【正文】 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。圖413 控制電路 計(jì)數(shù)顯示電路本設(shè)計(jì)要求測(cè)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。 測(cè)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。2001進(jìn)行CAI教學(xué)。MultisimMultisim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(kù)，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。 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。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)。 　　112腳外接振蕩電阻。（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 。 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。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)。壓電材料所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的的重要元件就是傳感器。 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。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(cè)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。由此可見，光電式傳感器、壓電式傳感器是可以滿足心率測(cè)量要求的。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(cè)量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。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。傳感器是脈搏檢測(cè)儀器中的重要部件。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)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在醫(yī)療診斷中， 快速脈搏測(cè)定已從傳統(tǒng)的測(cè)量方法向多參數(shù)生命體征監(jiān)護(hù)儀和自動(dòng)脈搏測(cè)量?jī)x發(fā)展。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)。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(yíng)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?，F(xiàn)今多數(shù)醫(yī)生用聽診器測(cè)量脈搏，醫(yī)用脈搏計(jì)可以精確測(cè)出心率，并且可以測(cè)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(cè)出脈搏的頻率，功能簡(jiǎn)單，數(shù)字脈搏計(jì)正好適應(yīng)了這一要求，使用簡(jiǎn)單，便于攜帶,。性能良好，工作可靠。采用紅外線來檢測(cè)采集人體的脈搏，檢測(cè)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。 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。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。 電阻式傳感器：無法進(jìn)行頻率測(cè)量，因此不適用于本課題的設(shè)計(jì)。具體的電路及其原理說明見第三章。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。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。方案一：通過測(cè)量單位血管長(zhǎng)度血流量的變化測(cè)心跳頻率實(shí)現(xiàn)此種方式測(cè)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(zhǎng)度血管內(nèi)血液體積的變化引起電信號(hào)的變化。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)K較小，K最大為二。這個(gè)模塊的電路可分為濾波電路和整形電路兩部分。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。因此，此次設(shè)計(jì)采用倍頻電路來提高被測(cè)信號(hào)的頻率，減少心率測(cè)量的時(shí)間。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。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。1A，1B，1C，1D：計(jì)數(shù)輸出端，輸出為二進(jìn)制。2001是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。其設(shè)計(jì)電路圖如圖45所示。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。對(duì)姜老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。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。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。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。a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，輸出高電平有效。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。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。 　　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。 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(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)波形的整形作用。為了使心率信號(hào)放大到整形電路所需的電壓值。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。方案二：利用心跳時(shí)的振動(dòng)來測(cè)量此方案是利用心臟的跳動(dòng)來觸發(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，沒有外力時(shí)就不導(dǎo)通。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。閘門電路。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開關(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。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)。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。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。各種心跳分析，都是要通過對(duì)心率的計(jì)數(shù)來完成的。1860年首次出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1895年開始采用換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器。測(cè)試相關(guān)點(diǎn)的波形，記錄、分析整理測(cè)試數(shù)據(jù)。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。目錄 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于壓電傳感器的心率計(jì)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與仿真學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2010 年 6 月摘 要脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。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。完成對(duì)設(shè)計(jì)的電子線路和系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。英國(guó)人Marey最早設(shè)計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波。心率的數(shù)值根據(jù)個(gè)人的年齡、性別及其他生理情況而不同。電感式傳感器：是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，可以用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見壓電式壓力傳感器、加速度計(jì))。因此不適用于本課題的設(shè)計(jì)。周期測(cè)量法：采用單片機(jī)內(nèi)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)Ts。提高整形后脈沖信號(hào)的頻率，以此在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得心率的數(shù)值。 采用直流電源供電方式便攜式心率計(jì)一般采用三節(jié)5V直流干電池直接對(duì)電路進(jìn)行供電，這種供電方式方便、實(shí)用。這兩種傳感器均只能用于專業(yè)的醫(yī)用領(lǐng)域和其他特殊領(lǐng)域，而不適用于家庭保健，因此不作為本次設(shè)計(jì)選用的傳感器。 圖32 恒流源原理圖運(yùn)放的正輸入端其電位為： （32）其中要求27kΩ和3kΩ電阻的阻值極為精確，其溫度系數(shù)要小，應(yīng)選用金屬膜電阻。心率信號(hào)是低頻信號(hào)，為防止中高頻信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，應(yīng)該用低通濾波器濾除中高頻信號(hào)，只讓低頻信號(hào)通過電路，同時(shí)把被測(cè)信號(hào)放大。因此，電壓傳輸特性如圖38。 　　4腳壓控振蕩器輸出端。在Multisim中不存在CD4046元件，且創(chuàng)建新元件是一項(xiàng)浩大的工