【正文】 數(shù)字心率計(jì) 1 目 錄 1. 摘要 ……………………………………………………………… 1 2. 方案原理介紹 …………………………………………………… 2 方案設(shè)計(jì)與論證 …………………… ………………………… 2 3. 總體方案介紹 …………………………………………………… 3 4. 單元電路的設(shè)計(jì)與選擇 ………………………………………… 4 脈搏檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) ………………………………………… 4 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 …………………………… 5 信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 …………………… ……… 7 整形電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 ………………………………… 8 倍頻電路 ……………………………………………………… 10 時(shí)基電路 ……………………………………………………… 11 邏輯控制電路 ………………………………………………… 12 計(jì)數(shù)、鎖存和顯示電路 ……………………………………… 14 報(bào)警電路設(shè)計(jì) ………………………………………………… 18 5. 總體電路的繪 制 ………………………………………………… 18 電路總圖 ……………………………………… ……………… 18 元器件清單 …………………………………………………… 19 6. 心得體會(huì) ………………………………………………………… 19 7. 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 21 數(shù)字心率計(jì) 2 數(shù)字心率計(jì) 摘要 對(duì)于醫(yī)院的危重病人，或者在其他一些特殊場(chǎng)合，需對(duì)人的心心率進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，本課題即針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)易的心率檢測(cè)儀。 課題的思路是用壓力傳感器檢測(cè)病人手腕部的脈搏跳動(dòng)，壓力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)一系列電路處理，形成可用于檢測(cè)的脈沖信號(hào)，再經(jīng)電路處理，最終由數(shù)碼管顯示其數(shù)值，并根據(jù)被測(cè)對(duì)象 情況判斷其健康狀態(tài)，以報(bào)警信號(hào)顯示。 通過測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用表明：其性能穩(wěn)定、工作可靠、升級(jí)方便。實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體脈搏的電子測(cè)量，并且能通過外界擴(kuò)音器實(shí)現(xiàn)聽診的功能。文章給出了系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)原理，硬件電路及軟件設(shè)計(jì)等。該系統(tǒng)利用脈沖干擾動(dòng)平均值法濾波，在提高精度的同時(shí)也大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，該儀器成本低，可靠性高，操作方便。 關(guān)鍵詞：傳感器，濾波器，放大器，顯示電路，報(bào)警電路 數(shù)字心率計(jì) 3 一 方案原理介紹 方案設(shè)計(jì)與論證 正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘 60～ 90次（嬰兒為 90～ 120次 ,老年人則為 100～ 150次 ), 這種頻率信號(hào)屬于低頻范疇 .因此 ,脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的裝置 ,它的基本功能要求是 : 要把人體的脈搏數(shù) (振動(dòng) )轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,這就需要借助傳感器。 對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)要進(jìn)行放大、濾波和整形處理，以保證后續(xù)電路能正常對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的加工和處理。 脈搏測(cè)試儀要能在 15秒左右測(cè)出脈搏跳動(dòng)次數(shù)，并作出是否報(bào)警的判斷。 報(bào)警的上 、 下限 及對(duì)象選擇可以通過多路開關(guān)調(diào)節(jié) 。 總之，脈搏測(cè)試儀的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)?？梢?，脈搏測(cè)試儀的主要 組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器 。 方案設(shè)計(jì) 脈搏測(cè)試儀的上述功能要求，可采用了三種不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)： 方案一：把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間 N 內(nèi)（如 15 秒）進(jìn)行計(jì)數(shù)，完成后將計(jì)數(shù)結(jié)果通過乘法器乘以系數(shù) 60/N（如 60247。 15=4）并用數(shù)字顯示其計(jì)算后的值，從而得到每分鐘的脈搏數(shù)。 方案二：該種方案和第一種有一點(diǎn)類似，其差別在于該方案采用的是倍頻的方式求取脈搏數(shù)。在單位時(shí)間 15秒內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于 15 秒是一分鐘的 1/4，所以理想情況下 60 秒內(nèi)測(cè)得的脈搏數(shù)是 15秒內(nèi)測(cè)得值的 4倍。所以可以通過對(duì)被測(cè)脈 搏波進(jìn)行細(xì)分（即 4倍頻），從而通過計(jì)數(shù)器在 15秒內(nèi)所得計(jì)數(shù)結(jié)果就是一分鐘的脈搏數(shù)。 方案驗(yàn)證 這三種方案比較起來(lái)，第一種方案比較直觀，但精度較低，如果計(jì)數(shù)時(shí)間是 15秒最大時(shí)誤差為177。 4次，而且電路結(jié)構(gòu)需要乘法器，乘法器芯片難尋，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ；第二種方案直觀，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且 精度較第 一 種方案 高 ，但由于采用倍頻電路其精度已提高到177。 1次，完全滿足設(shè)計(jì)要求。為了使脈搏測(cè)試儀輕巧而便宜，且有較高精度通常采用第二種方案，本文的設(shè)計(jì)就基于這一方案。 數(shù)字心率計(jì) 4 二 總體方案介紹 本設(shè)計(jì)采用了 ， 選用該種方案的原因是電路容易實(shí)現(xiàn)，各部分造價(jià)較低，滿足精度要求。該方案選用 傳感器 MPX2050GP，該傳感是帶溫度補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)散硅壓力傳感器，它具有良好的線性和溫度穩(wěn)定，并且靈敏度高，是一種專門用于血壓測(cè)量的傳感器。該傳感器接在電橋電路中，當(dāng)有壓力傳到傳感 器時(shí)，其電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生差動(dòng)電壓，由于該電壓很 弱（為 10毫伏左右），需用一放大器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行放大。由于震動(dòng)、工頻信號(hào)和放大器的噪聲等的影響，導(dǎo)致其輸出電壓中有很多干擾信號(hào)，為此需采用一濾波器濾除脈搏信號(hào)中的干擾，由于脈搏信號(hào)為低頻信號(hào)，所以該濾 波器必須為低通濾波器。為了便于計(jì)數(shù)，需將經(jīng)過濾波的信號(hào)整形為矩形波信號(hào)，為此還需設(shè)計(jì)整形電路。 由于我們需要在十五秒內(nèi)完成脈搏計(jì)數(shù)，在這里我們采用了倍頻的方式。 由于 15 秒是一分鐘的 1/4，所以理想情況下 60秒內(nèi)測(cè)得的脈搏數(shù)是 15秒內(nèi)測(cè)得值的 4倍。所以可以通過對(duì)被測(cè)脈搏波進(jìn)行細(xì)分（即 4倍頻），從而通過計(jì)數(shù)器在 15秒內(nèi)所得計(jì)數(shù)結(jié)果就是一分鐘的脈搏數(shù)。 這種設(shè)計(jì)方案的方框圖如下圖 1。 圖一 設(shè)計(jì)方案方框圖 數(shù)字心率計(jì) 5 三 單元電路的設(shè)計(jì)與選擇 脈搏檢測(cè)電路的設(shè) 計(jì) 因?yàn)椴捎玫?MPX2050力敏元件是一種高性能的動(dòng)態(tài)微壓傳感器 , 且輸出電壓信號(hào)有一直流疊加 , 故采用電橋法直接獲取脈搏信號(hào)。如圖 2 所示 , 可以看出采用電橋接法通過匹配R1,R2 以及調(diào)整電位器 RC可以將傳感器兩端的交流變化量取出來(lái)。系統(tǒng)所用的電源是直流穩(wěn)壓 +5V, 采用的串聯(lián)電阻 R R2為 5kΩ 。同時(shí) , 為了排除電源的噪聲干擾 , 前置一個(gè) 1000u電容 C1接地。 ui20可調(diào)電阻 RC5kC11000U0R15kui1R25k傳感器5V 圖二 脈搏測(cè)量電路 傳感器參數(shù)如下： 型號(hào) 最大壓力 psi 最大壓力 kpa 最大壓力 in H2O 最大壓力 cm H20 最大壓力 mm Hg 過壓 (kpa) 零位 偏差 mv 量程電壓 mv 靈敏 mV/Kpa 線性 %量程 最小 線性 %量程 最大 典型壓力 MPX2050 50 201 501 375 200 177。 40 由于傳感器靈敏度為 ,而人體正常情況下收縮壓大致為 136(18KPa)90mmHg（ 12KPa），舒張壓為 8660mmHg。因?yàn)槭湛s壓較舒張壓大，故以收縮壓信號(hào)作為預(yù)處數(shù)字心率計(jì) 6 理信號(hào)。脈搏測(cè)量電路輸出 的峰值電壓大約為： = 到 = 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 放大電路的選擇 方案一：采用常見的同相放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。根據(jù)理論公式進(jìn)行計(jì)算可得電路的放大倍數(shù)為： Av=Vo/Vi=1+R1/，但此電路不適合小信號(hào)放大，因此不予采取。 方案二： 由于輸入級(jí)是毫伏級(jí)，為了便于信號(hào)的輸出和處理，采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路放大傳感器的輸出電壓。 電路如圖 3 所示。 它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中U U12為兩個(gè)性能一致的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱差動(dòng)放大輸入級(jí)，U11構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制 U U12的共模信號(hào) 。 當(dāng) U U12性能一致是，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在 Rp兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部電阻匹配。此外，該電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié) Rp可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì) 稱性 。0V4F R EQ = 3. 5VA M PL = 0M VVO F F = 0U i1