心率测量仪设计[最新]

心率测量仪设计[最新] 目 录 摘 要……………………………………………………………………………………1 引言 ………………………………………………………………………………………1 1.设计要求 ……………………………………………………………………………2 2.设计过程 ……………………………………………………………………………2 2.1 总体方案设计………………………………………………………………………2 2.2 单元电路设计………………………………………………………………………3 2.3 总体电路及工作原理 ……………………………………………………………10 3.装调与测试……………………………………………………………………………11 3.1 电路板的制作……………………………………………………………………11 3.2 电路板的焊接……………………………………………………………………11 3.3 测试………………………………………………………………………………11 总结………………………………………………………………………………………12 参考文献 ………………………………………………………………………………12 数字式心率测量仪设计 姓 名:吴贺 学号:20075042067 单 位:物理电子工程学院 专业:电子信息工程 指导老师:周胜海 职称:副教授 摘 要:对于医院的危重病人～或者在其他一些特殊场合～需对人的心率进行连续。本设计针对这一需求～设计了一台简易的数字心率测试仪。设计的思路是用压力传感器检测病人手腕部的脉搏跳动～把脉搏信号转化为电信号～压力传感器的输出信号经一系列电路处理～形成了可用于检测的脉冲信号。再经电路处理～最终由数码管显示其数值。 关键词:心率,计数器,放大器,传感器,显示电路,译码器。 Design of a Digital Heart Rate Meter Abstract: For some serious patients in hospital, or in some special occasions, heart rate is needed for continuous detection. this design according to the requirements, design a simple digital heartbeat tester. The thought of the design is to use a pressure sensor to detect the pulse flop of the patients, the pulse signals are converted to electrical signals, the output signal of pressure sensor is dealed with a series of circuit processing, the pulse signal which can be used to test is formed. After dealing with the circuit, finally the digital tube shows its value. Key Words: heart rate; counter; amplifier ; sensor; show circuit ; decoder. 引言 心率是用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音 为准。一分钟时间内脉搏次数与心率是一致的，可以通过测量人在不同运动状态和安 静状态下的脉搏，脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息， 能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。 过去人们测量脉搏时常用的方法是使用测量脉搏的听诊器，或者使用吸附在人体 上的电极等老式测量方法，这些方法操作不方便且计数也不准确。随着电子技术飞速 发展，数字化时代给人们生产生活带来了极大的方便，数字式心率测量仪的研究及其 应用也不例外。采用压电传感器检测采集人体的脉搏，检测的部位为被检测人的任意 一个手指或者是耳垂。检测的基本原理是:随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之 改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小;当血液流回心脏，组织的半透 明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。 本心率计在设计时充分考虑到过去测量心率的弊端，介绍了该方案电路的基本设 计方法以及系统的工作原理。本设计通过压电传感器采集脉搏信息输出电压信号，经 信号放大及整形电路对其进行放大整形，然后将放大整形后的脉搏信号转换脉冲信 号。通过555定时器构成的单稳态触发器和十进制可逆计数器/锁存器/译码驱动器 CD40110对脉冲信号进行处理，最终在LED中直观地显示出来。通过调试，明本 设计可以实现对心率的数字化测量，能在疾病诊疗、运动量控制等多方面提供客观依 据，具有一定的实际应用价值。本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分 [1]设计中的细节问题，最后给出总体电路和工作原理。 1.设计要求 可准确测量人的心率;测量结果数字显示;适于便携使用;使用简便。 2.设计过程 2.1总体方案设计 正常人的脉搏次数是每分钟60,90次(婴儿为90,120次,老年人则为100,150 因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它次), 这种频率信号属于低频范畴. 的基本功能要求是: 要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。 对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行进一步的加工和处理。 脉搏测试仪要能在15秒左右测出脉搏跳动次数。 总之，脉搏测试仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。 这种设计方案的方框图如图1所示: 2.2单元电路设计 2.2.1传感器 为了把心率信号转换成电信号，应采用压电式传感器。它有两种基本类型:石英 晶体和压电陶瓷。前者温度稳定性和机械强度都很高，工作温度范围宽，转换精度也高。而压电陶瓷是人工制造的压电材料，优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜， [2]只是温度稳定性和强度不如石英晶体。 目前应用更多的是压电陶瓷，它在性能上能满足数字式心率测量仪的要求，而且 [3]成本低是一个重要因素。本设计采用压电陶瓷片HTD作为传感器。 2.2.2信号调整电路 信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件。本设计将信号调理与放大整形两部分放在一起，用芯片CD4011来实现。 2.2.3放大与整形电路 本单元电路如图2所 示，压电陶瓷片HTD贴在 人身测试部位(如脉搏) 时，它便把人体脉搏信号 转化为电信号，但该电信 号很微弱，在此可将微弱 的电信号经过与一个与非 门组成的放大器进行放 大，放大后的信号再由一 个与非门进行整形，经过 放大和整形后的电信号便 [4]于后续电路的测量。该 单元电路中使用的CD4011是四-2输入与非门集成电路。 2.2.4时基信号产生电路 时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD40110的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对心率电脉冲计数，固定时间为一分钟(或30秒)。 为了得到精确 的定时信号(计数 器的门控信号)， 本设计选用了555 定时器加上一些电 阻、电容元件构成 的单稳态触发器来 完成这种功能。图3 是555定时器的电 路结构图，它由比 和、基本较器CC21 RS触发器和集电 极开路的放电三极 管三部分组成TD [5]。 555定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等。 ,它是有上下两个电压比较器、三个5k电阻、一个RS触发器、一个放电三极管T ,以及功率输出级组成。比较器C的反向输入端接到有三个5k电阻组成的分压电阻1 VC网络的2/3处，同相输入端为阈值电压输入端。比较器的同相输入端接到分压cc2 V电阻网络的1/3处，反相输入端为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的cc VCC输出控制RS触发器。当比较器端的触发输入电压小于1/3、比较器端的阈值cc21 VCC输入电压小于2/3时，输出为1，输出为0，即RS触发器的S=1，R=0，故触cc21 VC发器置位(置1)，所以放电三极管截止。当比较器端的触发输入电压大于1/3、cc2 VC比较器端的阈值输入电压大于2/3时，则 RS触发器的S=0，R=1，故触发器被cc1 复位(置0)，放电三极管T导通。此外，RS触发器还设有复位端，当复位端处于低 C电平时输出为低电平。控制电压端是比较器的基准电压端，通过外接元件或电压1 [6]源可改变控制端的电压值，即可改变比较器和的参考电压。 CC21 由于 555定时 器使用灵 活、方便， 所以其在 波形的产 生与变换、 测量与控 制、家用电 器等许多 领域中都 得到了应 用。 以555 v定时器的端作为触发信号的输入端，并将由和R组成的反相器输出电压接至T12Dvv端，同时在对地接入电容C，就构成了如图4所示的单稳态触发器。1111 单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 1 VVV,1,1稳态时，无触发信号:(> 即可，) Iccc23 V,1,c1TV,0Q,0Q,0,,,若通电后，导通 保持,DcV,1c2, 2TCQ,1,,V,V,V,0,Q,0若通电后，截止 充电至Dcccc13 V,1,TCQ,0,,,,导通放电 保持 c1D,V,1c2, V触发时， I 1V,1,c1VTVC,,只要降至 ，则 ，电路进入暂稳态，截止IccDQ,1,3V,0c2,开始充电 21VVV当 充至 时，(假定此时已经回到高于 ) ccIccVc33 V,0,c1V,1,c1,TQ,0,则 ，导0D,V,1c2,V,1c2,C,通，开始放电至 Q,0保持 电路恢复到稳态，图5画出了在 vv触发信号作用下和相应的波形oc [6]。 t输出脉冲的宽度等于暂稳态w 的持续时间，而暂稳态的持续时间取 决于外接电阻R和电容C的大小。 t由电压波形图可知，等于电容电压w V在充电过程中从0上升到2/3所需要的时间，因此得到 cc V,0cctRCRCRC,,,lnln31.1w 2VV,cccc 3 通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百 [7]tt微法，的范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着的宽度增加它的精度和ww稳定度也将下降。 2.2.5计数/译码/锁存驱动电路CD40110/显示电路 在译码/锁存电路的基础上再集成计数器电路就构成了包含计数器的译码驱动电 路，如CD40110。本心率设计电路可采用十进制可逆计数/译码/器/锁存驱动电路 [8]CD40110和小型七段LED共阴极数码管连接作为计数、译码、显示电路。 CD40110能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED数码管，其引脚排列如图6所示。 CR为清零端，R,1时，计数器异步清零。CP为时钟端，CPU(9脚)为加法计数时钟，CPD(7脚)为减法计数时钟。QCO(10脚)加计数进位输出，QBO(11脚)减计数借位输出。TB(4脚)为触发器使能端，TE,0时，计数器工作，TE,1时，计数器处于禁止状态，即不计数。LE为锁存控制端，LE,1，显示数据保持不变，但它的内部计数器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g (1，15，14，13，12，3，2脚)为信号输出端，与七段 [9]显示器连接。 CD40110的逻辑图和功能表如图7和图8所示。 CD40110有2个计数时钟输入端CPU 和CPD 分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。 CD40110 的进位输出CO和借位输出BO一般为高电平，当计数器从0,9 时，BO 输出负脉冲;从9,0 时CO输出负脉冲。在多片级联时，只需要将CO 和BO分别接至下级CD40110的CPU和CPD端，就可组成多位计数器。 本单元电路设计中，CD40110与七段 共阴LED数码管配套使用可直接驱动显 [10]示。电路结构如图9。 2.2.6去抖动开关电路 由于开关极其微小的触点面积、机械 式设计、产品老化等原因，开关在闭合或 断开的过程中出现许多毫秒级的状态变 化，这种现象通常称之为开关的“抖动” [10]。 基本RS触发器的用途之一是作无抖 动开关。当开关接通时，由于机械按键开 关在扳动的过程中，存在接触抖动，使得 输出点电压从+5V直接地跃降到0V的一 瞬间(几十毫秒)，会发生多次电压抖动，相当产生连续多个脉冲信号。如果利用这种电路产生的信号去驱动数字电路，则可能导致电路发生误动作。这在某些场合是绝对不允许的，为了消除机械开关的抖动，可在开关与输出端点之间接人一个RS触发器，就能使F端产生很清晰的阶跃信号。那么这种带RS触发器的打关通常称为无抖动开关(或称逻辑开关)。而把有抖动的开关称为数据开关。 原理:在按压按键时，由于机械开关的接触抖动，往往在几十毫秒内电压会出现多次抖动，相当于连续出现了几个脉冲信号。显然，用这样的开关产生的信号直接作为电路的驱动信号可能导致电路产生错误动作，这在有些情况下是绝对不允许的。为了消除开关的接触抖动，可在机械开关与被驱动电路间接的接入一个基本RS触发器， A如图10(a)所示S,0， R,l，可得出A,0， ,1。当按压按键时，S,l，R,0， A可得出 A,1，,0，改变了输出信号A的状态。若由于机械开关的接触抖动，则R的状态会在0和1之间变化多次，若 R,l，由于A,0，因此G2门仍然是“有低出高”，不会影响输出的状态。同理，当松开按键时， S端出现的接触抖动亦不会影响输出的状态。因此，图10(a)所示的电路，开关每按压一次，A点的输出信号仅发生一次变化。如图10(b)是基本的RS电路。 2.3 总体电路及工作原理 图11是用CD40110实现的数字式心率测试仪总体电路。 它贴在人身下面简单介绍一下工作过程:压电陶瓷片HTD作为脉搏传感器，将 测试部位 时，它便把 人体的脉搏 信号转化为 电信号。由 于该电信号 很微弱，故 由与非门1 组成的放大 器进行放 大，放大了 的信号再由 与非门2进 行整形，然 后送入IC3 进行计数，IC3、IC4为十进制加减计数/译码/锁存驱动电路CD40110，它们与数码管 共同组成二位加法计数显示电路。IC3、IC4的第六脚为锁定端，当锁定端为低电平时，允许计数脉冲输入;当锁定端为高电平时，计数器被锁定，不能计数。IC2和555时基电路组成定时器，其第三脚输出端与IC3、IC4的锁定端相连接。平时IC2的第三脚输出高电平，使IC3、IC4计数禁止。当按一下S2时，IC2进入暂态，使第三脚 CR变为高电平，经充电，定时开始。与此同时，IC3、IC4允许计数脉冲进入，22 开始计数。60s后，IC2定时结束，其第三脚的状态又变为低电平，使计数器停止计数。此时，数码管所显示的计数结果，即为一分钟内脉搏跳动的次数。 CR、组成清零电路，用来保证在电源接通的瞬间，使IC3、IC4自动复位清43 零。 3.装调与测试 3.1 电路板的制作 在Protel 99 se的环境下，根据原理图创造网络表，再导入网络表，设计规则，电脑自动生成PCB板布线图，由于电脑自动布线有时会出现问题，在做板前还要以原理图为参照物，先对PCB板布线图进行仔细的检查防止断线、错线的产生，如果发现错误，要进行必要的手工布线以保证布线正确无误。布线成功后将其布线图打印到转印纸上，通过转印机将转印纸上的图印到覆铜板上，之后经过三氯化铁的腐蚀， [11]即可生成电路板。 3.2 电路板的焊接 在焊接之前，就首先检查所有元器件的规格与要求的是否一致，防止有损坏的或 [12]错的元器件被使用。在焊接时，应分块焊接，焊接的时候不能出现漏焊、错焊、连锡的现象，并及时分级测量以保证每个模块均能正常工作，提高电路板制作的成功率。 3.3测试 测试之前，应再次检查元器件是否插到位、板的焊接是否正确。在调试过程中，采用了分级调试、逐级级联的方法，对各部分电路遵循调试一部分，安装焊接一部分的原则，取得了较好的效果。选择测量仪表与仪器，对电路进行实际测量与调试，调 [13]整电路参数，并解决存在的问题或电路故障等。 具体调试方法如下:测试放大整形电路，在输入端加一个幅值适中的信号，改变通道控制输入端的数据，用示波器观察输出端变化。测试单稳态触发器电路，用示波 vv器观察在触发信号作用下和相应的波形，并与理论值进行比较。测试计数、译oc [14]码、显示电路，并完成脉冲计数数码显示的功能。完成电路整体联调，并对各部分的功能进行检查。 总结 本设计实现了对心率信号的实时测定，并能显示结果。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。 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。在设计过程中,更进一步地熟悉了555定时器和计数/译码/锁存驱动器CD40110芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在连接各单元电路中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。而且还学会了使用protel 99 SE软件去绘制原理图、制作PCB图、压制电路板，并亲自去焊接电路板，在复习理论知识的同时也练习了实践技能。 其实，课程设计就是为了让我们把已有的知识加以融会贯通，在此次设计中我们运用的都是以前学过的知识数字电子技术、模拟电子技术、测控电路等。然而这在以前，它们都是零散的，在此次设计中，一个脉搏测试仪就让我们把它们联系了起来。 参考文献 [1] 陈振官(数字电路及制作实例[M](北京:国防工业出版社，2006:64,69( [2] 陈杰，黄鸿(传感器与检测技术[M](北京:高等教育出版社，2006:114,131( [3] Hermarn K P(Neubert(Instrument Transducers-An Introduction to Their Performance and Design[M](Oxford:Clarendon Press，1995( [4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社.2007:81,11 [5] 阎石(数字电子技术基础(第四版)[M](北京:高等教育出版社，2005:348, 351( [6]陈大钦(电子技术基础实验(第二版)[M](北京:高等教育出版社，2007:146, 148( [7] Joseph D(Practical Digital Using ICs [M](New York:Cambridge University Press Prentice Hall，2006:6,7( [8] Adel(S(Sedra，Kenneth(Microelectronic Circuits (4th ed) [M](New 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