数字心率计设计报告

数字部分
分频器
显示器
计数器
处理器
译码器
计算器 诊断器 报警器
iii.
主要电路设计与参数计算
（1）模拟电路的参数计算
结合方案设计中一系列的设想和组合设置，那么我们可以容易的得出以下结论：
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放大电路
放大电路采用的是同向比例放大电路，结合后面滤波电路的要求，我们所选 取的放大电路的参数组合为：680K 和 2.7K
（2）数字部分：
分频
将芯片内固有的 50MHz 频率进行分频， 得到 1kHz 的频率作为 clk 计数频率， 过高则需要大量计算，浪费时间，过低则误差较大，不够精确。
计数
对模拟电路整形后的方波信号进行周期测量，首先进行计数，然后将该数据 转换为心率。
计算
假设 clk 频率为 f，所计数值为 N，则一次脉搏所持续的时间 T=N/f 瞬时心率值=60/T=60×f/N。每 16 组进行求平均数运算，作为平均心率输出。因 为电路进行二进制移位计算，16 方便移位并且大小合适。
译码
将处理后心率信息分别进行八段数码管译码，送入显示。
显示
能将心率数据和诊断信息进行实施动态显示，数码管为四位。
ii.
系统原理框图
（1）工作原理介绍
经传感器接受的脉搏信号所发出的电信号比较弱，大约在 0.05mV-5mV 左 右，首先经过同向比例放大电路放 60000 多倍，得到 3V 左右的信号.。由于脉搏 电压信号受到 50 赫兹的工频干扰，信号需经过带通约为 0.8-2Hz、放大倍数约 为 300 倍左右的两级滤波放大电路串联形成。将滤波放大后所得到的信号送入 74HC14 的进行处理，并进行降压（高压会烧毁芯片） ，就得到我们所需要的与 脉搏周期一致的方波信号。 板子自带 50MHz 的时钟信号，可以通过编译一个分频的 Verilog HDL 语言模 块将其中 P17 引脚引出的 50MHz 的频率分频得到 1kHz 的基准信号，每当脉搏 信号来一个上升沿（或下降沿）开始计基准波的个数，再来一个上升沿（或下降 沿）是，计数输出并清零，如此循环。将得到的计数进行公式计算，转换为心率
计数器
计数器的工作为测量每一个信号周期的宽度，用分频后的 clk 计数，输出计 数 count 和脉冲 pulse，为后续计算心率、平均心率、心率不齐提供数据。其中 signal 信号是指尖脉冲信号经过传感器并在模拟电路整形后的方波信号，pulse 为输出信号，同时也作为标记信号，每遇到 signal 上升沿触发，pulse 在 1 与 0 之间跳变， 当 pulse 为 1， 开始计数， 当 pulse 为 0 输出 count， 连续工作， 而 pulse 作为输出信号，每一个下降沿表示计数完一个完整信号周期，触发平均心率和心 率不齐的计算，后续说明。 module counter(count,pulse,clk,signal); input clk,signal; output reg [10:0]count; output reg pulse; reg [10:0]num;
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ห้องสมุดไป่ตู้
0.1uF 和 680K，能滤掉 2.3Hz 以上的信号。其次我们选择一阶滤波电路与放大合 并在一个电路中，是一级放大电路即放大有滤波。我们所设计的模电电路应该是 由两个相同的，且同时具有带通滤波和放大功能的子电路串联而成的。
整形
我们使用 74HC14 芯片来对信号进行整形， 74HC14 芯片相较于迟滞比较电 路来说，它的优点是不需要复杂的计算，也不用推测确定电路的门限阀值。只需 要将 74HC14 芯片这个子电路接在放大滤波电路后， 来帮助我们确定放大倍数即 可。 74HC14 芯片输出为幅值为 5V 左右的方波信号，芯片 EP2C8T144 的输入电 压不能超过 5Ｖ，所以送入数字电路部分的信号需要进行降压处理。用两电阻串 联分压以及加一个降压二极管这两种方法，将信号降到 4V 左右，就可以输入到 芯片中了。
计算器
计算器的工作为将计数器得到的计数转换为心率。假设 clk 频率为 f，所计 数值为 N，则一次脉搏所持续的时间 T=N/f，瞬时心率值=60/T=60×f/N。计算 的所得值为瞬时心率，实时输出 instant。另外 pulse 每一个下降沿代表完成了一 个信号的计算，用 num 计数，当不足 16 组数据时，心率不断累加，当达到 16 组，累加 16 组的心率和并除以 16，得到平均心率，也实时输出 average。 module calculator(count,pulse,average,instant); input [10:0]count; input pulse; output reg[7:0]instant; output reg[7:0]average; reg[11:0]sum; reg[3:0]num; always @(count) begin instant<=(60*1000)/count; end always@(negedge pulse) begin num<=num+4'd1;
A vf

R 6 R 8 680 2.7 257 R8 2.7
滤波电路
因为放大部分的电阻所选取的是 680K，那么，一阶低通滤波电路所选取的
参数组合就为：680K 和 0.1uf
fH 1 1 2.3Hz 2R 6C3 2 680 103 0.1 10 6
西南交通大学 2015 年短学期
电子课程设计报告
课
题： 数字心率计
指导老师： 张辉波
宋作华 段雯誉
计算机 2013-4 班 计算机 2013-4 班
20132070 20132065
2015 年 8 月
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摘要
正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，但在安静状态下健 康成人平均心率在 75 次/分左右(60—100 次/分之间)。国人男性静 息心率的正常范围为 50—95 次/分，女性为 55—95 次/分。在一般情 况下人的心率大于 120 次/分为心率过快，小于 50 次/分则为心率过 慢。 本课题就是通过红外传感器将人的手指中微弱的脉搏信号转化为 电信号输入到模拟电路中。模拟电路对电信号做放大、滤波和整形处 理，转换为可被芯片识别的矩形波信号。通过 Verilog HDL 编程语言 实首先现对 EP2C8T144 自身晶振的分频处理， 利用分频后得到的信号 对矩形波信号进行检测得到脉搏数，将脉搏数显示在数码管上，显示 心率过快、心率过慢或是正常，计算平均心率，对心律不齐有报警功 能。
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值。得到心率值后，进行诊断报警等工作，瞬时心率低于 50 或高于 120 都为不 正常，有相应的报警，相邻心率之差达到 10，并且该现象出现 5 次判定为心率 不齐，立即报警。得到的心率数据同时经过处理译码后，通过数码管两位半显示 瞬时心率或者平均心率。
（2）系统流程：
模拟部分
传感器 74HC14 芯片 EP2C8T144 芯片 降压电路 74HC14 芯片 一级放大滤波 二级放大滤波
一阶高通电路所选取的参数组合就为：68K 和 10uf
fL 1 1 0.23Hz 2R 9C1 2 68 103 10 10 6
整形电路
使用 74HC14 芯片无需计算参数
分压电路
因为输出的电压约为 5V，而输入 EP2C8T144 芯片的电压不能超过 5V,先串
滤波
正常成年人心率的波动范围为 50-120 次/分钟，那么通过计算就能得到我们 的心率信号的频率范围大概就为 0.8-2Hz，而干扰最强的就是 50Hz 的工频信号 了，那么我们就需要设置一个带通约为 0.8-2Hz 的滤波电路。高通滤波电路用 10uF 和 68K 的组合，和滤掉 0.23Hz 以下的低频信号；高通滤波电路的组合选用
关键字：
数字心率计、 模拟电路、 Verilog HDL、 数码管、 报警功能、 EP2C8T144、 Altium Designer
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1、方案设计 i. 方案论证与设计
（1）模拟部分：
红外传感器获得电信号
根据指尖上的血液随每次心跳出现密度、快慢等周期性变化的原理，将手指 剪放在 ST188 的传感器上，传感器上的感光三极管将会接收强弱不同的电流， 并输出强弱不同的电压信号。人的心跳范围在几十到上百之间变化，则电路接收 到的有效电信号是一个低频的弱信号，并且里面夹杂这其他的干扰信号。模拟电 路在接受这些信号后，需要对信号做放大、滤波、整形处理。这样处理过后的信 号才是低频有效的较强信号，并且能被数字电路中的 EP2C8T144 芯片所接收。
放大
放大电路的总重要的作用是将 ST188 输出的微弱的电压信号放大到 74HC14 工作时所需的电压范围。据资料显示，ST188 采集到的人体的心率信号 所能转化的电流大概在 0.05mV-5mV 左右，74HC14 所需的输入电压一般要超过 3V，那么我们放大电路的倍数至少也要超过 60000 倍以上 ，根据我们所有的元 件，用一个放大电路来实现这样的放大倍数是不现实的，那么我们就一定会需要 两个放大电路串联来实现，而且我们可以确定每个子电路的放大倍数都约为 300， ；两级的放大电路都将 R1 设为 680K、R2 设为 2.7K；如果灵敏度不够，可 将 R2 设为 1k。
诊断
对实时心率进行比较，低于 50 为过低，高于 120 为过高，两者之间为正常。
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每相邻两组心率进行求差运算，差值达到 10，并且此现象出现 5 次，则诊断为 心率不齐。
报警
对诊断结果进行报警， 包括快、 慢和正常， 三者不相容， 心率不齐单独报警， 两者互不影响。
处理
要显示的心率信息进行处理，将三位数拆分送入译码。并能处理显示瞬时心 率还是平均心率。