心跳计数系统的方案设计.docx

1、心跳计数系统的方案设计心跳计数系统的方案设计2 方案设计2.1 方案分析正常人心跳为6080次/分钟，老年人为100150次/分钟，婴儿为90140次/分钟，显然这种信号属于低频范畴。因此，心跳计数系统是来测量低频信号的装置，其基本功能要求（1）要把人体的心跳信号（振动）转换成电信号，这就需要借助传感器。（2）对转换后的电信号要进行放大和整形等处理，以保证其他电路正常工作。（3）在很短的时间内，测量出经放大后的电信号频率值。总之，心跳计数系统的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲计数，最后以数字形式显示出来。可见，心跳计数系统的主要组成部分是计数器和数字显示器。2.2 列出的设计方案心跳计数系统

2、的上述功能要求，可采用三个不同的方案来实现。（1）把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。（2） 图2-2-1 方案一系统框图（3）测量心脏跳动固定次数所需时间，然后换算为每分钟的心跳数（4） 图2-2-2 方案二系统框图（5）利用单片机写程序来进行控制，既有硬件又有软件，且电路设计简单、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 （4） 图2-2-4 方案三系统框图 2.3方案的比较及选择 这三种方案比较起来，第

3、一种更直观，所需的电路结构更简单；第二种方法通过四倍频大大可减少测量的时间，提高效率，但电路结构比较复杂，且测得的没有一分钟稳定；第三种方法既有硬件又有软件，且电路设计简单、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。况且我们还没学习单片机得知识，要在两周时间内设计出来还是很有难度。通过比较和综合考虑决定采用第一种方案，3系统概述 本设计采用压电陶瓷传感器，测量脉搏的跳动，产生微弱的信号，通过放大器将信号放大；然后通过滤波器滤除干扰信号后，整形为脉冲信号；输入计数器中计数

4、，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。再通过74s85让它与预设值进行比较，如果高于或低于标准值计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮，再由数码管进行显示。 图3-1 整体设计框图 4模块工作原理4.1压电陶瓷传感器传感器工作原理选用合适的传感器，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。脉搏跳动引起皮肤表面压力的变化，根据这个现象可以通过测量皮肤表面压力的变化而本设计是测量心脏跳动次数。因

5、此，可选用压电陶瓷传感器测量。选择此压力传感器。此传感器具有抗腐蚀能力，传感器没有液体的流动，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠通斯电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比、激励电压成正比的高度线性度电压信号。通过激光标定，该传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。其输出信号为0.53mV4.2 放大滤波整形部分滤波与整形电路。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。由传感器出来的电压信号较弱，在毫伏级，需要对其进行放大。所

6、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。图4-2-1 放大滤波整形结构图4.2.1 放大电路采用通用运算放大器LM324构成的同相放大电路由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用同相放大器，经测试LM324性能良好，工作可靠，且价格合理，所以本次设计选用此集成运放。原理图如下：图4-2-1-1 同相比例放大电路 本设计放大电路如图所示： 图4-2-1-2 放大电路图4.2.2 滤波电路理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。理想滤波器的幅频特性如图所示。图中，w1和w2叫做滤波器的截止频率。图4-

7、2-2-1 理想滤波器幅频特性通过与无源滤波器对比可以知道，一阶低通有源滤波器的通带截止频率与无源低通滤波器相同，均与RC的乘积成反比，但是引入集成运放以后，通带电压放大倍数和带负载能力得到了提高。心率信号是低频信号，为防止中高频信号对测量的影响，应该用低通滤波器滤除中高频信号，只让低频信号通过电路，同时把被测信号放大。为了使心率信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数在1.6倍左右。一阶低通有源滤波器如图所示：图3-2-2-1 一阶有源低通滤波器根据虚短和虚断的特点，可求得电路的电压放大倍数和通带截止频率为： 由于一阶低通滤波器的幅频特性与理想的低通滤波特性相比，差距很大。为改善滤波

8、特性，此次设计中选用二阶低通有源滤波器，其通带电压放大倍数和通带截止频率与一阶低通滤波器电路相同。二阶有源低通滤波器电路图如下图所示：图4-2-2-3二阶有源低通滤波器因为被测信号混有1000Hz的干扰尖脉冲，所以设计的有源滤波的截止频率为1000Hz左右。取参数为C1=C2=0.1uF,R1=R2=1.6k，为保证信号幅值达到整形电路所需的电压值，通常放大倍数为1.6倍左右本设计电路如下图所示图4-2-2-4 滤波电路4.2.3整形电路图心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、将滤波信号转化成数字脉冲信号当然这是在不改变信号频率的前提下完成的。将模拟信号转换成数字脉冲信号的方案，可以

9、有以下两种可供选择：一是利用电压比较器，二是利用555时基电路组成的滞回比较器作为整形电路。本设计采用二方案。设计的电路如3-2-3-1所示 图3-2-3-1 由555组成的整形电路4.3 计数部分电路 本计数主要采用74LS161进行计数。下面介绍74LS161的功能及应用。下面介绍74LS161的引脚图：时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d b a d c b a 1 10

10、 Q1 Q0 1 0 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1表一 74LS161功能表从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS1

11、61可以组成16进制以下的任意进制分频器。其中本设计的计数电路图如图所示： 图4-3-1 由三块74LS161组成的计数电路4.4锁存电路本设计主要采用的是74HC573进行数据锁存 图4-4-1 74HC573的管脚图1.74HC573器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容。 2.当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同 步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。 3.当计时到60秒是74LS573自动将数据进行锁存4.锁存电路如图所示：图4-4-2由74HC573组成的锁存电路4.5 比较电路 由设计要求可知，心率计测量接过要与标准值比较，

12、不在标准范围内则要报警，在这里判断报警是核心内容，需要测量结果与预设值比较，包括上限比较和下限比较。比较器芯片选择：选用四位数值比较器74LS85。芯片引脚图如下：图4-5-1 74LS85引脚1.引脚功能： A0-A3 数值A的输入端，用它来做测量信号的输入端； B0-B3 数值B的输入端，用它来做预设值的输入端；AB AB的级联输入端； ABo AB的输出端 ； A=Bi A=B的级联输入端； A=Bo A=B的输出端；ABi ABo AB的输出端。 2.预设值的设定：60-90每秒 3.比较电路如图所示：图4-5-4 由四片74S85组成的比较器4.6数码管的显示译码器的功能是把计数器输

13、出的计数结果(BCD码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字式符号的显示。CD4511是常用的BCD码七段显示译码器，它本身由译码器和输出缓冲器组成，具有锁存、译码和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA,可直接驱动共阴极LED数码管。译码显示采用扫描方式，显示3位数字只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式为3位LED显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲控制。对于数码管最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LE

14、D发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起接高电平，其示意图如下： 图 4-6-1 数码管引脚1.共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段显示。同样，共阳极LED的显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此共阳极接在正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段显示。2.为了使LED显示器显示不同的符

15、号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同的字型，因此该代码称之为段码。3.8段LED的段码如表3.6所示：表4.6.2段LED的段码显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HT31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80HH76H89H96FH90HL38HC7HA77FH88H“灭”00HFFHB7CH83H4.

16、本设计的驱动及显示如下图所示：图4-6-2显示电路图4.7 定时器电路1.定时器在本次设计中有重要作用，555定时器应用广泛，接成不同的外围电路可实现不同的功能，在这个设计中主要实现定时功能，定时时间为60秒。2.经计算T=1.1RC3.考虑到电阻、电容的常用性取R8=1.01M,R9=16.8M。4.接线图如下图3-7-1所示： 图3-7-1 定时器电路4.8 报警电路 2脚的低电平时前面的比较器输出，通过异或门的处理来判断的，3脚输出高电平，超过上限就驱动二极管发光报警。其电路图如图所示。图4-8-1 由555组成的报警装置图5 软件设计本章节介绍本次设计中用到的软件，并总结本次设计学习软

17、件的情况。5.1 PROTEUS仿真软件Proteus ISIS是由英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件,是一种EDA工具软件。Proteus安装以后，主要由两个程序组成：ARES和ISIS。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件具有以下特点：(1)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；还有有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等等。(2)支

18、持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片，当元器件库没有所需要的芯片时，则可以通过加载相对应的元器件库，然后从库中就能够找到相应的元器件了。(3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。(4)具有强大的原理图绘制功能。总体上分析知，该软件是一款集单片机和SPICE分

19、析于一身的仿真软件，功能极其强大。下面将介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。由于安装Proteus ISIS软件较为简单，在这儿就不具体的介绍如何去安装该软件程序了，主要介绍在安装完成后如何更好的使用Proteus ISIS。安装好软件程序后桌面上会出现快捷图标，双击桌面上的ISIS 7 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“Proteus 7 Professional” “ISIS 7 Professional”，出现如图5-2所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。图5-2 Proteus ISIS启动界面当上面的启动界面完成后

20、，进入到Proteus ISIS的工作界面，Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5-3所示。其工作界面主要包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、模型选择工具栏、状态栏、挑选元件按钮、库元件按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口，在图上没有指明标题栏和菜单栏，因为我们平常所运用的软件窗口中都包含了这两项，想必大家都很熟悉，所以不需要标出5.2 PROTEL99SE的应用Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证

21、和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。Protel 设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统，由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件。 Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，P

22、CB中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络。既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路

23、板作为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相6 系统调试及仿真6.1电路调试调试时以低频可调脉冲发生器的输出作为脉搏传感器的输出信号,接通电源开关,如显示器显示

24、无规则数字,表明电路基本工作正常,而后按下复位键,对计数器和定时器清零,则显示的计数值应不断增加,进一步说明电路工作正常,否则需进行逐级检查6.2仿真总图仿真电路总图见附录2所示。6.3系统部分仿真测试6.3.1 系统定时时间的测定 在测定系统定时时间时，在仿真电路中定时电路的输出信号端接计时时钟，并用反相后的信号作为该测量时钟的控制信号，做到了准确测量。测量结果显示，定时器的定时为59.756S，比较准确，达到预定的指标，测试图如图3.2.1所示。 图6-3-1 定时测试6.3.2 正弦波的计数测量 在该向指标的测量时，信号输入端接入频率为1Hz、幅度为1.5mv的正弦波信号，经过系统的仿真

25、，测量结果是60次，准确无误，达到既定指标。 图6-3-2 频率为1Hz的正弦波测定 6.3.3 杂波信号的测定 该项指标的测量方法是，在信号的输入端接入杂乱无序的信号，但有一定的幅度偏差。设置的波峰次数为7次，测量结果显示为7，准确无误。图6-3-4 杂波信号的测试6.3.4 滤波整流整形的测定1.调试目的：测试由传感器感应到的信号是否放大和施密特触发器是否工作。且能否通过整形产生脉冲信号。2.调试原理电路图如上面4.2所示：3.调试结果如下：图5-3 放大整形电路仿真7 设计总结：1.设计小结：当9V电源接通之后，心脏跳动频率通过压电传感器转换成电信号，经放大整形电路进行放大整形，然后由计

26、数器74LS161测出每分钟心脏跳动的次数，其输出的结果为BCD码，需再经七段显示译码器CD4511转换为七段字形码，送至数码显示器显示出一分钟的心跳次数。计数器是否计数是由555芯片组成的时基信号产生电路所产生的定时脉冲控制的。心率正常与否由74S85比较器进行比较后判断心率是否正常。如果正常，则555定时器的输出端（3脚）电压Uo为高电平，这样RS 触发器的输出端电压也为高电平，发光管LED不亮。否则，UO出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管LED阴极为低电平，于是LED被点亮，进行报警。2. 设计体会：通过这次对心跳计数系统的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于电子设

27、计的基本方法与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。此外，本实验也可通过EDA软件Multisim10实现。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。3. 由于实践能力和时间有限以及本人水平有限，本次设计还有待完善之处。本设计可以通过倍频器进行倍频可提高检查效率，使用了74S85

28、进行比较，使得原理图有点复杂，要是可以找到其它更有用的方法来减少芯片的应用使得其更简单就好了。8 参考文献1 传感器与自动检测技术，余成波，高等教育出版社，2004.22 电子产品开发设计与制作，王俊峰，人民邮电出版社，2005.13 电子系统设计（第三版），何小艇，浙江大学出版社，2004.83 电子线路设计实验测试（第二版），谢自美，华中科技大学出版社，2000.74 电子技术课程设计实用教程（第三版），陈明义，中南大学出版社，20095 电子线路实验-数字电路实验，沈小丰，清华大学出版社，2007.106 电子技术基础模拟部分（第五版），康光华，高等教育出版社，20057 电子技术基础数字部分（第五版），康光华，高等教育出版社，20058 谢自美.电子线路设计.武汉：华中科技大学出版社.20009 王力,张伟.Protel 99SE典型实例.北京：人发邮电出版社，200610 章卫国，杨向忠模糊控制理论与应用西安：西北工业大学出版社，199911 金以慧过程控制北京：清华大学出版社，199附录1：系统原理电路图附录2：系统仿真电路图