数字心率计目 录1. 摘要 12. 方案原理介绍 2 2.1 方案设计与论证 23. 总体方案介绍 34. 单元电路的设计与选择 4 4.1 脉搏检测电路的设计 4 4.2 信号放大电路的设计及参数计算 5 4.3 信号滤波电路的设计及参数计算 7 4.4 整形电路的设计与参数计算 8 4.5 倍频电路10 4.6 时基电路114.7 逻辑控制电路12 4.8 计数、锁存和显示电路14 4.9 报警电路设计185. 总体电路的绘制18 5.1 电路总图18 5.2 元器件清单196. 心得体会197. 参考文献21数字心率计1 摘要 对于医院的危重病人，或者在其他一些特殊场合，需对人的心心率进行连续检测，本课题即针对这一需求，设计一台简易的心率检测仪。课题的思路是用压力传感器检测病人手腕部的脉搏跳动，压力传感器的输出信号经一系列电路处理，形成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，并根据被测对象情况判断其健康状态，以报警信号显示。 关键词：传感器，滤波器，放大器，显示电路，报警电路2 方案原理介绍2.1 方案设计与论证正常人的脉搏次数是每分钟6090次（婴儿为90120次,老年人则为100150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是: 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，并作出是否报警的判断。报警的上、下限及对象选择可以通过多路开关调节。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。2.1.1 方案设计脉搏测试仪的上述功能要求，可采用了三种不同的方案来实现：方案一：把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间N内（如15秒）进行计数，完成后将计数结果通过乘法器乘以系数60/N（如6015=4）并用数字显示其计算后的值，从而得到每分钟的脉搏数。方案二：该种方案和第一种有一点类似，其差别在于该方案采用的是倍频的方式求取脉搏数。在单位时间15秒内进行计数，由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。2.1.2 方案验证这三种方案比较起来，第一种方案比较直观，但精度较低，如果计数时间是15秒最大时误差为4次，而且电路结构需要乘法器，乘法器芯片难寻，电路结构复杂；第二种方案直观，电路结构简单，且精度较第一种方案高，但由于采用倍频电路其精度已提高到1次，完全满足设计要求。为了使脉搏测试仪轻巧而便宜，且有较高精度通常采用第二种方案，本文的设计就基于这一方案。3 总体方案介绍本设计采用了2.1.1中的第二种方案，选用该种方案的原因是电路容易实现，各部分造价较低，满足精度要求。该方案选用传感器MPX2050GP，该传感是带温度补偿的扩散硅压力传感器，它具有良好的线性和温度稳定，并且灵敏度高，是一种专门用于血压测量的传感器。该传感器接在电桥电路中，当有压力传到传感器时，其电阻发生变化，电桥失去平衡，产生差动电压，由于该电压很弱（为10毫伏左右），需用一放大器对其信号进行放大。由于震动、工频信号和放大器的噪声等的影响，导致其输出电压中有很多干扰信号，为此需采用一滤波器滤除脉搏信号中的干扰，由于脉搏信号为低频信号，所以该滤波器必须为低通滤波器。为了便于计数，需将经过滤波的信号整形为矩形波信号，为此还需设计整形电路。由于我们需要在十五秒内完成脉搏计数，在这里我们采用了倍频的方式。由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。 这种设计方案的方框图如下图1。 图一 设计方案方框图4 单元电路的设计与选择4.1 脉搏检测电路的设计因为采用的MPX2050力敏元件是一种高性能的动态微压传感器, 且输出电压信号有一直流叠加, 故采用电桥法直接获取脉搏信号。如图2 所示, 可以看出采用电桥接法通过匹配R1,R2 以及调整电位器RC可以将传感器两端的交流变化量取出来。系统所用的电源是直流稳压+5V, 采用的串联电阻R1、R2为5k。同时, 为了排除电源的噪声干扰, 前置一个1000u电容C1接地。 图二 脉搏测量电路传感器参数如下：型 号最大压力 psi最大压力 kpa 最大压力 in H2O 最大压力 cm H2O 最大压力 mm Hg 过压 (kpa) 零位偏差mv 量程电压 mv 灵敏 mV/Kpa 线性%量程 最小线性%量程 最大典型压力MPX20507.0502015103752001.0 400.8-0.3-0.3由于传感器灵敏度为0.8V/KPa,而人体正常情况下收缩压大致为136(18KPa)-90mmHg（12KPa），舒张压为86-60mmHg。因为收缩压较舒张压大，故以收缩压信号作为预处理信号。脉搏测量电路输出的峰值电压大约为：12X0.8=9.6mv到18X0.8=14.4mv4.2 信号放大电路的设计及参数计算4.2.1 放大电路的选择方案一：采用常见的同相放大电路，对信号进行放大。根据理论公式进行计算可得电路的放大倍数为：Av=Vo/Vi=1+R1/R2.选择不同的阻值可以得到不同的放大倍数，但此电路不适合小信号放大，因此不予采取。方案二：由于输入级是毫伏级，为了便于信号的输出和处理，采用三运放高共模抑制比放大电路放大传感器的输出电压。电路如图3所示。它由三个集成运算放大器组成，其中U10、U12为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，U11构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U10、U12的共模信号。当U10、U12性能一致是，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在Rp两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。此外，该电路还具有增益调节能力，调节Rp可以改变增益而不影响电路的对称性。4.2.2 电路参数的计算但为了消除U10、U12偏置电流的影响，通常取R1=R2，R3=R4，R5=R6。由于输入级是毫伏级，为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为250倍，则Au=(1+2R1/Rp)*R5/R3 ，(设定R1=R2,R3=R4,R5=R6)通过ORCAD软件模拟及参照相关资料得第一级放10倍，第二级为25倍，放大倍数计算分配如下：第一级放大10倍，A1=1+(R1+R2)/RP=20，取RP=10K，R1=R2=100K第二级放大25倍，A2=R5/R3=50，取R3=R4，R5=R6总的放大倍数为：Au=(1+2R1/Rp)*R5/R3=A1*A2=10*25=250ORCAD模拟结果如下：第一级输出U10（out）、U12（out）放大10倍（图4所示）： 图四 第一级输出波形最后输出V（out）共放大250倍（图5所示） 图五 第二级输出4.3 信号滤波电路的设计及参数计算4.3.1 滤波电路的选择由于有50 赫兹的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰, 必须对所取信号进行滤波处理。考虑到脉搏的频谱特性以及滤波50 赫兹工频干扰可以采用截止频率为2.5 赫兹的低通滤波器滤除。因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单，调整方便，且使用电路多采用运算放大器做有源器件，几乎没有负载效应，故选择压控电压源型滤波电路。电路如图6所示。4.3.2 压控电压源型二阶低通滤波器电路参数的计算因为脉搏的正常跳动为60150次/分钟，所以容易算得其最高频率为：f=150/60=2.5Hz,为了便于计算，设该低通滤波器的截止频率f0=2.5Hzf0=w0/2=2.5w02=(2.52)2=1/R1fR2fC1fC2f=246.5为了计算的简便，取：R1f=2000K，R2f=4000K，C1f=0.05u，C2f=0.01u把R1fR2fC1fC2f的值带入验证得:R1fR2fC1fC2f=1106*4106*510-8*110-8=0.002w0=15.811f0=15.811/6.28=2.51772.5故取R1f=2000K，R2f=4000K，C1f=0.05u，C2f=0.01u，见图6。 图六 滤波电路 图七 滤波电路AC分析结果4.4 整形电路的设计与参数计算4.4.1 整形电路的选择本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倍频电路。采用反相滞回电压比较器完成电路整形。方案一：本电路也可由常用TTL和CMOS集成电路中的施密特触发器实现，如74LS14和CC40106. 74LS14的典型数值U_=0.9V,U+=1.7V; CC40106d 阈值电压范围是3.6V U+2.2V,1.6V U_0.3V(VDD=5V).已知放大后的信号峰值电压为3.6VU2.4V,这与上述芯片的参数有些差值，虽然可经过适当的电路加以调整，但这样会使电路复杂化，因而不予采取。方案二：这部分电路如图8所示，输入电压V7加在集成运放的反相输入端，参考电压V2经电阻R1c接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rfc引回同相输入端。电阻Rc和稳压管D1的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在05V之间。在本电路中，当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即u-=u+时，输出端的状态将发生跳变。其中u+由参考电压V3及输出电压u（out）二者共同决定，而u（out）有两种可能的状态：+Uz（+5V）或0。由此可见，是输出电压由+Uz跳变为0。以及由0跳变为+Uz所需的输入电压值是不同的。也就是说，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图9所示。由图中可以看出，u（out）的两种电压值不等于+5V和0V，分析原因是由