陶瓷电阻设计心率计 ----- 心率计设计报告

电子心率计课程设计说明书 1：课程设计任务书 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，也是心电图的主要组成部分，设计一个电子心率计，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，发出异常指示（LED发光二极管发光报警指示）。正常范围可根据需要设定。 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100~150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； ​ 任务分析与设计； ​ 电路设计，元器件参数计算及选择； ​ 电路原理框图及电路工作原理说明； ​ 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。 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、徐振英编，现代电子学及应用，高等教育出版社，1994 [2] 陈明义、宋孝瑞等编，电子技术课程设计实用教程，中南大学出版社，2002 [3] 陈晓文主编，电子线路课程设计，电子工业出版社，2004 课程设计的工作计划： 2010年6月28日－2010年6月30日：根据设计任务，收集相关资料； 2010年6月30日：在熟悉资料的基础上确定总体方案； 2010年7月1日－2010年7月6日：单元电路设计，元器件参数计算； 2010年7月7日－2010年7月8日：完整电路图绘制； 2010年7月9日－2010年7月10日：完成课程设计说明书。 任务下达日期 2010 年 6 月 28 日 完成日期 2010 年 7 月 10 日 指导教师 （签名） 学 生 （签名） 2：课程设计说明书正文 2.1：任务分析与方案设计 心率计是用来测量一个人心脏单位时间内跳动次数的电子仪器，由于人体各部位心率一致，所以通常测量人手臂处的脉搏即可测出人体心率。任务要求测出的心率为一分钟内心跳的次数，并显示，测量结果要与范围作比较，不在标准范围内则报警。 设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，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。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。流程图如下。 电子率及设计流程图 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 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测量脉搏跳动次数。因此，通常可选用压电陶瓷传感器测量。 选择型号为CPS182的陶瓷压力传感器。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0.5—3mV 2.2.2:放大电路的设计 如前所述，传感器输出为微弱信号，需进行放大后才便于后续电路的处理。考虑到后续电路中滤波器电路也具有信号放大的功能，所以放大器的放大倍数不宜过大，初步选择为200倍。设计电路如下： 信号输入端 其放大倍数的计算公式为 所以取Rf=400k，R1=2k，得到A=200。取R=1k。 运算放大电路的芯片选择型号为LM741,其封装管脚图如下 LM741封装管脚图 如上图所示，LM741芯片为但运放芯片，其引脚功能为： 1和5为偏置(调零端)， 2为正向输入端， 3为反向输入端， 4接地， 6为输出， 7接电源， 8空脚 LM741内部电路 2.2.3：滤波器的设计 干扰信号对测量结果带来很大的误差，所以设计滤波器是很有必要的。 滤波电路主要由陷波器和带通滤波器组成。 通常生活中的用电为50Hz，所以50Hz的频率影响对测量的影响几乎无处不在，工频干扰是心电信号主要的干扰源，所以首先要考虑滤掉50Hz的频率影响。陷波器主要用来滤除50Hz的工频干扰，带通滤波器主要用来着重放大所需的信号频段成分，同时对其它频段成分也进行了进一步的放大。 其电路原理图如下图前半部分所示。 陷波器及带通滤波器电路原理图 根据设计要求，选择R12=3.3kΩ，C12=0.1μF，R13=300kΩ，C13=0.1μF。 A0= WO=2πf0 A0为放大倍数，f0为中心频率，Q为品质因数。 所以，f0=50.6Hz Q=4.8 带通滤波器设计成反相输入的二阶有源RC 滤波器。通过合理参数选择，带通滤波器也是以进一步放大10Hz～35Hz 的信号成分为主，电路原理图如上图后半部分所示。 根据设计要求，选择R16=10kΩ，R17=1MΩ，C14=0.15μF， C15=0.1μF。 WO=2πf0 所以，f0=13.0Hz Q=0.0000049 经过滤波器后信号的放大倍数为A=6，所以加上放大电路的200倍放大倍数，总的信号放大倍数为1200倍。 滤波器电路中，运算放大器选择为LM741,与放大器中所选运算放大器型号相同，其结构及性能参考其上。 2.2.4：整形电路的设计 通常，模拟信号从放大滤波处理后的信号还无法直接由计数器计数处理，信号从滤波器出来后，还需将波形整形，可以整形为脉冲或者方波波形，以便计数器计数。 波形整形有很多种方法。可采用施密特触发器给波形整形，整形后的波形为方波波形。施密特触发器可有门电路组成，也有做好的芯片。 选择芯片型号为741312的芯片，其芯片外形及内部结构如下图所示： 74132芯片结构图 由图可知，74132芯片内部由四个双输入单输出施密特触发器组成，分别是引脚1、2输入，3脚输出；引脚4、5输入，6脚输出；引脚9、10输入，8脚输出；引脚12、13输入，11脚输出；7脚接地；14脚接电源。 虽然74132中有四个施密特触发器，但在本设计中实际只需运用其中一组输入输出即可。 74132功能真值表如下 INPUTS OUTPUT A B Y L H H H H L L L H H L L 74132功能真值表 由74132功能真值表可知，将一个输入端接地即接为低电平，则当输入信号到达高电平时输出为低电平，当输入信号到达低电平时输出信号为高电平，这样就实现了对输入型号的整形。 2.2.5：倍频器的设计 根据设计要求，心率的定义为一分钟脉搏的次数，但是测量一分钟时间太长，不能快速得到被测人的心率值。通过增加心率计的频率即可减小测量时间得到一分钟的脉搏次数。例如，在本设计中设计倍频器为二倍频，这样，只需测量时间定为30秒即可测出一分钟的脉搏次数。虽然通过频率加倍的方法得到的心率值在误差方面比普通测量一分钟所得心率值误差较大，但是对于心率来说，小数点后的值几乎没有什么意义，心率计所测值中有用部分为整数位，所以采用二倍频所得值误差可以忽略不计。 设计的二倍频电路图如下： 二倍频电路 其工作波形图如下： 二倍频工作波形时序图 将二倍频的输出端再接到另一个二倍频的输入端，即可从输出端得到四倍频的信号。 电路中,非门采用芯片型号为74HC04,74HC04是高数硅栅CMOS器件,其逻辑结构图如下: 74HC04逻辑结构图 由图可知,74HC04由六组反相器组成,1、3、5、9、11、13为输入端；2、4、6、8、10、12为输出端；14脚接电源，7脚接地。电源电压为7V，输入电压为5.5V，工作环境温度为0-70℃，存储温度为-65~150℃。 电路中与非门采用芯片型号为7400，其逻辑结构图如下： 7400逻辑结构图 如图所示，7400为四组2输入与非门芯片，其中，1、2、4、5、9、10、12、13为输入端，3、6、8、11为输出端，7脚接地，14脚接电源。 电源电压为7V，输入电压为5.5V，工作环境温度为0—70℃，存储温度为-65—150℃。 功能表如下： INPUTS OUTPUT A B Y L L H L H H H L H H H L 7400逻辑功能表 2.2.6：计数器的设计 计数器是心率计的核心器件，通过它测量脉冲次数从而测出心率。 选用芯片型号为CD4553的芯片，其芯片外形如下： CD4553引脚图 引脚功能：CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。 　　 CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。 　　 MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。 　　 LE：锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。　 　　 DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。 　　 DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。 　　 Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。 　　 CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。例如：当Q0～Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。 真值表： 工作波形时序图： 根据管脚功能可知，计数值从Q0-Q3输出，通过DS1-DS3控制Q0-Q3的位数，即个位十位和百位，输出只输入到译码器译码显示，同时输入到比较器中比较。在MR脚接一个与高电平相连的开关，起手动清零的效果；利用DIS脚接地时才能计数这一特性，将其与定时器相连控制计数的开始于结束；CLOCK脚即为将要计数的脉冲的输入端。 2.2.7：定时器的设计 定时器与倍频器结合使用，使测量时间不满一分钟也可测出一分钟内的脉搏次数。采用的定时器芯片型号为NE555。引脚图如下: NE555引脚图 引脚功能：1—接地GND 2—触发 3—输出 4—复位 5—控制电压 6—门限（阈值） 7—放电 8—电源电压VCC 参数功能特性： 供应电压 4.5—18V 供应电流3-6 mA 　 　 输出电流225mA (max) 　　 上升/下降时间100 ns 存储温度范围 　　 -65℃ 至 +150℃ 工作温度 0℃ 至 +70℃ 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30秒，其定时电路如下： ： NE555接成的定时电路 上图定时电路定时时间为Tw = RCln3 = 1.1RC 由于设计的定时时间为30秒，Tw = 30 所以，取R = 20M ,C = 1.5μ 。 2.2.8：译码器的设计 从计数器中输出的信号为四位BCD码，不能直接输入到显示器中显示，要先经过译码器译码，输出七段显示代码，才能供显示。 采用的译码器芯片为CC4511,其逻辑结构图和引脚图如下： CC4511逻辑结构图 CC4511引脚图 引脚功能: A0-A3 BCD码输入端 Ya-Yg 七段显示代码输出端 BI 输出消隐控制端，低电平有效 LE 锁存允许，高电平有效 LT 灯测试，低电平有效 VDD 接电源 Vss 接地 参数特性: 电源电压 －0.5V～18V 输入电压 －0.5V~VDD+0.5V 输入电流 ±10mA 储存温度 －65℃～150℃ 2.2.9：显示器设计 经过译码器译码，输出信号为七段显示代码，输入到七段数码显示管中即可实现显示功能。采用半导体数码管BS201A显示，其结构图如下： BS201A外形图 BS201A等效电路 外形图中D.P端为显示数码管的小数点位，本方案中不需用。 由BS201A的等效电路可知，数码管有输出位，将其接地。这里控制1.6的接地与否可控制LED的导通与断开，即控制每一个BS201A的亮灭。在计数器中，有DS1,DS2,DS3三个控制个位十位和百位的输出端口，通过这三个输出口的输出信号控制三极管开关的导通与断开即可实现三个BS201A依次显示各位十位和百位。 三极管选择A781,A781是PNP型三极管主要功用为开关，主要参数是工作电压20V,工作电流0.2A。 2.2.10：比较器及报警过程设计 由设计要求可知，心率计测量接过要与标准值比较，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。同时，标准范围有三种：1，老人，100-150次/分；2，婴儿，90-120次/分；3，成人，60-90次/分。所以还要设置三个开关，这三个开关可以是预设值范围选取开关，也可以是比较器选择开关，由于用预设值选择开关可以大大减少芯片使用数量，所以我选用三个开关控制预设值的方法。 比较器芯片选择：选用四位数值比较器74LS85。芯片引脚图如下： 74LS85引脚 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； A>B A>B的级联输入端； ABo A>B的输出端。 由于计数器输出为四位BCD码，且有个位十位和百位的输出，需要先后对百位十位和个位进行比较，这样只用一片四位74LS84芯片明显不够用。由芯片的级联功能，采用三片74LS85芯片，级联成十二位的比较器，依次比较百位十位个位。比较下限先比较百位，若百位相等 芯片内部逻辑结构 三片四位74LS85级联成十二位比较器则比较十位，若十位相等则再比较个位。若比较结果为AB则测量值可能在测量范围内，由于输出端口输出为高电平，打开三极管开关，开启上限比较器，上限比较器级联方式和下线比较器相同，比较方法同理，若超出上限则报警。 预设值的设定： 下限 上限 十进制数 BCD码 十进制数 BCD码 老人 100 0001 0000 0000 150 0001 0101 0000 婴儿 90 0000 1001 0000 120 0001 0010 0000 成人 60 0000 0110 0000 90 0000 1001 0000 标准范围及其BCD码表 BCD码由四位二进制数组成，每一组表示百位或十位或百位，这样，可通过设置高低电平分别输入到比较器百位十位和个位的B口。标准值的选择可通过一刀三置开关控制，高电平接电源，低电平通过反相器得到，这样就实现了预置值的输入。开关图如下： 预设值高低电平设置图 为防止各高低电平互窜，各条高低电平引线加二极管单向导通，二极管型号选为IN4007. 整个比较报警过程需要用到六片74LS85芯片；两个三极管开关，可选用A781,前面已经有介绍；七十二个二极管；一个一刀三掷开关；一个LED灯；三个反相器，可选用74HC04前面已经介绍，一个芯片里有六个反相器，所以可以与前面倍频器共用一个74HCO4芯片。 这样，整个心率计电路设计过程已经结束。 2.3：本次课程设计的体会 这次课程设计经历了两周时间，在这两周的时间内，经历了许多问

题

快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题

。 首先是对课程设计的兴奋，毕竟这是第一次电类课程设计，对我来说充满了新鲜感和好奇心，想知道这个课程设计到底是什么样子，也想知道我到底能不能做出个东西来；其次，是许许多多的疑问，到底该怎么做呢，要用到许多学过的知识，但是过去的知识学的不好，不牢靠，而且，过了这么久时间，好多都忘了，也要用到许多未知的知识，怎样唤起过去的记忆和摸清未知的区域呢；最后，怎么把自己的想法付诸实践呢，设计的过程中可能会有许多的想法，想法是否正确，或者怎么知道是正确的，又怎么能去实现它呢？ 在这次设计过程中还是有很多体会的，首先就是怎么系统的去做一件事情，特别是对做一些未知的事情，面对疑惑该怎么办；其次，做出来有一定的成就感；最后，学到的东西挺多的，比如说图书馆借书，要有目的的去借。怎样在网上收集所需资料，网络是一个巨大的知识库。也借着这次机会，复习了许多过去学过的东西，比如数电模电，还有office软件，经过这次设计才发现自己的office知识多么浅陋，还有or-cad软件，通过这次设计更加看清楚了这是一个怎样的软件。原来过去学过的东西还是非常有用的。 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 4.器件清单 序号 名称 型号 数量 1 放大器 LM741 3片 2 施密特触发器 74132 1片 3 反相器 74HC04 1片 4 与非门 7400 1片 5 定时器 NE555 1片 6 计数器 CD4553 1片 7 比较器 74LS85 6片 8 显示数码管 BAS201A 3片 9 译码器 CC4511 1片 10 一刀三掷开关 1个 11 按键开关 1个 12 LED灯 1个 13 三极管 A781 5个 14 电阻 100Ω 14个 1KΩ 3个 2KΩ 1个 400Ω 1个 1MΩ 1个 10Ω 1个 20MΩ 1个 3.3KΩ 1个 300KΩ 1个 15 电容 0.1μf 6个 0.15μf 1个 1.5μf 1个 16 二极管 IN4007 72个