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电类课程设计
引言
心率是指人体心脏每分钟搏动的次数,它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。
人类工作在高科技、高效率的环境中,其身体健康状况也显得日益重要并备受关注,而数显式心率测试仪就为社会的医疗保健提供了方便。
过去大多数医院测量心率主要采用手表计时切脉的方法。
由于受病人情绪变化以及测量人员主观因素影响,测量结果存在较大误差,而且费事费力。
随着电子技术发展,出现了心率仪,而且愈发智能。
但是由于价格昂贵等因素不适合大面积推广。
另一方面,人们对健康的追求越来越高,体育赛事要求越来越严格等,需要一种便携、灵活、准确的心率测试仪。
目录
引言1
摘要3
1.总体设计方案4
1.1课题分析4
1.2总体方案4
2.模拟仿真软件介绍5
3.电路单元设计与仿真验证6
3.1传感器单元6
3.2放大电路单元6
3.3滤波电路单元7
3.4整形电路单元9
3.5定时电路单元10
3.6计数电路11
3.7锁存、比较、显示单元13
3.8报警单元16
4.总体电路绘制及仿真17
4.1绘制的总体电路17
4.2电路工作原理17
4.3仿真结果17
4.4电子元件清单18
5.总结19
附录20
附录120
附录221
参考文献22
摘要
本文主要设计一种便携式心率测试仪,该心率仪采用常见的电子元件实现,成本较低,能够实时采集并测量人体的平均心率,发现非正常心率信号并能及时报警。
由于传感器信号十分微弱,其幅度一般在毫伏的数量级范围,且夹杂着各种噪声和干扰,因此要求前置级放大电路具有高增益、高共模抑制比等技术指标。
实验结果表明,系统设计方案合理,实现了微小信号放大、显示及报警功能。
具有测量灵敏度高、实时性好、性价比高等优点。
关键词:
心率测试,放大,计数,锁存,报警,显示
1.总体设计方案
1.1课题分析
正常情况下,人的心率为每分钟60~150次。
我们要准确测量人的心率,应该使用传感器将心跳转化为电量进行测量。
根据设计要求,我们了解到,测心率跳动的传感器输出信号为0.2V,干扰信号幅值为0.01V。
且干扰信号的频率f≥1KHZ。
因此我们需要以下几个基本单元:
1.放大电路将传感器输出信号放大
2.低通滤波器将干扰信号滤除。
3.定时电路。
要测定一分钟内的心跳次数,必须要有准确的定时电路。
为了便于实现,减少电路单元,本次设计我们设定时间隔60s。
4.计数单元。
计数单元是记录心跳次数所必需的。
要求此计数单元具有清零重新计数的功能。
5.显示单元。
正确显示心率。
为了便于读数,应选择十进制显示器。
6.比较报警单元。
根据设计要求,当心率N>150或者N<60时报警。
因此要有比较单元,以便与参考心率对比。
当心率不正常时,由报警器报警。
1.2总体方案
经过分析,方案如下:
传感器输出的信号放大滤波后,经过整形电路得到方波。
然后接入计数器计数,一定时间后显示心率,并判断是否报警。
本次设计的大致框图如图1所示。
图1方案原理框图
这些单元是设计心率测试仪所必需的。
在一定的控制信号下,这些单元协调完成心率测量。
2.模拟仿真软件介绍
本次课程设计,为了保证顺利实现整体功能,要对所设计的各个单元进行实时模拟仿真,以检测是否达到预期要求。
我们选择用Proteus软件。
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。
Proteus所自带的仿真功能(Prospice)具有以下特点:
1.Prospice混合仿真:
基于工业标准SPICE3F5,实现数字/模拟电路的混合仿真。
2.超过27000个仿真器件:
可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件,Labcenter也在不断地发布新的仿真器件,还可导入第三方发布的仿真器件。
3.多样的激励源:
包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用wav文件)、指数信号、单频FM、数字时钟和码流,还支持文件形式的信号输入。
4..丰富的虚拟仪器:
13种虚拟仪器,面板操作逼真,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等。
5.生动的仿真显示:
用色点显示引脚的数字电平,导线以不同颜色表示其对地电压大小,结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)的使用可以使仿真更加直观、生动。
6.高级图形仿真功能(ASF):
基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标,包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等,还可以进行一致性分析。
课程设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于Proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库,提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表,因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台,随着科技的发展,“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。
它具有设计灵活,结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少,也可降低工程制造的风险。
3.电路单元设计与仿真验证
3.1传感器单元
心率传感器的作用是将心跳转换为相应的电冲信号。
心率传感器是心率监测系统中的重要组成部分,其性能好坏直接影响后置电路的处理和结果的显示。
目前典型的心率传感主要有三类:
光电类、压阻类和压电类。
在次三类中目前采用最多的是压电式传感器。
工作原理是利用敏感元件直接将压力变为电信号。
本次课程设计用正弦信号模拟传感器输出。
故传感器部分不再赘述。
3.2放大电路单元
本实验所采用的放大电路单元为同相比例运算放大器,电路图如图1所示。
图2放大电路
所用的运放为OP27AP。
OP27AP是一种超低噪声,高精度运算放大器,具有漂移小、增益高的特点。
适合此次放大电路。
其引脚图如图3所示:
图3OP27AP引脚图
其中:
1--调零2--负输入3--正输入4--电源负5--NC6--输出7--电源正8--调零
电路图中的OP27AP为简化的电路符号。
此放大电路属于电压串联负反馈,为了使集成运放反向输入端与通向输入端的对地电阻一致,R1、R2、R3的阻值应满足以下关系:
R1=R2//R3
输入输出关系为
Av=Vo/Vi=1+R3/R2
由于输入最大0.2V左右,为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为25倍,故设R1=0.96kΩ,R2=1KΩ,R3=24KΩ。
理论上,当输入0.2V的电压时,输出为5V。
通过PROTEUS自带的Prospice仿真器仿得如下图所示曲线:
图中输入电压幅度0.1V,偏置0.1V,总体落在0~0.2V之间,用来模拟传感器测得的心率信号。
可以看到,输出电压幅度2.5V,偏置2.5V,相对输入电压,放大了25倍。
达到了预期要求。
图4放大电路波形曲线
3.3滤波电路单元
由于有1KHZ的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰,必须对所取信号进行滤波处理。
考虑到心率正常频率为1HZ—2.5HZ,滤波1K赫兹工频干扰可以采用截止频率10HZ左右低通滤波器滤除。
因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单,调整方便,且电路多采用运算放大器做有源器件,几乎没有负载效应,故选择压控电压源型滤波电路。
电路如图5所示。
电路中用的运放为UA741。
uA741是通用高增益运算通用放大器,最常用的运放之一.应用非常广泛。
特点是宽输入电压、低功耗。
其引脚图同OP27AP。
图5滤波电路图
截至频率的计算:
f0=W0/2π
W02=(f0×2π)2=1/R4*R5*C1*C2
为了便于计算,取R4、R5为1M,C1为50nF,C2为10nF。
由上式计算可得f0=7.12HZ.此为上限截至频率。
经过Prospice仿真后,可得幅频特性如下图所示。
图中上限截止频率为7.3HZ,与计算相接近,符合要求。
达到了滤除高频干扰信号的目的。
图6电路增益与频率关系曲线
3.4整形电路单元
本电路的功能是将模拟电压信号转化为电平信号(方波)输出到计数器电路。
采用正相滞回电压比较器完成电路整形,本单元电路图如图7所示。
图7整形电路图
电路中运算放大器为OP27AP。
DWY为稳压管。
型号1N4733A。
1N4733是精密稳压二极管。
最大耗散功率Pzm=1W,稳定电压Vz=5.1伏,最大工作电流Izm=179毫安。
在本电路中,当集成运放同相输入端与反相输入端的参考电压相等,即u+=u-时,输出端的状态将发生跳变。
其中u-由参考电压VR及输出电压V(out)二者共同决定,而V(out)有两种可能的状态:
+Uz(+5.1V)或0。
由此可见,是输出电压由+Uz跳变为0。
以及由0跳变为+Uz所需的输入电压值是不同的。
也就是说,这种比较器有两个不同的门限电平,故传输特性呈滞回形状。
由图6中可以看出,经过整形电路后,V(out)的低电压值不等于0V,分析原因是由于稳压管DWY的阈值电压不为零。
当输出端为负值时,稳压管导通,Vout=0-Vth=-0.4V。
所以它两端的电压值并不严格等于D1的稳压电压,而是有一定的偏移。
图8整形后波形
3.5定时电路单元
定时信号是标准测量的基础,这个信号可采用多谐振荡器产生,在简单时基电路中,可以用555定时电路。
555定时器功能表如表1所示:
输入
输出
TH
VO
Dis
×
<
VCC
<
VCC
>
VCC
×
<
VCC
>
VCC
×
L
H
H
H
L
H
不变
L
导通
截止
不变
导通
表1555定时器功能表
定时电路有两种方案:
方案一:
直接用555定时器产生一个60s的信号.此种方案555定时器定时太长,容易产生较大误差,且需要考虑占空比问题。
而且,由于计数部分清零信号由此提供,且为高电平有效。
定时时间过长,会使得计数器清零信号一直有效,影响正常计数。
故不予采取。
方案二:
用555定时器产生一个较窄的定时脉冲,用计数器对此计数。
当达到某一数值是输出一脉冲,作为定时电路输出。
此方案有较高的定时精度。
且有利于计数器清零和计数值锁存。
电路图如下图所示:
图9定时电路图
我们用555产生周期为0.1s的脉冲,然后计数600次。
则总定时时间T=0.1*600s=60s。
555定时器振荡周期:
T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2。
为了计算简单,我们取C=2.2UF,R1=R2=13115.4Ω(用可变电阻实现)。
T0=0.1s。
然后用74LS90计数600次。
74ls90计数部分会详细介绍。
产生的脉冲信号对计数器和锁存器进行控制。
产生的计数脉冲如下图所示:
图10定时60s仿真图
可以看到,此电路准确定时60s,符合设计要求。
3.6计数电路
计数单元选用的是74ls90。
74Ls90是异步二-五-十进制加法计数器,它既可以作二进制加法计数器,又可以作五进制和十进制加法计数器。
图11计数器电路图
图1274LS90引脚排列
图12为74LS90引脚排列,表2为功能表。
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
(1)、R0
(2)
S9
(1)、S9
(2)
CP1CP2
1
1
0
×
×
0
××
0
0
0
0
清0
0
×
×
0
1
1
××
1
0
0
1
置9
0×
×0
0×
×0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
十进制计数
11
不变
保持
表274LS90功能表
在此电路单元中,将CP2和QA相连,计数脉冲由CP1输入,QD、QC、QB、QA作为输出端,构成了异步8421码十进制加法计数器。
由于74ls90计数脉冲为下降沿触发,我们把Qd作为进位位。
满足逢十进一原则。
同时我们把清零信号接在R0
(1)。
当清零高电平到来,即R0
(1)R0
(2)S9
(1)S9
(2)=1101时,实现异步清零功能,即QDQCQBQA=0000三个芯片全置为0。
计数器重新开始计数。
3.7锁存、比较、显示单元
图13锁存、比较、显示电路
锁存器的作用是将控制信号结束时计数器测得数值进行锁存,使数码管能稳定的显示此时计数器的值。
可以选用8D锁存器74Ls273完成上述功能。
当锁存脉冲的正跳变来到时,锁存器的输出等于输入,即Q=D,从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲结束后,无论D为何值,输出端Q的状态仍保持原来的状态不变,计数器的的输出不会送到译码显示器。
74Ls273是一种带清除功能的8D触发器,1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用作8位地址锁存器。
在此电路中,锁存器脉冲是由定时电路产生的信号的上升沿。
由于计数器清零是电平清零,需要一定的时间,因此在整个电路中是先锁存再清零,可以顺利将计数值送入锁存器保存。
图1474ls273引脚图和功能表
比较电路选用的芯片是74ls85。
74ls85可进行二进制码和BCD码的比较,对两个4位字的比较结果由三个输出端(FA>B,FA=B,FA<B)输出。
将若干85级联可比较较长的字,此时低级位的FA>B,FA=B,FA<B连接到高位级相应的输入A>B、A=B、A<B,并使低位级的A=B为高电平。
图1574ls85二级级联电路
由于本次测的是人体1分钟心率,可能超过100。
故我们选用三片级联。
从右向左一次比较个位十位百位的BCD码。
由图中可看出,上面三片74ls85预设的值为150,下面三片预设为060。
当计数值大于150时,UD的FA<B端输出高电平,当计数值小于60时,UG的FA>B端输出高电平。
从而产生报警信号。
由于设计要求我们能够读出心率值,因此设计显示部分。
我们看到,在用Proteus仿真时,选用的是7segBCD数码管,这个内嵌4—16译码器,可以将BCD码转化为数值显示。
但是经上网及查阅有关书籍后,发现其实并没有这种器件,这个是Proteus软件为便于使用者验证而添加的。
因此我们在制作实物时,就必须添加译码电路。
译码器可以选用74ls48。
其功能表如表3所示:
当与数码管电路连接时,电路如下图所示:
表374ls48功能表
图18显示单元
3.8报警单元
图19报警器电路
比较电路的两个输出端信号作为报警单元的输入信号。
两个信号经过或门之后接到报警器(LED)上。
由于比较器及报警器呈现的是上一个计数周期(60s)内的心率状况,当第一次计数时,锁存器单元锁存的计数值为0,这必然引起报警器处于报警状态,从而引起电路错误。
因此在报警单元中再加入一个锁存器。
结果是在每次比较结束之后再判断是否应该报警。
当计数锁存与报警锁存使用同一个信号时,两者同时开启,不能将比较结果送入报警锁存器中。
因此需要加一个延迟世间,使得报警锁存慢于计数锁存。
74123是双可重触发单稳态触发器。
功能表如表4所示:
表474123功能表
可以从其中看出,输入端A为下降沿有效。
我们把定时电路的输出脉冲接在输入口A上,则相对计数锁存器延迟了一个脉冲的时间。
从而实现了报警的功能。
4.总体电路绘制及仿真
4.1绘制的总体电路
见附录2
4.2电路工作原理
给整个系统通电以后,定时器电路开始定时。
同时传感器输出的0.2V的心率信号开始进入放大电路。
在仿真电路中我们用幅值为0.1V,偏置电压为0.1V的正弦信号代替心率信号。
心率信号经过放大电路后,被放大25倍,变为5V。
但是其中掺杂有干扰信号。
接下来心率信号进入滤波电路,滤除其中的高频干扰信号,获得单一的心率信号。
然后进入整形电路。
心率信号与+3V的参考电压比较后,产生比较标准的方波信号。
整形电路中还有一个作用,就是把频率低、幅度小的干扰信号忽略掉了。
方波信号进入计数电路,计数器开始计数,同时将计数值传送到锁存US1和US2的输入端。
当锁存器将计数值锁存后,US1、US2输出端一直保持计数值。
锁存器US1、US2输出端接到显示单元输入端和比较器。
从而使得显示单元显示上个定时周期(60s)的计数值,直至下次锁存器开启。
比较电路的比较结果经过锁存器US3接入报警电路。
定时器定时60s后,产生一个正的很窄的脉冲。
此脉冲产生三个控制信号。
其一作用于计数器,使得计数器从零开始重新计数;其二作用于锁存器US1、US2,使得锁存器输入端的计数值进入锁存器锁存;其三经过一个触发器后,产生延迟,作用于锁存器US3,允许比较结果接入报警电路。
三个控制信号的响应顺序依次为:
锁存器US1、US2的锁存信号,计数器的清零信号,延迟了的锁存器US3锁存信号。
每个定时周期后,数码管会显示计数值,报警电路根据比较电路的输出决定是否报警。
4.3仿真结果
我们选取三种不同频率的正弦信号接入电路。
当输入信号的频率为0.8Hz时,60s后显示器显示“048”,报警器报警(发光)。
图20当输入信号频率为0.8HZ时显示与报警状态
当输入信号的频率为2.0Hz时,60s后显示器显示“120”,报警器正常。
图21当输入信号频率为2.0HZ时显示与报警状态
当输入信号的频率为3.0Hz时,60s后显示器显示“180”,报警器报警。
图22当输入信号频率为3.0HZ时显示与报警状态
因此设计的心率测试仪符合要求。
4.4电子元件清单
见附录1
5.总结
通过本次对心率测试仪的设计实现了对心率的准确测定,使我受益匪浅。
电路中既有模拟信号,又有数字信号,加深了对模数转换的理解。
在设计过程中,考虑各方面的因素,尽量做到线路简单,充分利用集成芯片,弥补分离元器件的精度不足。
甚至还可以以该设计为基础加载其他功能,使其功能和结构更加完善。
此次设计基础均为之前所学过的数字电路、模拟电路方面的知识,之前所学过于零散,不扎实,也不能够将那些知识综合运用于一个系统中。
经过这次设计以及查阅有关资料,仿真验证等,熟悉了数电、模电一些单元的作用,真正做到融会贯通。
尤其是对一些常用的芯片,比如计数器、锁存器、触发器等,有了较为深刻的了解。
通过运用Proteus软件及其仿真部分和虚拟器件,熟悉了基本的操作。
同时,更使我了解到,现代系统电路的设计,离不开模拟仿真软件。
这次课程设计,如果采用实物操作、实物模拟的话,将会花费大量的精力与资金。
今后电子电路越来越复杂,器件越来越多,没有仿真模拟软件,那几乎是不可能完成的任务。
此次设计也吸取了一些教训:
1.在不是很清楚某个器件功能表的时候,不能想当然的认为它具有某种功能。
比如此次设计中,开始采用的计数芯片是74160,查阅资料后了解到它是十进制计数器。
但是74160是在输出为1001(9)的时候产生进位。
结果导致了输出结果的错误,浪费了较长的时间。
2.善于发现细节。
开始做定时器单元时,发现总是有一个大约0.6s的定时误差。
开始认为是由于555定时器RC选择不准确所致。
仔细研究后发现是定时电路中一个环节的系统误差。
改进后提高了测量精度。
3.绘制器件时,版图要工整。
这不仅使电路美观,更可以帮助我们快速的检查出错误,节约时间。
作为大学生,我认识到不仅要学好课本上的知识,还要学会吧学到的知识应用到现实生活中,要做到理论联系实际,认识其重要性和必要性。
真正体会到设计是一件辛苦与充满乐趣的事情,同时加深了对数电、模电课程的理解,学会了基本集成电路的运用。
在设计过程中学到了很多在课本上学不到的东西,也发现了自己的很多不足之处。
深深的体会到只有认真的去做才能知道它真正的意义,不要眼高手低,要一步一步,脚踏实地的去做。
总之,通过此次课程设计,使我真正了解了电路设计的内涵。
亲自动手是课堂学习的延续,电子领域随时随地都在发生着翻天覆地的变化,现有的知识储备总是落后于科技的发展脚步,我们只有不断学习新知识,才能做到在面对新课题时游刃有余。
附录
附录1
序号
名称
型号
数量
1
电阻
R
11
2
可变电阻
R
2
3
电容
C
4
4
集成运放
OP-27
2
5
集成运放
uA741
1
6
定时器
555
1
7
二输入与门
and
1
8
二输入或门
7342
9
9
单稳态触发器
74123
1
10
记数器
74LS90
6
11
比较器
74LS85
6
12
稳压管
1N4733A
1
13
锁存器
74LS273
3
14
LED数码管
7SEG_BCD
3
15
报警器
LED-YELLOW
1
电子元件清单
附录2
参考文献
【1】陈晓文主编.电子线路课程设计.电子工业出版社,2004年
【2】阎石主编,清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础.高等教育出版社,1985年
【3】林家瑞主编.集成电路及微机应用手册.华中科技大学出版社,2001年
【4】杨素行主编,清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社,2002年
【5】王斌主编.模拟电子技术实验与课程设计.西北工业大学出版社,2006年
【6】张文涛主编,PROTEUS仿真软件应用,武汉华中科技大学出版社,2010年
【7】网络文献:
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