心跳计数系统课程设计说明书

课程设计说明书

课程设计名称：电子技术课程设计

题目：心跳计数系统

学院：XXXX学院

学生姓名：XXXX

专业：XXXXX

学号：312014XXXX

指导教师：XXXX

日期：2016年 6 月 28 日

成绩

心跳计数系统

摘要：本设计要解决的问题就是设计一个可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计。主要步骤为：由压电传感器将心跳频率转换为电信号，由放大电路将微弱的信号放大，再经过滤波，将高频信号过滤，再经过由555定时器组成的施密特触发器将信号整形为脉冲波形，计数器由三片74LS163实现，再由4511和显示器进行数字显示，整个过程由555定时器组成的单稳态触发器控制。在压电传感器的选择上，经传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式方面的考虑，我们采用压电陶瓷传感器。

关键词：传感器，心率，计数，定时

Abstract：This design to solve the problem that design a can measure heart rate, prevention of heart disease and other heart disease digital heart rate meter.Main steps is: your heart rate will be converted to electrical signals by piezoelectric sensor, by amplifying circuit will be weak signal amplification, after filtering, the high frequency signal filtering, repass composed of 555 timer Schmitt trigger would plastic as the pulse waveform, the signals by three 74 ls163 counter, again by 4511 and display digital display, the whole process is composed of 555 timer monostable trigger control.On the choice of piezoelectric sensor, the sensor's precision, sensitivity, anti-jamming and installation considerations, we adopt piezoelectric sensors.

Keywords：Sensors, heart rate, counting, timing

目录

1前言 (1)

1.1 设计背景 (1)

1.2 设计目标 (1)

1.3 实施计划 (2)

1.4 必备条件 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1方案比较 (3)

2.1.1方案一 (3)

2.1.2方案二 (3)

2.2方案论证 (4)

2.3方案选择 (4)

3 单元模块设计 (4)

3.1各单元模块功能介绍及电路设计 (4)

3.1.1传感器模块设计 (4)

3.1.2放大模块设计 (5)

3.1.3滤波模块设计 (6)

3.1.4整形电路模块设计 (6)

3.1.5定时器模块设计 (8)

3.1.6计时电路模块设计 (9)

3.1.7译码显示电路模块设计 (10)

3.2特殊器件的介绍 (11)

3.2.1膜片式压电压力传感器器件介绍 (11)

3.2.2芯片74LS163C器件介绍 (12)

3.2.3 CD4511以及八段式LED数码管介绍 (13)

3.2.4 555定时器器件介绍 (14)

4.系统调试 (16)

4.1调试环境 (16)

4.2硬件调试 (17)

5系统功能、指标参数 (21)

5.1系统能实现的功能 (21)

5.2系统指标参数测试 (21)

5.3系统功能及指标参数分析 (21)

6结论 (21)

7总结与体会 (22)

8 谢辞 (22)

9 参考文献 (23)

附录 (24)

附录1 系统的原理电路图 (24)

附录2 系统PCB (25)

1前言

随着社会的发展和科技技术的进步，人们的生活水品也随之在改变，对健康意识也在不断的提高，为了提高生活质量，人们开始重视自己的身体健康。

1.1 设计背景

心脏病一直属于慢性疾病之一，心脏病在医学上还不能够彻底的治疗，影响着不同年龄的人，而心脏病给患者带来生活和身体上的不便。心率是人体的一个重要的生命信息之一，能够反映人的心脏健康程度。正常人的心跳是60-90次/分，低于60次/分和高于90次/分，说明测试者的心跳不正常。特别是对心脏存在问题或者由于其它一些疾病导致心率跳动不正常的人，每天测试自己的心率是非常有必要的，这样可以知道自己最近的身体健康程度。若检测出来的心率不在正常的范围之类，可以及早及时的到医院治疗。

1.2 设计目标

本课题就是针对以上问题，结合一系列简单的电路和集成芯片，设计一个简单、轻便的心率检测装置，可以方便心脏有问题的人在家里每天使用，极大的方便心脏病患者。即使是健康的人，也可以通过这个装置随时检测自己的身体健康。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在心跳中，心跳的中富含有关心脏、内外循环和其他跟人体息息相关的信息，我们可以通过对脉搏检测有诊断价值的信息，用来预测人体某些器官结构和功能的变换趋势，如:血管力学性质和几何形态的变异会引起心跳波波形和波速等性质的变化。

因此，我们可以通过检测人们的心率变化来大致评估一个人的健康状况，心跳的病理生理性改变常引发各种心血管疾病，心跳生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对心跳的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估和早期治疗。同时心跳测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一些可参考的生理信息。在医院临床监护和日常保健中，心跳是一项基本的生命指标，因而心跳测量是最常见的生命特征的提取。而近年来出现的日常监护仪器，例如便携式电子血压计，既可以测血压也可以完成心跳的测量。对我们的健康生活有积极的作用。

1.3 实施计划

利用两年来学习的专业知识，比如模电、数电等，探究如何使该项目所需的放大电路、滤波电路、定时电路、整形电路、计数电路以及译码显示电路相互联系。

在图书馆查阅“传感器”和“课程设计”等相关资料，了解关于“压电传感器”的相关知识，找到适合的压电传感器，了解传感器的相关性能，确保安全性与精确性。

需要用proteus进行仿真，故结合网上资源，自学该软件的使用方式，确保能完整的将电路设计思路反映到仿真中。

运用protel制作pcb。

1.4 必备条件

小组成员之间的密切配合，包括资源共享、互相帮助等，力求做到最佳设计方案。

2 总体方案设计

正常人心跳为60~80次/分钟，老年人为100~150次/分钟，婴儿为90~140次/分钟，显然这种信号属于低频范畴。因此，心跳计数系统是来测量低频信号的装置，其基本功能要求：

（1）把人体的心跳信号转换成电信号。

（2）对转换后的电信号要进行放大、滤波以及整形等处理，以保证其他电路正常工作。

（3）在很短的时间内，测量出经放大后的电信号频率值。

总之，心跳计数系统的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲计数，最后以数字形式显示出来。

在近两周的课程设计中，我们小组通过对整个电路的分析，结合自己已有的知识，思考出三种设计方案，我将对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点。

2.1方案比较

2.1.1方案一

方案一原理框图如图2-1所示。

图2-1 方案一的原理框图

把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内进行计数，并用数字显示其计数值， 从而直接得到每分钟的脉搏数。

2.1.2方案二

方案二原理框图如图2-2所示。

压力传感器

放大滤波电路 整形电路

计数电路 译码显示

控制电路

图2-2 方案二的原理框图

测量心脏跳动固定次数所需时间，然后换算为每分钟的心跳数。

2.2方案论证

第一种方案较为直观，所需的电路结构简单，测量时间为一分钟，更为精确和稳定。 第二种方法通过倍频可大大可减少测量的时间，提高效率，但电路结构比较复杂，且测得的没有第一种方案稳定。

2.3方案选择

综上所述，选择第一种方案。

3 单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为个单元模块，它们分别是：传感器模块、放大滤波电路模块、定时电路模块、整形电路模块、计数电路模块、译码显示电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1传感器模块设计

在对传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式初步的考虑后，为了提高心率的测量精度。我们选用压电陶瓷传感器测量心率。此传感器具有抗腐蚀能力，传感器没

压力传感器

放大滤波电路 整形电路 计数电路

译码显示

倍频电路 译码显示

有液体的流动，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠通斯电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比、激励电压成正比的高度线性度电压信号。通过激光标定，该传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。其输出信号为10—20mv。

3.1.2放大模块设计

1.模块功能及工作原理：由传感器出来的电压信号较弱，在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。心率信号是低频信号，低频滤波电路可以将放大后信号中的中高频信号滤除。

2.组成：我们采用集成运算放大器，并使用LM324构成两级放大电路。集成运算放大器是一种电子器件，它采用一定的制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元件及它们之间的连线制作在一小块单晶硅的芯片上，并具有一定功能的电子电路。因为传感器送来的信号幅度只有10～20毫伏，要放大到5v左右才能作为计数器的输入脉冲。

3.计算：

令第一级放大Vo=11*Vi，第二级放大Vo2=26*Vo。

故设定R7=10k,R3=100k,R5=1k,R6=25k。

所以Vo2=286*Vi。

4.设计的放大电路如图3-1所示。

图3-1 设计的放大电路

3.1.3滤波模块设计

1.模块的功能及工作原理：从放大器输出的电压信号含有不同频率成分的干扰信号，为了使计数器得到准确的心跳次数，对频率太高于正常心跳的高频信号进行滤除，因此本次设计采用了RC低通滤波器。

2.RC滤波电路的参数计算：

考虑到不同人群的心跳频率范围，滤波器设定的滤除信号为大于5Hz的高频信号，所以令RC≈30KΩ*1uF。

3.滤波电路如图3-2所示：

图3-2 滤波电路

3.1.4整形电路模块设计

1.模块功能：心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、将滤波信号转化成数字脉冲信号当然这是在不改变信号频率的前提下完成的。将模拟信号转换成数字脉冲信号的方案，可以有以下两种可供选择：一是利用电压比较器，二采用555组成施密特触发器。这里我们选用第二种方式，由于施密特触发器的工作特性，输出的电压为0V和5V的矩形波，便于计数器计数。

2.电路工作原理：

（1）vI=0V时，vo1输出高电平。

（2）当vI上升到2/3Vcc时，vo1输出低电平。当vI由2/3Vcc继续上升，vo1保持不变。

（3）当vI下降到1/3Vcc时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。

如下图3-3所示。

图3-3 施密特触发器的工作原理

3.由于施密特触发器输出与输入反相，故使用74LS00B将其调节为同相。故实验中设计的施密特触发器如图3-4所示。

图3-4 设计的施密特触发器

3.1.5定时器模块设计

1.模块功能及工作原理：定时器在本次设计中有重要作用，555定时器应用广泛，接成不同的外围电路可实现不同的功能，在这个设计中主要实现定时功能，定时时间为60秒。我们运用555定时器组成单稳态触发器进行定时,每一次向Vo2施加触发信号（Vo2<1/3*Vcc）,由于74LS00B的作用，输出反相，所以电路的输出状态由高电平跳到低电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。伺候电容C充电，当C充电至Vc=2/3Vcc 时，电路的输出电压由低电平转变为高电平，同时导通，于是电容C放点，电路返回到稳定状态。

2.普通单稳态触发器工作原理如图3-5所示。

图3-5 单稳态触发器的工作原理

3.故设计电路如图3-6所示。

图3-6 设计的定时器

3.1.6计时电路模块设计

1.模块功能：计数电路的主要作用是对心跳进行计数，计数芯片主要采用74LS163C.每一次上升沿脉冲，都会使得计数器进行一次计数。

2.故实验中设计的计数器如下图3-7所示。

图3-7 设计的计数器

3.1.7译码显示电路模块设计

1.模块功能及工作原理:译码电路的主要作用是把计数电路的输出数字进行译码，并通过数码管显示，直观地展现在被测对象面前。故本设计的译码显示电路如图3-8所示：

图3-8 设计中的译码显示电路

3.2特殊器件的介绍

3.2.1膜片式压电压力传感器器件介绍

在对传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式初步的考虑后，为了提高心率的测量精度。我们选用压电陶瓷传感器测量心率。此传感器具有抗腐蚀能力，传感器没有液体的流动，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠通斯电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比、激励电压成正比的高度线性度电压信号。通过激光标定，该传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。其输出信号为10—20mv。

如图3-9，为一个标准的膜片式压电压力传感器。

1-绝缘套 2-后座 3-垫圈 4-外壳 5-石英晶片 6-导电片 7-石英晶片 8-传力块9-膜片

图3-9 标准的膜片式压电压力传感器

3.2.2芯片74LS163C器件介绍

74LS163是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。

如图3-10，为一个74LS163的引脚图。

图3-10 74ls163引脚图

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)

表3-1 74LS163功能表

输入输出

C R CP L

D EP ET D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0

0 X X X X X X X 0 0 0 0

1 0 X X D C B A D C B A

1 1 0 X X X X X Q3 Q

2 Q1 Q0

1 1 X 0 X X X x Q3 Q

2 Q1 Q0

1 1 1 1 X X X X 状态码加1

从74LS163功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS163输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS163还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS163可以组成16进制以下的任意进制分频器。

3.2.3 CD4511以及八段式LED数码管介绍

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。CD4511的引脚图如下图3-11所示：

图3-11 CD4511的引脚图

对于数码管最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起接高电平，其示意图如图3-12所示。

图3-12 LED数码管示意图

3.2.4 555定时器器件介绍

555定时器的工作原理如图3-13所示：

图3-13 555定时器的工作原理

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 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。

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

3脚：输出端Vo

2脚：低触发端

6脚：TH高触发端

4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如下表3-2所示。

表3-2 555时基电路的功能表

清零端高触发端TH 低触发端Q 放电管T 功能

0 X X 0 导通直接清零

1 0 1 X 保持上一状态保持上一状态

1 1 0 X 保持上一状态保持上一状态

1 0

1 0

1

1

导通截止置1

清零

4.系统调试

对放大滤波电路、整形电路分别进行检验调试，对整个心跳计数电路进行调试。4.1调试环境

本章节介绍本次设计中用到的软件，并总结本次设计学习软件的情况

1.PROTEUS仿真软件：

Proteus ISIS是由英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件,是一种EDA工具软件。Proteus安装以后，主要由两个程序组成：ARES和ISIS。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件具有以下特点：(1)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；还有有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等等。(2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片，当元器件库没有所需要的芯片时，则可以通过加载相对应的元器件库，然后从库中就能够找到相应的元器件了。

(3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。

(4)具有强大的原理图绘制功能。总体上分析知，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。下面将介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。

由于安装Proteus ISIS软件较为简单，在这儿就不具体的介绍如何去安装该软件程序了，主要介绍在安装完成后如何更好的使用Proteus ISIS。安装好软件程序后桌面上会出现快捷图标，双击桌面上的ISIS 7 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus 7 Professional”→“ISIS 7 Professional”，出现如图5-2所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。

进入到Proteus ISIS的工作界面，Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面。其工作界面主要包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、模型选择工具栏、状态栏、挑选元件按钮、库元件按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。

2.PROTEL99SE

Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现