心跳速率檢測器.doc

學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考武漢紡織大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 課題名稱： 心跳速率檢測器 完成期限： 2016年06月20日 至 2015年6月23日 院系名稱 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 指導(dǎo)老師 周國鵬 專業(yè)班級 測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師職稱 學(xué)生姓名 你好毒 院系課程設(shè)計（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長簽字 學(xué)習(xí)資料目 錄摘要2一、設(shè)計任務(wù)書 3二、總體設(shè)計 5 2.1心跳檢測系統(tǒng)原理5 2.2總體電路框圖設(shè)計5三、心率檢測單元電路設(shè)計6 3.1傳感器6 3.2放大電路設(shè)計6 3.3濾波電路設(shè)計7 3.4整形電路設(shè)計9 3.5外部定時電路設(shè)計 10 3.6計數(shù)器電路設(shè)計 12 3.7鎖存器和顯示電路設(shè)計 13四、總電路及原理分析14 4.1 心跳心率計原理說明 14 4.2電路仿真 14五、設(shè)計心得體會15 附表：電路總圖16摘要在黨的英明領(lǐng)導(dǎo)下，中國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的生活水平也提高了，膳食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，加上人們對運(yùn)動的不重視，人類因各類突發(fā)性疾病的死亡率逐年提高，心血管疾病已成為威脅人類健康的多發(fā)病，而且發(fā)病率逐年提高，發(fā)病年齡也出現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)中國醫(yī)學(xué)協(xié)會的統(tǒng)計有近60%的心臟類疾病的死亡是發(fā)生在家庭和社區(qū)范圍內(nèi)的。如果在心血管疾病病發(fā)的早起就能發(fā)現(xiàn)心率的異常，及時通知家屬，就能及早就醫(yī)。醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，心臟類疾病如果可以及時發(fā)現(xiàn)并做恰當(dāng)處理，則患者有70%-80%的生存率。因此，研究設(shè)計出一種具有性能穩(wěn)定、成本低、體積小、重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，且方便攜帶的心率測量儀，將具有很好的發(fā)展前景。本設(shè)計工作原理是利用壓電傳感器接收到人體信號，通過電路中的放大電路將信號放大，通過濾波電路將干擾信號濾去，整形處理，使用外部定時器進(jìn)行一分鐘定時，計數(shù)器處理完成后由三位數(shù)碼管顯示出來。該心跳監(jiān)控系統(tǒng)可以便捷的測量出人體的心跳，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，且方便攜帶。關(guān)鍵詞：脈搏，心跳速率，電路，設(shè)計 設(shè)計任務(wù)書一、課題訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計一個心跳速率檢測器，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：1、能完成對人體心跳速率的檢測，測試位置可以為任何理論上可進(jìn)行測試的位置，但必須說明選擇理由以及所選位置和方法測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的誤差范圍，并給出補(bǔ)償方法；2、能用3位7段數(shù)碼管完成心跳速率的顯示，按分鐘給出；3、需要指出設(shè)計依據(jù)，即心跳檢測傳感器信號輸出類型與信號頻率與幅度，并按上述數(shù)據(jù)建立一個仿真模型（至少是部分模型，如信號放大部分等），在protel99se或類似仿真軟件中進(jìn)行仿真。要求在設(shè)計中不得使用單片機(jī)等類似器件，否則判為零分，使用分立的模擬和數(shù)字器件進(jìn)行電路設(shè)計并給出設(shè)計說明。分鐘時間的提供如果感覺困難可以用外部定時器，如現(xiàn)成的定時器或單片機(jī)時間定時等，但現(xiàn)成器件僅能用于完成分鐘時間確定，不得提供其他信號或輸出。對每部分單元電路都必須說明功能與信號流向與信號接口，并注明接口信號仿真波形。主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本電子電路知識的能力，要求學(xué)生能獨(dú)立或按組完成一個選定的設(shè)計題目，能在老師的指導(dǎo)下完成如下工作：1、設(shè)計方案選擇與確認(rèn)；2、設(shè)計框圖的構(gòu)思與繪制；3、原理電路圖的繪制；4、對原理電路的仿真與修改；5、元器件選擇；6、課程設(shè)計說明書的撰寫。二、設(shè)計（論文）任務(wù)和要求（包括說明書、程序、圖紙、等具體要求）1. 設(shè)計方案選擇與確認(rèn)；設(shè)計框圖的構(gòu)思與繪制；原理電路圖的繪制；對原理電路的仿真與修改；元器件選擇；實(shí)際電路的制作與調(diào)試；2. 不能使用單片機(jī)或類似處理器進(jìn)行數(shù)字信號處理，必須使用基本邏輯門電路構(gòu)建數(shù)字電路部分，時鐘可以使用集成器件提供；3. 說明書正文（不含目錄）不少于10頁，小4號宋體，1.5倍行距，頁面設(shè)計參考本頁，標(biāo)題用4號黑體；4. 提供完整的電路原理圖與仿真結(jié)果圖； 5. 按要求時間提交課程設(shè)計。三、課程設(shè)計（論文）主要參數(shù)及主要參考資料1. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 康華光版 第五版2. 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 康華光版 第五版3. 電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo) 編著韓建, 全星慧, 周圍4. 電工電子技術(shù):電子技術(shù)與計算機(jī)仿真 范小蘭主編5. 單片機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計:原理、應(yīng)用、Protues仿真、實(shí)驗(yàn)設(shè)計/張齊, 朱寧西, 畢盛編著6. 電子線路CAD實(shí)用教程 潘永雄等編著 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2006總體設(shè)計2.1 心跳檢測系統(tǒng)原理 心跳心率是一種重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻率。心跳心率的數(shù)值根據(jù)個人的年齡、性別及其他生理情況而不同。各種心跳分析，都是要通過對心跳心率的計數(shù)來完成的。 采用壓電傳感器的心跳心率檢測系統(tǒng)的基本檢測原理為:隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏及頸部的搏動較為明顯，我們采用壓電傳感器放在上述位置，把壓電傳感器測到的信號放大并進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測脈搏次數(shù)的目的。2.2 總體電路框圖設(shè)計 鎖存器 顯示器 傳感器 計數(shù)器調(diào)理信號（放大、濾波、整形） 定時器 1.傳感器：將脈搏轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號.2.調(diào)理信號：放大電路將傳感器輸出信號放大；低通濾波器將干擾信號濾除；整形電路將正弦波整成脈沖信號。3.定時電路：要測定一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，必須要有準(zhǔn)確的定時電路。為了便于實(shí)現(xiàn)，減少電路單元，本次設(shè)計我們設(shè)定時間隔60s。4.計數(shù)器：計數(shù)器是記錄心跳次數(shù)所必需的。要求此計數(shù)單元具有清零重新計數(shù)的功能。5.鎖存器：對心跳心率產(chǎn)生的電平的存儲。6.顯示器：正確顯示心率。為了便于讀數(shù)，應(yīng)選擇十進(jìn)制顯示器。心率檢測單元電路設(shè)計3.1傳感器 采用動態(tài)微壓傳感器，如下圖所示，是一種高性能、低成本的壓電式小型壓力傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，在經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及抗沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性強(qiáng)、操作簡便、體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。SC0073 壓電薄膜脈搏傳感器，具有靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，抗過載及沖擊力強(qiáng)，搞干擾性好，操作方便等特點(diǎn)。 是一種高質(zhì)量的心音脈搏傳感器。該傳感器具有良好的低頻應(yīng)響，可以方便地測試勁動脈搏，可以與國內(nèi)外有關(guān)的生理記錄相配。 3.2放大電路設(shè)計 3.2-1放大電路 上兩圖為OP27AP，其中1-調(diào)零2-負(fù)輸入3-正輸入 4-電源負(fù)5-NC 6-輸出 7-電源正8-調(diào)零 此放大電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，heartbeat為正弦輸入，o3為輸出為了使集成運(yùn)放反向輸入端與通向輸入端的對地電阻一致，R11、R12、R13的阻值應(yīng)滿足以下關(guān)系：R11=R12/R13輸入輸出關(guān)系為Av=Vo/Vi=1+R13/R12由于輸入最大0.2V左右，為了便于信號的輸出和處理初步設(shè)定電路總放大倍數(shù)為25倍，故設(shè)R11=0.96k，R12=1K，R13=24K。理論上，當(dāng)輸入0.1v電壓時，輸出為2.5V。 3.2-2放大電路波形 由上圖可知，放大電路達(dá)到預(yù)定要求。3.3濾波電路設(shè)計 3.3-1濾波電路 上兩個圖是UA742的引腳圖影響電路信號的是高頻的信號，按人體脈搏在運(yùn)動后最高跳動次數(shù)達(dá)240次/分計即4HZ算來設(shè)計低通濾波器，而且頻率很低（如脈搏50次/分鐘為0.78Hz，200次/分鐘為3.33Hz），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要經(jīng)過R、C低通濾波，去除高頻干擾。采用簡單的二階電路當(dāng)R4=R14=R=1M，C3=50nF,C4=10nF時，f0=W0/2,W02=(f02)2=1/R14*R15*C1*C2f0= 7.12HZ.此為上限截至頻率。 3.3-2濾波后的波形 低通濾波器容許低頻信號通過, 但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號的通過，然而會出現(xiàn)輸出延遲。對于不同濾波器而言,每個頻率的信號的減弱程度不同。一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。實(shí)際上的轉(zhuǎn)換區(qū)域也不再存在。一個理想的低通濾波器可以用數(shù)學(xué)的方法（理論上）在頻域中用信號乘以矩形函數(shù)得到，作為具有同樣效果的方法，也可以在時域與sinc函數(shù)作卷積得到。濾波器對于實(shí)際真正的信號來說是不可實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)閟inc函數(shù)是一個延伸到無窮遠(yuǎn)處的函數(shù)，所以這樣的濾波器為了執(zhí)行卷積就需要預(yù)測未來并且需要有過去所有的數(shù)據(jù)。照理說能在頻率分析中看到截止頻率，然而并沒有，因?yàn)檫@個軟件要純英文才能使用這個部分，我已經(jīng)在下載路徑上使用了中文，故一直不能顯示實(shí)際截止頻率。3.4整形電路設(shè)計 圖3.4-1整形電路心率計設(shè)計中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過放大、濾波的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號，當(dāng)然這是在不改變信號頻率的前提下完成的。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號的方案，可以有以下兩種可供選擇：一是利用電壓比較器，二是利用555時基電路組成的滯回比較器作為整形電路。這里我選用的是過零比較器。零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖3.4-2所示。集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓ui0V時，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖3.4-3。 圖3.4-2 過零比較器 圖3.4-3過零比較器的傳輸特性過零比較器電路簡單，可實(shí)現(xiàn)波形的整形作用。O1為整形電路的輸入，R5（2）為電路輸出，R10(1)理想輸入是0V，但是輸出波形部分整形，不是理想輸出，故實(shí)際輸入為2V，圖3.4-4為整形后的波形圖雖然不是矩形脈沖，但是已經(jīng)達(dá)到理想值。經(jīng)過整形電路后，V（out）的低電壓值不等于0V，分析原因是由于穩(wěn)壓管DWY的閾值電壓不為零。當(dāng)輸出端為負(fù)值時，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，Vout=0-Vth=-0.4V。所以它兩端的電壓值并不嚴(yán)格等于D1的穩(wěn)壓電壓，而是有一定的偏移。 圖3.4-4 整形波形3.5外部定時電路設(shè)計 圖3.5-1多諧振蕩器 圖3.5-2 計數(shù)器 輸 入輸 出功 能清 0置 9時 鐘QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 輸 出二進(jìn)制計數(shù)1 QDQCQB輸出五進(jìn)制計數(shù) QAQDQCQBQA輸出8421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)QD QAQDQCQB輸出5421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)1 1不 變保 持 上圖為74LS90引腳排列 采用555定時器接成多諧振蕩器，產(chǎn)生時序脈沖，用計數(shù)器對此計數(shù)。當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值是輸出一脈沖，作為定時電路輸出。具有較高的定時精度。且有利于計數(shù)器清零和計數(shù)值鎖存。 通過多諧振蕩器產(chǎn)生周期為0.1s的脈沖，然后計數(shù)600次，則總定時時間T=0.1*600s=60s。 多諧振蕩器的振蕩周期為T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2,為了計算簡單，取C=2.2uf，R1=R2=21958（用可變電阻實(shí)現(xiàn)），則T=0.1s，然后用74LS90計數(shù)600次。所產(chǎn)生的CLK脈沖接鎖存器的CLK，控制鎖存器。產(chǎn)生的技術(shù)脈沖如下：在時間為60s處，產(chǎn)生有個脈沖，即我們需要的計時脈沖。3.6計數(shù)器電路設(shè)計計數(shù)單元選用的是74160，7448為七段LED驅(qū)動。 左是74160引腳圖， 右是7448引腳圖74160是一個4位二進(jìn)制的計數(shù)器，它具有異步清除端與同步清除端不同的是，它不受時鐘脈沖控制，只要來有效電平，就立即清零，無需再等下一個計數(shù)脈沖的有效沿到來。當(dāng)（LD的非）為有效電平時，計數(shù)功能被禁止，在CP脈沖上升沿作用下D0D3的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器并呈現(xiàn)在Q0Q3端。若接成七進(jìn)制計數(shù)器，控制置數(shù)端的信號是N（7）狀態(tài)，如在D0D3置入0000，則在Q0Q3端呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)就是0110。7448輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無效電平時，輸入DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平。3.7鎖存器和顯示電路設(shè)計 圖3.7-1 圖3.7-2 74LS273引腳及功能圖74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。 CPU 的ALE信號必須經(jīng)過反相器反相之后才能與74LS273的控制端CLK 端相連。CP（CLK）：觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng)CP從低到高電平時，D0-D7的數(shù)據(jù)通過芯片，為0時將數(shù)據(jù)鎖存，D0-D7的數(shù)據(jù)不變。一分鐘以后得到需要的心跳心率以后，人為的清零。 總電路及原理分析4.1心跳心率計原理說明 將壓電傳感器與人體接觸，當(dāng)電路通電以后，計數(shù)器開始計時，傳感器傳感器輸出的0.2V的心率信號開始進(jìn)入放大電路。在仿真電路中我們用幅值為0.1V，偏置電壓為0.1V的正弦信號代替心率信號。心率信號經(jīng)過放大電路后，被放大25倍，變?yōu)?V。但是其中摻雜有干擾信號。接下來心率信號進(jìn)入濾波電路，濾除其中的高頻干擾信號，獲得單一的心率信號。然后進(jìn)入整形電路。心率信號與+2V的參考電壓比較后，產(chǎn)生比較標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。整形電路中還有一個作用，就是把頻率低、幅度小的干擾信號忽略掉了。 方波信號進(jìn)入計數(shù)電路，計數(shù)器開始計數(shù)，同時將計數(shù)值傳送到鎖存U8、U9和U10的CLK。當(dāng)鎖存器將計數(shù)值鎖存后，U8、U9和U10輸出端一直保持計數(shù)值。讀出心跳此次數(shù)以后人為清零。定時器定時60s后，產(chǎn)生一個正的很窄的脈沖，作用于鎖存器U8、U9、U10，使得鎖存器輸入端的計數(shù)值進(jìn)入鎖存器鎖存。4.2電路仿真 選取三種不同頻率的正弦信號接入電路。當(dāng)輸入信號的頻率為0.5Hz時，60s后顯示器顯示“030”。當(dāng)輸入信號的頻率為1Hz時，60s后顯示器顯示“61”。（在多諧振蕩器計數(shù)器計時是，理性值為0.1s，計算電阻是R7=R8=21958，但這也是估計值，并非準(zhǔn)確值） 當(dāng)輸入信號的頻率為2Hz時，60s后顯示器顯示“121”（理論值為120） 設(shè)計心得體會在這次設(shè)計作業(yè)中，我快速學(xué)會了使用protues這個仿真軟件，比我在學(xué)其他軟件的時間還要短，而且讓我對數(shù)電和模電又復(fù)習(xí)了一遍，盡管很多知識還是半知未解，要詢問度娘，在設(shè)計過程中，考慮各方面的因素，盡量做到線路簡單，充分利用集成芯片，彌補(bǔ)分離元