心跳速率检测器讲诉Word文档格式.docx
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医学实践表明，心脏类疾病如果可以及时发现并做恰当处理，则患者有70%-80%的生存率。
因此，研究设计出一种具有性能稳定、成本低、体积小、重量轻，抗干扰能力强，且方便携带的心率测量仪，将具有很好的发展前景。
本设计工作原理是利用压电传感器接收到人体信号，通过电路中的放大电路将信号放大，通过滤波电路将干扰信号滤去，整形处理，使用外部定时器进行一分钟定时，计数器处理完成后由三位数码管显示出来。
该心跳监控系统可以便捷的测量出人体的心跳，基本实现预定的目标，且方便携带。
关键词：
脉搏，心跳速率，电路，设计
设计任务书
一、课题训练内容
设计一个心跳速率检测器，实现以下目标：
1、能完成对人体心跳速率的检测，测试位置可以为任何理论上可进行测试的位置，但必须说明选择理由以及所选位置和方法测试结果与实际结果的误差范围，并给出补偿方法；
2、能用3位7段数码管完成心跳速率的显示，按分钟给出；
3、需要指出设计依据，即心跳检测传感器信号输出类型与信号频率与幅度，并按上述数据建立一个仿真模型（至少是部分模型，如信号放大部分等），在protel99se或类似仿真软件中进行仿真。
要求在设计中不得使用单片机等类似器件，否则判为零分，使用分立的模拟和数字器件进行电路设计并给出设计说明。
分钟时间的提供如果感觉困难可以用外部定时器，如现成的定时器或单片机时间定时等，但现成器件仅能用于完成分钟时间确定，不得提供其他信号或输出。
对每部分单元电路都必须说明功能与信号流向与信号接口，并注明接口信号仿真波形。
主要是培养学生应用基本电子电路知识的能力，要求学生能独立或按组完成一个选定的设计题目，能在老师的指导下完成如下工作：
1、设计方案选择与确认；
2、设计框图的构思与绘制；
3、原理电路图的绘制；
4、对原理电路的仿真与修改；
5、元器件选择；
6、课程设计说明书的撰写。
二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、程序、图纸、等具体要求）
1.设计方案选择与确认；
设计框图的构思与绘制；
原理电路图的绘制；
对原理电路的仿真与修改；
元器件选择；
实际电路的制作与调试；
2.不能使用单片机或类似处理器进行数字信号处理，必须使用基本逻辑门电路构建数字电路部分，时钟可以使用集成器件提供；
3.说明书正文（不含目录）不少于10页，小4号宋体，1.5倍行距，页面设计参考本页，标题用4号黑体；
4.提供完整的电路原理图与仿真结果图；
5.按要求时间提交课程设计。
三、课程设计（论文）主要参数及主要参考资料
1.电子技术基础模拟部分康华光版第五版
2.电子技术基础数字部分康华光版第五版
3.电子技术课程设计指导编著韩建,全星慧,周围
4.电工电子技术:
电子技术与计算机仿真范小兰主编
5.单片机原理与嵌入式系统设计:
原理、应用、Protues仿真、实验设计/张齐,朱宁西,毕盛编著
6.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社，2006
总体设计
2.1心跳检测系统原理
心跳心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频率。
心跳心率的数值根据个人的年龄、性别及其他生理情况而不同。
各种心跳分析，都是要通过对心跳心率的计数来完成的。
采用压电传感器的心跳心率检测系统的基本检测原理为:
随着心脏的搏动，人体手腕的脉搏及颈部的搏动较为明显，我们采用压电传感器放在上述位置，把压电传感器测到的信号放大并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。
2.2总体电路框图设计
传感器
调理信号（放大、滤波、整形）
计数器
显示器
定时器
锁存器
1.传感器：
将脉搏转换成相应的电脉冲信号.
2.调理信号：
放大电路将传感器输出信号放大；
低通滤波器将干扰信号滤除；
整形电路将正弦波整成脉冲信号。
3.定时电路：
要测定一分钟内的心跳次数，必须要有准确的定时电路。
为了便于实现，减少电路单元，本次设计我们设定时间隔60s。
4.计数器：
计数器是记录心跳次数所必需的。
要求此计数单元具有清零重新计数的功能。
5.锁存器：
对心跳心率产生的电平的存储。
6.显示器：
正确显示心率。
为了便于读数，应选择十进制显示器。
心率检测单元电路设计
3.1传感器
采用动态微压传感器，如下图所示，是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。
该传感器具有灵敏度高，抗过载及抗冲击能力强，抗干扰性强、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。
SC0073压电薄膜脉搏传感器，具有灵敏度高，频率响应范围宽，抗过载及冲击力强，搞干扰性好，操作方便等特点。
是一种高质量的心音脉搏传感器。
该传感器具有良好的低频应响，可以方便地测试劲动脉搏，可以与国内外有关的生理记录相配。
3.2放大电路设计
3.2-1放大电路
上两图为OP27AP，其中1--调零2--负输入3--正输入4--电源负5--NC6--输出7--电源正8--调零
此放大电路属于电压串联负反馈，〖heartbeat为正弦输入，o3为输出〗为了使集成运放反向输入端与通向输入端的对地电阻一致，R11、R12、R13的阻值应满足以下关系：
R11=R12//R13
输入输出关系为
Av=Vo/Vi=1+R13/R12
由于输入最大0.2V左右，为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为25倍，故设R11=0.96kΩ，R12=1KΩ，R13=24KΩ。
理论上，当输入±
0.1v电压时，输出为±
2.5V。
3.2-2放大电路波形
由上图可知，放大电路达到预定要求。
3.3滤波电路设计
3.3-1滤波电路
上两个图是UA742的引脚图
影响电路信号的是高频的信号，按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计即4HZ算来设计低通滤波器，而且频率很低（如脉搏50次/分钟为0.78Hz，200次/分钟为3.33Hz），并且还伴有各种噪声干扰，故该信号要经过R、C低通滤波，去除高频干扰。
采用简单的二阶电路当R4=R14=R=1M，C3=50nF,C4=10nF时，
f0=W0/2π,W02=（f0×
2π）2=1/R14*R15*C1*C2
f0=7.12HZ.此为上限截至频率。
3.3-2滤波后的波形
低通滤波器容许低频信号通过,但减弱（或减少）频率高于截止频率的信号的通过，然而会出现输出延迟。
对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。
一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。
实际上的转换区域也不再存在。
一个理想的低通滤波器可以用数学的方法（理论上）在频域中用信号乘以矩形函数得到，作为具有同样效果的方法，也可以在时域与sinc函数作卷积得到。
滤波器对于实际真正的信号来说是不可实现的，这是因为sinc函数是一个延伸到无穷远处的函数，所以这样的滤波器为了执行卷积就需要预测未来并且需要有过去所有的数据。
照理说能在频率分析中看到截止频率，然而并没有，因为这个软件要纯英文才能使用这个部分，我已经在下载路径上使用了中文，故一直不能显示实际截止频率。
3.4整形电路设计
图3.4-1整形电路
心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、滤波的模拟信号转换成数字脉冲信号，当然这是在不改变信号频率的前提下完成的。
将模拟信号转换成数字脉冲信号的方案，可以有以下两种可供选择：
一是利用电压比较器，二是利用555时基电路组成的滞回比较器作为整形电路。
这里我选用的是过零比较器。
零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V，电路如图3.4-2所示。
集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。
当输入电压ui<
0V时，UO=+UOM；
当输入电压ui>
0V时，UO=-UOM。
因此，电压传输特性如图3.4-3。
图3.4-2过零比较器图3.4-3过零比较器的传输特性
过零比较器电路简单，可实现波形的整形作用。
O1为整形电路的输入，R5
（2）为电路输出，R10
（1）理想输入是0V，但是输出波形部分整形，不是理想输出，故实际输入为2V，图3.4-4为整形后的波形图
虽然不是矩形脉冲，但是已经达到理想值。
经过整形电路后，V（out）的低电压值不等于0V，分析原因是由于稳压管DWY的阈值电压不为零。
当输出端为负值时，稳压管导通，Vout=0-Vth=-0.4V。
所以它两端的电压值并不严格等于D1的稳压电压，而是有一定的偏移。
图3.4-4整形波形
3.5外部定时电路设计
图3.5-1多谐振荡器
图3.5-2计数器
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
（1）、R0
（2）
S9
（1）、S9
（2）
CP1CP2
1
×
×
0×
0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
11
不变
保持
上图为74LS90引脚排列
采用555定时器接成多谐振荡器，产生时序脉冲，用计数器对此计数。
当达到某一数值是输出一脉冲，作为定时电路输出。
具有较高的定时精度。
且有利于计数器清零和计数值锁存。
通过多谐振荡器产生周期为0.1s的脉冲，然后计数600次，则总定时时间T=0.1*600s=60s。
多谐振荡器的振荡周期为T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2,为了计算简单，取C=2.2uf，R1=R2=21958Ω（用可变电阻实现），则T=0.1s，然后用74LS90计数600次。
所产生的CLK脉冲接锁存器的CLK，控制锁存器。
产生的技术脉冲如下：
在时间为60s处，产生有个脉冲，即我们需要的计时脉冲。
3.6计数器电路设计
计数单元选用的是74160，7448为七段LED驱动。
左是74160引脚图，右是7448引脚图
74160是一个4位二进制的计数器，它具有异步清除端与同步清除端不同的是，它不受时钟脉冲控制，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。
当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0～D3的数据被置入计数器并呈现在Q0～Q3端。
若接成七进制计数器，控制置数端的信号是N（7）状态，如在D0～D3置入0000，则在Q0～Q3端呈现的数据就是0110。
7448输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。
除DCBA=0000外，RBI也可以接低电平。
3.7锁存器和显示电路设计
图3.7-1图3.7-2
74LS273引脚及功能图
74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。
CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。
CP（CLK）：
触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0-D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0-D7的数据不变。
一分钟以后得到需要的心跳心率以后，人为的清零。
总电路及原理分析
4.1心跳心率计原理说明
将压电传感器与人体接触，当电路通电以后，计数器开始计时，传感器传感器输出的0.2V的心率信号开始进入放大电路。
在仿真电路中我们用幅值为0.1V，偏置电压为0.1V的正弦信号代替心率信号。
心率信号经过放大电路后，被放大25倍，变为5V。
但是其中掺杂有干扰信号。
接下来心率信号进入滤波电路，滤除其中的高频干扰信号，获得单一的心率信号。
然后进入整形电路。
心率信号与+2V的参考电压比较后，产生比较标准的方波信号。
整形电路中还有一个作用，就是把频率低、幅度小的干扰信号忽略掉了。
方波信号进入计数电路，计数器开始计数，同时将计数值传送到锁存U8、U9和U10的CLK。
当锁存器将计数值锁存后，U8、U9和U10输出端一直保持计数值。
读出心跳此次数以后人为清零。
定时器定时60s后，产生一个正的很窄的脉冲，作用于锁存器U8、U9、U10，使得锁存器输入端的计数值进入锁存器锁存。
4.2电路仿真
选取三种不同频率的正弦信号接入电路。
当输入信号的频率为0.5Hz时，60s后显示器显示“030”。
当输入信号的频率为1Hz时，60s后显示器显示“61”。
（在多谐振荡器计数器计时是，理性值为0.1s，计算电阻是R7=R8=21958Ω，但这也是估计值，并非准确值）
当输入信号的频率为2Hz时，60s后显示器显示“121”（理论值为120）
设计心得体会
在这次设计作业中，我快速学会了使用protues这个仿真软件，比我在学其他软件的时间还要短，而且让我对数电和模电又复习了一遍，尽管很多知识还是半知未解，要询问度娘，在设计过程中，考虑各方面的因素，尽量做到线路简单，充分利用集成芯片，弥补分离元器件的精度不足。
中途也会遇到令人可气的问题，比如元件名重复的问题，虽然软件是自动标注元件名，但就是自动标注才会出现改不了元件的名字，每次改完都会自动跳回以前错误的值，但是如果把他复制的一个新的工作界面是，这个问题又不复存在了，而且我不知道问题出在哪，所以在完成这个设计的过程中，我新建了n多个工作界面。
还有一个可恶的事情就是会闪退，每次在仿真模拟的时候，一不小心就会被关，如果你之前的设计保存了，还只是虚惊一场，但是如果没有保存，并且设计了很多的时候，这就是震惊全场了。
在设计电路时，一直仿真不出可行的整形方波，因为我只用示波器观看输出波形，然而在模拟分析的时候就可以看到符合要求的方波。
再就是使用芯片问题，虽然长得差不多，引脚好也相同，但是就是有些可用有些不可用，直接影响输出结果。
比如OP27A和OP27AP，使用OP27A放大电路25倍的时候，输出波形就好失真，而用OP27AP就不会。
另一个就是计时器的问题，开始我使用两片74160计数100次，振荡周期为0.6s，然而作用在锁存器处有两个脉冲，一个时间在54s，一个时间在61s，查完资料以后才发现他是有问题的，第一个74160计数是1001进位，所以只计了9次，一共计时90*0.6=54s。
再者我学会画图要耐心，毛毛糙糙只会更乱，画图的布局也很重要，有些布局很美观，但是有些就东一个西一个的元器件。
之前我一值不知道Proteus还能用网标，所以我的线都很凌乱，在一天晚上请教学姐的时候，才发现能这样用，让我受益匪浅。
附表
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