呼吸频率计数计及低通滤波器设计报告

1、 微电子实习报告目录一、微电子实习任务书31.1实习性质及目的31.2实习主要内容31.3设计题目31.4实习进度或计划31.5 设计说明书包括的主要内容31.6考核方法3二、引言5三、模拟电子设计滤波器设计63.1系统方案设计63.1.1方案框图63.1.2子框图的作用62.2滤波器的分类63.2.1低通滤波器63.2.2高通滤波器73.2.3带通滤波器83.2.4带阻滤波器83.3低通滤波器电路设计83.3.1电路的选择83.3.2元件的介绍83.4元件参数的选择103.5仿真结果113.5.1 使用仿真软件绘制电路图113.6 实物连接测试12三、模电设计呼吸计设计124.1呼吸计简介1

2、34.1.1内外发展现状134.1.2本研究的意义134.2系统方案设计144.3电子元件的选择144.3.1运算放大器的选择144.3.2传感器的选择154.3.3 其他芯片的选择164.4模拟电路部分174.4.1信号提取电路174.4.2滤波放大电路184.4.3峰值检测电路194.4.4谷值检测电路204.4.5平均值提取电路214.4.6比较放大电路214.4.7单稳触发电路234.5数字显示部分254.5.1计数器部分254.5.2译码器部分254.5.3显示部分27五、 单片机开发系统（ISP、KEIL C）的使用275.1源文件的建立285.2 建立工程文件285.3编译、连接

3、285.4 Keil程序调试窗口28六、电子元件的焊接技术296.1焊接工具296.1.1电烙铁296.1.2焊锡和助焊剂296.1.3辅助工具296.2焊前处理296.2.1清除焊接部位的氧化层296.2.2元件镀锡296.3焊接技术306.3.1焊接方法306.3.2焊接质量30七、调研报告30八、心得体会31九、参考文献33一、微电子实习任务书1.1实习性质及目的通过微电子实习教学，使学生对电工和电子的一些相关知识有感性认识，加深电类有关课程的理论知识。并在生产实践中，激发学生动手、动脑、勇于创新的积极性，培养学生严谨、认真、踏实、勤奋的学习精神和工作作风，为后续专业课程的学习打下坚实的

4、基础。1.2实习主要内容1） 熟悉一些电工电子常用元器件及其基本性能；2） 掌握相关仪器/工具的使用方法；3） 掌握单片机开发系统（ISP、KEIL C）的使用；4） 掌握电子元件的焊接、电气元件的安装、连线等基本技能，建立电气原理图和电子线路图的基本概念，熟悉PROTEL软件的基本使用；5） 参观故障诊断实验室、调研长运电子市场、请教学长、查阅相关网站，了解电子类、测控类相关知识，并写一份调研报告；6） 针对某一常见的测控问题（详细任务见下页），设计具体电路，要求实验室调试。1.3设计题目微电子实习1.4实习进度或计划1、 布置任务 0.5天2、 熟悉常用元器件 1天3、 掌握相关仪器/工具

5、的使用 1天4、 掌握单片机开发系统使用 1.5天5、 掌握焊接技术 1天6、 参观故障诊断实验室、调研长运电子市场等，写参观笔记/报告 1天7、 模拟电路设计及实验室调试 4天8、 数字电路设计及实验室调试 5天9、 答辩 1天1.5 设计说明书包括的主要内容1、 目录2、 设计任务书3、 设计题目4、 正文按上述实习主要内容撰写(参观笔记/报告须提供手写速记材料)5、 心得体会6、 主要参考文献1.6考核方法考核根据学生平时学习态度（含出勤率）、报告（包括参观笔记、面包板实物、焊接实物）和答辩(报告答辩、现场调试等)成绩确定。参考资料1华容茂。电工、电子技术实习与课程设计，电子工业出版社，

6、20002毕满清。电子技术实验与课程设计指导，机械工业出版社，20013吴培明，傅晓林。电路及电子技术实习指导。重庆大学出版社，20014严一白。电子技术实习教程，上海交通大学出版社，20045谢自美。电子线路综合设计，华中科技大学出版社，2006 二、引言作为当代大学生，在动手能力上有着很大的不足，为了提高我们的实践动手能力，以便于以后更好的融入工作中。所以开展了微电子实习，不仅是对以前所学知识的实践，也是对以后进一步学习的铺垫。这次微电子实习的目的是：通过微电子实习教学，使学生对电工和电子的一些相关知识有感性认识，加深电类有关课程的理论知识。并在生产实践中，激发学生动手、动脑、勇于创新的积

7、极性，培养学生严谨、认真、踏实、勤奋的学习精神和工作作风，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。微电子实习包括两个部分。第一部分是模拟电子实习部分，利用以前学过的模拟电子基础，设计不同的电路以实现不同的功能。我们组抽到的是低通滤波器的设计，低通滤波器是模拟电子基础的一个典型。其工作原理的通过电容通高阻低、电感通低阻高的特性，设计RC电路，选择不同的电阻值和电容值，确定截止频率。利用低通滤波器能使高于截止频率的信号衰减的原理，实现对于外界高于截止频率的干扰信号的过滤，使通过滤波器的信号更纯净。第二部分的数字电子实习，利用数字电路的知识，并结合模拟电子中的典型电路，实现对于模拟信号的数字输出。这次我

8、们组抽到了呼吸频率计数器，顾名思义，呼吸频率计数计是一个可以记录病人呼吸速率的仪器。通过记录病人一分钟的呼吸次数，可以给医生、家属对于病人的病情一个一目了然的认识。可以说，呼吸频率计数计在医学领域有很重要的作用。这次的微电子实习，主要是对以前所学知识的实践，用到的都是已经学过的知识，虽然没有使用单片机编程，但是对于数字电路，很多问题都是可以用单片机解决的。这也说明了，使用不同的方法可能获得相同的结果，所以，如果你想达成一个目标，不妨多方面去考虑。或许你都能达到你想要的目的。三、模拟电子设计滤波器设计3.1系统方案设计3.1.1方案框图RC网络放大器 反馈网络图6 RC有源滤波总框图3.1.2子

9、框图的作用 （1）RC网络的作用 在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。 （2）放大器的作用 电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 （3）反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。2.2滤波器的分类由于RC有滤波作用，所以根据有无运算放大器，无运算放大器的就是无源滤波器。由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器。可用在信息处理、数据传输、

10、抑制干扰等方面，但因受到运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围选择的不同又将有源滤波器分为低通、高通、带通、带阻等四种滤波器。具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有源滤波器级联实现。3.2.1低通滤波器低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 图1典型的二阶有源低通滤波器图1所示是典型的有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电

11、路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。 图2 二阶低通滤波器幅频特性曲线图2为二阶低通滤波器幅频特性曲线。（1）二阶低通滤波器的通带增益为 （1）（2）截止频率：它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 （2） （3）品质因数：它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。 （3）（4）特征角频率： （4）3.2.2高通滤波器与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或者是抑制低频信号。只要将图1所示低通滤波电路中起滤波作用的电阻电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是镜像关系。即高通滤波器会抑制

12、或衰减低于截止频率的信号。3.2.3带通滤波器这种滤波器的作用是只允许在某一通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。3.2.4带阻滤波器这种电路的性能与带通滤波器相反，即在规定频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。3.3低通滤波器电路设计3.3.1电路的选择图3 二阶低通滤波器实习要求为低通滤波器，最初选用最基本的压控二阶低通滤波电路，但由于种种原因，仍选用此电路，但是将运算放大器的放大部分省去，直接将反相端接输出端形成电压跟随电路。此时电压的增益为一，即电压不变，但滤波器的截止频率不变。电路如右图所示，此电

13、路简单而且能达到很好的滤波效果，当信号频率高于截止频率时，会被衰减或者抑制。截止频率由公式一得到。根据电路图选择截止频率为100Hz。3.3.2元件的介绍1)运算放大器由于低通滤波器所要求的运算放大器要求不高，所以选择价格低廉而且通用性强有不错的承受电压能力的LM324。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图5所示。 图4 图5它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示

14、运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图4。2）电阻电阻的英文名称为resistance，通常缩写为R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。欧姆定律指出电压电流和电阻三者之间的关系为I=U/R，亦即R =U/I。电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“来表示。电阻的单位欧姆有这样的定义：导体上加上一伏特电压时，产生一安培电流所对应的阻值。电阻器有不同的分类方法。按材料分，有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻等。1电阻阻值的区分（只针对色环电阻）色环电阻在各种电子设备中普遍使用,在安装,维修

15、,检测时给我们带来了不少的方便,因此在使用时我们要学会读色环电阻的阻值。各种颜色所代表的数值及其代表误差如下表：表1 色环电阻阻值表示表颜色代表数值代表误差黑0棕11%（常见） 红22%（常见）橙33%黄44%绿5%蓝60.2%紫70.1%灰8白9+520%金5%（常见）银10%（常见）根据表1，可以看出电阻的阻值表示规则：（1）从数量级来看，在体上可把它们划分为三个大的等级，即：金、黑、棕色是欧姆级的；红、橙、黄色是千欧级的；绿、蓝色则是兆欧级的。这样划分一下是为了便于记忆。（2）当第二环是黑色时，第三环颜色所代表的则是整数，即几，几十，几百 千欧等，这是读数时的特殊情况，要注意。例如第三环

16、是红色，则其阻值即是整几千欧的。（表示倍数的4环电阻的第3环或5环电阻的第4环是几就在有效数字后加几个0，若是负数，是几，有效数字的小数点就向左移几位。）（3）记住第四环颜色所代表的误差，即：金色为5%；银色为10%；无色为20%。1、 四环电阻阻值的读取：前两个色环代表有效数值,第三环色环是代表10的n次方,第四环 色环代表误差。如下图： 图6 四环电阻的读取2、 五环电阻阻值的读取：前三个色环代表有效数值，第四个色环代表10的n次方，第五个色 环代表误差。3、六环电阻的读法：前五环和五环电阻一样，最后一环代表电阻温度系数。 （3）电容电容是一种我们经常使用到的电子元件，电容器是一种能储存电

17、荷的容器它是由两片离得较近的金属片，中间再隔以绝缘物质而组成的按绝缘材料不同，可制成各种各样的电容器.如：云母瓷介纸介，电解电容器等。电解电容如右图所示电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。同时电解电容正负不可接错。图7 电解电容3.4元件参数的选择选择截止频率为100Hz，为计算方便，令R1=R2，C1=C2。根据公式一，选取实验室有的电容0.1uF，则计算电阻值为10.0k。根据电路在proteus上做仿真模拟，然后

18、将实物用面包板连接。3.5仿真结果3.5.1 使用仿真软件绘制电路图 图 8 低通滤波器仿真图如图所示连接电路，并连接示波器，取输入正弦波频率为30Hz运行结果如下：图9 低通滤波器波形图由图可得，当输入信号频率为30Hz时，此时输入信号频率并没有达到截止频率，所以这个频率的信号不会被衰减，因此最后的结果是输入与输出波形无变化。当输入信号频率为100Hz，仿真结果如下： 图10 截止频率时的低通滤波器波形图由图可知，当输入信号频率为100Hz时，此时输入信号频率在截止频率附近，且输出信号幅值约为输入的0.7倍。根据低通滤波截止频率的定义，可以认为此时就是滤波器的截止频率。为了验证低通滤波器的滤

19、波性质，特别取输入信号的频率远大于截止频率，所以特别选择了输入频率为为1000Hz。此时，其仿真结果如下： 图11 高频率信号的波形图可以看到输入信号是幅值较大的正弦波，输出信号也是正弦波，然而其幅值较输入幅值小很多，可以看成一条直线。可知，此时低通滤波器的滤波效果明显。3.6 实物连接测试 图12实物连接波形图 图13高频率输入波形图 图14高频信号被衰减按照电路图连接好电路，使用示波器和函数发生器进行检验。调节输入信号的频率，分别取50Hz、270Hz、470Hz时，在示波器是显示的波形分别如图12、13、14所示。可以看出来滤波器的滤波效果很明显。可以证明设计方案的电路连接都是正确的。三

20、、模电设计呼吸计设计任务要求：设计一种监视人体呼吸速率的系统，并将速率送led显示。（建议使用热敏电阻做传感器）。4.1呼吸计简介医护人员对病人的治疗中需要监护管理工作，对病人的体温做定时的测量，以便能够及时了解病人的身体状况，对病人的病情做出相应的判断，为主治医生制定治疗方案提供一定的参考。就目前的情况来看，医院里基木上采用人工定时测量方式，每天护士定时查全病区每个病人的呼吸状况，然后记录、绘出呼吸变化曲线，分析病人在不同时间的呼吸状况，将一些重要的信息汇报给医生。此项工作不仅耗费大量的人力，而且汇总查询分析起来也比较复杂。病人在出现特殊情况时不能得到及时的反馈，从而可能会造成治疗时间的延误

21、，因此，目前这种人工查测病人呼吸的传统方式有待于改进。家用呼吸检测仪记录系统利用先进的计算机技术、单片机技术和信号采集技术对病人的呼吸进行自动检测，系统原理是：1、通过呼吸检测系统中的温度传感器采集温度信号，2、利用信号提取电路提取有效信号3、采用信号处理部分将呼吸模拟信号转换数字信号家用电子呼吸检测仪系统应用能准确、动态、高效反映病人身体状况，为医生制定治疗方案提供重要依据，同时减轻了家人的负担，提高了对病人的护理水平，有效的减少医护家人与病人的交又感染。因此该系统的研制和应用具有重要的研究价值和现实意义。4.1.1内外发展现状睡眠障碍是许多疾病形成和发展的重要因素，睡眠的质量问题不仅可能引

22、起人体各种生理功能的低下，而且还会导致一系列周身性病变:如心血管系统疾病、神经系统疾病、内分泌代谢紊乱、肾脏功能损害。更严重的是，如果呼吸发生10秒或10秒以上的暂停，就会对生命有威胁。因此如何能有效监测病人的睡眠状况，已引起人们的重视。1965年Gastant等人明确了呼吸暂停的概念， 呼吸暂停是指口、鼻气流消失、动脉血氧饱和度下降，呼吸停止10秒以上的生命状态，呼吸暂停综合症是危及人类正常生命活动的疾病之一，它在夜间睡眠过程中发生，所以非常有必要研制一种用于检测呼吸暂停仪器，及早发现异常睡眠并进行相应的治疗。最近几年各国研究者更加注重以可靠、准确的检测手段检测呼吸暂停的发生，区分呼吸暂停的

23、类型，以便于临床选择合理的治疗方案。由于呼吸暂停大都发生在眠过程中，且需要检测的时间长，所以对检测的方法要求方便，病人易接受，呼吸暂停的判断准确率高。国外厂家生产的较先进的病人检测仪，均能在检测病人心脏功能的同时检测病人的呼吸情况，这对临床有重要的意义。这类仪器有丹麦DANICA公司生产的DIALDGUE2000系列中心，床边检测仪。德国西门子公司生产的SIRECUST730系列检测仪等。检测病人的呼吸参数不需要外接任何换能器，只要给病人安装好心电电极，接好导联线，在检测心电信号的同时，即可由键盘选择检测呼吸参数，屏幕上显示心电信号的同时显示呼吸波形。使用ECG电极检测呼吸信号，对ECG波形的

24、正常显示和纪录没有任何干扰。4.1.2本研究的意义在医疗领域中，很多时候需要测量病人的呼吸参数，如呼吸气流、压力、温度等。常规的方法是采用专用的医疗仪器依靠医生的临床经验。在结果分析方而存在个体差异。此外这些装置还存在以下缺陷：体积庞大，价格较高；无法储存数据；本设计是在计算机技术和现代测试技术深层次结合的基础上发展起来的一种新技术，它利用计算机强大的运算功能和存储能力，充分运用软件的作用来实现信号的采集，数据的实时显示、输出等功能。4.2系统方案设计设计方案框图如下用热敏电阻提取信号取峰值谷值提取平均值滤波放大电路经过比较放大电路整形得到方波图形基于555产生的单稳态触发器作为一分钟的定时环

25、节译码锁存加法计数器结果的动态显示 图15 系统总框图如上系统框图所示，电路由滤波放大、平均值提取、整形电路、定时电路、计数环节、译码环节、显示环节等组成。系统的工作原理是：人体呼吸经过口腔产生热量，使热敏电阻的温度升高，进而改变电阻的阻值。电阻值的改变会是输出端的电压产生变化，形成一个类似正弦信号的信号，经过提取峰值谷值取平均得到的平均值。经过比较电路与呼吸信号比较，当呼吸信号高于平均值时输出高电平；当呼吸信号低于平均值时输出低电平。形成有上升沿和下降沿的方波信号，经过有555产生的单稳态电路形成的一分钟定时电路，产生一分钟的方波。最后经过计数器和译码器并在数码管上显示一分钟脉冲次数，最后显

26、示的结果即为一分钟的呼吸次数。4.3电子元件的选择4.3.1运算放大器的选择1）滤波放大电路运算放大器选择CA3140CA3140中文资料 CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放.其引脚功能表如下表2 CA3140引脚功能表引脚

27、号功能引脚号功能 1 OFFSET NULL 偏置（调零端） 5OFFSET NULL 偏置（调零端） 2INV.INPUT 反向输入端 6OUTPUT输出 3MON-INPUT 同向输入端 7V+ 电源+ 4V-电源-STROBE 选通端2）平均值提取电路和比较电路放大器选择LM358。LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，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。其引脚图右图所示：其中1、7为输出

28、端，信号经过比较放大的结果结果这两个引脚输出；2、6是反向输入端，3、5是正向输入端。4端接低电平或者是接电源负极，8端接电源正极。 图16 LM358引脚图4.3.2传感器的选择温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接的获得。温度传感器的基本工作原理正是利用了这一性质。随着科学技术的发展，现已开发出种类繁多的温度传感器。常用的温度传感器由P-N结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热电阻及热电偶温度传感器等。其中，P-N结温度传感器有较好的线性度，热时间常数约0.2s2s,灵敏度高，其测温范围为-50 +50。这种温

29、度传感器的缺点是，同一型号的二极管或三极管的特性不一致。集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器。集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感部分、放大电路、驱动电路、信号处理电路等集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用工C。集成温度传感器与热敏电阻等其它温度传感器相比具有灵敏度高、线性度好、响应速度快和良好的线性度和一致性等特点。同时，具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。集成温度传感器的工作温度范围是有限的，通常在550C-V

30、1500C之间。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品D590, AD592, TMP17, LM13等。热电阻的基本材料有铂、铜和镍，其阻值随温度的升高而增大。其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，为-200600，但价格高。铜电阻测温范围窄，为-50+150。热电偶测温范围宽，一般为-50+1600，最高的可达2800，并且有较好的测量精度。另外，热电偶已标准化，系列化，易于选用，可以方便的用计算机做非线性补偿，因此应用很广泛。热敏电阻是电阻式传感器。它利用阻值随温度变化的特性来测量温度。热敏式传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适用温度较低的情况。一般把由金

31、属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于电路温度补偿和保护。金属的电阻值随着温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随着温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。在温度变化的同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍。通过测量热敏电阻阻值的变化，便可以得知被测介质的温度变化。热敏中阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点。典型的热敏电阻的缺点是线性度低、稳定性。经人的呼吸途径有两个，一个是鼻腔，另一个是口腔。在呼吸时，口、鼻腔处由于气流流过而使压力和温度发生变化。因此，人体的呼吸状态可以从检测压力和

32、温度变化得知。如采用压力法，由于口、鼻腔处的压力变化很微弱，而弱压传感器的灵敏度很高，容易受各种因素的影响，造成误动作，故压力法不宜采用。温度检测的方法，既用热敏电阻作传感器，将热敏传感器用胶带粘在鼻腔或口腔下方。由于简单易用，被检测者没有不舒服的感觉，不影响正常的睡眠而受到重视。比较选用热敏电阻传感器。4.3.3 其他芯片的选择1)555芯片单稳态定时环节采用555芯片定时。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。一般用双极型（TTL）工艺制作的称为 555，用 互补金属氧化物（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

33、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。2）计数器在数字电路中，把记忆输人脉冲个数的操作称为计数，计数器就是实现计数操作的时序逻辑电路。计数 器应用非常广泛，除用于计数、分频外，还用于数字测量、运算和控制，从小型数字仪表到大型数字电子 计算机，几乎无所不在，是任何现代数字系统中不可缺少的组成部分。 计数器的种类很多，按其进制不同分为二进制计数器、十进制计数器、N进制计数器；按触发器翻转是否 同步分为异步计数器和同步计数器；按计数时是增还是减分为加法计数器、减法计数器

34、和加/减法（可逆 ）计数器。这里选取74ls160。详细的细节会在下文有描述。3）译码器译码器(decoder)是一类多输入多输出组合逻辑电路器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。 变量译码器一般是一种较少输入变为较多输出的器件，常见的有n线-2n线译码和8421BCD码译码两类；显示译码器用来将二进制数转换成对应的七段码，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。这里我们选择74ls48译码器。4）数码管led数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组

35、成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。这里选择一位共阴极数码管。5）稳压管一般二极管都是正向导通，反向截止；加在二极管 上的反向电压、如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到 一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；反过来着，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大， 而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的， 因此、稳压管在电路中

36、要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压、不同类型稳压管的稳定电压也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例 如：2CW11的稳压值是3.2伏到45伏，其中某一只管子的稳压值可能是35伏，另一只管子则可能是4，2伏。 在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压 管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联一办或几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0607伏的特点 来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。 7）与门、非门非门：74LS04是6非门(反相器)他的工作电压5V，他的内部含有6个coms反相器，74LS0

37、4的作用就是反相把1变成0。与门：74LS08是4组两输入与门。其引脚图如下：图17 74LS48引脚图 74LS08，有四组与门，其中每组里有两个输入口，一个输出口，其按照逻辑顺序正常工作。4.4模拟电路部分4.4.1信号提取电路在呼吸时，口鼻腔底部由于气流流过温度发生变化，因此人体的呼吸状态可以从检测温度变化获得，按此原理可选用温度传感实现，按此原理设计呼吸信号提取电路如图18所示。由电源接一个电阻和热敏电阻Rt串联至地，热敏电阻在常温下(25°C)阻值为5k，热敏电阻为负温度型，灵敏度为2%，当呼吸温差达8°C时，其阻值变化为Rt=5000*16%=8。相应电压变化为

38、公式4图18 信号采集因热敏电阻Rt在常温下工作于线性区，这使Rt上电压变化严格随呼吸状态的变化而变化，不会出现非线性失真。4.4.2滤波放大电路由于提取的信号较弱，易受环境温度及其他干扰的影响。因此必须进行滤波放大，以隔除直流成分，消除环境温度及其他干扰的影响，对有效信号进行放大。单片机系统中，主要的抗干串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰，而对直流串模干扰则采用补偿措施。常用的低通滤波器有RC滤波器，LC滤波器，双T滤波器及有源滤波器等。它们的原理图分别如图19(a),(b),(c),(d)所示。图19(a) RC滤波器图19(b) LC滤波电路图19(C) 双T滤波器图19(d)

39、滤波放大电路（有源滤波器）RC滤波器的结构简单，成本低，也不需调整。但它的串模抑制比不高，一般需23级串联使用才能达到规定的NMR指标。而且时间常数RC较大，RC过大时将影响放大器的动态特性。LC滤波器的串模抑制比较高，但需要绕制电感，体积大，成本高。双T滤波器对一固定频率的干扰具有很高的抑制比，偏离该频率后抑制比迅速减小。主要用来抑制工频干扰，而对高频干扰无能为力，其结构虽然简单，但调整比较麻烦。有源滤波器可以获得较理想的频率特性。因此本文的滤波放大电路采用有源滤波器。其中：Rt取下呼吸信号，经标R2、C1构成的高通隔除直流，同时由C2、R3构成的低通，以实现滤波的目的。根据放大的需要可适当

40、选择R2、R3。放大增益K1=-R3/R2。 R2、C1的选取要保证周期小于10s的呼吸信号均能通过。运算放大器A1选用具有高输入阻抗，且可由较低的电源供电的CA3140。提取有效信号：是通过峰谷值检测，然后通过设计电路计算出峰谷值的平均值。4.4.3峰值检测电路图20峰值检测电路峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。如图20, 交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。这种简单电路的工作过程是, 在交流电压的每一周期中,

41、可分为电容充电和放电两个过程。在交流电压的作用下, 在正半周的峰值附近一段时间内, 通过二极管对电容 C 充电，而在其它时段电容 C 上的电压将对电阻 R 放电。当然，当外界交流电压刚接上时，需要经历多个周期, 多次充电, 才能使输出电压接近峰值。但是, 困难在于二极管是非线性元(器)件,当交流电压较小时，检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。这里的泄放电阻R，是指与 C 并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。不难想到, 放电是不能完全避免的。同时, 适当的放电也是必要的。特别是当输入电压变小时, 通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压的峰值。实际上

42、, 检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时, 输出电压才可认为是输入电压的峰值。用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。检测仪器通常 R 值很大，且允许当输入交流电压取去后可有较长的时间检波输出才恢复到零。可以用较小的电容，从而使峰值电压建立的时间较短。经改进的峰值检测电路如图21示。图21值检测电路经滤波放大的呼吸信号接放大器同相端，当呼吸信号大于电容C3上的电压时，放大器输出高电平，D1导通，给C3充电。当呼吸信号升至峰值并开始下降时，C3充电至峰值电压，此时放大器输出低电平，D1截止，C3上保持峰值电压。为保证该电路不影响前级，且使电容C3能将峰值电

43、压保存适当长的时间，都需要放大器的输入阻抗要高，于是，我们选择了LM358，由于它价格低廉，性能好，能在较高的电压下工作。4.4.4谷值检测电路谷值检测电路如图21所示。该电路结构与峰值检测电路结构相同，放大器也选用CA3130。当输入电压小于电容C4上电位时，放大器输出低电平，D2导通，C4通过D2放电。当输入电压下降时，电容就保持放电。当输入电压Vi降至谷值并开始上升时，C4就取得谷值电压，此时放大器输出高电平，D2截止，C4保存谷值电压。 图22谷值提取电路4.4.5平均值提取电路从峰谷值输出端接两个严格匹配的R6,R7电阻。从R6,R7 之间提取平均值电压，如图2.7所示。图23平均值

44、提取电路为延缓峰值电压经R6、R7向谷值电压存储电容C5充电，R6、R7应选得较大。该电路中R6=R7=10M4.4.6比较放大电路呼吸电信号十分微弱，在检测呼吸电信号的同时存在强大的干扰，如工频50Hz 和极化电压等干扰。前者主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏，所以呼吸电放大器必须具有很高的共模抑制比。后者是由于测量电极与呼吸信号之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此，呼吸电放大器的前级增益不能过大，或者需要采用超低频的交流放大器。由于信号源内阻可达几十KW、乃至几百KW，所以，生物电放大器的输入阻抗必须在几MW以上。综上所述，设计高质量的呼吸电放大器有许多技

45、术困难。因此，设计高质量的呼吸电放大器一直受到国内外专家和学者重视。近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多高性能的集成化仪器放大器，如TI 公司、ADI 公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪器放大器，为设计呼吸电放大器提供了充分的选择。然而，由于呼吸电信号检测的特殊性，直接采用集成化仪器放大器来作为呼吸电放大器，仍然存在许多问题，效果并不能令人满意，其中通用型放大器分为以下几种类型：1、高阻阻型具有高输入电阻的运放称为高阻型运放。它们的输入级多采用场效应管，适用于测量放大电路、信号发生电路或取样保持电路。2、高速型单位增益带宽和转换速率的运放为高速型运放。它的种类很多，增

46、益带宽高达几千兆，转换速率大多在几十伏微秒至几百伏微秒，有的高达几千伏微秒，有的高达几千伏微秒。适用于模数转换器、数模转换器、锁相环电路。3、高精度型高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，而开环差模增益和共模抑制比均大于100db适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。4、低功耗型低功耗型运放具有静态功耗低、工作电源电压低的特点，它们的功耗只有几毫瓦，甚至更小，电源电伏，而具它方面的性能不比通用型运放差。适用于能源有严格限制的情况，例如空间技术、军事科学及工业中的遥感遥测等领域。综上所述，由于设计的需要，本文使

47、用LM358放大器，此放大器电路结构简单，成本低廉，不需调试，但性能比较优异。如图23示。 图24 比较放大电路波形变化如图2.9所示。模拟信号与平均值的交点就是信号的跳变点，经比较放大电路输出数字信号。图25 比较放大电路前后波形图滞回比较器电路电压比较器的作用是比较输入电压和参考电压。有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与“地”之间跨接一个双向稳压二极管Dz，作双限幅用。稳压二极管的电压为Uz。这是用通用型运算放大器构成的比较器，输入的是模拟量，输出的不是高电平，就是低电平，即为数字量，以与数字电路配合。 而这个设计方案选择的是另外一种

48、电压比较器，滞回比较器。电路如下图所示。 图滞回比较电路和幅频特性当输出电压时 （）当输出电压时（）设某一瞬时,当输入电压增大到时，输出电压转变为,发生负向跃变。当减小到时，压转变为，发生正向跃变。如此周而复始，最终形成一方波。如图24所示4.4.7单稳触发电路555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，555定时器的电路图如图2.10所示。利用它能方便在构成施密特触发器，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中都得到了应用。本文所采用的触发器就是利用555定时器接成的单稳态触发器。如图2.11所示。图55

49、5 定时器的功能主要由两个比较器决定。两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 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为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，使输出为低电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：

50、低触发端TR。3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。图25 单稳态触发器若以555定时器的VI2端作为角发信号输入端，并将反相器输出电压VI3接至VI1

51、端，同时在VI1对地接入电容C，就构成了如图2.11所示的单稳态触发器。 如果没有触发信号时VI处于高电平，那么稳态时这个电路一定处于Vc1=1,Vc2=1,Q=0,V0=0的状态。假定接通电源角发器停在Q=0的状态，则导通。如果接通电源后触发器停在Q=1的状态了，这时Td一定截止,Vcc使经R向C充电。当充到Vc=2/3Vcc时,Vc1变为0，于是将触发器置0。同时，Td 导通，电容C经Td迅速放电，使Vc=0。此后由于Vc1=Vc2=1，触发器保持0状态不变，输出也相应地稳定在V0=0的状态。因此通电后电路便自动地停在V0=0的稳态。当触发脉冲的下降沿到达，使V12跳变到1/3Vcc以下时

52、，使 Vc2=0，触发器被置为1,V0跳变为高电平，电路进入暂稳态。与此同时Td截止，Vcc 经 R 开始向电容C 充电。当充至Vc=2/3Vcc时,Vc1变成0。如果此时输入端的触发脉冲已消失,V1回到了高电平，则触发器将被置0，于是输出返回V0=0的状态。同时Td又变为导通状态，电容C经Td迅速放电，直至Vc=0，电路恢复到稳态。输出脉冲的宽度Tw 等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于处接电阻R和电容C的大小。根据公式且根据设计要求取定时时间为一分钟。选C的值为100uF，则根据公式计算得R18的值为540千欧。其值如上图所示，其中R19为上拉电阻。 根据电路图连接即能得到一分钟

53、的定时电路。4.5数字显示部分数字显示部分由两个74ls160计数器、两个74ls48译码器、两个一位共阴极数码管组成。4.5.1计数器部分采用74ls160芯片，如下图所示图26 74ls160引脚74ls160有16个引脚，其中接高电平和接地端被省略了。其他引脚功能如下： 1为清零端,低电平有效。 2为四种脉冲输入端CLK,上升沿有效。 36为数据输入端，是预置数，可预置任何一个4位二进制数。 7,10为计数控制端EP,ET,当两者或其中之一为低电平时，计数器保持原态；当两者均为高电平时，计数。 9为同步并行置数控制端，低电平有效。 1114为数据输出端。 15为进位输出端RCO，高电平有效。 由于一分钟复习次数大于10次，所以要用两片74LS160采用串行