数字心率计课程设计大学毕设论文.doc

数字心率计

目 录

1. 摘要……………………………………………………………… 1
2. 方案原理介绍…………………………………………………… 2
2.1 方案设计与论证……………………………………………… 2
3. 总体方案介绍…………………………………………………… 3
4. 单元电路的设计与选择………………………………………… 4
4.1 脉搏检测电路的设计………………………………………… 4
4.2 信号放大电路的设计及参数计算…………………………… 5
4.3 信号滤波电路的设计及参数计算…………………………… 7
4.4 整形电路的设计与参数计算………………………………… 8
4.5 倍频电路………………………………………………………10
4.6 时基电路………………………………………………………11
4.7 逻辑控制电路…………………………………………………12
4.8 计数、锁存和显示电路………………………………………14
4.9 报警电路设计…………………………………………………18
5. 总体电路的绘制…………………………………………………18
5.1 电路总图………………………………………………………18
5.2 元器件清单……………………………………………………19
6. 心得体会…………………………………………………………19
7. 参考文献…………………………………………………………21

数字心率计
1 摘要
对于医院的危重病人，或者在其他一些特殊场合，需对人的心心率进行连续检测，本课题即针对这一需求，设计一台简易的心率检测仪。
课题的思路是用压力传感器检测病人手腕部的脉搏跳动，压力传感器的输出信号经一系列电路处理，形成可用于检测的脉冲信号，再经电路处理，最终由数码管显示其数值，并根据被测对象情况判断其健康状态，以报警信号显示。
关键词：传感器，滤波器，放大器，显示电路，报警电路

2 方案原理介绍

2.1 方案设计与论证
正常人的脉搏次数是每分钟60～90次（婴儿为90～120次,老年人则为100～150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是:
要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。
对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行进一步的加工和处理。
脉搏测试仪要能在15秒左右测出脉搏跳动次数，并作出是否报警的判断。
报警的上、下限及对象选择可以通过多路开关调节。
总之，脉搏测试仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。
2.1.1 方案设计
脉搏测试仪的上述功能要求，可采用了三种不同的方案来实现：
方案一：把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间N内（如15秒）进行计数，完成后将计数结果通过乘法器乘以系数60/N（如60÷15=4）并用数字显示其计算后的值，从而得到每分钟的脉搏数。
方案二：该种方案和第一种有一点类似，其差别在于该方案采用的是倍频的方式求取脉搏数。在单位时间15秒内进行计数，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。
2.1.2 方案验证
这三种方案比较起来，第一种方案比较直观，但精度较低，如果计数时间是15秒最大时误差为±4次，而且电路结构需要乘法器，乘法器芯片难寻，电路结构复杂；第二种方案直观，电路结构简单，且精度较第一种方案高，但由于采用倍频电路其精度已提高到±1次，完全满足设计要求。为了使脉搏测试仪轻巧而便宜，且有较高精度通常采用第二种方案，本文的设计就基于这一方案。
3 总体方案介绍
本设计采用了2.1.1中的第二种方案，选用该种方案的原因是电路容易实现，各部分造价较低，满足精度要求。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。
由于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。 这种设计方案的方框图如下图1。

图一 设计方案方框图

4 单元电路的设计与选择
4.1 脉搏检测电路的设计
因为采用的MPX2050力敏元件是一种高性能的动态微压传感器, 且输出电压信号有一直流叠加, 故采用电桥法直接获取脉搏信号。如图2 所示, 可以看出采用电桥接法通过匹配R1,R2 以及调整电位器RC可以将传感器两端的交流变化量取出来。系统所用的电源是直流稳压+5V, 采用的串联电阻R1、R2为5kΩ。同时, 为了排除电源的噪声干扰, 前置一个1000u电容C1接地。

图二 脉搏测量电路
传感器参数如下：
     型 号
最大压力 psi
最大压力 kpa
最大压力 in H2O
最大压力 cm H2O
最大压力 mm Hg
过压 (kpa)
零位
偏差
mv
量程电压 mv
灵敏 mV/Kpa
线性%量程 最小
线性%量程 最大
典型压力

MPX2050
7.0
50
201
510
375
200
±1.0
40
0.8
-0.3
-0.3

•
•

由于传感器灵敏度为0.8V/KPa,而人体正常情况下收缩压大致为136(18KPa)--90mmHg（12KPa），舒张压为86--60mmHg。因为收缩压较舒张压大，故以收缩压信号作为预处理信号。脉搏测量电路输出的峰值电压大约为：
12X0.8=9.6mv到18X0.8=14.4mv
4.2 信号放大电路的设计及参数计算
4.2.1 放大电路的选择
方案一：采用常见的同相放大电路，对信号进行放大。根据理论公式进行计算可得电路的放大倍数为：Av=Vo/Vi=1+R1/R2.选择不同的阻值可以得到不同的放大倍数，但此电路不适合小信号放大，因此不予采取。
方案二：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所示。它由三个集成运算放大器组成，其中U10、U12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，U11构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U10、U12的共模信号。
当U10、U12性能一致是，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响电路的对称性。

4.2.2 电路参数的计算
但为了消除U10、U12偏置电流的影响，通常取R1=R2，R3=R4，R5=R6。
由于输入级是毫伏级，为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为250倍，则
Au=－(1+2R1/Rp)*R5/R3 ，(设定R1=R2,R3=R4,R5=R6)
通过ORCAD软件模拟及参照相关资料得第一级放10倍，第二级为25倍，放大倍数计算分配如下：
第一级放大10倍，A1=1+(R1+R2)/RP=20，取RP=10K，R1=R2=100K
第二级放大25倍，A2=－R5/R3=50，取R3=R4，R5=R6
总的放大倍数为：Au=－(1+2R1/Rp)*R5/R3=A1*A2=10*25=250
ORCAD模拟结果如下：
第一级输出U10（out）、U12（out）放大10倍（图4所示）：

图四 第一级输出波形
最后输出V（out）共放大250倍（图5所示）

图五 第二级输出
4.3 信号滤波电路的设计及参数计算
4.3.1 滤波电路的选择
由于有50 赫兹的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰, 必须对所取信号进行滤波处理。考虑到脉搏的频谱特性以及滤波50 赫兹工频干扰可以采用截止频率为2.5 赫兹的低通滤波器滤除。因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单，调整方便，且使用电路多采用运算放大器做有源器件，几乎没有负载效应，故选择压控电压源型滤波电路。电路如图6所示。
4.3.2 压控电压源型二阶低通滤波器电路参数的计算
因为脉搏的正常跳动为60～150次/分钟，所以容易算得其最高频率为：f=150/60=2.5Hz,
为了便于计算，设该低通滤波器的截止频率f0=2.5Hz
∵f0=w0/2π=2.5
∴w02=(2.5×2π)2=1/R1fR2fC1fC2f=246.5
为了计算的简便，取：R1f=2000K，R2f=4000K，C1f=0.05u，C2f=0.01u
把R1fR2fC1fC2f的值带入验证得:
R1fR2fC1fC2f=1×106*4×106*5×10-8*1×10-8=0.002
∴w0=15.811
∴f0=15.811/6.28=2.5177≈2.5
故取R1f=2000K，R2f=4000K，C1f=0.05u，C2f=0.01u，见图6。

图六 滤波电路

图七 滤波电路AC分析结果
4.4 整形电路的设计与参数计算
4.4.1 整形电路的选择
本电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到倍频电路。采用反相滞回电压比较器完成电路整形。
方案一：本电路也可由常用TTL和CMOS集成电路中的施密特触发器实现，如74LS14和CC40106. 74LS14的典型数值U_=0.9V,U+=1.7V; CC40106d 阈值电压范围是3.6V> U+>2.2V,1.6V> U_>0.3V(VDD=5V).已知放大后的信号峰值电压为3.6V>U>2.4V,这与上述芯片的参数有些差值，虽然可经过适当的电路加以调整，但这样会使电路复杂化，因而不予采取。
方案二：这部分电路如图8所示，输入电压V7加在集成运放的反相输入端，参考电压V2经电阻R1c接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rfc引回同相输入端。电阻Rc和稳压管D1的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在0～5V之间。
在本电路中，当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即u-=u+时，输出端的状态将发生跳变。其中u+由参考电压V3及输出电压u（out）二者共同决定，而u（out）有两种可能的状态：+Uz（+5V）或0。由此可见，是输出电压由+Uz跳变为0。以及由0跳变为+Uz所需的输入电压值是不同的。也就是说，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图9所示。
由图中可以看出，u（out）的两种电压值不等于+5V和0V，分析原因是由于稳压管D1的反向电流并不为零（其值很小，通常情况下不予考虑），所以它两端的电压值并不严格等于D1的稳压电压，而是有一定的偏移。

图八 整形电路

图九 整形电路软件分析
4.4.2 相关参数计算
利用叠加原理求得：
u+=Rf/(R1c+Rfc)*V3+R1c/( R1c+Rfc)*u(out)
UT+=Rfc/( R1c+Rfc)*V3+R1c/( R1c+Rfc)*Uz
UT－= Rfc/( R1c+Rfc)*V3－R1c/( R1c+Rfc)*0
∴△UT=UT+－UT－= R1c/( R1c+Rfc)*Uz
由上式可见，门限宽度△UT的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻R2和Rf的值，但与参考电压V3无关。调节参考电压滞回比较器的传输特性将平行地左移或右移，滞回曲线的宽度不改变。
由于经传感器送出的电压是毫伏级，放大一千倍以后为伏级，所以，门限宽度不宜过宽，可取△UT= R1c/( R1c+Rfc)*Uz=0.5V
∵查询稳压管D1N750的稳压值为Uz=5V
∴初略计算得：R1c=11k，Rfc=100k
整形电路的瞬态分析结果图10所示。

图十 整形电路模拟分析
4.5 倍频电路
为了在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11.

图十一 四倍频电路图
用ORCAD模拟得出输入、第一级输出、第二级输出的波形如下图12。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。

图十二 输入信号、二倍频和四倍频
4.6时基电路
时基信号是标准测量的基础，这个信号可采用多谐振荡器产生，在简单时基电路中，可以用555定时电路。根据门控电路要求，需要设计正脉冲宽度T为15秒，定时电路的周期可设为20到30秒。可根据555的计算公式计算电阻R1和R2及电容C1、C2的参数。
555定时器功能表：
输 入
输 出
TH

VO
Dis
×
<VCC
<VCC
>VCC
×
<VCC
>VCC
×
L
H
H
H
L
H
不变
L
导通
截止
不变
导通
图十三 555定时器功能表
器件取值：

振荡周期：T=T1+T2=（R1+R2）Cln2
振荡频率：f=1/T=1/(R1+R2)Cln2
设脉冲幅度大于3V小于5V,占空比为q=2/3，振荡周期为15秒
则 q=(r1+r2)/(r1+r2)=2/3
故得 R1=R2
由此得 T=（r1+r2）Cln2=15 取C=1u
解得r1=r2=480k
电路图如图15所示

图十五 时基电路图示
4.7逻辑控制电路
根据数字频率计的原理框图及各级电路波形，设计相应的控制电路。门控制信号结束时产生负跳变，可以用该信号控制一个单稳态触发器产生锁存信号。锁存信号结束时又产生负跳变，用该信号再控制一个单稳态触发器产生清零信号。可以使用两个单稳态触发器的74LS123.由74LS123的功能表可得，当触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一正脉冲。74LS123的触发脉冲宽度有电路的时间常数决定。设锁存信号和清零信号的脉冲宽度相同且为Tw，如果要求Tw=0.02秒 RC=0.02秒，若取R-10k，则C=4.4uF，取标陈值4.7uF.
74LS123管脚图：

图十六 74LS123功能表
电路如图17所示

图十七 逻辑控制电路图
4.8计数、锁存和显示电路
锁存器的作用是将控制信号结束时记得的数进行锁存，使显示器能稳定的显示此时计数器的值。可以选用8D锁存器74LS273完成上述功能。当锁存脉冲的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变，计数器的的输出不会送到译码显示器。
4.8.1异步计数器74LS90引管脚图及功能表真值表
74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。其引脚排列图和功能表如所示：

4.8.2
74ls27引脚及功能图示

引脚功能：
74LS273是8位数据/地址锁存器
　　74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。

74ls48引脚图以及真值表

  74LS48的引脚排列
4.8.4计数、锁存和显示电路如图18所示：

图十八 计数、锁存和显示电路图

4.9报警电路设计
本电路采用8个JK触发器组成二进制计数器，其输出结果为xxxx xxxx（x为0或1），其输出结果通过与门和发光二极管相连，当某一输入使与门输出高点平时，则点亮发光二极管。设红色放光管亮时，为血压过高；当黄色发光管亮时，表示血压过低，并由控制开关来区分被测人（老人、儿童、成年人）。电路如图19所示：

图十九 报警电路图

5 总体电路的绘制
5.1 电路总图

完整的电路结构如图20

图二十 总电路图

5.2 元器件清单
序号
名称
型号
数量
1
电阻
R
25
2
可变电阻
R
2
3
电容
C
15
4
集成运放
OP-27
3
5
集成运放
uA741
1
6
集成运放
LF356/LT
1
7
施密特触发器
555B
1
8
二输入与门
7400
8
9
四输入与门
7420
9
10
多路开关
SW ROTARY 1P-5W
2
11
二输入或门
CD4075B
2
12
单稳态触发器
74LS123
1
13
记数器
74LS90
3
14
锁存器
74LS273
2
15
显示译码器
74LS48
3
16
LED数码管
LDQ-N51R
3
17
LED
LL4148
2

6 心得体会
本设计通过数模混合电路设计实现了对心率信号的实时测定，并能发出警告。整个电路尽量考虑到各方面的因素，做到线路简单，减小电磁场干扰，充分利用集成芯片，弥补分离元器件的精度不足。甚至还可以以该设计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善，扩展至对人体其他生理状态的测定。
对于此次课程设计，我自己感觉学到了很多东西。不仅是新知识的学习，更重要的是我学会了如何去运用已有的知识，深刻体会到了基础知识的重要性，更懂得了闭门造车是行不通的。
其实，课程设计就是为了让我们把已有的知识加以融会贯通，在此次设计中我们运用的都是以前学过的知识数字电子技术、模拟电子技术、测控电路和ORCAD等。然而这在以前，它们都是零散的，在此次设计中，一个脉搏测试仪就让我们把它们联系了起来。在设计电路时才真正弄懂了ORCAD的模拟功能是用来做什么的，对分频、倍频的概念才有了宏观的认识.明白了到了作为做仪器开发的工作人员的辛苦。
总之，亲自动手是课堂学习的延续，电子领域随时随地都在发生着翻天覆地的变化，现有的知识储备总是落后于科技的发展脚步，我们只有不断学习新知识，才能做到在面对新课题时游刃有余。

7 参考文献
[1]童诗白、徐振英编.现代电子学及应用.高等教育出版社，1994年
[2]陈明义、宋孝瑞等编.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社，2002年
[3]陈晓文主编.电子线路课程设计.电子工业出版社，2004年
[4]杨素行主编，清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，2002年
[5]阎石主编，清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础.高等教育出版社，1985年
[6]天津大学 张国雄、金篆芷主编.测控电路.机械工业出版社，2001年
[7]潘银松主编.电子电路CAD.重庆大学出版社，2007年
[8]刘鸣主编.电子线路综合设计实验教程.天津大学出版社，2008年
[9] 林家瑞主编.集成电路及微机应用手册.华中科技大学出版社，2001年
[10] 王斌主编.模拟电子技术实验与课程设计.西北工业大学出版社，2006年

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