心率檢測(cè)器課程設(shè)計(jì)

1、武漢紡織大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱： 心跳速率檢測(cè)器 完成期限： 2014年05月28日 至 2014年06月12日院系名稱 機(jī)械院 指導(dǎo)教師 周國(guó)鵬 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控1102 指導(dǎo)教師職稱 學(xué)生姓名 景小飛 院系課程設(shè)計(jì)（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)簽字 目 錄摘要2第一章 方案論證31.1定時(shí)間測(cè)次數(shù)實(shí)現(xiàn)法3第一章 心率檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)32.1傳感器32.2放大整形電路設(shè)計(jì)42.3時(shí)基信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)42.4計(jì)數(shù)譯碼顯示電路電路設(shè)計(jì)7第三章 總電路及原理分析123.1 數(shù)字心率計(jì)總電路及其原理說明12數(shù)字心率計(jì)電路工作原理123.2元器件的參數(shù)設(shè)定123. 3電路仿真13仿真軟件介紹13電路仿真13

2、設(shè)計(jì)心得體會(huì)15附錄：參考文獻(xiàn)16摘要 脈搏是常見的生理現(xiàn)象，蘊(yùn)含著豐富的人體生理病理信息。脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中的許多生理病的血流特征。數(shù)字電子技術(shù)作為一門應(yīng)用很廣泛的科學(xué)技術(shù)，發(fā)展極其迅速。要想學(xué)好這門技術(shù)，首先是基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，然后要技術(shù)訓(xùn)練，進(jìn)而培養(yǎng)我們對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，設(shè)計(jì)電路的能力，實(shí)際操作的能力，以及培養(yǎng)正確處理數(shù)據(jù)、分析和綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果、檢查和排除故障的能力。課程設(shè)計(jì)作為對(duì)本課程的學(xué)習(xí)情況的檢驗(yàn)，同時(shí)課程設(shè)計(jì)也對(duì)本課程知識(shí)的綜合運(yùn)用。同時(shí)也加深我們對(duì)電子產(chǎn)品的理解。這次我們課程設(shè)計(jì)的題目是制作一個(gè)心跳速率檢測(cè)器，

3、二脈搏往往與心跳速率息息相關(guān)。根據(jù)人體脈搏信號(hào)特征，本文介紹了一種的由取樣電路、放大整形電路、計(jì)數(shù)顯示電路、電源電路四部分組成的新型心率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。采用高集成度、高性能、低功耗、高頻高速的集成芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)譯碼模塊。具有時(shí)基信號(hào)頻率穩(wěn)定，設(shè)置合理，計(jì)數(shù)器清零及時(shí)，瞬時(shí)心率周期內(nèi)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量范圍為0199 次/min，三位數(shù)字顯示測(cè)量值。關(guān)鍵詞：脈搏，心跳速率，電路，設(shè)計(jì)第1章 方案論證從醫(yī)學(xué)常識(shí)我們可知心率略等于脈搏次數(shù)，所以本次課程設(shè)計(jì)我們將脈搏做為心率的采樣處。以脈搏次數(shù)作為心率。在這里我使用定時(shí)計(jì)數(shù)法來測(cè)量心跳速率。放大與整形顯示器譯碼器計(jì)數(shù)器傳感器時(shí)基信號(hào)發(fā)生器（1） 傳感器：

4、將脈搏轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)（2） 放大電路：對(duì)微小電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大；（3） 時(shí)基信號(hào)發(fā)生電路：產(chǎn)生固定時(shí)間（1分鐘活半分鐘）的控制信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器的門控，使計(jì)數(shù)器只有在此期間才進(jìn)行計(jì)數(shù)；（4） 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路：在門控信號(hào)作用期間，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并顯示譯碼器譯碼，再由數(shù)碼管顯示數(shù)值；（5） 電源電路：按電路要求提供符合要求的直流電源。第二章 心率檢測(cè)器單元電路設(shè)計(jì)2.1 取樣傳感器為了把脈搏轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，應(yīng)采用壓電式傳感器。取樣電路采用抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器CPS182?？垢g的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶

5、瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠通斯電橋。由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比、與激勵(lì)電壓成正比的高度線性度電壓信號(hào)。通過激光標(biāo)定，該傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。2.2 放大整形電路放大整形電路如下圖2-2-1所示，由晶體管9013與74LS00等組成，其中晶體管9013組成放大器將壓電陶瓷傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，它對(duì)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為中規(guī)中矩的矩形波。 圖2-2-1 放大整形電路2. 3 時(shí)基信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)基電路是為了產(chǎn)生一個(gè)方波定時(shí)脈沖，用來控制計(jì)數(shù)器CD4553的計(jì)數(shù)允許INT端，以便使計(jì)數(shù)器在定時(shí)脈沖寬度所固定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)

6、行對(duì)脈搏電脈沖計(jì)數(shù)，固定時(shí)間為四分之一分鐘。在此我們采用的是555的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器加外圍電路構(gòu)成的時(shí)基信號(hào)發(fā)生器。對(duì)于555定時(shí)器芯片，它由TTL集成定時(shí)電路和CMOS集成定時(shí)電路,這二者功能完全相同,不同之處是:TTL集成定時(shí)電路的驅(qū)動(dòng)能力比CMOS集成定時(shí)電路大。555定時(shí)電路是由三個(gè)5千歐電阻組成分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較器、一個(gè)基本R-S觸發(fā)器、一個(gè)作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。它的邏輯電路圖為：如圖2-3-1所示。圖2-3-1 555定時(shí)器邏輯電路圖及555定時(shí)器邏輯符號(hào)功能描述：功能表如表2-3-1表所示。當(dāng)輸入端R為低電平時(shí)，不管別的輸入端為何種情況，輸出為低電平,CMOS

7、管工作。當(dāng)引腳6的輸入電平大于2/3UDD并且引腳2的輸入電平大于1/3UDD,輸出為低電平,CMOS管工作當(dāng)引腳6的電平小于2/3UDD并且引腳2的輸入電平大于1/3UDD,輸出為原狀態(tài).當(dāng)引腳2的電平小于1/3UDD,電路輸出為高電平,NMOS管關(guān)斷.表2-3-1 555功能表555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點(diǎn)：第一，它有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)；第二，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)；第三，暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時(shí)間后，將自動(dòng)返回到穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短，與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)和裝置中，一般用于定時(shí)（產(chǎn)生一定寬度的脈沖）、整

8、形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成等寬、等幅的脈沖）以及延時(shí)（將輸入信號(hào)延遲一定的時(shí)間之后輸出）等。在沒有加入觸發(fā)脈沖前，電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出端（555定時(shí)器引腳3）為低電平，U0=0.當(dāng)輸入端（5555定時(shí)器引腳7）的觸發(fā)脈沖下降沿到達(dá)后，電路進(jìn)入暫態(tài)，輸出端為高電平，U0=1。而后電源電壓VCC通過電阻R開始向電容C充電，當(dāng)充電到U0=2/3VCC時(shí)，電路又還回到穩(wěn)態(tài)，輸出端重新回到低電平，U0=0,這個(gè)穩(wěn)態(tài)一直維持到下一個(gè)觸發(fā)脈沖下降沿到達(dá)時(shí)為止。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間（輸出脈沖寬度Tw）只取決于外接電阻R和電容C的大小，Tw=0.1RC。單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形如下圖2-3-2所示 圖2-3-2 單穩(wěn)態(tài)電路的

9、工作波形根據(jù)原理，時(shí)基信號(hào)發(fā)生電路圖如圖2-3-3所示圖2-3-3 時(shí)基信號(hào)發(fā)生電路圖此電路的核心是555定時(shí)器，其本質(zhì)也就是一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，按鍵接地并與電阻R4串聯(lián)接高電平VCC，當(dāng)沒按下鍵時(shí)2腳輸入為高電平，555定時(shí)器內(nèi)部晶體管飽和導(dǎo)通，電容C2短路，7腳一直為低電平，則3腳輸出為低電平經(jīng)過非門輸出高電平，當(dāng)按下鍵時(shí)，2腳變?yōu)榈碗娖剑?55定時(shí)器內(nèi)部晶體管截止，經(jīng)過電位器RV1對(duì)電容C2充電，當(dāng)C2兩端電壓尚未達(dá)到VCC 2/3VCC時(shí)，3腳輸出為高電平經(jīng)過非門輸出低電平，當(dāng)C2兩端電壓達(dá)到2/3VCC時(shí)，3腳輸出為低電平經(jīng)過非門輸出恢復(fù)高電平，輸出低電平持續(xù)的時(shí)間由電位器RV1和電容

10、C2來確定，計(jì)算公式為：t=1.1RC，其中電容C1為小電容，作用是為了濾除高頻干擾，一般取100Pf。2. 4計(jì)數(shù)譯碼顯示電路電路設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)為了電路的簡(jiǎn)單，我們采用CD4553作為計(jì)數(shù)器。對(duì)于這塊芯片有兩個(gè)與一般的芯片的不同之處:(1) 有多功能：鎖存控制、計(jì)數(shù)允許、計(jì)滿溢出和清零等。(2) 是三位10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但只有一位輸出端（輸出BCD碼），要完成三位輸出，采 用掃描方式，通過它的選通脈沖信號(hào)，依次控制三位十進(jìn)制的輸出，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示方式。 圖2-4-1 CD4553組成方框圖 圖2-4-2 CD4553管腳圖CD4553的組成方框圖及管腳排列圖2-4-1、圖2-4-2所示。功

11、能表見下表2-4-1表.下面簡(jiǎn)要說明這些管腳的功能： （1）CL(引腳12)為計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端。 （2）INH（引腳11）計(jì)數(shù)允許控制端，當(dāng)INH為“0”時(shí)計(jì)數(shù)脈沖有CL端進(jìn)入計(jì)數(shù)器，而當(dāng)INH為“1”時(shí)，禁止計(jì)數(shù)脈沖輸入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器保持禁止錢的最后計(jì)數(shù)狀態(tài)。（3）LE（引腳10）為鎖存器允許端，當(dāng)LE為“1”時(shí)，鎖存器呈鎖存狀態(tài)而保持原有鎖存器內(nèi)信息。（4）R（引腳13）為復(fù)零端，當(dāng)R=1時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出Q0Q3皆為0.（5）輸出哪一位的計(jì)數(shù)值由選脈沖DS1DS3控制（低電平有效）。（6）溢出OF（引腳14），當(dāng)CD4553每計(jì)滿1000個(gè)脈沖時(shí)。溢出端輸出一個(gè)脈沖，而后有重新開始計(jì)數(shù)。輸

12、入輸出RCLINHLE0上升沿00不變0下降沿00計(jì)數(shù)01不變01上升沿0計(jì)數(shù)01下降沿0不變00不變0下降沿鎖存01鎖存10Q1=Q2=Q3=Q4=0表2-4-1 CD4553功能表對(duì)于譯碼電路我們選用CD4511芯片作為電路的譯碼器。譯碼器的功能就是把計(jì)數(shù)器CD4553輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果（BCD碼）轉(zhuǎn)換成七段字型碼以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)數(shù)字或符號(hào)的顯示。CD4511是常用的（BCD碼）七段顯示譯碼器，它本身由譯碼器有輸出緩沖器組成，具有鎖存、譯碼、和驅(qū)動(dòng)等功能，。其輸出的最大電流可達(dá)25mA，可直接驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管。鑒于此本課程設(shè)計(jì)我們采用CD4511作為譯碼器。CD4511有四個(gè)輸入端A,

13、B,C,D和七個(gè)輸出端ag，它還具有輸入BCD碼鎖存，燈測(cè)試和熄滅顯示控制功能，它們分別由鎖存端LE、燈測(cè)試端/LE、熄滅控制端/BI來控制。 CD4511的引腳排列圖如圖2-4-3所示，其真值表如下表2-4-2表所示。由表2-4=2可見，當(dāng)鎖存允許端LE=“0”時(shí)，鎖存器直通，譯碼器輸出端ag隨輸入端AD端變化而變化，當(dāng)LE=“1”時(shí)鎖存器鎖定，輸出狀態(tài)保持不變。熄滅控制端/BI=“0”時(shí)，譯碼器輸出全“0”，因此，正常工作時(shí)應(yīng)是/BI為高電平。另外燈測(cè)試端/LT=“0”時(shí)，譯碼器輸出全“1”，數(shù)碼管各端全亮，即顯示8，用來檢測(cè)數(shù)碼管是否正常。當(dāng)輸入BCD碼大于1001時(shí)，七段顯示輸出全“0

14、”，各段全不亮。CD4511的引腳圖如圖2-4-3所示： 圖2-4-3 CD4511的引腳圖CD4511的真值表如下表2-4-2表所示：LE/BI/LTDCBAabcdefg顯示011111108010000000熄滅0110000111111000110001011000110110010110110120110011111110130110100111001140110101101101150110110101111160110111111000070111000111111180111001111001190111010-11110000000熄滅111為L(zhǎng)ED上跳前的BCD碼決定鎖存

15、表2-4-2 CD4511真值表譯碼顯示采用掃描方式，使三位數(shù)字顯示只需一片CD4511譯碼器，這種顯示方式可簡(jiǎn)化電路，節(jié)省元件和降低功耗。掃描顯示方式的原理圖如圖2-4-4所示。該圖為三位LED顯示，所有位的七段碼線都并聯(lián)在一起，而各位數(shù)碼管的共陰極（對(duì)共陰極LED數(shù)碼管）D1,D2,D3分別被計(jì)數(shù)器CD4553輸出的掃描時(shí)序脈沖DS1，DS2,DS3控制（本設(shè)計(jì)電路中DS1DS3經(jīng)三極管BG1BD3控制D1D3），從而實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通顯示。但要注意為了顯示穩(wěn)定，應(yīng)使掃描時(shí)序脈沖的頻率合適，頻率過低將會(huì)使顯示產(chǎn)生閃爍，而頻率過高將會(huì)使顯示產(chǎn)生余輝。掃描頻率與顯示數(shù)碼管的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多掃

16、描的頻率應(yīng)越高，通?？扇呙桀l率為幾百赫茲，可由CD4553接入電容Cs值調(diào)整來決定。在這里我們選取1000pf。對(duì)與數(shù)碼管的限流電阻根據(jù)數(shù)碼管的電流允許大小來設(shè)置。將電路中的其中一位顯示電路單獨(dú)列出進(jìn)行分析，如圖2-4-4圖所示： 圖2-4-4 一位數(shù)碼管顯示電路連接圖限流電阻R1R7可按下式進(jìn)行估算： （式 2-4-1）式2-4-1中式中為CD4511輸出高電平（）, 為L(zhǎng)ED正向工作電壓（約為1.52V），是三極管T的管壓降（約1V），為數(shù)碼管的筆端電流（約為510mA），則可求得R17約為0.5K。我們選擇標(biāo)稱值為470的電阻作為限流電阻。下圖圖2-4-5為根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)譯碼顯

17、示電路：圖2-4-5 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路第三章 整體電路及原理分析3.1 心跳速率檢測(cè)器總電路及其原理說明心跳速率檢測(cè)器電路工作原理 心跳速率檢測(cè)器總電路圖如下圖3-1-1所示圖 3-1-1 心跳速率檢測(cè)器總電路傳感器將非電量脈搏的跳動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳感器輸出的帶有脈搏跳動(dòng)的信息的電信號(hào)輸入放大整形電路，進(jìn)行放大整形，因?yàn)槊}搏傳感器出來的電壓較弱，一般在毫伏級(jí)，需要進(jìn)行放大。所以要將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，才便于后續(xù)電路的處理。計(jì)數(shù)器要對(duì)與矩形脈沖才能較準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，所以我們必須將放大后的波形整形為比較中規(guī)的矩形脈沖波。然后將放大整形后的信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器和心率檢測(cè)電

18、路部分。信號(hào)進(jìn)入CD4553計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的脈沖信號(hào)的下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)器，然后將計(jì)數(shù)值通過Q0、Q1、Q2、Q3輸出一位十進(jìn)制的BCD的數(shù)，通過掃描完成三位的輸出。CD4511輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)入CD4511譯碼器芯片譯碼，譯碼器輸出后通過限流電阻后直接通過數(shù)碼管直觀的顯示出來。通過讀取數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)，即可獲得測(cè)試者的心率測(cè)試結(jié)果。3.2元器件的參數(shù)設(shè)定 在放大整形電路中C8為濾波電容在此我們用47uf的電解電容，C3為100uf,R6為39K,R5為10K,R5再串上一個(gè)50K的電位器方便在調(diào)試時(shí)調(diào)節(jié)其靜態(tài)工作點(diǎn)，晶體管選取NPN型9013，R9選取47K,R8選取10，R7選取1K,二極管采

19、用IN4001型號(hào)，整形電路部分由與非門構(gòu)成的RS觸發(fā)器用一塊74LS00芯片組成。Q2用9012型號(hào)的PNP晶體管，RV3用阻值為200K電位器，C6為47Uf的電解電容，C7為1nF的電容，其信號(hào)處理電路用NE555定時(shí)器芯片，后續(xù)同樣用74LS00芯片構(gòu)成RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。D2為L(zhǎng)ED發(fā)光二極管。R12和R13均為470電阻。時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路是為了產(chǎn)生一定時(shí)15S的定時(shí)脈沖。則將C1設(shè)為100pf，R4設(shè)為200，RV1為200K的電位器，C2設(shè)為220Uf,利用NE555加上上述元件構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在計(jì)數(shù)譯碼顯示電路中通過設(shè)置C1可以設(shè)定CD4553掃描時(shí)間，在此設(shè)定電容為1nf，

20、R10和C5加上按鍵可構(gòu)成計(jì)數(shù)器的復(fù)位電路，則設(shè)R10為200，C5為47Uf的電解電容。計(jì)數(shù)器芯片選取CD4553,譯碼器選取CD4511芯片，由數(shù)碼管的電流限制選取阻值為470的限流電阻。3. 3電路仿真仿真軟件介紹對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)我們一改前例，使用了一款新的、功能更為強(qiáng)大的仿真軟件Proteus。Proteus 軟件是由英國(guó) Labcenter Electronics 公司開發(fā)的EDA工具軟件，已有近20年的歷史，在全球得到了廣泛應(yīng)用。Proteus 軟件的功能強(qiáng)大，它集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和

21、仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計(jì)愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計(jì)與仿真軟件。Proteus軟件和我們手頭的其他電路設(shè)計(jì)仿真軟件最大的不同即它的功能不是單一的。它的強(qiáng)大的元件庫可以和任何電路設(shè)計(jì)軟件相媲美；它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，且獨(dú)特的單片機(jī)仿真功能是Multisim及其他任何仿真軟件都不具備的；它的PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但強(qiáng)大，而且每種功能都毫不遜于Protel，是廣大電子設(shè)計(jì)愛好者難得的一個(gè)工具軟件。電路仿真（1） 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路仿真 在這里我只突出譯碼顯示電路的仿真圖，由于原理圖實(shí)在Altium Designer上設(shè)計(jì)的，這Protues中我發(fā)現(xiàn)有更方便的數(shù)碼管，雖然有四個(gè)，但是按照原理，可以只使用其中三個(gè)，電路圖接法如圖3-3-2所示： 圖3-3-2 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路仿真圖對(duì)于計(jì)數(shù)譯碼顯示部分電路的仿真，我們同樣也是用按鍵模擬輸入的計(jì)數(shù)脈沖，我們每按鍵一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值加一。對(duì)于這部分電路的仿真結(jié)果如圖3-3-3所示： 圖3-3-3 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路仿真結(jié)果上圖為按鍵51次的仿真結(jié)果即為輸入信號(hào)有51個(gè)下降沿。計(jì)數(shù)譯碼顯示電路對(duì)這51個(gè)下降沿的有效計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)的結(jié)果，通過數(shù)碼管顯