心率测试仪.docx

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心率测试仪

课程设计报告本

课程设计名称：

    心率测试仪              

指导教师：

学生：

学号：

年级：

专业：

电子科学与技术

学院：

完成时间：

2012年6月22日

重庆大学教务处制

指导教师评定成绩

项目

分值

优秀

（100>x≥90）

良好

（90>x≥80）

中等

（80>x≥70）

及格

（70>x≥60）

不及格（x<60）

评分

参考标准

参考标准

参考标准

参考标准

参考标准

学习态度

15

学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作

学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务

学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作

学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务

学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度

技术水平与实际能力

25

设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信

设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信

设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信

设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错

设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题

创新

10

有重大改进或独特见解，有一定实用价值

有较大改进或新颖的见解，实用性尚可

有一定改进或新的见解

有一定见解

观念陈旧

论文（计算书、图纸）撰写质量

50

结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰

结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰

结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰

结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整

内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰

指导教师评定成绩：

指导教师签名：

                   年 

重庆大学本科学生课程设计任务书

课程设计题目

心率测试仪

学院

光电工程学院

专业

电子科学与技术

年级

2009级

已知参数和设计要求：

测心率跳动次数的传感器输出信号为0.2V，干扰信号幅值为0.01V。

且干扰信号的频率

。

（只考虑传感器输出之后的部分）。

要求：

1.显示一分钟跳动的次数，每分钟刷新一次。

2.报警：

设跳动次数为N（≥150或≤60时报警）。

学生应完成的工作：

1．应查阅大量的资料，进行单元电路的考虑和分析。

2．进行整体电路的设计，报告应该有完整的电路图，系统框图，及其各单元电路的计算及说明。

3．每个元件、器件、型号、引脚等都应标明值。

4.目录和参考资料清单。

5．最后完成设计报告和心得体会。

目前资料收集情况（含指定参考资料）：

[1]阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社2006

[2]杨素行《模拟电子技术基础简明教程》高等教育出版社2006

[3]　李海《74系列芯片手册》重庆大学出版社1999

[6]王秀艳《PZT/PVdF压电复合材料的制备和性能研究[D]》中国科学院长春应用化学研究所硕士论文2001

[7]彭军《传感器与检测技术[M]》西安电子科技大学出版社2003

课程设计的工作计划：

十七周的前三天查阅大量的资料，后两天根据资料整理和设计各单元电路，并反复研究电路的可行性。

十八周的星期一、二选择各单元电路的元器件，查手册并整合电路。

星期三、四完成电路图和系统框图。

星期五、六完成心率测试报告。

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）

说明：

1、学院、专业、年级均填全称，如：

光电工程学院、测控技术、2003。

摘  要

该设计采用压电传感器进行人体心率实时采集，通过放大、滤波、整形，实现对输出0.2V信号的处理。

用555定时器产生60s方波，由单稳态电路依次产生两路无交叠信号，分别用作锁存器锁存信号和定时器清零信号。

采用高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块，实现对心率的测量与显示。

方案讨论了放大电路，滤波电路，比较电路，计数、译码、显示电路的各项指标及参数选取的合理性，从而实现心率测量仪的高稳定性，强抗干扰力，并可实现心率的显示及实时跟踪，同时对于过高及过低的心率均实现自动报警，具有极强的实用性。

关键字：

心率测量 压电传感器 信号分析 自动报警

第一章 引言

心率（HR）是指单位时间内心脏搏动的次数。

正常成年人安静时的心率也有显著的个体差异，平均在75次/分左右（60—150次/分之间）。

心率可因年龄、性别及其他生理情况而不同。

初生儿的心率很快，可达130次/分以上。

在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。

心率作为血液循环机能的重要生理指标而在运动中被广泛地应用。

运动中，心率随机体代谢需要而增加，在一定范围内可反映运动强度、机体的代谢水平，在有氧运动中常用心率作为控制运动强度的指标。

运动后，心率的恢复又可作为评定运动负荷适宜与否以及心脏机能状态的指标和依据。

安静状态时基础心率的测定，在医务监督中则可作为判断某一阶段机体是否有过度疲劳和评定运动员训练程度的指标。

它实现的主要功能有：

（1）可以测每分钟脉搏跳动的次数；

（2）心率测试仪有数据锁存和显示的功能；（3）一分钟自动清零，清零控制端稍加延时，使一分钟的脉搏跳动次数能够正确的显示；（4）超出设定的正常脉搏跳动范围N（≥150或≤60），驱动蜂鸣器进行报警。

1.1心率测试的意义  

现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。

本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。

心率是指人体心脏每分钟搏动的次数．它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。

同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。

因此，设计一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值，可与微机通讯并具有较强抗干扰能力，能对超出正常范围的心率进行报警的心率测试仪是十分必要的。

第二章 方法综述

2.1心率测试的方法

测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。

根据人体脉搏信号特征，设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。

本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，输出电荷信号，然后转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，去掉干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，把记录的结果进行比较，不在正常范围内就进行报警，由定时器控制复位端，一分钟清零一次，再进行下一次测量计数。

2.2系统框图

图2-1

第三章 压电传感器

3.1压电传感器

PVdF（聚偏二氟乙烯）压电薄膜具有压电常数大（d33=20pC/N）,变力响应灵敏度高，的优点。

同时不易去极化,单位体积输出功率高；膜轻柔韧，易于制备；机械品质因素低,阻尼小,密度低,具有宽带特性,能满足脉搏信号的频率特性。

图3-1　

如图3-1所示，压电薄膜换能输出电荷与所受压力关系：

Q（t）=d33F（t）

其中，d33为压电常数,单位为C/N，表示其电荷灵敏度,F（t）为周期变化的脉搏压力。

通过图3-2所示电荷放大器，即可对检测到的微弱脉搏电信号进行处理，把电荷信号转化为电压信号。

Usc（t）≈-Q/Cf=-d33F（t）/Cf

图3-2

第四章信号放大

4.1OP07单级放大

图4-1

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

传感器出来的电压信号，约等于0.2v送到放大电路。

对放大电路的要求有

（1）输入阻抗高，

输出阻抗低；

（2）放大倍数要合适，考虑到芯片的工作范围，放大到3-5V左右比较合适；（3）低频响应好；（4）温度漂移小；（5）抗干扰能力强。

对于要求

（1），可以通过前后加两个缓冲器实现隔离，从而实现输入阻抗很高，输出阻抗低的要求。

我们选用OP07低噪声放大器，其具有如下优点：

（1）最大150uV超低偏移；

（2）低失调电压漂移；（3）高电压工作范围。

对于0.2V输入信号，对其放大25倍，以实现后级比较输出。

图4-2

A1=-R3/R1=25k/1k=-25（倍）

4.2低通滤波器

传感器输出信号存在很大的高频干扰，因此提高系统稳定性，我们在网络中添加

1kHz低通滤波器，将频率

的信号消除。

图4-3

1/RC=2лf

取R=1k，f=1000

则有C=160n

幅频特性：

图4-4

相频特性：

图4-5

4.3buffer隔离缓冲

无论对于放大器的高输入阻抗、低输出阻抗要求，还是对于滤波网络的隔离，我们都必须考虑电路级连时阻抗匹配问题。

因此，在放大器前级以及滤波器后级，我们放置缓冲器buf601，其具有高输入阻抗，低输出阻抗特性，同时驱动能力增强。

图4-6

第五章脉冲整形

5.1LM311电压比较器

5.1.1电路设计

图5-1

LM311是一款具有低输入漂移电压的电压比较器，其设计运行在更宽的电源电压：

从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。

其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。

可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。

响应时间:

200ns。

经放大滤波后的信号为峰值5V的模拟信号，同时叠加250mV的噪声信号，为了便于后级计数器对脉冲计数，需要将模拟脉冲整形成方波信号。

电路图如下图所示：

图5-2