心率检测器课程设计

武汉纺织大学课程设计任务书课题名称： 心跳速率检测器 完成期限： 2014年05月28日 至 2014年06月12日院系名称 机械院 指导教师 周国鹏 专业班级 测控1102 指导教师职称 学生姓名 景小飞 院系课程设计（论文）工作领导小组组长签字 0目 录摘要2第一章 方案论证31.1定时间测次数实现法3第一章 心率检测单元电路设计32.1传感器32.2放大整形电路设计42.3时基信号发生器设计42.4计数译码显示电路电路设计7第三章 总电路及原理分析123.1 数字心率计总电路及其原理说明123.1.1数字心率计电路工作原理123.2元器件的参数设定123. 3电路仿真133.3.1仿真软件介绍133.3.2电路仿真13设计心得体会15附录：参考文献16摘要 脉搏是常见的生理现象，蕴含着丰富的人体生理病理信息。脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中的许多生理病的血流特征。数字电子技术作为一门应用很广泛的科学技术，发展极其迅速。要想学好这门技术，首先是基础理论的系统学习，然后要技术训练，进而培养我们对理论联系实际的能力，设计电路的能力，实际操作的能力，以及培养正确处理数据、分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。课程设计作为对本课程的学习情况的检验，同时课程设计也对本课程知识的综合运用。同时也加深我们对电子产品的理解。这次我们课程设计的题目是制作一个心跳速率检测器，二脉搏往往与心跳速率息息相关。根据人体脉搏信号特征，本文介绍了一种的由取样电路、放大整形电路、计数显示电路、电源电路四部分组成的新型心率计的设计方法。采用高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块。具有时基信号频率稳定，设置合理，计数器清零及时，瞬时心率周期内准确计数等优点。测量范围为0199 次/min，三位数字显示测量值。关键词：脉搏，心跳速率，电路，设计第一章 方案论证从医学常识我们可知心率略等于脉搏次数，所以本次课程设计我们将脉搏做为心率的采样处。以脉搏次数作为心率。在这里我使用定时计数法来测量心跳速率。放大与整形显示器译码器计数器传感器时基信号发生器（1） 传感器：将脉搏转换成相应的电脉冲信号（2） 放大电路：对微小电脉冲信号进行放大；（3） 时基信号发生电路：产生固定时间（1分钟活半分钟）的控制信号，作为计数器的门控，使计数器只有在此期间才进行计数；（4） 计数、译码、显示电路：在门控信号作用期间，对电脉冲信号进行计数，并显示译码器译码，再由数码管显示数值；（5） 电源电路：按电路要求提供符合要求的直流电源。第二章 心率检测器单元电路设计2.1 取样传感器为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。取样电路采用抗腐蚀的陶瓷压力传感器CPS182。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠通斯电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比、与激励电压成正比的高度线性度电压信号。通过激光标定，该传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。2.2 放大整形电路放大整形电路如下图2-2-1所示，由晶体管9013与74LS00等组成，其中晶体管9013组成放大器将压电陶瓷传感器输出的信号进行放大。与非门构成的施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为中规中矩的矩形波。 图2-2-1 放大整形电路2. 3 时基信号发生器设计时基电路是为了产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INT端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为四分之一分钟。在此我们采用的是555的单稳态触发器加外围电路构成的时基信号发生器。对于555定时器芯片，它由TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,这二者功能完全相同,不同之处是:TTL集成定时电路的驱动能力比CMOS集成定时电路大。555定时电路是由三个5千欧电阻组成分压器、两个高精度电压比较器、一个基本R-S触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。它的逻辑电路图为：如图2-3-1所示。图2-3-1 555定时器逻辑电路图及555定时器逻辑符号功能描述：功能表如表2-3-1表所示。当输入端R为低电平时，不管别的输入端为何种情况，输出为低电平,CMOS管工作。当引脚6的输入电平大于2/3UDD并且引脚2的输入电平大于1/3UDD,输出为低电平,CMOS管工作当引脚6的电平小于2/3UDD并且引脚2的输入电平大于1/3UDD,输出为原状态.当引脚2的电平小于1/3UDD,电路输出为高电平,NMOS管关断.表2-3-1 555功能表555定时器构成单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。在没有加入触发脉冲前，电路处于稳态，输出端（555定时器引脚3）为低电平，U0=0.当输入端（5555定时器引脚7）的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂态，输出端为高电平，U0=1。而后电源电压VCC通过电阻R开始向电容C充电，当充电到U0=2/3VCC时，电路又还回到稳态，输出端重新回到低电平，U0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。暂稳态持续时间（输出脉冲宽度Tw）只取决于外接电阻R和电容C的大小，Tw=0.1RC。单稳态电路的工作波形如下图2-3-2所示 图2-3-2 单稳态电路的工作波形根据原理，时基信号发生电路图如图2-3-3所示图2-3-3 时基信号发生电路图此电路的核心是555定时器，其本质也就是一个单稳态触发器，按键接地并与电阻R4串联接高电平VCC，当没按下键时2脚输入为高电平，555定时器内部晶体管饱和导通，电容C2短路，7脚一直为低电平，则3脚输出为低电平经过非门输出高电平，当按下键时，2脚变为低电平，555定时器内部晶体管截止，经过电位器RV1对电容C2充电，当C2两端电压尚未达到VCC 2/3VCC时，3脚输出为高电平经过非门输出低电平，当C2两端电压达到2/3VCC时，3脚输出为低电平经过非门输出恢复高电平，输出低电平持续的时间由电位器RV1和电容C2来确定，计算公式为：t=1.1RC，其中电容C1为小电容，作用是为了滤除高频干扰，一般取100Pf。2. 4计数译码显示电路电路设计本次课程设计为了电路的简单，我们采用CD4553作为计数器。对于这块芯片有两个与一般的芯片的不同之处:(1) 有多功能：锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等。(2) 是三位10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采 用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。 图2-4-1 CD4553组成方框图 图2-4-2 CD4553管脚图CD4553的组成方框图及管脚排列图2-4-1、图2-4-2所示。功能表见下表2-4-1表.下面简要说明这些管脚的功能： （1）CL(引脚12)为计数器的脉冲输入端。 （2）INH（引脚11）计数允许控制端，当INH为“0”时计数脉冲有CL端进入计数器，而当INH为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止钱的最后计数状态。（3）LE（引脚10）为锁存器允许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存器内信息。（4）R（引脚13）为复零端，当R=1时，计数器输出Q0Q3皆为0.（5）输出哪一位的计数值由选脉冲DS1DS3控制（低电平有效）。（6）溢出OF（引脚14），当CD4553每计满1000个脉冲时。溢出端输出一个脉冲，而后有重新开始计数。输入输出RCLINHLE0上升沿00不变0下降沿00计数01不变01上升沿0计数01下降沿0不变00不变0下降沿锁存01锁存10Q1=Q2=Q3=Q4=0表2-4-1 CD4553功能表对于译码电路我们选用CD4511芯片作为电路的译码器。译码器的功能就是把计数器CD4553输出的计数结果（BCD码）转换成七段字型码以驱动数码管，实现数字或符号的显示。CD4511是常用的（BCD码）七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，。其输出的最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。鉴于此本课程设计我们采用CD4511作为译码器。CD4511有四个输入端A,B,C,D和七个输出端ag，它还具有输入BCD码锁存，灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试端/LE、熄灭控制端/BI来控制。 CD4511的引脚排列图如图2-4-3所示，其真值表如下表2-4-2表所示。由表2-4=2可见，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端ag随输入端AD端变化而变化，当LE=“1”时锁存器锁定，输出状态保持不变。熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应是/BI为高电平。另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各端全亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段全不亮。CD4511的引脚图如图2-4-3所示： 图2-4-3 CD4511的引脚图CD4511的真值表如下表2-4-2表所示：LE/BI/LTDCBAabcdefg显示011111108010000000熄灭0110000111111000110001011000110110010110110120110011111110130110100111001140110101101101150110110101111160110111111000070111000111111180111001111001190111010-11110000000熄灭111为LED上跳前的BCD码决定锁存 表2-4-2 CD4511真值表译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式的原理图如图2-4-4所示。该图为三位LED显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对共阴极LED数码管）D1,D2,D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2,DS3控制（本设计电路中DS1DS3经三极管BG1BD3控制D1D3），从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描的频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入电容Cs值调整来决定。在这里我们选取1000pf。对与数码管的限流电阻根据数码管的电流允许大小来设置。将电路中的其中一位显示电路单独列出进行分析，如图2-4-4图所示： 图2-4-4 一位数码管显示电路连接图限流电阻R1R7可按下式进行估算： （式 2-4-1）式2-4-1中式中为CD4511输出高电平（）, 为LED正向工作电压（约为1.52V），是三极管T的管压降（约1V），为数码管的笔端电流（约为510mA），则可求得R17约为0.5K。我们选择标称值为470的电阻作为限流电阻。下图图2-4-5为根据以上原理设计的计数译码显示电路：图2-4-5 计数译码显示电路第三章 整体电路及原理分析3.1 心跳速率检测器总电路及其原理说明3.1.1心跳速率检测器电路工作原理 心跳速率检测器总电路图如下图3-1-1所示图 3-1-1 心跳速率检测器总电路传感器将非电量脉搏的跳动信息转换为电信号，传感器输出的带有脉搏跳动的信息的电信号输入放大整形电路，进行放大整形，因为脉搏传感器出来的电压较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。所以要将传感器输出的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，才便于后续电路的处理。计数器要对与矩形脉冲才能较准确的计数，所以我们必须将放大后的波形整形为比较中规的矩形脉冲波。然后将放大整形后的信号输入计数器和心率检测电路部分。信号进入CD4553计数器，计数器对输入的脉冲信号的下降沿进行计数器，然后将计数值通过Q0、Q1、Q2、Q3输出一位十进制的BCD的数，通过扫描完成三位的输出。CD4511输出的数据进入CD4511译码器芯片译码，译码器输出后通过限流电阻后直接通过数码管直观的显示出来。通过读取数码管上的数据，即可获得测试者的心率测试结果。3.2元器件的参数设定 在放大整形电路中C8为滤波电容在此我们用47uf的电解电容，C3为100uf,R6为39K,R5为10K,R5再串上一个50K的电位器方便在调试时调节其静态工作点，晶体管选取NPN型9013，R9选取47K,R8选取10，R7选取1K,二极管采用IN4001型号，整形电路部分由与非门构成的RS触发器用一块74LS00芯片组成。Q2用9012型号的PNP晶体管，RV3用阻值为200K电位器，C6为47Uf的电解电容，C7为1nF的电容，其信号处理电路用NE555定时器芯片，后续同样用74LS00芯片构成RS触发器结构。D2为LED发光二极管。R12和R13均为470电阻。时基信号产生电路是为了产生一定时15S的定时脉冲。则将C1设为100pf，R4设为200，RV1为200K的电位器，C2设为220Uf,利用NE555加上上述元件构成一个单稳态触发器。在计数译码显示电路中通过设置C1可以设定CD4553扫描时间，在此设定电容为1nf，R10和C5加上按键可构成计数器的复位电路，则设R10为200，C5为47Uf的电解电容。计数器芯片选取CD4553,译码器选取CD4511芯片，由数码管的电流限制选取阻值为470的限流电阻。3. 3电路仿真3.3.1仿真软件介绍对于本次课程设计我们一改前例，使用了一款新的、功能更为强大的仿真软件Proteus。Proteus 软件是由英国 Labcenter Electronics 公司开发的EDA工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。Proteus软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的。它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美；它的电路仿真功能可以和Multisim相媲美，且独特的单片机仿真功能是Multisim及其他任何仿真软件都不具备的；它的PCB电路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但强大，而且每种功能都毫不逊于Protel，是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件。3.3.2电路仿真（1） 计数译码显示电路仿真 在这里我只突出译码显示电路的仿真图，由于原理图实在Altium Designer上设计的，这Protues中我发现有更方便的数码管，虽然有四个，但是按照原理，可以只使用其中三个，电路图接法如图3-3-2所示： 图3-3-2 计数译码显示电路仿真图对于计数译码显示部分电路的仿真，我们同样也是用按键模拟输入的计数脉冲，我们每按键一次就会产生一个下降沿，计数器计数值加一。对于这部分电路的仿真结果如图3-3-3所示： 图3-3-3 计数译码显示电路仿真结果上图为按键51次的仿真结果即为输入信号有51个下降沿。计数译码显示电路对这51个下降沿的有效计数脉冲计数的结果，通过数码管显示出。设计结论通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。对于以前那些没弄懂的地方，在做完课程设计，那些问题弄懂了，一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。经过一个星期课程设计制作，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在此忠心的感谢老师为我们提供了这样一次难得的锻炼机会。附录：参考文献1阎石.数字电子技术基础M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.2电子线路CAD实用教程 潘永雄等编著 陕西：西安电子科技大学出版,20063康华光.电子技术基础模拟部分M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.4杨志亮.Protel 99 se 电路原理图设计技术 西北工业大学出版社，2002.5熊幸明、曹才开.电工电子实训教程.北京：清华大学出版社，2007.6韩广兴. 电子元器件与实用电路基础.北京：电子工业出版社，2005.7魏海明.实用电子电路500例.北京：化学工业出版社，2003.16