【正文】 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, 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(duì)本人的精心指導(dǎo)，姜老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。對(duì)姜老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的?；趬弘妭鞲衅魃系男穆视?jì)，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(yīng)，由傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)測量目的。在設(shè)計(jì)電路的過程中，對(duì)每一個(gè)可以進(jìn)行仿真的模塊電路都進(jìn)行了可行性仿真，包括濾波整形電路、控制電路和計(jì)數(shù)顯示電路，實(shí)現(xiàn)了給定一個(gè)模擬人體心率的脈沖信號(hào)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)數(shù)，并在數(shù)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(shè)計(jì)電路圖如圖45所示。2001是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件。2001的功能及特點(diǎn)Multisim1A，1B，1C，1D：計(jì)數(shù)輸出端，輸出為二進(jìn)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(hào)進(jìn)行2分頻、四分頻、八分頻到128分頻，此次設(shè)計(jì)即采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器和芯片4024組成閘門電路。2. 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如下圖所示，RRC是外接定時(shí)元件?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)心率計(jì)的性能。圖313 實(shí)用二倍頻電路圖 其工作原理為：當(dāng)輸入信號(hào)由0正躍到1時(shí)，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(shù)規(guī)律上升。 　　16腳電源的負(fù)端和正端。因此，此次設(shè)計(jì)采用倍頻電路來提高被測信號(hào)的頻率，減少心率測量的時(shí)間。（2）當(dāng)VI上升到時(shí) ，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(yīng)時(shí)間時(shí)，集成電壓比較器的價(jià)格比較低廉。為改善濾波特性，此次設(shè)計(jì)中選用二階低通有源濾波器，其通帶電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率與一階低通濾波器電路相同。這個(gè)模塊的電路可分為濾波電路和整形電路兩部分。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，便于后續(xù)電路的處理。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)K較小，K最大為二。方案三：通過測量對(duì)傳感器的壓力的變化來測量頻率實(shí)現(xiàn)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(dòng)的過程中，血壓也隨著心臟的跳動(dòng)而變化，進(jìn)而引起力敏元件的物理效應(yīng)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(shí)，單位長度血管內(nèi)血液體積的變化引起電信號(hào)的變化。 測量電路心率信息的采集，是要依靠測量電路來實(shí)現(xiàn)的。通常情況下，交流電壓采用220V的電壓等級(jí)，直流電壓采用177?？刂齐娐?。從傳感器出來的電壓信號(hào)較弱，一般在毫伏級(jí)，需要進(jìn)行放大。例如設(shè)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(gè)計(jì)數(shù)器的8倍頻后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，（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(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(yīng)快等特點(diǎn)，所以光電式傳感器適用測量心率。 電阻式傳感器：無法進(jìn)行頻率測量，因此不適用于本課題的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)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(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)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(duì)傳感器尚無一個(gè)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(jì)也較為應(yīng)用。自20世紀(jì)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(hào)并記錄。性能良好，工作可靠。了解心率計(jì)的測量原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及控制要求?，F(xiàn)今多數(shù)醫(yī)生用聽診器測量脈搏，醫(yī)用脈搏計(jì)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(jì)只需測出脈搏的頻率，功能簡單，數(shù)字脈搏計(jì)正好適應(yīng)了這一要求，使用簡單，便于攜帶,。本設(shè)計(jì)旨在綜合壓電傳感器以及相關(guān)專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字脈搏計(jì)，對(duì)人體脈搏進(jìn)行測量經(jīng)數(shù)碼管顯示，最終利用軟件Multisim2001仿真出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從近代醫(yī)學(xué)的角度來看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔(dān)著協(xié)調(diào)全身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，運(yùn)走代謝廢物等重要的工作，還承擔(dān)運(yùn)送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動(dòng)態(tài)平衡。本次設(shè)計(jì)的壓電傳感器基礎(chǔ)上的心率計(jì)，原理結(jié)構(gòu)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(jì)數(shù)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(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)，經(jīng)過集成運(yùn)算放大器、濾波電路、整形電路等模塊，在555時(shí)基電路、數(shù)碼顯示、控制、計(jì)數(shù)等電路元件的配合下，利用Multisim2001仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)此心率計(jì)的仿真設(shè)計(jì)。作為現(xiàn)代電子儀器與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的一個(gè)重要應(yīng)用課題，具有深遠(yuǎn)意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)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(shù)生命體征監(jiān)護(hù)儀和自動(dòng)脈搏測量儀發(fā)展。設(shè)計(jì)相關(guān)電子線路并畫圖。繪制電路原理圖，列元件明細(xì)表，整理及分析有關(guān)數(shù)據(jù)。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(shè)計(jì)方案論證第二章 設(shè)計(jì)方案論證心率是一種重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻率。應(yīng)用計(jì)數(shù)芯片，通過一些基本的數(shù)字電路知識(shí)，來配合計(jì)數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，然后驅(qū)動(dòng)數(shù)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(jī)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。電容式傳感器已經(jīng)在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。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(yīng)。由光的粒子學(xué)說可知，光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個(gè)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(guān)。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?？梢钥闯鰷y量fx必須將N或t兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測量。9第三章 硬件電路設(shè)計(jì)第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 心率計(jì)工作原理框圖本次數(shù)字心率計(jì)的設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)模塊：測量電路、放大整形電路、計(jì)數(shù)顯示電路、控制電路、電源供電電路等。心率信號(hào)是低頻信號(hào)，低頻濾波電路可以將放大后信號(hào)中的中高頻信號(hào)濾除，然后通過整形將模擬的不規(guī)則的信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于信號(hào)處理的數(shù)字脈沖信號(hào)。 由計(jì)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。 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(jìn)行整流濾波，將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷涸俳o心率計(jì)進(jìn)行供電。實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。壓電材料所產(chǎn)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(shè)計(jì)能適用于不同的人，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，R1采用滑動(dòng)變阻器，通過調(diào)節(jié)其電阻，可以改變放大倍數(shù)。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。 整形電路心率計(jì)設(shè)計(jì)中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過放大、濾波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)，當(dāng)然這是在不改變信號(hào)頻率的前提下完成的。集成運(yùn)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(shí)，所對(duì)應(yīng)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(dāng)一端輸出負(fù)躍到0時(shí)，電路輸出由0正躍到1，一端輸出0，這時(shí)電容經(jīng)電阻放電，在2端輸出下降到Uth時(shí)，輸出又由1負(fù)躍到0，從而實(shí)現(xiàn)了二倍頻。方案一：采用CMOS石英晶體多諧振蕩器及分頻器構(gòu)成的時(shí)間基準(zhǔn)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(hào)，經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后1腳輸出脈寬為1s的方波信號(hào)。自動(dòng)翻轉(zhuǎn)Ⅰ：當(dāng)電容C充電，Uc上升到時(shí)，比較器C1輸出跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)到0狀態(tài)，Q=0、~Q=Uo=Uol，Td飽和導(dǎo)通。 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路本次心率計(jì)要求是能夠用三位十進(jìn)制顯示，數(shù)顯管用七段LED數(shù)碼管，并且要有鎖存的功能。LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出，LE=1時(shí)譯碼器處于鎖定保持狀態(tài)。Multisim是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，提供了非常強(qiáng)大的元件數(shù)據(jù)庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模Spice仿真功能FPGA/CPLD綜合RF設(shè)計(jì)能力和后處理功能。Multisim可以對(duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)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(jìn)行CAI教學(xué)。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(jì)數(shù)顯示電路本設(shè)計(jì)要求測量并顯示結(jié)果，計(jì)數(shù)范圍在1～999之間，三位十進(jìn)制靜態(tài)顯示，因此需要三個(gè)七段LED數(shù)碼顯示管。表41 輸入信號(hào)為1Hz時(shí)的心率值1234568倍頻時(shí)59606059605916倍頻時(shí)585959605759表42 輸入信號(hào)為2Hz時(shí)的心率值1234568倍頻時(shí)11812011912112011816倍頻時(shí)112117108112106116由數(shù)據(jù)比較可知，8倍頻時(shí)的數(shù)據(jù)較可靠，雖然16倍頻時(shí)測量時(shí)間縮短一倍，但是測量結(jié)果誤差太大。隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷提高，心率計(jì)的型號(hào)、工作方式、功能等將會(huì)隨之不斷更新，其工作原理也將會(huì)越來越完善。 45附 錄