心跳计数系统的方案设计

1 心跳计数系统的方案设计 2 方案设计 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 。 出的设计方案 心跳计数系统的上述功能要求，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。 图 2案一系统框图 （ 2） 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 图 2案二系统框图 传感器 放大滤波整形 四倍频电路 译码显示 控制电路 传感器 放大滤波整形 计数电路 译码显示 控制电路 比较电路 报警电路 计数电路 比较电路 报警电路 2 （ 3） 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案三系统框图 较及选择 这三种方案比较起来，第一种更直观，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，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 74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 亮，再由数码管进行显示。 是否报警 传感器 放大滤波整形 单片机控制 显示 3 图 3体设计框图 4 模块工作原理 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 3感器 放大滤波整形 计数电路 译码显示 闸门、控制电路 报警电路 比较电路 4 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大滤波整形结构图 大电路 采用通用运算放大器 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 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同相比例放大电路 本设计放大电路如图所示： 传感器 放大电路 有源滤波 整形 电平转换 5 图 4大电路图 波电路 理想滤波器的行为特性通常用幅度 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， 图 4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 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 阶低通有源滤波器如图所示： 6 图 3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因为被测信号混有 1000以设计的有源滤波的截止频率为 1000参数为 2=1=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 本设计电路如下图所示 0230111Aj f 7 图 4波电路 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示 图 3 555组成的整形电路 数部分电路 本计数主要 采用 74行计数。下面介绍 74功能及应用。 8 下面介绍 74 时钟 输入端 3 清零 /能 数 据输出端 3 以及进位输出 (02 输 入 输 出 D T 0 0 0 0 0 1 0 d b a d c b a 1 1 0 1 0 1 1 1 1 状态码加 1 表一 74从 74清零端 0” ，计数器输出 0” ，这个时候为异步复位功能。当 1” 且 0” 时，在 743、 3， 同步 置数功能。而只有当 D=T=“1” 、 数器加1。 74O，其逻辑关系是 13合理应用计 9 数器的清零功能和置数功能，一片 746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 4三块 74本设计主要采用的是 74行数据锁存 图 44管脚图 件的输入是和标准 出兼容 。 E 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。 0 秒是 74动将数据进行锁存 10 图 4 74成的锁存电路 较电路 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。 比较器芯片选择：选用四位数值比较器 74片引脚图如下： 16A 74 数值 它来做测量信号的输入端； 数值 端，用它来做预设值的输入端； AB AB 的级联输入端； A 60秒 11 图 4四片 74译码器的功能是把计数器输出的计数结果 ( )转换成七段字形码，以驱动数码管， 12 实现数字式符号的显示。 常用的 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 25直接驱动共阴极 译码显示采用扫描方式，显示 3位数字只需一片 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 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 对于数码管 最常用的是七段式和八段式 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 光二极管，通过控制不同的 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阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个 另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个 高电平， 其 示意 图如下 ： 图 4码管引脚 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 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。 示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为 示器提供代码，因为这些代码可使 应的段发光，从而显示不同的字型，因此该代码称之为段码。 表 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 0 30H C 39H 06H 51H 13 2 54H E 79H 86H 3 40H F 71H 8 66H 99H P 73H 8 62H U 31H 6 72H T 31H 07H 61H 8 70H H 76H 89H 9 60H L 38H 778H “ 灭 ” 00H 73H 图 4时器电路 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。 =容的常用性取 9= 14 图 3时器电路 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 4 555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件的情况。 真软件 由英国 司开发的电路分析与实物仿真软件 ,是一种 具软件。 装以后，主要由两个程序组成： 运行于作系统上，可以仿真、分析 (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 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、 盘和 5 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、 列、 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 51 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 析于一身的仿真软件，功能极其强大。下面将介绍 件的工作环境和一些基本操作。 由于安装 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 装好软件程序后桌面上会出现快捷图标，双击桌面上的 标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“ “ ，出现如图 5示屏幕，表明进入 图 5动界面 当上面的启动界面完成后，进入到 工作界面， 工作界面是一种标准的 面，如图 5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 16 要标出 应用 司近 10年来致力于 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、验证和设计数据管理。因而今 天的 制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以 计系统是一套建立在 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 E 共分 5 个模块，分别是原理图设计、 计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、 计。 以下介绍一些 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， 时运行原理图和 打开的原理图和 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 也可以进行反向注释（由 以保持电气原理图和 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， 方便易用的数模混合仿真（兼容 支持用 成标准的 载文件； 2 个信号层， 16个电源 6 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板 作 为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出 现和 软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的 装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改 特的 3大的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 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 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 17 仿真电路总图见附录 2 所示。 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 较准确，达到预定的指标，测试图如图 图 6时测试 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 1度为 过系统的仿真，测量结果是 60次，准确无误，达到既定指标。 图 6频率为 1 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波信号的测试 波整流整形的测定 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。 18 图 5大整形电路仿真 7 设计总结 ： 9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，然后由计数器 74输出的结果为，需再经七段显示译码器 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 74 果正常，则 555 定时器的输出端（ 3脚）电压 样 发器的输出端电压也为高电平，发光管 则， 过 是 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