課程設計—--電子心率計的設計

1、<p><b>　　課程設計說明書正文</b></p><p>　　1：任務分析與方案設計</p><p>　　心率計是用來測量一個人心臟單位時間內(nèi)跳動次數(shù)的電子儀器，由于人體各部位心率一致，所以通常測量人手臂處的脈搏即可測出人體心率。任務要求測出的心率為一分鐘內(nèi)心跳的次數(shù)，并顯示，測量結果要與標準范圍作比較，不在標準范圍內(nèi)則報警。</p>&

2、lt;p>　　設計方案為:采用傳感器，量脈搏的跳動，出微弱的信號，入放大器中放大；后通過濾波器濾除干擾信號后，將形整形為方波或脈沖信號；將其作為計數(shù)控制信號，用基準時間一定的方波作為計數(shù)脈沖在一個心跳周期內(nèi)計數(shù)，計數(shù)值N與基準時間T的乘積就是一次心跳的時間。再對“60/基準時間T”個脈沖進行N分頻，對分頻后的信號計數(shù)，其計數(shù)值則為本次心率數(shù)值。之后計數(shù)器計數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時，將其輸入的頻率進行F/V轉換后與標準電壓值作比

3、較，若，測量值不在標準值范圍內(nèi)則報警，即LED燈亮。流程圖如下。 </p><p>　　2：電路設計，元器件參數(shù)計算及選擇</p><p>　　2.1：傳感器的選擇:</p><p><b>　　紅外線檢測原理：</b></p><p>　　隨著心臟的博動，人體組織半透度隨之改變，當血液流回心臟，組織半透度增大，這種現(xiàn)象

4、在人體組織較薄的指尖、耳垂等部位最明顯。用紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生紅外線照射到人體上述部位，并用裝在一旁的紅外光電管來檢測機體組織的透明度并轉換成電信號，其信號頻率與脈搏頻率相對應并且其為低頻近似的正弦信號。</p><p>　　TCRT5000(L)具有緊湊的結構發(fā)光燈和檢測器安排在同一方向上，利用紅外光譜反射對象存在另一個對象上，操作的波長大約是950毫米。探測器由光電晶體三極管組成的。</p>&l

5、t;p>　　2.2：后級電路的設計：</p><p><b>　　跟隨器：</b></p><p><b>　　電壓跟隨器： </b></p><p>　　電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。 </p><p>　　電壓跟隨器的

6、顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 </p><p>　　在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸入阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸出阻抗比較小，那么信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一

7、個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。</p><p><b>　　仿真圖：</b></p><p>　　黃色信號（下）為輸入信號。</p><p>　　藍色信號（上）為輸出信號。</p><p>　　由圖中可以看出，輸入輸出信號基本相等。</p>

8、<p>　　2.3:放大電路的設計</p><p>　　傳感器輸出為微弱信號，需進行放大后才便于后續(xù)電路的處理?？紤]到后續(xù)電路中濾波器電路也具有信號放大的功能，所以放大器的放大倍數(shù)不宜過大，初步選擇為660倍。設計電路的原理如下：</p><p><b>　　信號輸入端</b></p><p><b>　　信號輸出端<

9、;/b></p><p>　　其放大倍數(shù)的計算公式為 </p><p><b>　　二級放大電路：</b></p><p>　　由圖可知A1=20 ，A2=33</p><p>　　A=A1*A2=660</p><p>　　二級放大電路仿真圖：</p><p>　　

10、黃色信號（下）為輸入信號（其一格為2mV）</p><p>　　藍色信號（上）為輸出信號（其一格為2V）</p><p>　　2.4：濾波器的設計</p><p>　　干擾信號對測量結果帶來很大的誤差，對信號進行分析與處理時, 常常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題, 這些噪聲有的是與信號同時產(chǎn)生的, 有的是傳輸過程中混入的。因此, 從接收的信號中消除或減弱干擾噪聲

11、, 就成為信號傳輸與處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號的過程稱為濾波, 實現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。在測量的過程中，對于心率計的信號干擾主要是高頻信號的干擾，所以設計的濾波器的為低通濾波器，通帶截止頻率設置為1000HZ，在所有的低通濾波器中，二階有源濾波器具有時域響應快，截止性能良好，并且有一定的電壓放大倍數(shù)的特點，故選擇濾波器為二階有源濾波器。</p><p>

12、;　　有源二階濾波器基礎電路如圖1所示：</p><p>　　圖1 二階有源低通濾波基礎電路</p><p>　　它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當信號頻率f＞＞f0時（f0 為截止頻率），電路的每級RC 電路的相移趨于-90º，兩級RC 電路的移相到-180º，電路的

13、輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容c 引到集成運放同相端的反饋是負反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。</p><p><b>　　傳輸函數(shù)為：</b></p><p>　　令 稱為通帶增益 </p>

14、<p><b>　　稱為等效品質(zhì)因數(shù) </b></p><p><b>　　稱為特征角頻率 </b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　要求截止頻率f0=1000HZ；品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。低通濾波器的通帶電壓增益 =1.586。選擇C=82nF,選擇標準電阻

15、R=9.09 KΩ，Rf=2.55 KΩ。</p><p><b>　　二階有源濾波電路：</b></p><p>　　二階有源濾波電路仿真：（藍—輸出信號 黃—輸入信號）</p><p>　　模擬信號輸入時由于二階有源濾波電路的通頻帶增益有了一個放大的效果這樣加上前二級放大電路的放大作用，總電壓放大倍數(shù)為1046.76，則可以將mV級信號放

16、大到V級。</p><p>　　1kHZ頻率信號輸入仿真：</p><p>　　如仿真波形所示：當頻率大于1000HZ的信號輸入時，電壓衰減為0，取得了良好的濾波效果</p><p><b>　　2.5：整形電路：</b></p><p>　　輸入信號進入后將首先通過比較器將正弦型信號轉變成-5V—5V的方波信號，之后方

17、波信號進入施密特觸發(fā)器進行進一步的整形，將信號轉換為0V—5V的數(shù)字信號，并提高信號的上升和下降時間，有利于信號的分辨與處理。</p><p>　　施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常用一種電路，它在性能上有兩個特點：第一，輸入信號從低電平上升的過程中電路轉換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降的過程中對應的輸入電平不同。第二，在電路轉換時通過電路內(nèi)部中的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿很陡。利用這兩個特點不僅可以使

18、邊沿變化緩慢的信號整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將噪聲有效地消除。</p><p><b>　　整形電路仿真：</b></p><p>　　經(jīng)施密特觸發(fā)器整形前后的信號比較：</p><p>　　2.6：555定時器電路：</p><p>　　555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)

19、器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，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 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

20、出為 0 電平。</p><p>　　引腳功能：1—接地GND 2—觸發(fā) 3—輸出 4—復位 5—控制電壓 </p><p>　　6—門限（閾值） 7—放電 8—電源電壓VCC</p><p>　　參數(shù)功能特性： 供應電壓 4.5—18V</p><p>　　供應電流3-6 mA </p><

21、;p>　　輸出電流225mA (max) </p><p>　　上升/下降時間100 ns</p><p>　　存儲溫度范圍 -65℃ 至 +150℃</p><p>　　工作溫度 0℃ 至 +70℃</p><p>　　構成多諧振蕩器，組成信號產(chǎn)生電路：</p><p>　　多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒

22、有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。</p><p>　　接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地，按指數(shù)規(guī)律上升，當上升到時（TH、端電平大于），輸出翻轉為低電平。是低電平，T導通，C放電，放電回路為C—R2—T—地，按指數(shù)規(guī)律下降，當

23、下降到時（TH、端電平小于），輸出翻轉為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩，振蕩周期： T=（R1+2R2）Cln2 </p><p>　　設計電路定時時間為0.05s取R11=42K,R12=700K,C4=50nF。</p><p>　　555定時器仿真圖：</p><p>　　2.7：控制信號電路：</p><p&g

24、t;　　此電路使用D觸發(fā)器對心跳信號做了2分頻，則此時輸出信號的高低脈沖時間為一次心跳的時間，此信號作為電路的控制信號，其實現(xiàn)的功能是高電平時間為計數(shù)時間，而低電平時間成為了后續(xù)電路載入N值進入預置數(shù)計數(shù)器的時間等待下一個高電平時間開始計數(shù)處理。</p><p><b>　　控制信號仿真：</b></p><p>　　黃色信號為輸入的模擬心跳信號。</p>

25、<p>　　藍色信號為整形后的輸出信號。</p><p>　　紫色信號為轉換后的控制信號。</p><p>　　2.8：N值計數(shù)電路:</p><p>　　采用芯片為74LS160十進制計數(shù)芯片</p><p>　　管腳圖介紹：時鐘輸入 CP

26、 四個數(shù)據(jù)輸入端 P0—P3清零 /MR計數(shù)控制端 CEP，CET置數(shù) PE數(shù)據(jù)輸出端 Q0—Q3進位輸出端 TC</

27、p><p>　　仿真圖(輸入信號頻率為1HZ)：</p><p>　　2.9：1200脈沖產(chǎn)生電路：</p><p>　　采用芯片為74LS161四位二進制計數(shù)芯片</p><p>　　管腳圖介紹：時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0~P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3以及進位輸出TC. (TC=Q0·Q1

28、·Q2·Q3·CET)</p><p>　　利用3片74LS161可以對輸入脈沖進行計數(shù)，當計數(shù)到第1200個脈沖時，停止計數(shù)保持計數(shù)值，并產(chǎn)生一個控制信號使可預置數(shù)計數(shù)器清零，直到下一個心跳周期到來后重新清零計數(shù)器進入下一個工作周期。</p><p>　　2.10：N位預置數(shù)計數(shù)器：</p><p>　　此計數(shù)器是對1200個脈沖進行

29、N分頻，首先將N值計數(shù)器的計數(shù)值取反，之后輸入到N位預置數(shù)計數(shù)器中等待心率控制信號的低電平，之后送入到計數(shù)器中，從此時的計數(shù)值到產(chǎn)生溢出信號之間的計數(shù)值為N，對RCO的溢出信號計數(shù)直到1200計數(shù)器產(chǎn)生清零信號，這之間的計數(shù)值為心率值。</p><p>　　2.10心率計算及譯碼顯示模塊：</p><p>　　使用74LS48 BCD—數(shù)碼管段碼芯片</p><p>

30、;　　對N位預置數(shù)電路產(chǎn)生的溢出信號計數(shù)，將計數(shù)值（BCD碼）轉換為段碼輸出，在數(shù)碼管上顯示出來。</p><p>　　2.12：報警模塊：</p><p>　　本模塊利用LM131系列芯片作為f/V轉換器，f/V轉換器是把頻率變化信號線性的轉化為電壓變化信號，它主要包括電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器三部分。輸入信號通過比較器轉換成快速上升/下降的方波信號去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，隨即產(chǎn)生

31、定寬T、定幅度U的輸出脈沖序列。將此序列經(jīng)低通濾波器平滑，可得到比例于輸入信號頻率f的輸出電壓u,且u=T*U*f。</p><p>　　該電路采用了LM131作為f/V轉換器，查得基本電路如下圖，其頻率電壓轉換關系式為</p><p>　　取=10K, =10K, =10K, =100uf。</p><p>　　將轉換后的電壓與預設的上下限電壓比較，如果超出允許的

32、范圍則點亮LED燈。</p><p><b>　　預設電壓值：</b></p><p>　　最后仿真結果1（信號頻率為1HZ(60次/分)）：</p><p>　　最后仿真結果2（信號頻率為0.5HZ(120次/分)）：</p><p>　　3：本次課程設計的體會</p><p>　　這次課程設計

33、經(jīng)歷了兩周時間，在這兩周的時間內(nèi)，有了和平時不一樣的學習感受。首先課程設計的自主性很高，完成課程設計任務書中的要求所需的電路，材料，芯片都由自己來決定，這樣對以后步入社會獨立解決工作中的問題積累了基本的經(jīng)驗。再次，課程設計充分調(diào)動了我以前所學過的知識，讓我把數(shù)點，模電中所學過的知識組合運用起來，并且加深了我對某些知識的理解，以及對一些容易在理論中忽略但在實踐中不可輕視的知識點有了更好的掌握，重溫了很多以前沒掌握和沒掌握好的知識點。<

34、;/p><p>　　在這次設計中遇到了許許多多的困難，而在此時通過與同學交流和上網(wǎng)查閱資料將它解決之后，我發(fā)現(xiàn)原來自己也可以解決實際的問題，而不單單只是算幾道題，做幾份試卷，雖然知識原理上的設計與電腦平臺上的仿真，但這和解決幾道題的感覺完全不一樣，我發(fā)現(xiàn)自己可以將學到的知識運用到實際當中去，不在只是做各種參數(shù)的運算，這兩種學習方式——在實踐中學習和在理論書籍中學習——給我不同的感受，理論學習目前看來就是學習電路的原理

35、，計算電路的參數(shù)，而在課程設計中不單單有電路參數(shù)的計算和原理的把握，更有一些細節(jié)信息的處理，資料的查詢，對于以后實際工作中處理問題積累下了基本的經(jīng)驗。</p><p>　　總的來說，在這兩個周中，我不但溫故，還知新了，收獲了很多，雖然累了點但還是覺得很值得。</p><p><b>　　3：參考資料清單</b></p><p>　　【1】：楊素

36、行.《模擬電子技術基礎簡明教程》.清華大學電子學教研組.高等教育出版社.2006年第三版</p><p>　　【2】：閻石.《數(shù)字電子技術基礎》.清華大學電子學教研組.高等教育出版社.2006年5月第五版</p><p>　　【3】：張國雄.金篆芷.《測控電路》.天津大學.機械工業(yè)出版社.2001年1月</p><p><b>　　4.器件清單</b