【正文】 蔡鵬,[J].機械，2000，27（增刊）：184185.[15] 陳曉榮，蔡萍，[J].工業(yè)儀表與自動化裝置 2003(1):4042. [16] Electronic circuits and applications. Bernard Grob. Gregg Division, McGrawHill, c1982. [17] Electrons. . Mir Pub. 1981. [18] Electrical engineering. . Kasatki Translated from the Russian by Boris V. Kuznetsov. Mir, 1983. 42致 謝致 謝首先，衷心感謝姜李副教授對本人的精心指導，姜老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。對姜老師的感激之情是無法用言語表達的。基于壓電傳感器上的心率計，是利用人體的血壓變化來測量心跳頻率的變化，血壓隨心跳變化，引起力敏元件的物理效應，由傳感器轉換成電信號，從而實現測量目的。在設計電路的過程中，對每一個可以進行仿真的模塊電路都進行了可行性仿真，包括濾波整形電路、控制電路和計數顯示電路，實現了給定一個模擬人體心率的脈沖信號，能夠對其進行計數，并在數碼顯示管上顯示出來。其仿真電路圖和輸入輸出波形如下圖所示。其設計電路圖如圖45所示。2001是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。2001的功能及特點Multisim1A，1B，1C，1D：計數輸出端，輸出為二進制。分頻采用芯片4024BD，其管腳圖如下：f 4024BD121196543cp14Vdd圖320 4024BD的引腳功能圖如上圖所示，用4024芯片可以將信號進行2分頻、四分頻、八分頻到128分頻，此次設計即采用555定時器組成的多諧振蕩器和芯片4024組成閘門電路。2. 555定時器構成的多諧振蕩器如下圖所示，RRC是外接定時元件?？刂齐娐吩O計的好壞直接影響到整個心率計的性能。圖313 實用二倍頻電路圖 其工作原理為：當輸入信號由0正躍到1時，1端輸出由0正躍到1，由于電阻和電容的存在，電容被充電，2端輸出按指數規(guī)律上升。 　　16腳電源的負端和正端。因此，此次設計采用倍頻電路來提高被測信號的頻率，減少心率測量的時間。（2）當VI上升到時 ，Vo1輸出低電平。集成電壓比較器工作速度比較快，且在要求同樣的響應時間時，集成電壓比較器的價格比較低廉。為改善濾波特性，此次設計中選用二階低通有源濾波器，其通帶電壓放大倍數和通帶截止頻率與一階低通濾波器電路相同。這個模塊的電路可分為濾波電路和整形電路兩部分。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的信號，便于后續(xù)電路的處理。金屬應變片的應變系數K較小，K最大為二。方案三：通過測量對傳感器的壓力的變化來測量頻率實現此方式測量所選用的傳感器多為壓電傳感器和電容式傳感器，其工作原理是利用人體的血壓變化來測量心跳頻率的變化，人體心臟在跳動的過程中，血壓也隨著心臟的跳動而變化，進而引起力敏元件的物理效應，轉換成電信號進行測量。方案一：通過測量單位血管長度血流量的變化測心跳頻率實現此種方式測量的傳感器主要以液態(tài)傳感器、光電傳感器為主，這兩種傳感器均是利用血液流過傳感器時，單位長度血管內血液體積的變化引起電信號的變化。 測量電路心率信息的采集，是要依靠測量電路來實現的。通常情況下，交流電壓采用220V的電壓等級，直流電壓采用177。控制電路。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。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，而用一個計數器的8倍頻后的信號進行計數，（8n/60）=n。具體的電路及其原理說明見第三章。光電式傳感器：由于光電測量方法靈活多樣，可測參數較多，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。 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。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。壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應，將機械能轉化為電能，屬于典型的有源傳感器。電感式傳感器具有以下優(yōu)點：結構簡單可靠，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。 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。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。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。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。性能良好，工作可靠。了解心率計的測量原理，結構特點以及控制要求?，F今多數醫(yī)生用聽診器測量脈搏，醫(yī)用脈搏計可以精確測出心率，并且可以測出心肌收縮力度，從而判斷病人的健康狀況；而家用脈搏計只需測出脈搏的頻率，功能簡單，數字脈搏計正好適應了這一要求，使用簡單，便于攜帶,。本設計旨在綜合壓電傳感器以及相關專業(yè)知識，設計一個數字脈搏計，對人體脈搏進行測量經數碼管顯示，最終利用軟件Multisim2001仿真出實驗結果。從近代醫(yī)學的角度來看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔著協調全身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營養(yǎng)物質，運走代謝廢物等重要的工作，還承擔運送抗體、激素等物質以協調整體的動態(tài)平衡。本次設計的壓電傳感器基礎上的心率計，原理結構主要由六部分組成，其中包括：測量電路、放大電路、濾波整形電路、計數顯示電路、控制電路、電源供電電路。利用壓電傳感器，將人體的脈搏通過壓電陶瓷片轉換為可處理的電信號，經過集成運算放大器、濾波電路、整形電路等模塊，在555時基電路、數碼顯示、控制、計數等電路元件的配合下，利用Multisim2001仿真軟件，可以實現此心率計的仿真設計。作為現代電子儀器與醫(yī)學相結合的一個重要應用課題，具有深遠意義。 國內外研究現狀在醫(yī)療診斷中， 快速脈搏測定已從傳統(tǒng)的測量方法向多參數生命體征監(jiān)護儀和自動脈搏測量儀發(fā)展。設計相關電子線路并畫圖。繪制電路原理圖，列元件明細表，整理及分析有關數據。脈象的客觀化研究集中在脈象儀的研制方面。傳感器是脈搏檢測儀器中的重要部件。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，它反應了人體心臟工作的頻率。應用計數芯片，通過一些基本的數字電路知識，來配合計數芯片實現計數，然后驅動數碼管顯示。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換為位移的非電量轉換為有一定函數關系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。電容式傳感器已經在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應用。工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應。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。電感式傳感器：其分辨力和示值誤差與示值范圍有關。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。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。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、計數顯示電路、控制電路、電源供電電路等。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)則的信號轉變成便于信號處理的數字脈沖信號。 由計數譯碼后的心率值最后送往LED顯示電路直觀地顯示出來。 采用交流220V電源供電方式交流220V的供電方式主要原理是，通過整流橋進行整流濾波，將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷涸俳o心率計進行供電。實現測量目的的重要元件就是傳感器。這兩種傳感器都有較高的靈敏度，但也都有各自的缺點。壓電材料所產生的電荷量與外力的大小成正比。 傳感器的供電電路壓力傳感器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供電的形式。為了使該設計能適用于不同的人，在設計的時候，R1采用滑動變阻器，通過調節(jié)其電阻，可以改變放大倍數。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。 整形電路心率計設計中，整形電路的主要作用就是將經過放大、濾波的模擬信號轉換成數字脈沖信號，當然這是在不改變信號頻率的前提下完成的。集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或UOM。（2）下限閾值電壓VT ——VI下降過程中， vO由低電平VOL跳變到高電平VOH時，所對應的輸入電壓值 。 　　2腳相位比較器Ⅰ的輸出端。 　　112腳外接振蕩電阻。當一端輸出負躍到0時，電路輸出由0正躍到1，一端輸出0，這時電容經電阻放電，在2端輸出下降到Uth時，輸出又由1負躍到0，從而實現了二倍頻。方案一：采用CMOS石英晶體多諧振蕩器及分頻器構成的時間基準電路圖315 石英晶體多諧振蕩器說明：圖中4060BD的3腳輸出頻率為2Hz的方波信號，經D觸發(fā)器二分頻后1腳輸出脈寬為1s的方波信號。自動翻轉Ⅰ：當電容C充電，Uc上升到時，比較器C1輸出跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立即翻轉到0狀態(tài)，Q=0、~Q=Uo=Uol，Td飽和導通。 計數譯碼顯示電路本次心率計要求是能夠用三位十進制顯示，數顯管用七段LED數碼管，并且要有鎖存的功能。LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出，LE=1時譯碼器處于鎖定保持狀態(tài)。Multisim是一個完整的設計工具系統(tǒng)，提供了非常強大的元件數據庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數模Spice仿真功能FPGA/CPLD綜合RF設計能力和后處理功能。Multisim可以對被仿真的電路中的元器件設置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。2001進行CAI教學。利用Multisim 測量電路傳感器電路不需要仿真，其供電電路為恒流源，仿真電路圖如圖41所示，其輸出完全符合傳感器的電源要求。仿真電路如圖47所示。圖413 控制電路 計數顯示電路本設計要求測量并顯示結果，計數范圍在1～999之間，三位十進制靜態(tài)顯示，因此需要三個七段LED數碼顯示管。表41 輸入信號為1Hz時的心率值1234568倍頻時59606059605916倍頻時585959605759表42 輸入信號為2Hz時的心率值1234568倍頻時11812011912112011816倍頻時112117108112106116由數據比較可知，8倍頻時的數據較可靠，雖然16倍頻時測量時間縮短一倍，但是測量結果誤差太大。隨著社會的發(fā)展，科學技術的不斷提高，心率計的型號、工作方式、功能等將會隨之不斷更新，其工作原理也將會越來越完善。 45附 錄