【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 心率計(jì)的工作原理，電源可以采用交流供電和直流供電兩種方式。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。5V～177。15V的直流電壓等級(jí)。 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(guò)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。主要工作過(guò)程是，先利用隔離變壓器將220V的電壓進(jìn)行降壓，得到所需電壓，然后通過(guò)整流設(shè)備進(jìn)行整流、濾波，再輸出穩(wěn)定的直流電壓提供給心率計(jì)。 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。也可以同時(shí)采用兩種供電方式在仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。 測(cè)量電路心率信息的采集，是要依靠測(cè)量電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。測(cè)量電路在心率測(cè)量過(guò)程中起著“先行官”的作用。沒(méi)有準(zhǔn)確的測(cè)量，那么一切數(shù)據(jù)信息都將沒(méi)有意義。實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的的重要元件就是傳感器。當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，我們可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用技術(shù)成熟的成型傳感器。根據(jù)前面的方案論證，滿足心率計(jì)要求的傳感器有：光電式傳感器和壓電式傳感器。我們此次設(shè)計(jì)選用壓電式傳感器。本設(shè)計(jì)以測(cè)量心臟跳動(dòng)頻率為目的，通過(guò)查閱大量相關(guān)資料，常用的心率測(cè)量可有以下三種方案：一是通過(guò)測(cè)量單位血管長(zhǎng)度血液流量的變化來(lái)測(cè)量心跳的頻率；二是通過(guò)測(cè)量心臟跳動(dòng)流過(guò)傳感器時(shí)對(duì)傳感器的壓力的變化來(lái)測(cè)量頻率；三是利用心臟跳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)來(lái)測(cè)量。方案一：通過(guò)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(guò)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。不同的是前者是引起傳感器測(cè)量范圍內(nèi)電阻的變化，從而引起電壓的變化，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。而后者是由血液體積的變化引起光線通過(guò)人體后明暗的變化來(lái)觸發(fā)光電傳感器而得到電信號(hào)。這兩種傳感器都有較高的靈敏度，但也都有各自的缺點(diǎn)。液態(tài)傳感器由于本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制使測(cè)量過(guò)程并不十分方便，而光電傳感器對(duì)光線通過(guò)人體的厚度有較高的要求，只能測(cè)量手指、耳朵等相對(duì)較薄的地方。這兩種傳感器均只能用于專(zhuān)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。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。但大多數(shù)振動(dòng)傳感器都具有方向性，且由于傳感器結(jié)構(gòu)的原因，大多廣泛用于汽車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)、家庭財(cái)產(chǎn)及貴重物品等各種不同類(lèi)型的防盜報(bào)警裝置上，在測(cè)量人體心跳、脈搏等方面很少用到，故此方案也不作為本次設(shè)計(jì)采用。方案三：通過(guò)測(cè)量對(duì)傳感器的壓力的變化來(lái)測(cè)量頻率實(shí)現(xiàn)此方式測(cè)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(lái)測(cè)量心跳頻率的變化，人體心臟在跳動(dòng)的過(guò)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(cè)量。電容式傳感器靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但輸出阻抗高，負(fù)載能力差，受寄生電容影響大，輸出特性為非線性，不適合本設(shè)計(jì)采用。壓電傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的，所謂壓電效應(yīng)就是某些材料在沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。壓電材料所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多采用差分式電橋結(jié)構(gòu)，此種傳感器技術(shù)相對(duì)比較成熟，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，質(zhì)量輕，應(yīng)用廣泛，比較適合本設(shè)計(jì)采用。作為家庭生活保健用品，選擇一款質(zhì)量、體積都比較小，性能穩(wěn)定的，價(jià)格適中的壓電傳感器為妙。 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。式中第一項(xiàng)決定于電阻體的大小和形狀，第二項(xiàng)決定于電阻率的變化量。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)K較小，K最大為二。但半導(dǎo)體應(yīng)變片由于壓敏電阻效應(yīng)引起很大的電阻變化，這給成批生產(chǎn)帶來(lái)不便，需將放大器的增益設(shè)計(jì)成可調(diào)的。該傳感器的初始偏壓在10mV左右，利用偏移電壓相互補(bǔ)償，可達(dá)到0，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。 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(cè)量精度高，故測(cè)量電路采用恒流源供電的形式。這里的電流源不是采用電流源元件，而是用運(yùn)算放大器電路取得，具體的電路見(jiàn)下圖，27kΩ和3kΩ電阻分壓，集成運(yùn)放的輸出電流即為傳感器的輸入電流，這個(gè)電流不隨負(fù)載（即傳感器）的變化而變化，基本是一個(gè)恒流源，保證了測(cè)量精度。 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。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。 放大電路由傳感器出來(lái)的電壓信號(hào)較弱，在毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來(lái)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。方案一：采用通用運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的同相放大電路由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采用同相放大器，經(jīng)測(cè)試LM324性能良好，工作可靠，且價(jià)格合理，所以本次設(shè)計(jì)選用此集成運(yùn)放。原理圖如下：圖33 同相比例放大電路從圖 32中可以得到： （37） （38） （39） （310）考慮到每個(gè)人個(gè)體之間的差異，人與人之間脈搏信號(hào)的強(qiáng)弱不同，反映在脈搏波形中即是幅度不同。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(guò)調(diào)節(jié)其電阻，可以改變放大倍數(shù)。方案二：用多級(jí)級(jí)聯(lián)的單管放大電路放大一般情況下，單管放大電路的電壓放大倍數(shù)只能達(dá)到幾十倍，放大電路的其他技術(shù)指標(biāo)也難以達(dá)到實(shí)際工作中提出的要求，因此，在實(shí)際的電子設(shè)備中，大都采用各種各樣的多級(jí)放大電路。但是此方案的電路的元件較多，集成運(yùn)放簡(jiǎn)單可靠，且同相比例放大電路輸入電阻高，所以此次設(shè)計(jì)選用LM324組成的同相比例放大電路來(lái)放大被測(cè)信號(hào)。 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)。這部分的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)濾波整形電路來(lái)完成的。這個(gè)模塊的電路可分為濾波電路和整形電路兩部分。 濾波電路理想濾波器的行為特性通常用幅度頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。圖34 理想濾波器幅頻特性通過(guò)與無(wú)源濾波器對(duì)比可以知道，一階低通有源濾波器的通帶截止頻率與無(wú)源低通濾波器相同，均與RC的乘積成反比，但是引入集成運(yùn)放以后，通帶電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力得到了提高。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(guò)電路，同時(shí)把被測(cè)信號(hào)放大。為了使心率信號(hào)放大到整形電路所需的電壓值。一階低通有源濾波器如圖所示：圖35 一階有源低通濾波器根據(jù)虛短和虛斷的特點(diǎn)，可求得電路的電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率為： （311） （312） （313）由于一階低通濾波器的幅頻特性與理想的低通濾波特性相比，差距很大。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。二階有源低通濾波器電路圖如下圖所示：圖36 二階有源低通濾波器因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)混有1000Hz的干擾尖脈沖，所以設(shè)計(jì)的有源濾波的截止頻率為1000Hz左右。取參數(shù)為C1=C2=,R1=R2=，為保證信號(hào)幅值達(dá)到整形電路所需的電壓值。 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(guò)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。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)的方案，可以有以下兩種可供選擇：一是利用電壓比較器，二是利用555時(shí)基電路組成的滯回比較器作為整形電路。方案一：利用集成運(yùn)放組成的電壓比較器根據(jù)比較器的閾值電壓和傳輸特性來(lái)分類(lèi)，常用的比較器有過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比較器和雙限比較器等。各種類(lèi)型的比較器可由通用集成運(yùn)放組成，也可選用專(zhuān)用的集成電壓比較器。相對(duì)來(lái)說(shuō)，通用集成運(yùn)放組成的比較器工作速度比較慢。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。此外，集成電壓比較器的輸出電平一般可與TTL等數(shù)字邏輯電平直接兼容，而無(wú)需外加限幅電路。各種比較器中最簡(jiǎn)單的一種是過(guò)零比較器，根據(jù)過(guò)零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖37所示。集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或UOM。當(dāng)輸入電壓ui0V時(shí)，UO=+UOM；當(dāng)輸入電壓ui0V時(shí)，UO=UOM。因此，電壓傳輸特性如圖38。 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。方案二：利用555時(shí)基電路1. 電路組成及工作原理圖39 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（1） VI =0V時(shí)，Vo1輸出高電平。（2）當(dāng)VI上升到時(shí) ，Vo1輸出低電平。當(dāng)VI由 繼續(xù)上升，Vo1保持不變。2. 電壓滯回特性和主要參數(shù)電壓滯回特性圖310 施密特觸發(fā)器的電路符號(hào)和電壓傳輸特性主要靜態(tài)參數(shù)（1）上限閾值電壓VT+——VI上升過(guò)程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低電平VOL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值 。（2）下限閾值電壓VT ——VI下降過(guò)程中