電子心率計(jì)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　一 摘要</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，我們的生活節(jié)奏也越來(lái)越快，面對(duì)每天繁忙的工作生活，我們不一定能像以前那樣定期抽出時(shí)間去為自己身體做一次體檢。而事實(shí)上我們身體承受的負(fù)荷卻越來(lái)越大，相比于以前我們需要給自己的身體以更多的關(guān)注，甚至是時(shí)刻了解它的健康狀況。身體的健康與否在很多方面都會(huì)有所體現(xiàn)。比如一個(gè)人的心率值就基本能反映一個(gè)人心臟是否正常

2、工作的。大家都知道心臟是我們?nèi)梭w中最重要的器官之一，使我們生命的源動(dòng)力。所以我們能時(shí)刻了解它的狀態(tài)是很重要的。由于我們平時(shí)不一定總是能抽出時(shí)間去做體檢，所以我們需要一個(gè)簡(jiǎn)單的，便于操作的，可靠性高的儀器來(lái)幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)測(cè)到我們的心率值。讓我們能及時(shí)了解到我們現(xiàn)在心臟以及身體的狀態(tài)。</p><p><b>　　心率的生理意義</b></p><p>　　人的心臟比

3、握緊的拳頭稍大，平均重量為300g。它是人體內(nèi)“泵器官”，負(fù)責(zé)人體血液循環(huán)。心臟每天跳動(dòng)超過(guò)10萬(wàn)次，累計(jì)使8千多公升的血液，流經(jīng)約1萬(wàn)9千公里長(zhǎng)的動(dòng)靜脈，從而維持血液循環(huán)。心臟有四個(gè)腔，分別是左心房、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靜脈血并輸入右心室，右心室把血液泵入肺臟進(jìn)行氧氣與二氧化碳的氣體交換。左心房將自肺臟返回的含氧高的動(dòng)脈血輸入左心室，左心室再將血液輸送至全身器官。從我們出生的那一刻起，心臟便24小時(shí)

4、不停地工作，為全身輸送氧氣和養(yǎng)分。心臟能夠這樣周而復(fù)始地有規(guī)律地工作，是因?yàn)樾呐K有一個(gè)天然的起搏器——竇房結(jié)，它能自發(fā)地、有節(jié)律地發(fā)放電脈沖，并沿著結(jié)間束、房室結(jié)、希氏束和左右束支這一固定的激動(dòng)傳導(dǎo)途徑由上向下傳遍整個(gè)心臟，使心臟各個(gè)腔室順序收縮，完成運(yùn)送血液的工作。心臟的正常工作要求心臟節(jié)律發(fā)放和傳導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正常。心率(heart rate)指心臟分鐘搏動(dòng)的次數(shù)，它能夠反映心臟的工作狀態(tài)。正常心率決定于竇房結(jié)的節(jié)律性，成人靜息

5、時(shí)約60～100次/min，平均約75次/min。心率可因年齡、性別及其他因素而變化。初生兒心率約130次/m</p><p>　　二 任務(wù)分析及總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　在認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究了任務(wù)指導(dǎo)書(shū)后，在老師的指導(dǎo)與啟發(fā)下，我初步定下了自己的方案。經(jīng)過(guò)和同學(xué)們的集中討論與研究和數(shù)次李老師耐心的講解與分析，方案在我腦海中逐漸清晰。通過(guò)自己的對(duì)個(gè)別知識(shí)的再次學(xué)習(xí)與網(wǎng)上資料的查閱，最終

6、確定下方案。</p><p><b>　　2.1任務(wù)分析</b></p><p>　　所設(shè)計(jì)的電子心率計(jì)要求實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量1分鐘的心臟跳動(dòng)次數(shù)，并且顯示其數(shù)字。當(dāng)心臟跳動(dòng)次數(shù)超過(guò)正常范圍時(shí)，發(fā)出異常指示（LED發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警指示）。正常范圍可根據(jù)需要設(shè)定，性能指標(biāo)：</p><p>　　測(cè)量范圍：正常心跳次數(shù)成人為60~90次/分鐘，嬰

7、兒為90~120次/分鐘，老人為100~150次/分鐘，正常范圍可以設(shè)定；</p><p>　　測(cè)量精度：測(cè)量誤差≤±4次/分鐘；</p><p>　　報(bào)警指示：采用LED發(fā)光二極管。</p><p>　　基于以上任務(wù)要求，經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析得到了如下結(jié)論：</p><p>　　由于從紅外線傳感器送來(lái)的信號(hào)很微弱，一般為（2～5mv），并

8、且疊加了很多干擾及噪聲，這就需要信號(hào)放大、濾波與整形電路；</p><p>　　要想在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)1分鐘的心率進(jìn)行測(cè)量（本設(shè)計(jì)采用15秒測(cè)量），這就需要倍頻器（4倍頻）和基準(zhǔn)時(shí)鐘定時(shí)器（15秒）；</p><p>　　由于最后要顯示其測(cè)量數(shù)字，這就需要計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器；</p><p>　　由于最后要用LED報(bào)警顯示，并且成人、嬰兒、老人的心率正常范圍不一樣

9、，所以還需要控制器、比較器和報(bào)警器。</p><p>　　所設(shè)計(jì)的紅外線電子心率計(jì)的核心是在固定的短時(shí)間內(nèi)對(duì)低頻電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)，并且把計(jì)數(shù)得到的值與正常范圍的上下限進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)對(duì)成人、嬰兒和老人的報(bào)警指示。</p><p><b>　　2.2總體設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　設(shè)計(jì)方案為:采用傳感器，量脈搏

10、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)；后經(jīng)過(guò)倍頻器增加信號(hào)的頻率，輸入計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，時(shí)通過(guò)定時(shí)器控制計(jì)數(shù)的時(shí)間，后得出一分鐘內(nèi)脈搏次數(shù)即為心率。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時(shí)，將其輸入到數(shù)值器中與比較器預(yù)設(shè)值即標(biāo)準(zhǔn)值作比較，若，測(cè)量值不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)則報(bào)警，即LED燈亮。</p><p><b>　　2.3設(shè)計(jì)流程圖</b><

11、/p><p><b>　　二 器件選擇 </b></p><p>　　3.1 傳感器的選擇</p><p>　　個(gè)人認(rèn)為一個(gè)傳感器的品質(zhì)在很大程度上決定于它選用的傳感器，現(xiàn)在市場(chǎng)上心率計(jì)使用比較主流的傳感器有以下幾種。CCPS32，CPS182，紅外傳感應(yīng)感器，MPS2050。CPS182與MPS2050輸出電壓較小，且CPS182精確度不是很高

12、，而紅外感應(yīng)傳感器同樣也有輸出電壓小的缺點(diǎn)，且價(jià)格會(huì)略高一些。通過(guò)對(duì)比，我選擇了CCPS32傳感器，其靈敏度較高，且輸出電壓越4伏左右，這樣就無(wú)需接放大電路，可直接進(jìn)行濾波，且該款傳感器還自帶很高的溫度自補(bǔ)償，這是其他傳感器所不具備的。以下是CCPS32的具體參數(shù)以及介紹。</p><p>　　傳感器參數(shù)及特性介紹：</p><p>　　CPS32傳感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料

13、經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷電容壓力傳感器詳細(xì)說(shuō)明:一、概述CCPS32傳感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷電容壓力傳感器，陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～125℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。其最大特點(diǎn)是：量程可以小到700Pa，抗過(guò)載能力可達(dá)量程100倍，徹底解決了其它類(lèi)型傳感器沒(méi)有小量程及在小量程時(shí)過(guò)載能力差的缺點(diǎn)

14、，它除具有一般傳感器的量程外，其最具特色的是它的正負(fù)表壓功能，如：±1kPa，±10kPa等。</p><p>　　CCPS32干式陶瓷電容厚膜壓力傳感器的高輸出，廣量程，特別適合制造高性能的工業(yè)控制用壓力變送器。大圓形膜片表面平整、易安裝，是歐美E+H、ABB、SIEMENS、H&Ｂ、VEGA等公司壓力變送器生產(chǎn)首選傳感器。</p><p>　　二、特點(diǎn)堅(jiān)固

15、的陶瓷電容敏感膜片自帶厚膜電路輸出1-4V卓越的抗腐蝕、抗磨損性能平整的大圓形膜片,易安裝高精度、高穩(wěn)定性寬的工作溫度范圍響應(yīng)迅速,無(wú)遲滯量程遷移比達(dá)10:1可進(jìn)行無(wú)源標(biāo)定</p><p><b>　　三、工作原理</b></p><p>　　抗腐蝕的干式陶瓷電容壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，過(guò)程壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，襯底的電極與膜片電極的電容量

16、變化比例與壓力大小，使膜片產(chǎn)生0.03mm的位移，電容的變化值經(jīng)激光微調(diào)，傳感器專(zhuān)用信號(hào)調(diào)理電路ASIC放大輸出高達(dá)4000mV的直流電壓，內(nèi)置的溫度傳感器不斷測(cè)量介質(zhì)的溫度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。過(guò)載時(shí)，膜片貼到陶瓷襯底上而不會(huì)損壞。當(dāng)壓力恢復(fù)到正常時(shí)，其性能不受任何影響。徹底解決了低量程過(guò)載能力差的缺點(diǎn)，是擴(kuò)散硅傳感器的升級(jí)換代產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)化的高輸出具有極強(qiáng)的抗干擾能力，配專(zhuān)用線路板可進(jìn)行大的量程遷移（10:1）。傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和

17、時(shí)間穩(wěn)定性，自帶溫度補(bǔ)償-20～80℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。</p><p>　　CCPS32陶瓷傳感器由于沒(méi)有液體的傳遞作用，無(wú)任何填充液，不會(huì)產(chǎn)生工藝污染，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，加之是干式陶瓷膜片，故不受安裝方向影響，以其作為敏感元件生產(chǎn)的壓力變送器被廣泛地應(yīng)用在各種測(cè)量壓力的場(chǎng)合。</p><p><b>　　四、技術(shù)參數(shù)</b><

18、;/p><p>　　供電電壓：5VDC量程范圍：7kPa～30Mpa響應(yīng)時(shí)間：<1mS綜合誤差(包括：線性，遲滯，重復(fù)性)：0.1...0.2FS%零點(diǎn)輸出：500±50mV滿(mǎn)量程輸出：4000±100mV溫度特性(溫補(bǔ)范圍：-20-80℃)：±0.01 %FS/℃穩(wěn)定性：<0.1% FSO/年供電電流：<2mA工作溫度：-40～125℃抗絕緣性：&

19、gt;;2kV外形尺寸：32.4×5.25...7.12mm </p><p><b>　　五、量程選擇</b></p><p>　　因?yàn)槿说难獕阂话闶窃?8kpa左右，所以結(jié)合傳感器的量程范圍，選擇傳感器的量程為 0～30kpa。</p><p>　　3.2 放大電路的選擇</p><p>　　因?yàn)镃CPS

20、32在零點(diǎn)有大約50mv的零點(diǎn)電壓，所以可用以高共模抑制比的差分放大電路來(lái)消除。而其輸出電壓就為4伏左右，所以不需要在進(jìn)行對(duì)其輸出幅度的放大。傳感器輸出阻抗大約10千歐左右，結(jié)合以上考慮我選擇了同相串聯(lián)雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路作為下一級(jí)。</p><p><b>　　其輸出波形為</b></p><p>　　3.3 濾波器的選擇</p><p&g

21、t;　　人體的心率一般在60～150次/分鐘，所以容易算得其最高頻率為：f=150/60=2.5Hz。則可選擇一低通濾波器濾掉大于3.14HZ的干擾。</p><p>　　設(shè)該低通濾波器的截止頻率f0=3.14Hz</p><p>　　f0=1/2πRC=3.14Hz</p><p>　　所以求得 RC=0.05 結(jié)合實(shí)際情況和電路 確定R=200歐 C=250uF

22、</p><p>　　低通濾波器電路圖如下：</p><p>　　當(dāng)將電源頻率改為10Hz后，濾波電路輸出的波形為：</p><p>　　兩個(gè)圖像對(duì)比后，我們可以很明顯的看出在頻率為10赫茲時(shí)輸出的電壓基本為0，所以可以看出該低通濾波電路能起到較好的濾波作用。</p><p>　　3.4 整形電路的選擇</p><p>

23、;　　整形電路的功能是將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào)輸出到倍頻電路。由于最后計(jì)數(shù)器輸入的方波信號(hào)，因此還需要把面得到的信號(hào)進(jìn)行比較整形，從而得到方波。整形電路一般用74LS14和CC40106兩種芯片，經(jīng)過(guò)比較，個(gè)人認(rèn)為74LS14集成度高，更穩(wěn)定。所以整形電路決定選擇74LS14。</p><p>　　整形電路電路圖如下：</p><p><b>　　整形后的波形如下：<

24、;/b></p><p>　　可以看出該整形電路整形效果較好，基本可以勝任。</p><p>　　3.5 倍頻電路的選擇</p><p>　　在實(shí)際中測(cè)心率一般選擇一分鐘為時(shí)間長(zhǎng)度，而如果是體檢或是有很多人同時(shí)需要進(jìn)行心率的測(cè)量，則一分鐘的時(shí)間會(huì)略顯漫長(zhǎng)。所以我們希望能將測(cè)量時(shí)間縮短，以便于在盡量短的時(shí)間內(nèi)為更多的人測(cè)量其心率值。于是我們需要一個(gè)倍頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)

25、這一想法，而如果采用四倍頻或更高的話，會(huì)帶來(lái)至少每分鐘2次的心率誤差，如果患者的心率接近報(bào)警值，則有可能導(dǎo)致誤報(bào)警。綜合考慮我這里選擇的事2倍頻電路，即在誤差盡可能小的情況下，節(jié)約更多的時(shí)間。</p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p>　　從整形電路輸出的波形圖如下:</p><p>　　經(jīng)過(guò)倍頻電路的波形圖如下：<

26、;/p><p>　　通過(guò)兩個(gè)幅頻圖我們可以看出2倍頻電路工作穩(wěn)定，可以起到倍頻的作用。</p><p>　　3.6 定時(shí)器的選擇</p><p>　　一般對(duì)病人的心率的時(shí)間選擇為1分鐘，且病人的每分鐘心率也是醫(yī)生參考的標(biāo)準(zhǔn)，而之前我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)2倍頻的倍頻電路，所以這里我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)30秒得定時(shí)電路。在這里信號(hào)可采用多諧振蕩器產(chǎn)生，在簡(jiǎn)單時(shí)基電路中，可以用555定

27、時(shí)電路。</p><p><b>　　55定時(shí)器功能表：</b></p><p>　　圖十三 555定時(shí)器功能表</p><p><b>　　器件取值：</b></p><p>　　振蕩周期：T=T1+T2=（R1+R2）Cln2</p><p>　　振蕩頻率：f=1/T

28、=1/(R1+R2)Cln2</p><p>　　設(shè)脈沖幅度大于3V小于5V,占空比為q=2/3，振蕩周期為30秒</p><p>　　則 q=(r1+r2)/(r1+r2)=2/3</p><p><b>　　故得 R1=R2</b></p><p>　　由此得 T=（r1+r2）Cln2=30 取C=2u&

29、lt;/p><p>　　解得r1=r2=480k </p><p><b>　　定時(shí)器電路圖如下：</b></p><p>　　3.7 顯示與計(jì)數(shù)電路的選擇</p><p>　　在心率計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)數(shù)電路是其中很關(guān)鍵的一部分，通過(guò)它測(cè)量脈沖次數(shù)從而測(cè)出心率。所以其測(cè)量的精度直接影響到心率計(jì)的測(cè)量精度。在這里我選擇了451

30、1BD和4518BD兩種芯片。從計(jì)數(shù)器中輸出的信號(hào)為四位BCD碼，不能直接輸入到顯示器中顯示，要先經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼，輸出七段顯示代碼，才能供顯示。</p><p>　　4511BD的引腳圖如下：</p><p>　　計(jì)數(shù)與顯示的電路圖如下：</p><p>　　仿真后LED的顯示情況：</p><p>　　3.8 比較器及報(bào)警過(guò)程的設(shè)計(jì)<

31、/p><p>　　我們知道心率的標(biāo)準(zhǔn)范圍有三種：1，老人，100-150次/分；2，嬰兒，90-120次/分；3，成人，60-90次/分。在這里我們需要預(yù)設(shè)號(hào)不同的上下限的數(shù)值預(yù)測(cè)的的心率值比較，如果有計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值超出了對(duì)應(yīng)的范圍，則表明是使用者心率異常，需要發(fā)出報(bào)警，已引起使用人和醫(yī)生的重視。在這里我們選擇的是74LS85D芯片，作為比較與報(bào)警部分的主要芯片。</p><p><

32、b>　　其引腳圖如下：</b></p><p>　　報(bào)警與比較部分電路圖如下：</p><p>　　至此，心率計(jì)電路的器件選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)部分結(jié)束。期間每一部分的設(shè)計(jì)都通過(guò)我的反復(fù)研究與仿真都確定下來(lái)。</p><p><b>　　四 總體電路圖</b></p><p><b>　　五 器件清單

33、</b></p><p><b>　　六 心得體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)這次試驗(yàn)我才親身體會(huì)到自己學(xué)的知識(shí)與實(shí)際動(dòng)手之間還有一定的差距。第一次設(shè)計(jì)一個(gè)具體的東西就容易各種鬧笑話，手忙腳亂。在確定各模塊電路的過(guò)程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗(yàn)我用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識(shí)來(lái)判斷電路正確與否的機(jī)會(huì)。通過(guò)此

34、次課程設(shè)計(jì)的鍛煉，自己的動(dòng)手能力有了很大的提高，查找問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力也有了相應(yīng)的進(jìn)步。</p><p>　　當(dāng)然，這次試驗(yàn)也讓我看到了我的很多缺陷。有些電路看似已經(jīng)正確了，卻始終無(wú)法仿真出需要的波形。反復(fù)檢查后才發(fā)現(xiàn)就是一些小細(xì)節(jié)的問(wèn)題，比如少接個(gè)反饋，電阻電容值不對(duì)之類(lèi)的。還有就是在確定方案之前，沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)板上認(rèn)真搭建電路，事前摸清放大模塊的工作情況。由于這兩次較大的失誤使整個(gè)設(shè)計(jì)與制作過(guò)程耗時(shí)耗力耗材超過(guò)

35、預(yù)算。</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)有苦也有甜。 設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半，因此我應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備。同時(shí)熟練地掌握課本上的知識(shí)，這對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決也是相當(dāng)重要的。 這次設(shè)計(jì)留給我印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有耐心，更要有堅(jiān)持的毅力。</p><p><b>　　七 參考文獻(xiàn)</b&g

36、t;</p><p>　　[1]童詩(shī)白、徐振英編.現(xiàn)代電子學(xué)及應(yīng)用.高等教育出版社，1994年</p><p>　　[2]陳明義、宋孝瑞等編.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程.中南大學(xué)出版社，2002年</p><p>　　[3]陳曉文主編.電子線路課程設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社，2004年</p><p>　　[4]楊素行主編，清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.模

37、擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程.高等教育出版社，2002年</p><p>　　[5]閻石主編，清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，1985年</p><p>　　[6]天津大學(xué) 張國(guó)雄、金篆芷主編.測(cè)控電路.機(jī)械工業(yè)出版社，2001年</p><p>　　[7]潘銀松主編.電子電路CAD.重慶大學(xué)出版社，2007年</p><p&