电类课程设计

1、电类课程设计 心率测试仪目录一、 设计要求和基本思路11设计要求12设计基本思路二、 单元电路的设计21放大电路部分22滤波电路23电压整形24计数器电路25译码和显示电路26比较报警电路27定时控制电路三、 总体的电路四、 心得体会五、 参考文献 电类课程设计 心率测试仪 一、设计要求和基本思路1.1设计要求：设计任务：现有测心率跳动次数的脉搏压电传感器输出信号为0.2V，干扰信号幅值为0.01V。且干扰信号的频率F=1KHZ,设计传感器输出之后的部分，完成心率测试仪的设计。设计要求：1、心率测试仪能够显示一分钟跳动的次数，并且每分钟刷新一次。2、当跳动次数大于150或者小于60时，心率测试

2、仪能够报警。1.2设计基本思路：心率测试仪的基本功能是：用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大、滤波和整形，在短时间内测出每分钟的脉搏数，从而反映出一个人的心跳数，并且显示其数字。心率测试仪广泛应用于医疗检测和生命特征的检测中，它能够准确、快捷地进行心率测量，具有很高的实用价值。本设计的心率测试仪用以测试人体一分钟心跳次数，并且能在心率异常时提供报警信号。根据设计要求得到：脉搏压电传感器输出信号为0.2V，干扰信号幅值为0.01V，且干扰信号的频率F=1KHZ。设计思路如下：1、 首先应对信号进行放大，考虑信号幅值为0.2V,一般的芯片工作电压为5伏，则我们的放大电路的放大倍数可以设置

3、为2025倍，得到的输出信号幅值就可以达到45伏。2、 然后对放大后的信号去除干扰信号，干扰信号的频率F=1KHZ，心跳频率约为1hz-3hz，则我们可采用低通滤波电路，滤去高频干扰信号和信号毛刺，这样就得到了无干扰有用信号。3、 接着进行波形的整形，将放大、滤波后的信号波形整形为矩形波，可以说是将模拟信号转换为数字信号，以便之后运用数字电路进行计数。4、 完成模电部分的设计后，进入数电部分的设计。用计数芯片对矩形波进行计数，并将每一分钟的计数结果保存在寄存器内。5、 用七段显示译码器和数码管组成的显示电路，对每分钟的技术结果进行显示，即显示寄存器内保存的结果。6、 对计数结果进行进行大于15

4、0和小于60的判断，我采用门电路和D触发器对计数器的输出进行实时监控，当满足报警条件时驱动报警器报警，直至心跳正常才停止报警。7、 用555定时电路进行一分钟计数的准确定时，对计数电路、寄存器电路、显示电路和报警电路进行控制，使它们在每分钟以后能重新计数，显示和进行判断报警。传感器检测心跳信号具体的流程图如下：对信号进行放大对信号进行滤波对信号进行整形一分钟定时脉冲对心跳信号计数显示计数结果判断计数结果是否报警二、单元电路的设计2.1放大电路部分：由设计条件得到：传感器输出信号电压幅值为0.2V。对于一般的电路，此电压过低，所以必须对其进行放大，才能被后面的电路进行数据处理。将0.2V放大到4

5、V，放大倍数为20倍，放大方式采用集成运放电路的电压串联负反馈电路进行放大，电路图如下：电压负反馈提高了电路放大倍数的稳定性，减小非线性失真，抑制干扰，输入阻抗增大，输出阻抗减小。我采用的集成运放为LM324，开环增益为60DB，其引脚图如下：电路的放大倍数计算如下：F=R1(R1+Rf) F为反馈系数 A=Ak（1+Ak*F） Ak为开环增益，A为闭环增益 当开环增益Ak足够大时，A=1F,则A=1+RfR1, 令R1=R2=10K,我需要使A=20则Rf=190K。2.2滤波电路：无源RC低通滤波电路在设计与器件选材上简单，但不适合于大功率输出，仅可以作为弱信号处理与微小功率应用。对于无源

6、RC滤波器而言，其滤波效果受到前后级阻抗的影响很大，要求前级的输出阻抗要足够小，后级的输入阻抗要足够大才能满足滤波要求。电路图如下：还有一种有缘RC低通滤波，组成元件：电阻R,电容C与放大器。可构成多阶滤波，有源RC低通滤波因为采用放大器，具有高输入阻抗和低输出阻抗特性，滤波效果较好。电路图如下：本次设计中，我采用的是采用无源RC低通滤波，信号经过放大器后只需经过一次低通滤波器处理。低频率时通过、高频率时截止。与有源滤波电路比较，无源RC低通滤波电路结构简单，所需器件较少，由于此次设计中也满足设计要求。而且滤波之前经过放大电路放大，放大电路的输出阻抗低，比较符合无源RC滤波电路的设计要求，简洁

7、方便。 无源RC低通滤波电路的特点是低频通过，高频阻止。其特征值有f，称为截止频率，当信号频率大于f时信号被阻止，当信号频率小于f时，信号完整通过。 RC滤波电路的计算如下：截止频率：f=1(2 *R3*C),令C=1Uf, 我要求的f=100Hz则，求的R3=1.59K。2.3电压整形：将放大的滤波后的非矩形信号整形成矩形脉冲，我采用的是施密特触发器完成此操作。施密特触发器是脉冲变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈

8、过程使输出电压波形的边沿变的很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整边为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。如下图所示。作用分析如下：假设反相器U2A和U3A的阈值电压V=12 VDD,且R4R5,1、 当输入VI=0时，Vout=02、 当VI上升时，使R4与R5之间的电压为反相器的阈值电压时，由于U2A进入电压传输特性的转折区，Vout=VDD,将引发正反馈使R4与R5之间的电压继续增大，于是电路的状态迅速转换为Vout=VDD。由此可以求出电压上升过程中电路状态转换时，输入的电平：Vt+=（1+R4R5）*Vth，我们称之为正向阈值电压。3

9、、 同理可得下降过程中的输入电平：Vt-=（1-R4R5）*Vth，我们称之为负向阈值电压。施密特触发器的电压传输特性曲线是滞回曲线，如下图所示：整形电路的计算如下：要求，整形后，取VDD=5V,则 从以上两式解出我们令 R4=10K, 则得到 R5=25K。在OrCad中模拟得到波形，如下图所示。电路中所用的反相器为7404，以下是7404的管脚排列及参数说明，如下图示。 设计时，我们运用芯片的任意两个反相器就可以了。2.4计数器电路：通过上述过程，我们得到的是完好的矩形脉冲信号，上升沿和下降沿都很陡，符合数字信号要求。很多同学都将这样的矩形脉冲整形为脉宽较窄的信号，我认为没有必要，因为我们

10、采用的计数器都是上升沿触发的，我们做的矩形脉冲就已经有很陡的上升沿，很符合计数要求，再继续整形就多此一举画蛇添足了。我采用的计数电路时用3片74160芯片组成的，74160是十进制同步计数器，他们分别组成心率的个位，十位，百位，每一片的输出接的是74HC175芯片，74HC175是4位二进制寄存器，他们的作用是保存每分钟的计数结果，作为数码管输入信号，为心率显示做准备。得到的电路图如下：上页图的上面3个芯片是74160，从左到右依次是心率计数的个位，十位和百位。每个计数器的预置数输入都接地，个位的CLK接信号整形的矩形脉冲输出，开始计数。十位和百位接通过反相器接到前一位的进位CO口，反相器的作

11、用是防止前一位计数到9时就产生了进位计数，EP和ET是功能控制接口，它们都接高电平，异步清零端和同步预置数控制端口接在一起同时接到端口1，端口1是一分钟计时电路的一个输出口，达到的作用是使计数器每一分钟清零依次，重新开始计数。4位输出接到74HC175的4位输入，使寄存器能够每一分钟寄存一次计数结果。74160的内部电路图如下：74160芯片的引脚图如下：74160的功能表如下：74HC1754位寄存器的引脚图如下：由于74160没有寄存功能，对于每一分钟的计数结果还必须采用另外的寄存器，寄存计数结果，我采用的是74HC1754位寄存器，每一个计数芯片后都有一个寄存器寄存结果，作为显示的输入使

12、用。寄存器芯片的CLK接到一起同时接到借口2，借口2是一分钟定时电路的一个输出，作用是控制寄存器每分钟更新一次寄存结果，即每分钟更新一次计数结果。2.5译码和显示电路：对心率信号进行计数之寄存之后，就要求对最后的结果进行显示。我采用的是74487段显示译码器和BS201A公阴极数码管3组，组成的个位，10位，百位显示电路。7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：1. 灭灯输入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入

13、使用且BI0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。2. 试灯输入LT当LT0时，BI/RBO是输出端，且RBO1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。3.动态灭零输入RBI当LT1，RBI0且输入代码DCBA0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。4. 动态灭零输出RBOBI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT1且RBI0，输入代码DCBA=0000时

14、，RBO=0；若LT=0或者LT1且RBI1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。7448的功能表如下：表5.3.4 7488功能表7448的引脚图如下：数码管选择的是BS201A共阴极7段数码管，这种数码管的每个线段都是一个发光二极管（LED）,LED数码管工作电压低，体积小，寿命长，可靠性高。电路图如下：它的输入必须接高电平才能够使相应位段发光，故连接电路如下所示：如上图所示，为此次设计的显示电路模块，数码管译码器7448的输入A,B,C,D连接的是寄存器输出端Q1,Q2,Q3,Q4,这样就把每分钟寄存在寄存器中的计数结果，也就是一分钟心跳次数通过数码管显示出来

15、了。2.6比较报警电路：设计要求，当跳动次数大于150或者小于60时，心率测试仪能够报警。可以采用数值比较器74LS85芯片，对寄存器的寄存的结果直接进行数值比价，从而得到比较结果，当结果大于150或者小于60时，报警器报警，否则报警器不报警。但是我觉得这样需要采用3片74LS85芯片，比较浪费，连线也比较复杂。我采用的是门电路和D触发器结合的方式，组成了报警电路，所用到的门电路有7400二输入与非门，7410三输入与非门，7404反相器，7402二输入或非门，74LS74A D触发器并且其带有异步置位复位端，Q2N222NPN三极管，蜂鸣器A016-22SM。组成的电路图如下：报警电路工作原

16、理：1、 其中的输入与非门7400接在十位计数器74160（2）的第2、3位上，当计数器计数为60时，二输入与非门7400有一个低电平输出，否则一直为高电平输出；三输入与非门7410接在十位计数器74160（2）的第1，3位上和百位计数器74160（3）的第1位上，当计数值为150时，三输入与非门7410有一个低电平输出，否则一直为高电平输出。2、 7400二输入与非门连接D触发器（1）的CLK,D端接低电平，开始计数时，D触发器（1）被置位，Q输出为1，当计数值为60时，7400输出的低电平脉冲使D触发器（1）D端的低电平被锁存到Q输出端，Q输出变为0，这样计数继续，7400输出的为高电平，

17、但是计数经过60这个点被保存下来。3、 同理，7410三输入与非门连接的D触发器（2）的CLK,D端接高电平，开始计数时，D触发器（2）被复位，Q输出为0，当计数值为150时，7410输出的低电平脉冲使D触发器（2）D端的高电平被锁存到Q输出端，Q输出变为1，这样计数继续，7410输出的为高电平，但是计数经过150这个点被保存下来。4、 D触发器（1）的Q和D触发器（2）的Q输出连接到7402二输入或非门，用以判定计数范围。当一分钟定时脉冲响应时，如果计数没有经过60，说明心率小于60，则D触发器（1）Q为1，则或非门有低电平0输出，连接到D触发器（3）的D端，D触发器在一分钟定时脉冲过来时，

18、将此低电平0锁存在输出Q端，此时使三极管Q2N222NPN三极管导通，蜂鸣器开始发声报警。同理，一分钟后，计数过程经过150，说明计数结果超过150，D触发器（2）的Q经过上述过程使报警电路发声报警。只有经过60而不经过150时，说明计数结果表明的心率正常，D触发器（1）（2）的输出都是0，经过上述过程，D触发器（3）的Q最终为低电平0，蜂鸣器不发声。5、 D触发器（1）的置位端和D触发器（2）的复位端接接口1，接口1为一分钟定时输出的一个接口，当一分钟定时脉冲来临时，使两个触发器分别置位复位，对下一次的计数过程进行检测锁存数据。D触发器（3）的CLK接一分钟定时电路的一个输出，使每次计数过称

19、的判定结果被所存起来，控制蜂鸣器工作。以上就是我设计的报警电路的具体工作过程，所用到的芯片引脚图如下：7400：7402：7404：7410：D触发器：三极管：2.7定时控制电路：芯片介绍：555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两

20、个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。CB555的功能TH（电位）（电位）Rd(逻辑电平)OUT(逻辑电平)DIS(NMOS管)低电平低电平导通2V

21、DD/3VDD/3高电平低电平导通VDD/3高电平保持保持VDD/3高电平高电平截止CB55的内部电路图如下：555定时器的引脚图如下：定时电路（多谐振荡器），电路图如下：查表，NMOS管截止，查表，NMOS管导通，。电容放电，R2C，电容的稳态电压为0，电容电压下降。将纵坐标轴移至t1处，则电容充电时间为同理，放电时间为：振荡周期为：我设计的定时电路如下页图所示： 计算如下：占空比 q=(R14+R15)(R15+2*R14) 令q=6060.1 周期 T=0.69(R15+2*R14)*C 令T=60.1，C=100Uf 可得：R14=868.116K R15=1.449K图中的接口1和接

22、口2就是前面所诉述中，一分钟定时电路的两个不同的输出接口。三、总体的电路通过以上的分析，分别得到的单元电路对其功能进行了详细的设计和介绍，现综合起来得到总的电路图如下页：1、 首先对传感器的输出信号进行放大，我采用的是LM324运放，电压负反馈放大电路，放大倍数设置为20，得到适当的输出电压。2、 采用无源RC低通滤波电路对放大后的信号进行滤波，去除高频干扰信号，得到“干净”的有用信号。3、 对无规律信号整形，得到良好的矩形脉冲信号，采用的是施密特触发器电路。4、 运用74160级联得到的三位十进制计数电路对信号进行计数，并寄存在寄存器中，为显示提供数据。5、 运用7448译码器和BS201A数码管组成的显示电路，显示计数结果。6、 采用门电路和D触发器组成判别电路，判别计数范围，为报警提供依据。7