心率檢測電路設計報告

ID:209376 · 發表于 2017-6-8 22:30

模擬電子技術大作業

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	組別	分數	組別	分數	組別	分數
1		4		7		10
2		5		8		11
3		6		9		12
小組互評答辯環節記錄：

摘要

1 設計指標要求

2 系統方案分析與設計原理

2.1 系統方案的比較與論證

2.2 設計原理

3 單元電路的設計

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 定時電路參數計算 7

3.5 計數顯示電路 8

3.5.1 計數電路 8

3.5.2 譯碼電路 8

3.5.1計數顯示電路 9

3.6 整體電路的設計圖 10

4 相位差測量電路的仿真與調試 11

4.1 信號放大電路仿真結果 11

4.2 低通濾波器仿真結果 11

4.3 陷波器仿真結果 11

4.4 脈沖整形仿真結果 12

4.5 定時器電路仿真結果 12

4.6 顯示電路顯示結果 12

4.7 完整電路仿真結果 13

5 PCB 13

摘要：

該設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，實現對輸出0.2V信號的處理。用555定時器產生60s方波，由單穩態電路依次產生兩路無交疊信號，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計數譯碼模塊，實現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、譯碼、顯示電路的各項指標及參數選取的合理性，從而實現心率測量儀的高穩定性，強抗干擾力，并可實現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自動報警，具有極強的實用性。

1 設計指標要求
2 系統方案分析與設計原理2.1 系統方案的比較與論證

將傳感器的敏感部分靠近人的脈搏，由傳感器感應脈搏跳動，轉變成電荷信號，在將電荷信號經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定時器產生60s定時周期信號。定時器輸出信號通過第一級單穩態電路，調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態電路，在京反相器反相，作為74LS160的清零信號。兩級單穩態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器進行計數，計數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；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。

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

2.2 設計原理

心率（HR）是指單位時間內心臟搏動的次數。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。

心率作為血液循環機能的重要生理指標而在運動中被廣泛地應用。運動中，心率隨機體代謝需要而增加，在一定范圍內可反映運動強度、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，心率的恢復又可作為評定運動負荷適宜與否以及心臟機能狀態的指標和依據。安靜狀態時基礎心率的測定，在醫務監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。根據人體脈搏信號特征，設計了一種測量脈搏每分鐘跳動次數的系統。本系統通過脈搏傳感器采集脈搏信息，輸出電荷信號，然后轉化為電壓信號，經信號放大電路對其進行放大，再經過濾波器，去掉干擾信號，再將所得信號進行電壓比較，波形整形，形成脈沖作為計數器的計數脈沖，然后送入顯示電路，把記錄的結果進行比較，不在正常范圍內就進行報警，由定時器控制復位端，一分鐘清零一次，再進行下一次測量計數。

它實現的主要功能有：（1）可以測每分鐘脈搏跳動的次數；（2）心率測試儀有數據鎖存和顯示的功能；（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能夠正確的顯示

3 單元電路的設計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生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的線，轉變為電信號并將其放大和輸出。由于脈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。根據相關文獻和實驗結果，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 構成的放大器，將信號放大了 331 倍，同時采用分壓電阻設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電壓（對于OP07A最大為25μV），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設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隔離，從而實現輸入阻抗很高，輸出阻抗低的要求。我們選用OP07低噪聲放大器，其具有如下優點：（1）最大150uV超低偏移；（2）低失調電壓漂移；（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，因此提高系統穩定性，我們在網絡中添加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

為了削弱偏執電流及漂移的影響，集成運放兩輸入端直流參數應對稱，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。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，還是對于濾波網絡的隔離，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，同時驅動能力增強。

3.3 脈沖整形電路3.3.1 脈沖整形電路的設計

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。可以驅動繼電器，開關電壓高達50V，電流高達50mA。響應時間:200ns 。

經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，為了便于后級計數器對脈沖計數，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字功能相結合的中規模集成器件。成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖如圖 6-1所示。它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發器，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 觸發器和放電管的狀態。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 觸發器置 0，使輸出為 0 電平。

3.4.2 參數計算

實現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 計數及顯示電路3.6.1 計數芯片

TC 進位輸出端

CEP 計數控制端

Q0－Q3 輸出端

CET 計數控制端

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 為可預置的十進制同步計數器。

（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 狀態如何，即可完成清除功能。

（2）160 的預置是同步的。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 與數據輸入端P0－P3 一致。

（3）160 的計數是同步的，靠CP 同時加在四個觸發器上而實現的。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器中出現的計數尖峰。

（4）160 有超前進位功能。當計數溢出時，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，可級聯成N 位同步計數器

3.6.2 譯碼芯片

譯碼芯片74LS48

74LS48為BCD-7段譯碼器，74LS48用來驅動共陰極的發光二極管顯示器。74LS48的內部有升壓電阻，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

功能或數字	輸入				輸出	顯示字形
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滅燈試燈動態滅零	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: 358) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.025.jpg (801 Bytes, 下載次數: 347) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳 1.026.jpg (804 Bytes, 下載次數: 370) 下載附件 2017-6-8 23:28 上傳－ 1.027.jpg (794 Bytes, 下載次數: 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，而當輸入數據為非零數碼時，譯碼器和顯示器正常譯碼和顯示。利用此功能可以實現對無意義位的零進行消隱。

：靜態滅燈輸入使能端，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動態滅零時RBO=0，其它時候RBO=1）。該端主要用于多個譯碼器級聯時，實現對無意義的零進行消隱。實現整數位的零消隱是將高位的RBO接到相鄰低位的，實現小數位的零消隱是將低位的RBO接到相鄰高位的。

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3.6.3 計數電路及工作原理

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

由計數器輸出信號送至譯碼驅動電路74LS48，繼而通過共陰極數碼管顯示結果。

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3.8 整體電路
4 心率檢測電路的仿真與調試4.1 信號放大電路

信號放大倍數為100倍.

4.2 低通濾波器

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4.3 陷波器

4.5 脈沖整形

4.4 定時器電路

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4.6 顯示電路

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4.7 完整電路

5 PCB