课程设计————电子心率计的设计

课程设计说明书正文

1：任务分析与方案设计

心率计是用来测量一个人心脏单位时间内跳动次数的电子仪器，由于人体各部位心率一致，所以通常测量人手臂处的脉搏即可测出人体心率。任务要求测出的心率为一分钟内心跳的次数，并显示，测量结果要与标准范围作比较，不在标准范围内则报警。

设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；将其作为计数控制信号，用基准时间一定的方波作为计数脉冲在一个心跳周期内计数，计数值N 与基准时间T 的乘积就是一次心跳的时间。再对“60/基准时间T ”个脉冲进行N 分频，对分频后的信号计数，其计数值则为本次心率数值。之后计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入的频率进行F/V 转换后与标准电压值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED 灯亮。流程图如下。

2：电路设计，元器件参数计算及选择

2.1：传感器的选择

:

红外线检测原理：

随着心脏的博动，人体组织半透度随之改变，当血液流回心脏，组织半透度增大，这种现象在人体组织较薄的指尖、耳垂等部位最明显。用红外发光二极管产生红外线照射到人体上述部位，并用装在一旁的红外光电管来检测机体组织的透明度并转换成电信号，其信号频率与脉搏频率相对应并且其为低频近似的正弦信号。

TCRT5000(L)具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上，利用红外光谱反射对象

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输出阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证]1[。

仿真图：

黄色信号（下）为输入信号。

蓝色信号（上）为输出信号。

由图中可以看出，输入输出信号基本相等。

2.3:放大电路的设计

传感器输出为微弱信号，需进行放大后才便于后续电路的处理。考虑到后续电路中滤波器电路也具有信号放大的功能，所以放大器的放大倍数不宜过大，初

步选择为660倍。设计电路的原理如下：

信号输入端

信号输出端其放大倍数的计算公式为]1[

黄色信号（下）为输入信号（其一格为2mV）

蓝色信号（上）为输出信号（其一格为2V）

2.4：滤波器的设计

干扰信号对测量结果带来很大的误差，对信号进行分析与处理时, 常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题, 这些噪声有的是与信号同时产生的, 有的是传输过程中混入的。因此, 从接收的信号中消除或减弱干扰噪声, 就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性, 消除或减弱噪声,提取有用信号的过程称为滤波, 实现滤波功能的系统称为滤波器。在测量的过程中，对于心率计的信号干扰主要是高频信号的干扰，所以设计的滤波器的为低通滤波器，通带截止频率设置为1000HZ，在所有的低通滤波器中，二阶有源滤波器具有时域响应快，截止性能良好，并且有一定的电压放大倍数的特点，故选择滤波器为二阶有源滤波器。

有源二阶滤波器基础电路如图1所示：

图1 二阶有源低通滤波基础电路

它由两节RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f ＞＞f0时（f0 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90o，两级RC 电路的移相到-180o，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低

]

1[。

传输函数为：

)()()(i o ωωωj V j V j A =

2

F F

)

()-(31CR j CR j A A V V ωω++= 令 F 0V A A = 称为通带增益

F

31

V A Q -=

称为等效品质因数 RC

1

c =

ω 称为特征角频率 则2

c n

22

c 0)(ωωω++

=

s Q

s A s A

要求截止频率f0=1000HZ ；品质因数Q=0.707。低通滤波器的通带电压增益 VF A A =0=1.586。选择C=82nF,选择标准电阻R=9.09 K Ω，Rf=2.55 K Ω。

二阶有源滤波电路：

二阶有源滤波电路仿真：（蓝—输出信号黄—输入信号）

模拟信号输入时由于二阶有源滤波电路的通频带增益有了一个放大的效果这样加上前二级放大电路的放大作用，总电压放大倍数为1046.76，则可以将mV 级信号放大到V级。

1kHZ频率信号输入仿真：

如仿真波形所示：当频率大于1000HZ的信号输入时，电压衰减为0，取得了良好的滤波效果

2.5：整形电路：

输入信号进入后将首先通过比较器将正弦型信号转变成-5V—5V的方波信号，之后方波信号进入施密特触发器进行进一步的整形，将信号转换为0V—5V的数字信号，并提高信号的上升和下降时间，有利于信号的分辨与处理。

施密特触发器是脉冲波形变换中常用一种电路，它在性能上有两个特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中电路转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降的过程中对应的输入电平不同。第二，在电路转换时通过电路内部中的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡。利用这两个特点不仅可以使边沿变化缓慢的信号整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将噪声有效地消除]2[。

经施密特触发器整形前后的信号比较：

2.6：555定时器电路：

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1

的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

引脚功能：1—接地GND 2—触发 3—输出 4—复位 5—控制电压

6—门限（阈值） 7—放电 8—电源电压VCC

参数功能特性：供应电压 4.5—18V

供应电流3-6 mA

输出电流225mA (max)

上升/下降时间100 ns

存储温度范围 -65℃ 至+150℃

工作温度0℃ 至+70℃

构成多谐振荡器，组成信号产生电路：

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。

接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，振荡周期： T=（R1+2R2）Cln2]2[

设计电路定时时间为0.05s取R11=42K,R12=700K,C4=50nF。

2.7：控制信号电路：

此电路使用D 触发器对心跳信号做了2分频，则此时输出信号的高低脉冲时间为一次心跳的时间，此信号作为电路的控制信号，其实现的功能是高电平时间为计数时间，而低电平时间成为了后续电路载入N 值进入预置数计数器的时间等待下一个高电平时间开始计数处理。

控制信号仿真：

黄色信号为输入的模拟心跳信号。 蓝色信号为整形后的输出信号。 紫色信号为转换后的控制信号。

2.8：N值计数电路:

采用芯片为74LS160十进制计数芯片

管脚图介绍：

时钟输入 CP 四个数据输入端 P0—P3

清零 /MR

计数控制端 CEP，CET

置数 PE

数据输出端 Q0—Q3

进位输出端 TC

2.9：1200脉冲产生电路：

采用芯片为74LS161四位二进制计数芯片

管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3

清零/MR

使能CEP，CET

置数PE

数据输出端Q0~Q3

以及进位输出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)

中，从此时的计数值到产生溢出信号之间的计数值为N，对RCO的溢出信号计数直到1200计数器产生清零信号，这之间的计数值为心率值。

2.10心率计算及译码显示模块：

使用74LS48 BCD—数码管段码芯片