1、. . . . 畢業設計(論文)基于壓電傳感器的心率計的計算機設計與仿真學 院：專 業：姓 名：學 號：指導教師： 2010 年 6 月45 / 51摘 要脈搏波所呈現出來的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統中許多生理疾病的血流特征。根據人體脈搏信號特征，本文設計了一種脈搏波動頻率測量系統。本次設計的壓電傳感器基礎上的心率計，原理結構主要由六部分組成，其中包括：測量電路、放大電路、濾波整形電路、計數顯示電路、控制電路、電源供電電路。其中傳感器的選取是設計中的首要任務，其次就是信號的放大與計數電路的設計，關鍵點是計數電路中計數方式的選擇。顯示電路可以借助傳統的設計模塊

2、作為參考。利用壓電傳感器，將人體的脈搏通過壓電瓷片轉換為可處理的電信號，經過集成運算放大器、濾波電路、整形電路等模塊，在555時基電路、數碼顯示、控制、計數等電路元件的配合下，利用Multisim2001仿真軟件，可以實現此心率計的仿真設計。各個電路模塊，根據其功能特點均有多種方案選擇，我們在設計過程中，利用所掌握的理論知識，對各種方案做出比較，并要求選擇出最佳方案，完成整體設計，并且實現利用Multisim2001軟件對每一模塊的仿真。本次設計任務詳細分析了壓電傳感器應用于心率測量上的原理與優點，闡述了其他各配合電路的組成與工作特點，得出了在不同測量數據和技術參數條件下的仿真結果，使得本次課

3、題的預期結果得以實現。關鍵詞：壓電傳感器，控制電路，計數器， Multisim2001仿真軟件AbstractThe shape, intensity, speed, and rhythm of pulse signals mostly reflect the physical and pathological characters of heart-blood system in human bodies. According to the characteristics of the human pulse signals, a pulse fluctuation frequency me

4、asurement system is designed. The design of piezoelectric sensors on the basis of heart rate, the main principle behind the structure from the six components, including: measuring circuit, amplifier, filter plastic circuit, counts show circuit, control circuits, power supply circuits. The selection

5、of these sensors is the primary task in the design, followed by the signal is enlarged and the number of circuit design, the key point is counting circuit in the counting method choice. Show circuit can use the traditional design module as a reference. Use of piezoelectric sensors, will feel the pul

6、se of the human body through the piezoelectric ceramics can handle the conversion to electrical signals, through integrated operational amplifiers, filter circuits, such as plastic circuit module, in 555 at-circuit, digital display, control, counting and other circuit elements , Coupled with the use

7、 Multisim2001 simulation software, can achieve this rate of simulation design. Each circuit module, according to their functional characteristics have the choice of a variety of programmes, we in the design process, mastered by the use of the theory of knowledge, to compare the various options and a

8、sked to choose the best option, to complete the overall design, and Implementation of Multisim2001 software for each module of the simulation. The task of designing a detailed analysis of piezoelectric sensors for measuring heart rate and on the principle of merit, on the other circuit with the comp

9、osition and characteristics of the work, come in different measurement data and technical parameters under the conditions of the simulation results, making The topics to achieve the expected results.Keywords: Piezoelectric sensors, control circuit, counters, Multisim2001 simulation software control

10、circuit.目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 引 言11.1 心率研究的意義11.2 國外研究現狀21.3 課題要求21.4 設計容21.5 主要技術指標與參數21.6 傳感技術的研發概況3第二章 設計方案論證52.1 傳感器的分類與工作原理52.1.1 傳感器的分類52.1.2 傳感器的工作原理62.2 傳感器的選用分析72.3 設計方案8第三章 硬件電路設計103.1 心率計工作原理框圖103.2 電源供電電路113.2.1 采用交流220V電源供電方式113.2.2 采用直流電源供電方式113.3 測量電路113.4 傳感器的性能133.4.1 傳感器的型號選擇1

11、33.4.2 傳感器的供電電路133.5 放大電路143.6 濾波整形電路163.6.1 濾波電路163.6.2 整形電路173.7 倍頻電路203.7.1 利用CD4046鎖相環與計數器構成的倍頻電路203.7.2 利用簡單門電路等組成的二倍頻電路級聯213.8 控制電路223.8.1 閘門信號的產生223.8.2 啟動清零的控制263.9 計數譯碼顯示電路26第四章 仿真結果與分析304.1 Multisim2001的功能與特點304.2 測量電路314.3 放大電路324.4 濾波電路334.5 整形電路344.6 倍頻電路354.7 閘門控制電路364.7.1 閘門電路364.7.2

12、控制電路374.8 計數顯示電路374.9 整機電路39結 論40參考文獻41致 42附錄43第一章 引 言1.1 心率研究的意義中醫對脈診是十分重視的，認為通過脈診可以了解患者臟腑氣血的盛衰，可以探測病因、病位、預測療效等。從近代醫學的角度來看，人體循環系統承擔著協調全身各組織的能量代，輸送氧氣、營養物質，運走代廢物等重要的工作，還承擔運送抗體、激素等物質以協調整體的動態平衡。從整體的角度對疾病進行綜合分析，顯然循環系統的信息將占很重要的比重；從整個循環系統來看橈動脈介于大動脈與小動脈之間，由于心臟的舒縮、臟血容量的變化、血管端點阻抗、管道脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因素使脈象

13、攜帶著有關心臟運動、臟循環、外周循環等豐富的心血管系統與整體的動態信息。因此脈診的臨床意義很大，它的機理是急待于我們進行研究的。作為現代電子儀器與醫學相結合的一個重要應用課題，具有深遠意義。現代醫學的不斷發展和進步，使人們對各種測量儀器的要求越來越高，而心率的測量是一種評價人生理狀況的好方法。心率是一種重要的生理參數，它反應了人體心臟工作的頻率。本設計是一款性價比比較高的電子心率計，它解決了傳統測量方法的不準確性和隨機性，能夠準確的測量出人體的心率，并以數字的方式將測量結果顯示。它利用壓電瓷片將人體脈搏轉換為可處理的電信號，再經過信號的放大、整形濾波，而實現人體心率的測量和顯示，具有抗干擾能力

14、強、穩定性能好、電路成本低、應用圍廣等優點。本設計旨在綜合壓電傳感器以與相關專業知識，設計一個數字脈搏計，對人體脈搏進行測量經數碼管顯示，最終利用軟件Multisim2001仿真出實驗結果。本課題綜合性較強，可以鞏固所學專業基礎理論和基本操作技能，培養綜合運用所學知識與技術獨立分析問題解決問題的能力；通過在設計中選擇合適的傳感器，進而掌握其原理、應用圍、功能等；還可以深入了解心率計的工作原理、元器件選擇以與電子儀器的常用設計方法等，進而掌握使用計算機進行電子線路設計與仿真的基本思想和方法。通過這次畢業設計，重溫了專業理論知識，鍛煉了動手操作技能，實現了理論和實踐的有機結合，為將來從事相關行業積

15、累了初步的設計經驗。1.2 國外研究現狀在醫療診斷中，快速脈搏測定已從傳統的測量方法向多參數生命體征監護儀和自動脈搏測量儀發展。由于其操作簡單、快捷、準確、可定時、可記憶存儲數據等功能特點，不僅減輕了醫務人員的工作強度,也使醫療手段得以現代化、高科技化。新技術和新工藝使傳感器和實驗室儀表兩者成為同一個芯片，這是全新的提高。這種多元化的測量系統正朝著體積小，功耗低、使用靈活、便于攜帶，適合于社區和住院病房使用,有較強的分析能力，可擴展等方向發展。如與PC 機進行通信，將采集到的脈搏信號通過無線網絡傳輸到PC 端，從而實現遠程醫療等。現今多數醫生用聽診器測量脈搏，醫用脈搏計可以精確測出心率，并且可

16、以測出心肌收縮力度，從而判斷病人的健康狀況；而家用脈搏計只需測出脈搏的頻率，功能簡單，數字脈搏計正好適應了這一要求，使用簡單，便于攜帶,。1.3 課題要求1、選用合適的傳感器。2、設計與傳感器配合的信號處理電路。3、設計相關電子線路并畫圖。4、熟練掌握Multisim2001和Protel99SE的使用方法。5、完成對設計的電子線路和系統的仿真實驗。6、測試相關點的波形，記錄、分析整理測試數據。1.4 設計容1、方案比較與論證，查閱相關資料，選擇最佳設計方案，列出設計思想。2、了解心率計的測量原理，結構特點以與控制要求。3、了解心率計的工作原理、結構框圖等，完成單元電路設計。4、實現電路的測量

17、與仿真。5、繪制電路原理圖，列元件明細表，整理與分析有關數據。6、總結。1.5 主要技術指標與參數1、計數圍：1999。2、數字顯示位數：三位靜態十進制計數顯示被測信號數值。3、具有計數與鎖存功能。4、性能良好，工作可靠。1.6傳感技術的研發概況隨著社會的進步，科學技術的發展，特別是近20年來，電子技術日新月異，計算機的普與和應用把人類帶到了信息時代，各種電器設備充滿了人們生產和生活的各個領域，相當大一部分的電器設備都應用到了傳感器件，傳感器技術是現代信息技術中主要技術之一，在國民經濟建設中占據有極其重要的地位。自20世紀50年代以來，科學家對于脈學的理論、脈診方法、臨床診斷和實驗研究等方面均

18、開展了大量工作，取得了較大進展。脈象的客觀化研究集中在脈象儀的研制方面。脈象傳感器是脈象儀的關鍵部分。英國人Marey最早設計了以彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動脈脈搏波。1860年首次出現杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1895年開始采用換能的方式，出現了杠桿式光學脈搏描述器。20世紀50年代我國學者朱顏首次將杠桿脈搏描述器引用到中醫脈診的研究中來。自20世紀70年代至今，研究人員已研制出種類繁多的換能器以模擬中醫切脈的手指采集脈搏信號并記錄。目前應用的脈象傳感器種類繁多，根據其工作原理可分為4種：通過感受脈動處壓力的變化而描述脈搏圖的壓力傳感器；通過感受脈管容積的變化來描述脈象的光電傳

19、感器；利用聲學原理，拾取由脈搏引起的振動即所謂聽信號的傳聲器；還有超聲多普勒檢測技術。但是目前國醫療機構對于脈搏和血壓的測量在相當程度上還依賴于聽診器，醫療事業的發展使其測量將由數字化儀器所代替。傳感器是脈搏檢測儀器中的重要部件。國外科研人士在提取脈搏圖象方面已開展了大量工作，先后研制了不同種類的傳感器與測量設備以獲得脈搏波形。如：液態傳感器，將單位長度管段動脈血液體積隨時間變化量轉換成導電液柱體電阻的改變參量來測量脈搏波形。它的靈敏度雖高，卻因液態傳感器本身結構特點的限制使測量過程并不方便。由新型高分子材料PVDF、擴散硅等壓電材料（具有壓電效應）制成的壓電傳感器在醫用領域得到了廣泛應用。采

20、用紅外線來檢測采集人體的脈搏，檢測的部位為任意一手指或者耳垂的液晶顯示型心率計也較為應用。隨著電子計算機技術的發展，智能傳感器也應用到各個領域。在醫用領域將傳感器與信號采集、放大裝置、計算機等相結合構成新型智能測量系統，不僅可以對脈搏的頻率、血壓等實現單方面測量，也可實現對人體進行多點測量，完整檢測脈搏的波動狀態，更加科學的反映脈象變化，為醫生提供了詳細的診斷參考依據。第二章 設計方案論證心率是一種重要的生理參數，它反應了人體心臟工作的頻率。心率計的根本任務是實現對人體心率的測量，其中包括：心跳是否正常、是否過快或過慢、是否有心率不齊等現象。心率的數值根據個人的年齡、性別與其他生理情況而不同。

21、各種心跳分析，都是要通過對心率的計數來完成的。為實現測量目的，首先要將壓力信號轉變為電信號，再進行信號的放大、濾波和整形，變成適合信號進一步處理的數字信號。這一過程在任何方案中都是必須的，因此放大、整形無需論證，只需選擇各電路的最佳方案。實現數字脈沖計數的方法很多，在本設計中，我們必須選擇一種最合適的方法應用到心率計中，以滿足設計需要。實現對數字脈沖計數比較常用的方式有兩種：一種是應用計數芯片實現計數；另一種是利用單片機控制實現計數。應用計數芯片，通過一些基本的數字電路知識，來配合計數芯片實現計數，然后驅動數碼管顯示。這種方式線路比較復雜，但是技術成熟，而且很容易進行仿真，比較適合學習用。利用

22、單片機控制實現計數，具有電路設計簡單、抗干擾能力強、穩定性能好、電路成本低、應用圍廣等優點，其功能可以通過軟件實現，并且實現的方式比較靈活，適合實際應用，是一種很理想的設計方案，但是不宜通過軟件進行仿真。根據本次畢業設計使用Multisim 2001軟件仿真的要求，我們選擇第一種方式即應用計數芯片實現計數功能。2.1 傳感器的分類與工作原理傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。2.1.1 傳感器的分類目前對傳感器尚無一個統一的分類方法，但比較常用的有如下三種：

23、1、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器2、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。 3、按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（“1”和0”或“開”和“關”）的開關型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器。2.1.2 傳感器的工作原理1、電阻式傳感器：其基本原理是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經過相應的測量電路而最后顯示被測量值的變化，電阻式傳感器與相應的測量電路組成測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭距、測溫度等測試系統。2、電位器式傳感器：電位器是人們常用到的一種

24、電子元件，它作為傳感器，可以將機械位移或其他能轉換為位移的非電量轉換為有一定函數關系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。所以它是一個機電傳感元件。3、電感式傳感器：是利用線圈自感或互感的變化來實現測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉換成線圈自感或互感的變化時，一般利用磁場作為媒介或利用磁鐵的某種現象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。電感式傳感器具有以下優點：結構簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強，對工作環境要求不高，分辨率高，示值誤差一般為示值圍的0.10.5，穩定性好。它的缺點是頻率響

25、應低，不宜用于快速動態測量。4、電容式傳感器：電容式傳感器是利用電容器的原理，將非電量轉化為電容量，進而實現非電量到電量的轉化的器件。電容式傳感器已經在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉速、流量與成分分析的測量等方面得到了廣泛的應用。電容式傳感器的精度和穩定性也日益提高，高達0.01精度的電容式傳感器在國外已有商品供應。優點是溫度穩定性好，結構簡單、適應性強，動態響應好，可以實現非接觸測量，具有平均效應。缺點是輸出阻抗高，負載能力差，寄生電容影響大，輸出特性非線性。5、磁電式傳感器：是通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉速等)轉換成電信號的一種傳感器。6、壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電

26、效應，將機械能轉化為電能，屬于典型的有源傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。常見的壓電材料有石英晶體、人工合成的多晶體瓷(如欽酸鋇、錯欽酸鉛等)以與有機高分子聚合物PVDF。工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見壓電式壓力傳感器、加速度計)。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。由于壓電傳感器的動態響應好，在動態測量中使用廣泛。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或

27、電荷放大器來克服這一缺陷。7、光電式傳感器：是將光通量轉換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎是光電轉換元件的光電效應。由光的粒子學說可知，光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可以看成是一連串的具有能量E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應即是由于物體吸收了能量為E的光后產生的電效應。2.2 傳感器的選用分析傳感器種類繁多，不同工作原理的傳感器應用于不同的產品研究與開發。因此，傳感器的選擇是完成本設計的重要部分。1、 電阻式傳感器：無法進行頻率測量，因此不適用于本課題的設計。2、 電容式傳感器：由于不能進行微信號測量，因此不適用于本

28、課題的設計。3、電位器傳感器：是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何量的一種傳感器，因此不適用于本課題的設計。4、電感式傳感器：其分辨力和示值誤差與示值圍有關。示值圍大時，分辨力和示值精度將相應降低。因此不適用于本課題的設計。5、磁電式傳感器：載流半導體在磁場中由電磁效應而輸出電動勢，因此不適用于本課題的設計。6、磁阻式傳感器：與電磁感應相關，因此不適用于本課題的設計。7、光電式傳感器：由于光電測量方法靈活多樣，可測參數較多，一般情況下具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應快等特點，所以光電式傳感器適用測量心率。8、壓電式傳感器：它可以把加速度、壓力、溫度、濕度等許多非電量

29、轉換為電量。具有靈敏度高、結構簡單、動態響應好等優點,所以壓電式傳感器適用測量心率。由此可見，光電式傳感器、壓電式傳感器是可以滿足心率測量要求的。根據本次課題設計要求，我們選用壓電式傳感器。本次設計采用半導體壓力傳感器2S5M，其敏感元件為半導體應變片。壓力傳感器2S5M用恒流源供電比用電壓源供電的測量精度高，故測量電路采用恒流源的供電形式。這里的電流源不是采用電流源元件，而是用放大器電路取得。具體的電路與其原理說明見第三章。2.3 設計方案通過放大電路、濾波電路與整形電路出來的信號為脈沖信號。脈沖信號的頻率是指在單位時間由信號所產生的交變次數或脈沖個數，即。可以看出測量fx必須將N或t兩個量

30、之一作為閘門或基準，對另一個量進行測量。對于不同的頻率圍，有三種不同的測量方法。1、周期測量法：采用單片機的一個定時/計數器，以單片機的標準機器周期作為標準時基信號Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關對時基進行計數得nx，因此被測信號周期為，每分鐘脈搏跳動次數為。2、頻率測量法：也叫倍頻法，根據頻率計的原理，將被測信號倍頻后，測量其在閘門時間的脈沖個數，即為心率值。例如設心率為每分鐘n次，則頻率測量電路不直接測量心率脈沖數，而用一個計數器的8倍頻后的信號進行計數，并規定計數時間為7.5秒，則7.5秒的計數值為（8n/60）7.5=n。可見，該計數值恰好等于所需測定的心率。此次設計采

31、用頻率測量法，這種方法采用的電路結構簡單，易于實現，可以在幾秒測得相對可靠的心率值。第三章 硬件電路設計3.1 心率計工作原理框圖本次數字心率計的設計可分為以下幾個模塊：測量電路、放大整形電路、計數顯示電路、控制電路、電源供電電路等。其原理方框圖如圖3-1所示：傳感器放大濾波整形倍頻電路計數譯碼顯示閘門、控制電路圖3-1 心率計原理框圖1、傳感器部分。選用合適的傳感器，將物理信號轉換成電信號輸出。傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力與安裝方式決定了心率的測量精度，因此其選型對整個設計具有決定性的作用。2、信號放大電路部分。從傳感器出來的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要進行放大。所以，設計信號放大電

32、路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當的信號，便于后續電路的處理。3、濾波與整形電路。心率信號是低頻信號，低頻濾波電路可以將放大后信號中的中高頻信號濾除，然后通過整形將模擬的不規則的信號轉變成便于信號處理的數字脈沖信號。4、倍頻電路。提高整形后脈沖信號的頻率，以此在短時間測得心率的數值。5、閘門電路。產生短時間的控制信號，控制測量時間。6、控制電路。用以保證在基準時間控制下，使倍頻后的脈沖信號送到計數器進行計數。7、顯示電路部分。 由計數譯碼后的心率值最后送往LED顯示電路直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設備與顯示電路，來實現心率值的顯示。考慮到每個模塊都可以有多種實

33、現方案，下面通過比較各種方案，來選擇最優化的實現方案。3.2 電源供電電路心率計的正常測量、信號輸出離不開電源。根據心率計的工作原理，電源可以采用交流供電和直流供電兩種方式。通常情況下，交流電壓采用220V的電壓等級，直流電壓采用5V15V的直流電壓等級。3.2.1 采用交流220V電源供電方式交流220V的供電方式主要原理是，通過整流橋進行整流濾波，將交流電壓變為直流電壓再給心率計進行供電。主要工作過程是，先利用隔離變壓器將220V的電壓進行降壓，得到所需電壓，然后通過整流設備進行整流、濾波，再輸出穩定的直流電壓提供給心率計。3.2.2 采用直流電源供電方式便攜式心率計一般采用三節5V直流干

34、電池直接對電路進行供電，這種供電方式方便、實用。這次心率計設計中，交流供電、直流供電兩種方式我們都可以采用。也可以同時采用兩種供電方式在仿真實驗中實現。3.3 測量電路心率信息的采集，是要依靠測量電路來實現的。測量電路在心率測量過程中起著“先行官”的作用。沒有準確的測量，那么一切數據信息都將沒有意義。實現測量目的的重要元件就是傳感器。當前傳感器技術發展迅速，我們可以在設計過程中選用技術成熟的成型傳感器。根據前面的方案論證，滿足心率計要求的傳感器有：光電式傳感器和壓電式傳感器。我們此次設計選用壓電式傳感器。本設計以測量心臟跳動頻率為目的，通過查閱大量相關資料，常用的心率測量可有以下三種方案：一是

35、通過測量單位血管長度血液流量的變化來測量心跳的頻率；二是通過測量心臟跳動流過傳感器時對傳感器的壓力的變化來測量頻率；三是利用心臟跳動時的振動來測量。方案一：通過測量單位血管長度血流量的變化測心跳頻率實現此種方式測量的傳感器主要以液態傳感器、光電傳感器為主，這兩種傳感器均是利用血液流過傳感器時，單位長度血管血液體積的變化引起電信號的變化。不同的是前者是引起傳感器測量圍電阻的變化，從而引起電壓的變化，轉化成電信號進行測量。而后者是由血液體積的變化引起光線通過人體后明暗的變化來觸發光電傳感器而得到電信號。這兩種傳感器都有較高的靈敏度，但也都有各自的缺點。液態傳感器由于本身結構特點的限制使測量過程并不

36、十分方便，而光電傳感器對光線通過人體的厚度有較高的要求，只能測量手指、耳朵等相對較薄的地方。這兩種傳感器均只能用于專業的醫用領域和其他特殊領域，而不適用于家庭保健，因此不作為本次設計選用的傳感器。方案二：利用心跳時的振動來測量此方案是利用心臟的跳動來觸發振動傳感器，這種振動傳感器當在某一方向有振動時，傳感器就被觸發導通，沒有外力時就不導通。但大多數振動傳感器都具有方向性，且由于傳感器結構的原因，大多廣泛用于汽車、摩托車、自行車、家庭財產與貴重物品等各種不同類型的防盜報警裝置上，在測量人體心跳、脈搏等方面很少用到，故此方案也不作為本次設計采用。方案三：通過測量對傳感器的壓力的變化來測量頻率實現此

37、方式測量所選用的傳感器多為壓電傳感器和電容式傳感器，其工作原理是利用人體的血壓變化來測量心跳頻率的變化，人體心臟在跳動的過程中，血壓也隨著心臟的跳動而變化，進而引起力敏元件的物理效應，轉換成電信號進行測量。電容式傳感器靈敏度高，動態響應好，但輸出阻抗高，負載能力差，受寄生電容影響大，輸出特性為非線性，不適合本設計采用。壓電傳感器是利用壓電材料的壓電效應來進行工作的，所謂壓電效應就是某些材料在沿著一定方向受到外力作用時，部就產生極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變。壓電材料所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓

38、電式傳感器大多采用差分式電橋結構，此種傳感器技術相對比較成熟，靈敏度高，結構簡單，工作可靠，質量輕，應用廣泛，比較適合本設計采用。作為家庭生活保健用品，選擇一款質量、體積都比較小，性能穩定的，價格適中的壓電傳感器為妙。3.4 傳感器的性能3.4.1 傳感器的型號選擇本次設計選用半導體壓力傳感器2S5M，其敏感元件為半導體應變片，應變片受到壓力后電阻的變化可用下式表示： （3-1）其中 R電阻的變化量； R應變片的電阻； K應變靈敏系數； 應變；泊松比； 應變片的電阻率；電阻率的變化量。式中第一項決定于電阻體的大小和形狀，第二項決定于電阻率的變化量。金屬應變片的應變系數K較小，K最大為二。但半導

39、體應變片由于壓敏電阻效應引起很大的電阻變化，K可達100到150.因此半導體壓力傳感器的分散性很大，這給成批生產帶來不便，需將放大器的增益設計成可調的。該傳感器的初始偏壓在-10mV左右，利用偏移電壓相互補償，可達到0，實現零點溫度補償。3.4.2 傳感器的供電電路壓力傳感器2S5M用恒流源供電比用電壓源供電的測量精度高，故測量電路采用恒流源供電的形式。這里的電流源不是采用電流源元件，而是用運算放大器電路取得，具體的電路見下圖，27k和3k電阻分壓，集成運放的輸出電流即為傳感器的輸入電流，這個電流不隨負載（即傳感器）的變化而變化，基本是一個恒流源，保證了測量精度。圖3-2 恒流源原理圖運放的正

40、輸入端其電位為：（3-2）其中要求27k和3k電阻的阻值極為精確，其溫度系數要小，應選用金屬膜電阻。運放的負輸入端電位為： （3-3）因此，運放的輸出端的輸出電流即傳感器的輸入電流： （3-4）傳感器的橋式電阻為0.89k,因此傳感器2S5M上的壓降為：（3-5）再加上電阻375上的壓降為：（3-6）因此電源電壓完全滿足要求。3.5 放大電路由傳感器出來的電壓信號較弱，在毫伏級，需要對其進行放大。所以，設計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當的信號，便于后續電路的處理。方案一：采用通用運算放大器LM324構成的同相放大電路由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采用同

41、相放大器，經測試LM324性能良好，工作可靠，且價格合理，所以本次設計選用此集成運放。原理圖如下：圖3-3 同相比例放大電路從圖 3-2中可以得到：（3-7）（3-8） （3-9）（3-10）考慮到每個人個體之間的差異，人與人之間脈搏信號的強弱不同，反映在脈搏波形中即是幅度不同。為了使該設計能適用于不同的人，在設計的時候，R1采用滑動變阻器，通過調節其電阻，可以改變放大倍數。方案二：用多級級聯的單管放大電路放大一般情況下，單管放大電路的電壓放大倍數只能達到幾十倍，放大電路的其他技術指標也難以達到實際工作中提出的要求，因此，在實際的電子設備中，大都采用各種各樣的多級放大電路。但是此方案的電路的元

42、件較多，集成運放簡單可靠，且同相比例放大電路輸入電阻高，所以此次設計選用LM324組成的同相比例放大電路來放大被測信號。3.6 濾波整形電路要求心率計在計數的基礎上，通過數碼管將測量的數據顯示出來，這就必須將模擬信號轉換成可以計數的數字信號。這部分的實現是通過濾波整形電路來完成的。這個模塊的電路可分為濾波電路和整形電路兩部分。3.6.1 濾波電路理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。圖3-4 理想濾波器幅頻特性通過與無源濾波器對比可以知道，一階低通有源濾波器的通帶截止頻率與無源低通濾波器一

43、樣，均與RC的乘積成反比，但是引入集成運放以后，通帶電壓放大倍數和帶負載能力得到了提高。心率信號是低頻信號，為防止中高頻信號對測量的影響，應該用低通濾波器濾除中高頻信號，只讓低頻信號通過電路，同時把被測信號放大。為了使心率信號放大到整形電路所需的電壓值，通常電壓放大倍數在1.6倍左右。一階低通有源濾波器如圖所示：圖3-5 一階有源低通濾波器根據虛短和虛斷的特點，可求得電路的電壓放大倍數和通帶截止頻率為：（3-11）（3-12）（3-13）由于一階低通濾波器的幅頻特性與理想的低通濾波特性相比，差距很大。為改善濾波特性，此次設計中選用二階低通有源濾波器，其通帶電壓放大倍數和通帶截止頻率與一階低通濾

44、波器電路一樣。二階有源低通濾波器電路圖如下圖所示：圖3-6 二階有源低通濾波器因為被測信號混有1000Hz的干擾尖脈沖，所以設計的有源濾波的截止頻率為1000Hz左右。取參數為C1=C2=0.1uF,R1=R2=1.6k，為保證信號幅值達到整形電路所需的電壓值，通常放大倍數為1.6倍左右。3.6.2 整形電路心率計設計中，整形電路的主要作用就是將經過放大、濾波的模擬信號轉換成數字脈沖信號，當然這是在不改變信號頻率的前提下完成的。將模擬信號轉換成數字脈沖信號的方案，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時基電路組成的滯回比較器作為整形電路。方案一：利用集成運放組成的電壓比較器

45、根據比較器的閾值電壓和傳輸特性來分類，常用的比較器有過零比較器、單限比較器、滯回比較器和雙限比較器等。各種類型的比較器可由通用集成運放組成，也可選用專用的集成電壓比較器。相對來說，通用集成運放組成的比較器工作速度比較慢。集成電壓比較器工作速度比較快，且在要求同樣的響應時間時，集成電壓比較器的價格比較低廉。此外，集成電壓比較器的輸出電平一般可與TTL等數字邏輯電平直接兼容，而無需外加限幅電路。各種比較器中最簡單的一種是過零比較器，根據過零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖3-7所示。集成運放工作在開環狀態，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當輸入電壓ui0V時，UO=-UOM。因此，

46、電壓傳輸特性如圖3-8。 圖3-7 過零比較器 圖3-8 過零比較器的傳輸特性過零比較器電路簡單，可實現波形的整形作用。方案二：利用555時基電路1. 電路組成與工作原理圖3-9555定時器構成的施密特觸發器（1） VI =0V時，Vo1輸出高電平。（2）當VI上升到時 ，Vo1輸出低電平。當VI由 繼續上升，Vo1保持不變。2. 電壓滯回特性和主要參數電壓滯回特性圖3-10 施密特觸發器的電路符號和電壓傳輸特性主要靜態參數（1）上限閾值電壓VT+VI上升過程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低電平VOL時，所對應的輸入電壓值 。（2）下限閾值電壓VT- VI下降過程中， vO由低電平VOL

47、跳變到高電平VOH時，所對應的輸入電壓值 。（3）回差電壓VT,回差電壓又叫滯回電壓，定義為VT= VT+VT =（3-14）若在電壓控制端VIC（5腳）外加電壓VS，則將有VT+=VS、VT=VS/2、VT= VS/2，而且當改變VS時，它們的值也隨之改變。方案三：用集成施密特觸發器圖3-11 74LS14D圖形符號由于集成施密特觸發器電路簡單，工作可靠，故此次設計的整形電路選用集成施密特觸發器74LS14D。3.7 倍頻電路要在短時間完成每分鐘心跳次數計數功能，而在整形電路中，整形后的信號與原信號的頻率是一樣的，如果要測其每分鐘脈沖數，則至少應測量一分鐘才可以實現，為了縮短測量時間，必須將

48、整形后的信號的頻率加倍，這樣就可以滿足在短時間完成測量任務的要求。顯然，若將原信號頻率變為原來的N倍則測量時間就可以縮短為原來的1/N。因此，此次設計采用倍頻電路來提高被測信號的頻率，減少心率測量的時間。3.7.1 利用CD4046鎖相環與計數器構成的倍頻電路CD4046是通用的CMOS鎖相環集成電路，其特點是電源電壓圍寬（為3V18V），輸入阻抗高(約100M)，動態功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W，屬微功耗器件。其引腳圖如下：CD404618916圖3-12 CD4046的引腳圖CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管腳功能： 1腳相位輸出端，環路人鎖時為高電

49、平，環路失鎖時為低電平。 2腳相位比較器的輸出端。 3腳比較信號輸入端。 4腳壓控振蕩器輸出端。 5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。 6、7腳外接振蕩電容。 8、16腳電源的負端和正端。 9腳壓控振蕩器的控制端。 10腳解調輸出端，用于FM解調。 11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器的輸出端。 14腳信號輸入端。 15腳部獨立的齊納穩壓管負極。3.7.2 利用簡單門電路等組成的二倍頻電路級聯二倍頻電路有多種，下面是一種實用的二倍頻電路。圖3-13 實用二倍頻電路圖 其工作原理為：當輸入信號由0正躍到1時，1端輸出由0正躍到1，由于電阻和電容的存在，電容被充電，2端輸出

50、按指數規律上升。在上升到Uth前，電路輸出為高電平1。一旦2端輸出上升到大于Uth時，電路輸出又由1負躍到0。當一端輸出負躍到0時，電路輸出由0正躍到1，一端輸出0，這時電容經電阻放電，在2端輸出下降到Uth時，輸出又由1負躍到0，從而實現了二倍頻。圖3-14 快速二倍頻電路圖把二倍頻電路級聯起來就可以實現4倍頻、八倍頻、16倍頻等倍頻電路。在Multisim中不存在CD4046元件，且創建新元件是一項浩大的工程，而用門電路組成的倍頻電路簡單易行，可實現2的N次方倍頻。所以此次設計中的倍頻電路選用門電路組成的倍頻電路。3.8 控制電路由于在題目中要求在短時間測得實驗結果，因而需要一個電路來控制

51、整個電路的運行、復位、自啟動等，控制電路是用來控制計數脈沖的輸入以與控制計數器的工作狀態，在心率計設計中起到“閘門”的作用。控制電路設計的好壞直接影響到整個心率計的性能。這個任務由本部分電路實現。3.8.1 閘門信號的產生閘門信號的功能是產生一個閘門脈沖信號，以控制在該時間完成一分鐘的測量任務，該功能的實現可由以下方案來實現。方案一：采用CMOS石英晶體多諧振蕩器與分頻器構成的時間基準電路圖3-15 石英晶體多諧振蕩器說明：圖中4060BD的3腳輸出頻率為2Hz的方波信號，經D觸發器二分頻后1腳輸出脈寬為1s的方波信號。振蕩頻率由石英晶體自身決定，這里如果取f0=32768Hz，經過分頻器（分

52、頻器可由各種進制的計數器實現，比較簡單，不再敘述）分頻，可以得到一系列低頻信號。其優點是產生的時間基準十分精確，誤差小，電路穩定，缺點是只能產生頻率為2n的方波信號，在本電路中需要7.5s與15s的時間信號，因而需要將上述基準信號進行42分頻得到周期為1s的方波信號，然后再通過5進制與15進制的計數器得到相應的時間控制信號，這樣電路接線極其復雜，成本高，不易調試。方案二：用555定時器構成的多諧振蕩器圖3-16 555定時器的電氣原理圖和電路符號(a)原理圖 （b）電路符號1555定時器部結構：（1）由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器；（2）兩個電壓比較器C1和C2：v+v，vo=1； v+v

53、，vo=0。（3）基本RS觸發器； 圖3-17 電壓比較器（4）放電三極管T與緩沖器G。2. 555定時器構成的多諧振蕩器如下圖所示，R1、R2、C是外接定時元件。圖3-18 用555定時器構成的多諧振蕩器其工作原理為：起始狀態：接通電源前電容C上無負荷，所以接通電源瞬間，C來不與充電，故Uc等于0，比較器C1輸出為1，C2輸出為0，基本RS觸發器Q=1，Q=0，Uo=Uoh，Td截止。暫穩態：Q=1、Q=0、Uo=Uoh,Td截止，是電路的一種暫穩狀態，因為在這種狀態下，有一個電容C充電、電壓緩慢升高的漸變過程在進行著，時間常數是1=（R1+R2）C。自動翻轉：當電容C充電，Uc上升到時，比

54、較器C1輸出跳變為0，基本RS觸發器立即翻轉到0狀態，Q=0、Q=1、Uo=Uol，Td飽和導通。暫穩態：Q=0、Q=1、Uo=Uol，Td飽和導通，是電路的另一種暫穩狀態,因為在這種狀態下，同樣有一個電容C放電、Uc緩慢下降的漸變過程在進行著，時間常數是2=R2C。自動翻轉：當電容C放電、Uc下降到時，比較器C2輸出跳變為0，基本RS觸發器立即翻轉為1狀態，Q=1、Q=0、Uo=Uoh,Td截止，即暫穩態。3.振蕩參數暫穩態維持時間： （3-15）暫穩態維持時間： （3-16）電路振蕩周期: （3-17）電路振蕩頻率: （3-18）占空比： （3-19）上面的電容的充電時間總是大于放電時間，輸出的波形不可能對稱，所以選用占空比可調的