規(guī)則的信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于信號(hào)處理的數(shù)字脈沖信號(hào)。4、倍頻電路。提高整形后脈沖信號(hào)的頻率，以此在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得心率的數(shù)值。5、控制電路。由于在題目中要求在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而需要一個(gè)電路來(lái)控制整個(gè)電路的運(yùn)行、復(fù)位、自啟動(dòng)等，控制電路是用來(lái)控制計(jì)數(shù)脈沖的輸入以及控制計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)，在心率計(jì)設(shè)計(jì)中起到“閘門(mén)”的作用。6、譯碼顯示電路部分。 將所測(cè)信號(hào)最終用數(shù)碼管顯示出來(lái)，將用到擁有譯碼鎖存功能的芯片12。第二節(jié) 反射式光電傳感器分析一、反射式光電傳感器定義 反射式光電傳感器是將硅光敏三極管（接收器）和紅外線發(fā)光管等，以相同的方向安裝在傳感器的內(nèi)部支架上。紅外線發(fā)光管通電導(dǎo)通以后，所發(fā)射的紅外線照射到被測(cè)物體上，而反射的光線會(huì)經(jīng)過(guò)合適的角度照射到接收器的窗口上，使光敏三極管導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通以后的輸出電流會(huì)隨著接收器所接收光線的強(qiáng)度變化而變化，因此，該傳感器不但可以測(cè)出被照射物的存在與否，還能測(cè)出該物體的動(dòng)態(tài)變化。由此可見(jiàn)，反射式光電傳感器不但適用于光電自動(dòng)控制、物體識(shí)別、光電接近開(kāi)關(guān)等方面，也可作為醫(yī)用光電傳感器件使用。二、反射式光電傳感器在心率測(cè)試儀中的應(yīng)用 根據(jù)朗伯比爾定律, 在一定波長(zhǎng)處物質(zhì)的濃度和他的吸光度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí),通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏主要是由人體動(dòng)脈的舒張以及收縮而產(chǎn)生的，在人體手指的尖部，皮膚組織中的含動(dòng)脈成分高,而且指尖的厚度相對(duì)于其他的人體組織而言是比較薄的,入射光透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大, 因此在利用光電式脈搏傳感器進(jìn)行心率測(cè)量時(shí)，測(cè)量部位通常選擇人體的手指尖3。手指光吸收量的變化如下圖1.2所示1。圖1.2手指光吸收量變化示意圖在人體血液循環(huán)系統(tǒng)中，相對(duì)于動(dòng)脈而言靜脈的搏動(dòng)強(qiáng)度是十分微弱的，幾乎可以忽略不計(jì)，由此可見(jiàn)，紅外線入射光在透過(guò)手指之間組織之后，光敏三極管所接收到的透射光或者反射光信號(hào)的強(qiáng)度是由指尖動(dòng)脈的搏動(dòng)所引起的。由于紅外線發(fā)光管發(fā)出的紅外線為恒定的波長(zhǎng)，以及恒定的光照強(qiáng)度，因此，可以通過(guò)檢測(cè)接收器所接受的透射光或反射光的強(qiáng)度變化，就可以得到指尖脈搏的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而測(cè)出人體心率。按照接收器對(duì)光線的接收方式，可以將光電式脈搏傳感器分成兩種，即為透射式光電傳感器和反射式光電傳感器，如下圖1.3所示2，透射式光電傳感器的紅外線發(fā)光管和光敏三極管位于測(cè)試部位的兩端，它們的位置相對(duì)稱，且距離相等。反射式傳感器的紅外線發(fā)光管和光敏三極管位于手指的同一側(cè)，呈特定角度的位置分布，使經(jīng)過(guò)血液漫反射回來(lái)的紅外線信號(hào)正好進(jìn)入接收器窗口2。 圖1.3 透射式光電傳感器和反射式光電傳感器 三、傳感器信號(hào)關(guān)系反射式光電傳感器在心率測(cè)試儀的應(yīng)用中，入射光和反射光以及傳感器輸出電信號(hào)關(guān)系如下圖3。通過(guò)對(duì)下圖的分析，可以看出，由脈搏振動(dòng)而引起血脈反射光信號(hào)的變化，該傳感器輸出電信號(hào)的變化趨勢(shì)呈正弦變化。 圖1.4 反射式光電傳感器信號(hào)分析圖第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案分析一、測(cè)量法的選擇經(jīng)過(guò)反射式光電傳感器將所測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，該電信號(hào)中夾雜著心率信號(hào)、直流信號(hào)以及工頻和電磁干擾信號(hào)，為混頻信號(hào)。其中的心率信號(hào)為模擬信號(hào)，不滿足計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)要求，因此，必須將該混頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及整形等處理，最終得到于所測(cè)心率信號(hào)頻率相同的數(shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)字脈沖信號(hào)的頻率計(jì)算公式為：。由公式可知，fx的值由n和t共同決定，因此，在實(shí)際測(cè)試中，必須額定其中的一個(gè)值，然后測(cè)量出另外一個(gè)值。在此，本設(shè)計(jì)提出兩種測(cè)量方法進(jìn)行討論分析。1、周期測(cè)量法：運(yùn)用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)的周期ts 為機(jī)器周期。所測(cè)信號(hào)周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)的脈沖次數(shù)為nx，所要測(cè)量的心率信號(hào)的周期為，由此可知，所測(cè)心率為。2、頻率測(cè)量法：這種方法也被稱為倍頻法。將心率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)倍頻后，測(cè)量其在限定閘門(mén)時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即可得到心率值。例如假設(shè)心率值為每分鐘n次，緊接著不是由計(jì)數(shù)器直接測(cè)量心率脈沖數(shù)，而是采用由3各二倍頻電路組成的8倍頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器閘門(mén)信號(hào)時(shí)間設(shè)為7.5秒，則7.5秒內(nèi)的計(jì)數(shù)器的值為（8n/60）7.5=n?？梢?jiàn)，該數(shù)值恰好等于所需測(cè)定的心率。本心率測(cè)試以設(shè)計(jì)采用頻率測(cè)量法，這種方法采用的電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)也比較容易實(shí)現(xiàn)，可以在幾秒內(nèi)測(cè)得相對(duì)可靠的心率值。二、技術(shù)指標(biāo)要求1、計(jì)數(shù)范圍：1999。2、數(shù)字顯示位數(shù)：三位靜態(tài)十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示被測(cè)信號(hào)數(shù)值。3、具有計(jì)數(shù)及顯示功能。4、性能良好，工作可靠。5、心率大于50次/分鐘時(shí)，誤差小于5%三、測(cè)試誤差分析 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響利用光電式傳感器進(jìn)行心率測(cè)量，由脈搏微弱振動(dòng)而引起的光強(qiáng)度的變化是非常微弱的，因此，在測(cè)試過(guò)程中要盡量保持背景光能夠恒定，不會(huì)產(chǎn)生較大的變化，同時(shí)，要避免光敏器件接收到的光信號(hào)中含有較多的背景光，從而減少背景光對(duì)接收光信號(hào)的干擾。為了降低環(huán)境光的變化對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的不利影響, 同時(shí)也考慮到傳感器測(cè)試的方便性, 在實(shí)際測(cè)量中，通常采用密封的指套式傳感器。為了降低環(huán)境光的變化帶來(lái)的影響，傳感器的整個(gè)外殼均采用不透光的材料和顏色4。同樣，為了避免測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的二次反射對(duì)接收器帶來(lái)影響，通常在傳感器的內(nèi)側(cè)涂抹吸光材料。 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而得到的心率電信號(hào)比較微弱,外界電磁干擾信號(hào)對(duì)其影響很大,因此，通常電磁屏蔽一級(jí)放大電路的方式來(lái)消除電磁干擾。心率信號(hào)的頻率較低, 比較容易受到工頻信號(hào)的干擾, 因此，為了使所測(cè)心率信號(hào)的誤差不至于較大，通常在實(shí)際電路制作中要對(duì)工頻信號(hào)干擾進(jìn)行抑制。由于人體正常的心率信號(hào)在0.2hz3hz之間，而工頻干擾信號(hào)頻率為50hz，由此，可以運(yùn)用低通濾波器濾除工頻干擾。在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)采集后, 可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾3。 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響在心率測(cè)試的過(guò)程中，手指可能會(huì)和傳感器移位而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)所測(cè)信號(hào)產(chǎn)生誤差。對(duì)于這種誤差，一般通過(guò)兩種方法進(jìn)行處理: 一是加強(qiáng)指套式傳感器的穩(wěn)定性，能夠牢固的夾在手指上，避免產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng); 二是通過(guò)信號(hào)處理電路，減少誤差,對(duì)于心率測(cè)試用的傳感器設(shè)計(jì),采用的主要是第一個(gè)途徑。 電源不穩(wěn)定導(dǎo)致光源供電波動(dòng)帶來(lái)影響 在心率測(cè)試儀的仿真運(yùn)行中，我們可以直接加入恒定電壓電源，而不會(huì)帶來(lái)光源供電波動(dòng)，但是在實(shí)際儀器運(yùn)用中卻沒(méi)有完全恒定的電源，而我們通常提供的直流電源也會(huì)因?yàn)楦鞣N原因二引起輸出電壓值在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此在心率信號(hào)的測(cè)量過(guò)程中, 由于光源的波動(dòng)會(huì)對(duì)所測(cè)得心率值帶來(lái)影響，所以本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為光電傳感器設(shè)計(jì)了恒流源電路，提供恒定的電流，電流值額定，不會(huì)隨著傳感器負(fù)載的變化而變化,從而降低電源不穩(wěn)定給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響6。第二章 指尖脈搏信號(hào)采集第一節(jié) 反射式光電傳感器的工作原理 圖2.1 反射式光電式傳感器原理圖反射式光電傳感器的原理如圖2.1所示3，光敏三極管不但具有光電二極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能，還有信號(hào)放大功能。光敏三級(jí)管的形狀和一般的晶體管相似，通常只引出兩個(gè)極-發(fā)射極和集電極?；鶇^(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，這樣能夠增大基區(qū)接受的光照，因此入射光主要被基區(qū)所接收。在光發(fā)射管未工作時(shí)，光敏三極管的輸出電流：iceo=（1+）icbo（很?。?，電流過(guò)小，光敏三極管未導(dǎo)通；當(dāng)光發(fā)射管啟動(dòng)工作時(shí)，經(jīng)過(guò)指尖組織的反射，光電接收器中的光敏三極管被激發(fā)出大量的電子-空穴對(duì)，使光敏三極管導(dǎo)通，基極電流ib變大，光敏三極管的輸出電流即為光電流，該電信號(hào)電流值為：ic=（1+）ib，由此可以看出，反射式光電傳感器的測(cè)試性能主要取決于接收器中的光敏三極管的靈敏度和準(zhǔn)確率3。第二節(jié) 傳感器恒流源電路一、電路分析反射式光電傳感器進(jìn)行信號(hào)測(cè)量的主要原理是將用光敏三極管感知入射光的強(qiáng)度變化，而將此變化表現(xiàn)在電流信號(hào)的變化中，因此，對(duì)于該傳感器，必須設(shè)計(jì)恒定的電源電路，以確保測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性3。本設(shè)計(jì)采用了以運(yùn)算放大器為核心的恒流源電路，仿真電路見(jiàn)圖2.2。圖中，由r5和r6分壓，集成運(yùn)算放的輸出電流即為傳感器的輸入電流，這個(gè)電流不隨傳感器負(fù)載的變化而變化，滿足恒流源條件，保證了傳感器測(cè)量的精度5。圖2.2 恒流源電路仿真圖在通常情況下，電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化，因此，在本恒流源電路中，對(duì)于電阻r5和r6應(yīng)該慎重選取，盡量選擇精確度比較高，并且不會(huì)隨著溫度的變化而產(chǎn)生較大變化的電阻。經(jīng)過(guò)相關(guān)資料查詢，本設(shè)計(jì)決定采用金屬膜電阻。運(yùn)算放大器的輸入端電壓值為： （2-1） 運(yùn)算放大器lm324d的輸出電流即為傳感器的輸入電流： i=1.5v/375=4ma （2-2） 在傳感器輸出部分，設(shè)計(jì)了一個(gè)滑動(dòng)變阻器與2個(gè)固定值電阻組成的橋式電阻。從圖2.2中可以看出此時(shí)輸出電壓為5.038，該橋式電阻值為890。輸出電流為：iout=uout/r=（5.038-1.5）/8904 ma （2-3） 在multisim仿真實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使橋式電阻的阻值變化。經(jīng)測(cè)試，隨著滑動(dòng)變阻器的變化，運(yùn)算放大器輸出電壓變化，但是iout恒定不變。 通過(guò)以上測(cè)試，運(yùn)算放大器的輸出電流不會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，能夠達(dá)到恒流源的條件。第三章 信號(hào)處理第一節(jié) 放大電路一、電路說(shuō)明用反射式光電傳感器進(jìn)行心率測(cè)量，測(cè)試部位為手指尖部，但是傳感器所測(cè)得的信號(hào)較弱，必須將其放大處理。因此，為了將測(cè)得心率信號(hào)放大，在本心率測(cè)試儀中，設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路，使傳感器測(cè)得的信號(hào)電壓幅值適當(dāng)，使其電壓能滿足后續(xù)的信號(hào)處理電路。設(shè)計(jì)思路：采用儀表放大器ad620構(gòu)成的放大電路本設(shè)計(jì)的電路放大部分采用ad620芯片，ad620成本低、精密度高，在運(yùn)用ad620進(jìn)行信號(hào)放大時(shí)，只需運(yùn)用改變一個(gè)外接電阻的阻值就可以設(shè)置相應(yīng)的增益，ad620的增益允許范圍為1-10000。此外，ad620的尺寸小于分立電路設(shè)計(jì)，具有很低的功耗，在便攜式心率測(cè)試儀中顯得很適用。除了低功耗，ad620還具有低噪聲、低輸入偏置電流等特性，并且ad620和傳感器輸出阻抗匹配性良好，從而減少了由于傳感器輸出阻抗較大，輸出電流非常微弱，而與放大器輸入阻抗不匹配引起的信號(hào)損失。ad620增益方程式為 g =49.4 k/r g + 17，其內(nèi)部電路圖7如下。圖3.1 ad620內(nèi)部電路在實(shí)際進(jìn)行心率測(cè)試時(shí)，由于每個(gè)人的個(gè)體差異，致使傳感器所測(cè)的心率波動(dòng)有一定差異，有些心率信號(hào)較強(qiáng)，有些心率信號(hào)較弱，因此為了適合不同用戶，在實(shí)際的電路制作中可將電阻rg改為可變電阻, 通過(guò)對(duì)rg的調(diào)節(jié)，即可以改變放大倍數(shù)。二、電路仿真由圖3.2可見(jiàn)8，通過(guò)反射式光電傳感器采集到的原始心率信號(hào)極其微弱（變化幅值在10mv之間），其幅值為毫伏級(jí)，所以需要將被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大電路放大500倍左右，使信號(hào)放大后電壓達(dá)到伏級(jí)。由ad620an芯片組成放大電路，元件參數(shù)設(shè)置如下：rg=100,r1=100k,c1=100uf為隔直電容。圖3.2 心率波形圖3.3 放大電路仿真說(shuō)明：將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為輸出2hz/5mvp的正弦波信號(hào)。在電路圖3.中，c1和r1組成一個(gè)一階高通濾波器，經(jīng)過(guò)計(jì)算，將截止頻率調(diào)至接近直流，從而起到隔直作用。rg=100，由增益方程式為 g =49.4 k/rg + 1，得到g500,放大后信號(hào)幅值為2.5v。 圖3.4 放大電路的波形說(shuō)明：如圖3.4仿真結(jié)果中，紅色低幅度正弦波為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的模擬心率信號(hào)，藍(lán)色高幅度正弦波顯示的為經(jīng)過(guò)放大電路以后產(chǎn)生的波形。第二節(jié) 濾波電路在實(shí)際操作心率測(cè)試儀的時(shí)候，會(huì)由于人為或者儀器固有的因素使測(cè)得心率信號(hào)含有雜波，有環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響，有電磁干擾帶來(lái)的影響，也有人為造成的運(yùn)動(dòng)性干擾9。并且由于心率信號(hào)的頻率相對(duì)而言較低，所以將設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)高頻干擾信號(hào)清除。一、電路分析人體心率信號(hào)屬于低頻微弱信號(hào)，中高頻雜波信號(hào)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，因此我們運(yùn)用低通濾波器濾除中高頻信號(hào)，從而讓低頻的心率信號(hào)通過(guò)電路，同時(shí)心率信號(hào)通過(guò)濾波器后其電壓值不一定能達(dá)到整形電路所要求的幅值，因此通常把運(yùn)用集成運(yùn)算放大器lm423將電壓放大到1.6倍左右9。對(duì)濾波器的學(xué)習(xí)，我了解到一階低通濾波器和二階低通濾波器的幅頻特性，通過(guò)對(duì)比判斷，一階低通濾波器不能滿足心率測(cè)試儀信號(hào)過(guò)濾要求，因而在此本設(shè)計(jì)采取二階低通濾波器，其通帶電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率與一階低通濾波器電路相同10。二階有源低通濾波器電路圖如圖3.5所示：圖3.5 二階有源低通濾波器電路性能參數(shù)：二階低通濾波器增益： （3-1）角頻率： w。=1/rc （3-2）截止頻率： （3-4）品質(zhì)因數(shù)： （3-5）品質(zhì)因素的大小表達(dá)了低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀電壓幅值增益：10說(shuō)明：圖3.5為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)rc濾波環(huán)節(jié)與lm324d集成運(yùn)算放大器組成，其中第一級(jí)電容c2接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性11。已知人體的心臟跳動(dòng)頻率應(yīng)在0.2hz3hz之間，在此采用截止頻率為5hz的低通濾波，并將電壓幅值提升到1.6倍。w=1/(1.6 k*20uf) 31.4 f=5hz二、仿真波形圖3.6 放大器輸出信號(hào)濾波結(jié)果說(shuō)明：紅色幅度較小的波形為放大器輸出波形，藍(lán)色幅度較大的波形為二階有源低通濾波器輸出波形。第三節(jié) 整形電路所測(cè)信號(hào)在經(jīng)過(guò)前面的放大電路和濾波電路之后，變成較單一，幅值也達(dá)到后續(xù)處理標(biāo)準(zhǔn)的心率信號(hào)。但是現(xiàn)在心率信號(hào)仍然是正弦波模擬信號(hào)，然而在后續(xù)的計(jì)數(shù)電路和譯碼電路中，我們需要的是數(shù)字信號(hào)，因此本電路將設(shè)計(jì)為擁有a/d轉(zhuǎn)換功能的整形電路。經(jīng)過(guò)上網(wǎng)大量查閱資料以及吸取別人的研究經(jīng)驗(yàn)以后，決定采用由555時(shí)基電路組成的滯回比較器及集成施密特觸發(fā)器作為整形電路。一、集成施密特觸發(fā)器74ls14d 圖3.7 74ls14d仿真圖形符號(hào) 圖3.8 集成施密特觸發(fā)器整形心率信號(hào)在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，心率信號(hào)的波形由于傳輸通道噪聲等的影響，往往會(huì)發(fā)生畸變。如傳輸線路的電容值比較大時(shí)，心率信號(hào)的波形會(huì)發(fā)生衰減和延遲，而信號(hào)的波峰和波谷會(huì)出現(xiàn)缺陷；而傳輸線較長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)處理部分的電路接收端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，因此波形會(huì)產(chǎn)生震蕩；干擾信號(hào)疊加到心率信號(hào)上時(shí)，心率信號(hào)將出現(xiàn)電路附加噪聲，此時(shí)輸入信號(hào)為一系列幅度不等的信號(hào)，但是當(dāng)信號(hào)加到施密特觸發(fā)器時(shí)，只有那些幅度大于ut+的脈沖才會(huì)在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)。因此，集成施密特觸發(fā)器能將幅度大于ut+的脈沖選出，具有脈沖鑒幅的能力，都可以利用施密特觸發(fā)器信號(hào)進(jìn)行波形整形，從而獲得比較理想的矩形脈沖波形1314。新的頻率計(jì)數(shù)的原則，提高分辨率。如圖3.10所示，合理調(diào)節(jié)施密特觸發(fā)器的ut+和ut-的值，可以收到滿意的整形效果。圖中輸入信號(hào)均為2hz。二、電路仿真圖3.9 整形電路 圖3.10 整形前后波形對(duì)比第四節(jié) 倍頻電路較落后的心率測(cè)試方法中，被測(cè)試者將持續(xù)測(cè)試1分鐘，然后計(jì)算著一分鐘所測(cè)到的總心率，這樣雖然能夠精準(zhǔn)的把握人體心率，但是這樣的方法卻需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，并且被測(cè)試者在測(cè)試期間也可能由于被測(cè)試者心理和外界原因而產(chǎn)生暫時(shí)性的心律不齊，而給測(cè)量結(jié)果造成誤差。因此，本設(shè)計(jì)添加了倍頻電路。在前面的電路中，被測(cè)心率信號(hào)的頻率一直沒(méi)有變化，為了達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)完成每分鐘心跳次數(shù)計(jì)數(shù)功能，必須將整形后的信號(hào)的頻率加倍，這樣就可以滿足在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)的要求。設(shè)心率為每分鐘n次，將此信號(hào)輸入8倍頻倍頻電路，經(jīng)過(guò)計(jì)算，測(cè)試的計(jì)數(shù)時(shí)間為7.5秒，則7.5秒內(nèi)的計(jì)數(shù)值為（8n/60）7.5=n?？梢?jiàn)，該計(jì)數(shù)值恰好等于所需測(cè)定的心率2。一、利用簡(jiǎn)單門(mén)電路等組成的二倍頻電路級(jí)聯(lián)倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器、異或門(mén)倍頻器等，由于鎖相倍頻器電路比較復(fù)雜，并且成本比較高，所以這里采用了能滿足設(shè)計(jì)要求的異或門(mén)組成的8倍頻電路2。利用第一個(gè)異或門(mén)的延遲時(shí)間對(duì)第二個(gè)異或門(mén)產(chǎn)生作用，當(dāng)輸入由“0”變成“1”或者由“1”變成“0”時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。其中電容c是為了延時(shí)。 圖3.12 實(shí)用二倍頻電路圖 圖3.13 快速二倍頻電路圖原理說(shuō)明：圖3.12中，當(dāng)輸入高電平“1”，則第一個(gè)異或門(mén)輸出端1為高電平“1”，r1為50k，阻值較大，又因?yàn)殡娙輈1，故2點(diǎn)充電，此時(shí)2點(diǎn)電壓為過(guò)閾值uth，可視為低電平“0”，第二個(gè)異或門(mén)輸出為“1”，當(dāng)2點(diǎn)電壓過(guò)閾值uth，視為高電平“1”，此時(shí)第二個(gè)異或門(mén)輸出為“0”，合理調(diào)節(jié)c1的值，可使電路滿足輸入信號(hào)的二倍頻。圖3.13中，信號(hào)由12導(dǎo)線輸入，之所以稱之為快速二倍頻電路，主要是指輸出的高電平信號(hào)“1”在短時(shí)內(nèi)進(jìn)行跳變，這段時(shí)間的跳變是由信號(hào)通過(guò)12導(dǎo)線直接進(jìn)入u3c和分別經(jīng)過(guò)u1a和u2b芯片的信號(hào)處理而產(chǎn)生的延時(shí)引起的。二、8倍頻電路仿真圖3.14 8倍頻電路說(shuō)明：由于本課題要求的需要在10秒內(nèi)測(cè)出心率，根據(jù)前面所列出的公式進(jìn)行計(jì)算，若采用二倍頻或者4倍頻，均使測(cè)量時(shí)間超過(guò)10秒，因此所選倍數(shù)必須在8倍頻以上，然而若采用16倍頻，則測(cè)量時(shí)間將不足4秒。為避免測(cè)量時(shí)間不足而引起的巨大誤差，最終我選定采用8倍頻，如圖為采用2個(gè)實(shí)用二倍頻電路和1個(gè)快速二倍頻電路組成的8倍頻電路。圖3.15 8倍頻電路波形說(shuō)明：在仿真模擬時(shí)，我將幾種倍頻產(chǎn)生信號(hào)分別接入示波器，從而方便進(jìn)行對(duì)比，最上面的黃色線信號(hào)為整形后的信號(hào)，下面紅色線信號(hào)為2倍頻后信號(hào)，再下面藍(lán)色線信號(hào)為4倍頻后的信號(hào)，最后綠色信號(hào)為最終快速二倍頻輸出的8倍頻信號(hào)。第五節(jié) 本章小結(jié) 本章主要運(yùn)用模擬電路將信號(hào)處理，其中包含信號(hào)的放大、濾波、整形以及倍頻的處理，通過(guò)這四部分電路，達(dá)到將微弱的傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)器可作用的數(shù)字脈沖信號(hào)。在這幾部分電路設(shè)計(jì)中，最主要是的根據(jù)信號(hào)的實(shí)際情況而設(shè)計(jì)選擇實(shí)用電路，難點(diǎn)在于結(jié)合輸入信號(hào)和預(yù)期輸出信號(hào)，通過(guò)精確的計(jì)算，決定電路中各元件參數(shù)值。各電路我都做了很多次multisim仿真，并且成功實(shí)現(xiàn)了各功能，但是我認(rèn)為在實(shí)際電路中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因?yàn)閷?shí)際電路制作中，各電子元件的參數(shù)并不是那么精確，并且由于電路比較庸長(zhǎng)，在信號(hào)傳輸中途肯定會(huì)被雜波信號(hào)所疊加。第四章 心率顯示第一節(jié) 控制電路根據(jù)課題要求，本設(shè)計(jì)必須在較短時(shí)間內(nèi)測(cè)出被測(cè)者的心率值，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)“閘門(mén)”電路來(lái)對(duì)整個(gè)電路的運(yùn)行、復(fù)位等功能進(jìn)行控制。該控制電路生成計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)cp控制計(jì)數(shù)器以及譯碼顯示電路的工作狀態(tài)。一、控制信號(hào)的產(chǎn)生在此的控制信號(hào)就相當(dāng)于時(shí)間脈沖信號(hào)，用來(lái)控制心率計(jì)在指定時(shí)間內(nèi)完成一分鐘的測(cè)量任務(wù)。555定時(shí)器的電氣原理圖和電路符號(hào)如圖4.1所示7.圖4.1 555定時(shí)器的電氣原理圖和電路符號(hào)555定時(shí)器有低成本和性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，只需要在該芯片外圍添加相應(yīng)的電阻、電容等元器件，就可以拓展為多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等可以長(zhǎng)生時(shí)鐘脈沖或閘門(mén)信號(hào)的電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖a和圖 b所示。它的內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) rs 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 t 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓vcc /3 和 2vcc /3 ,555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定14。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制rs觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器c1的同相輸入端的電壓為2vcc/3，c2的反相輸入端的電壓為vcc /3。若觸發(fā)輸入端 tr 的電壓小于vcc/3，則比較器 c2 的輸出為0，可使rs觸發(fā)器置1，使輸出端out=1。如果閾值輸入端th的電壓大于2vcc/3，同時(shí) tr 端的電壓大于vcc/3，則c1的輸出為0，c2的輸出為1，可將rs觸發(fā)器置0，使輸出為0電平14。555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如下圖所示7. 圖4.2 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器工作原理：假設(shè)接通電源之前，電容電壓vc為0.在電路接通電源時(shí)，由于vc不能跳變，所以比較器c1和c2的輸出分別為高電平和低電平。這樣，基本rs觸發(fā)器被置0，電路輸出為高電平。同時(shí)，q=0使三極管vtd截止，電容c開(kāi)始充電，充電路徑為vcc、r1、r2、c、地，充電時(shí)間常數(shù)為（r1+r2）c16。隨著充電的進(jìn)行，vc電位不斷升高，但是只要vc2vcc/3，電路的輸出vo=voh=vcc就保持不變，這就是暫穩(wěn)態(tài)1516。隨著充電的進(jìn)行，vc電位繼續(xù)升高，當(dāng)vc 2vcc/3時(shí)，c1和c2的輸出分別為低電平和高電平。這樣，基本rs觸發(fā)器被置1，電路輸出為低電平，發(fā)生第一次自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。同時(shí)，q=1是三極管vtd導(dǎo)通，電容c開(kāi)始充電，放電路徑為c、r2、vtd、地，放電時(shí)間常數(shù)為r2*c。隨著放電的進(jìn)行，vc電位不斷下降，但只要2vcc/3vcvcc/3，電路的輸出vo=vol=0保持不變，達(dá)到暫穩(wěn)態(tài)15。隨著放電的進(jìn)行，vc電位不斷下降，當(dāng)vcvcc/3時(shí)，基本rs觸發(fā)器被置0，電路輸出為高電平，發(fā)生第二次自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。同時(shí)，q=0是三極管vtd截止，電源又通過(guò)（r1+r2）對(duì)電容c再次充電，重復(fù)上述過(guò)程，如此反復(fù)，形成自激多諧振蕩，電路輸出使得到周期性的矩形脈沖1516。振蕩參數(shù) （4-1） （4-2） （4-3）電路振蕩頻率: （4-4）占空比： （4-5）若直接采用上述自激多諧振蕩器，根據(jù)參考文獻(xiàn)所述，充電的暫穩(wěn)態(tài)1的時(shí)間將總是大于放電的暫穩(wěn)態(tài)2的時(shí)間。所產(chǎn)生的控制脈沖不可能為對(duì)稱的信號(hào)及占空比為0.5，所以本設(shè)計(jì)將采用占空比可調(diào)的多諧振蕩器，其電路圖17如下：圖4.3 占空比可調(diào)的多諧振蕩器說(shuō)明：如圖所示，當(dāng)充電時(shí)vd2二極管截?cái)?，因此電容充電時(shí)電路電阻只有r1，當(dāng)電容放電時(shí)vd1二極管截?cái)?，電路電阻為r2。電容充放電時(shí)間為： （4-6） （4-7）占空比： （4-8）在實(shí)際測(cè)量中，可以通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值，對(duì)r1和r2的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)滿足r1=r2的時(shí)候，q=0.5，生成對(duì)稱的矩形脈沖。 由于在前面將心率信號(hào)倍頻處理，并且還可以適當(dāng)調(diào)整倍頻倍數(shù)，但是當(dāng)倍頻倍數(shù)變化是，電路所需要的測(cè)量時(shí)間及控制信號(hào)的t/2（高電平時(shí)長(zhǎng)）將發(fā)生相應(yīng)改變，因此將采用分頻芯片4024bd2。 圖4.4 閘門(mén)時(shí)間電路說(shuō)明：芯片4024bd中vdd置低電平，芯片啟動(dòng)，當(dāng)vdd置高電平時(shí)，芯片清零。該芯片各輸出管腳分別為2分頻、4分頻、8分頻，一直到128分頻。根據(jù)資料查閱，多諧振蕩器電路各元件參數(shù)如圖中所示，因?yàn)榍懊姹额l電路選擇8倍頻，經(jīng)計(jì)算，需要7.5s的測(cè)試計(jì)數(shù)時(shí)間。根據(jù)公式t=1/f(r1+r2)c/1.430.951s，當(dāng)采用16分頻時(shí)，4024bd輸出高電平及測(cè)試計(jì)數(shù)時(shí)間t=8t0.951*87.6s7.5s，剛好符合8倍頻信號(hào)要求，因此采用16分頻。圖4.5 控制信號(hào)波形二、啟動(dòng)清零的控制電路的啟動(dòng)和清零等功能由控制電路控制，其電路仿真圖形如圖4-6所示，圖中開(kāi)關(guān)k2為單刀單擲開(kāi)關(guān)，控制555電路的啟動(dòng)。開(kāi)關(guān)k1為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)k1接高電平時(shí)，6線接4024的清零端，使4024清零，不致影響下次的測(cè)量。開(kāi)關(guān)k1打到1線時(shí)計(jì)數(shù)器4518bd清零，打到0線時(shí)，4518bd可以開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單rs觸發(fā)器2線輸出1，當(dāng)4線的閘門(mén)時(shí)間信號(hào)為1時(shí)，則此時(shí)允許倍頻后的信號(hào)通過(guò)，進(jìn)行計(jì)數(shù)譯碼顯示1。圖4.6 控制電路說(shuō)明：芯片4011bd為與非門(mén)邏輯電路,兩個(gè)4011bd芯片在此組成一個(gè)簡(jiǎn)單rs觸發(fā)器，芯片4023bd為3輸入與非門(mén)電路。第二節(jié) 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路本設(shè)計(jì)心率計(jì)要求是能夠用三位十進(jìn)制顯示，數(shù)字顯示用七段led數(shù)碼管，并且要有鎖存的功能。此模塊電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是由計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后經(jīng)過(guò)譯碼、鎖存，最后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片，來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。但在計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存以及驅(qū)動(dòng)等芯片的選擇上有所區(qū)別，不同的芯片功能有所差別，相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)也有差別。一、計(jì)數(shù)器本課題設(shè)計(jì)采用4518bd作為計(jì)數(shù)器，其詳細(xì)信息及功能講解如下：表4.8 4518bd的真值表 圖4.7 4518bd的符號(hào)圖 圖4.9 4518bd芯片擴(kuò)展邏輯圖說(shuō)明：根據(jù)該芯片的擴(kuò)展邏輯圖18和真值表可得出，當(dāng)心率信號(hào)使計(jì)數(shù)器工作時(shí)，一級(jí)計(jì)數(shù)器en/mr設(shè)置為1/0，cp接通過(guò)控制電路的心率脈沖，二級(jí)計(jì)數(shù)器設(shè)置為en接一級(jí)計(jì)數(shù)器q4，mr/cp設(shè)置為0/0，同理三級(jí)計(jì)數(shù)器設(shè)置與二級(jí)計(jì)數(shù)器設(shè)置一樣。當(dāng)一級(jí)計(jì)數(shù)器輸出q4/q3/q2/q1為1001時(shí)，再cp上升沿變化為0000，q4產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)二級(jí)計(jì)數(shù)器使其計(jì)數(shù)，三級(jí)計(jì)數(shù)器同理18。二、譯碼顯示電路 本電路中，譯碼器選用4511bd芯片，其引腳功能說(shuō)明如下：bi：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)bi=0時(shí)，數(shù)碼管不顯示任何東西。el：鎖定控制端，當(dāng)el=0時(shí)，允許譯碼輸出。lt：3腳是測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)bi=1時(shí)，lt=0時(shí)，數(shù)碼管將全部顯示，這主要用于測(cè)試7段數(shù)碼管有沒(méi)有物理?yè)p壞。a3,a2,a1,a0為8421bcd碼輸入端，高位到低位依次為a3a0。a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，輸出高電平有效19。圖4.10 4511bd引腳圖表4.11 4511bd的真值表三、電路仿真圖圖4.12 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路說(shuō)明：這是部分電路模塊的仿真圖形，用8hz方波信號(hào)源代替8倍頻心率脈沖，輸入4518bd計(jì)數(shù)器，通過(guò)譯碼后的值輸入數(shù)碼管顯示。在譯碼器和數(shù)碼管間個(gè)端口連接一個(gè)220電阻以保護(hù)數(shù)碼管。第三節(jié) 系統(tǒng)測(cè)試通過(guò)各部分電路的整合，我們可以通過(guò)數(shù)碼管讀取被測(cè)心率值，總電路圖已在附錄中列出，該圖為輸入2hz信號(hào)時(shí)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)楸倦娐分皇峭ㄟ^(guò)軟件仿真，而不會(huì)產(chǎn)生較大誤差，但是在實(shí)際電路制作中，在倍頻電路中，可能由于硬件差異等原因而使輸出的8倍頻信號(hào)不對(duì)稱，而導(dǎo)致輸出倍頻信號(hào)脈沖的數(shù)量產(chǎn)生誤差。在閘門(mén)控制電路中，由于電阻和電容參數(shù)值設(shè)置的不準(zhǔn)確，將會(huì)使閘門(mén)信號(hào)與8倍頻相對(duì)應(yīng)的7.5s標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)間產(chǎn)生誤差，因此在實(shí)際制作電路時(shí)還要進(jìn)行更精確的計(jì)算和測(cè)試，以確保元件參數(shù)準(zhǔn)確，減少誤差。表4.13 輸入信號(hào)為1hz時(shí)的心率值1234568倍頻596061596161表4.14 輸入信號(hào)為2hz時(shí)的心率值1234568倍頻118121119120119121通過(guò)六次仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如上圖，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)輸入信號(hào)為1hz時(shí)f=（59+60+61+59+62+61）/660，當(dāng)輸入信號(hào)為2hz時(shí)f=（118+121+119+120+119+121）/6119。計(jì)算各次測(cè)試中出現(xiàn)的最大誤差：輸入1hz時(shí)：a=1/601.67%5% 輸入2hz時(shí)：a=2/1191.68%5%因此，所設(shè)計(jì)的心率測(cè)試儀誤差小于課題要求的當(dāng)心率大于50次/分鐘時(shí)最大誤差5%，其測(cè)試時(shí)間為7.5s，符合測(cè)試時(shí)間小于10s的要求。該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。由于本設(shè)計(jì)是通過(guò)multisim軟件進(jìn)行電路仿真，而未制作實(shí)際電路，所以在抗干擾能力方面未能檢測(cè)。不過(guò)，在實(shí)際電路的制作中，我們可以采用電路板屏蔽罩來(lái)隔絕外來(lái)電磁干擾。第四節(jié) 本章小結(jié) 本章主要是將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字邏輯電路處理，旨在將第三章中處理完畢的信號(hào)在閘門(mén)電路的控制下，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器、譯碼器最終用數(shù)碼管顯示出來(lái)。在閘門(mén)電路中，主要運(yùn)用555定時(shí)器的原理，但是由于普通的多諧振蕩器的占空比特性不能滿足輸出對(duì)稱脈沖信號(hào)的要求，所以最終選用了可調(diào)占空比的由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。本部分的控制電路主要是由各邏輯門(mén)組成，采用邏輯門(mén)可以更精準(zhǔn)的控制脈沖信號(hào)的輸入與輸出。在軟件仿真的時(shí)候，起初，在譯碼器和數(shù)碼管之間并沒(méi)有連接電阻，以至于數(shù)碼管部分管腳顯示出現(xiàn)異常，但是當(dāng)接入220電阻以后，又恢復(fù)正常，經(jīng)過(guò)查詢資料，我認(rèn)為應(yīng)該是譯碼器4511bd內(nèi)部電路輸出阻抗過(guò)小，導(dǎo)致輸出電流較大而對(duì)數(shù)碼管產(chǎn)生影響。本章最終通過(guò)數(shù)碼管將所測(cè)心率顯示出來(lái)，并驗(yàn)證結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。參考文獻(xiàn)1牛燕平,安福林.反射式光電傳感器在心率測(cè)量中的應(yīng)用j.數(shù)據(jù)采集與處理,1995.7,10(增刊):208-211.2駱