压电传感器心率计计算机方案与仿真

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毕业设计(论文>

鉴于压电传感器的心率计的计算机设计与仿真

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2021年6月

纲要

脉搏波所体现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反应出人体心血管系统中很多生理疾病的血流特色。依据人体脉搏信号特色，本文设计了一种脉搏颠簸频次丈量系统。本次设计的压电传感器根基上的心率计，原理构造主要由六局部构成，此中包含：丈量电路、放大电路、滤波整形电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路。此中传感器的选用是设计中的首要任务，其次就是信号的放大及计数电路的设计，重点点是计数电路上当数方式的选择。显示电路能够借助传统的设计模块作为参照。利用压电传感器，将人体的脉搏经过压电陶瓷片变换为可办理的电信号，经过集成运算放大

器、滤波电路、整形电路等模块，在555时基电路、数码显示、控制、计数等电路元件的配合下，利用Multisim2001仿真软件，能够实现此心率计的仿真设计。各个电路模块，依据其功能特色均有多种方案选择，我们在设计过程中，利用所掌握的理论知识，对各种方案做出比较，并要求选择出最正确方案，达成整体设计，并且实现利用Multisim2001软件对每一模块的仿真。

本次设计任务详尽剖析了压电传感器应用于心率丈量上的原理及长处，论述了其余各配合电路的构成与工作特色，得出了在不一样丈量数据和技术参数条件下的仿真结果，使得本次课题的预期结果得以实现。

重点词：压电传感器，控制电路，计数器，Multisim2001仿真软件

Abstract

Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Accordingtothecharacteristicsofthehumanpulsesignals,apulsefluctuationfrequencymeasurementsystemisdesigned.Thedesignofpiezoelectricsensorsonthebasisofheartrate,themainprinciplebehindthestructurefromthesixcomponents,including:measuringcircuit,amplifier,filterplasticcircuit,countsshowcircuit,controlcircuits,powersupplycircuits.Theselectionofthesesensorsistheprimarytaskinthedesign,followedbythesignalisenlargedandthenumberofcircuitdesign,thekeypointiscountingcircuitinthecountingmethodchoice.Showcircuitcanusethetraditionaldesignmoduleasareference.Useofpiezoelectricsensors,willfeelthepulseofthehumanbodythroughthepiezoelectricceramicscanhandletheconversiontoelectricalsignals,throughintegratedoperationalamplifiers,filtercircuits,suchasplasticcircuitmodule,in555at-circuit,digitaldisplay,control,countingandothercircuitelements,CoupledwiththeuseMultisim2001simulationsoftware,canachievethisrateofsimulationdesign.Eachcircuitmodule,accordingtotheirfunctionalcharacteristicshavethechoiceofavarietyofprogrammes,weinthedesignprocess,masteredbytheuseofthetheoryofknowledge,tocomparethevariousoptionsandaskedtochoosethebestoption,tocompletetheoveralldesign,andImplementationofMultisim2001softwareforeachmoduleofthesimulation.

Thetaskofdesigningadetailedanalysisofpiezoelectricsensorsformeasuringheartrateandontheprincipleofmerit,ontheothercircuitwiththecompositionandcharacteristicsofthework,comeindifferentmeasurementdataandtechnicalparametersundertheconditionsofthesimulationresults,makingThetopicstoachievetheexpectedresults.

Keywords:Piezoelectricsensors,controlcircuit,counters,Multisim2001simulationsoftwarecontrolcircuit.

目录

纲要I

AbstractII

目录III

第一章前言1心率研究的意义1国内外研究现状2课题要求2设计内容2主要技术指标及参数2传感技术的研发简况3第二章设计方案论证5传感器的分类及工作原理5传感器的分类5传感器的工作原理6传感器的采纳剖析7设计方案8第三章硬件电路设计10心率计工作原理框图10电源供电电路11采纳沟通220V电源供电方式11采纳直流电源供电方式11丈量电路11传感器的性能13传感器的型号选择13传感器的供电电路13放大电路14滤波整形电路16滤波电路16整形电路17

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倍频电路20利用CD4046锁相环及计数器构成的倍频电路20利用简单门电路等构成的二倍频电路级联21控制电路22闸门信号的产生22启动清零的控制26计数译码显示电路26第四章仿真结果与剖析30Multisim2001的功能及特色30丈量电路31放大电路32滤波电路33整形电路34倍频电路35闸门控制电路36闸门电路36控制电路37计数显示电路37整机电路39结论40

参照文件41

道谢42

附录43

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第一章前言

心率研究的意义

中医对脉诊是十分重视的，认为经过脉诊能够认识患者脏腑气血的盛衰，

能够探测病因、病位、展望疗效等。从近代医学的角度来看，人体循环系统承

担着协调浑身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要

的工作，还担当运送抗体、激素等物质以协调整体的动向均衡。从整体的角度

对疾病进行综合剖析，明显循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系

统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，因为心脏的舒缩、内脏血容量的变

化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因

素使脉象携带着有关怀脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整

体的动向信息。所以脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。

作为现代电子仪器与医学相联合的一个重要应用课题，拥有深远意义。现代医学的不停展开和进步，令人们对各种丈量仪器的要求愈来愈高，而心率的丈量是一种评论人生理状况的好方法。心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频次。本设计是一款性价比比较高的电子心率计，它解决了传统丈量方法的不正确性和随机性，能够正确的丈量出人体的心率，并以数字的方式将丈量结果显示。它利用压电陶瓷片将人体脉搏变换为可办理的电信号，再经过信号的放大、整形滤波，而实现人体心率的丈量和显示，拥有抗扰乱能力强、稳固性能好、电路本钱低、应用范围广等长处。

本设计旨在综合压电传感器以及有关专业知识，设计一个数字脉搏计，对

人体脉搏进行丈量经数码管显示，最后利用软件Multisim2001仿真出实验结果。本课题综合性较强，能够牢固所学专业根基理论和根本操作技术，培养综

合运用所学知识与技术独立剖析问题解决问题的能力；经过在设计中选择适合的传感器，从而掌握其原理、应用范围、功能等；还能够深入认识心率计的工作原理、元器件选择以及电子仪器的常用设计方法等，从而掌握使用计算机进行电子线路设计与仿真的根本思想和方法。经过此次毕业设计，重温了专业理

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论知识，锻炼了着手操作技术，实现了理论和实践的有机联合，为未来从事有关行业累积了初步的设计经验。

国内外研究现状

在医疗诊疗中，快速脉搏测定已从传统的丈量方法向多参数生命体征监护

仪和自动脉搏丈量仪展开。因为其操作简单、快捷、正确、可准时、可记忆存

储数据等功能特色，不单减少了医务人员的工作强度,也使医疗手段得以现代

化、高科技化。新技术和新工艺使传感器和实验室仪表二者成为同一个芯片，

这是崭新的提升。这种多元化的丈量系统正朝着体积小，功耗低、使用灵巧、

便于携带，合适于社区和住院病房使用,有较强的剖析能力，可扩展等方向发

展。如与PC机进行通讯，将收集到的脉搏信号经过无线网络传输到PC端，从

而实现远程医疗等。

当今多半医生用听诊器丈量脉搏，医用脉搏计能够精准测出心率，并且能够测出心肌缩短力度，从而判断病人的健康状况；而家用脉搏计只需测出脉搏

的频次，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带,。

课题要求

1、采纳适合的传感器。

2、设计与传感器配合的信号办理电路。

3、设计有关电子线路并绘图。

4、娴熟掌握Multisim2001和Protel99SE的使用方法。

5、达成对设计的电子线路和系统的仿真切验。

6、测试有关点的波形，记录、剖析整理测试数据。

设计内容

1、方案比较及论证，查阅有关资料，选择最正确设计方案，列出设计思

想。

2、认识心率计的丈量原理，构造特色以及控制要求。

3、认识心率计的工作原理、构造框图等，达成单元电路设计。

4、实现电路的丈量与仿真。

5、绘制电路原理图，列元件明细表，整理及剖析有关数据。

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6、总结。

主要技术指标及参数

1、计数范围：1～999。

2、数字显示位数：三位静态十进制计数显示被测信号数值。

3、拥有计数及锁存功能。

4、性能优秀，工作靠谱。

传感技术的研发简况

跟着社会的进步，科学技术的展开，特别是近20年来，电子技术日异月新，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设施充满了人们生产和生

活的各个领域，相当大一局部的电器设施都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在公民经济建设中占有有极其重要的地位。

自20世纪50年月以来，科学家关于脉学的理论、脉诊方法、临床诊疗和实验研究等方面均展开了大批工作，获得了较大进展。脉象的客观化研究集中

在脉象仪的研制方面。脉象传感器是脉象仪的重点局部。英国人Marey最早设

计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。1860年初次

出现杠杆和压力鼓式描绘脉搏图，1895年开始采纳换能的方式，出现了杠杆式

光学脉搏描绘器。20世纪50年月我国学者朱颜初次将杠杆脉搏描绘器引用到

中医脉诊的研究中来。自20世纪70年月到现在，研究人员已研制出种类众多的

换能器以模拟中医把脉的手指收集脉搏信号并记录。目前应用的脉象传感器种

类众多，依据其工作原理可分为4种：经过感觉脉动处压力的变化而描绘脉搏

图的压力传感器；经过感觉脉管容积的变化来描绘脉象的光电传感器；利用声

学原理，拾取由脉搏惹起的振动即所谓听信号的传声器；还有超声多普勒检测

技术。

可是目前国内医疗机构关于脉搏和血压的丈量在相当程度上还依靠于听诊

器，医疗事业的展开使其丈量将由数字化仪器所取代。传感器是脉搏检测仪器

中的重要零件。国内外科研人士在提取脉搏图象方面已展开了大批工作，先后

研制了不一样种类的传感器及丈量设施以获取脉搏波形。如：液态传感器，将单

位长度管段动脉内血液体积随时间变化量变换成导电液柱体电阻的改变参量来

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丈量脉搏波形。它的敏捷度虽高，却因液态传感器自己构造特色的限制使丈量

过程其实不方便。由新式高分子资料PVDF、扩散硅等压电资料<拥有压电效应〕

制成的压电传感器在医用领域获取了宽泛应用。采纳红外线来检测收集人体的

脉搏，检测的部位为随意一手指或许耳垂的液晶显示型心率计也较为应用。随

着电子计算机技术的展开，智能传感器也应用到各个领域。在医用领域将传感

器与信号收集、放大装置、计算机等相联合构成新式智能丈量系统，不单能够

对脉搏的频次、血压等实现一方面丈量，也可实现对人体进行多点丈量，完好

检测脉搏的颠簸状态，更为科学的反应脉象变化，为医生供应了详尽的诊疗参

考依照。

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第二章设计方案论证

心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频次。心率计的根

本任务是实现对人体心率的丈量，此中包含：心跳能否正常、能否过快或过慢、能否居心率不齐等现象。心率的数值依据个人的年纪、性别及其余生理状况而不一样。各种心跳剖析，都是要经过对心率的计数来达成的。

为实现丈量目的，第一要将压力信号转变为电信号，再进行信号的放大、滤波和整形，变为合适信号进一步办理的数字信号。这一过程在任何方案中都是一定的，所以放大、整形无需论证，只需选择各电路的最正确方案。

实现数字脉冲计数的方法好多，在本设计中，我们一定选择一种最适合的方法应用到心率计中，以知足设计需要。实现对数字脉冲计数比较常用的方式有两种：一种是应用计数芯片实现计数；另一种是利用单片机控制实现计数。

应用计数芯片，经过一些根本的数字电路知识，来配共计数芯片实现计数，而后驱动数码管显示。这种方式线路比较复杂，可是技术成熟，并且很简单进行仿真，比较合适学惯用。

利用单片机控制实现计数，拥有电路设计简单、抗扰乱能力强、稳固性能好、电路本钱低、应用范围广等长处，其功能能够经过软件实现，并且实现的方式比较灵巧，合适实质应用，是一种很理想的设计方案，可是不宜经过软件进行仿真。

依据本次毕业设计使用Multisim2001软件仿真的要求，我们选择第一种方式即应用计数芯片实现计数功能。

传感器的分类及工作原理

传感器是一种检测装置，能感觉到被丈量的信息，并能将检测感觉到的信

息，按必定规律变换成为电信号或其余所需形式的信息输出，以知足信息的传

输、办理、储存、显示、记录和控制等要求。

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传感器的分类

目前对传感器还没有一个一致的分类方法，但比较常用的有以下三种：1、

按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传

感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输

出为开关量<“1〞和"0〞或“开〞和“关〞〕的开关型传感器；输出为模拟型

传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

传感器的工作原理

1、电阻式传感器：其根来源理是将被测物理量的变化变换成电阻值的变

化，再经过相应的丈量电路而最后显示被丈量值的变化，电阻式传感器与相应的丈量电路构成测力、测压、称重、测位移、测加快度、测扭距、测温度等测试系统。

2、电位器式传感器：电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感

器，能够将机械位移或其余能变换为位移的非电量变换为有必定函数关系的电

阻值的变化，从而惹起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。

3、电感式传感器：是利用线圈自感或互感的变化来实现丈量的一种装

置，能够用来丈量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心局部是可变自感或可变互感，在被丈量变换成线圈自感或互感的变化时，一般利用磁场作为媒介或利用磁铁的某种现象。这种传感器的主要特色是拥有线圈绕组。电感式传感器拥有以下长处：构造简单靠谱，输出功率大，抗扰乱能力强，对工作环境要求不高，分辨率高，示值偏差一般为示值范围的％～％，稳固性好。它的弊端是频次响应低，不宜用于快速动向丈量。

4、电容式传感器：电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量转变为

电容量，从而实现非电量到电量的转变的器件。电容式传感器已经在位移、压

力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分剖析的丈量等方面获取了广

泛的应用。电容式传感器的精度和稳固性也日趋提升，高达％精度的电容

式传感器在外国已有商品供应。长处是温度稳固性好，构造简单、适应性强，

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动向响应好，能够实现非接触丈量，拥有均匀效应。弊端是输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，输出特征非线性。

5、磁电式传感器：是经过磁电作用将被丈量(如振动、位移、转速等>转

换成电信号的一种传感器。

6、压电式传感器：利用压电资料的压电效应，将机械能转变为电能，属于典型的有源传感器。它的敏感元件由压电资料制成。常有的压电资料有石英

晶体、人工合成的多晶体陶瓷(如钦酸钡、错钦酸铅等>以及有机高分子聚合物

PVDF。工作原理是鉴于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。此电荷

经电荷放大器和丈量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输

出。压电式传感器用于丈量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加快度等

(见压电式压力传感器、加快度计>。它的长处是频带宽、敏捷度高、信噪比

高、构造简单、工作靠谱和重量轻等。因为压电传感器的动向响应好，在动向丈量中使用宽泛。弊端是某些压电资料需要防潮举措，并且输出的直流响应差，需要采纳高输入阻抗电路或电荷放大器来战胜这一缺点。

7、光电式传感器：是将光通量变换为电量的一种传感器。光电式传感器的根基是光电变换元件的光电效应。由光的粒子学说可知，光能够认为是由具

有必定能量的粒子所构成，而每个光子所拥有的能量E与其频次大小成正比。

光照耀在物体上就能够当作是一连串的拥有能量E的粒子轰击在物体上。所谓

光电效应即是因为物体汲取了能量为E的光后产生的电效应。

传感器的采纳剖析

传感器种类众多，不一样工作原理的传感器应用于不一样的产品研究及开发。

所以，传感器的选择是完本钱设计的重要局部。

1、电阻式传感器：没法进行频次丈量，所以不合用于本课题的设计。

2、电容式传感器：因为不可以进行微信号丈量，所以不合用于本课题的设

计。

3、电位器传感器：是用来丈量位移、距离、地点、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器，所以不合用于本课题的设计。

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4、电感式传感器：其分辨力和示值偏差与示值范围有关。示值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。所以不合用于本课题的设计。

5、磁电式传感器：载流半导体在磁场中由电磁效应而输出电动势，所以不合用于本课题的设计。

6、磁阻式传感器：与电磁感觉有关，所以不合用于本课题的设计。

7、光电式传感器：因为光电丈量方法灵巧多样，可测参数许多，一般情

况下拥有非接触、高精度、高分辨率、高靠谱性和反应快等特色，所以光电式传感器合用丈量心率。

8、压电式传感器：它能够把加快度、压力、温度、湿度等很多非电量转

换为电量。拥有敏捷度高、构造简单、动向响应好等长处,所以压电式传感器合用丈量心率。

因而可知，光电式传感器、压电式传感器是能够知足心率丈量要求的。依据本次课题设计要求，我们采纳压电式传感器。本次设计采纳半导体压力传感

器2S5M，其敏感元件为半导体应变片。压力传感器2S5M用恒流源供电比用电压源供电的丈量精度高，故丈量电路采纳恒流源的供电形式。这里的电流源

不是采纳电流源元件，而是用放大器电路获得。详细的电路及其原理说明见第三章。

设计方案

经过放大电路、滤波电路及整形电路出来的信号为脉冲信号。脉冲信号的

频次是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即。能够看出丈量fx一定将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行丈量。关于不一样的频次范围，有三种不一样的丈量方法。

1、周期丈量法：采纳单片机内的一个准时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关

对时基进行计数得nx，所以被测信号周期为，每分钟脉搏跳动次数

为。

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2、频次丈量法：也叫倍频法，依据频次计的原理，将被测信号倍频后，

丈量其在闸门时间内的脉冲个数，即为心率值。比如设心率为每分钟n次，那么

频次丈量电路不直接丈量心率脉冲数，而用一个计数器的8倍频后的信号进行

计数，并规定计数时间为秒，那么秒内的计数值为<8n/60〕7.5=n。可见，该计数值恰巧等于所需测定的心率。

此次设计采纳频次丈量法，这种方法采纳的电路构造简单，易于实现，能够在几秒内测得相对靠谱的心率值。

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第三章硬件电路设计

心率计工作原理框图

本次数字心率计的设计可分为以下几个模块：丈量电路、放大整形电路、

计数显示电路、控制电路、电源供电电路等。其原理方框图如图3-1所示：

传感器放大滤波整形倍频电路

闸门、控制电路计数译码显示

图3-1心率计原理框图

1、传感器局部。采纳适合的传感器，将物理信号变换成电信号输出。传

感器的精度、敏捷度、抗扰乱能力及安装方式决定了心率的丈量精度，所以其

选型对整个设计拥有决定性的作用。

2、信号放大电路局部。从传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。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，使之成为一个幅值合适的信号，便于后续电路的办理。

3、滤波与整形电路。心率信号是低频信号，低频滤波电路能够将放大后

信号中的中高频信号滤除，而后经过整形将模拟的不规那么的信号转变为便于信

号办理的数字脉冲信号。

4、倍频电路。提升整形后脉冲信号的频次，以此在短时间内测得心率的数值。

5、闸门电路。产生短时间的控制信号，控制丈量时间。

6、控制电路。用以保证在基准时间控制下，使倍频后的脉冲信号送到计数器进行计数。

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7、显示电路局部。由计数译码后的心率值最后送往LED显示电路直观地显示出来。所以，需要采纳适合的显示设施及显示电路，来实现心率值的显示。

考虑到每个模块都能够有多种实现方案，下边经过比较各种方案，来选择最优化的实现方案。

电源供电电路

心率计的正常丈量、信号输出离不开电源。依据心率计的工作原理，电源

能够采纳沟通供电和直流供电两种方式。往常状况下，沟通电压采纳220V的电压等级，直流电压采纳±5V～±15V的直流电压等级。

采纳沟通220V电源供电方式

沟通220V的供电方式主要原理是，经过整流桥进行整流滤波，将沟通电

压变为直流电压再给心率计进行供电。主要工作过程是，先利用隔绝变压器将

220V的电压进行降压，获取所需电压，而后经过整流设施进行整流、滤波，再

输出稳固的直流电压供应给心率计。

采纳直流电源供电方式

便携式心率计一般采纳三节5V直流干电池直接对电路进行供电，这种供电方式方便、适用。

此次心率计设计中，沟通供电、直流供电两种方式我们都能够采纳。也能够同时采纳两种供电方式在仿真切验中实现。

丈量电路

心率信息的收集，是要依靠丈量电路来实现的。丈量电路在心率丈量过程中起着“先行官〞的作用。没有正确的丈量，那么全部数据信息都将没存心义。

实现丈量目的的重要元件就是传感器。目前传感器技术展开快速，我们可

以在设计过程中采纳技术成熟的成型传感器。依据前面的方案论证，知足心率

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计要求的传感器有：光电式传感器和压电式传感器。我们此次设计采纳压电式传感器。

本设计以丈量心脏跳动频次为目的，经过查阅大批有关资料，常用的心率丈量可有以下三种方案：一是经过丈量单位血管长度血液流量的变化来丈量心跳的频次；二是经过丈量心脏跳动流过传感器时对传感器的压力的变化来丈量频次；三是利专心脏跳动时的振动来丈量。

方案一：经过丈量单位血管长度血流量的变化测心跳频次

实现此种方式丈量的传感器主要以液态传感器、光电传感器为主，这两种传感器均是利用血液流过传感器时，单位长度血管内血液体积的变化惹起电信号的变化。不一样的是前者是惹起传感器丈量范围内电阻的变化，从而惹起电压的变化，转变为电信号进行丈量。尔后者是由血液体积的变化惹起光芒经过人体后明暗的变化来触发光电传感器而获取电信号。这两种传感器都有较高的敏捷度，但也都有各自的弊端。液态传感器因为自己构造特色的限制使丈量过程其实不十分方便，而光电传感器对光芒经过人体的厚度有较高的要求，只好丈量手指、耳朵等相对较薄的地方。这两种传感器均只好用于专业的医用领域和其余特别领域，而不合用于家庭保健，所以不作为本次设计采纳的传感器。

方案二：利专心跳时的振动来丈量

此方案是利专心脏的跳动来触发振动传感器，这种振动传感器当在某一方向有振动时，传感器就被触发导通，没有外力时就不导通。但大部分振动传感器都拥有方向性，且因为传感器构造的原由，大多宽泛用于汽车、摩托车、自行车、家庭财富及名贵物件等各种不一样种类的防盗报警装置上，在丈量人体心跳、脉搏等方面极少用到，故此方案也不作为本次设计采纳。

方案三：经过丈量对传感器的压力的变化来丈量频次

实现此方式丈量所采纳的传感器多为压电传感器和电容式传感器，其工作原理是利用人体的血压变化来丈量心跳频次的变化，人体心脏在跳动的过程中，血压也跟着心脏的跳动而变化，从而惹起力敏元件的物理效应，变换成电信号进行丈量。电容式传感器敏捷度高，动向响应好，但输出阻抗高，负载能力差，受寄生电容影响大，输出特征为非线性，不合适本设计采纳。

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压电传感器是利用压电资料的压电效应来进行工作的，所谓压电效应就是某些资料在沿着必定方向遇到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态；看作使劲方向改变时，电荷的极性也跟着改变。压电资料所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多采纳差分式电桥构造，此种传感器技术相对比拟成熟，敏捷度高，构造简单，工作靠谱，质量轻，应用宽泛，比较合适本设计采纳。作为家庭生活保健用品，选择一款质量、体积都比较小，性能稳固的，价钱适中的压电传感器为妙。

传感器的性能

传感器的型号选择

本次设计采纳半导体压力传感器2S5M，其敏感元件为半导体应变片，应变片遇到压力后电阻的变化可用下式表示：

<3-1〕

此中△R——电阻的变化量；R——应变片的电阻；

K——应变敏捷系数；ε——应变；

ν——泊松比；δ——应变片的电阻率；

△δ——电阻率的变化量。

式中第一项决定于电阻体的大小和形状，第二项决定于电阻率的变化量。金属应变片的应变系数K较小，K最大为二。但半导体应变片因为压敏电阻效应惹起很大的电阻变化，K可达100到150.所以半导体压力传感器的分别性很大，这给成批生产带来不便，需将放大器的增益设计成可调的。

该传感器的初始偏压在-10mV左右，利用偏移电压互相赔偿，可抵达0，实现零点温度赔偿。

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传感器的供电电路

压力传感器2S5M用恒流源供电比用电压源供电的丈量精度高，故丈量电

路采纳恒流源供电的形式。这里的电流源不是采纳电流源元件，而是用运算放

大器电路获得，详细的电路见以下图，27kΩ和3kΩ电阻分压，集成运放的输出

电流即为传感器的输入电流，这个电流不随负载<即传感器〕的变化而变化，

根本是一个恒流源，保证了丈量精度。

图3-2恒流源原理图

运放的正输入端其电位为：

<3-2〕

此中要求27kΩ和3kΩ电阻的阻值极为精准，其温度系数要小，应采纳金属膜电阻。

运放的负输入端电位为：

<3-3〕

所以，运放的输出端的输出电流即传感器的输入电流：

<3-4〕

传感器的桥式电阻为Ω,所以传感器2S5M上的压降为：

<3-5〕

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再加上电阻375Ω上的压降为：

<3-6〕

所以电源电压完好知足要求。

放大电路

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，使之成为一个幅值合适的信号，便于后续电路的办理。

方案一：采纳通用运算放大器LM324构成的同相放大电路

因为传感器输出电阻比较高，故放大电路采纳同相放大器，经测试LM324性能优秀，工作靠谱，且价钱合理，所以本次设计采纳此集成运放。原理图以下：

图3-3同对比率放大电路

从图3-2中能够获取：

<3-7〕

<3-8〕

<3-9〕

<3-10〕

考虑到每个人个体之间的差别，人与人之间脉搏信号的强弱不一样，反应在

脉搏波形中即是幅度不一样。为了使该设计能合用于不一样的人，在设计的时候，

R1采纳滑动变阻器，经过调理其电阻，能够改变放大倍数。

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方案二：用多级级联的单管放大电路放大

一般状况下，单管放大电路的电压放大倍数只好抵达几十倍，放大电路的其余技术指标也难以抵达实质工作中提出的要求，所以，在实质的电子设施中，多半采纳各种各种的多级放大电路。

可是此方案的电路的元件许多，集成运放简单靠谱，且同对比率放大电路

输入电阻高，所以此次设计采纳LM324构成的同对比率放大电路来放大被测信

号。

滤波整形电路

要求心率计在计数的根基上，经过数码管将丈量的数据显示出来，这就必

须将模拟信号变换成能够计数的数字信号。这局部的实现是经过滤波整形电路

来达成的。这个模块的电路可分为滤波电路和整形电路两局部。

滤波电路

理想滤波器的行为特征往常用幅度-频次特征图描绘，也叫做滤波器电路的

幅频特征。理想滤波器的幅频特征以以下图。图中，w1和w2叫做滤波器的截

止频次。

图3-4理想滤波器幅频特征

经过与无源滤波器对比能够知道，一阶低通有源滤波器的通带截止频次与无源低通滤波器相同，均与RC的乘积成反比，可是引入集成运放此后，通带电压放大倍数和带负载能力获取了提升。

心率信号是低频信号，为防备中高频信号对丈量的影响，应当用低通滤波器滤除中高频信号，只让低频信号经过电路，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，往常电压放大倍数在倍左右。一阶低通有源滤波器以以下图：

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图3-5一阶有源低通滤波器

依据虚短和虚断的特色，可求得电路的电压放大倍数和通带截止频次为：

<3-11〕

<3-12〕

<3-13〕

因为一阶低通滤波器的幅频特征与理想的低通滤波特征对比，差距很大。

为改良滤波特征，此次设计中采纳二阶低通有源滤波器，其通带电压放大倍数

和通带截止频次与一阶低通滤波器电路相同。二阶有源低通滤波器电路图以下

图所示：

图3-6二阶有源低通滤波器

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因为被测信号混有1000Hz的扰乱尖脉冲，所以设计的有源滤波的截止频

率为1000Hz左右。取参数为C1=C2=0.1uF,R1=R2Ω，为保证信号幅值抵达

整形电路所需的电压值，往常放大倍数为倍左右。

整形电路

心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、滤波的模拟信号变换成数字脉冲信号，自然这是在不改变信号频次的前提下达成的。将模拟信号变换成数字脉冲信号的方案，能够有以下两种可供选择：一是利用电压比较器，二是利用555时基电路构成的滞回比较器作为整形电路。

方案一：利用集成运放构成的电压比较器

依据比较器的阈值电压和传输特征来分类，常用的比较器有过零比较器、单限比较器、滞回比较器和双限比较器等。各种种类的比较器可由通用集成运放构成，也可采纳专用的集成电压比较器。相对来说，通用集成运放构成的比较器工作速度比较慢。集成电压比较器工作速度比较快，且在要求相同的响应时间时，集成电压比较器的价钱比较便宜。别的，集成电压比较器的输出电平一般可与TTL等数字逻辑电平直接兼容，而无需外加限幅电路。

各种比较器中最简单的一种是过零比较器，依据过零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V，电路如图3-7所示。集成运下班作在开环状态，其输出电

压为+UOM或-UOM。当输入电压ui<0V时，UO=+UOM；当输入电压ui>0V时，UO=-UOM。所以，电压传输特征如图3-8。

图3-7过零比较器图3-8过零比较器的传输特征

过零比较器电路简单，可实现波形的整形作用。

方案二：利用555时基电路

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电路构成及工作原理

图3-9555准时器构成的施密特触发器

<1〕VI=0V时，Vo1输出高电平。

<2〕当VI上涨到时，Vo1输出低电平。当VI由持续上涨，Vo1保持不变。

电压滞回特征和主要参数电压滞回特征

图3-10施密特触发器的电路符号和电压传输特征

主要静态参数

<1〕上限阈值电压VT+——VI上涨过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。<2〕下限阈值电压VT-——VI降落过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。

<3〕回差电压VT,回差电压又叫滞回电压，定义为

TVT+－VT—=<3-14〕V=

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假定在电压控制端VIC<5脚〕外加电压VS，那么将有VT+VS、VT—VS/2、VT===VS/2，并且当改变VS时，它们的值也随之改变。

方案三：用集成施密特触发器

图3-1174LS14D图形符号

因为集成施密特触发器电路简单，工作靠谱，故此次设计的整形电路采纳集成施密特触发器74LS14D。

倍频电路

要在短时间内达成每分钟心跳次数计数功能，而在整形电路中，整形后的

信号与原信号的频次是相同的，假如要测其每分钟脉冲数，那么起码应丈量一分

钟才能够实现，为了缩短丈量时间，一定将整形后的信号的频次加倍，这样就

能够知足在短时间内达成丈量任务的要求。明显，假定将原信号频次变为本来的

N倍那么丈量时间就能够缩短为本来的1/N。所以，此次设计采纳倍频电路来提

高被测信号的频次，减少心率丈量的时间。

利用CD4046锁相环及计数器构成的倍频电路

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特色是电源电压范围宽<为

3V－18V〕，输入阻抗高(约100MΩ>，动向功耗小，在中心频次

f0为

10kHz

下功耗仅为

600μW，属微功耗器件。其引脚图以下：

8AAAAAA1CD4046

916

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图3-12CD4046的引脚图

CD4046的引脚摆列，采纳16脚双列直插式，各管脚功能：

脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。

脚相位比较器Ⅰ的输出端。

脚比较信号输入端。

脚压控振荡器输出端。

脚严禁端，高电平常严禁，低电平常同意压控振荡器工作。

6、7脚外接振荡电容。

8、16脚电源的负端和正端。

脚压控振荡器的控制端。

脚解调输出端，用于FM解调。

11、12脚外接振荡电阻。

脚相位比较器Ⅱ的输出端。14脚信号输入端。

15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

利用简单门电路等构成的二倍频电路级联

二倍频电路有多种，下边是一种适用的二倍频电路。

3U5AU6BR1124070BD_5V50k|?4070BD_5VC10

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图3-13适用二倍频电路图

其工作原理为：当输入信号由0正跃到1时，1端输出由0正跃到1，因为电阻和电容的存在，电容被充电，2端输出按指数规律上涨。在上涨到Uth前，电路输出为高电平1。一旦2端输出上涨到大于Uth时，电路输出又由1负跃到

0。当一端输出负跃到0时，电路输出由0正跃到1，一端输出0，这时电容经电阻放电，在2端输出降落到Uth时，输出又由1负跃到0，从而实现了二倍

频。

12U3CU1AU2B894070BD_5V4070BD_5V4070BD_5V0

图3-14快速二倍频电路图

把二倍频电路级联起来就能够实现4倍频、八倍频、16倍频等倍频电路。

在Multisim中不存在CD4046元件，且创办新元件是一项浩荡的工程，而用门电路构成的倍频电路简单易行，可实现2的N次方倍频。所以此次设计中的倍频电路采纳门电路构成的倍频电路。

控制电路

因为在题目中要求在短时间内测得实验结果，因此需要一个电路来控制整

个电路的运转、复位、自启动等，控制电路是用来控制计数脉冲的输入以及控

制计数器的工作状态，在心率计设计中起到“闸门〞的作用。控制电路设计的

利害直接影响到整个心率计的性能。这个任务由本局部电路实现。

闸门信号的产生

闸门信号的功能是产生一个闸门脉冲信号，以控制在该时间内达成一分钟的丈量任务，该功能的实现可由以下方案来实现。

方案一：采纳CMOS石英晶体多谐振荡器及分频器构成的时间基准电路

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O375O4O542O6614O7O11O8136SD1O915524060BD_5V1D1~O1O112O12133CP1012MRO1394CTCCD111RSRTC1004013BD_5V65.1M|?332768Hz100pF50%56pFKey=A0

图3-15石英晶体多谐振荡器

说明：图中4060BD的3脚输出频次为2Hz的方波信号，经D触发器二分频后1脚输出脉宽为1s的方波信号。振荡频次由石英晶体自己决定，这里假如

取f0=32768Hz，经过分频器<分频器可由各种进制的计数器实现，比较简单，

不再表达〕分频，能够获取一系列低频信号。其长处是产生的时间基准十分精

确，偏差小，电路稳固，弊端是只好产生频次为2n的方波信号，在本电路中需

要及15s的时间信号，因此需要将上述基准信号进行42分频获取周期为

1s的方波信号，而后再经过5进制及15进制的计数器获取相应的时间控制信号，这样电路接线极其复杂，本钱高，不易调试。

方案二：用555准时器构成的多谐振荡器

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图3-16555准时器的电气原理图和电路符号

(a>原理图<b〕电路符号

1．555准时器内部构造：

<1〕由三个阻值为5kΩ的电阻构成的分压器；

<2〕两个电压比较器C1和C2：

v+＞v－，vo=1；

v+＜v－，vo=0。

<3〕根本RS触发器；图3-17电压比较器

<4〕放电三极管T及缓冲器G。

2.555准时器构成的多谐振荡器以以下图所示，R1、R2、C是外接准时元件。

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图3-18用555准时器构成的多谐振荡器

其工作原理为：

开端状态：接通电源前电容C上无负荷，所以接通电源瞬时，C来不及充电，故Uc等于0，比较器C1输出为1，C2输出为0，根本RS触发器Q=1，~Q=0，Uo=Uoh，Td截止。

暂稳态Ⅰ：Q=1、~Q=0、Uo=Uoh,Td截止，是电路的一种暂稳状态，因为

在这种状态下，有一个电容C充电、电压迟缓高升的渐变过程在进行着，时间

常数是τ1=<R1+R2〕C。

自动翻转Ⅰ：当电容C充电，Uc上涨到时，比较器C1输出跳变为

0，根本RS触发器立刻翻转到0状态，Q=0、~Q=1、Uo=Uol，Td饱和导通。

暂稳态Ⅱ：Q=0、~Q=1、Uo=Uol，Td饱和导通，是电路的另一种暂稳状态,因为在这种状态下，相同有一个电容C放电、Uc迟缓降落的渐变过程在进行着，时间常数是τ2=R2×C。

自动翻转Ⅱ：当电容C放电、Uc降落到时，比较器C2输出跳

变为0，根本RS触发器立刻翻转为1状态，Q=1、~Q=0、Uo=Uoh,Td截止，即暂稳态Ⅰ。

3.振荡参数

暂稳态Ⅰ保持时间：

<3-15〕

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暂稳态Ⅱ保持时间：

<3-16〕

电路振荡周期:

<3-17〕

电路振荡频次:

<3-18〕

占空比：

<3-19〕

上边的电容的充电时间老是大于放电时间，输出的波形不行能对称，所以采纳占空比可调的多谐振荡器，其电路图以下：

图3-19占空比可调的多谐振荡器

电容充放电时间为：<3-20〕

<3-21〕

占空比：

<3-22〕

只需改变电位器活动端的地点，就能够方便的调理占空比q，当R1等于

R2时，q=0.5,输出脉冲将成为对称的矩形脉冲。

此次设计采纳555准时器构成的占空比可调的多谐振荡器，不一样的倍频还需对

输出的信号进行分频。分频采纳芯片4024BD，其管脚图以下：

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Vdd

121196543

144024BD

cp

f

图3-204024BD的引脚功能图

如上图所示，用4024芯片能够将信号进行2分频、四分频、八分频到128分频，此次设计即采纳555准时器构成的多谐振荡器和芯片4024构成闸门电路。

启动清零的控制

整个电路的启动、清零的控制将由这局部电路来达成，方案有可自启动及

自动清零、手动启动自动清零和手动启着手动清零等电路，比较之下，手动启

着手动清零电路最简单，且易于实现，所以此次设计采纳手动启着手动清零电

路来控制电路的启动和清零。开关可采纳单刀单掷开关和双刀双掷开关，可控

制555电路的启动和计数器的清零及被测信号的经过，详细电路见第四章的仿真电路。

计数译码显示电路

本次心率计要求是能够用三位十进制显示，数显管用七段LED数码管，并

且要有锁存的功能。此模块电路的传统设计思路是由计数芯片进行计数，而后

经过译码、锁存，最后经过驱动芯片，来驱动数码管进行显示。但在计数、译

码、锁存以及驱动等芯片的选择上有所差别，不一样的芯片功能有所差别，相应

的电路设计也有差别。此电路的框图以下：

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计数器译码锁存器显示器

图3-21计数译码显示电路框图

计数器采纳芯片4518BD，它是双四位二进制加计数器，其引脚图和真值表以下：

图3-224518BD的符号图表3-14518BD的真值表

CPENMR

上涨沿HL

L降落沿L

降落沿XL

X上涨沿L

上涨沿LL

H降落沿L

XXH

其引脚功能以下：

CP1：时钟输入端。

EN1：计数使能端。

工作方式

加计数

加计数

不变

不变

不变

不变

输出0

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1A，1B，1C，1D：计数输出端，输出为二进制。

MR：复位端，高电平有效。

本次设计中译码锁存器采纳芯片4511BD，它是7段BCD锁存译码驱动器，其引脚图以下：

图3-234511BD引脚图表3-24511BD的真值表

~EL~BI~CTDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000blank011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007

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011100011111118011100111100119111XXXX**其余0000000Blank其引脚功能说明以下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，数码管不显示任何东西。

LE：锁定控制端，当LE=0时，同意译码输出，LE=1时译码器处于锁定保持状态。

LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1时，LT=0时，数码管将所有显示

这主要用于测试7段数码管有没有物理破坏。

A3,A2,A1,A0为8421BCD码输入端，高位到低位挨次为A3~A0。

a，b，c，d，e，f，g为译码输出端，输出高电平有效。

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第四章仿真结果与剖析

Multisim2001的功能及特色

Multisim2001是电子线路仿真软件EWB(ElectronicsWorkbench，虚构电子工作台>的升级版。

Multisim是一个完好的设计工具系统，供应了特别强盛的元件数据库，并

供应原理图输入接口、所有的数模Spice仿真功能FPGA/CPLD综合RF设计能

力和后办理功能。还能够进行从原理图到PCB布线工具包<如Electronics

Worbench的Ultiboard〕的无空隙数据传输。

Multisim2001用软件的方法虚构电子与电工元器件，虚构电子与电工仪器

和仪表，实现了“软件即元器件〞和“软件即仪器〞。Multisim2001是一个原理电

路设计、电路功能测试的虚构仿真软件。

Multisim2001的元器件库供应数千种电路元器件供实验采纳，同时也能够新建或扩大已有的元器件库，并且建库所需的元器件参数能够从生产厂商的产

品使用手册中查到，所以可很方便地在工程设计中使用Multisim2001的虚构测试仪器仪表种类齐备，有一般实验用的通用仪

器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；还有一般实验室少

有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑剖析仪、逻辑变换器、失

真仪、频谱剖析仪和网络剖析仪等。

Multisim2001拥有较为详尽的电路剖析功能，能够达成电路的瞬态分

析和稳态剖析、时域和频域剖析、器件的线性和非线性剖析、电路的噪声剖析

和失真剖析、失散傅里叶剖析、电路零极点剖析、交直流敏捷度剖析等电路分

析方法，以帮助设计人员剖析电路的性能。

Multisim2001能够设计、测试和演示各种电子电路，包含电工电路、

模拟电路、数字电路、射频电路及局部微机接口电路等。能够对被仿真的电路

中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不一样程度的漏电等，从而察看不一样

故障状况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还能够储存测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及储存测试仪器的工作状态、

显示波形和详细数据等。

Multisim2001有丰富的Help功能，其Help系统不单包含软件自己的

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操作指南，更重要的是包含有元器件的功能说明，Help中这种元器件功能说明有益于使用Multisim2001进行CAI教学设计。此外，Multisim2001还供应了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能经过Windows的剪贴板把电路图送往文字办理系统中进行编写排

版，同时还支持VHDI和VerilogHDI语言的电路仿真与设计。利用

Multisim2001能够实现计算机仿真设计与虚构实验，与传统的电子电路设计与

实验方法对比，拥有以下特色：设计与实验能够同步进行，能够边设计边实验，改正调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐备，能够达成各种种类的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和剖析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不用耗实质的元器件，实验所需元器件的种类和数目不受限制，实验本钱低，实验速度快，效率高；

设计和实验成功的电路能够直接在产品中使用。Multisim200l易学易用，便于电子信息、通讯工程、自动化、电气控

制类专业学生学习和进行综合性的设计和实验，有益于培养综合剖析能力、开发和创新的能力。

丈量电路

传感器电路不需要仿真，其供电电路为恒流源，仿真电路图如图4-1所

示，其输出完好切合传感器的电源要求。

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VCC15V

VCC

R1

27k|?

1

C1

1uFR23k|?

0

41k|?650%R3Key=AR42890Ω890ΩVCC15V5VCCU1A

3R5R61890Ω890Ω211LM324D37VEEVEER8-15V375Ω0

+U2VDC10MW-

0

图4-1恒流源电路

放大电路

放大电路：被测信号的幅值为毫伏级，所以放大电路要将被测信号放大

1000被左右，由集成运放U4A构成放大电路，元件参数设置以下：R1=5KΩ，

R2=100KΩ，C1=100uF为隔直电容。

G5VTVCCABCD5413

1100uF

2

LM324D

100|?3VEE2

-5V5k|?04Key=A20%100k|?

图4-2放大电路图4-3函数信号发生器的设置参数

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图4-4放大电路的波形

说明：波形图中幅度较小的波形为放大前信号，幅度较大的为放大后信号，注意两个波形的纵坐标每格代表的幅值不一样。

滤波电路

滤波电路：正常人心率数为60到80次每分，婴儿为90到100次每

分，老人为100到150次每分。所以人体的心脏跳动频次应在～3Hz之

间，在此应采纳截止频次为5Hz的低通滤波器，参数选择为R4=R5Ω，

C2=C5=1uF,放大倍数为2。其设计电路图如图4-5所示。

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XSC1XFG11GC20100nFVCCC15V5100nFVCCU1AR46R3343ΩR2Ω102210k|?11LM324DVEEVEER1-5V6kΩ

图4-5滤波电路

T

ABCD

图4-6被测信号经放大后再滤波的波形

说明：幅度小的为被测信号放大后的波形，幅度较大的为滤波电路。

整形电路

整形电路就是将模拟信号变换成脉冲数字信号的电路。仿真电路如图4-7所示。

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XSC1

XFG1

G

T

ABCD

1

U1A02

74LS14D

图4-7整形电路仿真

图4-8整形波形

说明：正弦波为输入的放大滤波后的信号，矩形波为经过施密特触发器后的整形波形。

倍频电路

倍频电路由最根本的二倍频电路级联而成，其工作原理在上一章中已论述，这里不再赘述，以下图是由两个适用二倍频电路和一个快速二倍频电路构成的8倍频电路。

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XSC2

3U5AU6BU7CU8DR14R27125650k|?4070BD_5V20k|?4070BD_5V4070BD_5V4070BD_5VC1C21000V1

Hz

V

U3CU1A0U2B894070BD_5V4070BD_5V4070BD_5V0

图4-98倍频电路

其各局部的倍频波形以以下图4-10所示：

图4-108倍频电路波形

说明：第一个为倍频前波形，第二个为二倍频后波形，第三个为4倍频波

形，第四个为8倍频波形。

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闸门控制电路

闸门电路本电路是由时基电路555和芯片4024BD构成闸门时间信号，由555时基电路构成多谐振荡器，经芯片4024BD分频后获取想要的时间脉冲，从Q1到Q7的分频输出脉冲的宽带不一样。其仿真电路图和输入输出波形以以下图所示。VCC15VGT43.2k|?ABCD6VCC50k|?5RSTOUT10050%DIS2MRQ1122Key=A1Q2118THR~CPQ3961N1200CQ45TRIQ54Q61N1200C3CONQ73410uFGND4024BD_5V9C10nF555_VIRTUAL0CfTimer43.2k|?

图4-11闸门时间电路

图4-12闸门信号波形

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控制电路

控制电路用来控制电路的启动、清零等，详细仿真电路如图4-13所示，图

中开关K1为单刀单掷开关，控制555电路的启动，同时，当开关K1接高电平常，6线接4024的清零端，使4024清零，不致影响下次的丈量。开关K2为单

刀双掷开关，开关打到1线时计数器4518BD清零，打到0线时，4518BD能够开始计数，同时经过简单RS触发器2线输出1，当4线的闸门时间信号为1时，那么此时同意倍频后的信号经过，进行计数译码显示。

15V开关K2VCCVCC05k|?555多谐振荡器15V1开关K1Key=Space64518BD清零端4024清零端24011BD_5V3倍频后电路4闸门时间电路VCC54023BD_5V4011BD_5V15V图4-13控制电路

计数显示电路

本设计要求丈量并显示结果，计数范围在1～999之间，三位十进制静态显

示，所以需要三个七段LED数码显示管。由计数器4518BD计数脉冲在闸门时

间内的个数，送往4511BD译码锁存，驱动三位数码管显示，电路图如图4-14所示。它的清零、计数由控制电路控制。

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0

CKCKCK

U4U2U3

ABCDEFGABCDEFGABCDEFG1234567

3210954111111BCDEFGOOOOOOOU1

4511BD_5V

ABCDLITEBLDDDD~~~712654351525354

0

3456

BCD

1111U7A

4518BD_5V111PNRCEM271

15162117182019

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46

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ABCD1111U9A4518BD_5V111PNRCEM271055

V1

8Hz

5V

0

图４-14计数译码显示电路

以上是对各个电路模块的详细设计、仿真剖析，经过联合每一个电路模

块，设计出一个总的电路方案，其整机电路图如附录1所示，总的电路仿真图

如附录2所示。在能够对其进行电路仿真的前提下，我认为此方案抵达了预期成效。在设计电路的过程中，对每一个能够进行仿真的模块电路都进行了可行性仿真，包含滤波整形电路、控制电路和计数显示电路，实现了给定一个模拟人体心率的脉冲信号，能够对其进行计数，并在数码显示管上显示出来。

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经过对放大电路此后的电路仿真，根本能够抵达要求，但在计数数值上与

给定的计数脉冲还存在差距，经过检测，查出了是闸门电路的时间信号不够准

确的原由，因为准不时间由电阻与电容的参数决定，所以解决的方法是与电阻

R1串连一个能够进行微调的电位器即可，经过频频测试，完好能够抵达精准定

时的目的，同时倍频电路也是产生偏差的一个原由，应当尽量做到倍频后的信号对称，这样才能更精准。

整机电路

整机图的仿真见附录，此中附录1为8倍频的整机电路，附录2为16倍频的整机电路，经过仿真，可获取在输入不一样频次的信号时，两种不一样整机电路

在6次仿真时记录的心率值。

表4-1输入信号为1Hz时的心率值

1234568倍频时59606059605916倍频585959605759时表4-2输入信号为2Hz时的心率值1234568倍频时11812011912112011816倍频112117108112106116时由数据比较可知，8倍频时的数据较靠谱，固然16倍频时丈量时间缩短一倍，可是丈量结果偏差太大。

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结论

在快要三个月的设计中，我们从收集参照大批有关资料确立设计方向及思路，到选择传感器，而后解决从传感器出来的信号怎样转变为脉冲，到最后的画仿真电路，得出以下结论。

心率计的工作过程主要分为：经过压电传感器，收集信号将压力信号转变为轻微的电信号；而后将获取的电信号经过放大电路、滤波整形电路进行放大、滤波、整形；由闸门电路产生闸门时间信号控制信号的计数时间，同时由

控制电路进行启动控制、清零计数控制；将丈量结果由4511BD译码锁存；最后的结果由三位数码管显示电路显示出来。

本次设计的核心局部是对传感器的选择，压电传感器是心率计的丈量主体。压电传感器展开快速，技术成熟。鉴于压电传感器上的心率计，是利用人体的血压变化来丈量心跳频次的变化，血压随心跳变化，惹起力敏元件的物理效应，由传感器变换成电信号，从而实现丈量目的。

我们此次设计用到的仿真测试，依据方案的正确选择得以实现，同时成功进行了仿真结果剖析。固然没有做出成型的产品实物，但其工作原理是一致的，再利用仿真测试，相同能够抵达更靠谱、更多剖析化的成效。

跟着社会的展开，科学技术的不停提升，心率计的型号、工作方式、功能等将会随之不停更新，其工作原理也将会愈来愈完美。心率计的各个构成局部也将更为现代化、智能化，让我们共同努力来实现这美好的未来。

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参照文件

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[14]蔡鹏,黄成祥.单片机丈量频次的一种简易方法[J].机械，2000，27<增刊〕：

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Electricalengineering.A.S.KasatkiTranslatedfromtheRussianbyBorisA.S.KasatkiTranslatedfromtheRussianbyBorisV.Kuznetsov.Mir,1983.

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道谢

第一，由衷感谢姜李副教授对自己的精心指导，姜老师频频咨询研究进度，并为我指点迷津，帮助我开辟研究思路，精心点拨、热情鼓舞。姜老师谨小慎微的作风，慎重务实的态度，踏扎实实的精神，不单授我以文，并且教我做人，虽历时四个月，却给予平生得益无量之道。对姜老师的感谢之情是没法用语言表达的。

再次，我还要向四年来学校内帮助过我，教授给我知识，做人的道理，做事