便携快速心率计Word文件下载.docx
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三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；
验证所设计的电路，用软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.阎石主编．数字电子技术基础．[M]北京：
高等教育出版社，2006年
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
序号
评定项目
评分成绩
1
设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）
2
设计结果可信（例如：
系统分析、仿真结果）（15分）
3
态度认真，遵守纪律（15分）
4
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（35分）
5
答辩（30分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2014年7月10日
一、概述
心跳所呈现出来的信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。
根据人体心跳信号特征，本文设计了一种心跳波动频率测量系统。
本次设计的便携式快速心率计，原理结构主要由六部分组成，其中包括：
倍频电路、定时电路、显示电路，报警电路、计数电路、控制电路。
利用函数发生器代替心跳信号，经过倍频电路，在555时基电路、数码显示、控制、计数等电路元件的配合下，利用Multisim仿真软件，可以实现此心率计的仿真设计。
各个电路模块，根据其功能特点均有多种方案选择，我们在设计过程中，利用所掌握的理论知识，对各种方案做出比较，并要求选择出最佳方案，完成整体设计，并且实现利用Multisim软件对每一模块的仿真。
二、方案论证
方案一：
把模拟的心跳信号，在单位时间N内（如15秒）进行计数，完成后将计数结果通过乘法器乘以系数60/N（如60÷
15=4）并用数字显示其计算后的值，从而得到每分钟的脉搏数。
如图1所示。
图1方案一电路的原理框图
方案二：
该方案采用的是倍频的方式求取心跳数。
在单位时间30秒内进行计数，由于30秒是一分钟的1/2，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是30秒内测得值的2倍。
所以可以通过对被测信号进行细分（即2倍频），从而通过计数器在30秒内所得计数结果就是一分钟的心跳数。
如图2所示。
图2方案二电路的原理框图
第一种方案比较直观，但精度较低，如果计数时间是15秒最大时误差为±
4次，而且电路结构需要乘法器，乘法器芯片难寻，电路结构复杂；
第二种方案直观，电路结构简单，且精度较第一种方案高，但由于采用倍频电路其精度已提高到±
2次，完全满足设计要求。
为了使心率计轻巧而便宜，且有较高精度通常采用第二种方案，本文的设计就基于这一方案。
三、电路设计
1.倍频电路
为了在30秒内进行计数一分钟的心跳数，由于30秒是一分钟的1/2，所以理想情况下60秒内测得的心跳数是30秒内测得值的2倍。
倍频电路的实现方式如图3。
图3二倍频电路图
2.定时电路
时间信号是标准测量的基础，这个信号可采用多谐振荡器产生，在简单定时电路中，可以用555定时电路。
根据门控电路要求，需要设计正脉冲宽度T为1秒，可根据555的计算公式计算电阻R1和R2及电容C1、C2的参数。
555定时器功能表如图4所示。
输入
输出
TH
VO
Dis
×
<
VCC
>
L
H
不变
导通
截止
图4555定时器功能表
555定时器产生的多谐振荡器电路如图5所示。
输出端
图5555定时器产生的多谐振荡器电路
3.计数器电路设计
由于设计要求的范围在40~200之间，所以要用到3位10进制计数，电路选用三片74LS160级联构成1000进制计数，完全满足任务要求。
74LS160是8421BCD码同步加法计数器芯片，芯片引脚功能如表1所示，设计的计数器电路如图6所示：
图6
计数器电路图
表174LS160各引脚定义
A~D
预置数输入端
QA~QD
计数输出端
ENP、ENT
计数使能端
~LOAD
同步置数，低电平有效
~CLR
同步清零，低电平有效
CLK
计数输入端
RCO
进位输出端
电路采用异步进位，由低位依次向高位进位；
由于每一块计数芯片为10进制，所以三片级联构成1000进制计数，完全满足设计要求。
4.锁存显示电路
（1）1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部输出0,即全部复位;
（2）当1脚为高电平时,11（CLK）脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上.
图7锁存显示电路
5.报警电路
设定的心率范围是40~200，当超过这个范围后，报警电路就会报警，该电路是采用了六片数值比较器74LS85，74LS85管脚图如图8所示。
此部分前三个芯片为小于40的报警系统，后三个为大于200的报警系统。
数码管显示由锁存器锁存的数值，该数值与比较器中的40比较，如果小于40，则报警，即红灯点亮；
如果大于200也会报警即红灯点亮。
电路图如图9所示。
表274LS85引出端符号
A0－A3
字A输入端
B0－B3
字B输入端
A＞B
A＞B级联输入端
A＝B
A＝B级联输入端
A＜B
A＜B级联输入端
FA＝B
A＝B输出端
FA＞B
A＞B输出端
FA＜B
A＜B输出端
74LS85
图874LS85芯片管脚图
图9报警电路
四、性能测试
1.倍频电路测试
利用555定时器制成多谐振荡器，选择R1=2R2=48kΩ，C1=10μF,C2=0.01μF可以得到周期为1s的信号。
利用示波器观察信号倍频前的波形如图10所示，周期T1=1.009s
图10倍频前波形图
利用二倍频电路得到的信号波形如图11所示。
周期T2=495.726ms。
T1约等于2倍T2，达到倍频的效果。
图11倍频后波形图
2.报警电路测试
通过调节555多谐振荡器的阻值，改变其周期，作为模拟心跳信号，当心跳次数12小于40时，红灯点亮，报警。
如图13所示。
图13计数12次时的效果图
当计数大于40且小于200时，如60次、198次，视为正常范围，不产生报警，红灯熄灭。
如图14~图15所示。
图14计数60次时的效果图
红灯熄灭
图15计数198次时的效果图
当计数为306次时，超出设定范围40~200，产生报警，红灯点亮。
如图16所示。
红灯点亮
图16计数306次时的效果图
五、结论
通过使用555多谐振荡器模拟心跳信号，使用倍频电路对信号处理，本设计的要求是误差范围≤±
4次/分,所以我采用二倍频电路，当定时器计数到30秒时，会产生一个上升沿信号，利用该信号控制锁存器和显示电路，使显示电路显示当前计数器的数值。
然后通过6片74LS85与当前数值进行比较，由于课程设计的要求是40~200，所以当计数超过这个范围时，我设定报警器报警，即红灯点亮。
当测量完成后，点击空格将数据清零，再点击空格开始测量，当完成一次测量进行第二次测量时，锁存显示电路会一直显示上一次测量的值，便于医护人员记录，和提高测量效率。
本设计通过数模混合电路设计实现了对心率信号的实时测定，并能发出警告。
整个电路尽量考虑到各方面的因素，做到线路简单，减小电磁场干扰，充分利用集成芯片，弥补分离元器件的精度不足。
甚至还可以以该设计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善，扩展至对人体其他生理状态的测定。
对于此次课程设计，我自己感觉学到了很多东西。
不仅是新知识的学习，更重要的是我学会了如何去运用已有的知识，深刻体会到了基础知识的重要性，更懂得了闭门造车是行不通的。
总之，亲自动手是课堂学习的延续，电子领域随时随地都在发生着翻天覆地的变化，现有的知识储备总是落后于科技的发展脚步，我们只有不断学习新知识，才能做到在面对新课题时游刃有余。
参考文献
[1]童诗白、徐振英编.现代电子学及应用.高等教育出版社，1994年
[2]陈明义、宋孝瑞等编.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社，2002年
[3]陈晓文主编.电子线路课程设计.电子工业出版社，2004年
[4]杨素行主编，清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，2002年
[5]阎石主编，清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础.高等教育出版社，1985年
[6]天津大学张国雄、金篆芷主编.测控电路.机械工业出版社，2001年
[7]潘银松主编.电子电路CAD.重庆大学出版社，2007年
[8]刘鸣主编.电子线路综合设计实验教程.天津大学出版社，2008年
[9]林家瑞主编.集成电路及微机应用手册.华中科技大学出版社，2001年
[10]王斌主编.模拟电子技术实验与课程设计.西北工业大学出版社，2006年
附录I总电路图
附录II元器件清单
编号
名称
型号
数量
U1、U2、U4、U6、U8
计数器
74160N
U3、U16
锁存器
74273DW
A1
多稳态触发器
555_VIRTUAL
TIME
U12A
六反相器
74LS14D
U13A、U14A
D触发器
74LS74N
6
U15A
异或门
74LS86D
7
U28、U29、U30、U31、U32、U34、
数值比较器
74LS85D
8
U10、U11、U18、U19、U22、U23、U24、U25
数码管
DCD_HEX_ORANGE
9
X1
电灯泡
10
U17A、U26A
反相器
7406N
11
S1、S2A
单刀单掷开关
12
U20A
或门
7432N
13
U9A、U5A
与非门
7403N
14
U7A
7422N
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