心率检测电路设计报告

ID:209376 · 发表于 2017-6-8 22:30

模拟电子技术大作业

2016-2017学年第二学期

题目：心率检测电路

班级：15电子2班

成员：霍*超（21506*018）

郭*浩（2150*014）

谷*旭（2150*2012）

成绩：____________________________

姓名		分工		自评分		总评分



小组互评分				教师评分
组别	分数	组别	分数	组别	分数	组别	分数
1		4		7		10
2		5		8		11
3		6		9		12
小组互评答辩环节记录：

摘要

1 设计指标要求

2 系统方案分析与设计原理

2.1 系统方案的比较与论证

2.2 设计原理

3 单元电路的设计

3.1 信号采集电路

3.1.1 电路 3

3.2 信号处理电路 3

3.2.1 信号放大电路 3

3.2.2 低通滤波器电路 3

3.2.3 带阻滤波器 4

3.2.4 buffer隔离缓冲 5

3.3 脉冲整形电路

3.3.1 脉冲整形电路

3.4 定时电路 6

3.4.1 定时电路 6

3.4.1 定时电路参数计算 7

3.5 计数显示电路 8

3.5.1 计数电路 8

3.5.2 译码电路 8

3.5.1计数显示电路 9

3.6 整体电路的设计图 10

4 相位差测量电路的仿真与调试 11

4.1 信号放大电路仿真结果 11

4.2 低通滤波器仿真结果 11

4.3 陷波器仿真结果 11

4.4 脉冲整形仿真结果 12

4.5 定时器电路仿真结果 12

4.6 显示电路显示结果 12

4.7 完整电路仿真结果 13

5 PCB 13

摘要：

该设计采用压电传感器进行人体心率实时采集，通过放大、滤波、整形，实现对输出0.2V信号的处理。用555定时器产生60s方波，由单稳态电路依次产生两路无交叠信号，分别用作锁存器锁存信号和定时器清零信号。采用高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块，实现对心率的测量与显示。

方案讨论了放大电路，滤波电路，比较电路，计数、译码、显示电路的各项指标及参数选取的合理性，从而实现心率测量仪的高稳定性，强抗干扰力，并可实现心率的显示及实时跟踪，同时对于过高及过低的心率均实现自动报警，具有极强的实用性。

1 设计指标要求
2 系统方案分析与设计原理2.1 系统方案的比较与论证

将传感器的敏感部分靠近人的脉搏，由传感器感应脉搏跳动，转变成电荷信号，在将电荷信号经过电荷放大器变成电压信号。

传感器出来的电压信号进入放大电路得到放大的平滑的波形，再通过低通滤波器，将信号的高频干扰滤掉。通过 buffer缓冲器起隔离作用。

前级输出信号再送到整形电路，先通过比较器把脉搏波变成方波。

由555定时器产生60s定时周期信号。定时器输出信号通过第一级单稳态电路，调整周期信号高电平时间，作为锁存器锁存信号。锁存信号通过第二级单稳态电路，在京反相器反相，作为74LS160的清零信号。两级单稳态电路保证信号的时序正确。

整形电路出来的窄脉冲送到计数器进行计数，计数器的清零端由一个定时器控制，一分钟清零一次，为了正确显示一分钟的脉搏跳动次数；同时，定时器控制锁存器的使能端控制锁存器送译码显示电路。

计数器的输出端送到数值比较电路，与50和160进行比较，将比较结果用或门来控制蜂鸣器对不在正常范围内的脉搏跳动次数进行报警。

2.2 设计原理

心率（HR）是指单位时间内心脏搏动的次数。正常成年人安静时的心率也有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—150次/分之间)。心率可因年龄、性别及其他生理情况而不同。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。

心率作为血液循环机能的重要生理指标而在运动中被广泛地应用。运动中，心率随机体代谢需要而增加，在一定范围内可反映运动强度、机体的代谢水平，在有氧运动中常用心率作为控制运动强度的指标。运动后，心率的恢复又可作为评定运动负荷适宜与否以及心脏机能状态的指标和依据。安静状态时基础心率的测定，在医务监督中则可作为判断某一阶段机体是否有过度疲劳和评定运动员训练程度的指标。测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。根据人体脉搏信号特征，设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，输出电荷信号，然后转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，去掉干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，把记录的结果进行比较，不在正常范围内就进行报警，由定时器控制复位端，一分钟清零一次，再进行下一次测量计数。

它实现的主要功能有：（1）可以测每分钟脉搏跳动的次数；（2）心率测试仪有数据锁存和显示的功能；（3）一分钟自动清零，清零控制端稍加延时，使一分钟的脉搏跳动次数能够正确的显示

3 单元电路的设计3.1 信号采集电路

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500nm~700nm）的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。根据相关文献和实验结果，560nm 的波可以反映皮肤浅部微动脉信息，适合用来提取脉搏信号。该传感器采用了峰值波长为 515nm 的绿光 LED，型号为 AM2520，而光接收器采用了 APDS-9008，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为 565nm，两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在 0.05~200Hz 之间，信号幅度均很小，一般在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰。在感受器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001 构成的放大器，将信号放大了 331 倍，同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的 1/2，使放大后的信号可以很好地被采集。

3.2 信号处理电路3.2.1 信号放大电路

OP07芯片具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。传感器出来的电压信号，约等于0.2v送到放大电路。对放大电路的要求有(1)输入阻抗高，输出阻抗低；(2)放大倍数要合适，考虑到芯片的工作范围，放大到3-5V左右比较合适；(3)低频响应好；(4)温度漂移小；(5)抗干扰能力强。

对于要求（1），可以通过前后加两个缓冲器实现隔离，从而实现输入阻抗很高，输出阻抗低的要求。我们选用OP07低噪声放大器，其具有如下优点：（1）最大150uV超低偏移；（2）低失调电压漂移；（3）高电压工作范围。对于0.2V输入信号，对其放大25倍，以实现后级比较输出。

A1=-R3/R1=50k/1k=-50(倍)

3.2.2 低通滤波器

传感器输出信号存在很大的高频干扰，因此提高系统稳定性，我们在网络中添加1kHz低通滤波器，将频率

的信号消除。

1/RC=2лf（）

取R=1k，f=1000 则C=160n

幅频特性：

相频特性：

3.2.3 带阻滤波器

带阻滤波器，用于抑制某一段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。由于心率信号极其微弱，故采用带阻滤波器抑制50Hz的工频干扰。

1）选择C、R，计算KF。

a. 选择C，取C=0.068uF。

b. 选择R。

R=1/(2*pi*f0*C)=1/(2*PI*50*0.068*10^(-6))=46.81K，取R=47.0K

c. 求KF。

KF=2-[1/(2*Q)]=2-[1/(2*5)]=1.9 2)选择RF、Rf。

RF=(KF-1)*Rf=(1.9-1)*Rf=0.9Rf

为了削弱偏执电流及漂移的影响，集成运放两输入端直流参数应对称，故RF//Rf=R+R=2*R，即 0.9*Rf*Rf//(0.9*Rf+Rf)=2*R

Rf=4.22*R=4.22*47.0=198.4K

RF=0.9*Rf=0.9*198.4=178.2k 3)求2*C、R/2。

2*C取两个0.068uF的电容并联。R/2=47/2=23.5K

4)验算。 F0=1/(2*pi*R*C)=1/(2*PI*47*10^3*0.068*10^(-6))=49.8Hz。

5）计算Fh、fL。

FH={[(2-KF)^2+1]^(1/2)+(2-KF)}*f0=55.028Hz FL={[(2-KF)^2+1]^(1/2)-(2-KF)}*f0=45.068Hz

3.2.4 buffer隔离缓冲

论对于放大器的高输入阻抗、低输出阻抗要求，还是对于滤波网络的隔离，我们都必须考虑电路级连时阻抗匹配问题。因此，在放大器前级以及滤波器后级，我们放置缓冲器buf601，其具有高输入阻抗，低输出阻抗特性，同时驱动能力增强。

3.3 脉冲整形电路3.3.1 脉冲整形电路的设计

LM311电压比较器

LM311是一款具有低输入漂移电压的电压比较器，其设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。响应时间:200ns 。

经放大滤波后的信号为峰值5V的模拟信号，同时叠加250mV的噪声信号，为了便于后级计数器对脉冲计数，需要将模拟脉冲整形成方波信号。

电路图如下图所示：

3.4 定时信号3.4.1 555定时60s

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图如图 6-1所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

3.4.2 参数计算

实现60s定时的电路如图所示。

定时器定时总时间为（R5+2R6）C2ln2

选取R5=51k，R6=47k，C2=580uF，

则定时总时间约等于60s.

3.6 计数及显示电路3.6.1 计数芯片

TC 进位输出端

CEP 计数控制端

Q0－Q3 输出端

CET 计数控制端

CP 时钟输入端（上升沿有效）

/MR 异步清除输入端（低电平有效）

/PE 同步并行置入控制端（低电平有效）

160 为可预置的十进制同步计数器。

（1）其清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，即可完成清除功能。

（2）160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在CP 上升沿作用下，输出端Q0－Q3 与数据输入端P0－P3 一致。

（3）160 的计数是同步的，靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。当CEP、CET 为高电平时，在CP 上升沿作用下Q0－Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

（4）160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N 位同步计数器

3.6.2 译码芯片

译码芯片74LS48

74LS48为BCD-7段译码器，74LS48用来驱动共阴极的发光二极管显示器。74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。74LS48的功能表如表2-3所示，其中

为8421BCD码输入端，a~g7段译码输出端。

74LS48功能表

功能或数字	输入				输出	显示字形
	1.017.jpg (1003 Bytes, 下载次数: 268) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传 1.018.jpg (1.09 KB, 下载次数: 254) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传	1.019.jpg (933 Bytes, 下载次数: 264) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传 1.020.jpg (899 Bytes, 下载次数: 248) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传 1.021.jpg (850 Bytes, 下载次数: 247) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传 1.022.jpg (931 Bytes, 下载次数: 276) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传	1.023.jpg (1.57 KB, 下载次数: 263) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传	a b c d e f g
灭灯试灯动态灭零	x x 0 x 1 0	x x x x x x x x 0 0 0 0	0(输入) 1 0	0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0		灭灯 8 灭灯
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	1 1 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0		0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.024.jpg (797 Bytes, 下载次数: 249) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传 1.025.jpg (801 Bytes, 下载次数: 255) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传 1.026.jpg (804 Bytes, 下载次数: 256) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传－ 1.027.jpg (794 Bytes, 下载次数: 259) 下载附件 2017-6-8 23:28 上传

注：

是一个特殊端，有时用作输入，有时用作输出。

各使能端功能简介如下：

：灯测试输入使能端。当

=0时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段全亮，因此，=0可用来检查74LS48和显示器的好坏。

：动态灭零输入使能端。在=1的前提下，当

=0且输入=0000时，译码器各段输出全为低电平，显示器各段全灭，而当输入数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。

：静态灭灯输入使能端，只要

=0，不论输入为何种电平，译码器各段输出全为低电平，显示器灭灯（此时

为输入使能）。

RBO：动态灭零输出端。在不使用功能时，为输出使能（其功能是只有在译码器实现动态灭零时RBO=0，其它时候RBO=1）。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的RBO接到相邻低位的，实现小数位的零消隐是将低位的RBO接到相邻高位的。

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3.6.3 计数电路及工作原理

由74LS160构成的三位十进制计数器电路图如图所示。其低位的进位信号接高位的ENT、ENP，清零信号接/CLR、/LOAD 。

由计数器输出信号送至译码驱动电路74LS48，继而通过共阴极数码管显示结果。

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3.8 整体电路
4 心率检测电路的仿真与调试4.1 信号放大电路

信号放大倍数为100倍.

4.2 低通滤波器

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4.3 陷波器

4.5 脉冲整形

4.4 定时器电路

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4.6 显示电路

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4.7 完整电路

5 PCB