心率檢測電路設(shè)計報告

ID:209376 · 發(fā)表于 2017-6-8 22:30

模擬電子技術(shù)大作業(yè)

2016-2017學年第二學期

題目：心率檢測電路

班級：15電子2班

成員：霍*超（21506*018）

郭*浩（2150*014）

谷*旭（2150*2012）

成績：____________________________

姓名		分工		自評分		總評分



小組互評分				教師評分
組別	分數(shù)	組別	分數(shù)	組別	分數(shù)	組別	分數(shù)
1		4		7		10
2		5		8		11
3		6		9		12
小組互評答辯環(huán)節(jié)記錄：

摘要

1 設(shè)計指標要求

2 系統(tǒng)方案分析與設(shè)計原理

2.1 系統(tǒng)方案的比較與論證

2.2 設(shè)計原理

3 單元電路的設(shè)計

3.1 信號采集電路

3.1.1 電路 3

3.2 信號處理電路 3

3.2.1 信號放大電路 3

3.2.2 低通濾波器電路 3

3.2.3 帶阻濾波器 4

3.2.4 buffer隔離緩沖 5

3.3 脈沖整形電路

3.3.1 脈沖整形電路

3.4 定時電路 6

3.4.1 定時電路 6

3.4.1 定時電路參數(shù)計算 7

3.5 計數(shù)顯示電路 8

3.5.1 計數(shù)電路 8

3.5.2 譯碼電路 8

3.5.1計數(shù)顯示電路 9

3.6 整體電路的設(shè)計圖 10

4 相位差測量電路的仿真與調(diào)試 11

4.1 信號放大電路仿真結(jié)果 11

4.2 低通濾波器仿真結(jié)果 11

4.3 陷波器仿真結(jié)果 11

4.4 脈沖整形仿真結(jié)果 12

4.5 定時器電路仿真結(jié)果 12

4.6 顯示電路顯示結(jié)果 12

4.7 完整電路仿真結(jié)果 13

5 PCB 13

摘要：

該設(shè)計采用壓電傳感器進行人體心率實時采集，通過放大、濾波、整形，實現(xiàn)對輸出0.2V信號的處理。用555定時器產(chǎn)生60s方波，由單穩(wěn)態(tài)電路依次產(chǎn)生兩路無交疊信號，分別用作鎖存器鎖存信號和定時器清零信號。采用高集成度、高性能、低功耗、高頻高速的集成芯片實現(xiàn)計數(shù)譯碼模塊，實現(xiàn)對心率的測量與顯示。

方案討論了放大電路，濾波電路，比較電路，計數(shù)、譯碼、顯示電路的各項指標及參數(shù)選取的合理性，從而實現(xiàn)心率測量儀的高穩(wěn)定性，強抗干擾力，并可實現(xiàn)心率的顯示及實時跟蹤，同時對于過高及過低的心率均實現(xiàn)自動報警，具有極強的實用性。

1 設(shè)計指標要求
2 系統(tǒng)方案分析與設(shè)計原理2.1 系統(tǒng)方案的比較與論證

將傳感器的敏感部分靠近人的脈搏，由傳感器感應(yīng)脈搏跳動，轉(zhuǎn)變成電荷信號，在將電荷信號經(jīng)過電荷放大器變成電壓信號。

傳感器出來的電壓信號進入放大電路得到放大的平滑的波形，再通過低通濾波器，將信號的高頻干擾濾掉。通過 buffer緩沖器起隔離作用。

前級輸出信號再送到整形電路，先通過比較器把脈搏波變成方波。

由555定時器產(chǎn)生60s定時周期信號。定時器輸出信號通過第一級單穩(wěn)態(tài)電路，調(diào)整周期信號高電平時間，作為鎖存器鎖存信號。鎖存信號通過第二級單穩(wěn)態(tài)電路，在京反相器反相，作為74LS160的清零信號。兩級單穩(wěn)態(tài)電路保證信號的時序正確。

整形電路出來的窄脈沖送到計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的清零端由一個定時器控制，一分鐘清零一次，為了正確顯示一分鐘的脈搏跳動次數(shù)；同時，定時器控制鎖存器的使能端控制鎖存器送譯碼顯示電路。

計數(shù)器的輸出端送到數(shù)值比較電路，與50和160進行比較，將比較結(jié)果用或門來控制蜂鳴器對不在正常范圍內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)進行報警。

2.2 設(shè)計原理

心率（HR）是指單位時間內(nèi)心臟搏動的次數(shù)。正常成年人安靜時的心率也有顯著的個體差異，平均在75次/分左右(60—150次/分之間)。心率可因年齡、性別及其他生理情況而不同。初生兒的心率很快，可達130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。

心率作為血液循環(huán)機能的重要生理指標而在運動中被廣泛地應(yīng)用。運動中，心率隨機體代謝需要而增加，在一定范圍內(nèi)可反映運動強度、機體的代謝水平，在有氧運動中常用心率作為控制運動強度的指標。運動后，心率的恢復(fù)又可作為評定運動負荷適宜與否以及心臟機能狀態(tài)的指標和依據(jù)。安靜狀態(tài)時基礎(chǔ)心率的測定，在醫(yī)務(wù)監(jiān)督中則可作為判斷某一階段機體是否有過度疲勞和評定運動員訓練程度的指標。測量心率最簡單的方法是記錄一分鐘脈搏的次數(shù)。根據(jù)人體脈搏信號特征，設(shè)計了一種測量脈搏每分鐘跳動次數(shù)的系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過脈搏傳感器采集脈搏信息，輸出電荷信號，然后轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)信號放大電路對其進行放大，再經(jīng)過濾波器，去掉干擾信號，再將所得信號進行電壓比較，波形整形，形成脈沖作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖，然后送入顯示電路，把記錄的結(jié)果進行比較，不在正常范圍內(nèi)就進行報警，由定時器控制復(fù)位端，一分鐘清零一次，再進行下一次測量計數(shù)。

它實現(xiàn)的主要功能有：（1）可以測每分鐘脈搏跳動的次數(shù)；（2）心率測試儀有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能；（3）一分鐘自動清零，清零控制端稍加延時，使一分鐘的脈搏跳動次數(shù)能夠正確的顯示

3 單元電路的設(shè)計3.1 信號采集電路

光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（500nm~700nm）的發(fā)光二極管。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥Ｓ捎诿}搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。根據(jù)相關(guān)文獻和實驗結(jié)果，560nm 的波可以反映皮膚淺部微動脈信息，適合用來提取脈搏信號。該傳感器采用了峰值波長為 515nm 的綠光 LED，型號為 AM2520，而光接收器采用了 APDS-9008，這是一款環(huán)境光感受器，感受峰值波長為 565nm，兩者的峰值波長相近，靈敏度較高。此外，由于脈搏信號的頻帶一般在 0.05~200Hz 之間，信號幅度均很小，一般在毫伏級水平，容易受到各種信號干擾。在感受器后面使用了低通濾波器和由運放MCP6001 構(gòu)成的放大器，將信號放大了 331 倍，同時采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的 1/2，使放大后的信號可以很好地被采集。

3.2 信號處理電路3.2.1 信號放大電路

OP07芯片具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。傳感器出來的電壓信號，約等于0.2v送到放大電路。對放大電路的要求有(1)輸入阻抗高，輸出阻抗低；(2)放大倍數(shù)要合適，考慮到芯片的工作范圍，放大到3-5V左右比較合適；(3)低頻響應(yīng)好；(4)溫度漂移小；(5)抗干擾能力強。

對于要求（1），可以通過前后加兩個緩沖器實現(xiàn)隔離，從而實現(xiàn)輸入阻抗很高，輸出阻抗低的要求。我們選用OP07低噪聲放大器，其具有如下優(yōu)點：（1）最大150uV超低偏移；（2）低失調(diào)電壓漂移；（3）高電壓工作范圍。對于0.2V輸入信號，對其放大25倍，以實現(xiàn)后級比較輸出。

A1=-R3/R1=50k/1k=-50(倍)

3.2.2 低通濾波器

傳感器輸出信號存在很大的高頻干擾，因此提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，我們在網(wǎng)絡(luò)中添加1kHz低通濾波器，將頻率

的信號消除。

1/RC=2лf（）

取R=1k，f=1000 則C=160n

幅頻特性：

相頻特性：

3.2.3 帶阻濾波器

帶阻濾波器，用于抑制某一段的信號，而讓該頻段以外的所有信號通過。由于心率信號極其微弱，故采用帶阻濾波器抑制50Hz的工頻干擾。

1）選擇C、R，計算KF。

a. 選擇C，取C=0.068uF。

b. 選擇R。

R=1/(2*pi*f0*C)=1/(2*PI*50*0.068*10^(-6))=46.81K，取R=47.0K

c. 求KF。

KF=2-[1/(2*Q)]=2-[1/(2*5)]=1.9 2)選擇RF、Rf。

RF=(KF-1)*Rf=(1.9-1)*Rf=0.9Rf

為了削弱偏執(zhí)電流及漂移的影響，集成運放兩輸入端直流參數(shù)應(yīng)對稱，故RF//Rf=R+R=2*R，即 0.9*Rf*Rf//(0.9*Rf+Rf)=2*R

Rf=4.22*R=4.22*47.0=198.4K

RF=0.9*Rf=0.9*198.4=178.2k 3)求2*C、R/2。

2*C取兩個0.068uF的電容并聯(lián)。R/2=47/2=23.5K

4)驗算。 F0=1/(2*pi*R*C)=1/(2*PI*47*10^3*0.068*10^(-6))=49.8Hz。

5）計算Fh、fL。

FH={[(2-KF)^2+1]^(1/2)+(2-KF)}*f0=55.028Hz FL={[(2-KF)^2+1]^(1/2)-(2-KF)}*f0=45.068Hz

3.2.4 buffer隔離緩沖

論對于放大器的高輸入阻抗、低輸出阻抗要求，還是對于濾波網(wǎng)絡(luò)的隔離，我們都必須考慮電路級連時阻抗匹配問題。因此，在放大器前級以及濾波器后級，我們放置緩沖器buf601，其具有高輸入阻抗，低輸出阻抗特性，同時驅(qū)動能力增強。

3.3 脈沖整形電路3.3.1 脈沖整形電路的設(shè)計

LM311電壓比較器

LM311是一款具有低輸入漂移電壓的電壓比較器，其設(shè)計運行在更寬的電源電壓：從標準的±15V運算放大器到單5V電源用于邏輯集成電路。其輸出兼容RTL,DTL和TTL以MOS電路。可以驅(qū)動繼電器，開關(guān)電壓高達50V，電流高達50mA。響應(yīng)時間:200ns 。

經(jīng)放大濾波后的信號為峰值5V的模擬信號，同時疊加250mV的噪聲信號，為了便于后級計數(shù)器對脈沖計數(shù)，需要將模擬脈沖整形成方波信號。

電路圖如下圖所示：

3.4 定時信號3.4.1 555定時60s

555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖如圖 6-1所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3 。

555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。

3.4.2 參數(shù)計算

實現(xiàn)60s定時的電路如圖所示。

定時器定時總時間為（R5+2R6）C2ln2

選取R5=51k，R6=47k，C2=580uF，

則定時總時間約等于60s.

3.6 計數(shù)及顯示電路3.6.1 計數(shù)芯片

TC 進位輸出端

CEP 計數(shù)控制端

Q0－Q3 輸出端

CET 計數(shù)控制端

CP 時鐘輸入端（上升沿有效）

/MR 異步清除輸入端（低電平有效）

/PE 同步并行置入控制端（低電平有效）

160 為可預(yù)置的十進制同步計數(shù)器。

（1）其清除端是異步的。當清除端/MR 為低電平時，不管時鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清除功能。

（2）160 的預(yù)置是同步的。當置入控制器/PE 為低電平時，在CP 上升沿作用下，輸出端Q0－Q3 與數(shù)據(jù)輸入端P0－P3 一致。

（3）160 的計數(shù)是同步的，靠CP 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當CEP、CET 為高電平時，在CP 上升沿作用下Q0－Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。

（4）160 有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N 位同步計數(shù)器

3.6.2 譯碼芯片

譯碼芯片74LS48

74LS48為BCD-7段譯碼器，74LS48用來驅(qū)動共陰極的發(fā)光二極管顯示器。74LS48的內(nèi)部有升壓電阻，因此無需外接電阻（可以直接與顯示器相連接）。74LS48的功能表如表2-3所示，其中

為8421BCD碼輸入端，a~g7段譯碼輸出端。

74LS48功能表

功能或數(shù)字	輸入				輸出	顯示字形
	1.017.jpg (1003 Bytes, 下載次數(shù): 373) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.018.jpg (1.09 KB, 下載次數(shù): 368) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳	1.019.jpg (933 Bytes, 下載次數(shù): 362) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.020.jpg (899 Bytes, 下載次數(shù): 350) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.021.jpg (850 Bytes, 下載次數(shù): 364) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.022.jpg (931 Bytes, 下載次數(shù): 375) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳	1.023.jpg (1.57 KB, 下載次數(shù): 371) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳	a b c d e f g
滅燈試燈動態(tài)滅零	x x 0 x 1 0	x x x x x x x x 0 0 0 0	0(輸入) 1 0	0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0		滅燈 8 滅燈
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	1 1 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0		0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.024.jpg (797 Bytes, 下載次數(shù): 358) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.025.jpg (801 Bytes, 下載次數(shù): 347) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.026.jpg (804 Bytes, 下載次數(shù): 370) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳－ 1.027.jpg (794 Bytes, 下載次數(shù): 360) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳

注：

是一個特殊端，有時用作輸入，有時用作輸出。

各使能端功能簡介如下：

：燈測試輸入使能端。當

=0時，譯碼器各段輸出均為高電平，顯示器各段全亮，因此，=0可用來檢查74LS48和顯示器的好壞。

：動態(tài)滅零輸入使能端。在=1的前提下，當

=0且輸入=0000時，譯碼器各段輸出全為低電平，顯示器各段全滅，而當輸入數(shù)據(jù)為非零數(shù)碼時，譯碼器和顯示器正常譯碼和顯示。利用此功能可以實現(xiàn)對無意義位的零進行消隱。

：靜態(tài)滅燈輸入使能端，只要

=0，不論輸入為何種電平，譯碼器各段輸出全為低電平，顯示器滅燈（此時

為輸入使能）。

RBO：動態(tài)滅零輸出端。在不使用功能時，為輸出使能（其功能是只有在譯碼器實現(xiàn)動態(tài)滅零時RBO=0，其它時候RBO=1）。該端主要用于多個譯碼器級聯(lián)時，實現(xiàn)對無意義的零進行消隱。實現(xiàn)整數(shù)位的零消隱是將高位的RBO接到相鄰低位的，實現(xiàn)小數(shù)位的零消隱是將低位的RBO接到相鄰高位的。

1.036.jpg (66.6 KB, 下載次數(shù): 355)

下載附件

2017-6-8 23:28 上傳

3.6.3 計數(shù)電路及工作原理

由74LS160構(gòu)成的三位十進制計數(shù)器電路圖如圖所示。其低位的進位信號接高位的ENT、ENP，清零信號接/CLR、/LOAD 。

由計數(shù)器輸出信號送至譯碼驅(qū)動電路74LS48，繼而通過共陰極數(shù)碼管顯示結(jié)果。

1.037.jpg (34.82 KB, 下載次數(shù): 348)

下載附件

2017-6-8 23:28 上傳

3.8 整體電路
4 心率檢測電路的仿真與調(diào)試4.1 信號放大電路

信號放大倍數(shù)為100倍.

4.2 低通濾波器

1.041.jpg (18.24 KB, 下載次數(shù): 340)

下載附件

2017-6-8 23:28 上傳

4.3 陷波器

4.5 脈沖整形

4.4 定時器電路

1.044.jpg (35.54 KB, 下載次數(shù): 315)

下載附件

2017-6-8 23:28 上傳

4.6 顯示電路

1.045.jpg (46.14 KB, 下載次數(shù): 305)

下載附件

2017-6-8 23:28 上傳

4.7 完整電路

5 PCB