心率测量仪设计

目录摘要 (1)引言 (1)1.设计要求 (2)2.设计过程 (2)2.1 总体方案设计 (2)2.2 单元电路设计 (3)2.3 总体电路及工作原理 (10)3.装调与测试 (11)3.1 电路板的制作 (11)3.2 电路板的焊接 (11)3.3 测试 (11)总结 (12)参考文献 (12)数字式心率测量仪设计姓名：吴贺学号：20075042067单位：物理电子工程学院专业：电子信息工程指导老师：周胜海职称：副教授摘要：对于医院的危重病人，或者在其他一些特殊场合，需对人的心率进行连续检测。

本设计针对这一需求，设计了一台简易的数字心率测试仪。

设计的思路是用压力传感器检测病人手腕部的脉搏跳动，把脉搏信号转化为电信号，压力传感器的输出信号经一系列电路处理，形成了可用于检测的脉冲信号。

再经电路处理，最终由数码管显示其数值。

关键词：心率；计数器；放大器；传感器；显示电路；译码器。

Design of a Digital Heart Rate MeterAbstract:For some serious patients in hospital, or in some special occasions, heart rate is needed for continuous detection. this design according to the requirements, design a simple digital heartbeat tester. The thought of the design is to use a pressure sensor to detect the pulse flop of the patients, the pulse signals are converted to electrical signals, the output signal of pressure sensor is dealed with a series of circuit processing, the pulse signal which can be used to test is formed. After dealing with the circuit, finally the digital tube shows its value.Key Words:heart rate; counter;amplifier ; sensor;show circuit ; decoder.引言心率是用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。

一分钟时间内脉搏次数与心率是一致的，可以通过测量人在不同运动状态和安静状态下的脉搏，脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。

过去人们测量脉搏时常用的方法是使用测量脉搏的听诊器，或者使用吸附在人体上的电极等老式测量方法，这些方法操作不方便且计数也不准确。

随着电子技术飞速发展，数字化时代给人们生产生活带来了极大的方便，数字式心率测量仪的研究及其应用也不例外。

采用压电传感器检测采集人体的脉搏，检测的部位为被检测人的任意一个手指或者是耳垂。

检测的基本原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。

当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。

这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。

本心率计在设计时充分考虑到过去测量心率的弊端，介绍了该方案电路的基本设计方法以及系统的工作原理。

本设计通过压电传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大及整形电路对其进行放大整形，然后将放大整形后的脉搏信号转换脉冲信号。

通过555定时器构成的单稳态触发器和十进制可逆计数器/锁存器/译码驱动器CD40110对脉冲信号进行处理，最终在LED中直观地显示出来。

通过调试，表明本设计可以实现对心率的数字化测量，能在疾病诊疗、运动量控制等多方面提供客观依据，具有一定的实际应用价值。

本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后给出总体电路和工作原理[1]。

1.设计要求可准确测量人的心率；测量结果数字显示；适于便携使用；使用简便。

2.设计过程2.1总体方案设计正常人的脉搏次数是每分钟60～90次（婴儿为90～120次,老年人则为100～150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是:要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。

对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行进一步的加工和处理。

脉搏测试仪要能在15秒左右测出脉搏跳动次数。

总之，脉搏测试仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。

可见，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

这种设计方案的方框图如图1所示：2.2单元电路设计2.2.1传感器为了把心率信号转换成电信号，应采用压电式传感器。

它有两种基本类型：石英晶体和压电陶瓷。

前者温度稳定性和机械强度都很高，工作温度范围宽，转换精度也高。

而压电陶瓷是人工制造的压电材料，优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜，只是温度稳定性和强度不如石英晶体[2]。

目前应用更多的是压电陶瓷，它在性能上能满足数字式心率测量仪的要求，而且成本低是一个重要因素。

本设计采用压电陶瓷片HTD作为传感器[3]。

2.2.2信号调整电路信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件。

本设计将信号调理与放大整形两部分放在一起，用芯片CD4011来实现。

2.2.3放大与整形电路本单元电路如图2所示，压电陶瓷片HTD 贴在人身测试部位（如脉搏）时，它便把人体脉搏信号转化为电信号，但该电信号很微弱，在此可将微弱的电信号经过与一个与非门组成的放大器进行放大，放大后的信号再由一个与非门进行整形，经过放大和整形后的电信号便于后续电路的测量[4]。

该单元电路中使用的CD4011是四-2输入与非门集成电路。

2.2.4时基信号产生电路时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD40110的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对心率电脉冲计数，固定时间为一分钟（或30秒）。

为了得到精确的定时信号（计数器的门控信号），本设计选用了555定时器加上一些电阻、电容元件构成的单稳态触发器来完成这种功能。

图3是555定时器的电路结构图，它由比较器1C 和2C 、基本RS 触发器和集电极开路的放电三极管D T 三部分组成[5]。

555定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。

外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等。

它是有上下两个电压比较器、三个5k Ω电阻、一个RS 触发器、一个放电三极管T 以及功率输出级组成。

比较器1C 的反向输入端接到有三个5k Ω电阻组成的分压电阻网络的2/3cc V 处，同相输入端为阈值电压输入端。

比较器2C 的同相输入端接到分压电阻网络的1/3cc V 处，反相输入端为触发电压输入端，用来启动电路。

两个比较器的输出控制RS 触发器。

当比较器2C 端的触发输入电压小于1/3cc V 、比较器1C 端的阈值输入电压小于2/3cc V 时，2C 输出为1，1C 输出为0，即RS 触发器的S=1，R=0，故触发器置位（置1），所以放电三极管截止。

当比较器2C 端的触发输入电压大于1/3cc V 、比较器1C 端的阈值输入电压大于2/3cc V 时，则 RS 触发器的S=0，R=1，故触发器被复位（置0），放电三极管T 导通。

此外，RS 触发器还设有复位端，当复位端处于低电平时输出为低电平。

控制电压端是比较器1C 的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器1C 和2C 的参考电压[6]。

由于555定时器使用灵活、方便，所以其在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器等许多领域中都得到了应用。

以555定时器的12v 端作为触发信号的输入端，并将由D T 和R 组成的反相器输出电压接至11v 端，同时在11v 对地接入电容C ，就构成了如图4所示的单稳态触发器。

单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。

稳态时，无触发信号：I V 1=（> cc V 即可，2c V 1=） 若通电后，0Q =→D T 导通→ →0Q =保持若通电后，1Q =→D T 截止→C 充电至00321=→=→=Q V V V c cc c →D T 导通→C 放电→ →0Q =保持触发时，I V只要I V 降至 cc V ，则 → ，电路进入暂稳态，D T 截止→C 开始充电当 充至 cc V 时，（假定此时I V 已经回到高于 ） 则 →0Q =，D T 导通，→C 开始放电至0Q =保持电路恢复到稳态，图5画出了在触发信号作用下o v 和c v 相应的波形[6]。

输出脉冲的宽度w t 等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R 和电容C 的大小。

由电压波形图可知，w t 等于电容电压12101c c c V V V =⎧=⎨=⎩1211c c V V =⎧⎨=⎩131210c c V V =⎧⎨=⎩1Q =c V 2313cc V 131201c c V V =⎧⎨=⎩01211c c V V =⎧⎨=⎩在充电过程中从0上升到2/3cc V 所需要的时间，因此得到通常R 的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，w t 的范围为几微秒到几分钟[7]。

但必须注意，随着w t 的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。

2.2.5计数/译码/锁存驱动电路CD40110/显示电路在译码/锁存电路的基础上再集成计数器电路就构成了包含计数器的译码驱动电路，如CD40110。

本心率设计电路可采用十进制可逆计数/译码/器/锁存驱动电路CD40110和小型七段LED 共阴极数码管连接作为计数、译码、显示电路[8]。

CD40110能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED 数码管，其引脚排列如图6所示。

CR 为清零端，R ＝1时，计数器异步清零。