心率計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、電子心率計(jì)設(shè)計(jì)一 摘要隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，我們的生活節(jié)奏也越來(lái)越快，面對(duì)每天繁忙的工作生活，我們不一定能像以前那樣定期抽出時(shí)間去為自己身體做一次體檢。而事實(shí)上我們身體承受的負(fù)荷卻越來(lái)越大，相比于以前我們需要給自己的身體以更多的關(guān)注，甚至是時(shí)刻了解它的健康狀況。身體的健康與否在很多方面都會(huì)有所體現(xiàn)。比如一個(gè)人的心率值就基本能反映一個(gè)人心臟是否正常工作的。大家都知道心臟是我們?nèi)梭w中最重要的器官之一，使我們生命的源動(dòng)力。所以我們能時(shí)刻了解它的狀態(tài)是很重要的。由于我們平時(shí)不一定總是能抽出時(shí)間去做體檢，所以我們需要一個(gè)簡(jiǎn)單的，便于操作的，可靠性高的儀器來(lái)幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)測(cè)到我們的心率值。讓我們能及時(shí)

2、了解到我們現(xiàn)在心臟以及身體的狀態(tài)。心率的生理意義人的心臟比握緊的拳頭稍大，平均重量為300g。它是人體內(nèi)“泵器官”，負(fù)責(zé)人體血液循環(huán)。心臟每天跳動(dòng)超過(guò)10萬(wàn)次，累計(jì)使8千多公升的血液，流經(jīng)約1萬(wàn)9千公里長(zhǎng)的動(dòng)靜脈，從而維持血液循環(huán)。心臟有四個(gè)腔，分別是左心房、右心房、左心室和右心室。右心房接受全身各器官回流的含氧低靜脈血并輸入右心室，右心室把血液泵入肺臟進(jìn)行氧氣與二氧化碳的氣體交換。左心房將自肺臟返回的含氧高的動(dòng)脈血輸入左心室，左心室再將血液輸送至全身器官。從我們出生的那一刻起，心臟便24小時(shí)不停地工作，為全身輸送氧氣和養(yǎng)分。心臟能夠這樣周而復(fù)始地有規(guī)律地工作，是因?yàn)樾呐K有一個(gè)天然的起搏器竇房

3、結(jié)，它能自發(fā)地、有節(jié)律地發(fā)放電脈沖，并沿著結(jié)間束、房室結(jié)、希氏束和左右束支這一固定的激動(dòng)傳導(dǎo)途徑由上向下傳遍整個(gè)心臟，使心臟各個(gè)腔室順序收縮，完成運(yùn)送血液的工作。心臟的正常工作要求心臟節(jié)律發(fā)放和傳導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正常。心率(heart rate)指心臟分鐘搏動(dòng)的次數(shù)，它能夠反映心臟的工作狀態(tài)。正常心率決定于竇房結(jié)的節(jié)律性，成人靜息時(shí)約60100次/min，平均約75次/min。心率可因年齡、性別及其他因素而變化。初生兒心率約130次/min，隨年齡增長(zhǎng)而逐漸減慢，至青春期乃接近成人的心率。女性心率比男性稍快；運(yùn)動(dòng)員心率較慢。成人安靜心率超過(guò)120次/min者，為心動(dòng)過(guò)速；低于40次/min者

4、為心動(dòng)過(guò)緩。心率受植物性神經(jīng)和體液因素調(diào)節(jié)。安靜或睡眠時(shí)，心迷走中樞緊張性增高，心交感中樞緊張性降低，心率減慢。運(yùn)動(dòng)、情緒激動(dòng)、精神緊張時(shí)，心迷走中樞緊張性降低，心交感中樞緊張性升高，心率加快。腎上腺素、去甲腎上腺素、甲狀腺素等體液因素也會(huì)增快心率。此外，體溫每升高1，心率加快1220次/min。二 任務(wù)分析及總體設(shè)計(jì)方案在認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究了任務(wù)指導(dǎo)書(shū)后，在老師的指導(dǎo)與啟發(fā)下，我初步定下了自己的方案。經(jīng)過(guò)和同學(xué)們的集中討論與研究和數(shù)次李老師耐心的講解與分析，方案在我腦海中逐漸清晰。通過(guò)自己的對(duì)個(gè)別知識(shí)的再次學(xué)習(xí)與網(wǎng)上資料的查閱，最終確定下方案。2.1任務(wù)分析所設(shè)計(jì)的電子心率計(jì)要求實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)測(cè)

5、量1分鐘的心臟跳動(dòng)次數(shù)，并且顯示其數(shù)字。當(dāng)心臟跳動(dòng)次數(shù)超過(guò)正常范圍時(shí)，發(fā)出異常指示（LED發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警指示）。正常范圍可根據(jù)需要設(shè)定，性能指標(biāo)：u 測(cè)量范圍：正常心跳次數(shù)成人為6090次/分鐘，嬰兒為90120次/分鐘，老人為100150次/分鐘，正常范圍可以設(shè)定；u 測(cè)量精度：測(cè)量誤差±4次/分鐘；u 報(bào)警指示：采用LED發(fā)光二極管?；谝陨先蝿?wù)要求，經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析得到了如下結(jié)論：u 由于從紅外線傳感器送來(lái)的信號(hào)很微弱，一般為（25mv），并且疊加了很多干擾及噪聲，這就需要信號(hào)放大、濾波與整形電路；u 要想在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)1分鐘的心率進(jìn)行測(cè)量（本設(shè)計(jì)采用15秒測(cè)量），這就需要倍

6、頻器（4倍頻）和基準(zhǔn)時(shí)鐘定時(shí)器（15秒）；u 由于最后要顯示其測(cè)量數(shù)字，這就需要計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器；u 由于最后要用LED報(bào)警顯示，并且成人、嬰兒、老人的心率正常范圍不一樣，所以還需要控制器、比較器和報(bào)警器。所設(shè)計(jì)的紅外線電子心率計(jì)的核心是在固定的短時(shí)間內(nèi)對(duì)低頻電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)，并且把計(jì)數(shù)得到的值與正常范圍的上下限進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)對(duì)成人、嬰兒和老人的報(bào)警指示。2.2總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)方案為:采用傳感器，量脈搏的跳動(dòng)，出微弱的信號(hào)，入放大器中放大；后通過(guò)濾波器濾除干擾信號(hào)后，將形整形為方波或脈沖信號(hào)；后經(jīng)過(guò)倍頻器增加信號(hào)的頻率，輸入計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，時(shí)通過(guò)定時(shí)器控制計(jì)數(shù)

7、的時(shí)間，后得出一分鐘內(nèi)脈搏次數(shù)即為心率。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時(shí)，將其輸入到數(shù)值器中與比較器預(yù)設(shè)值即標(biāo)準(zhǔn)值作比較，若，測(cè)量值不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)則報(bào)警，即LED燈亮。2.3設(shè)計(jì)流程圖放大器濾波器傳感器 倍頻器整形電路計(jì)數(shù)器報(bào)警器定時(shí)器顯示 二 器件選擇 3.1 傳感器的選擇個(gè)人認(rèn)為一個(gè)傳感器的品質(zhì)在很大程度上決定于它選用的傳感器，現(xiàn)在市場(chǎng)上心率計(jì)使用比較主流的傳感器有以下幾種。CCPS32，CPS182，紅外傳感應(yīng)感器，MPS2050。CPS182與MPS2050輸出電壓較小，且CPS182精確度不是很高，而紅外感應(yīng)傳感器同樣也有輸出電壓小的缺點(diǎn)，且價(jià)格會(huì)略高一些。通過(guò)對(duì)比，我選擇了C

8、CPS32傳感器，其靈敏度較高，且輸出電壓越4伏左右，這樣就無(wú)需接放大電路，可直接進(jìn)行濾波，且該款傳感器還自帶很高的溫度自補(bǔ)償，這是其他傳感器所不具備的。以下是CCPS32的具體參數(shù)以及介紹。傳感器參數(shù)及特性介紹：CPS32傳感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷電容壓力傳感器詳細(xì)說(shuō)明:一、概述CCPS32傳感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷電容壓力傳感器，陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40125，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。其最大特點(diǎn)是：量程可以小到700Pa

9、，抗過(guò)載能力可達(dá)量程100倍，徹底解決了其它類型傳感器沒(méi)有小量程及在小量程時(shí)過(guò)載能力差的缺點(diǎn)，它除具有一般傳感器的量程外，其最具特色的是它的正負(fù)表壓功能，如：±1kPa，±10kPa等。CCPS32干式陶瓷電容厚膜壓力傳感器的高輸出，廣量程，特別適合制造高性能的工業(yè)控制用壓力變送器。大圓形膜片表面平整、易安裝，是歐美E+H、ABB、SIEMENS、H&、VEGA等公司壓力變送器生產(chǎn)首選傳感器。二、特點(diǎn)堅(jiān)固的陶瓷電容敏感膜片自帶厚膜電路輸出1-4V卓越的抗腐蝕、抗磨損性能平整的大圓形膜片,易安裝高精度、高穩(wěn)定性寬的工作溫度范圍響應(yīng)迅速,無(wú)遲滯量程遷移比達(dá)10:1可進(jìn)行

10、無(wú)源標(biāo)定三、工作原理抗腐蝕的干式陶瓷電容壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，過(guò)程壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，襯底的電極與膜片電極的電容量變化比例與壓力大小，使膜片產(chǎn)生0.03mm的位移，電容的變化值經(jīng)激光微調(diào)，傳感器專用信號(hào)調(diào)理電路ASIC放大輸出高達(dá)4000mV的直流電壓，內(nèi)置的溫度傳感器不斷測(cè)量介質(zhì)的溫度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。過(guò)載時(shí)，膜片貼到陶瓷襯底上而不會(huì)損壞。當(dāng)壓力恢復(fù)到正常時(shí)，其性能不受任何影響。徹底解決了低量程過(guò)載能力差的缺點(diǎn)，是擴(kuò)散硅傳感器的升級(jí)換代產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)化的高輸出具有極強(qiáng)的抗干擾能力，配專用線路板可進(jìn)行大的量程遷移（10:1）。傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，自帶溫度補(bǔ)償-20

11、80，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。CCPS32陶瓷傳感器由于沒(méi)有液體的傳遞作用，無(wú)任何填充液，不會(huì)產(chǎn)生工藝污染，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，加之是干式陶瓷膜片，故不受安裝方向影響，以其作為敏感元件生產(chǎn)的壓力變送器被廣泛地應(yīng)用在各種測(cè)量壓力的場(chǎng)合。四、技術(shù)參數(shù)供電電壓：5VDC量程范圍：7kPa30Mpa響應(yīng)時(shí)間：<1mS綜合誤差(包括：線性，遲滯，重復(fù)性)：0.1.0.2FS%零點(diǎn)輸出：500±50mV滿量程輸出：4000±100mV溫度特性(溫補(bǔ)范圍：-20-80)：±0.01 %FS/穩(wěn)定性：<0.1% FSO/年供電電流：<2m

12、A工作溫度：-40125抗絕緣性：>2kV外形尺寸：32.4×5.25.7.12mm 五、量程選擇 因?yàn)槿说难獕阂话闶窃?8kpa左右，所以結(jié)合傳感器的量程范圍，選擇傳感器的量程為 030kpa。3.2 放大電路的選擇 因?yàn)镃CPS32在零點(diǎn)有大約50mv的零點(diǎn)電壓，所以可用以高共模抑制比的差分放大電路來(lái)消除。而其輸出電壓就為4伏左右，所以不需要在進(jìn)行對(duì)其輸出幅度的放大。傳感器輸出阻抗大約10千歐左右，結(jié)合以上考慮我選擇了同相串聯(lián)雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路作為下一級(jí)。其輸出波形為 3.3 濾波器的選擇 人體的心率一般在60150次/分鐘，所以容易算得其最高頻率為：f=150/6

13、0=2.5Hz。則可選擇一低通濾波器濾掉大于3.14HZ的干擾。設(shè)該低通濾波器的截止頻率f0=3.14Hzf0=1/2RC=3.14Hz所以求得 RC=0.05 結(jié)合實(shí)際情況和電路 確定R=200歐 C=250uF低通濾波器電路圖如下： 當(dāng)將電源頻率改為10Hz后，濾波電路輸出的波形為：兩個(gè)圖像對(duì)比后，我們可以很明顯的看出在頻率為10赫茲時(shí)輸出的電壓基本為0，所以可以看出該低通濾波電路能起到較好的濾波作用。3.4 整形電路的選擇整形電路的功能是將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào)輸出到倍頻電路。由于最后計(jì)數(shù)器輸入的方波信號(hào)，因此還需要把面得到的信號(hào)進(jìn)行比較整形，從而得到方波。整形電路一般用74LS

14、14和CC40106兩種芯片，經(jīng)過(guò)比較，個(gè)人認(rèn)為74LS14集成度高，更穩(wěn)定。所以整形電路決定選擇74LS14。整形電路電路圖如下：整形后的波形如下：可以看出該整形電路整形效果較好，基本可以勝任。3.5 倍頻電路的選擇 在實(shí)際中測(cè)心率一般選擇一分鐘為時(shí)間長(zhǎng)度，而如果是體檢或是有很多人同時(shí)需要進(jìn)行心率的測(cè)量，則一分鐘的時(shí)間會(huì)略顯漫長(zhǎng)。所以我們希望能將測(cè)量時(shí)間縮短，以便于在盡量短的時(shí)間內(nèi)為更多的人測(cè)量其心率值。于是我們需要一個(gè)倍頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一想法，而如果采用四倍頻或更高的話，會(huì)帶來(lái)至少每分鐘2次的心率誤差，如果患者的心率接近報(bào)警值，則有可能導(dǎo)致誤報(bào)警。綜合考慮我這里選擇的事2倍頻電路，即在誤差盡

15、可能小的情況下，節(jié)約更多的時(shí)間。電路圖如下：從整形電路輸出的波形圖如下:經(jīng)過(guò)倍頻電路的波形圖如下：通過(guò)兩個(gè)幅頻圖我們可以看出2倍頻電路工作穩(wěn)定，可以起到倍頻的作用。3.6 定時(shí)器的選擇一般對(duì)病人的心率的時(shí)間選擇為1分鐘，且病人的每分鐘心率也是醫(yī)生參考的標(biāo)準(zhǔn)，而之前我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)2倍頻的倍頻電路，所以這里我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)30秒得定時(shí)電路。在這里信號(hào)可采用多諧振蕩器產(chǎn)生，在簡(jiǎn)單時(shí)基電路中，可以用555定時(shí)電路。55定時(shí)器功能表：輸 入輸 出THVODis×<VCC<VCC>VCC×<VCC>VCC×LHHHLH不變L導(dǎo)通截止不變導(dǎo)通

16、圖十三 555定時(shí)器功能表器件取值：振蕩周期：T=T1+T2=（R1+R2）Cln2振蕩頻率：f=1/T=1/(R1+R2)Cln2設(shè)脈沖幅度大于3V小于5V,占空比為q=2/3，振蕩周期為30秒則 q=(r1+r2)/(r1+r2)=2/3 故得 R1=R2由此得 T=（r1+r2）Cln2=30 取C=2u解得r1=r2=480k 定時(shí)器電路圖如下：3.7 顯示與計(jì)數(shù)電路的選擇在心率計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)數(shù)電路是其中很關(guān)鍵的一部分，通過(guò)它測(cè)量脈沖次數(shù)從而測(cè)出心率。所以其測(cè)量的精度直接影響到心率計(jì)的測(cè)量精度。在這里我選擇了4511BD和4518BD兩種芯片。從計(jì)數(shù)器中輸出的信號(hào)為四位BCD碼，不能

17、直接輸入到顯示器中顯示，要先經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼，輸出七段顯示代碼，才能供顯示。4511BD的引腳圖如下：計(jì)數(shù)與顯示的電路圖如下：仿真后LED的顯示情況： 3.8 比較器及報(bào)警過(guò)程的設(shè)計(jì) 我們知道心率的標(biāo)準(zhǔn)范圍有三種：1，老人，100-150次/分；2，嬰兒，90-120次/分；3，成人，60-90次/分。在這里我們需要預(yù)設(shè)號(hào)不同的上下限的數(shù)值預(yù)測(cè)的的心率值比較，如果有計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值超出了對(duì)應(yīng)的范圍，則表明是使用者心率異常，需要發(fā)出報(bào)警，已引起使用人和醫(yī)生的重視。在這里我們選擇的是74LS85D芯片，作為比較與報(bào)警部分的主要芯片。其引腳圖如下：報(bào)警與比較部分電路圖如下：至此，心率計(jì)電路的器件選擇

18、和參數(shù)設(shè)計(jì)部分結(jié)束。期間每一部分的設(shè)計(jì)都通過(guò)我的反復(fù)研究與仿真都確定下來(lái)。四 總體電路圖五 器件清單六 心得體會(huì)通過(guò)這次試驗(yàn)我才親身體會(huì)到自己學(xué)的知識(shí)與實(shí)際動(dòng)手之間還有一定的差距。第一次設(shè)計(jì)一個(gè)具體的東西就容易各種鬧笑話，手忙腳亂。在確定各模塊電路的過(guò)程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗(yàn)我用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識(shí)來(lái)判斷電路正確與否的機(jī)會(huì)。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)的鍛煉，自己的動(dòng)手能力有了很大的提高，查找問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力也有了相應(yīng)的進(jìn)步。當(dāng)然，這次試驗(yàn)也讓我看到了我的很多缺陷。有些電路看似已經(jīng)正確了，卻始終無(wú)法仿真出需要的波形。反復(fù)檢查后才發(fā)現(xiàn)就是一些小細(xì)節(jié)