電子課程設(shè)計(jì)（說(shuō)明書(shū)） 心跳速率檢測(cè)器院系名稱(chēng)： 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 班 級(jí) ：測(cè)控11301 姓 名 ：田興耀 學(xué) 號(hào)： 1302220129指導(dǎo)老師 ：周?chē)?guó)鵬 前言一、訓(xùn)練內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)心跳速率檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：1能完成對(duì)人體心跳速率的檢測(cè)，測(cè)試位置可以為任何理論上可進(jìn)行測(cè)試的位置，但必須說(shuō)明選擇理由以及所選位置和方法測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的誤差范圍，并給出補(bǔ)償方法。 2.能用3位7段數(shù)碼管完成心跳速率的顯示，按分鐘給出。3需要指出設(shè)計(jì)依據(jù)，即心跳檢測(cè)傳感器信號(hào)輸出類(lèi)型與信號(hào)頻率與幅度，并按上述數(shù)據(jù)建立一個(gè)仿真模型（至少是部分模型，如信號(hào)放大部分等），在protel99se或類(lèi)似仿真軟件中進(jìn)行仿真。4.要求在設(shè)計(jì)中不得使用單片機(jī)等類(lèi)似器件，否則判為零分，使用分立的模擬和數(shù)字器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)并給出設(shè)計(jì)說(shuō)明。5.分鐘時(shí)間的提供如果感覺(jué)困難可以用外部定時(shí)器，如現(xiàn)成的定時(shí)器或單片機(jī)時(shí)間定時(shí)等，但現(xiàn)成器件僅能用于完成分鐘時(shí)間確定，不得提供其他信號(hào)或輸出。6對(duì)每部分單元電路都必須說(shuō)明功能與信號(hào)流向與信號(hào)接口，并注明接口信號(hào)仿真波形。二、具體要求：1. 設(shè)計(jì)方案選擇與確認(rèn)；設(shè)計(jì)框圖的構(gòu)思與繪制；原理電路圖的繪制；對(duì)原理電路的仿真與修改；元器件選擇；實(shí)際電路的制作與調(diào)試；2. 不能使用單片機(jī)或類(lèi)似處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，必須使用基本邏輯門(mén)電路構(gòu)建數(shù)字電路部分，時(shí)鐘可以使用集成器件提供；3. 說(shuō)明書(shū)正文（不含目錄）不少于10頁(yè)，小4號(hào)宋體，1.5倍行距，頁(yè)面設(shè)計(jì)參考本頁(yè)，標(biāo)題用4號(hào)黑體；4. 提供完整的電路原理圖與仿真結(jié)果圖； 5. 按要求時(shí)間提交課程設(shè)計(jì)。三、訓(xùn)練目的主要是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本電子電路知識(shí)的能力，要求學(xué)生能獨(dú)立或按組完成一個(gè)選定的設(shè)計(jì)題目，能在老師的指導(dǎo)下完成如下工作：1、設(shè)計(jì)方案選擇與確認(rèn)；2、設(shè)計(jì)框圖的構(gòu)思與繪制；3、原理電路圖的繪制；4、對(duì)原理電路的仿真與修改；5、元器件選擇；6、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)。目錄:前言.1一：設(shè)計(jì)方案.31.方案構(gòu)思.32.框圖設(shè)計(jì).33.電路設(shè)計(jì)工具.3二：電路設(shè)計(jì)及其仿真.4（一）傳感器的選擇.4（二）單元電路設(shè)計(jì)41. 放大電路.52. 濾波電路.63. 整形電路.84. 倍頻電路.95. 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路106. 定時(shí)電路127. 控制電路138. 整體電路原理圖及其仿真效果.16三：總結(jié).17附錄.17一：設(shè)計(jì)方案1.方案構(gòu)思： 為了方便測(cè)量，可以選擇指尖脈搏進(jìn)行心率測(cè)量，則需用到傳感器；然后對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大濾波整形，得到周期矩形波即為數(shù)字信號(hào)；考慮到為縮短測(cè)量時(shí)間，再對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行倍頻（T=1/f）；然后用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，最后通過(guò)譯碼器和7段數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果；還需要定時(shí)電路進(jìn)行定時(shí)，因?yàn)橛玫搅吮额l電路，所以定時(shí)時(shí)間可大大縮短；電源為5V恒壓源。2.框圖設(shè)計(jì)：定時(shí) 3.電路設(shè)計(jì)工具：本次電路設(shè)計(jì)的原理圖部分和仿真部分均用Multisim軟件給出。且接下來(lái)的電路設(shè)計(jì)和仿真部分一起給出，更能清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)過(guò)程和思路。 二：電路設(shè)計(jì)及其仿真一、傳感器的選擇： 查閱了許多資料，發(fā)現(xiàn)大都用壓電傳感器，且都測(cè)試指尖脈搏，而經(jīng)進(jìn)一步查閱發(fā)現(xiàn)，市面上的一些壓電傳感器并不能測(cè)試出指尖微弱的壓力。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)商城上了解到一種脈搏傳感器- pulsesensor脈搏傳感器，該傳感器體積小，供電3-5V，還集成放大消除噪聲功能，放大倍數(shù)為330倍。該傳感器有三根線(xiàn)，紅色為電源線(xiàn)，黑色為底線(xiàn)，藍(lán)色為數(shù)據(jù)線(xiàn)即產(chǎn)生模擬信號(hào)。雖然該傳感器有放大功能，接下來(lái)的電路設(shè)計(jì)中還是會(huì)有放大電路部分。二、單元電路設(shè)計(jì)1.放大電路： 放大電路將傳感器產(chǎn)生的的信號(hào)進(jìn)行放大，得到信號(hào)，便于后續(xù)電路的處理。本次用LF412構(gòu)成同相放大電路，電路原理圖如下：因輸入的是交流周期信號(hào)，所以在左端要加一個(gè)電容通交流信號(hào)，現(xiàn)選定R3=5K，要求電壓增益為21，則有如下公式：AV=1+R4/R3=21 得R4=100K下面進(jìn)行仿真，以頻率為1Hz，振幅為10V的正弦波波作為輸入信號(hào)，仿真電路及結(jié)果如下：如圖，當(dāng)輸入峰值為19.980V時(shí)，其輸出值為418.528V, 而理論值為19.980V X 21=419.580V，兩者近似，該模型可行。2.濾波電路：心率信號(hào)是低頻信號(hào)，為防止噪聲中高頻信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，應(yīng)該用低通濾波器濾除中高頻信號(hào)，只讓低頻信號(hào)通過(guò)電路。本次設(shè)計(jì)二階巴特沃思低通濾波電路，其濾波特性與理想濾波特性相1）運(yùn)放選擇：經(jīng)查閱資料，為減少運(yùn)放對(duì)濾波電路的負(fù)載效益，同時(shí)便于調(diào)整，現(xiàn)選用LF412，電路原理圖如下：2）電容電阻的選擇：人的平均心率為75次/min，先選定截止頻率fc=5Hz，電容C3選擇微法級(jí)，選標(biāo)注值0.3uf，且二階低通濾波器的特征角頻率為wc=1/(RC)所以 R5=R6=1/(2fcC)=1/(2*5*0.33*10-6)96K ， 現(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)電R=95.3K，這與計(jì)算值有一點(diǎn)誤差，可能導(dǎo)致截止頻率比額定頻率稍有升高，但是問(wèn)題不大。濾波器也會(huì)產(chǎn)生電壓增益，下面是巴特沃思低通、高通電路階數(shù)n與增益G之間的關(guān)系：現(xiàn)選R7=62K,所以R8=(1.586-1)* R736.33K。下面進(jìn)行仿真，以頻率為1Hz，振幅為10V的正弦波波作為輸入信號(hào)，仿真結(jié)果如下：3.整形電路傳感器的信號(hào)經(jīng)放大濾波后依舊不能被數(shù)字器件所識(shí)別，因此需要將其整形成周期矩形波。如圖施密特觸發(fā)器，可用其進(jìn)行脈沖整形：為鍛煉對(duì)數(shù)字器件的使用能力，本次用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器進(jìn)行波形的整形，電路原理圖如下：下面進(jìn)行仿真，以頻率為1Hz，振幅為10V的正弦波波作為輸入信號(hào)，仿真結(jié)果如下：正弦波被整形為矩形波，模型可行。4.倍頻電路：由式T=1/f,可知，頻率越大，周期約小，因此可以放大所得信號(hào)的頻率已減少測(cè)量時(shí)間，這樣更加人性化。這里設(shè)計(jì)8倍頻電路，在整個(gè)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)后面的數(shù)據(jù)鎖存器將時(shí)間延時(shí)一倍，因此最終整個(gè)電路總體將信號(hào)頻率放大4倍，也就是測(cè)量時(shí)間縮短4倍。下圖是由兩個(gè)實(shí)用二倍頻電路和一個(gè)快速二倍頻電路組成的8倍頻電路（具體原理暫時(shí)不清楚）：下面進(jìn)行仿真，以頻率為1Hz，振幅為10V的方波作為輸入信號(hào)，仿真結(jié)果如下：如圖由下到上依次為，原波，2倍頻，4倍頻，8倍頻。5.計(jì)數(shù)譯碼顯示電路：利用3片同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160構(gòu)成并行進(jìn)位計(jì)數(shù)器，每片計(jì)數(shù)器的輸出端接入7段數(shù)碼管譯碼器74ls47,最后接入7段顯示數(shù)碼管。如圖為74ls160:ENP和ENT端高電平有效，可作為前一片計(jì)數(shù)器的輸入端ROC為進(jìn)位端，QA-QD為輸出端，A-D為輸入端，因此次為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，輸入端可懸空；經(jīng)放大濾波整形的信號(hào)可作為時(shí)鐘信號(hào)接入CLK端。如圖為74ls47及7段數(shù)碼管:74ls47中A-D接入4位74ls160產(chǎn)生的BCD碼，0A-0G接入7段顯示數(shù)碼管。總連接電路原理圖如：下面進(jìn)行仿真，以頻率為1Hz，振幅為10V的方波作為輸入信號(hào)，仿真結(jié)果如下：6.定時(shí)電路：用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，以產(chǎn)生周期信號(hào)作為時(shí)鐘。前面提到，由于有倍頻電路，所以只需要定時(shí)15秒就可以了。1） 多諧振蕩器：如圖用555構(gòu)成震蕩周期為1秒的多諧振蕩器：555定時(shí)器的周期與其充電的時(shí)間有關(guān)，充電時(shí)間由圖中的電容C1、電阻R1和R2所決定周期的計(jì)算公式為： T=Ln2(R1+2R2)C1本實(shí)驗(yàn)需要的周期是1s，計(jì)算出較為穩(wěn)定的電阻電容值為：R1=15k,R2=68k, C1=10F,C2=10nF 計(jì)算得T=1s2）15進(jìn)制計(jì)數(shù)器： 因?yàn)橐〞r(shí)15s,所以想到用同步十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls161，構(gòu)成15進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖用置數(shù)法構(gòu)成15進(jìn)制計(jì)數(shù)器：A-D端接地，當(dāng)滿(mǎn)一周期后，即OD-OA端產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)1110，進(jìn)過(guò)非門(mén)和與非門(mén)，產(chǎn)生一個(gè)低電平，啟動(dòng)置數(shù)端LOAD,輸入端A-D置入0000，實(shí)現(xiàn)15進(jìn)制轉(zhuǎn)換。此處不好進(jìn)行仿真，將在總電路圖中演示。7.控制電路：本次設(shè)計(jì)總共可分三處控制:1) 計(jì)數(shù)清零控制：只需要將三片74ls160的ENP和ENT端通過(guò)一個(gè)單刀開(kāi)關(guān)連接電源，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)就可以控制計(jì)數(shù)顯示清零。如下圖：2） 電路啟動(dòng)控制及鎖存： 對(duì)于整個(gè)電路需要一個(gè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，且脈搏信號(hào)，若直接輸入計(jì)數(shù)器，一旦定時(shí)結(jié)束，并不能保存數(shù)據(jù)，數(shù)碼管不能持續(xù)顯示，因此要加一個(gè)鎖存控制電路。綜合上述兩點(diǎn)，本次采用JK觸發(fā)器構(gòu)成的T觸發(fā)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)電路啟動(dòng)和鎖存。如圖為T(mén)觸發(fā)器的特性表： 當(dāng)輸入為高電平時(shí)，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘，Q*就翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，Q*能保持不變，因此可以達(dá)到儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的作用。觸發(fā)器T端輸入定時(shí)信號(hào)。如圖為電路原理圖：T觸發(fā)器輸出信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)的延遲信號(hào)，延遲一倍，即相當(dāng)于頻率減半，而前面的倍頻電路使頻率放大8倍，所以總共頻率放大4倍。3） 定時(shí)控制電路：希望定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)時(shí)，電路啟動(dòng)，且15秒定時(shí)結(jié)束后，計(jì)數(shù)譯碼器能夠保持不變，便于觀(guān)察。用555定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖時(shí)鐘控制74ls161接成的15進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每一個(gè)周期循環(huán)，在輸出端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平。于是考慮如何利用這個(gè)，低電平。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，使用SR觸發(fā)器構(gòu)成該電路，SR觸發(fā)器特性表及電路圖如下圖所示：當(dāng)輸入都為高電平時(shí)，Q*保持不變,當(dāng)S置1，R置0時(shí)，Q*置0。剛好可以利用這個(gè)特性，使定時(shí)信號(hào)作為SR觸發(fā)器的R端輸入，S端接入高電平，輸出端Q*接入T觸發(fā)器的輸入端。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)，S、R端都為高電平，T觸發(fā)器工作，計(jì)數(shù)開(kāi)始；當(dāng)定時(shí)器第一個(gè)計(jì)時(shí)周期15秒到達(dá)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，此時(shí)Q*端翻轉(zhuǎn)為0，T觸發(fā)器停止工作，但其中數(shù)據(jù)依然保存，數(shù)碼管顯示數(shù)字不變。8整體電路原理圖及其仿真效果： 三:總結(jié) 由于基礎(chǔ)知識(shí)掌握得不怎好，本次課程設(shè)計(jì)花了一個(gè)多星期，從仿真軟件的學(xué)習(xí)，到對(duì)每個(gè)電路單元的理解，也算是下足了功夫，最后也算是把整個(gè)課程設(shè)計(jì)做完了。借本次課程設(shè)計(jì)，應(yīng)該算是觸摸到電路設(shè)計(jì)的門(mén)