心率检测器课程设计.docx
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心率检测器课程设计.docx
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心率检测器课程设计
武汉纺织大学
课程设计任务书
课题名称:
心跳速率检测器
达成限期:
2014年05月28日至2014年06月12日
院系名称机械院指导教师周国鹏
专业班级测控1102指导教师职称
学生姓名景小飞
院系课程设计(论文)工作领导小组组长署名
0
目
录
纲要..............................................................
2
第一章方案论证...................................................
3
准时间测次数实现法...........................................
3
第一章
心率检测单元电路设计.......................................
3
传感器.......................................................
3
放大整形电路设计.............................................
4
时基信号发生器设计...........................................
4
计数译码显示电路电路设计.....................................
7
第三章
总电路及原理剖析..........................................
12
数字心率计总电路及其原理说明...............................
12
数字心率计电路工作原理................................
12
元器件的参数设定............................................
12
3.3
电路仿真...................................................
13
仿真软件介绍..........................................
13
电路仿真..............................................
13
设计心得领会
.....................................................
15
附录:
参照文件...................................................
16
1
纲要
脉搏是常有的生理现象,包含着丰富的人体生理病理信息。
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的很多生理病的血流特色。
数字电子技术作为一门应用很宽泛的科学技术,发展极其快速。
要想学好这门技术,第一是基础理论的系统学习,而后要技术训练,从而培育我们对理论联系实质的能力,设计电路的能力,实质操作的能力,以及培育正确办理数据、剖析和综合实验结果、检查和清除故障的能力。
课程设计作为对本课程的学习状况的查验,同时课程设计也对本课程知识的综合运用。
同时也加深我们对电子产品的理解。
此次我们课程设计的题目是制作一个心跳速率检测器,二脉搏常常与心跳速率息息有关。
依据人体脉搏信号特色,本文介绍了一种的由取样电路、放大整形电路、计数显示电路、电源电路四部分构成的新式心率计的设计方法。
采纳高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块。
拥有时基信号频次稳固,设置合理,计数器清零实时,刹时心率周期内正确计数等长处。
丈量范围为0~199次/min,三位数字显示丈量值。
重点词:
脉搏,心跳速率,电路,设计
2
第一章方案论证
从医学知识我们可贴心率略等于脉搏次数,所以本次课程设计我们将脉搏做
为心率的采样处。
以脉搏次数作为心率。
在这里我使用准时计数法来丈量心跳速
率。
放
传
大
计
译
显
感
与
数
码
示
器
器
器
整
器
形
时基信号发生器
(1)传感器:
将脉搏变换成相应的电脉冲信号
(2)放大电路:
对细小电脉冲信号进行放大;
(3)时基信号发生电路:
产生固准时间(1分钟活半分钟)的控
制信号,作为计数器的门控,使计数器只有在此时期才进行计数;
(4)计数、译码、显示电路:
在门控信号作用时期,对电脉冲信
号进行计数,并显示译码器译码,再由数码管显示数值;
(5)电源电路:
按电路要求供给切合要求的直流电源。
第二章心率检测器单元电路设计
2.1取样传感器
为了切脉搏变换成电信号,应采纳压电式传感器。
取样电路采纳抗腐化的陶瓷压力传感器CPS182。
抗腐化的陶瓷压力传感器没有液体的传达,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生细小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的反面,连结成一个惠通斯电桥。
因为压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比、与激励电压成正比的高度线性度电压信号。
经过激光标定,该传感器拥有很高的温度稳固性和时间稳固性。
3
2.2放大整形电路
放大整形电路以以下图2-2-1所示,由晶体管9013与74LS00等构成,此中晶体管9013构成放大器将压电陶瓷传感器输出的信号进行放大。
与非门构成的施密特触发器,它对放大器的输出信号进行整形,使之成为中规中矩的矩形波。
图2-2-1放大整形电路
2.3时基信号发生器设计
时基电路是为了产生一个方波准时脉冲,用来控制计数器CD4553的计数同意INT端,以便使计数器在准时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数,
固准时间为四分之一分钟。
在此我们采纳的是555的单稳态触发器加外头电路构
成的时基信号发生器。
关于555准时器芯片,它由TTL集成准时电路和CMOS集成准时电路,这两者功能完整相同,不一样之处是:
TTL集成准时电路的驱动能力比CMOS集成准时电路大。
555准时电路是由三个5千欧电阻构成分压器、两个高精度电压比较器、一个基本R-S触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路构成。
它的逻辑电路图为:
如图2-3-1所示。
4
图2-3-1555准时器逻辑电路图及555准时器逻辑符号
功能描绘:
功能表如表2-3-1表所示。
当输入端R为低电平常,不论其余输
入端为什么种状况,输出为低电平,CMOS管工作。
当引脚6的输入电平大于2/3UDD并且引脚2的输入电平大于1/3UDD,输出为低电平,CMOS管工作当引脚6的电平小于2/3UDD并且引脚2的输入电平大于1/3UDD,输出为原状态.当引脚2的电平小于1/3UDD,电路输出为高电平,NMOS管关断.
表2-3-1555功能表
555准时器构成单稳态触发器拥有以下特色:
第一,它有一个稳固状态和一个暂稳状态;第二,在外来触发脉冲作用下,能够由稳固状态翻转到暂稳状态;第三,暂稳状态保持一段时间后,将自动返回到稳固状态。
暂稳态时间的长短,
5
与触发脉冲没关,仅决定于电路自己的参数。
单稳态触发器在数字系统和装置中,一般用于准时(产生必定宽度的脉冲)、整形(把不规则的波形变换成等宽、等幅的脉冲)以及延时(将输入信号延缓必定的时间以后输出)等。
在没有加入触发脉冲前,电路处于稳态,输出端(555准时器引脚3)为低电平,U0=0.当输入端(5555准时器引脚7)的触发脉冲降落沿抵达后,电路进入暂态,输出端为高电平,U0=1。
尔后电源电压VCC经过电阻R开始向电容C充电,当充电到U0=2/3VCC时,电路又还回到稳态,输出端从头回到低电平,U0=0,这个稳态向来保持到下一个触发脉冲降落沿抵达时为止。
暂稳态连续时间(输出脉冲宽度Tw)只取决于外接电阻R和电容C的大小,。
单稳态电路的工作波形以以下图2-3-2所示
图2-3-2单稳态电路的工作波形
依据原理,时基信号发生电路图如图2-3-3所示
6
图2-3-3时基信号发生电路图
此电路的核心是555准时器,其实质也就是一个单稳态触发器,按键接地并
与电阻R4串连接高电平VCC,当没按下键时2脚输入为高电平,555准时器内部
晶体管饱和导通,电容C2短路,7脚向来为低电平,则3脚输出为低电平经过
非门输出高电平,当按下键时,2脚变成低电平,555准时器内部晶体管截止,
经过电位器RV1对电容C2充电,当C2两头电压还没有达到VCC2/3VCC时,3脚
输出为高电平经过非门输出低电平,当C2两头电压达到2/3VCC时,3脚输出为
低电平经过非门输出恢复高电平,输出低电平连续的时间由电位器RV1和电容
C2来确立,计算公式为:
,此中电容C1为小电容,作用是为了滤除高
频扰乱,一般取100Pf。
2.4计数译码显示电路电路设计
本次课程设计为了电路的简单,我们采纳CD4553作为计数器。
关于这块芯
片有两个与一般的芯片的不一样之处:
(1)有多功能:
锁存控制、计数同意、计满溢出和清零等。
(2)是三位10进制计数器,但只有一位输出端(输出BCD码),要达成三位输出,采用扫描方式,经过它的选通脉冲信号,挨次控制三位十进制的输出,
从而实现扫描显示方式。
7
图2-4-1CD4553构成方框图图2-4-2CD4553管脚图
CD4553的构成方框图及管脚摆列图2-4-1、图2-4-2所示。
功能表见下表
2-4-1表.下边简要说明这些管脚的功能:
(1)CL(引脚12)为计数器的脉冲输入端。
(2)INH(引脚11)计数同意控制端,当INH为“0”时计数脉冲有CL端
进入计数器,而当INH为“1”时,严禁计数脉冲输入计数器,计数器保持严禁
钱的最后计数状态。
(3)LE(引脚10)为锁存器同意端,当LE为“1”时,锁存器呈锁存状态
而保持原有锁存器内信息。
(4)R(引脚13)为复零端,当R=1时,计数器输出Q0—Q3皆为0.
(5)输出哪一位的计数值由选脉冲DS1—DS3控制(低电平有效)。
(6)溢出OF(引脚14),当CD4553每计满1000个脉冲时。
溢出端输出一
个脉冲,尔后有从头开始计数。
输入
输出
R
CL
INH
LE
0
上涨沿
0
0
不变
0
降落沿
0
0
计数
0
╳
1
╳
不变
0
1
上涨沿
0
计数
0
1
降落沿
0
不变
8
0
0
╳
╳
不变
0
╳
╳
降落沿
锁存
0
╳
╳
1
锁存
1
╳
╳
0
Q1=Q2=Q3=Q4=0
表2-4-1CD4553功能表
关于译码电路我们采纳CD4511芯片作为电路的译码器。
译码器的功能就是
把计数器CD4553输出的计数结果(BCD码)变换成七段字型码以驱动数码管,
实现数字或符号的显示。
CD4511是常用的(BCD码)—七段显示译码器,它自己由译码器有输出缓
冲器构成,拥有锁存、译码、和驱动等功能,。
其输出的最大电流可达25mA,
可直接驱动共阴极LED数码管。
基于此本课程设计我们采纳CD4511作为译码
器。
CD4511有四个输入端A,B,C,D和七个输出端a~g,它还拥有输入BCD码锁
存,灯测试和熄灭显示控制功能,它们分别由锁存端LE、灯测试端/LE、熄灭控
制端/BI来控制。
CD4511的引脚摆列图如图2-4-3所示,其真值表以下表2-4-2表所示。
由表2-4=2可见,当锁存同意端LE=“0”时,锁存器直通,译码器输出端a~
g随输入端A~D端变化而变化,当LE=“1”时锁存器锁定,输出状态保持不变。
熄灭控制端/BI=“0”时,译码器输出全“0”,所以,正常工作时应是/BI为高
电平。
此外灯测试端/LT=“0”时,译码器输出全“1”,数码管各端全亮,即显
示8,用来检测数码管能否正常。
当输入BCD码大于1001时,七段显示输出全“0”,各段全不亮。
CD4511的引脚图如图2-4-3所示:
图2-4-3CD4511的引脚图
9
CD4511的真值表以下表2-4-2
表所示:
LE
/BI
/LT
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显
示
╳╳
0
╳╳╳╳1
1
1
1
1
1
0
8
╳
0
1
╳╳╳╳
0
0
0
0
0
0
0
熄
灭
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1010--1111
0
0
0
0
0
0
0
熄
灭
1
1
1
╳
╳
╳
╳
为LED上跳前的BCD码决定
锁
存
表2-4-2CD4511真值表
译码显示采纳扫描方式,使三位数字显示只要一片CD4511译码器,这类显示方
式可简化电路,节俭元件和降低功耗。
扫描显示方式的原理图如图2-4-4所示。
该图为三位LED显示,全部位的七段码线都并联在一同,而各位数码管的共阴极(对共阴极LED数码管)D1,D2,D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序
脉冲DS1,DS2,DS3控制(本设计电路中DS1—DS3经三极管BG1—BD3控制D1—D3),从而实现各位的分时选通显示。
但要注意为了显示稳固,应使扫描时
序脉冲的频次适合,频次过低将会使显示产生闪耀,而频次过高将会使显示产生余辉。
扫描频次与显示数码管的位数有关,位数越多扫描的频次应越高,往常可取扫描频次为几百赫兹,可由CD4553接入电容Cs值调整来决定。
在这里我们选
取1000pf。
对与数码管的限流电阻依据数码管的电流同意大小来设置。
将电路中的此中一位显示电路独自列出进行剖析,如图2-4-4图所示:
10
图2-4-4一位数码管显示电路连结图
限流电阻R1—R7可按下式进行估量:
R17
UCE
(式2-4-1)
UOHUD
IS
式2-4-1中式中UOH为CD4511输出高电平(≈VVDD),UD为LED正向工作电
压(约为—2V),UCE是三极管T的管压降(约1V),IS为数码管的笔
端电流(约为
5—10mA),则可求得R1—7约为0.5KΩ。
我们选择标称值
为470Ω的电阻作为限流电阻。
以下图图2-4-5
为依据以上原理设计的计数译码显示电路
:
图2-4-5计数译码显示电路
11
第三章整体电路及原理剖析
3.1心跳速率检测器总电路及其原理说明
3.1.1心跳速率检测器电路工作原理
心跳速率检测器总电路图以以下图3-1-1所示
图3-1-1心跳速率检测器总电路
传感器将非电量脉搏的跳动信息变换为电信号,传感器输出的带有脉搏跳动
的信息的电信号输入放大整形电路,进行放大整形,因为脉搏传感器出来的电压
较弱,一般在毫伏级,需要进行放大。
所以要将传感器输出的信号进行放大,使
之成为一个幅值适合的信号,才便于后续电路的办理。
计数器要对与矩形脉冲才
能较正确的计数,所以我们一定将放大后的波形整形为比较中规的矩形脉冲波。
而后将放大整形后的信号输入计数器和心率检测电路部分。
信号进入CD4553计
数器,计数器对输入的脉冲信号的降落沿进行计数器,而后将计数值经过Q0、
Q1、Q2、Q3输出一位十进制的BCD的数,经过扫描达成三位的输出。
CD4511
输出的数据进入CD4511译码器芯片译码,译码器输出后经过限流电阻后直接通
过数码管直观的显示出来。
经过读取数码管上的数据,即可获取测试者的心率测
试结果。
元器件的参数设定
在放大整形电路中C8为滤波电容在此我们用47uf的电解电容,C3为
100uf,R6为39K,R5为10K,R5再串上一个50K的电位器方便在调试时调理其静态工作点,晶体管选用NPN型9013,R9选用47K,R8选用10,R7选用1K,
12
二极管采纳IN4001型号,整形电路部分由与非门构成的RS触发器用一块74LS00芯片构成。
Q2用9012型号的PNP晶体管,RV3用阻值为200K电位器,C6为47Uf的电解电容,C7为1nF的电容,其信号办理电路用NE555准时器芯片,后续相同用74LS00芯片构成RS触发器构造。
D2为LED发光二极管。
R12和R13均为
470电阻。
时基信号产生电路是为了产生一准时15S的准时脉冲。
则将C1设为
100pf,R4设为200,RV1为200K的电位器,C2设为220Uf,利用NE555加上
上述元件构成一个单稳态触发器。
在计数译码显示电路中经过设置C1能够设定
CD4553扫描时间,在此设定电容为1nf,R10和C5加上按键可构成计数器的复位电路,则设R10为200,C5为47Uf的电解电容。
计数器芯片选用CD4553,译码器选用CD4511芯片,由数码管的电流限制选用阻值为470的限流电阻。
3.3电路仿真
3.3.1仿真软件介绍
关于本次课程设计我们一改前例,使用了一款新的、功能更增强盛的仿真软
件Proteus。
Proteus软件是由英国LabcenterElectronics企业开发的EDA
工具软件,已有近20年的历史,在全世界获取了宽泛应用。
Proteus软件的功能
强盛,它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身,不单能够对电工、电子技
术学科波及的电路进行设计与剖析,还可以够对微办理器进行设计和仿真,并且功
能齐备,界面多彩,是最近几年来备受电子设计喜好者喜爱的一款新式电子线路设计
与仿真软件。
Proteus软件和我们手头的其余电路设计仿真软件最大的不一样即它
的功能不是单调的。
它的强盛的元件库能够和任何电路设计软件相媲美;它的电
路仿真功能能够和Multisim相媲美,且独到的单片机仿真功能是Multisim及其
他任何仿真软件都不具备的;它的PCB电路制版功能能够和Protel相媲美。
它
的功能不只强盛,并且每种功能都绝不逊于Protel,是广大电子设计喜好者难得的一个工具软件。
3.3.2电路仿真
(1)计数译码显示电路仿真
在这里我只突出译码显示电路的仿真图,因为原理图实在AltiumDesigner上设计的,
这Protues中我发现有更方便的数码管,固然有四个,可是依据原理,能够只使用此中三个,
13
电路图接法如图3-3-2所示:
U7
7
A
QA
13
1
12
B
QB
2
11
C
QC
6
10
D
QD
9
QE
3
15
LT
QF
4
14
BI
QG
5
LE/STB
4511
U8
4
CIA
Q0
9
C4
7
Q1
6
1nF
Q2
R4
5
R1
3
CIB
Q3
1k2
12
CLK
OVF
14
470R
11
15
DIS
DS0
R2
10
2
LE
DS1
13
1
MR
DS2
470R
4553
R3
470R
R10C5
200R
47u
图3-3-2计数译码显示电路仿真图
关于计数译码显示部分电路的仿真,我们相同也是用按键模拟输入的计数脉冲,
我们每按键一次就会产生一个降落沿,计数器计数值加一。
关于这部分电路的仿
真结果如图3-3-3所示:
U7
7
A
QA
13
1
12
B
QB
2
11
C
QC
6
10
D
QD
9
QE
3
15
LT
QF
4
14
BI
QG
5
LE/STB
45
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- 关 键 词:
- 心率 检测器 课程设计