課程設(shè)計(jì)—--電子心率計(jì)的設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  課程設(shè)計(jì)說明書正文</b></p><p>  1:任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì)</p><p>  心率計(jì)是用來測量一個(gè)人心臟單位時(shí)間內(nèi)跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器,由于人體各部位心率一致,所以通常測量人手臂處的脈搏即可測出人體心率。任務(wù)要求測出的心率為一分鐘內(nèi)心跳的次數(shù),并顯示,測量結(jié)果要與標(biāo)準(zhǔn)范圍作比較,不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則報(bào)警。</p>&

2、lt;p>  設(shè)計(jì)方案為:采用傳感器,量脈搏的跳動(dòng),出微弱的信號,入放大器中放大;后通過濾波器濾除干擾信號后,將形整形為方波或脈沖信號;將其作為計(jì)數(shù)控制信號,用基準(zhǔn)時(shí)間一定的方波作為計(jì)數(shù)脈沖在一個(gè)心跳周期內(nèi)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值N與基準(zhǔn)時(shí)間T的乘積就是一次心跳的時(shí)間。再對“60/基準(zhǔn)時(shí)間T”個(gè)脈沖進(jìn)行N分頻,對分頻后的信號計(jì)數(shù),其計(jì)數(shù)值則為本次心率數(shù)值。之后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸入到顯示器中顯示,同時(shí),將其輸入的頻率進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換后與標(biāo)準(zhǔn)電壓值作比

3、較,若,測量值不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)則報(bào)警,即LED燈亮。流程圖如下。 </p><p>  2:電路設(shè)計(jì),元器件參數(shù)計(jì)算及選擇</p><p>  2.1:傳感器的選擇:</p><p><b>  紅外線檢測原理:</b></p><p>  隨著心臟的博動(dòng),人體組織半透度隨之改變,當(dāng)血液流回心臟,組織半透度增大,這種現(xiàn)象

4、在人體組織較薄的指尖、耳垂等部位最明顯。用紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生紅外線照射到人體上述部位,并用裝在一旁的紅外光電管來檢測機(jī)體組織的透明度并轉(zhuǎn)換成電信號,其信號頻率與脈搏頻率相對應(yīng)并且其為低頻近似的正弦信號。</p><p>  TCRT5000(L)具有緊湊的結(jié)構(gòu)發(fā)光燈和檢測器安排在同一方向上,利用紅外光譜反射對象存在另一個(gè)對象上,操作的波長大約是950毫米。探測器由光電晶體三極管組成的。</p>&l

5、t;p>  2.2:后級電路的設(shè)計(jì):</p><p><b>  跟隨器:</b></p><p><b>  電壓跟隨器: </b></p><p>  電壓跟隨器,顧名思義,就是輸出電壓與輸入電壓是相同的,就是說,電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。 </p><p>  電壓跟隨器的

6、顯著特點(diǎn)就是,輸入阻抗高,而輸出阻抗低,一般來說,輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低,通??梢缘綆讱W姆,甚至更低。 </p><p>  在電路中,電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因?yàn)?,電壓放大器的輸入阻抗一般比較高,通常在幾千歐到幾十千歐,如果后級的輸出阻抗比較小,那么信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候,就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一

7、個(gè)好處就是,提高了輸入阻抗,這樣,輸入電容的容量可以大幅度減小,為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。</p><p><b>  仿真圖:</b></p><p>  黃色信號(下)為輸入信號。</p><p>  藍(lán)色信號(上)為輸出信號。</p><p>  由圖中可以看出,輸入輸出信號基本相等。</p>

8、<p>  2.3:放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>  傳感器輸出為微弱信號,需進(jìn)行放大后才便于后續(xù)電路的處理??紤]到后續(xù)電路中濾波器電路也具有信號放大的功能,所以放大器的放大倍數(shù)不宜過大,初步選擇為660倍。設(shè)計(jì)電路的原理如下:</p><p><b>  信號輸入端</b></p><p><b>  信號輸出端<

9、;/b></p><p>  其放大倍數(shù)的計(jì)算公式為 </p><p><b>  二級放大電路:</b></p><p>  由圖可知A1=20 ,A2=33</p><p>  A=A1*A2=660</p><p>  二級放大電路仿真圖:</p><p>  

10、黃色信號(下)為輸入信號(其一格為2mV)</p><p>  藍(lán)色信號(上)為輸出信號(其一格為2V)</p><p>  2.4:濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>  干擾信號對測量結(jié)果帶來很大的誤差,對信號進(jìn)行分析與處理時(shí), 常常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題, 這些噪聲有的是與信號同時(shí)產(chǎn)生的, 有的是傳輸過程中混入的。因此, 從接收的信號中消除或減弱干擾噪聲

11、, 就成為信號傳輸與處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號的過程稱為濾波, 實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。在測量的過程中,對于心率計(jì)的信號干擾主要是高頻信號的干擾,所以設(shè)計(jì)的濾波器的為低通濾波器,通帶截止頻率設(shè)置為1000HZ,在所有的低通濾波器中,二階有源濾波器具有時(shí)域響應(yīng)快,截止性能良好,并且有一定的電壓放大倍數(shù)的特點(diǎn),故選擇濾波器為二階有源濾波器。</p><p>

12、;  有源二階濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示:</p><p>  圖1 二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路</p><p>  它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成,在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋,在不同的頻段,反饋的極性不相同,當(dāng)信號頻率f>>f0時(shí)(f0 為截止頻率),電路的每級RC 電路的相移趨于-90º,兩級RC 電路的移相到-180º,電路的

13、輸出電壓與輸入電壓的相位相反,故此時(shí)通過電容c 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋,反饋信號將起著削弱輸入信號的作用,使電壓放大倍數(shù)減小,所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減,只允許低頻端信號通過。其特點(diǎn)是輸入阻抗高,輸出阻抗低。</p><p><b>  傳輸函數(shù)為:</b></p><p>  令 稱為通帶增益 </p>

14、<p><b>  稱為等效品質(zhì)因數(shù) </b></p><p><b>  稱為特征角頻率 </b></p><p><b>  則</b></p><p>  要求截止頻率f0=1000HZ;品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。低通濾波器的通帶電壓增益 =1.586。選擇C=82nF,選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻

15、R=9.09 KΩ,Rf=2.55 KΩ。</p><p><b>  二階有源濾波電路:</b></p><p>  二階有源濾波電路仿真:(藍(lán)—輸出信號 黃—輸入信號)</p><p>  模擬信號輸入時(shí)由于二階有源濾波電路的通頻帶增益有了一個(gè)放大的效果這樣加上前二級放大電路的放大作用,總電壓放大倍數(shù)為1046.76,則可以將mV級信號放

16、大到V級。</p><p>  1kHZ頻率信號輸入仿真:</p><p>  如仿真波形所示:當(dāng)頻率大于1000HZ的信號輸入時(shí),電壓衰減為0,取得了良好的濾波效果</p><p><b>  2.5:整形電路:</b></p><p>  輸入信號進(jìn)入后將首先通過比較器將正弦型信號轉(zhuǎn)變成-5V—5V的方波信號,之后方

17、波信號進(jìn)入施密特觸發(fā)器進(jìn)行進(jìn)一步的整形,將信號轉(zhuǎn)換為0V—5V的數(shù)字信號,并提高信號的上升和下降時(shí)間,有利于信號的分辨與處理。</p><p>  施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常用一種電路,它在性能上有兩個(gè)特點(diǎn):第一,輸入信號從低電平上升的過程中電路轉(zhuǎn)換時(shí)對應(yīng)的輸入電平,與輸入信號從高電平下降的過程中對應(yīng)的輸入電平不同。第二,在電路轉(zhuǎn)換時(shí)通過電路內(nèi)部中的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅可以使

18、邊沿變化緩慢的信號整形為邊沿陡峭的矩形波,還可以將噪聲有效地消除。</p><p><b>  整形電路仿真:</b></p><p>  經(jīng)施密特觸發(fā)器整形前后的信號比較:</p><p>  2.6:555定時(shí)器電路:</p><p>  555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)

19、器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓,當(dāng) 5 腳懸空時(shí),則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3,C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3,則比較器 C2 的輸出為 0,可使 RS 觸發(fā)器置 1,使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3,同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3,則 C1 的輸出為 0,C2 的輸出為 1,可將 RS 觸發(fā)器置 0,使輸

20、出為 0 電平。</p><p>  引腳功能:1—接地GND 2—觸發(fā) 3—輸出 4—復(fù)位 5—控制電壓 </p><p>  6—門限(閾值) 7—放電 8—電源電壓VCC</p><p>  參數(shù)功能特性: 供應(yīng)電壓 4.5—18V</p><p>  供應(yīng)電流3-6 mA </p><

21、;p>  輸出電流225mA (max) </p><p>  上升/下降時(shí)間100 ns</p><p>  存儲溫度范圍 -65℃ 至 +150℃</p><p>  工作溫度 0℃ 至 +70℃</p><p>  構(gòu)成多諧振蕩器,組成信號產(chǎn)生電路:</p><p>  多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它沒

22、有穩(wěn)定的輸出狀態(tài),只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后,經(jīng)過一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。</p><p>  接通電源后,假定是高電平,則T截止,電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地,按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)上升到時(shí)(TH、端電平大于),輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平,T導(dǎo)通,C放電,放電回路為C—R2—T—地,按指數(shù)規(guī)律下降,當(dāng)

23、下降到時(shí)(TH、端電平小于),輸出翻轉(zhuǎn)為高電平,放電管T截止,電容再次充電,如此周而復(fù)始,產(chǎn)生振蕩,振蕩周期: T=(R1+2R2)Cln2 </p><p>  設(shè)計(jì)電路定時(shí)時(shí)間為0.05s取R11=42K,R12=700K,C4=50nF。</p><p>  555定時(shí)器仿真圖:</p><p>  2.7:控制信號電路:</p><p&g

24、t;  此電路使用D觸發(fā)器對心跳信號做了2分頻,則此時(shí)輸出信號的高低脈沖時(shí)間為一次心跳的時(shí)間,此信號作為電路的控制信號,其實(shí)現(xiàn)的功能是高電平時(shí)間為計(jì)數(shù)時(shí)間,而低電平時(shí)間成為了后續(xù)電路載入N值進(jìn)入預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器的時(shí)間等待下一個(gè)高電平時(shí)間開始計(jì)數(shù)處理。</p><p><b>  控制信號仿真:</b></p><p>  黃色信號為輸入的模擬心跳信號。</p>

25、<p>  藍(lán)色信號為整形后的輸出信號。</p><p>  紫色信號為轉(zhuǎn)換后的控制信號。</p><p>  2.8:N值計(jì)數(shù)電路:</p><p>  采用芯片為74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片</p><p>  管腳圖介紹:時(shí)鐘輸入 CP

26、 四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端 P0—P3清零 /MR計(jì)數(shù)控制端 CEP,CET置數(shù) PE數(shù)據(jù)輸出端 Q0—Q3進(jìn)位輸出端 TC</

27、p><p>  仿真圖(輸入信號頻率為1HZ):</p><p>  2.9:1200脈沖產(chǎn)生電路:</p><p>  采用芯片為74LS161四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片</p><p>  管腳圖介紹:時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0~P3清零/MR使能CEP,CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3以及進(jìn)位輸出TC. (TC=Q0·Q1

28、·Q2·Q3·CET)</p><p>  利用3片74LS161可以對輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)到第1200個(gè)脈沖時(shí),停止計(jì)數(shù)保持計(jì)數(shù)值,并產(chǎn)生一個(gè)控制信號使可預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器清零,直到下一個(gè)心跳周期到來后重新清零計(jì)數(shù)器進(jìn)入下一個(gè)工作周期。</p><p>  2.10:N位預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器:</p><p>  此計(jì)數(shù)器是對1200個(gè)脈沖進(jìn)行

29、N分頻,首先將N值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值取反,之后輸入到N位預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器中等待心率控制信號的低電平,之后送入到計(jì)數(shù)器中,從此時(shí)的計(jì)數(shù)值到產(chǎn)生溢出信號之間的計(jì)數(shù)值為N,對RCO的溢出信號計(jì)數(shù)直到1200計(jì)數(shù)器產(chǎn)生清零信號,這之間的計(jì)數(shù)值為心率值。</p><p>  2.10心率計(jì)算及譯碼顯示模塊:</p><p>  使用74LS48 BCD—數(shù)碼管段碼芯片</p><p>

30、;  對N位預(yù)置數(shù)電路產(chǎn)生的溢出信號計(jì)數(shù),將計(jì)數(shù)值(BCD碼)轉(zhuǎn)換為段碼輸出,在數(shù)碼管上顯示出來。</p><p>  2.12:報(bào)警模塊:</p><p>  本模塊利用LM131系列芯片作為f/V轉(zhuǎn)換器,f/V轉(zhuǎn)換器是把頻率變化信號線性的轉(zhuǎn)化為電壓變化信號,它主要包括電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器三部分。輸入信號通過比較器轉(zhuǎn)換成快速上升/下降的方波信號去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,隨即產(chǎn)生

31、定寬T、定幅度U的輸出脈沖序列。將此序列經(jīng)低通濾波器平滑,可得到比例于輸入信號頻率f的輸出電壓u,且u=T*U*f。</p><p>  該電路采用了LM131作為f/V轉(zhuǎn)換器,查得基本電路如下圖,其頻率電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系式為</p><p>  取=10K, =10K, =10K, =100uf。</p><p>  將轉(zhuǎn)換后的電壓與預(yù)設(shè)的上下限電壓比較,如果超出允許的

32、范圍則點(diǎn)亮LED燈。</p><p><b>  預(yù)設(shè)電壓值:</b></p><p>  最后仿真結(jié)果1(信號頻率為1HZ(60次/分)):</p><p>  最后仿真結(jié)果2(信號頻率為0.5HZ(120次/分)):</p><p>  3:本次課程設(shè)計(jì)的體會</p><p>  這次課程設(shè)計(jì)

33、經(jīng)歷了兩周時(shí)間,在這兩周的時(shí)間內(nèi),有了和平時(shí)不一樣的學(xué)習(xí)感受。首先課程設(shè)計(jì)的自主性很高,完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)書中的要求所需的電路,材料,芯片都由自己來決定,這樣對以后步入社會獨(dú)立解決工作中的問題積累了基本的經(jīng)驗(yàn)。再次,課程設(shè)計(jì)充分調(diào)動(dòng)了我以前所學(xué)過的知識,讓我把數(shù)點(diǎn),模電中所學(xué)過的知識組合運(yùn)用起來,并且加深了我對某些知識的理解,以及對一些容易在理論中忽略但在實(shí)踐中不可輕視的知識點(diǎn)有了更好的掌握,重溫了很多以前沒掌握和沒掌握好的知識點(diǎn)。<

34、;/p><p>  在這次設(shè)計(jì)中遇到了許許多多的困難,而在此時(shí)通過與同學(xué)交流和上網(wǎng)查閱資料將它解決之后,我發(fā)現(xiàn)原來自己也可以解決實(shí)際的問題,而不單單只是算幾道題,做幾份試卷,雖然知識原理上的設(shè)計(jì)與電腦平臺上的仿真,但這和解決幾道題的感覺完全不一樣,我發(fā)現(xiàn)自己可以將學(xué)到的知識運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中去,不在只是做各種參數(shù)的運(yùn)算,這兩種學(xué)習(xí)方式——在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和在理論書籍中學(xué)習(xí)——給我不同的感受,理論學(xué)習(xí)目前看來就是學(xué)習(xí)電路的原理

35、,計(jì)算電路的參數(shù),而在課程設(shè)計(jì)中不單單有電路參數(shù)的計(jì)算和原理的把握,更有一些細(xì)節(jié)信息的處理,資料的查詢,對于以后實(shí)際工作中處理問題積累下了基本的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>  總的來說,在這兩個(gè)周中,我不但溫故,還知新了,收獲了很多,雖然累了點(diǎn)但還是覺得很值得。</p><p><b>  3:參考資料清單</b></p><p>  【1】:楊素

36、行.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》.清華大學(xué)電子學(xué)教研組.高等教育出版社.2006年第三版</p><p>  【2】:閻石.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》.清華大學(xué)電子學(xué)教研組.高等教育出版社.2006年5月第五版</p><p>  【3】:張國雄.金篆芷.《測控電路》.天津大學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2001年1月</p><p><b>  4.器件清單</b

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