数字心率计设计资料.docx
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数字心率计设计资料
数字心率计设计说明书
1、程设计任务书
课程设计题目
数字心率计设计
学院
专业
年级
2009
任务要求
心率计是用来测量一个人心脏单位时间跳动次数的电子仪器，也是心电图的重要组成部分。
设计一个数字心率计，要求实现在短时间内测量1分钟的心脏跳动次数，并且显示其数字。
当心脏跳动次数超过正常范围时，能够发出异常指示（LED发光二极管发光报警指示），并且正常范围可根据需要进行设定。
性能指标要求
1、测量范围：
正常心跳次数成人为60~90次/分钟，婴儿为90~120次/分钟，老人为55~80次/分钟，正常范围可以设定。
2、测量精度：
测量误差≤±4次/分钟。
3、报警指示：
采用LED发光二极管。
学生应完成的工作：
1、课程设计说明书。
要求：
内容完整，图表完备，字迹工整，条理清晰，分析有据，计算准确。
课程设计说明书应包括以下内容：
a）任务书；
b）说明书正文；
Ø任务分析与方案设计；
Ø电路设计，元器件参数计算及选择；
Ø电路原理框图及电路工作原理说明；
Ø本次课程设计的体会。
c）参考资料清单；
2、完整电路图一张。
要求：
布局合理，清晰完整，线条粗细均匀一致，图形大小适合，图形和符号要规范。
3、所用元器件清单（序号、名称、型号、规格或数值、数量）。
目前资料收集情况（含指定参考资料）：
[1]童诗白，徐振英.现代电子学及应用.北京：
高等教育出版社，1994.
[2]陈明义，宋孝瑞等.电子技术课程设计实用教程.长沙：
中南大学出版社，2002.
[3]陈晓文.电子线路课程设计.北京：
电子工业出版社，2004.
课程设计的工作计划：
2012年6月11日－2012年6月13日：
根据设计任务，收集相关资料；
2012年6月13日：
在熟悉收集到资料的基础上确定总体设计方案；
2012年6月14日－2012年6月19日：
单元电路设计，元器件参数计算；
2012年6月19日－2012年6月20日：
完整电路图绘制；
2012年6月20日－2012年6月22日：
完成课程设计说明书。
任务下达日期2012年6月11日
完成日期2012年6月22日
指导教师（签名）
学生（签名）
2.说明书正文
2.1：
任务分析与方案设计
心率计是用来测量一个人心脏在单位时间跳动次数的电子仪器。
心脏的收缩和舒张引起血压的变化，不同年龄段和不同健康状况的人正常血压范围有较大差异，但是收缩压和舒张压的差值却大致都在40mmHg~50mmHg范围内。
基于此，可以利用压力传感器将人体血压的变化转化成电压的变化，再通过滤波、放大、整形后得到方波，由模拟转化成数字后再进行后续处理。
现提出两种计数方案：
1）定时计数
在一定时间内对脉冲信号进行计数。
由于任务要求在短时间内测出1分钟心脏跳动的次数，则需要对整形后的方波信号进行倍频；又由于测量误差要求≤±4次/分钟，则最多可以4倍频，此时，测量时间为15s。
电路模块方框图：
2）定数计时
在定数的脉冲信号持续时间内，对标准时钟信号进行计数，再通过转换得到心率值。
如设置标准时钟信号周期为0.1s，在6个脉冲信号持续时间内（即5个心脏跳动周期）对标准时钟信号进行计数，设计数值为N，则心率为3000/N。
计算过程如下：
每个脉冲周期To=0.1N/5s，则心率S=60/To=3000/N（次/分钟）。
电路模块方框图：
方案一的测量时间长，测量误差也较大，且测量误差与测量时间成反比关系；但是计数值即为心率值，电路实现较为简单。
方案二测量时间短，测量误差也小；但是计数后的值还需要进行除法转换后才是心率值，电路实现较为复杂，成本也较高，故采用方案一。
2.2:
电路设计，元器件参数计算及选择
2.2.1:
传感器的选择
传感器的选择需要综合考虑各项性能参数，这些性能参数要能满足测量要求，现对传感器的各项性能参数以及任务要求分析如下：
1）线性度指传感器输出与输入之间成线性的程度。
任务要求是测量心脏跳动的次数，而并未要求测量出血压值，故只需要得到一个个脉冲输出即可，对其量值没有太大要求，故系统对传感器线性度要求不高。
2）灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出变化量对输入变化量的比值。
由于人的血压压力较小，属于微压，也是微压差，故要求传感器有较大的灵敏度，才有一个比较大的输出量，对噪声的抑制也会更高。
当然，灵敏度也要和后级放大器的放大倍数相匹配，并不是越大越好。
3）迟滞也叫回程差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出信号大小不相等的现象。
由于系统仅要求测出脉冲输出即可，故对迟滞性能要求不高。
4）重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入-输出特性曲线一致程度。
重复性好，对于噪声抑制有利，故要求传感器有较好的重复性。
5）漂移指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的程度。
要求传感器有较小的漂移。
6）频率响应由于脉搏频率较低，所以对传感器频率响应要求不高。
综合以上性能参数以及任务要求，可以选出既能满足测量要求，又最便宜的传感器。
通过搜集大量压力传感器信息进行综合比对，飞思卡尔的MPX2050D压阻式硅压力传感器能够满足要求。
其主要特点如下：
压力范围0到50kPa
温度补偿范围0到+85℃
独有的硅切应力应变片
提供编带式或卷轴式出货封装选项
对供电电压比率输出
外壳采用聚砜（MindelS–1000）材料（医用5级许可）
图2.1传感器外形图图2.2传感器示意图
其主要性能参数如下：
表2.1
特性
符号
最小值
典型值
最大值
单位
压力范围
Pop
0
-
50
kPa
供电电压
Vs
-
10
16
Vdc
供电电流
Io
-
6.0
-
mAdc
最大输出
Vfss
38.5
40
41.5
mV
失调
Voff
-1.0
-
1.0
mV
灵敏度
ΔV/ΔP
-
0.8
-
mV/kPa
线性度
-
-0.25
-
0.25
%Vfss
输入阻抗
Zin
1000
-
2500
Ω
输出阻抗
Zout
1400
-
3000
Ω
由于人的血压差范围大致为40mmHg-50mmHg，即5.3kPa-6.7kPa，根据传感器灵敏度为0.8mV/kPa知，输出电压变化范围为4.24mV-5.36mV；再考虑人的最高血压为200mmHg，即26.7kPa，则最大输出电压为21.36mV。
各项指标均满足设计要求。
2.2.2:
滤波器的设计
人的脉搏信号属于低频信号，而传感器输出存在高频噪声，故需要用低通滤波器对传感器输出信号进行低通滤波处理。
由于传感器输出为非标准的正选信号，理论上需要对信号进行傅里叶变换，以得到输出信号的基频，才能得出滤波器的截止频率。
但条件有限，实施起来有困难，故根据经验取截止频率为1kHz进行设计计算。
采用无限增益多路反馈型低通滤波器，其电路图如下:
图2.3滤波器电路图
其中，前级运放接成跟随器，以提高输入阻抗；第二级为低通滤波器，各元件参数计算过程如下：
f=1kHz
，取
=5.1K，
=10K，
=10nF，
=47nF。
则
=
=6459rad/s
得出f=
≈1042Hz满足设计要求。
滤波器的幅频特性和相频特性曲线图如下：
图2.4幅频特性图2.5相频特性
由仿真波形知，通带截止频率大致为1kHz，与理论设计相符。
2.2.3：
放大电路的设计
人的血压正常情况下舒张压<85mmHg，收缩压<130mmHg，则传感器的输出有共模和差模信号。
要得到心脏脉动脉冲，需要的是差模信号，故需要选择性的放大差模信号，抑制共模信号。
因此，采用三运放高共模抑制比放大电路。
差模输出最大值为5.36mV，放大后的信号电压不应超过5V，则设计电压放大倍数为900倍。
设计电路图如下（其中最后一级运放为放大倍数为-1的反相器）：
图2.6放大电路
电路元件参数计算过程如下：
差模增益Kd=
=
；
差分放大倍数K2=
=50；
K3=-1；
故总增益K=Kd*K2*（-1）=900，得Kd=18；
所以，R10=11.76k。
电路仿真波形如下：
图2.7放大电路仿真波形
其中，通道1为输入，5mV/DIV；通道2为输出，2V/DIV，则放大倍数大致为4.85/0.0052=932。
由于元器件存在一定的精度误差，仿真结果在允许的范围内正确。
2.2.4：
整形电路的设计
整形电路的作用是将模拟信号转化成方波信号，才能输入计数器进行计数，其本质为电压比较电路。
电压比较电路分为单限比较、滞回比较和窗口比较。
单限比较容易产生“振铃”现象，一般很少使用；滞回比较电路可以很好的克服这个问题；串口比较用于既有上限又有下限的电压比较。
在此，用滞回比较电路能够得到很好的性能。
电路设计图如下：
图2.8滞回比较电路
各元件参数计算过程如下：
前级放大器最小输出电压
=4.24*900/1000=3.816V，则设置U2=2.5V，U1=1.5V；
U1=
U2=
将
=0，
=5代入得：
=1.875V，R3=4R2。
参考电压
由电源通过电位器分压得到，可以减少电路电源种类，使电路更简单。
取R2=10k，则R3=40k。
电路仿真波形如下：
图2.9整形仿真波形
2.2.5：
倍频电路设计
为了在短时间内测出1分钟内心脏跳动次数，需要对电路进行四倍频。
倍频电路主要是利用电容的充放电特性以及逻辑器件的门限电平，在方波的上升沿和下降沿处各得到一个脉冲实现倍频的。
根据
，调节R或者C都可以改变脉冲的宽度。
设计的四倍频电路图如下：
图2.104倍频电路
电路仿真波形见图2.11。
2.2.6：
定时器设计
心率计系统需要一个15s的定时器，我们采用比较成熟的555定时芯片构成多谐振荡器进行定时。
在此，提出两种定时方案：
图2.11倍频电路仿真波形
1）直接利用555定时芯片定时15s。
这样做的好处是可以使系统电路相对简单；但是，由于大电容漏电流较大，直接定时15s误差会很大。
2）将555定时芯片定时1s，再利用一个16进制计数器对其进行15分频。
这样可以使系统的时钟更加准确，以减小测量误差。
为了减小测量误差，以达到设计要求，故采用第二种方案。
555定时电路及计数分频电路图如下：
图2.12定时电路
555定时器定时周期
=1s。
其中，74LS191D是4为二进制同步可逆计数器，其引脚功能如下：
A~D：
预置数输入端；
QA~QD：
计数输出端；
~CTEN：
计数控制端，低电平有效；
~U/D：
加/减计数控制端；
CLK：
计数时钟输入端；
~RCO：
进位/借位端，低电平有效；
MAX/MIN：
进位/借位端。
表2.274LS191功能表
其时序图如下图所示：
图2.1374LS191时序图
定时及分频电路仿真波形如下：
图2.14定时电路仿真波形
2.2.7：
计数器电路设计
人的心率范围在55~120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，设计的计数器电路如下：
图2.15计数器电路图
其中，74LS160各引脚定义如下：
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。
表2.374LS160功能表
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。
2.2.8：
译码显示电路设计
计数器计数值需要用数码管显示出来，由于计数器输出为BCD码，因此还需要用BCD码-7段数码管译码器译码后才能由数码管正确显示出来。
电路选用三片74LS48作为译码芯片，译码驱动共阴数码管，译码显示电路设计电路图如下：
图2.16译码显示电路图
其中，74LS48各引脚功能如下：
A~D：
译码输入端，A为低位，D为高位；
OA~OG：
译码输出端，分别与共阴数码管的A~G相连；
~LT：
测试引脚，低电平有效；
~RBI：
动态灭零输入端；
~BI/RBO：
消隐输入/动态灭零输出端。
表2.474LS48真值
2.2.9：
显示控制电路
定时电路和计数电路都有了，但还需要由定时电路得到清零和锁存等一系列控制信号，即还需要将他们有机的结合起来，这便是控制电路。
控制电路设计图如下：
图2.17显示控制电路
其中，SR为锁存信号，高电平时计数器赋值给锁存器，低电平期间锁存。
CLR为异步清零信号，低电平有效，将计数器值清零。
必须要先锁存，再清零。
各波形如下：
图2.18控制电路仿真波形
由于计数器是在下降沿计数，所以定时1s的方波确实被15分频了；锁存脉冲在清零脉冲之后，保证了电路时序的正确性。
电路工作过程为，开始测量15s后，测量结果即锁存显示，计数器清零后继续下一次测量，直到计数结束再更新锁存显示。
这样，每一次测量结果会锁存15s，给用户观察记录留下了充足的时间；同时，计数器在“后台”并未停止计数，提高系统的效率。
2.2.10：
比较报警电路设计
报警电路采用数字比较器CD4585，将锁存器锁存值与预先设定的阈值进行比较。
计数值大于阈值时，红灯亮；计数值小于阈值时，黄灯亮，以示报警。
阈值通过拨码开关设置，经9-4线编码器芯片编码后作为阈值；由于编码输出为反逻辑，故需要加反相器。
设计的电路图如下：
图2.19比较报警电路
其中CD4585为4为二进制比较器，其真值表如下：
表2.5CD4585真值表
其中，左边三个拨码开关用来设置上限阈值，从左到右依次为百位、十位、个位，某个拨码开关的从右至左第几位（最右边为0位）往上拨，就代表数值几。
右边三个拨码开关用来设置下限阈值，操作与设置上限阈值相同。
由于拨码开关有锁存功能，故译码后无需再接锁存器；译码的作用，是为了方便操作，杜绝了10进制到2进制的繁琐转换，给用户带来方便。
表2.6各年龄人正常心率范围
下限
上限
老人
55
80
成人
60
90
婴儿
90
120
自此，一个完整的数字心率计设计就完成了。
2.3：
本次课程设计的体会
这次课程设计让我学到了很多的东西，也给了我很多的启示和警告。
刚刚拿到任务的时候，觉得这个设计很简单，很快就应该能做出来。
因为觉得自己平时还学得不错，课余也有参加一些科研和竞赛，积累了一定的实践经验。
可真正下手做的时候才发现处处碰壁，因为不能用单片机，很多简单的功能都不知道用什么器件实现。
我这才发现自己的不足，对常用的模拟和数字芯片积累太少，过多的依赖于单片机。
这些积累，并不需要你懂得多透彻，很多时候，你只需要知道“有”某个器件“能”实现某个功能，就能给你的设计带来大大的方便。
这次设计，也让我们初步接触到了工程上的东西，比如滤波器的设计。
我们在多门课程上都曾学习过滤波器的设计计算方法，可真正拿到工程上应用时，还是会概念不清。
比如对于截止频率的理解，原本还以为就是心率；直到老师提醒后才反应过来，平时我们所说的频率，是指谐波频率。
对于非标准正弦信号，需要对其进行傅里叶变换，得到基波后才能确定滤波器的截止频率。
心率信号非标准正弦信号，且为低频信号，工程上一般取1kHz的截止频率。
教材知识，主要是一些经典的理论知识和学习方法，而不是直接指导实践的应用技术，我们需要对其深入理解。
对于某一种陌生的芯片，要想直接在教材上找到使用方法基本上是不可能的。
但是，如果理论知识比较扎实，就会知道它应该属于哪一类器件，应该怎样学习使用它。
芯片手册是最可靠的应用指导，要学会怎样从芯片手册中得到与应用相关的信息。
通过这次设计，我才比较深入、全面的学习应用了multisim这个设计仿真软件，才发现其功能非常强大，对我们的设计工作有很大的帮助。
应该好好的学一下类似的软件，以为我们今后的设计工作打下基础。
总之，通过这次课程设计，我发现了自己的不足，学到了很多实用的工程知识和技术。
这是一次对我们之前所学知识的大检验，我在这个过程中收获很大。
3.参考资料清单
[1]：
阎石.《数字电子技术基础》.清华大学电子学教研组.高等教育出版社.2006年5月第五版
[2]：
杨素行.《模拟电子技术基础简明教程》.清华大学电子学教研组.高等教育出版社.2006年第三版
[3]：
李正军.李国强.韩修恒.《健身器材手握式电子心率计的研制》.山东大学控制科学与工程学院.济南.205561
[4]：
郝晓剑.杨述平.张连红.《仪器电路设计与应用》.电子工业出版社.2007年6月
[5]：
吴慎山.《电子线路设计与实践》.电子工业出版社.2005年9月
[6]：
张国雄.金篆芷.《测控电路》.天津大学.机械工业出版社.2001年1月
[7]：
胡向东.刘京城.《传感技术》.重庆大学出版社.2006年2月
附录1元件清单
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