【正文】 隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)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。圖413 控制電路 計數(shù)顯示電路本設(shè)計要求測量并顯示結(jié)果，計數(shù)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(shù)碼顯示管。 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。2001進行CAI教學(xué)。MultisimMultisim是一個完整的設(shè)計工具系統(tǒng)，提供了非常強大的元件數(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)計能力和后處理功能。 計數(shù)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(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，經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后1腳輸出脈寬為1s的方波信號。 　　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，所對應(yīng)的輸入電壓值 。 整形電路心率計設(shè)計中，整形電路的主要作用就是將經(jīng)過放大、濾波的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號，當(dāng)然這是在不改變信號頻率的前提下完成的。為了使該設(shè)計能適用于不同的人，在設(shè)計的時候，R1采用滑動變阻器，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。實現(xiàn)測量目的的重要元件就是傳感器。 由計數(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)計第三章 硬件電路設(shè)計 心率計工作原理框圖本次數(shù)字心率計的設(shè)計可分為以下幾個模塊：測量電路、放大整形電路、計數(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、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。應(yīng)用計數(shù)芯片，通過一些基本的數(shù)字電路知識，來配合計數(shù)芯片實現(xiàn)計數(shù)，然后驅(qū)動數(shù)碼管顯示。傳感器是脈搏檢測儀器中的重要部件。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)護儀和自動脈搏測量儀發(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，經(jīng)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(shù)碼顯示、控制、計數(shù)等電路元件的配合下，利用Multisim2001仿真軟件，可以實現(xiàn)此心率計的仿真設(shè)計。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)，運走代謝廢物等重要的工作，還承擔(dān)運送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動態(tài)平衡?，F(xiàn)今多數(shù)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(shù)字脈搏計正好適應(yīng)了這一要求，使用簡單，便于攜帶,。性能良好，工作可靠。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(yīng)用。 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。壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，屬于典型的有源傳感器。 電阻式傳感器：無法進行頻率測量，因此不適用于本課題的設(shè)計。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較弱，一般在毫伏級，需要進行放大。通常情況下，交流電壓采用220V的電壓等級，直流電壓采用177。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(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，單位長度血管內(nèi)血液體積的變化引起電信號的變化。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)時間時，集成電壓比較器的價格比較低廉。因此，此次設(shè)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。圖313 實用二倍頻電路圖 其工作原理為：當(dāng)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(shù)規(guī)律上升。2. 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如下圖所示，RRC是外接定時元件。1A，1B，1C，1D：計數(shù)輸出端，輸出為二進制。2001是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。其設(shè)計電路圖如圖45所示。在設(shè)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(shù)顯示電路，實現(xiàn)了給定一個模擬人體心率的脈沖信號，能夠?qū)ζ溥M行計數(shù)，并在數(shù)碼顯示管上顯示出來。對姜老師的感激之情是無法用言語表達的。本次設(shè)計的核心部分是對傳感器的選擇，壓電傳感器是心率計的測量主體。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：第一個為倍頻前波形，第二個為二倍頻后波形，第三個為4倍頻波形，第四個為8倍頻波形。2001的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(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維持時間： （315）暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ維持時間： （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間總是大于放電時間，輸出的波形不可能對稱，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間為： （320） （321）占空比： （322）只要改變電位器活動端的位置，就可以方便的調(diào)節(jié)占空比q，當(dāng)R1等于R2時，q=,輸出脈沖將成為對稱的矩形脈沖。所以此次設(shè)計中的倍頻電路選用門電路組成的倍頻電路。 　　5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時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單，可實現(xiàn)波形的整形作用。為了使心率信號放大到整形電路所需的電壓值。運放的負(fù)輸入端電位為： （33）因此，運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：利用心跳時的振動來測量此方案是利用心臟的跳動來觸發(fā)振動傳感器，這種振動傳感器當(dāng)在某一方向有振動時，傳感器就被觸發(fā)導(dǎo)通，沒有外力時就不導(dǎo)通。這次心率計設(shè)計中，交流供電、直流供電兩種方式我們都可以采用。閘門電路。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時基進行計數(shù)得nx，因此被測信號周期為，每分鐘脈搏跳動次數(shù)為。磁電式傳感器：載流半導(dǎo)體在磁場中由電磁效應(yīng)而輸出電動勢，因此不適用于本課題的設(shè)計。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、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，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時，一般利用磁場作為媒介或利用磁鐵的某種現(xiàn)象。各種心跳分析，都是要通過對心率的計數(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。測試相關(guān)點的波形，記錄、分析整理測試數(shù)據(jù)。本設(shè)計是一款性價比比較高的電子心率計，它解決了傳統(tǒng)測量方法的不準(zhǔn)確性和隨機性，能夠準(zhǔn)確的測量出人體的心率，并以數(shù)字的方式將測量結(jié)果顯示。目錄 畢業(yè)設(shè)計(論文)基于壓電傳感器的心率計的計算機設(shè)計與仿真學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 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。完成對設(shè)計的電子線路和系統(tǒng)的仿真實驗。英國人Marey最早設(shè)計了以彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動脈脈搏波。心率的數(shù)值根據(jù)個人的年齡、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現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、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)。因此不適用于本課題的設(shè)計。周期測量法：采用單片機內(nèi)的一個定時/計數(shù)器，以單片機內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號Ts。提高整形后脈沖信號的頻率，以此在短時間內(nèi)測得心率的數(shù)值。 采用直流電源供電方式便攜式心率計一般采用三節(jié)5V直流干電池直接對電路進行供電，這種供電方式方便、實用。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)計選用的傳感器。 圖32 恒流源原理圖運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。心率信號是低頻信號，為防止中高頻信號對測量的影響，應(yīng)該用低通濾波器濾除中高頻信號，只讓低頻信號通過電路，同時把被測信號放大。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)建新元件是一項浩大的工