基于压电传感器的心率计的计算机设计与仿真Word下载.docx
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Abstract
Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Accordingtothecharacteristicsofthehumanpulsesignals,apulsefluctuationfrequencymeasurementsystemisdesigned.Thedesignofpiezoelectricsensorsonthebasisofheartrate,themainprinciplebehindthestructurefromthesixcomponents,including:
measuringcircuit,amplifier,filterplasticcircuit,countsshowcircuit,controlcircuits,powersupplycircuits.Theselectionofthesesensorsistheprimarytaskinthedesign,followedbythesignalisenlargedandthenumberofcircuitdesign,thekeypointiscountingcircuitinthecountingmethodchoice.Showcircuitcanusethetraditionaldesignmoduleasareference.Useofpiezoelectricsensors,willfeelthepulseofthehumanbodythroughthepiezoelectricceramicscanhandletheconversiontoelectricalsignals,throughintegratedoperationalamplifiers,filtercircuits,suchasplasticcircuitmodule,in555at-circuit,digitaldisplay,control,countingandothercircuitelements,CoupledwiththeuseMultisim2001simulationsoftware,canachievethisrateofsimulationdesign.Eachcircuitmodule,accordingtotheirfunctionalcharacteristicshavethechoiceofavarietyofprogrammes,weinthedesignprocess,masteredbytheuseofthetheoryofknowledge,tocomparethevariousoptionsandaskedtochoosethebestoption,tocompletetheoveralldesign,andImplementationofMultisim2001softwareforeachmoduleofthesimulation.
Thetaskofdesigningadetailedanalysisofpiezoelectricsensorsformeasuringheartrateandontheprincipleofmerit,ontheothercircuitwiththecompositionandcharacteristicsofthework,comeindifferentmeasurementdataandtechnicalparametersundertheconditionsofthesimulationresults,makingThetopicstoachievetheexpectedresults.
Keywords:
Piezoelectricsensors,controlcircuit,counters,Multisim2001simulationsoftwarecontrolcircuit.
第一章引言
心率研究的意义
中医对脉诊是十分重视的，认为通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰，可以探测病因、病位、预测疗效等。
从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。
从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；
从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。
因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。
作为现代电子仪器与医学相结合的一个重要应用课题，具有深远意义。
现代医学的不断发展和进步，使人们对各种测量仪器的要求越来越高，而心率的测量是一种评价人生理状况的好方法。
心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频率。
本设计是一款性价比比较高的电子心率计，它解决了传统测量方法的不准确性和随机性，能够准确的测量出人体的心率，并以数字的方式将测量结果显示。
它利用压电陶瓷片将人体脉搏转换为可处理的电信号，再经过信号的放大、整形滤波，而实现人体心率的测量和显示，具有抗干扰能力强、稳定性能好、电路成本低、应用范围广等优点。
本设计旨在综合压电传感器以及相关专业知识，设计一个数字脉搏计，对人体脉搏进行测量经数码管显示，最终利用软件Multisim2001仿真出实验结果。
本课题综合性较强，可以巩固所学专业基础理论和基本操作技能，培养综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；
通过在设计中选择合适的传感器，进而掌握其原理、应用范围、功能等；
还可以深入了解心率计的工作原理、元器件选择以及电子仪器的常用设计方法等，进而掌握使用计算机进行电子线路设计与仿真的基本思想和方法。
通过这次毕业设计，重温了专业理论知识，锻炼了动手操作技能，实现了理论和实践的有机结合，为将来从事相关行业积累了初步的设计经验。
国内外研究现状
在医疗诊断中，快速脉搏测定已从传统的测量方法向多参数生命体征监护仪和自动脉搏测量仪发展。
由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存储数据等功能特点，不仅减轻了医务人员的工作强度,也使医疗手段得以现代化、高科技化。
新技术和新工艺使传感器和实验室仪表两者成为同一个芯片，这是全新的提高。
这种多元化的测量系统正朝着体积小，功耗低、使用灵活、便于携带，适合于社区和住院病房使用,有较强的分析能力，可扩展等方向发展。
如与PC机进行通信，将采集到的脉搏信号通过无线网络传输到PC端，从而实现远程医疗等。
现今多数医生用听诊器测量脉搏，医用脉搏计可以精确测出心率，并且可以测出心肌收缩力度，从而判断病人的健康状况；
而家用脉搏计只需测出脉搏的频率，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带,。
课题要求
1、选用合适的传感器。
2、设计与传感器配合的信号处理电路。
3、设计相关电子线路并画图。
4、熟练掌握Multisim2001和Protel99SE的使用方法。
5、完成对设计的电子线路和系统的仿真实验。
6、测试相关点的波形，记录、分析整理测试数据。
设计内容
1、方案比较及论证，查阅相关资料，选择最佳设计方案，列出设计思想。
2、了解心率计的测量原理，结构特点以及控制要求。
3、了解心率计的工作原理、结构框图等，完成单元电路设计。
4、实现电路的测量与仿真。
5、绘制电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。
6、总结。
主要技术指标及参数
1、计数范围：
1～999。
2、数字显示位数：
三位静态十进制计数显示被测信号数值。
3、具有计数及锁存功能。
4、性能良好，工作可靠。
传感技术的研发概况
随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。
自20世纪50年代以来，科学家对于脉学的理论、脉诊方法、临床诊断和实验研究等方面均开展了大量工作，取得了较大进展。
脉象的客观化研究集中在脉象仪的研制方面。
脉象传感器是脉象仪的关键部分。
英国人Marey最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。
1860年首次出现杠杆和压力鼓式描述脉搏图，1895年开始采用换能的方式，出现了杠杆式光学脉搏描述器。
20世纪50年代我国学者朱颜首次将杠杆脉搏描述器引用到中医脉诊的研究中来。
自20世纪70年代至今，研究人员已研制出种类繁多的换能器以模拟中医切脉的手指采集脉搏信号并记录。
目前应用的脉象传感器种类繁多，根据其工作原理可分为4种：
通过感受脉动处压力的变化而描述脉搏图的压力传感器；
通过感受脉管容积的变化来描述脉象的光电传感器；
利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动即所谓听信号的传声器；
还有超声多普勒检测技术。
但是目前国内医疗机构对于脉搏和血压的测量在相当程度上还依赖于听诊器，医疗事业的发展使其测量将由数字化仪器所代替。
传感器是脉搏检测仪器中的重要部件。
国内外科研人士在提取脉搏图象方面已开展了大量工作，先后研制了不同种类的传感器及测量设备以获得脉搏波形。
如：
液态传感器，将单位长度管段动脉内血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来测量脉搏波形。
它的灵敏度虽高，却因液态传感器本身结构特点的限制使测量过程并不方便。
由新型高分子材料PVDF、扩散硅等压电材料（具有压电效应）制成的压电传感器在医用领域得到了广泛应用。
采用红外线来检测采集人体的脉搏，检测的部位为任意一手指或者耳垂的液晶显示型心率计也较为应用。
随着电子计算机技术的发展，智能传感器也应用到各个领域。
在医用领域将传感器与信号采集、放大装置、计算机等相结合构成新型智能测量系统，不仅可以对脉搏的频率、血压等实现单方面测量，也可实现对人体进行多点测量，完整检测脉搏的波动状态，更加科学的反映脉象变化，为医生提供了详细的诊断参考依据。
第二章设计方案论证
心率计的根本任务是实现对人体心率的测量，其中包括：
心跳是否正常、是否过快或过慢、是否有心率不齐等现象。
心率的数值根据个人的年龄、性别及其他生理情况而不同。
各种心跳分析，都是要通过对心率的计数来完成的。
为实现测量目的，首先要将压力信号转变为电信号，再进行信号的放大、滤波和整形，变成适合信号进一步处理的数字信号。
这一过程在任何方案中都是必须的，因此放大、整形无需论证，只需选择各电路的最佳方案。
实现数字脉冲计数的方法很多，在本设计中，我们必须选择一种最合适的方法应用到心率计中，以满足设计需要。
实现对数字脉冲计数比较常用的方式有两种：
一种是应用计数芯片实现计数；
另一种是利用单片机控制实现计数。
应用计数芯片，通过一些基本的数字电路知识，来配合计数芯片实现计数，然后驱动数码管显示。
这种方式线路比较复杂，但是技术成熟，而且很容易进行仿真，比较适合学习用。
利用单片机控制实现计数，具有电路设计简单、抗干扰能力强、稳定性能好、电路成本低、应用范围广等优点，其功能可以通过软件实现，并且实现的方式比较灵活，适合实际应用，是一种很理想的设计方案，但是不宜通过软件进行仿真。
根据本次毕业设计使用Multisim2001软件仿真的要求，我们选择第一种方式即应用计数芯片实现计数功能。
传感器的分类及工作原理
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
2.1.1传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：
1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：
输出为开关量（“1”和"
0”或“开”和“关”）的开关型传感器；
输出为模拟型传感器；
输出为脉冲或代码的数字型传感器。
2.1.2传感器的工作原理
1、电阻式传感器：
其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经过相应的测量电路而最后显示被测量值的变化，电阻式传感器与相应的测量电路组成测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭距、测温度等测试系统。
2、电位器式传感器：
电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器，可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。
所以它是一个机电传感元件。
3、电感式传感器：
是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。
电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般利用磁场作为媒介或利用磁铁的某种现象。
这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。
电感式传感器具有以下优点：
结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨率高，示值误差一般为示值范围的％～％，稳定性好。
它的缺点是频率响应低，不宜用于快速动态测量。
4、电容式传感器：
电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件。
电容式传感器已经在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。
电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高达％精度的电容式传感器在国外已有商品供应。
优点是温度稳定性好，结构简单、适应性强，动态响应好，可以实现非接触测量，具有平均效应。
缺点是输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，输出特性非线性。
5、磁电式传感器：
是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。
6、压电式传感器：
利用压电材料的压电效应，将机械能转化为电能，属于典型的有源传感器。
它的敏感元件由压电材料制成。
常见的压电材料有石英晶体、人工合成的多晶体陶瓷（如钦酸钡、错钦酸铅等）以及有机高分子聚合物PVDF。
工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。
此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等（见压电式压力传感器、加速度计）。
它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
由于压电传感器的动态响应好，在动态测量中使用广泛。
缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
7、光电式传感器：
是将光通量转换为电量的一种传感器。
光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。
光照射在物体上就可以看成是一连串的具有能量E的粒子轰击在物体上。
所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。
传感器的选用分析
传感器种类繁多，不同工作原理的传感器应用于不同的产品研究及开发。
因此，传感器的选择是完成本设计的重要部分。
无法进行频率测量，因此不适用于本课题的设计。
2、电容式传感器：
由于不能进行微信号测量，因此不适用于本课题的设计。
3、电位器传感器：
是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器，因此不适用于本课题的设计。
4、电感式传感器：
其分辨力和示值误差与示值范围有关。
示值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。
因此不适用于本课题的设计。
载流半导体在磁场中由电磁效应而输出电动势，因此不适用于本课题的设计。
6、磁阻式传感器：
与电磁感应相关，因此不适用于本课题的设计。
由于光电测量方法灵活多样，可测参数较多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，所以光电式传感器适用测量心率。
8、压电式传感器：
它可以把加速度、压力、温度、湿度等许多非电量转换为电量。
具有灵敏度高、结构简单、动态响应好等优点,所以压电式传感器适用测量心率。
由此可见，光电式传感器、压电式传感器是可以满足心率测量要求的。
根据本次课题设计要求，我们选用压电式传感器。
本次设计采用半导体压力传感器2S5M，其敏感元件为半导体应变片。
压力传感器2S5M用恒流源供电比用电压源供电的测量精度高，故测量电路采用恒流源的供电形式。
这里的电流源不是采用电流源元件，而是用放大器电路取得。
具体的电路及其原理说明见第三章。
设计方案
通过放大电路、滤波电路及整形电路出来的信号为脉冲信号。
脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即
。
可以看出测量fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。
对于不同的频率范围，有三种不同的测量方法。
1、周期测量法：
采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。
被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx，因此被测信号周期为
，每分钟脉搏跳动次数为
2、频率测量法：
也叫倍频法，根据频率计的原理，将被测信号倍频后，测量其在闸门时间内的脉冲个数，即为心率值。
例如设心率为每分钟n次，则频率测量电路不直接测量心率脉冲数，而用一个计数器的8倍频后的信号进行计数，并规定计数时间为秒，则秒内的计数值为（8n/60）
=n。
可见，该计数值恰好等于所需测定的心率。
此次设计采用频率测量法，这种方法采用的电路结构简单，易于实现，可以在几秒内测得相对可靠的心率值。
第三章硬件电路设计
心率计工作原理框图
本次数字心率计的设计可分为以下几个模块：
测量电路、放大整形电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路等。
其原理方框图如图3-1所示：
图3-1心率计原理框图
1、传感器部分。
选用合适的传感器，将物理信号转换成电信号输出。
传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了心率的测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
2、信号放大电路部分。
从传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。
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。
3、滤波与整形电路。
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，然后通过整形将模拟的不规则的信号转变成便于信号处理的数字脉冲信号。
4、倍频电路。
提高整形后脉冲信号的频率，以此在短时间内测得心率的数值。
5、闸门电路。
产生短时间的控制信号，控制测量时间。
6、控制电路。
用以保证在基准时间控制下，使倍频后的脉冲信号送到计数器进行计数。
7、显示电路部分。
由计数译码后的心率值最后送往LED显示电路直观地显示出来。
所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现心率值的显示。
考虑到每个模块都可以有多种实现方案，下面通过比较各种方案，来选择最优化的实现方案。
电源供电电路
心率计的正常测量、信号输出离不开电源。
根据心率计的工作原理，电源可以采用交流供电和直流供电两种方式。
通常情况下，交流电压采用220V的电压等级，直流电压采用±
5V～±
15V的直流电压等级。
3.2.1采用交流220V电源供电方式
交流220V的供电方式主要原理是，通过整流桥进行整流滤波，将交流电压变为直流电压再给心率计进行供电。
主要工作过程是，先利用隔离变压器将220V的电压进行降压，得到所需电压，然后通过整流设备进行整流、滤波，再输出稳定的直流电压提供给心率计。
3.2.2采用直流电源供电方式
便携式心率计一般采用三节5V直流干电池直接对电路进行供电，这种供电方式方便、实用。
这次心率计设计中，交流供电、直流供电两种方式我们都可以采用。
也可以同时采用两种供电方式在仿真实验中实现。
测量电路
心率信息的采集，是要依靠测量电路来实现的。
测量电路在心率测量过程中起着“先行官”的作用。
没有准确的测量，那么一切数据信息都将没有意义。
实现测量目的的重要元件就是传感器。
当前传感器技术发展迅速，我们可以在设计过程中选用技术成熟的成型传感器。
根据前面的方案论证，满足心率计要求的传感器有：
光电式传感器和压电式传感器。
我们此次设计选用压电式传感器。
本设计以测量心脏跳动频率为目的，通过查阅大量相关资料，常用的心率测量可有以下三种方案：
一是通过测量单位血管长度血液流量的变化来测量心跳的频率；
二是通过测量心脏跳动流过传感器时对传感器的压力的变化来测量频率；
三是利用心脏跳动时的振动来测量。
方案一：
通过测量单位血管长度血流量的变化测心跳频率
实现此种方式测量的传感器主要以液态传感器、光电传感器为主，这两种传感器均是利用血液流过传感器时，单位长度血管内血液体积的变化引起电信号的变化。
不同的是前者是引起传感器测量范围内电阻的变化，从而引起电
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