學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考武漢紡織大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 課題名稱(chēng)： 心跳速率檢測(cè)器 完成期限： 2016年06月20日 至 2015年6月23日 院系名稱(chēng) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 指導(dǎo)老師 周?chē)?guó)鵬 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師職稱(chēng) 學(xué)生姓名 你好毒 院系課程設(shè)計(jì)（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)簽字 學(xué)習(xí)資料目 錄摘要2一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 3二、總體設(shè)計(jì) 5 2.1心跳檢測(cè)系統(tǒng)原理5 2.2總體電路框圖設(shè)計(jì)5三、心率檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)6 3.1傳感器6 3.2放大電路設(shè)計(jì)6 3.3濾波電路設(shè)計(jì)7 3.4整形電路設(shè)計(jì)9 3.5外部定時(shí)電路設(shè)計(jì) 10 3.6計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì) 12 3.7鎖存器和顯示電路設(shè)計(jì) 13四、總電路及原理分析14 4.1 心跳心率計(jì)原理說(shuō)明 14 4.2電路仿真 14五、設(shè)計(jì)心得體會(huì)15 附表：電路總圖16摘要在黨的英明領(lǐng)導(dǎo)下，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的生活水平也提高了，膳食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，加上人們對(duì)運(yùn)動(dòng)的不重視，人類(lèi)因各類(lèi)突發(fā)性疾病的死亡率逐年提高，心血管疾病已成為威脅人類(lèi)健康的多發(fā)病，而且發(fā)病率逐年提高，發(fā)病年齡也出現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)有近60%的心臟類(lèi)疾病的死亡是發(fā)生在家庭和社區(qū)范圍內(nèi)的。如果在心血管疾病病發(fā)的早起就能發(fā)現(xiàn)心率的異常，及時(shí)通知家屬，就能及早就醫(yī)。醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，心臟類(lèi)疾病如果可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做恰當(dāng)處理，則患者有70%-80%的生存率。因此，研究設(shè)計(jì)出一種具有性能穩(wěn)定、成本低、體積小、重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，且方便攜帶的心率測(cè)量?jī)x，將具有很好的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)工作原理是利用壓電傳感器接收到人體信號(hào)，通過(guò)電路中的放大電路將信號(hào)放大，通過(guò)濾波電路將干擾信號(hào)濾去，整形處理，使用外部定時(shí)器進(jìn)行一分鐘定時(shí)，計(jì)數(shù)器處理完成后由三位數(shù)碼管顯示出來(lái)。該心跳監(jiān)控系統(tǒng)可以便捷的測(cè)量出人體的心跳，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，且方便攜帶。關(guān)鍵詞：脈搏，心跳速率，電路，設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、課題訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)心跳速率檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：1、能完成對(duì)人體心跳速率的檢測(cè)，測(cè)試位置可以為任何理論上可進(jìn)行測(cè)試的位置，但必須說(shuō)明選擇理由以及所選位置和方法測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的誤差范圍，并給出補(bǔ)償方法；2、能用3位7段數(shù)碼管完成心跳速率的顯示，按分鐘給出；3、需要指出設(shè)計(jì)依據(jù)，即心跳檢測(cè)傳感器信號(hào)輸出類(lèi)型與信號(hào)頻率與幅度，并按上述數(shù)據(jù)建立一個(gè)仿真模型（至少是部分模型，如信號(hào)放大部分等），在protel99se或類(lèi)似仿真軟件中進(jìn)行仿真。要求在設(shè)計(jì)中不得使用單片機(jī)等類(lèi)似器件，否則判為零分，使用分立的模擬和數(shù)字器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)并給出設(shè)計(jì)說(shuō)明。分鐘時(shí)間的提供如果感覺(jué)困難可以用外部定時(shí)器，如現(xiàn)成的定時(shí)器或單片機(jī)時(shí)間定時(shí)等，但現(xiàn)成器件僅能用于完成分鐘時(shí)間確定，不得提供其他信號(hào)或輸出。對(duì)每部分單元電路都必須說(shuō)明功能與信號(hào)流向與信號(hào)接口，并注明接口信號(hào)仿真波形。主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本電子電路知識(shí)的能力，要求學(xué)生能獨(dú)立或按組完成一個(gè)選定的設(shè)計(jì)題目，能在老師的指導(dǎo)下完成如下工作：1、設(shè)計(jì)方案選擇與確認(rèn)；2、設(shè)計(jì)框圖的構(gòu)思與繪制；3、原理電路圖的繪制；4、對(duì)原理電路的仿真與修改；5、元器件選擇；6、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)。二、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求（包括說(shuō)明書(shū)、程序、圖紙、等具體要求）1. 設(shè)計(jì)方案選擇與確認(rèn)；設(shè)計(jì)框圖的構(gòu)思與繪制；原理電路圖的繪制；對(duì)原理電路的仿真與修改；元器件選擇；實(shí)際電路的制作與調(diào)試；2. 不能使用單片機(jī)或類(lèi)似處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，必須使用基本邏輯門(mén)電路構(gòu)建數(shù)字電路部分，時(shí)鐘可以使用集成器件提供；3. 說(shuō)明書(shū)正文（不含目錄）不少于10頁(yè)，小4號(hào)宋體，1.5倍行距，頁(yè)面設(shè)計(jì)參考本頁(yè)，標(biāo)題用4號(hào)黑體；4. 提供完整的電路原理圖與仿真結(jié)果圖； 5. 按要求時(shí)間提交課程設(shè)計(jì)。三、課程設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料1. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 康華光版 第五版2. 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 康華光版 第五版3. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) 編著韓建, 全星慧, 周?chē)?. 電工電子技術(shù):電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真 范小蘭主編5. 單片機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì):原理、應(yīng)用、Protues仿真、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)/張齊, 朱寧西, 畢盛編著6. 電子線(xiàn)路CAD實(shí)用教程 潘永雄等編著 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2006總體設(shè)計(jì)2.1 心跳檢測(cè)系統(tǒng)原理 心跳心率是一種重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻率。心跳心率的數(shù)值根據(jù)個(gè)人的年齡、性別及其他生理情況而不同。各種心跳分析，都是要通過(guò)對(duì)心跳心率的計(jì)數(shù)來(lái)完成的。 采用壓電傳感器的心跳心率檢測(cè)系統(tǒng)的基本檢測(cè)原理為:隨著心臟的搏動(dòng)，人體手腕的脈搏及頸部的搏動(dòng)較為明顯，我們采用壓電傳感器放在上述位置，把壓電傳感器測(cè)到的信號(hào)放大并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。2.2 總體電路框圖設(shè)計(jì) 鎖存器 顯示器 傳感器 計(jì)數(shù)器調(diào)理信號(hào)（放大、濾波、整形） 定時(shí)器 1.傳感器：將脈搏轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào).2.調(diào)理信號(hào)：放大電路將傳感器輸出信號(hào)放大；低通濾波器將干擾信號(hào)濾除；整形電路將正弦波整成脈沖信號(hào)。3.定時(shí)電路：要測(cè)定一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，必須要有準(zhǔn)確的定時(shí)電路。為了便于實(shí)現(xiàn)，減少電路單元，本次設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)定時(shí)間隔60s。4.計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器是記錄心跳次數(shù)所必需的。要求此計(jì)數(shù)單元具有清零重新計(jì)數(shù)的功能。5.鎖存器：對(duì)心跳心率產(chǎn)生的電平的存儲(chǔ)。6.顯示器：正確顯示心率。為了便于讀數(shù)，應(yīng)選擇十進(jìn)制顯示器。心率檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)3.1傳感器 采用動(dòng)態(tài)微壓傳感器，如下圖所示，是一種高性能、低成本的壓電式小型壓力傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過(guò)薄膜變成電荷量，在經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過(guò)載及抗沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。SC0073 壓電薄膜脈搏傳感器，具有靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，抗過(guò)載及沖擊力強(qiáng)，搞干擾性好，操作方便等特點(diǎn)。 是一種高質(zhì)量的心音脈搏傳感器。該傳感器具有良好的低頻應(yīng)響，可以方便地測(cè)試勁動(dòng)脈搏，可以與國(guó)內(nèi)外有關(guān)的生理記錄相配。 3.2放大電路設(shè)計(jì) 3.2-1放大電路 上兩圖為OP27AP，其中1-調(diào)零2-負(fù)輸入3-正輸入 4-電源負(fù)5-NC 6-輸出 7-電源正8-調(diào)零 此放大電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，heartbeat為正弦輸入，o3為輸出為了使集成運(yùn)放反向輸入端與通向輸入端的對(duì)地電阻一致，R11、R12、R13的阻值應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系：R11=R12/R13輸入輸出關(guān)系為Av=Vo/Vi=1+R13/R12由于輸入最大0.2V左右，為了便于信號(hào)的輸出和處理初步設(shè)定電路總放大倍數(shù)為25倍，故設(shè)R11=0.96k，R12=1K，R13=24K。理論上，當(dāng)輸入0.1v電壓時(shí)，輸出為2.5V。 3.2-2放大電路波形 由上圖可知，放大電路達(dá)到預(yù)定要求。3.3濾波電路設(shè)計(jì) 3.3-1濾波電路 上兩個(gè)圖是UA742的引腳圖影響電路信號(hào)的是高頻的信號(hào)，按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)即4HZ算來(lái)設(shè)計(jì)低通濾波器，而且頻率很低（如脈搏50次/分鐘為0.78Hz，200次/分鐘為3.33Hz），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號(hào)要經(jīng)過(guò)R、C低通濾波，去除高頻干擾。采用簡(jiǎn)單的二階電路當(dāng)R4=R14=R=1M，C3=50nF,C4=10nF時(shí)，f0=W0/2,W02=(f02)2=1/R14*R15*C1*C2f0= 7.12HZ.此為上限截至頻率。 3.3-2濾波后的波形 低通濾波器容許低頻信號(hào)通過(guò), 但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號(hào)的通過(guò)，然而會(huì)出現(xiàn)輸出延遲。對(duì)于不同濾波器而言,每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。一個(gè)理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號(hào)并且低于截止頻率的信號(hào)可以不受影響地通過(guò)。實(shí)際上的轉(zhuǎn)換區(qū)域也不再存在。一個(gè)理想的低通濾波器可以用數(shù)學(xué)的方法（理論上）在頻域中用信號(hào)乘以矩形函數(shù)得到，作為具有同樣效果的方法，也可以在時(shí)域與sinc函數(shù)作卷積得到。濾波器對(duì)于實(shí)際真正的信號(hào)來(lái)說(shuō)是不可實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)閟inc函數(shù)是一個(gè)延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)處的函數(shù)，所以這樣的濾波器為了執(zhí)行卷積就需要預(yù)測(cè)未來(lái)并且需要有過(guò)去所有的數(shù)據(jù)。照理說(shuō)能在頻率分析中看到截止頻率，然而并沒(méi)有，因?yàn)檫@個(gè)軟件要純英文才能使用這個(gè)部分，我已經(jīng)在下載路徑上使用了中文，故一直不能顯示實(shí)際截止頻率。3.4整形電路設(shè)計(jì) 圖3.4-1整形電路心率計(jì)設(shè)計(jì)中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過(guò)放大、濾波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)，當(dāng)然這是在不改變信號(hào)頻率的前提下完成的。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)的方案，可以有以下兩種可供選擇：一是利用電壓比較器，二是利用555時(shí)基電路組成的滯回比較器作為整形電路。這里我選用的是過(guò)零比較器。零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖3.4-2所示。集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓ui0V時(shí)，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖3.4-3。 圖3.4-2 過(guò)零比較器 圖3.4-3過(guò)零比較器的傳輸特性過(guò)零比較器電路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)波形的整形作用。O1為整形電路的輸入，R5（2）為電路輸出，R10(1)理想輸入是0V，但是輸出波形部分整形，不是理想輸出，故實(shí)際輸入為2V，圖3.4-4為整形后的波形圖雖然不是矩形脈沖，但是已經(jīng)達(dá)到理想值。經(jīng)過(guò)整形電路后，V（out）的低電壓值不等于0V，分析原因是由于穩(wěn)壓管DWY的閾值電壓不為零。當(dāng)輸出端為負(fù)值時(shí)，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，Vout=0-Vth=-0.4V。所以它兩端的電壓值并不嚴(yán)格等于D1的穩(wěn)壓電壓，而是有一定的偏移。 圖3.4-4 整形波形3.5外部定時(shí)電路設(shè)計(jì) 圖3.5-1多諧振蕩器 圖3.5-2 計(jì)數(shù)器 輸 入輸 出功 能清 0置 9時(shí) 鐘QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 輸 出二進(jìn)制計(jì)數(shù)1 QDQCQB輸出五進(jìn)制計(jì)數(shù) QAQDQCQBQA輸出8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)QD QAQDQCQB輸出5421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)1 1不 變保 持 上圖為74LS90引腳排列 采用555定時(shí)器接成多諧振蕩器，產(chǎn)生時(shí)序脈沖，用計(jì)數(shù)器對(duì)此計(jì)數(shù)。當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值是輸出一脈沖，作為定時(shí)電路輸出。具有較高的定時(shí)精度。且有利于計(jì)數(shù)器清零和計(jì)數(shù)值鎖存。 通過(guò)多諧振蕩器產(chǎn)生周期為0.1s的脈沖，然后計(jì)數(shù)600次，則總定時(shí)時(shí)間T=0.1*600s=60s。 多諧振蕩器的振蕩周期為T(mén)=T1+T2=(R1+2R2)Cln2,為了計(jì)算簡(jiǎn)單，取C=2.2uf，R1=R2=21958（用可變電阻實(shí)現(xiàn)），則T=0.1s，然后用74LS90計(jì)數(shù)600次。所產(chǎn)生的CLK脈沖接鎖存器的CLK，控制鎖存器。產(chǎn)生的技術(shù)脈沖如下：在時(shí)間為60s處，產(chǎn)生有個(gè)脈沖，即我們需要的計(jì)時(shí)脈沖。3.6計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)單元選用的是74160，7448為七段LED驅(qū)動(dòng)。 左是74160引腳圖， 右是7448引腳圖74160是一個(gè)4位二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，它具有異步清除端與同步清除端不同的是，它不受時(shí)鐘脈沖控制，只要來(lái)有效電平，就立即清零，無(wú)需再等下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的有效沿到來(lái)。當(dāng)（LD的非）為有效電平時(shí)，計(jì)數(shù)功能被禁止，在CP脈沖上升沿作用下D0D3的數(shù)據(jù)被置入計(jì)數(shù)器并呈現(xiàn)在Q0Q3端。若接成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，控制置數(shù)端的信號(hào)是N（7）狀態(tài)，如在D0D3置入0000，則在Q0Q3端呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)就是0110。7448輸入端（LT）和動(dòng)態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無(wú)效電平時(shí)，輸入DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平。3.7鎖存器和顯示電路設(shè)計(jì) 圖3.7-1 圖3.7-2 74LS273引腳及功能圖74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時(shí)，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。 CPU 的ALE信號(hào)必須經(jīng)過(guò)反相器反相之后才能與74LS273的控制端CLK 端相連。CP（CLK）：觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng)CP從低到高電平時(shí)，D0-D7的數(shù)據(jù)通過(guò)芯片，為0時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存，D0-D7的數(shù)據(jù)不變。一分鐘以后得到需要的心跳心率以后，人為的清零。 總電路及原理分析4.1心跳心率計(jì)原理說(shuō)明 將壓電傳感器與人體接觸，當(dāng)電路通電以后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，傳感器傳感器輸出的0.2V的心率信號(hào)開(kāi)始進(jìn)入放大電路。在仿真電路中我們用幅值為0.1V，偏置電壓為0.1V的正弦信號(hào)代替心率信號(hào)。心率信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后，被放大25倍，變?yōu)?V。但是其中摻雜有干擾信號(hào)。接下來(lái)心率信號(hào)進(jìn)入濾波電路，濾除其中的高頻干擾信號(hào)，獲得單一的心率信號(hào)。然后進(jìn)入整形電路。心率信號(hào)與+2V的參考電壓比較后，產(chǎn)生比較標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。整形電路中還有一個(gè)作用，就是把頻率低、幅度小的干擾信號(hào)忽略掉了。 方波信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)將計(jì)數(shù)值傳送到鎖存U8、U9和U10的CLK。當(dāng)鎖存器將計(jì)數(shù)值鎖存后，U8、U9和U10輸出端一直保持計(jì)數(shù)值。讀出心跳此次數(shù)以后人為清零。定時(shí)器定時(shí)60s后，產(chǎn)生一個(gè)正的很窄的脈沖，作用于鎖存器U8、U9、U10，使得鎖存器輸入端的計(jì)數(shù)值進(jìn)入鎖存器鎖存。4.2電路仿真 選取三種不同頻率的正弦信號(hào)接入電路。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為0.5Hz時(shí)，60s后顯示器顯示“030”。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為1Hz時(shí)，60s后顯示器顯示“61”。（在多諧振蕩器計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)是，理性值為0.1s，計(jì)算電阻是R7=R8=21958，但這也是估計(jì)值，并非準(zhǔn)確值） 當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為2Hz時(shí)，60s后顯示器顯示“121”（理論值為120） 設(shè)計(jì)心得體會(huì)在這次設(shè)計(jì)作業(yè)中，我快速學(xué)會(huì)了使用protues這個(gè)仿真軟件，比我在學(xué)其他軟件的時(shí)間還要短，而且讓我對(duì)數(shù)電和模電又復(fù)習(xí)了一遍，盡管很多知識(shí)還是半知未解，要詢(xún)問(wèn)度娘，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮各方面的因素，盡量做到線(xiàn)路簡(jiǎn)單，充分利用集成芯片，彌補(bǔ)分離元