心率计设计.docx

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心率计设计

附重庆大学本科学生课程设计任务书

课程设计题目

电子心率计设计

学院

光电工程学院

专业

测控技术与仪器

年级

2008

任务要求

心率计是用来测量一个人心脏单位时间跳动次数的电子仪器，也是心电图的重要组成部分。

设计一个电子心率计，要求实现在短时间（15-30s）内测量1分钟的心脏跳动次数，并且显示其数字。

当心脏跳动次数超过正常范围时，发出异常指示（LED发光二极管发光报警指示）。

正常范围可根据需要设定。

性能指标要求

1、测量范围：

正常心跳次数成人为60~90次/分钟，婴儿为90~120次/分钟，老人为100~150次/分钟，正常范围可以设定。

2、测量精度：

测量误差≤±4次/分钟。

3、报警指示：

采用LED发光二极管。

学生应完成的工作：

1、课程设计说明书。

要求：

内容完整，图表完备，字迹工整，条理清晰，分析有据，计算准确。

课程设计说明书应包括以下内容：

a）任务书；

b）说明书正文；

Ø任务分析与方案设计；

Ø电路设计，元器件参数计算及选择；

Ø电路原理框图及电路工作原理说明；

Ø本次课程设计的体会。

c）参考资料清单；

2、完整电路图一张。

要求：

布局合理，清晰完整，线条粗细均匀一致，图形大小适合，图形和符号要规范。

3、所用元器件清单（序号、名称、型号、规格或数值、数量）。

目前资料收集情况（含指定参考资料）：

[1]童诗白、徐振英编，现代电子学及应用，高等教育出版社，1994

[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

[3]陈晓文主编，电子线路课程设计，电子工业出版社，2004

课程设计的工作计划：

2011年6月27日－2011年6月29日：

根据设计任务，收集相关资料；

2011年6月29日：

在熟悉资料的基础上确定总体方案；

2011年6月30日－2011年7月5日：

单元电路设计，元器件参数计算；

2011年7月6日－2011年7月7日：

完整电路图绘制；

2011年7月7日－2011年7月8日：

完成课程设计说明书。

任务下达日期2011年6月27日

完成日期2011年7月8日

指导教师（签名）

学生（签名）

电子心率计设计说明书

一前言

随着社会的发展与进步，我们的生活节奏也越来越快，面对每天繁忙的工作生活，我们不一定能像以前那样定期抽出时间去为自己身体做一次体检。

而事实上我们身体承受的负荷却越来越大，相比于以前我们需要给自己的身体以更多的关注，甚至是时刻了解它的健康状况。

身体的健康与否在很多方面都会有所体现。

比如一个人的心率值就基本能反映一个人心脏是否正常工作的。

大家都知道心脏是我们人体中最重要的器官之一，使我们生命的源动力。

所以我们能时刻了解它的状态是很重要的。

由于我们平时不一定总是能抽出时间去做体检，所以我们需要一个简单的，便于操作的，可靠性高的仪器来帮助我们在短时间内测到我们的心率值。

让我们能及时了解到我们现在心脏以及身体的状态。

附心率的生理意义

人的心脏比握紧的拳头稍大，平均重量为300g。

它是人体内“泵器官”，负责人体血液循环。

心脏每天跳动超过10万次，累计使8千多公升的血液，流经约1万9千公里长的动静脉，从而维持血液循环。

心脏有四个腔，分别是左心房、右心房、左心室和右心室。

右心房接受全身各器官回流的含氧低静脉血并输入右心室，右心室把血液泵入肺脏进行氧气与二氧化碳的气体交换。

左心房将自肺脏返回的含氧高的动脉血输入左心室，左心室再将血液输送至全身器官。

从我们出生的那一刻起，心脏便24小时不停地工作，为全身输送氧气和养分。

心脏能够这样周而复始地有规律地工作，是因为心脏有一个天然的起搏器——窦房结，它能自发地、有节律地发放电脉冲，并沿着结间束、房室结、希氏束和左右束支这一固定的激动传导途径由上向下传遍整个心脏，使心脏各个腔室顺序收缩，完成运送血液的工作。

心脏的正常工作要求心脏节律发放和传导系统的结构和功能正常。

心率（heartrate）指心脏分钟搏动的次数，它能够反映心脏的工作状态。

正常心率决定于窦房结的节律性，成人静息时约60～100次/min，平均约75次/min。

心率可因年龄、性别及其他因素而变化。

初生儿心率约130次/min，随年龄增长而逐渐减慢，至青春期乃接近成人的心率。

女性心率比男性稍快；运动员心率较慢。

成人安静心率超过120次/min者，为心动过速；低于40次/min者为心动过缓。

心率受植物性神经和体液因素调节。

安静或睡眠时，心迷走中枢紧张性增高，心交感中枢紧张性降低，心率减慢。

运动、情绪激动、精神紧张时，心迷走中枢紧张性降低，心交感中枢紧张性升高，心率加快。

肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺素等体液因素也会增快心率。

此外，体温每升高1℃，心率加快12～20次/min。

二任务分析及总体设计方案

在认真学习和研究了任务指导书后，在李俊勇老师的指导与启发下，我初步定下了自己的方案。

经过和同学们的集中讨论与研究和数次李老师耐心的讲解与分析，方案在我脑海中逐渐清晰。

通过自己的对个别知识的再次学习与网上资料的查阅，最终确定下方案。

2.1任务分析

所设计的电子心率计要求实现在短时间内测量1分钟的心脏跳动次数，并且显示其数字。

当心脏跳动次数超过正常范围时，发出异常指示（LED发光二极管发光报警指示）。

正常范围可根据需要设定，性能指标：

◆测量范围：

正常心跳次数成人为60~90次/分钟，婴儿为90~120次/分钟，老人为100~150次/分钟，正常范围可以设定；

◆测量精度：

测量误差≤±4次/分钟；

◆报警指示：

采用LED发光二极管。

基于以上任务要求，经过详细分析得到了如下结论：

◆由于从红外线传感器送来的信号很微弱，一般为（2～5mv），并且叠加了很多干扰及噪声，这就需要信号放大、滤波与整形电路；

◆要想在短时间内实现对1分钟的心率进行测量（本设计采用15秒测量），这就需要倍频器（4倍频）和基准时钟定时器（15秒）；

◆由于最后要显示其测量数字，这就需要计数器、译码器和显示器；

◆由于最后要用LED报警显示，并且成人、婴儿、老人的心率正常范围不一样，所以还需要控制器、比较器和报警器。

所设计的红外线电子心率计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲信号进行计数，最后以数字形式显示出来，并且把计数得到的值与正常范围的上下限进行比较，以实现对成人、婴儿和老人的报警指示。

2.2总体设计方案

设计方案为:

采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。

计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮。

2.3设计流程图

放大器

滤波器

传感器

倍频器

整形电路

计数器

报警器

定时器

显示

三器件选择

3.1传感器的选择

个人认为一个传感器的品质在很大程度上决定于它选用的传感器，现在市场上心率计使用比较主流的传感器有以下几种。

CCPS32，CPS182，红外传感应感器，MPS2050。

CPS182与MPS2050输出电压较小，且CPS182精确度不是很高，而红外感应传感器同样也有输出电压小的缺点，且价格会略高一些。

通过对比，我选择了CCPS32传感器，其灵敏度较高，且输出电压越4伏左右，这样就无需接放大电路，可直接进行滤波，且该款传感器还自带很高的温度自补偿，这是其他传感器所不具备的。

以下是CCPS32的具体参数以及介绍。

传感器参数及特性介绍：

CPS32传感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器

详细说明:

一、概述

CCPS32传感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达-40～125℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。

其最大特点是：

量程可以小到700Pa，抗过载能力可达量程100倍，彻底解决了其它类型传感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点，它除具有一般传感器的量程外，其最具特色的是它的正负表压功能，如：

±1kPa，±10kPa等。

CCPS32干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高输出，广量程，特别适合制造高性能的工业控制用压力变送器。

大圆形膜片表面平整、易安装，是欧美E+H、ABB、SIEMENS、H&Ｂ、VEGA等公司压力变送器生产首选传感器。

二、特点

坚固的陶瓷电容敏感膜片

自带厚膜电路输出1-4V

卓越的抗腐蚀、抗磨损性能

平整的大圆形膜片,易安装

高精度、高稳定性

宽的工作温度范围

响应迅速,无迟滞

量程迁移比达10:

1

可进行无源标定

三、工作原理

抗腐蚀的干式陶瓷电容压力传感器没有液体的传递，过程压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，衬底的电极与膜片电极的电容量变化比例与压力大小，使膜片产生0.03mm的位移，电容的变化值经激光微调，传感器专用信号调理电路ASIC放大输出高达4000mV的直流电压，内置的温度传感器不断测量介质的温度并进行温度补偿。

过载时，膜片贴到陶瓷衬底上而不会损坏。

当压力恢复到正常时，其性能不受任何影响。

彻底解决了低量程过载能力差的缺点，是扩散硅传感器的升级换代产品。

标准化的高输出具有极强的抗干扰能力，配专用线路板可进行大的量程迁移（10:

1）。

传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，自带温度补偿-20～80℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

CCPS32陶瓷传感器由于没有液体的传递作用，无任何填充液，不会产生工艺污染，因此在食品、医药等行业有着广泛的应用，加之是干式陶瓷膜片，故不受安装方向影响，以其作为敏感元件生产的压力变送器被广泛地应用在各种测量压力的场合。

四、技术参数

供电电压：

5VDC

量程范围：

7kPa～30Mpa

响应时间：

<1mS

综合误差（包括：

线性，迟滞，重复性）：

0.1...0.2FS%

零点输出：

500±50mV

满量程输出：

4000±100mV

温度特性（温补范围：

-20-80℃）：

±0.01%FS/℃

稳定性：

<0.1%FSO/年

供电电流：

<2mA

工作温度：

-40～125℃

抗绝缘性：

>;2kV

外形尺寸：

32.4×5.25...7.12mm

五、量程选择

因为人的血压一般是在18kpa左右，所以结合传感器的量程范围，选择传感器的量程为0～30kpa。

3.2放大电路的选择

因为CCPS32在零点有大约50mv的零点电压，所以可用以高共模抑制比的差分放大电路来消除。

而其输出电压就为4伏左右，所以不需要在进行对其输出幅度的放大。

传感器输出阻抗大约10千欧左右，结合以上考虑我选择了同相串联双运放高共模抑制比放大电路作为下一级。

其输出波形为

3.3滤波器的选择

人体的心率一般在60～150次/分钟，所以容易算得其最高频率为：

f=150/60=2.5Hz。

则可选择一低通滤波器滤掉大于3.14HZ的干扰。

设该低通滤波器的截止频率f0=3.14Hz

f0=1/2πRC=3.14Hz

所以求得RC=0.05结合实际情况和电路确定R=200欧C=250uF

低通滤波器电路图如下：

当将电源频率改为10Hz后，滤波电路输出的波形为：

两个图像对比后，我们可以很明显的看出在频率为10赫兹时输出的电压基本为0，所以可以看出该低通滤波电路能起到较好的滤波作用。

3.4整形电路的选择

整形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。

由于最后计数器输入的方波信号，因此还需要把面得到的信号进行比较整形，从而得到方波。

整形电路一般用74LS14和CC40106两种芯片，经过比较，个人认为74LS14集成度高，更稳定。

所以整形电路决定选择74LS14。

整形电路电路图如下：

整形后的波形如下：

可以看出该整形电路整形效果较好，基本可以胜任。

3.5倍频电路的选择

在实际中测心率一般选择一分钟为时间长度，而如果是体检或是有很多人同时需要进行心率的测量，则一分钟的时间会略显漫长。

所以我们希望能将测量时间缩短，以便于在尽量短的时间内为更多的人测量其心率值。

于是我们需要一个倍频电路来实现这一想法，而如果采用四倍频或更高的话，会带来至少每分钟2次的心率误差，如果患者的心率接近报警值，则有可能导致误报警。

综合考虑我这里选择的事2倍频电路，即在误差尽可能小的情况下，节约更多的时间。

电路图如下：

从整形电路输出的波形图如下:

经过倍频电路的波形图如下：

通过两个幅频图我们可以看出2倍频电路工作稳定，可以起到倍频的作用。

3.6定时器的选择

一般对病人的心率的时间选择为1分钟，且病人的每分钟心率也是医生参考的标准，而之前我们已经设计了一个2倍频的倍频电路，所以这里我们需要设计一个30秒得定时电路。

在这里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。

55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30秒

则q=（r1+r2）/（r1+r2）=2/3

故得R1=R2

由此得T=（r1+r2）Cln2=30取C=2u

解得r1=r2=480k

定时器电路图如下：

3.6显示与计数电路的选择

在心率计的设计过程中计数电路是其中很关键的一部分，通过它测量脉冲次数从而测出心率。

所以其测量的精度直接影响到心率计的测量精度。

在这里我选择了4511BD和4518BD两种芯片。

从计数器中输出的信号为四位BCD码，不能直接输入到显示器中显示，要先经过译码器译码，输出七段显示代码，才能供显示。

4511BD的引脚图如下：

计数与显示的电路图如下：

仿真后LED的显示情况：

3.7比较器及报警过程的设计

我们知道心率的标准范围有三种：

1，老人，100-150次/分；2，婴儿，90-120次/分；3，成人，60-90次/分。

在这里我们需要预设号不同的上下限的数值预测的的心率值比较，如果有计数器输出的计数值超出了对应的范围，则表明是使用者心率异常，需要发出报警，已引起使用人和医生的重视。

在这里我们选择的是74LS85D芯片，作为比较与报警部分的主要芯片。

其引脚图如下：

报警与比较部分电路图如下：

至此，心率计电路的器件选择和参数设计部分结束。

期间每一部分的设计都通过我的反复研究与仿真都确定下来。

四总体电路图

五器件清单

六心得体会

通过这次试验我才亲身体会到自己学的知识与实际动手之间还有一定的差距。

第一次设计一个具体的东西就容易各种闹笑话，手忙脚乱。

在确定各模块电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我用所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机会。

通过此次课程设计的锻炼，自己的动手能力有了很大的提高，查找问题、解决问题的能力也有了相应的进步。

当然，这次试验也让我看到了我的很多缺陷。

有些电路看似已经正确了，却始终无法仿真出需要的波形。

反复检查后才发现就是一些小细节的问题，比如少接个反馈，电阻电容值不对之类的。

还有就是在确定方案之前，没有在实验板上认真搭建电路，事前摸清放大模块的工作情况。

由于这两次较大的失误使整个设计与制作过程耗时耗力耗材超过预算。

总的来说，本次设计有苦也有甜。

设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半，因此我应该在设计前做好充分的准备。

同时熟练地掌握课本上的知识，这对试验中出现的问题进行分析解决也是相当重要的。

这次设计留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，更要有坚持的毅力。

七参考文献

[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