【正文】 sion to electrical signals, through integrated operational amplifiers, filter circuits, such as plastic circuit module, in 555 atcircuit, digital display, control, counting and other circuit elements , Coupled with the use Multisim2001 simulation software, can achieve this rate of simulation design. Each circuit module, according to their functional characteristics have the choice of a variety of programmes, we in the design process, mastered by the use of the theory of knowledge, to pare the various options and asked to choose the best option, to plete the overall design, and Implementation of Multisim2001 software for each module of the simulation. The task of designing a detailed analysis of piezoelectric sensors for measuring heart rate and on the principle of merit, on the other circuit with the position and characteristics of the work, e in different measurement data and technical parameters under the conditions of the simulation results, making The topics to achieve the expected results.Keywords: Piezoelectric sensors, control circuit, counters, Multisim2001 simulation software control circuit.目 錄目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 III第一章 引 言 1 心率研究的意義 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 課題要求 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 2 主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù) 2 傳感技術(shù)的研發(fā)概況 3第二章 設(shè)計(jì)方案論證 5 傳感器的分類及工作原理 5 傳感器的分類 5 傳感器的工作原理 6 傳感器的選用分析 7 設(shè)計(jì)方案 8第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 10 心率計(jì)工作原理框圖 10 電源供電電路 11 采用交流220V電源供電方式 11 采用直流電源供電方式 11 測(cè)量電路 11 傳感器的性能 13 傳感器的型號(hào)選擇 13 傳感器的供電電路 13 放大電路 14 濾波整形電路 16 濾波電路 16 整形電路 17 倍頻電路 20 利用CD4046鎖相環(huán)及計(jì)數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路 20 利用簡(jiǎn)單門電路等組成的二倍頻電路級(jí)聯(lián) 21 控制電路 22 閘門信號(hào)的產(chǎn)生 22 啟動(dòng)清零的控制 26 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路 26第四章 仿真結(jié)果與分析 30 Multisim本設(shè)計(jì)是一款性價(jià)比比較高的電子心率計(jì)，它解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不準(zhǔn)確性和隨機(jī)性，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出人體的心率，并以數(shù)字的方式將測(cè)量結(jié)果顯示。這種多元化的測(cè)量系統(tǒng)正朝著體積小，功耗低、使用靈活、 便于攜帶， 適合于社區(qū)和住院病房使用,有較強(qiáng)的分析能力，可擴(kuò)展等方向發(fā)展。測(cè)試相關(guān)點(diǎn)的波形，記錄、分析整理測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)字顯示位數(shù)：三位靜態(tài)十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示被測(cè)信號(hào)數(shù)值。1860年首次出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1895年開(kāi)始采用換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器。它的靈敏度雖高，卻因液態(tài)傳感器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制使測(cè)量過(guò)程并不方便。各種心跳分析，都是要通過(guò)對(duì)心率的計(jì)數(shù)來(lái)完成的。根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用Multisim 2001軟件仿真的要求，我們選擇第一種方式即應(yīng)用計(jì)數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般利用磁場(chǎng)作為媒介或利用磁鐵的某種現(xiàn)象。缺點(diǎn)是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，寄生電容影響大，輸出特性非線性。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。 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(yīng)用于不同的產(chǎn)品研究及開(kāi)發(fā)。磁電式傳感器：載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中由電磁效應(yīng)而輸出電動(dòng)勢(shì)，因此不適用于本課題的設(shè)計(jì)。壓力傳感器2S5M用恒流源供電比用電壓源供電的測(cè)量精度高，故測(cè)量電路采用恒流源的供電形式。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開(kāi)關(guān)對(duì)時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得nx，因此被測(cè)信號(hào)周期為，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為。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(cè)量精度，因此其選型對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)具有決定性的作用。閘門電路。 電源供電電路心率計(jì)的正常測(cè)量、信號(hào)輸出離不開(kāi)電源。這次心率計(jì)設(shè)計(jì)中，交流供電、直流供電兩種方式我們都可以采用。我們此次設(shè)計(jì)選用壓電式傳感器。方案二：利用心跳時(shí)的振動(dòng)來(lái)測(cè)量此方案是利用心臟的跳動(dòng)來(lái)觸發(fā)振動(dòng)傳感器，這種振動(dòng)傳感器當(dāng)在某一方向有振動(dòng)時(shí)，傳感器就被觸發(fā)導(dǎo)通，沒(méi)有外力時(shí)就不導(dǎo)通。 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。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。 濾波整形電路要求心率計(jì)在計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)碼管將測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，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)。為了使心率信號(hào)放大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。 圖37 過(guò)零比較器 圖38 過(guò)零比較器的傳輸特性過(guò)零比較器電路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)波形的整形作用。 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。 　　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。 15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。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。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。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。a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，輸出高電平有效。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(wàn)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(méi)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。HDI語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。 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。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(shuō)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。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(guò)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。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。Ultiboard [11] [12] 李磊,[13] [14]