心率测试仪设计--2012毕业论文
引言
健康对于每一个人来说都是至关重要的。体现一个人的健康状态有几个常用的指标，如体温，脉搏，心率以及血压等。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。目前全国正在推行新的工资制度——岗位技能工资制。岗位技能工资制包括劳动技能、工作责任、劳动强度和劳动条件四项指标。其中评定某个岗位劳动强度大小最有效的方法就是测定该岗位工人作业时的心率值。但国内一直投有有效的专用心率仪，所以劳动强度测定成了当前推行岗位技能工资制的阻力。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的心率测试仪是十分必要的。而且具有相当大的实用价值。随着电子技术与计算机技术的迅速发展，电子产业的应用领域正在不断地扩大，其应用已经深入到人类的日常生活当中了，尤其是在医疗中。智能化电子产品将成为新的潮流趋势。目前市场上所推出的家庭医疗电子产品大多以测量血压为主, 智能脉搏测试仪器尚不多见。利用数字电路里的计数电路和模拟电路里的放大电路能够很好的满足市场上大量电子产品的需求。同时随着市场的需求增大，电路测试仪的精度提高的同时，必须考虑电路的成本和系统的运行速度等等。
摘要
为了更好地运用我们所学的知识，加深对电子技术相关的掌握，本次心率测试仪电子线路的设计我采用了基于TTL和数字电路系列芯片制作了一个简易的心率测试仪。本次电路设计是由放大整形电路、滤波电路、倍频电路、实基电路、逻辑控制电路、计数锁存电路、译码显示电路和报警电路组成。测试仪主要是通过感应人体心率的跳动的信号，可用压力传感器或者红外光传感器来传递信号，经过放大整形滤波后，可由倍频电路来缩短测量时间，并用由555定时器接成的施密特触发器做时基电路产生60s定时，最后心率信号通过计数器和锁存器后进入七段数码管显示出来，一分钟后计数显示结束，数字不符合正常的心率范围时，报警电路将启动，二极管将发出亮光。
关键字：放大电路、滤波电路、倍频电路、时基电路、锁存电路、计数译码显示电路、报警电路
心率测试仪设计
1、设计方案与思路
1.1传感器：将微小的心率信号转换为与此相应的电信号。
1.2放大整形电路：将由传感器得到的微小信号放大整形成具有一定形状的信号。
1.3倍频电路：将放大整形后的脉冲信号的频率提高，从而缩短测量时间。
1.4时基控制电路：在555定时器的控制下，产生短时间的控制信号，使脉冲信号能够在一定时间内送到计数和显示电路中。
1.5锁存电路：保存计数的结果以便于刷新，重新计数。
1.6整体框架：
二、单元电路设计级参数计算
2.1传感器
心率传感器的作用是将心率信号转换为响应的电冲信号。心率传感器是心率测试仪中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。目前典型的心率传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器，其工作原理是利用敏感元件直接把压力转变为电信号。在传感器的选择中，压力传感器和红外光传感都是很好的选择。同时为排除电源的噪声干扰，在传感器之前需接一个电容接地。
2.2放大与整形
放大电路是模拟电子电路中最常用、最基本的一种典型电路。无论日常使用的收音机、电视机，或者精密的测量仪器和复杂的自动控制系统等，其中一般都有各种各样不同类型的放大电路。所谓“放大”表面上是将信号的幅度由小变大，其实“放大”的本质首先是实现能量的控制，放大的对象是变化量。运放电路的输入电阻高，抑制共模信号能力强，由于每个人的心率强弱不一样，检测的信号强弱大小也不一样，则放大倍数应当适当。放大电路有很多种，在本次设计中，采用了同相比例运算电路。由一个运放器、三个电阻和一个电容组成,放大倍数大约为25倍。电路图如下：
传感器 放大器 滤波器
整形
时钟振荡器 译码显示 锁存器 计数器 计数器
报警电路 与门
整形电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到单片机系统往往整形电，可以采用反相滞回电压比较器进一步提高电路抗干扰能力，并且可以经过对强弱脉搏的测试和统计分析可以将其阈值确定。路比较复杂，要较好的对不规则型信号进行规制整形是有一定难度的事情，电压比较器往往是个很好的选择，为了简单点直接选用经过放大后通过一个电平转换来整形。
2.3滤波电路
滤波电路的作用实质上是“选频”，即允许某一部分频率的信号顺利通过，而将另一
部分频率的信号滤掉。在无线电通信、自动测量和控制系统中，常常利用滤波电路进行模拟信号的处理，如用于数据传送、抑制干扰等。在模拟电路中，根据工作信号的频率范围，滤波电路有很多种类，有低通，高通，带通和带组等滤波电路。低通滤波电路是指低频信号能够通过而高频信号不能通过的滤波器；高通滤波器刚好相反，能通过而低频信号不能通过；带通滤波器是指频率在某一个频率范围内的信号能通过，而在此频率范围之外的信号均不能通过；带组滤波器刚好相反，在特定范围内，信号均被阻断，频率以外的信号均允许通过。在本次设计中采用的是二阶压控有源低通滤波电路，把干扰信号即高频信号滤掉，同时还要达到把心率放大的效果，有源滤波电路的截止频率为1kHz左右，放大倍数为2倍左右。
2.4倍频电路
为了缩短测量时间，提高测量效率，在电路中添加倍频电路将有效的缩短测量时间和提高效率，在设计中采用了4倍频，将在15s内测量出1min内的心率信号。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路。利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。电路中的电容是为了延时而做的。
2.5定时电路
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域都有很大的应用。
在本次试验中，555定时器是为了在60s内完成测试，则定时器的定时时间长度为60s。
2.6计数电路
计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲系列以及进行数字运算等。
计数器的种类非常繁多，如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。
如果按计数过程中的数字增减分类，又可以将计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。随着计数脉冲的不断输入，作递增计数的称为加法计数器，作递减计数的称为减法计数器，可增可减的称为可逆计数器。
如果按计数器中数字的编码方式分类，可分为二进制计数器、二-十进制计数器、格雷码计数器等。有时也用计数器的计数容量区分各种不同的计数器，例如十进制计数器、六十进制计数器等。
2.7锁存电路
锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。一位钟控D触发器只能传送或存储一位二进制数据，而在实际工作中往往是一次传送或存储多位数据。为此，可以把若干个钟控D触发器的控制端CP连接起来，用一个公共的控制信号来控制，而各个数据端仍然是各自独立地接收数据。用这种形式构成的一次能传送或存储多位数据的电路称为锁存器。输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。通常只有0和1两个值。典型的逻辑电路是D触发器，其字长(位数)有4位、8位等。锁存电路的主要作用是用于作用是保持数据。一般采用D锁存器电路。
2.8译码显示电路
通过用数码管显示计数的结果，一般采用七段译码显示。
2.9控制电路
控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时间，另外还应具有为各部分电路清零等功能。
2.10报警电路
人的正常心率跳动次数一般在60到150之间，所以当测量结果测量超出正常范围时
三、芯片介绍
1.LM324是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其封装形式为塑封14引线双列直插式。具有内部频率补偿、直流电压增益高、单位增益频带宽、电源电压范围宽、低功耗电流、低输入偏流、低输入失调电压和失调电流、共模输入电压范围宽、差模输入电压范围宽、输出电压摆幅大和输出保护等特点。
管脚排列图
2.74LS136为集电极开路输出的四组异或门，
管脚排列图
3.74LS85为4位数值比较器，可以进行二进制码和BCD码的比较，对两个4位字的比较结果由三个输出端输出。
4.74LS123为具有清零端的双可再触发单稳态多谐振荡器，工作电压一般在5V左右，有三种方法控制脉冲宽度，最基础的是选取外部的RC值来控制。由于IC内部有一个定时电阻，则允许只外接定时电容使用，其具有清零终止输出脉冲；为VCC和温度变化补偿；直流触发是高平或电平逻辑输入等特点。
管脚排列图
5.NE555是属于555系列的计时IC中的一种型号，555系列的管脚功能以及应用都是相容的，但是不同型号其价格不同，稳定度、耗电量、可产生的振荡频率也大不相同。NE555属于小规模集成电路，具有以下特点：只需简单的电阻器、电容器就可完成特定的振荡延时作用，并且其延时范围极广，可由几微秒到几小时之久；其操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，即其输出准位及输入触发准位均能与这些逻辑系列的高、低态组合；其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载；其计时精确度高、温度稳定度佳、价格便宜。其引脚功能：地；触发；输出；复位；控制电压；门限；放电；电源电压。
管脚排列图
6.74190为十进制的加|减法计数器，
7.7432为4位二输入或门
管脚排列图
8.74273为带公共时钟复位八D触发器管脚排列图
四．设计结果
1.结构原理图
2.电路分析
心率信号经过传感器后，通过放大器，大约放大25倍后，进入滤波电路，放大2倍，品质因数为1，滤掉频率大于1KHz的干扰信号，再进入整形电路中，再经过一个电平转换进入计数器中，在555定时器产生的60s时基电路后，控制信号经过振荡器转换成电平信号，电平信号一部分进过与门与锁存器的CLK端连接以便每60s刷新计数显示，计数信号通过三个十进制加|减法计数器，可以记录出人的正常心率范围，计数的结果先进入锁存器保存，再进入七段译码显示器中显示，当显示的数字超出60到150的范围时，报警电路中的指示灯会亮，发出警报。
五．设计总结
总体来说，经过本次电类课程设计实验，并且实验能够独立完成，即使有些设计结果不能满足设计要求，但是这之间的经历使我受益匪浅。在思考该如何设计电路和使用芯片使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力，使我更有信心去面对以后的挑战。同时在设计实验中，还是出现了许多问题，我觉得以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力。我觉得自己的动手能力有了很大的提高；自信心也增强了。在电路设计中自己动脑子解决遇到的问题，除了书本上的知识有了用武之地，计算机软件和网络的快速发展也使得知识的来源变得简单，解决问题也将很容易，同时巩固和深化了自己的知识结构。这次设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次设计有苦也有甜。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，选用什么电路，性能能达到要求否等等都得在事前做好准备。我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力电路仿真以及分析都极大的考验我们的心态。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如控制电路，基准时间电路，计数电路等。在试验中我们可能会有多种方案的选择中，但经过我们自己仔细比较分析其原理以及可行的原因后，能够使整个电路稳定工作，那就是符合要求的设计。在实物调试的过程中，出现了很多问题，大部分都是电路连接问题，少数问题也可能是选用的芯片功能不能达到要求，或者芯片外围电路设计的不好，这些都说明自己的实际动手能力还不行。
六．参考文献：
【1】杨素行编著.《模拟电子技术基础简明教程（第三版）》.北京：高等教育出版社2006 【2】阎石编著.《数字电子技术基础（第五版）》.北京：高等教育出版社2006
【3】康华光编著.《电子技术基础模拟部分（第四版）》.北京：高等教育出版社1998