心率測量儀設(shè)計

目錄摘要……………………1引言………………………11.設(shè)計要求……………22.設(shè)計過程……………22.1總體方案設(shè)計………………………22.2單元電路設(shè)計………………………32.3總體電路及工作原理……………103.裝調(diào)與測試……………113.1電路板的制作……………………113.2電路板的焊接……………………113.3測試………………11總結(jié)………………………12參考文獻………………12數(shù)字式心率測量儀設(shè)計姓名：吳賀學(xué)號：20075042067單位：物理電子工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)老師：周勝海職稱：副教授摘要：對于醫(yī)院的危重病人，或者在其他一些特殊場合，需對人的心率進行連續(xù)檢測。本設(shè)計針對這一需求，設(shè)計了一臺簡易的數(shù)字心率測試儀。設(shè)計的思路是用壓力傳感器檢測病人手腕部的脈搏跳動，把脈搏信號轉(zhuǎn)化為電信號，壓力傳感器的輸出信號經(jīng)一系列電路處理，形成了可用于檢測的脈沖信號。再經(jīng)電路處理，最終由數(shù)碼管顯示其數(shù)值。關(guān)鍵詞：心率；計數(shù)器；放大器；傳感器；顯示電路；譯碼器。DesignofaDigitalHeartRateMeterAbstract:Forsomeseriouspatientsinhospital,orinsomespecialoccasions,heartrateisneededforcontinuousdetection.thisdesignaccordingtotherequirements,designasimpledigitalheartbeattester.Thethoughtofthedesignistouseapressuresensortodetectthepulseflopofthepatients,thepulsesignalsareconvertedtoelectricalsignals,theoutputsignalofpressuresensorisdealedwithaseriesofcircuitprocessing,thepulsesignalwhichcanbeusedtotestisformed.Afterdealingwiththecircuit,finallythedigitaltubeshowsitsvalue.KeyWords:heartrate;counter;amplifier;sensor;showcircuit;decoder.引言心率是用來描述心動周期的專業(yè)術(shù)語，是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)。一分鐘時間內(nèi)脈搏次數(shù)與心率是一致的，可以通過測量人在不同運動狀態(tài)和安靜狀態(tài)下的脈搏，脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強度、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)中許多生理疾病的血流特征。過去人們測量脈搏時常用的方法是使用測量脈搏的聽診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式測量方法，這些方法操作不方便且計數(shù)也不準(zhǔn)確。隨著電子技術(shù)飛速開展，數(shù)字化時代給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，數(shù)字式心率測量儀的研究及其應(yīng)用也不例外。采用壓電傳感器檢測采集人體的脈搏，檢測的部位為被檢測人的任意一個手指或者是耳垂。檢測的根本原理是：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減??；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。本心率計在設(shè)計時充分考慮到過去測量心率的弊端，介紹了該方案電路的根本設(shè)計方法以及系統(tǒng)的工作原理。本設(shè)計通過壓電傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經(jīng)信號放大及整形電路對其進行放大整形，然后將放大整形后的脈搏信號轉(zhuǎn)換脈沖信號。通過555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和十進制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼驅(qū)動器CD40110對脈沖信號進行處理，最終在LED中直觀地顯示出來。通過調(diào)試，說明本設(shè)計可以實現(xiàn)對心率的數(shù)字化測量，能在疾病診療、運動量控制等多方面提供客觀依據(jù)，具有一定的實際應(yīng)用價值。本文首先描述本設(shè)計的整體思路，然后介紹各個局部設(shè)計中的細節(jié)問題，最后給出總體電路和工作原理[1]。1.設(shè)計要求可準(zhǔn)確測量人的心率；測量結(jié)果數(shù)字顯示；適于便攜使用；使用簡便。2.設(shè)計過程2.1總體方案設(shè)計正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘60～90次〔嬰兒為90～120次,老年人那么為100～150次),這種頻率信號屬于低頻范疇.因此,脈搏測試儀是用來測量低頻信號的裝置,它的根本功能要求是:要把人體的脈搏數(shù)(振動)轉(zhuǎn)換成電信號,這就需要借助傳感器。對轉(zhuǎn)換后的電信號要進行放大、濾波和整形處理，以保證后續(xù)電路能正常對其進行進一步的加工和處理。脈搏測試儀要能在15秒左右測出脈搏跳動次數(shù)。總之，脈搏測試儀的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來?？梢?，脈搏測試儀的主要組成局部是計數(shù)器和數(shù)字顯示器。這種設(shè)計方案的方框圖如圖1所示：2.2單元電路設(shè)計傳感器為了把心率信號轉(zhuǎn)換成電信號，應(yīng)采用壓電式傳感器。它有兩種根本類型：石英晶體和壓電陶瓷。前者溫度穩(wěn)定性和機械強度都很高，工作溫度范圍寬，轉(zhuǎn)換精度也高。而壓電陶瓷是人工制造的壓電材料，優(yōu)點是壓電系數(shù)大、靈敏度高、價格廉價，只是溫度穩(wěn)定性和強度不如石英晶體[2]。目前應(yīng)用更多的是壓電陶瓷，它在性能上能滿足數(shù)字式心率測量儀的要求，而且本錢低是一個重要因素。本設(shè)計采用壓電陶瓷片HTD作為傳感器[3]。信號調(diào)整電路信號調(diào)理往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，這是因為傳感器輸出是相當(dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字數(shù)據(jù)之前必須進行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到微控制器或其他數(shù)字器件。本設(shè)計將信號調(diào)理與放大整形兩局部放在一起，用芯片CD4011來實現(xiàn)。放大與整形電路本單元電路如圖2所示，壓電陶瓷片HTD貼在人身測試部位〔如脈搏〕時，它便把人體脈搏信號轉(zhuǎn)化為電信號，但該電信號很微弱，在此可將微弱的電信號經(jīng)過與一個與非門組成的放大器進行放大，放大后的信號再由一個與非門進行整形，經(jīng)過放大和整形后的電信號便于后續(xù)電路的測量[4]。該單元電路中使用的CD4011是四-2輸入與非門集成電路。時基信號產(chǎn)生電路時基電路應(yīng)產(chǎn)生一個方波定時脈沖，用來控制計數(shù)器CD40110的計數(shù)允許INH端，以便使計數(shù)器在定時脈沖寬度所固定的時間內(nèi)進行對心率電脈沖計數(shù)，固定時間為一分鐘〔或30秒〕。為了得到精確的定時信號〔計數(shù)器的門控信號〕，本設(shè)計選用了555定時器加上一些電阻、電容元件構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成這種功能。圖3是555定時器的電路結(jié)構(gòu)圖，它由比擬器和、根本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管三局部組成[5]。555定時器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。外加電阻、電容可以組成性能穩(wěn)定而精確的多諧振蕩器、單穩(wěn)電路、施密特觸發(fā)器等。它是有上下兩個電壓比擬器、三個5k電阻、一個RS觸發(fā)器、一個放電三極管T以及功率輸出級組成。比擬器的反向輸入端接到有三個5k電阻組成的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的2/3處，同相輸入端為閾值電壓輸入端。比擬器的同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的1/3處，反相輸入端為觸發(fā)電壓輸入端，用來啟動電路。兩個比擬器的輸出控制RS觸發(fā)器。當(dāng)比擬器端的觸發(fā)輸入電壓小于1/3、比擬器端的閾值輸入電壓小于2/3時，輸出為1，輸出為0，即RS觸發(fā)器的S=1，R=0，故觸發(fā)器置位〔置1〕，所以放電三極管截止。當(dāng)比擬器端的觸發(fā)輸入電壓大于1/3、比擬器端的閾值輸入電壓大于2/3時，那么RS觸發(fā)器的S=0，R=1，故觸發(fā)器被復(fù)位〔置0〕，放電三極管T導(dǎo)通。此外，RS觸發(fā)器還設(shè)有復(fù)位端，當(dāng)復(fù)位端處于低電平時輸出為低電平。控制電壓端是比擬器的基準(zhǔn)電壓端，通過外接元件或電壓源可改變控制端的電壓值，即可改變比擬器和的參考電壓[6]。由于555定時器使用靈活、方便，所以其在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。以555定時器的端作為觸發(fā)信號的輸入端，并將由和R組成的反相器輸出電壓接至端，同時在對地接入電容C，就構(gòu)成了如圖4所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，無觸發(fā)信號：〔>即可，〕假設(shè)通電后，導(dǎo)通保持假設(shè)通電后，截止充電至導(dǎo)通放電保持觸發(fā)時，只要降至，那么，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，截止開始充電當(dāng)充至?xí)r，〔假定此時已經(jīng)回到高于〕那么，導(dǎo)通，開始放電至保持電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，圖5畫出了在觸發(fā)信號作用下和相應(yīng)的波形[6]。輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。由電壓波形圖可知，等于電容電壓在充電過程中從0上升到2/3所需要的時間，因此得到通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，的范圍為幾微秒到幾分鐘[7]。但必須注意，隨著的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度也將下降。計數(shù)/譯碼/鎖存驅(qū)動電路CD40110/顯示電路在譯碼/鎖存電路的根底上再集成計數(shù)器電路就構(gòu)成了包含計數(shù)器的譯碼驅(qū)動電路，如CD40110。本心率設(shè)計電路可采用十進制可逆計數(shù)/譯碼/器/鎖存驅(qū)動電路CD40110和小型七段LED共陰極數(shù)碼管連接作為計數(shù)、譯碼、顯示電路[8]。CD40110能完成十進制的加法、減法、進位、借位等計數(shù)功能，并能直接驅(qū)動小型七段LED數(shù)碼管，其引腳排列如圖6所示。CR為清零端，R＝1時，計數(shù)器異步清零。CP為時鐘端，CPU〔9腳〕為加法計數(shù)時鐘，CPD〔7腳〕為減法計數(shù)時鐘。QCO〔10腳〕加計數(shù)進位輸出，QBO〔11腳〕減計數(shù)借位輸出。TB〔4腳〕為觸發(fā)器使能端，TE＝0時，計數(shù)器工作，TE＝1時，計數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)，即不計數(shù)。LE為鎖存控制端，LE＝1，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但它的內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g〔1，15，14，13，12，3，2腳〕為信號輸出端，與七段顯示器連接[9]。CD40110的邏輯圖和功能表如圖7和圖8所示。CD40110有2個計數(shù)時鐘輸入端CPU和CPD分別用作加計數(shù)時鐘輸入和減計數(shù)時鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個時鐘信號預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個時鐘輸入端計數(shù)工作時，另一個時鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。CD40110的進位輸出CO和借位輸出BO一般為高電平，當(dāng)計數(shù)器從0～9時，BO輸出負脈沖；從9～0時CO輸出負脈沖。在多片級聯(lián)時，只需要將CO和BO分別接至下級CD40110的CPU和CPD端，就可組成多位計數(shù)器。本單元電路設(shè)計中，CD40110與七段共陰LED數(shù)碼管配套使用可直接驅(qū)動顯示[10]。電路結(jié)構(gòu)如圖9。去抖動開關(guān)電路由于開關(guān)極其微小的觸點面積、機械式設(shè)計、產(chǎn)品老化等原因，開關(guān)在閉合或斷開的過程中出現(xiàn)許多毫秒級的狀態(tài)變化，這種現(xiàn)象通常稱之為開關(guān)的“抖動”[10]。根本RS觸發(fā)器的用途之一是作無抖動開關(guān)。當(dāng)開關(guān)接通時，由于機械按鍵開關(guān)在扳動的過程中，存在接觸抖動，使得輸出點電壓從+5V直接地躍降到0V的一瞬間(幾十毫秒)，會發(fā)生屢次電壓抖動，相當(dāng)產(chǎn)生連續(xù)多個脈沖信號。如果利用這種電路產(chǎn)生的信號去驅(qū)動數(shù)字電路，那么可能導(dǎo)致電路發(fā)生誤動作。這在某些場合是絕對不允許的，為了消除機械開關(guān)的抖動，可在開關(guān)與輸出端點之間接人一個RS觸發(fā)器，就能使F端產(chǎn)生很清晰的階躍信號。那么這種帶RS觸發(fā)器的打關(guān)通常稱為無抖動開關(guān)(或稱邏輯開關(guān))。而把有抖動的開關(guān)稱為數(shù)據(jù)開關(guān)。原理:在按壓按鍵時，由于機械開關(guān)的接觸抖動，往往在幾十毫秒內(nèi)電壓會出現(xiàn)屢次抖動，相當(dāng)于連續(xù)出現(xiàn)了幾個脈沖信號。顯然，用這樣的開關(guān)產(chǎn)生的信號直接作為電路的驅(qū)動信號可能導(dǎo)致電路產(chǎn)生錯誤動作，這在有些情況下是絕對不允許的。為了消除開關(guān)的接觸抖動，可在機械開關(guān)與被驅(qū)動電路間接的接入一個根本RS觸發(fā)器，如圖10(a)所示S＝0，R＝l，可得出A＝0，＝1。當(dāng)按壓按鍵時，S＝l，R＝0，可得出A＝1，＝0，改變了輸出信號A的狀態(tài)。假設(shè)由于機械開關(guān)的接觸抖動，那么R的狀態(tài)會在0和1之間變化屢次，假設(shè)R＝l，由于A＝0，因此G2門仍然是“有低出高”，不會影響輸出的狀態(tài)。同理，當(dāng)松開按鍵時，S端出現(xiàn)的接觸抖動亦不會影響輸出的狀態(tài)。因此，圖10(a)所示的電路，開關(guān)每按壓一次，A點的輸出信號僅發(fā)生一次變化。如圖10(b)是根本的RS電路。2.3總體電路及工作原理圖11是用CD40110實現(xiàn)的數(shù)字式心率測試儀總體電路。下面簡單介紹一下工作過程：壓電陶瓷片HTD作為脈搏傳感器，將它貼在人身測試部位時，它便把人體的脈搏信號轉(zhuǎn)化為電信號。由于該電信號很微弱，故由與非門1組成的放大器進行放大，放大了的信號再由與非門2進行整形，然后送入IC3進行計數(shù)，IC3、IC4為十進制加減計數(shù)/譯碼/鎖存驅(qū)動電路CD40110，它們與數(shù)碼管共同組成二位加法計數(shù)顯示電路。IC3、IC4的第六腳為鎖定端，當(dāng)鎖定端為低電平時，允許計數(shù)脈沖輸入；當(dāng)鎖定端為高電平時，計數(shù)器被鎖定，不能計數(shù)。IC2和555時基電路組成定時器，其第三腳輸出端與IC3、IC4的鎖定端相連接。平時IC2的第三腳輸出高電平，使IC3、IC4計數(shù)禁止。當(dāng)按一下S2時，IC2進入暫態(tài)，使第三腳變?yōu)楦唠娖剑?jīng)充電，定時開始。與此同時，IC3、IC4允許計數(shù)脈沖進入，開始計數(shù)。60s后，IC2定時結(jié)束，其第三腳的狀態(tài)又變?yōu)榈碗娖剑褂嫈?shù)器停止計數(shù)。此時，數(shù)碼管所顯示的計數(shù)結(jié)果，即為一分鐘內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)。、組成清零電路，用來保證在電源接通的瞬間，使IC3、IC4自動復(fù)位清零。3.裝調(diào)與測試3.1電路板的制作在Protel99se的環(huán)境下，根據(jù)原理圖創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)表，再導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，設(shè)計規(guī)那么，電腦自動生成PCB板布線圖，由于電腦自動布線有時會出現(xiàn)問題，在做板前還要以原理圖為參照物，先對PCB板布線圖進行仔細的檢查防止斷線、錯線的產(chǎn)生，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，要進行必要的手工布線以保證布線正確無誤。布線成功后將其布線圖打印到轉(zhuǎn)印紙上，通過轉(zhuǎn)印機將轉(zhuǎn)印紙上的圖印到覆銅板上，之后經(jīng)過三氯化鐵的腐蝕，即可生成電路板[11]。3.2電路板的焊接在焊接之前，就首先檢查所有元器件的規(guī)格與要求的是否一致，防止有損壞的或錯的元器件被使用[12]。在焊接時，應(yīng)分塊焊接，焊接的時候不能出現(xiàn)漏焊、錯焊、連錫的現(xiàn)象，并及時分級測量以保證每個模塊均能正常工作，提高電路板制作的成功率。3.3測試測試之前，應(yīng)再次檢查元器件是否插到位、板的焊接是否正確。在調(diào)試過程中，采用了分級調(diào)試、逐級級聯(lián)的方法，對各局部電路遵循調(diào)試一局部，安裝焊接一局部的原那么，取得了較好的效果。選擇測量儀表與儀器，對電路進行實際測量與調(diào)試，調(diào)整電路參數(shù)，并解決存在的問題或電路故障等[13]。具體調(diào)試方法如下：測試放大整形電路，在輸入端加一個幅值適中的信號，改變通道控制輸入端的數(shù)據(jù)，用示波器觀察輸出端變化。測試單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，用示波器觀察在觸發(fā)信號作用下和相應(yīng)的波形，并與理論值進行比擬。測試計數(shù)、譯碼、顯示電路，并完成脈沖計數(shù)數(shù)碼顯示的功能[14]。完成電路整體聯(lián)調(diào)，并對各局部的功能進行檢查?？偨Y(jié)本設(shè)計實現(xiàn)了對心率信號的實時測定，并能顯示結(jié)果。整個電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡單，減小電磁場干擾，充分利用集成芯片，彌補別離元器件的精度缺乏。對于此次課程設(shè)計，我自己感覺學(xué)到了很多東西。不僅是新知識的學(xué)習(xí)，更重要的是我學(xué)會了如何去運用已有的知識，深刻體會到了根底知識的重要性，更懂得了閉門造車是行不通的。在設(shè)計過程中,更進一步地熟悉了555定時器和計數(shù)/譯碼/鎖存驅(qū)動器CD40110芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。在連接各單元電路中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準(zhǔn)確地找出錯誤所在并及時糾正了。而且還學(xué)會了使用protel99SE軟件去繪制原理圖、制作PCB圖、壓制電路板，并親自去焊接電路板，在復(fù)習(xí)理論知識的同時也練習(xí)了實踐技能。其實，課程設(shè)計就是為了讓我們把已有的知識加以融會貫穿，在此次設(shè)計中我們運用的都是以前學(xué)過的知識數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、測控電路等。然而這在以前，它們都是零散的，在此次設(shè)計中，一個脈搏測試儀就讓我們把它們聯(lián)系了起來。參考文獻[1]陳振官．?dāng)?shù)字電路及制作實例[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006：64～69．[2]陳杰，黃鴻．傳感器與檢測技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2006：114～131．[3]HermarnKP．Neubert．Instr