課程設(shè)計(jì)—--電子心率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)正文</b></p><p>　　1：任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì)</p><p>　　心率計(jì)是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人心臟單位時(shí)間內(nèi)跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，由于人體各部位心率一致，所以通常測(cè)量人手臂處的脈搏即可測(cè)出人體心率。任務(wù)要求測(cè)出的心率為一分鐘內(nèi)心跳的次數(shù)，并顯示，測(cè)量結(jié)果要與標(biāo)準(zhǔn)范圍作比較，不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則報(bào)警。</p>&

2、lt;p>　　設(shè)計(jì)方案為:采用傳感器，量脈搏的跳動(dòng)，出微弱的信號(hào)，入放大器中放大；后通過(guò)濾波器濾除干擾信號(hào)后，將形整形為方波或脈沖信號(hào)；將其作為計(jì)數(shù)控制信號(hào)，用基準(zhǔn)時(shí)間一定的方波作為計(jì)數(shù)脈沖在一個(gè)心跳周期內(nèi)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值N與基準(zhǔn)時(shí)間T的乘積就是一次心跳的時(shí)間。再對(duì)“60/基準(zhǔn)時(shí)間T”個(gè)脈沖進(jìn)行N分頻，對(duì)分頻后的信號(hào)計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值則為本次心率數(shù)值。之后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時(shí)，將其輸入的頻率進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換后與標(biāo)準(zhǔn)電壓值作比

3、較，若，測(cè)量值不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)則報(bào)警，即LED燈亮。流程圖如下。 </p><p>　　2：電路設(shè)計(jì)，元器件參數(shù)計(jì)算及選擇</p><p>　　2.1：傳感器的選擇:</p><p><b>　　紅外線(xiàn)檢測(cè)原理：</b></p><p>　　隨著心臟的博動(dòng)，人體組織半透度隨之改變，當(dāng)血液流回心臟，組織半透度增大，這種現(xiàn)象

4、在人體組織較薄的指尖、耳垂等部位最明顯。用紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生紅外線(xiàn)照射到人體上述部位，并用裝在一旁的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明度并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其信號(hào)頻率與脈搏頻率相對(duì)應(yīng)并且其為低頻近似的正弦信號(hào)。</p><p>　　TCRT5000(L)具有緊湊的結(jié)構(gòu)發(fā)光燈和檢測(cè)器安排在同一方向上，利用紅外光譜反射對(duì)象存在另一個(gè)對(duì)象上，操作的波長(zhǎng)大約是950毫米。探測(cè)器由光電晶體三極管組成的。</p>&l

5、t;p>　　2.2：后級(jí)電路的設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　跟隨器：</b></p><p><b>　　電壓跟隨器： </b></p><p>　　電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。 </p><p>　　電壓跟隨器的

6、顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 </p><p>　　在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)?，電壓放大器的輸入阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸出阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一

7、個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。</p><p><b>　　仿真圖：</b></p><p>　　黃色信號(hào)（下）為輸入信號(hào)。</p><p>　　藍(lán)色信號(hào)（上）為輸出信號(hào)。</p><p>　　由圖中可以看出，輸入輸出信號(hào)基本相等。</p>

8、<p>　　2.3:放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　傳感器輸出為微弱信號(hào)，需進(jìn)行放大后才便于后續(xù)電路的處理?？紤]到后續(xù)電路中濾波器電路也具有信號(hào)放大的功能，所以放大器的放大倍數(shù)不宜過(guò)大，初步選擇為660倍。設(shè)計(jì)電路的原理如下：</p><p><b>　　信號(hào)輸入端</b></p><p><b>　　信號(hào)輸出端<

9、;/b></p><p>　　其放大倍數(shù)的計(jì)算公式為 </p><p><b>　　二級(jí)放大電路：</b></p><p>　　由圖可知A1=20 ，A2=33</p><p>　　A=A1*A2=660</p><p>　　二級(jí)放大電路仿真圖：</p><p>　　

10、黃色信號(hào)（下）為輸入信號(hào)（其一格為2mV）</p><p>　　藍(lán)色信號(hào)（上）為輸出信號(hào)（其一格為2V）</p><p>　　2.4：濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的誤差，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理時(shí), 常常會(huì)遇到有用信號(hào)疊加上無(wú)用噪聲的問(wèn)題, 這些噪聲有的是與信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生的, 有的是傳輸過(guò)程中混入的。因此, 從接收的信號(hào)中消除或減弱干擾噪聲

11、, 就成為信號(hào)傳輸與處理中十分重要的問(wèn)題。根據(jù)有用信號(hào)與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為濾波, 實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱(chēng)為濾波器。在測(cè)量的過(guò)程中，對(duì)于心率計(jì)的信號(hào)干擾主要是高頻信號(hào)的干擾，所以設(shè)計(jì)的濾波器的為低通濾波器，通帶截止頻率設(shè)置為1000HZ，在所有的低通濾波器中，二階有源濾波器具有時(shí)域響應(yīng)快，截止性能良好，并且有一定的電壓放大倍數(shù)的特點(diǎn)，故選擇濾波器為二階有源濾波器。</p><p>

12、;　　有源二階濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示：</p><p>　　圖1 二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路</p><p>　　它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率f＞＞f0時(shí)（f0 為截止頻率），電路的每級(jí)RC 電路的相移趨于-90º，兩級(jí)RC 電路的移相到-180º，電路的

13、輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過(guò)電容c 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過(guò)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。</p><p><b>　　傳輸函數(shù)為：</b></p><p>　　令 稱(chēng)為通帶增益 </p>

14、<p><b>　　稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù) </b></p><p><b>　　稱(chēng)為特征角頻率 </b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　要求截止頻率f0=1000HZ；品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。低通濾波器的通帶電壓增益 =1.586。選擇C=82nF,選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻

15、R=9.09 KΩ，Rf=2.55 KΩ。</p><p><b>　　二階有源濾波電路：</b></p><p>　　二階有源濾波電路仿真：（藍(lán)—輸出信號(hào) 黃—輸入信號(hào)）</p><p>　　模擬信號(hào)輸入時(shí)由于二階有源濾波電路的通頻帶增益有了一個(gè)放大的效果這樣加上前二級(jí)放大電路的放大作用，總電壓放大倍數(shù)為1046.76，則可以將mV級(jí)信號(hào)放

16、大到V級(jí)。</p><p>　　1kHZ頻率信號(hào)輸入仿真：</p><p>　　如仿真波形所示：當(dāng)頻率大于1000HZ的信號(hào)輸入時(shí)，電壓衰減為0，取得了良好的濾波效果</p><p><b>　　2.5：整形電路：</b></p><p>　　輸入信號(hào)進(jìn)入后將首先通過(guò)比較器將正弦型信號(hào)轉(zhuǎn)變成-5V—5V的方波信號(hào)，之后方

17、波信號(hào)進(jìn)入施密特觸發(fā)器進(jìn)行進(jìn)一步的整形，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為0V—5V的數(shù)字信號(hào)，并提高信號(hào)的上升和下降時(shí)間，有利于信號(hào)的分辨與處理。</p><p>　　施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常用一種電路，它在性能上有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中電路轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入電平不同。第二，在電路轉(zhuǎn)換時(shí)通過(guò)電路內(nèi)部中的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅可以使

18、邊沿變化緩慢的信號(hào)整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將噪聲有效地消除。</p><p><b>　　整形電路仿真：</b></p><p>　　經(jīng)施密特觸發(fā)器整形前后的信號(hào)比較：</p><p>　　2.6：555定時(shí)器電路：</p><p>　　555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)

19、器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸

20、出為 0 電平。</p><p>　　引腳功能：1—接地GND 2—觸發(fā) 3—輸出 4—復(fù)位 5—控制電壓 </p><p>　　6—門(mén)限（閾值） 7—放電 8—電源電壓VCC</p><p>　　參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓 4.5—18V</p><p>　　供應(yīng)電流3-6 mA </p><

21、;p>　　輸出電流225mA (max) </p><p>　　上升/下降時(shí)間100 ns</p><p>　　存儲(chǔ)溫度范圍 -65℃ 至 +150℃</p><p>　　工作溫度 0℃ 至 +70℃</p><p>　　構(gòu)成多諧振蕩器，組成信號(hào)產(chǎn)生電路：</p><p>　　多諧振蕩器又稱(chēng)為無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒(méi)

22、有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。</p><p>　　接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到時(shí)（TH、端電平大于），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為C—R2—T—地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)

23、下降到時(shí)（TH、端電平小于），輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，振蕩周期： T=（R1+2R2）Cln2 </p><p>　　設(shè)計(jì)電路定時(shí)時(shí)間為0.05s取R11=42K,R12=700K,C4=50nF。</p><p>　　555定時(shí)器仿真圖：</p><p>　　2.7：控制信號(hào)電路：</p><p&g

24、t;　　此電路使用D觸發(fā)器對(duì)心跳信號(hào)做了2分頻，則此時(shí)輸出信號(hào)的高低脈沖時(shí)間為一次心跳的時(shí)間，此信號(hào)作為電路的控制信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)的功能是高電平時(shí)間為計(jì)數(shù)時(shí)間，而低電平時(shí)間成為了后續(xù)電路載入N值進(jìn)入預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器的時(shí)間等待下一個(gè)高電平時(shí)間開(kāi)始計(jì)數(shù)處理。</p><p><b>　　控制信號(hào)仿真：</b></p><p>　　黃色信號(hào)為輸入的模擬心跳信號(hào)。</p>

25、<p>　　藍(lán)色信號(hào)為整形后的輸出信號(hào)。</p><p>　　紫色信號(hào)為轉(zhuǎn)換后的控制信號(hào)。</p><p>　　2.8：N值計(jì)數(shù)電路:</p><p>　　采用芯片為74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片</p><p>　　管腳圖介紹：時(shí)鐘輸入 CP

26、 四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端 P0—P3清零 /MR計(jì)數(shù)控制端 CEP，CET置數(shù) PE數(shù)據(jù)輸出端 Q0—Q3進(jìn)位輸出端 TC</

27、p><p>　　仿真圖(輸入信號(hào)頻率為1HZ)：</p><p>　　2.9：1200脈沖產(chǎn)生電路：</p><p>　　采用芯片為74LS161四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片</p><p>　　管腳圖介紹：時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0~P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3以及進(jìn)位輸出TC. (TC=Q0·Q1

28、·Q2·Q3·CET)</p><p>　　利用3片74LS161可以對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到第1200個(gè)脈沖時(shí)，停止計(jì)數(shù)保持計(jì)數(shù)值，并產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)使可預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器清零，直到下一個(gè)心跳周期到來(lái)后重新清零計(jì)數(shù)器進(jìn)入下一個(gè)工作周期。</p><p>　　2.10：N位預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器：</p><p>　　此計(jì)數(shù)器是對(duì)1200個(gè)脈沖進(jìn)行

29、N分頻，首先將N值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值取反，之后輸入到N位預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器中等待心率控制信號(hào)的低電平，之后送入到計(jì)數(shù)器中，從此時(shí)的計(jì)數(shù)值到產(chǎn)生溢出信號(hào)之間的計(jì)數(shù)值為N，對(duì)RCO的溢出信號(hào)計(jì)數(shù)直到1200計(jì)數(shù)器產(chǎn)生清零信號(hào)，這之間的計(jì)數(shù)值為心率值。</p><p>　　2.10心率計(jì)算及譯碼顯示模塊：</p><p>　　使用74LS48 BCD—數(shù)碼管段碼芯片</p><p>

30、;　　對(duì)N位預(yù)置數(shù)電路產(chǎn)生的溢出信號(hào)計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值（BCD碼）轉(zhuǎn)換為段碼輸出，在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。</p><p>　　2.12：報(bào)警模塊：</p><p>　　本模塊利用LM131系列芯片作為f/V轉(zhuǎn)換器，f/V轉(zhuǎn)換器是把頻率變化信號(hào)線(xiàn)性的轉(zhuǎn)化為電壓變化信號(hào)，它主要包括電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器三部分。輸入信號(hào)通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換成快速上升/下降的方波信號(hào)去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，隨即產(chǎn)生

31、定寬T、定幅度U的輸出脈沖序列。將此序列經(jīng)低通濾波器平滑，可得到比例于輸入信號(hào)頻率f的輸出電壓u,且u=T*U*f。</p><p>　　該電路采用了LM131作為f/V轉(zhuǎn)換器，查得基本電路如下圖，其頻率電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系式為</p><p>　　取=10K, =10K, =10K, =100uf。</p><p>　　將轉(zhuǎn)換后的電壓與預(yù)設(shè)的上下限電壓比較，如果超出允許的

32、范圍則點(diǎn)亮LED燈。</p><p><b>　　預(yù)設(shè)電壓值：</b></p><p>　　最后仿真結(jié)果1（信號(hào)頻率為1HZ(60次/分)）：</p><p>　　最后仿真結(jié)果2（信號(hào)頻率為0.5HZ(120次/分)）：</p><p>　　3：本次課程設(shè)計(jì)的體會(huì)</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)

33、經(jīng)歷了兩周時(shí)間，在這兩周的時(shí)間內(nèi)，有了和平時(shí)不一樣的學(xué)習(xí)感受。首先課程設(shè)計(jì)的自主性很高，完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中的要求所需的電路，材料，芯片都由自己來(lái)決定，這樣對(duì)以后步入社會(huì)獨(dú)立解決工作中的問(wèn)題積累了基本的經(jīng)驗(yàn)。再次，課程設(shè)計(jì)充分調(diào)動(dòng)了我以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，讓我把數(shù)點(diǎn)，模電中所學(xué)過(guò)的知識(shí)組合運(yùn)用起來(lái)，并且加深了我對(duì)某些知識(shí)的理解，以及對(duì)一些容易在理論中忽略但在實(shí)踐中不可輕視的知識(shí)點(diǎn)有了更好的掌握，重溫了很多以前沒(méi)掌握和沒(méi)掌握好的知識(shí)點(diǎn)。<

34、;/p><p>　　在這次設(shè)計(jì)中遇到了許許多多的困難，而在此時(shí)通過(guò)與同學(xué)交流和上網(wǎng)查閱資料將它解決之后，我發(fā)現(xiàn)原來(lái)自己也可以解決實(shí)際的問(wèn)題，而不單單只是算幾道題，做幾份試卷，雖然知識(shí)原理上的設(shè)計(jì)與電腦平臺(tái)上的仿真，但這和解決幾道題的感覺(jué)完全不一樣，我發(fā)現(xiàn)自己可以將學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中去，不在只是做各種參數(shù)的運(yùn)算，這兩種學(xué)習(xí)方式——在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和在理論書(shū)籍中學(xué)習(xí)——給我不同的感受，理論學(xué)習(xí)目前看來(lái)就是學(xué)習(xí)電路的原理

35、，計(jì)算電路的參數(shù)，而在課程設(shè)計(jì)中不單單有電路參數(shù)的計(jì)算和原理的把握，更有一些細(xì)節(jié)信息的處理，資料的查詢(xún)，對(duì)于以后實(shí)際工作中處理問(wèn)題積累下了基本的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，在這兩個(gè)周中，我不但溫故，還知新了，收獲了很多，雖然累了點(diǎn)但還是覺(jué)得很值得。</p><p><b>　　3：參考資料清單</b></p><p>　　【1】：楊素

36、行.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程》.清華大學(xué)電子學(xué)教研組.高等教育出版社.2006年第三版</p><p>　　【2】：閻石.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》.清華大學(xué)電子學(xué)教研組.高等教育出版社.2006年5月第五版</p><p>　　【3】：張國(guó)雄.金篆芷.《測(cè)控電路》.天津大學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2001年1月</p><p><b>　　4.器件清單</b