数字心率计设计报告.pdf

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1/29西南交通大学2015年短学期电子课程设计报告电子课程设计报告课题：

数字心率计指导老师：

张辉波宋作华计算机2013-4班20132070段雯誉计算机2013-4班201320652015年8月2/29摘要摘要正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，但在安静状态下健康成人平均心率在75次/分左右（60100次/分之间）。

国人男性静息心率的正常范围为5095次/分，女性为5595次/分。

在一般情况下人的心率大于120次/分为心率过快，小于50次/分则为心率过慢。

本课题就是通过红外传感器将人的手指中微弱的脉搏信号转化为电信号输入到模拟电路中。

模拟电路对电信号做放大、滤波和整形处理，转换为可被芯片识别的矩形波信号。

通过VerilogHDL编程语言实首先现对EP2C8T144自身晶振的分频处理，利用分频后得到的信号对矩形波信号进行检测得到脉搏数，将脉搏数显示在数码管上，显示心率过快、心率过慢或是正常，计算平均心率，对心律不齐有报警功能。

关键字：

关键字：

数字心率计、模拟电路、VerilogHDL、数码管、报警功能、EP2C8T144、AltiumDesigner3/2911、方案设计、方案设计i.方案论证与设计方案论证与设计（11）模拟部分：

模拟部分：

红外传感器获得电信号红外传感器获得电信号根据指尖上的血液随每次心跳出现密度、快慢等周期性变化的原理，将手指剪放在ST188的传感器上，传感器上的感光三极管将会接收强弱不同的电流，并输出强弱不同的电压信号。

人的心跳范围在几十到上百之间变化，则电路接收到的有效电信号是一个低频的弱信号，并且里面夹杂这其他的干扰信号。

模拟电路在接受这些信号后，需要对信号做放大、滤波、整形处理。

这样处理过后的信号才是低频有效的较强信号，并且能被数字电路中的EP2C8T144芯片所接收。

放大放大放大电路的总重要的作用是将ST188输出的微弱的电压信号放大到74HC14工作时所需的电压范围。

据资料显示，ST188采集到的人体的心率信号所能转化的电流大概在0.05mV-5mV左右，74HC14所需的输入电压一般要超过3V，那么我们放大电路的倍数至少也要超过60000倍以上，根据我们所有的元件，用一个放大电路来实现这样的放大倍数是不现实的，那么我们就一定会需要两个放大电路串联来实现，而且我们可以确定每个子电路的放大倍数都约为300，；两级的放大电路都将R1设为680K、R2设为2.7K；如果灵敏度不够，可将R2设为1k。

滤波滤波正常成年人心率的波动范围为50-120次/分钟，那么通过计算就能得到我们的心率信号的频率范围大概就为0.8-2Hz，而干扰最强的就是50Hz的工频信号了，那么我们就需要设置一个带通约为0.8-2Hz的滤波电路。

高通滤波电路用10uF和68K的组合，和滤掉0.23Hz以下的低频信号；高通滤波电路的组合选用4/290.1uF和680K，能滤掉2.3Hz以上的信号。

其次我们选择一阶滤波电路与放大合并在一个电路中，是一级放大电路即放大有滤波。

我们所设计的模电电路应该是由两个相同的，且同时具有带通滤波和放大功能的子电路串联而成的。

整形整形我们使用74HC14芯片来对信号进行整形，74HC14芯片相较于迟滞比较电路来说，它的优点是不需要复杂的计算，也不用推测确定电路的门限阀值。

只需要将74HC14芯片这个子电路接在放大滤波电路后，来帮助我们确定放大倍数即可。

74HC14芯片输出为幅值为5V左右的方波信号，芯片EP2C8T144的输入电压不能超过5，所以送入数字电路部分的信号需要进行降压处理。

用两电阻串联分压以及加一个降压二极管这两种方法，将信号降到4V左右，就可以输入到芯片中了。

（22）数字部分：

）数字部分：

分频分频将芯片内固有的50MHz频率进行分频，得到1kHz的频率作为clk计数频率，过高则需要大量计算，浪费时间，过低则误差较大，不够精确。

计数计数对模拟电路整形后的方波信号进行周期测量，首先进行计数，然后将该数据转换为心率。

计算计算假设clk频率为f，所计数值为N，则一次脉搏所持续的时间T=N/f瞬时心率值=60/T=60f/N。

每16组进行求平均数运算，作为平均心率输出。

因为电路进行二进制移位计算，16方便移位并且大小合适。

诊断诊断对实时心率进行比较，低于50为过低，高于120为过高，两者之间为正常。

5/29每相邻两组心率进行求差运算，差值达到10，并且此现象出现5次，则诊断为心率不齐。

报警报警对诊断结果进行报警，包括快、慢和正常，三者不相容，心率不齐单独报警，两者互不影响。

处理处理要显示的心率信息进行处理，将三位数拆分送入译码。

并能处理显示瞬时心率还是平均心率。

译码译码将处理后心率信息分别进行八段数码管译码，送入显示。

显示显示能将心率数据和诊断信息进行实施动态显示，数码管为四位。

ii.系统原理框图系统原理框图（11）工作原理介绍）工作原理介绍经传感器接受的脉搏信号所发出的电信号比较弱，大约在0.05mV-5mV左右，首先经过同向比例放大电路放60000多倍，得到3V左右的信号.。

由于脉搏电压信号受到50赫兹的工频干扰，信号需经过带通约为0.8-2Hz、放大倍数约为300倍左右的两级滤波放大电路串联形成。

将滤波放大后所得到的信号送入74HC14的进行处理，并进行降压（高压会烧毁芯片），就得到我们所需要的与脉搏周期一致的方波信号。

板子自带50MHz的时钟信号，可以通过编译一个分频的VerilogHDL语言模块将其中P17引脚引出的50MHz的频率分频得到1kHz的基准信号，每当脉搏信号来一个上升沿（或下降沿）开始计基准波的个数，再来一个上升沿（或下降沿）是，计数输出并清零，如此循环。

将得到的计数进行公式计算，转换为心率6/29值。

得到心率值后，进行诊断报警等工作，瞬时心率低于50或高于120都为不正常，有相应的报警，相邻心率之差达到10，并且该现象出现5次判定为心率不齐，立即报警。

得到的心率数据同时经过处理译码后，通过数码管两位半显示瞬时心率或者平均心率。

（22）系统流程：

）系统流程：

模拟部分模拟部分数字部分数字部分iii.主要电路设计与参数计算主要电路设计与参数计算（11）模拟电路的参数计算）模拟电路的参数计算结合方案设计中一系列的设想和组合设置，那么我们可以容易的得出以下结论：

分频器计算器译码器计数器处理器报警器诊断器显示器传感器一级放大滤波二级放大滤波74HC14芯片降压电路EP2C8T144芯片7/29放大电路放大电路放大电路采用的是同向比例放大电路，结合后面滤波电路的要求，我们所选取的放大电路的参数组合为：

680K和2.7K2577.27.2680RRRA886vf滤波电路滤波电路因为放大部分的电阻所选取的是680K，那么，一阶低通滤波电路所选取的参数组合就为：

680K和0.1ufHz3.2101.01068021CR21f6336H一阶高通电路所选取的参数组合就为：

68K和10ufHz23.01010106821CR21f6319L整形电路整形电路使用74HC14芯片无需计算参数分压电路分压电路因为输出的电压约为5V，而输入EP2C8T144芯片的电压不能超过5V,先串联1K电阻分压，在将管压降0.7V的二极管接在输出端，再接到EP2C8T144芯片的输入引脚端口，电压在3.3V左右，符合要求。

放大、滤波、整形电路图8/29输入信号截图：

一级放大电路截图：

（红线：

输入电压；黄线：

输出电压）9/29二级级放大电路截图：

（红线：

输入电压；黄线：

输出电压）滤波放大电路的波特图10/29整形电路的截图（22）数字电路的主要代码数字电路的主要代码分频器分频器分频器的功能为将EP2C8T144由P17引脚自发产生出的标准50MHz的时钟信号，分频为1kHz的时钟脉冲信号，故我们要将50MHz的时钟信号频率缩小50000倍，由于直接缩小50000倍需要的count寄存器位数较大，故此处设置为先缩小500倍，再缩小100倍，两级分频。

moduledivider_1（clk,clk_odd）;inputclk;outputclk_odd;regclk_odd;reg6:

0count;parameterN=100;always（posedgeclk）if（countN/2-1）begincount=count+1b1;11/29endelsebegincount=1b0;clk_odd=clk_odd;endendmodulemoduledivider_5（clk,clk_odd）;inputclk;outputclk_odd;regclk_odd;reg8:

0count;parameterN=500;always（posedgeclk）if（countN/2-1）begincount=count+1b1;endelsebegincount=1b0;clk_odd=clk_odd;endendmodule计数器计数器计数器的工作为测量每一个信号周期的宽度，用分频后的clk计数，输出计数count和脉冲pulse，为后续计算心率、平均心率、心率不齐提供数据。

其中signal信号是指尖脉冲信号经过传感器并在模拟电路整形后的方波信号，pulse为输出信号，同时也作为标记信号，每遇到signal上升沿触发，pulse在1与0之间跳变，当pulse为1，开始计数，当pulse为0输出count，连续工作，而pulse作为输出信号，每一个下降沿表示计数完一个完整信号周期，触发平均心率和心率不齐的计算，后续说明。

modulecounter（count,pulse,clk,signal）;inputclk,signal;outputreg10:

0count;outputregpulse;reg10:

0num;12/29always（posedgeclk）if（pulse=1）num=num+11d1;elsenum=11d0;always（posedgesignal）if（pulse=0）pulse=1;elsebeginpulse=0;count=num;endendmodule计算器计算器计算器的工作为将计数器得到的计数转换为心率。

假设clk频率为f，所计数值为N，则一次脉搏所持续的时间T=N/f，瞬时心率值=60/T=60f/N。

计算的所得值为瞬时心率，实时输出instant。

另外pulse每一个下降沿代表完成了一个信号的计算，用num计数，当不足16组数据时，心率不断累加，当达到16组，累加16组的心率和并除以16，得到平均心率，也实时输出average。

modulecalculator（count,pulse,average,instant）;input10:

0count;inputpulse;outputreg7:

0instant;outputreg7:

0average;reg11:

0sum;reg3:

0num;always（count）begininstant=（60*1000）/count;endalways（negedgepulse）beginnum=num+4d1;13/29if（num=4d15）beginaverage=（sum+instant）/16;sum=12d0;endelsesum8d160）beginhigh