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1、引言心率是指人体心脏每分钟搏动的次数，它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。人类工作在高科技、高效率的环境中，其身体健康状况也显得日益重要并备受关注，而数显式心率测试仪就为社会的医疗保健提供了方便。过去大多数医院测量心率主要采用手表计时切脉的方法。由于受病人情绪变化以及测量人员主观因素影响，测量结果存在较大误差，而且费事费力。随着电子技术发展，出现了心率仪，而且愈发智能。但是由于价格昂贵等因素不适合大面积推广。另一方面，人们对健康的追求越来越高，体育赛事要求越来越严格等，需要一种便携、灵活、准确的心率测试仪。目录引言1摘要31.总体设计方案41.1课题分析41.2总体方案42.模拟仿真软件介
2、绍53.电路单元设计与仿真验证63.1传感器单元63.2 放大电路单元63.3滤波电路单元73.4整形电路单元93.5定时电路单元103.6计数电路113.7锁存、比较、显示单元133.8报警单元164.总体电路绘制及仿真174.1绘制的总体电路174.2电路工作原理174.3仿真结果174.4电子元件清单185.总结19附录20附录120附录221参考文献22摘要本文主要设计一种便携式心率测试仪，该心率仪采用常见的电子元件实现，成本较低，能够实时采集并测量人体的平均心率，发现非正常心率信号并能及时报警。由于传感器信号十分微弱，其幅度一般在毫伏的数量级范围，且夹杂着各种噪声和干扰，因此要求前置
3、级放大电路具有高增益、高共模抑制比等技术指标。实验结果表明，系统设计方案合理，实现了微小信号放大、显示及报警功能。具有测量灵敏度高、实时性好、性价比高等优点。 关键词：心率测试，放大，计数，锁存，报警，显示 1.总体设计方案1.1课题分析 正常情况下，人的心率为每分钟60150次。我们要准确测量人的心率，应该使用传感器将心跳转化为电量进行测量。根据设计要求，我们了解到，测心率跳动的传感器输出信号为0.2V，干扰信号幅值为0.01V。且干扰信号的频率f 1KHZ。因此我们需要以下几个基本单元：1.放大电路将传感器输出信号放大2.低通滤波器将干扰信号滤除。3.定时电路。要测定一分钟内的心跳次数，必
4、须要有准确的定时电路。为了便于实现，减少电路单元，本次设计我们设定时间隔60s。4.计数单元。计数单元是记录心跳次数所必需的。要求此计数单元具有清零重新计数的功能。5.显示单元。正确显示心率。为了便于读数，应选择十进制显示器。6.比较报警单元。根据设计要求，当心率N 150或者N60时报警。因此要有比较单元，以便与参考心率对比。当心率不正常时，由报警器报警。1.2总体方案经过分析，方案如下：传感器输出的信号放大滤波后，经过整形电路得到方波。然后接入计数器计数，一定时间后显示心率，并判断是否报警。本次设计的大致框图如图1所示。图1 方案原理框图这些单元是设计心率测试仪所必需的。在一定的控制信号下
5、，这些单元协调完成心率测量。2.模拟仿真软件介绍 本次课程设计，为了保证顺利实现整体功能，要对所设计的各个单元进行实时模拟仿真，以检测是否达到预期要求。我们选择用Proteus软件。 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。 Proteus所自带的仿真功能（Prospice）具有以下特点：1.
6、 Prospice混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真。 2. 超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。3. 多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入。 4. .丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调
7、试器等。 5. 生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动。6. 高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。课程设计是学生走向就业的重要实践环节。由于Proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台,随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计
8、部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。3.电路单元设计与仿真验证3.1传感器单元 心率传感器的作用是将心跳转换为相应的电冲信号。心率传感器是心率监测系统中的重要组成部分，其性能好坏直接影响后置电路的处理和结果的显示。目前典型的心率传感主要有三类：光电类、压阻类和压电类。在次三类中目前采用最多的是压电式传感器。工作原理是利用敏感元件直接将压力变为电信号。本次课程设计用正弦信号模拟传感器输出。故传感器部分不再赘述。3.2 放大电路单元 本实验所采用的放大电路单元为同相比例运算放大器，电路图如图1所示。图2 放大电
9、路 所用的运放为OP27AP。OP27AP是一种超低噪声，高精度运算放大器，具有漂移小、增益高的特点。适合此次放大电路。其引脚图如图3所示： 图3 OP27AP引脚图其中：1-调零2-负输入3-正输入 4-电源负5-NC 6-输出 7-电源正8-调零电路图中的OP27AP为简化的电路符号。 此放大电路属于电压串联负反馈，为了使集成运放反向输入端与通向输入端的对地电阻一致，R1、R2、R3的阻值应满足以下关系：R1=R2/R3输入输出关系为Av=Vo/Vi=1+R3/R2由于输入最大0.2V左右，为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为25倍，故设R1=0.96k，R2=1K，R3=24
10、K。理论上，当输入0.2V的电压时，输出为5V。 通过PROTEUS自带的Prospice仿真器仿得如下图所示曲线：图中输入电压幅度0.1V，偏置0.1V，总体落在00.2V之间，用来模拟传感器测得的心率信号。可以看到，输出电压幅度2.5V，偏置2.5V，相对输入电压，放大了25倍。达到了预期要求。图4放大电路波形曲线3.3滤波电路单元由于有1KHZ的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰, 必须对所取信号进行滤波处理。考虑到心率正常频率为1HZ2.5HZ，滤波1K 赫兹工频干扰可以采用截止频率10HZ左右低通滤波器滤除。因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单，调整方便，且电路多采用运算
11、放大器做有源器件，几乎没有负载效应，故选择压控电压源型滤波电路。电路如图5所示。 电路中用的运放为UA741。uA741是通用高增益运算通用放大器,最常用的运放之一.应用非常广泛。特点是宽输入电压、低功耗。其引脚图同OP27AP。 图5 滤波电路图 截至频率的计算：f0=W0/2W02=(f02)2=1/R4*R5*C1*C2 为了便于计算，取R4、R5为1M，C1为50nF，C2为10nF。由上式计算可得f0= 7.12HZ.此为上限截至频率。 经过Prospice仿真后，可得幅频特性如下图所示。图中上限截止频率为7.3HZ，与计算相接近，符合要求。达到了滤除高频干扰信号的目的。 图6 电路
12、增益与频率关系曲线3.4整形电路单元本电路的功能是将模拟电压信号转化为电平信号（方波）输出到计数器电路。采用正相滞回电压比较器完成电路整形，本单元电路图如图7所示。图7整形电路图电路中运算放大器为OP27AP。DWY为稳压管。型号1N4733A。1N4733是精密稳压二极管。最大耗散功率Pzm=1W,稳定电压Vz=5.1伏，最大工作电流Izm=179毫安。在本电路中，当集成运放同相输入端与反相输入端的参考电压相等，即u+=u-时，输出端的状态将发生跳变。其中u-由参考电压VR及输出电压V（out）二者共同决定，而V（out）有两种可能的状态：+Uz（+5.1V）或0。由此可见，是输出电压由+U
13、z跳变为0。以及由0跳变为+Uz所需的输入电压值是不同的。也就是说，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。 由图6中可以看出，经过整形电路后，V（out）的低电压值不等于0V，分析原因是由于稳压管DWY的阈值电压不为零。当输出端为负值时，稳压管导通，Vout=0-Vth=-0.4V。所以它两端的电压值并不严格等于D1的稳压电压，而是有一定的偏移。图8 整形后波形 3.5定时电路单元 定时信号是标准测量的基础，这个信号可采用多谐振荡器产生，在简单时基电路中，可以用555定时电路。 555定时器功能表如表1所示： 输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截
14、止不变导通 表1 555定时器功能表定时电路有两种方案： 方案一：直接用555定时器产生一个60s的信号.此种方案555定时器定时太长，容易产生较大误差，且需要考虑占空比问题。而且，由于计数部分清零信号由此提供，且为高电平有效。定时时间过长，会使得计数器清零信号一直有效，影响正常计数。故不予采取。 方案二：用555定时器产生一个较窄的定时脉冲，用计数器对此计数。当达到某一数值是输出一脉冲，作为定时电路输出。此方案有较高的定时精度。且有利于计数器清零和计数值锁存。 电路图如下图所示：图9定时电路图 我们用555产生周期为0.1s的脉冲，然后计数600次。则总定时时间T=0.1*600s=60s。
15、 555定时器振荡周期：T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2。为了计算简单，我们取C=2.2UF，R1=R2=13115.4（用可变电阻实现）。T0=0.1s。然后用74LS90计数600次。74ls90计数部分会详细介绍。 产生的脉冲信号对计数器和锁存器进行控制。 产生的计数脉冲如下图所示：图10定时60s仿真图可以看到，此电路准确定时60s,符合设计要求。3.6计数电路计数单元选用的是74ls90。74Ls90是异步二-五-十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。 图11 计数器电路图图12 74LS90引脚排列 图12为74LS90引脚排列，表
16、2为功能表。 输 入输 出功 能清 0置 9时 钟QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 输 出二进制计数1 QDQCQB输出五进制计数 QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数QD QAQDQCQB输出5421BCD码十进制计数1 1不 变保 持 表2 74LS90功能表 在此电路单元中，将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，构成了异步8421码十进制加法计数器。由于74ls90计数脉冲为下降沿触发，我们把Qd作为进位位。满足逢十进一原
17、则。 同时我们把清零信号接在R0(1)。当清零高电平到来，即R0(1)R0(2)S9(1)S9(2)=1101时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000三个芯片全置为0。计数器重新开始计数。3.7锁存、比较、显示单元图13 锁存、比较、显示电路锁存器的作用是将控制信号结束时计数器测得数值进行锁存，使数码管能稳定的显示此时计数器的值。可以选用8D锁存器74Ls273完成上述功能。当锁存脉冲的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变，计数器的的输出不会送到译码显示器。 74Ls273是
18、一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。 在此电路中，锁存器脉冲是由定时电路产生的信号的上升沿。由于计数器清零是电平清零，需要一定的时间，因此在整个电路中是先锁存再清零，可以顺利将计数值送入锁存器保存。 图1474ls273引脚图和功能表 比较电路选用的芯片是74ls85。74ls85 可进行二进制码和BCD码的比较，对两个 4 位字的比较结果由三个输出端（FAB，FAB，FAB）输出。 将若干85 级联可比较较长的字，此时低级位的FAB，FAB，FAB连接到高位级相应的输入AB、AB、AB，并使低位级的AB为高电
19、平。 图1574ls85二级级联电路 由于本次测的是人体1分钟心率，可能超过100。故我们选用三片级联。从右向左一次比较个位十位百位的BCD码。由图中可看出，上面三片74ls85预设的值为150，下面三片预设为060。当计数值大于150时，UD的FAB 端输出高电平，当计数值小于60时，UG的FAB端输出高电平。从而产生报警信号。由于设计要求我们能够读出心率值，因此设计显示部分。我们看到，在用Proteus仿真时，选用的是7segBCD数码管，这个内嵌416译码器，可以将BCD码转化为数值显示。但是经上网及查阅有关书籍后，发现其实并没有这种器件，这个是Proteus软件为便于使用者验证而添加的
20、。因此我们在制作实物时，就必须添加译码电路。译码器可以选用74ls48。其功能表如表3所示： 当与数码管电路连接时，电路如下图所示：表3 74ls48功能表 图18 显示单元3.8报警单元图19 报警器电路 比较电路的两个输出端信号作为报警单元的输入信号。两个信号经过或门之后接到报警器（LED）上。由于比较器及报警器呈现的是上一个计数周期（60s）内的心率状况，当第一次计数时，锁存器单元锁存的计数值为0，这必然引起报警器处于报警状态，从而引起电路错误。因此在报警单元中再加入一个锁存器。结果是在每次比较结束之后再判断是否应该报警。当计数锁存与报警锁存使用同一个信号时，两者同时开启，不能将比较结果
21、送入报警锁存器中。因此需要加一个延迟世间，使得报警锁存慢于计数锁存。74123 是双可重触发单稳态触发器。功能表如表4所示：表4 74123功能表 可以从其中看出，输入端A为下降沿有效。我们把定时电路的输出脉冲接在输入口A上，则相对计数锁存器延迟了一个脉冲的时间。从而实现了报警的功能。4.总体电路绘制及仿真4.1绘制的总体电路见附录24.2电路工作原理给整个系统通电以后，定时器电路开始定时。同时传感器输出的0.2V的心率信号开始进入放大电路。在仿真电路中我们用幅值为0.1V，偏置电压为0.1V的正弦信号代替心率信号。心率信号经过放大电路后，被放大25倍，变为5V。但是其中掺杂有干扰信号。接下来
22、心率信号进入滤波电路，滤除其中的高频干扰信号，获得单一的心率信号。然后进入整形电路。心率信号与+3V的参考电压比较后，产生比较标准的方波信号。整形电路中还有一个作用，就是把频率低、幅度小的干扰信号忽略掉了。 方波信号进入计数电路，计数器开始计数，同时将计数值传送到锁存US1和US2的输入端。当锁存器将计数值锁存后，US1、US2输出端一直保持计数值。锁存器US1、US2输出端接到显示单元输入端和比较器。从而使得显示单元显示上个定时周期（60s）的计数值，直至下次锁存器开启。比较电路的比较结果经过锁存器US3接入报警电路。 定时器定时60s后，产生一个正的很窄的脉冲。此脉冲产生三个控制信号。其一
23、作用于计数器，使得计数器从零开始重新计数；其二作用于锁存器US1、US2，使得锁存器输入端的计数值进入锁存器锁存；其三经过一个触发器后，产生延迟，作用于锁存器US3，允许比较结果接入报警电路。三个控制信号的响应顺序依次为：锁存器US1、US2的锁存信号，计数器的清零信号，延迟了的锁存器US3锁存信号。每个定时周期后，数码管会显示计数值，报警电路根据比较电路的输出决定是否报警。4.3仿真结果 我们选取三种不同频率的正弦信号接入电路。当输入信号的频率为0.8Hz时，60s后显示器显示“048”，报警器报警（发光）。图20 当输入信号频率为0.8HZ时显示与报警状态 当输入信号的频率为2.0Hz时，
24、60s后显示器显示“120”，报警器正常。图21 当输入信号频率为2.0HZ时显示与报警状态当输入信号的频率为3.0Hz时，60s后显示器显示“180”，报警器报警。图22 当输入信号频率为3.0HZ时显示与报警状态因此设计的心率测试仪符合要求。4.4电子元件清单见附录15.总结通过本次对心率测试仪的设计实现了对心率的准确测定,使我受益匪浅。电路中既有模拟信号，又有数字信号，加深了对模数转换的理解。在设计过程中，考虑各方面的因素，尽量做到线路简单，充分利用集成芯片，弥补分离元器件的精度不足。甚至还可以以该设计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善。此次设计基础均为之前所学过的数字电路、模拟
25、电路方面的知识，之前所学过于零散，不扎实，也不能够将那些知识综合运用于一个系统中。经过这次设计以及查阅有关资料，仿真验证等，熟悉了数电、模电一些单元的作用，真正做到融会贯通。尤其是对一些常用的芯片，比如计数器、锁存器、触发器等，有了较为深刻的了解。通过运用Proteus软件及其仿真部分和虚拟器件，熟悉了基本的操作。同时，更使我了解到，现代系统电路的设计，离不开模拟仿真软件。这次课程设计，如果采用实物操作、实物模拟的话，将会花费大量的精力与资金。今后电子电路越来越复杂，器件越来越多，没有仿真模拟软件，那几乎是不可能完成的任务。此次设计也吸取了一些教训：1. 在不是很清楚某个器件功能表的时候，不能
26、想当然的认为它具有某种功能。比如此次设计中，开始采用的计数芯片是74160，查阅资料后了解到它是十进制计数器。但是74160是在输出为1001（9）的时候产生进位。结果导致了输出结果的错误，浪费了较长的时间。2. 善于发现细节。开始做定时器单元时，发现总是有一个大约0.6s的定时误差。开始认为是由于555定时器RC选择不准确所致。仔细研究后发现是定时电路中一个环节的系统误差。改进后提高了测量精度。3. 绘制器件时，版图要工整。这不仅使电路美观，更可以帮助我们快速的检查出错误，节约时间。作为大学生，我认识到不仅要学好课本上的知识，还要学会吧学到的知识应用到现实生活中，要做到理论联系实际，认识其重
27、要性和必要性。真正体会到设计是一件辛苦与充满乐趣的事情，同时加深了对数电、模电课程的理解，学会了基本集成电路的运用。在设计过程中学到了很多在课本上学不到的东西，也发现了自己的很多不足之处。深深的体会到只有认真的去做才能知道它真正的意义，不要眼高手低，要一步一步，脚踏实地的去做。总之，通过此次课程设计，使我真正了解了电路设计的内涵。亲自动手是课堂学习的延续，电子领域随时随地都在发生着翻天覆地的变化，现有的知识储备总是落后于科技的发展脚步，我们只有不断学习新知识，才能做到在面对新课题时游刃有余。附录附录1序号名称型号数量1电阻R112可变电阻R23电容C44集成运放OP-2725集成运放uA741
28、16定时器55517二输入与门and18二输入或门734299单稳态触发器74123110记数器74LS90611比较器74LS85612稳压管1N4733A113锁存器74LS273314LED数码管7SEG_BCD315报警器LED-YELLOW1电子元件清单附录2 参考文献【1】陈晓文主编.电子线路课程设计.电子工业出版社，2004年【2】阎石主编，清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础.高等教育出版社，1985年【3】林家瑞主编.集成电路及微机应用手册.华中科技大学出版社，2001年【4】杨素行主编，清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，2002年【5】王斌主编.模拟电子技术实验与课程设计.西北工业大学出版社，2006年【6】张文涛主编，PROTEUS仿真软件应用，武汉华中科技大学出版社，2010年【7】网络文献：
