1、武漢紡織大學課程設計任務書課題名稱:心跳速率檢測器完成期限:2014年05月28日 至2014年06月12日院系名稱機械院指導教師周國鵬專業班級測控1102指導教師職稱學生姓名景小飛院系課程設計（論文）工作領導小組組長簽字18摘要.第一章1.1第一章2.12.2方案論證 定時間測次數實現法. 心率檢測單元電路設計 傳感器 放大整形電路設計.2.32.4第三章3.13.2時基信號發生器設計計數譯碼顯示電路電路設計. 總電路及原理分析數字心率計總電路及其原理說明3.1.1數字心率計電路工作原理 元器件的參數設定121212123. 3電路仿真3.3.1仿真軟件介紹3.3.2電路仿真設計心得體會附錄

2、：參考文獻1313131516摘要脈搏是常見的生理現象，蘊含著豐富的人體生理病理信息。脈搏波所呈現出來的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統 中的許多生理病的血流特征。數字電子技術作為一門應用很廣泛的科學技術， 發 展極其迅速。要想學好這門技術，首先是基礎理論的系統學習，然后要技術訓練, 進而培養我們對理論聯系實際的能力， 設計電路的能力，實際操作的能力，以及 培養正確處理數據、分析和綜合實驗結果、檢查和排除故障的能力。課程設計作 為對本課程的學習情況的檢驗，同時課程設計也對本課程知識的綜合運用。 同時 也加深我們對電子產品的理解。這次我們課程設計的題目是制作一個心跳

3、速率檢測器，二脈搏往往與心跳速率息息相關。根據人體脈搏信號特征，本文介紹了一種的由取樣電路、 放大整形 電路、計數顯示電路、電源電路四部分組成的新型心率計的設計方法。采用高集 成度、高性能、低功耗、高頻高速的集成芯片實現計數譯碼模塊。具有時基信號 頻率穩定，設置合理，計數器清零及時，瞬時心率周期內準確計數等優點。測量 范圍為0199次/min，三位數字顯示測量值。關鍵詞：脈搏，心跳速率，電路，設計第一章方案論證從醫學常識我們可知心率略等于脈搏次數，所以本次課程設計我們將脈搏做為心率的采樣處。以脈搏次數作為心率。在這里我使用定時計數法來測量心跳速率。計數器顯示器號進行計數,并顯示譯碼器譯碼，再由

4、數碼管顯示數值;電源電路:按電路要求提供符合要求的直流電源。第二章心率檢測器單元電路設計時基信號發生器將脈搏轉換成相應的電脈沖信號放大電路：對微小電脈沖信號進行放大;(3)時基信號發生電路：產生固定時間（1分鐘活半分鐘）的控制信號，作為計數器的門控，使計數器只有在此期間才進行計數;(4)計數、譯碼、顯示電路：在門控信號作用期間，對電脈沖信2.1取樣傳感器為了把脈搏轉換成電信號,應采用壓電式傳感器。取樣電路采用抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器CPS182抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用 在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面, 連接成一個惠通斯電橋。由于壓

5、敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正 比、與激勵電壓成正比的高度線性度電壓信號。 通過激光標定，該傳感器具有很 高的溫度穩定性和時間穩定性。2.2放大整形電路放大整形電路如下圖2-2-1所示，由晶體管9013與74LS00等組成，其中晶 體管9013組成放大器將壓電陶瓷傳感器輸出的信號進行放大。與非門構成的施 密特觸發器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為中規中矩的矩形波。圖2-2-1放大整形電路2. 3時基信號發生器設計時基電路是為了產生一個方波定時脈沖，用來控制計數器CD4553勺計數允許INT端，以便使計數器在定時脈沖寬度所固定的時間內進行對脈搏電脈沖計數,固定時間為四分之一分

6、鐘。在此我們采用的是555的單穩態觸發器加外圍電路構 成的時基信號發生器。對于555定時器芯片，它由TTL集成定時電路和CMO集成定時電路,這二者 功能完全相同,不同之處是:TTL集成定時電路的驅動能力比 CMOSI成定時電路 大。555定時電路是由三個5千歐電阻組成分壓器、兩個高精度電壓比較器、個基本R-S觸發器、一個作為放電通路的管子及輸出驅動電路組成。它的邏輯電 路圖為：如圖2-3-1所示。圖2-3-1 555定時器邏輯電路圖及 555定時器邏輯符號S456口5553271功能描述：功能表如表2-3-1表所示。當輸入端R為低電平時，不管別的輸 入端為何種情況，輸出為低電平，CMOS管工作

7、。當引腳6的輸入電平大于2/3Udd 并且引腳2的輸入電平大于1/3Udd輸出為低電平，CMO管工作當引腳6的電平小 于2/3Udd并且引腳2的輸入電平大于1/3Udd輸出為原狀態.當引腳2的電平小于1/3Udd電路輸出為高電平,NMOS管關斷.THTRROUTDXXLL接通>|Udi)>|U1)DHL接通<§Udd>5UddH原伏態原伏態XHH關斷圖中的L為低電平，H為髙電平(3>表2-3-1 555 功能表555定時器構成單穩態觸發器具有下列特點：第一，它有一個穩定狀態和一個暫穩狀態；第二，在外來觸發脈沖作用下，能夠由穩定狀態翻轉到暫穩狀態;第三，暫

8、穩狀態維持一段時間后，將自動返回到穩定狀態。暫穩態時間的長短,與觸發脈沖無關，僅決定于電路本身的參數。單穩態觸發器在數字系統和裝置中, 一般用于定時（產生一定寬度的脈沖）、整形（把不規則的波形轉換成等寬、等 幅的脈沖）以及延時（將輸入信號延遲一定的時間之后輸出）等。在沒有加入觸發脈沖前，電路處于穩態，輸出端（555定時器引腳3）為低 電平，U0=0.當輸入端（5555定時器引腳7）的觸發脈沖下降沿到達后，電路進 入暫態，輸出端為高電平，U0=1。而后電源電壓VCd過電阻R開始向電容C 充電，當充電到U0=2/3VCC時，電路又還回到穩態，輸出端重新回到低電平，U0=0,這個穩態一直維持到下一個

9、觸發脈沖下降沿到達時為止。暫穩態持續時間（輸出 脈沖寬度TW只取決于外接電阻R和電容C的大小，Tw=0.1RC單穩態電路的工作波形如下圖2-3-2所示U1UoUc圖2-3-2單穩態電路的工作波形根據原理，時基信號發生電路圖如圖2-3-3所示lOflpFvccRHQATRIG DISC.A'cilt THRU555Ct2加uFLJ2A74LWWK圖2-3-3時基信號發生電路圖此電路的核心是555定時器，其本質也就是一個單穩態觸發器，按鍵接地并 與電阻R4串聯接高電平VCC當沒按下鍵時2腳輸入為高電平，555定時器內部 晶體管飽和導通，電容 C2短路，7腳一直為低電平，則3腳輸出為低電平經

10、過 非門輸出高電平，當按下鍵時，2腳變為低電平，555定時器內部晶體管截止, 經過電位器RV1對電容C2充電，當C2兩端電壓尚未達到 VCC 2/3VCC時，3腳輸出為高電平經過非門輸出低電平，當 C2兩端電壓達到2/3VCC時，3腳輸出為 低電平經過非門輸出恢復高電平，輸出低電平持續的時間由電位器RV1和電容C2來確定，計算公式為：t=1.1RC,其中電容C1為小電容，作用是為了濾除高 頻干擾，一般取lOOPf。2. 4計數譯碼顯示電路電路設計本次課程設計為了電路的簡單，我們采用 CD4553(乍為計數器。對于這塊芯 片有兩個與一般的芯片的不同之處：(1) 有多功能：鎖存控制、計數允許、計滿

11、溢出和清零等。(2) 是三位10進制計數器，但只有一位輸出端(輸出BCD碼)，要完成三位 輸出，采用掃描方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制三位十進制的輸出, 從而實現掃描顯示方式。CaL£圖2-4-2 CD4553管腳圖n圖2-4-1 CD4553組成方框圖所示。功能表見下表CD4553的組成方框圖及管腳排列圖2-4-1、圖2-4-2 2-4-1表.下面簡要說明這些管腳的功能:（1）CL（引腳12）為計數器的脈沖輸入端。（2） INH （引腳11）計數允許控制端，當INH為“0”時計數脈沖有CL端進入計數器，而當INH為“1”時，禁止計數脈沖輸入計數器，計數器保持禁止 錢的最后計數

12、狀態。（3）LE（引腳10）為鎖存器允許端，當LE為“1”時，鎖存器呈鎖存狀態而保持原有鎖存器內信息。(4)(5)R （引腳13）為復零端，當R=1時，計數器輸出Q0-Q3皆為0.溢出OF（引腳14），當CD4553每計滿1000個脈沖時。溢出端輸出一輸出哪一位的計數值由選脈沖 DSDS3控制（低電平有效）。輸入輸出RCLINHLE0上升沿00不變0下降沿00計數0X1X不變01上升沿0計數01下降沿0不變(6)個脈沖，而后有重新開始計數。00XX不變0XX下降沿鎖存0XX1鎖存1XX0Q1=Q2=Q3=Q4=0表2-4-1 CD4553功能表對于譯碼電路我們選用CD4511芯片作為電路的譯碼

13、器。譯碼器的功能就是把計數器CD4553輸出的計數結果（BCD碼）轉換成七段字型碼以驅動數碼管,實現數字或符號的顯示。CD4511是常用的（BCD碼）一七段顯示譯碼器，它本身由譯碼器有輸出緩 沖器組成，具有鎖存、譯碼、和驅動等功能，。其輸出的最大電流可達 25mA，可直接驅動共陰極LED數碼管。鑒于此本課程設計我們采用 CD4511作為譯碼器。CD4511有四個輸入端A,B,C,D和七個輸出端ag，它還具有輸入BCD碼鎖 存，燈測試和熄滅顯示控制功能，它們分別由鎖存端LE、燈測試端/LE、熄滅控制端/BI來控制。CD4511的引腳排列圖如圖2-4-3所示，其真值表如下表2-4-2表所示。由表2

14、-4=2可見，當鎖存允許端LE“O”時，鎖存器直通，譯碼器輸出端ag隨輸入端AD端變化而變化，當LE=“ 1”時鎖存器鎖定，輸出狀態保持不變。 熄滅控制端/BI= “0”時，譯碼器輸出全“ 0”，因此，正常工作時應是/BI為高電平。另外燈測試端/LT= “0”時，譯碼器輸出全“ 1”，數碼管各端全亮，即顯示8,用來檢測數碼管是否正常。當輸入 BCD碼大于1001時，七段顯示輸出全“ 0”，各段全不亮。CD451啲引腳圖如圖2-4-3所示:A11613 mB 112bC 211 CD S10dLE 5C045119eLT-315f窗一414£8Vdd圖2-4-3 CD4511的引腳圖1

15、 VssCD4511的真值表如下表 2-4-2表所示:LE/BI/LTDCBAabcdefg顯 示XX0XXXX11111108X01XXXX0000000熄 滅0110000111111000110001011000110110010110110120110011111110130110100111001140110101101101150110110101111160110111111000070111000111111180111001111001190111010-11110000000熄 滅111XXXX為LED上跳前的BCD碼決定鎖 存表2-4-2 CD4511 真值表譯碼顯示采用

16、掃描方式，使三位數字顯示只需一片 CD4511譯碼器，這種顯示方 式可簡化電路，節省元件和降低功耗。掃描顯示方式的原理圖如圖 2-4-4所示。 該圖為三位LED顯示，所有位的七段碼線都并聯在一起，而各位數碼管的共陰極（對共陰極LED數碼管）D1,D2,D3分別被計數器CD4553俞出的掃描時序脈沖DS1, DS2,DS3控制（本設計電路中 DS DS3經三極管BG BD3控制9 D1-D3），從而實現各位的分時選通顯示。但要注意為了顯示穩定，應使掃描時 序脈沖的頻率合適，頻率過低將會使顯示產生閃爍，而頻率過高將會使顯示產生 余輝。掃描頻率與顯示數碼管的位數有關， 位數越多掃描的頻率應越高，通常

17、可 取掃描頻率為幾百赫茲，可由CD4553接入電容Cs值調整來決定。在這里我們選取 1000pf。對與數碼管的限流電阻根據數碼管的電流允許大小來設置。將電路中的其中一位顯示電路單獨列出進行分析，如圖 2-4-4圖所示：圖2-4-4 一位數碼管顯示電路連接圖 限流電阻R1 R7可按下式進行估算：Rz =UOH Jd -Uce（式 2-4-1）I S式2-4-1中式中UoH為CD4511輸出高電平VVdd ） , Ud為LED正向工作電壓（約為1.52V）, UcE是三極管T的管壓降（約1V）, Is為數碼管的筆端電流（約為5 10mA），則可求得R1 7約為0.5K Q。我們選擇標稱值 為470

18、Q的電阻作為限流電阻。下圖圖2-4-5為根據以上原理設計的計數譯碼顯示電路：圖2-4-5計數譯碼顯示電路第三章整體電路及原理分析3.1心跳速率檢測器總電路及其原理說明3.1.1心跳速率檢測器電路工作原理心跳速率檢測器總電路圖如下圖3-1-1 所示圖3-1-1心跳速率檢測器總電路傳感器將非電量脈搏的跳動信息轉換為電信號， 傳感器輸出的帶有脈搏跳動 的信息的電信號輸入放大整形電路， 進行放大整形，因為脈搏傳感器出來的電壓 較弱，一般在毫伏級，需要進行放大。所以要將傳感器輸出的信號進行放大，使 之成為一個幅值適當的信號，才便于后續電路的處理。計數器要對與矩形脈沖才 能較準確的計數，所以我們必須將放大

19、后的波形整形為比較中規的矩形脈沖波。然后將放大整形后的信號輸入計數器和心率檢測電路部分。信號進入CD4553計Q0、數器，計數器對輸入的脈沖信號的下降沿進行計數器，然后將計數值通過Q1、Q2、Q3輸出一位十進制的BCD的數，通過掃描完成三位的輸出。CD4511輸出的數據進入CD4511譯碼器芯片譯碼，譯碼器輸出后通過限流電阻后直接通 過數碼管直觀的顯示出來。通過讀取數碼管上的數據，即可獲得測試者的心率測 試結果。3.2元器件的參數設定在放大整形電路中C8為濾波電容在此我們用47uf的電解電容，C3為 100uf,R6為39K,R5為10K,R5再串上一個50K的電位器方便在調試時調節其靜 態工

20、作點，晶體管選取 NPN型9013, R9選取47K,R8選取10。，R7選取1K, 二極管采用IN4001型號，整形電路部分由與非門構成的 RS觸發器用一塊74LS00芯片組成。Q2用9012型號的PNP晶體管，RV3用阻值為200K電位器，C6為47Uf 的電解電容，C7為1nF的電容，其信號處理電路用 NE555定時器芯片，后續同 樣用74LS00芯片構成RS觸發器結構。D2為LED發光二極管。R12和R13均為 4700電阻。時基信號產生電路是為了產生一定時 15S的定時脈沖。則將C1設為 100pf, R4設為2000，RV1為200K的電位器，C2設為220Uf,利用NE555加上

21、上述元件構成一個單穩態觸發器。在計數譯碼顯示電路中通過設置C1可以設定CD4553掃描時間，在此設定電容為1nf, R10和C5加上按鍵可構成計數器的復 位電路，則設R10為2000，C5為47Uf的電解電容。計數器芯片選取 CD4553, 譯碼器選取CD4511芯片，由數碼管的電流限制選取阻值為 4700的限流電阻。3. 3電路仿真331仿真軟件介紹對于本次課程設計我們一改前例，使用了一款新的、功能更為強大的仿真軟件 Proteus。Proteus 軟件是由英國 Labcenter Electronics公司開發的 EDA工具軟件，已有近20年的歷史，在全球得到了廣泛應用。Proteus軟件

22、的功能 強大，它集電路設計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠對電工、電子技 術學科涉及的電路進行設計與分析， 還能夠對微處理器進行設計和仿真， 并且功 能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一款新型電子線路設計 與仿真軟件。Proteus軟件和我們手頭的其他電路設計仿真軟件最大的不同即它 的功能不是單一的。它的強大的元件庫可以和任何電路設計軟件相媲美； 它的電 路仿真功能可以和Multisim相媲美，且獨特的單片機仿真功能是Multisim及其 他任何仿真軟件都不具備的；它的 PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但強大，而且每種功能都毫不遜于Protel，是廣

23、大電子設計愛好者難得的一個工具軟件。3.3.2電路仿真(1)計數譯碼顯示電路仿真在這里我只突出譯碼顯示電路的仿真圖，由于原理圖實在Altium Designer上設計的,這Protues中我發現有更方便的數碼管，雖然有四個，但是按照原理，可以只使用其中三個,電路圖接法如圖3-3-2所示:U77126AQABQBCQCDQDQELTQFBlQGLE/STB-13423I 1nF9T6"5AU8CIAQUQ1Q2CIBQ3|CLKOVFDISDSULEDS1MRDS2121413aR1LUor FJ R2"47UR FR3C5圖3-3-2計數譯碼顯示電路仿真圖對于計數譯碼顯示部分電路的仿真，我們同樣也是用按鍵模擬輸入的計數脈沖,我們每按鍵一次就會產生一個下降沿， 計數器計數值加一。對于這部分電路的仿真結果如圖3-3-3所示:U77AQABQBCQCDQDQELTQFBlQGLE/STB1014451113122VCIAQUQ1Q2CIBQ3卜CLKOVFDISDSULEDS1MRDS2312-11 9TT 14IU8-R1P47UR ' R2 r47UPLmR3h47UR2UUR圖3-3-3計數譯碼顯示電路仿真結果上