【正文】 變。 傳感器的性能 傳感器的型號(hào)選擇本次設(shè)計(jì)選用半導(dǎo)體壓力傳感器2S5M，其敏感元件為半導(dǎo)體應(yīng)變片，應(yīng)變片受到壓力后電阻的變化可用下式表示： （31）其中 △R——電阻的變化量； R——應(yīng)變片的電阻； K——應(yīng)變靈敏系數(shù)； ε——應(yīng)變； ν——泊松比； δ——應(yīng)變片的電阻率； △δ——電阻率的變化量。該傳感器的初始偏壓在10mV左右，利用偏移電壓相互補(bǔ)償，可達(dá)到0，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。運(yùn)放的負(fù)輸入端電位為： （33）因此，運(yùn)放的輸出端的輸出電流即傳感器的輸入電流： （34）,因此傳感器2S5M上的壓降為： （35）再加上電阻375Ω上的壓降為： （36）因此電源電壓完全滿足要求。原理圖如下：圖33 同相比例放大電路從圖 32中可以得到： （37） （38） （39） （310）考慮到每個(gè)人個(gè)體之間的差異，人與人之間脈搏信號(hào)的強(qiáng)弱不同，反映在脈搏波形中即是幅度不同。 濾波整形電路要求心率計(jì)在計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)碼管將測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示出來，這就必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。為了使心率信號(hào)放大到整形電路所需的電壓值。取參數(shù)為C1=C2=,R1=R2=，為保證信號(hào)幅值達(dá)到整形電路所需的電壓值。各種類型的比較器可由通用集成運(yùn)放組成，也可選用專用的集成電壓比較器。各種比較器中最簡單的一種是過零比較器，根據(jù)過零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖37所示。 圖37 過零比較器 圖38 過零比較器的傳輸特性過零比較器電路簡單，可實(shí)現(xiàn)波形的整形作用。2. 電壓滯回特性和主要參數(shù)電壓滯回特性圖310 施密特觸發(fā)器的電路符號(hào)和電壓傳輸特性主要靜態(tài)參數(shù)（1）上限閾值電壓VT+——VI上升過程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低電平VOL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值 。 倍頻電路要在短時(shí)間內(nèi)完成每分鐘心跳次數(shù)計(jì)數(shù)功能，而在整形電路中，整形后的信號(hào)與原信號(hào)的頻率是相同的，如果要測(cè)其每分鐘脈沖數(shù)，則至少應(yīng)測(cè)量一分鐘才可以實(shí)現(xiàn)，為了縮短測(cè)量時(shí)間，必須將整形后的信號(hào)的頻率加倍，這樣就可以滿足在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)的要求。其引腳圖如下：CD404618916圖312 CD4046的引腳圖　　CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管腳功能： 　　1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。 　　5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。 　　10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。 15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。一旦2端輸出上升到大于Uth時(shí)，電路輸出又由1負(fù)躍到0。所以此次設(shè)計(jì)中的倍頻電路選用門電路組成的倍頻電路。 閘門信號(hào)的產(chǎn)生閘門信號(hào)的功能是產(chǎn)生一個(gè)閘門脈沖信號(hào)，以控制在該時(shí)間內(nèi)完成一分鐘的測(cè)量任務(wù)，該功能的實(shí)現(xiàn)可由以下方案來實(shí)現(xiàn)。方案二：用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖316 555定時(shí)器的電氣原理圖和電路符號(hào)(a)原理圖 （b）電路符號(hào)1．555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：（1）由三個(gè)阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器；（2）兩個(gè)電壓比較器C1和C2： v+＞v－，vo=1； v+＜v－，vo=0。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ：Q=~Q=0、Uo=Uoh,Td截止，是電路的一種暫穩(wěn)狀態(tài)，因?yàn)樵谶@種狀態(tài)下，有一個(gè)電容C充電、電壓緩慢升高的漸變過程在進(jìn)行著，時(shí)間常數(shù)是τ1=（R1+R2）C。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ維持時(shí)間： （315）暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ維持時(shí)間： （316）電路振蕩周期: （317）電路振蕩頻率: （318）占空比： （319）上面的電容的充電時(shí)間總是大于放電時(shí)間，輸出的波形不可能對(duì)稱，所以選用占空比可調(diào)的多諧振蕩器，其電路圖如下：圖319 占空比可調(diào)的多諧振蕩器電容充放電時(shí)間為： （320） （321）占空比： （322）只要改變電位器活動(dòng)端的位置，就可以方便的調(diào)節(jié)占空比q，當(dāng)R1等于R2時(shí)，q=,輸出脈沖將成為對(duì)稱的矩形脈沖。開關(guān)可選用單刀單擲開關(guān)和雙刀雙擲開關(guān)，可控制555電路的啟動(dòng)和計(jì)數(shù)器的清零及被測(cè)信號(hào)的通過，具體電路見第四章的仿真電路。此電路的框圖如下：計(jì)數(shù)器譯碼鎖存器顯示器圖321 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路框圖計(jì)數(shù)器選用芯片4518BD，它是雙四位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，其引腳圖和真值表如下：圖322 4518BD的符號(hào)圖表31 4518BD的真值表CPENMR工作方式上升沿HL加計(jì)數(shù)L下降沿L加計(jì)數(shù)下降沿XL不變X上升沿L不變上升沿LL不變H下降沿L不變XXH輸出0其引腳功能如下：CP1：時(shí)鐘輸入端。本次設(shè)計(jì)中譯碼鎖存器選用芯片4511BD，它是7段BCD鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)器，其引腳圖如下：圖323 4511BD引腳圖 表32 4511BD的真值表~EL~BI~CTDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000blank011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011111118011100111100119111XXXX**其他0000000Blank其引腳功能說明如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時(shí)，數(shù)碼管不顯示任何東西。a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，輸出高電平有效。Workbench，虛擬電子工作臺(tái))的升級(jí)版。2001用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”和“軟件即儀器”。2001的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊(cè)中查到，因此可很方便地在工程設(shè)計(jì)中使用2001的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。2001可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及部分微機(jī)接口電路等。2001有豐富的Help功能，其Help系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能說明，Help中這種元器件功能說明有利于使用MultisimHDI語言的電路仿真與設(shè)計(jì)。200l易學(xué)易用，便于電子信息、通信工程、自動(dòng)化、電氣控制類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力。 濾波電路濾波電路：已知正常人心率數(shù)為60到80次每分，嬰兒為90到100次每分，老人為100到150次每分。 整形電路整形電路就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號(hào)的電路。圖49 8倍頻電路其各部分的倍頻波形如下圖410所示：圖410 8倍頻電路波形說明：第一個(gè)為倍頻前波形，第二個(gè)為二倍頻后波形，第三個(gè)為4倍頻波形，第四個(gè)為8倍頻波形。開關(guān)K2為單刀雙擲開關(guān)，開關(guān)打到1線時(shí)計(jì)數(shù)器4518BD清零，打到0線時(shí)，4518BD可以開始計(jì)數(shù)，同時(shí)經(jīng)過簡單RS觸發(fā)器2線輸出1，當(dāng)4線的閘門時(shí)間信號(hào)為1時(shí)，則此時(shí)允許倍頻后的信號(hào)通過，進(jìn)行計(jì)數(shù)譯碼顯示。圖４14 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路以上是對(duì)各個(gè)電路模塊的具體設(shè)計(jì)、仿真分析，通過結(jié)合每一個(gè)電路模塊，設(shè)計(jì)出一個(gè)總的電路方案，其整機(jī)電路圖如附錄1所示，總的電路仿真圖如附錄2所示。 整機(jī)電路整機(jī)圖的仿真見附錄，其中附錄1為8倍頻的整機(jī)電路，附錄2為16倍頻的整機(jī)電路，通過仿真，可得到在輸入不同頻率的信號(hào)時(shí)，兩種不同整機(jī)電路在6次仿真時(shí)記錄的心率值。本次設(shè)計(jì)的核心部分是對(duì)傳感器的選擇，壓電傳感器是心率計(jì)的測(cè)量主體。雖然沒有做出成型的產(chǎn)品實(shí)物，但其工作原理是一致的，再利用仿真測(cè)試，同樣可以達(dá)到更可靠、更多分析化的效果。Ultiboard [11] [12] 李磊,[13] [14] 蔡鵬,[J].機(jī)械，2000，27（增刊）：184185.[15] 陳曉榮，蔡萍，[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置 2003(1):4042. [16] Electronic circuits and applications. Bernard Grob. Gregg Division,