【正文】 繪制電路原理圖，列元件明細表，整理及分析有關(guān)數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)。 主要技術(shù)指標及參數(shù) 計數(shù)范圍：1～999。數(shù)字顯示位數(shù)：三位靜態(tài)十進制計數(shù)顯示被測信號數(shù)值。具有計數(shù)及鎖存功能。性能良好，工作可靠。 傳感技術(shù)的研發(fā)概況 隨著社會的進步，科學技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來，電子技術(shù)日新月異，計算機的普及和應用把人類帶到了信息時代，各種電器設備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個領域，相當大一部分的電器設備都應用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟建設中占據(jù)有極其重要的地位。自20世紀50年代以來，科學家對于脈學的理論、脈診方法、臨床診斷和實驗研究等方面均開展了大量工作，取得了較大進展。脈象的客觀化研究集中在脈象儀的研制方面。脈象傳感器是脈象儀的關(guān)鍵部分。英國人Marey最早設計了以彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動脈脈搏波。1860年首次出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1895年開始采用換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式光學脈搏描述器。20世紀50年代我國學者朱顏首次將杠桿脈搏描述器引用到中醫(yī)脈診的研究中來。自20世紀70年代至今，研究人員已研制出種類繁多的換能器以模擬中醫(yī)切脈的手指采集脈搏信號并記錄。目前應用的脈象傳感器種類繁多，根據(jù)其工作原理可分為4種：通過感受脈動處壓力的變化而描述脈搏圖的壓力傳感器；通過感受脈管容積的變化來描述脈象的光電傳感器；利用聲學原理，拾取由脈搏引起的振動即所謂聽信號的傳聲器；還有超聲多普勒檢測技術(shù)。但是目前國內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)對于脈搏和血壓的測量在相當程度上還依賴于聽診器，醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展使其測量將由數(shù)字化儀器所代替。傳感器是脈搏檢測儀器中的重要部件。國內(nèi)外科研人士在提取脈搏圖象方面已開展了大量工作，先后研制了不同種類的傳感器及測量設備以獲得脈搏波形。如：液態(tài)傳感器，將單位長度管段動脈內(nèi)血液體積隨時間變化量轉(zhuǎn)換成導電液柱體電阻的改變參量來測量脈搏波形。它的靈敏度雖高，卻因液態(tài)傳感器本身結(jié)構(gòu)特點的限制使測量過程并不方便。由新型高分子材料PVDF、擴散硅等壓電材料（具有壓電效應）制成的壓電傳感器在醫(yī)用領域得到了廣泛應用。采用紅外線來檢測采集人體的脈搏，檢測的部位為任意一手指或者耳垂的液晶顯示型心率計也較為應用。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器也應用到各個領域。在醫(yī)用領域?qū)鞲衅髋c信號采集、放大裝置、計算機等相結(jié)合構(gòu)成新型智能測量系統(tǒng)，不僅可以對脈搏的頻率、血壓等實現(xiàn)單方面測量，也可實現(xiàn)對人體進行多點測量，完整檢測脈搏的波動狀態(tài)，更加科學的反映脈象變化，為醫(yī)生提供了詳細的診斷參考依據(jù)。4第二章 設計方案論證第二章 設計方案論證心率是一種重要的生理參數(shù)，它反應了人體心臟工作的頻率。心率計的根本任務是實現(xiàn)對人體心率的測量，其中包括：心跳是否正常、是否過快或過慢、是否有心率不齊等現(xiàn)象。心率的數(shù)值根據(jù)個人的年齡、性別及其他生理情況而不同。各種心跳分析，都是要通過對心率的計數(shù)來完成的。為實現(xiàn)測量目的，首先要將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再進行信號的放大、濾波和整形，變成適合信號進一步處理的數(shù)字信號。這一過程在任何方案中都是必須的，因此放大、整形無需論證，只需選擇各電路的最佳方案。實現(xiàn)數(shù)字脈沖計數(shù)的方法很多，在本設計中，我們必須選擇一種最合適的方法應用到心率計中，以滿足設計需要。實現(xiàn)對數(shù)字脈沖計數(shù)比較常用的方式有兩種：一種是應用計數(shù)芯片實現(xiàn)計數(shù)；另一種是利用單片機控制實現(xiàn)計數(shù)。應用計數(shù)芯片，通過一些基本的數(shù)字電路知識，來配合計數(shù)芯片實現(xiàn)計數(shù)，然后驅(qū)動數(shù)碼管顯示。這種方式線路比較復雜，但是技術(shù)成熟，而且很容易進行仿真，比較適合學習用。利用單片機控制實現(xiàn)計數(shù)，具有電路設計簡單、抗干擾能力強、穩(wěn)定性能好、電路成本低、應用范圍廣等優(yōu)點，其功能可以通過軟件實現(xiàn)，并且實現(xiàn)的方式比較靈活，適合實際應用，是一種很理想的設計方案，但是不宜通過軟件進行仿真。根據(jù)本次畢業(yè)設計使用Multisim 2001軟件仿真的要求，我們選擇第一種方式即應用計數(shù)芯片實現(xiàn)計數(shù)功能。 傳感器的分類及工作原理傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。 傳感器的分類目前對傳感器尚無一個統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種： 　　按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器 　　按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。 　　按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量（“1”和0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。 傳感器的工作原理電阻式傳感器：其基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過相應的測量電路而最后顯示被測量值的變化，電阻式傳感器與相應的測量電路組成測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭距、測溫度等測試系統(tǒng)。電位器式傳感器：電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器，可以將機械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。所以它是一個機電傳感元件。電感式傳感器：是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時，一般利用磁場作為媒介或利用磁鐵的某種現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。電感式傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強，對工作環(huán)境要求不高，分辨率高，％～％，穩(wěn)定性好。它的缺點是頻率響應低，不宜用于快速動態(tài)測量。電容式傳感器：電容式傳感器是利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件。電容式傳感器已經(jīng)在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應用。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，％精度的電容式傳感器在國外已有商品供應。優(yōu)點是溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單、適應性強，動態(tài)響應好，可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應。缺點是輸出阻抗高，負載能力差，寄生電容影響大，輸出特性非線性。磁電式傳感器：是通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，屬于典型的有源傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。常見的壓電材料有石英晶體、人工合成的多晶體陶瓷(如欽酸鋇、錯欽酸鉛等)以及有機高分子聚合物PVDF。工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見壓電式壓力傳感器、加速度計)。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。由于壓電傳感器的動態(tài)響應好，在動態(tài)測量中使用廣泛。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。光電式傳感器：是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應。由光的粒子學說可知，光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可以看成是一連串的具有能量E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應即是由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應。 傳感器的選用分析傳感器種類繁多，不同工作原理的傳感器應用于不同的產(chǎn)品研究及開發(fā)。因此，傳感器的選擇是完成本設計的重要部分。 電阻式傳感器：無法進行頻率測量，因此不適用于本課題的設計。 電容式傳感器：由于不能進行微信號測量，因此不適用于本課題的設計。電位器傳感器：是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何量的一種傳感器，因此不適用于本課題的設計。電感式傳感器：其分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)。示值范圍大時，分辨力和示值精度將相應降低。因此不適用于本課題的設計。磁電式傳感器：載流半導體在磁場中由電磁效應而輸出電動勢，因此不適用于本課題的設計。磁阻式傳感器：與電磁感應相關(guān)，因此不適用于本課題的設計。光電式傳感器：由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)較多，一般情況下具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應快等特點，所以光電式傳感器適用測量心率。壓電式傳感器：它可以把加速度、壓力、溫度、濕度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應好等優(yōu)點,所以壓電式傳感器適用測量心率。由此可見，光電式傳感器、壓電式傳感器是可以滿足心率測量要求的。根據(jù)本次課題設計要求，我們選用壓電式傳感器。本次設計采用半導體壓力傳感器2S5M，其敏感元件為半導體應變片。壓力傳感器2S5M用恒流源供電比用電壓源供電的測量精度高，故測量電路采用恒流源的供電形式。這里的電流源不是采用電流源元件，而是用放大器電路取得。具體的電路及其原理說明見第三章。 設計方案通過放大電路、濾波電路及整形電路出來的信號為脈沖信號。脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即。可以看出測量fx必須將N或t兩個量之一作為閘門或基準，對另一個量進行測量。對于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。周期測量法：采用單片機內(nèi)的一個定時/計數(shù)器，以單片機內(nèi)的標準機器周期作為標準時基信號Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時基進行計數(shù)得nx，因此被測信號周期為，每分鐘脈搏跳動次數(shù)為。頻率測量法：也叫倍頻法，根據(jù)頻率計的原理，將被測信號倍頻后，測量其在閘門時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，即為心率值。例如設心率為每分鐘n次，則頻率測量電路不直接測量心率脈沖數(shù)，而用一個計數(shù)器的8倍頻后的信號進行計數(shù)，（8n/60）=n?？梢?，該計數(shù)值恰好等于所需測定的心率。此次設計采用頻率測量法，這種方法采用的電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可以在幾秒內(nèi)測得相對可靠的心率值。9第三章 硬件電路設計第三章 硬件電路設計 心率計工作原理框圖本次數(shù)字心率計的設計可分為以下幾個模塊：測量電路、放大整形電路、計數(shù)顯示電路、控制電路、電源供電電路等。其原理方框圖如圖31所示：傳感器放大濾波整形倍頻電路計數(shù)譯碼顯示閘門、控制電路圖31 心率計原理框圖傳感器部分。選用合適的傳感器，將物理信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了心率的測量精度，因此其選型對整個設計具有決定性的作用。信號放大電路部分。從傳感器出來的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要進行放大。所以，設計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當?shù)男盘?，便于后續(xù)電路的處理。濾波與整形電路。心率信號是低頻信號，低頻濾波電路可以將放大后信號中的中高頻信號濾除，然后通過整形將模擬的不規(guī)則的信號轉(zhuǎn)變成便于信號處理的數(shù)字脈沖信號。倍頻電路。提高整形后脈沖信號的頻率，以此在短時間內(nèi)測得心率的數(shù)值。閘門電路。產(chǎn)生短時間的控制信號，控制測量時間?？刂齐娐贰Ｓ靡员ＷC在基準時間控制下，使倍頻后的脈沖信號送到計數(shù)器進行計數(shù)。顯示電路部分。 由計數(shù)譯碼后的心率值最后送往LED顯示電路直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設備及顯示電路，來實現(xiàn)心率值的顯示。考慮到每個模塊都可以有多種實現(xiàn)方案，下面通過比較各種方案，來選擇最優(yōu)化的實現(xiàn)方案。 電源供電電路心率計的正常測量、信號輸出離不開電源。根據(jù)