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1、一 摘要随着社会的发展与进步，我们的生活节奏也越来越快，面对每天繁 忙的工作生活，我们不一定能像以前那样定期抽出时间去为自己身体做 一次体检。而事实上我们身体承受的负荷却越来越大，相比于以前我们 需要给自己的身体以更多的关注，甚至是时刻了解它的健康状况。身体 的健康与否在很多方面都会有所体现。比如一个人的心率值就基本能反 映一个人心脏是否正常工作的。大家都知道心脏是我们人体中最重要的 器官之一，使我们生命的源动力。所以我们能时刻了解它的状态是很重 要的。由于我们平时不一定总是能抽出时间去做体检，所以我们需要一 个简单的，便于操作的，可靠性高的仪器来帮助我们在短时间内测到我 们的心率值。让我们能
2、及时了解到我们现在心脏以及身体的状态。心率的生理意义人的心脏比握紧的拳头稍大，平均重量为300g。它是人体内“泵器 官”，负责人体血液循环。心脏每天跳动超过10万次，累计使8千多公升 的血液，流经约1万9千公里长的动静脉，从而维持血液循环。心脏有四 个腔，分别是左心房、右心房、左心室和右心室。右心房接受全身各器 官回流的含氧低静脉血并输入右心室，右心室把血液泵入肺脏进行氧气 与二氧化碳的气体交换。左心房将自肺脏返回的含氧高的动脉血输入左 心室，左心室再将血液输送至全身器官。从我们出生的那一刻起，心脏 便24小时不停地工作，为全身输送氧气和养分。心脏能够这样周而复始 地有规律地工作，是因为心脏有
3、一个天然的起搏器窦房结，它能自 发地、有节律地发放电脉冲，并沿着结间束、房室结、希氏束和左右束 支这一固定的激动传导途径由上向下传遍整个心脏，使心脏各个腔室顺 序收缩，完成运送血液的工作。心脏的正常工作要求心脏节律发放和传 导系统的结构和功能正常。心率(heart rate)指心脏分钟搏动的次数， 它能够反映心脏的工作状态。正常心率决定于窦房结的节律性，成人静 息时约60100次/min,平均约75次/min。心率可因年龄、性别及其他因 素而变化。初生儿心率约130次/min,随年龄增长而逐渐减慢，至青春期 乃接近成人的心率。女性心率比男性稍快；运动员心率较慢。成人安静 心率超过120次/mi
4、n者，为心动过速；低于40次/min者为心动过缓。心率 受植物性神经和体液因素调节。安静或睡眠时，心迷走中枢紧张性增高， 心交感中枢紧张性降低，心率减慢。运动、情绪激动、精神紧张时，心 迷走中枢紧张性降低，心交感中枢紧张性升高，心率加快。肾上腺素、 去甲肾上腺素、甲状腺素等体液因素也会增快心率。此外，体温每升高 1 C,心率加快1220次/min。二 任务分析及总体设计方案在认真学习和研究了任务指导书后，在老师的指导与启发下，我初 步定下了自己的方案。经过和同学们的集中讨论与研究和数次李老师耐 心的讲解与分析，方案在我脑海中逐渐清晰。通过自己的对个别知识的 再次学习与网上资料的查阅，最终确定下
5、方案。2.1任务分析所设计的电子心率计要求实现在短时间内测量 1 分钟的心脏跳动次 数，并且显示其数字。当心脏跳动次数超过正常范围时，发出异常指示 （LED 发光二极管发光报警指示）。正常范围可根据需要设定，性能指 标： 测量范围：正常心跳次数成人为6090次/分钟，婴儿为90120 次/分钟，老人为 100150 次/分钟，正常范围可以设定；测量精度：测量误差W4次/分钟； 报警指示：采用 LED 发光二极管。 基于以上任务要求，经过详细分析得到了如下结论：由于从红外线传感器送来的信号很微弱，一般为（25mv）,并且叠加了很多干扰及噪声，这就需要信号放大、滤波与整形电路； 要想在短时间内实现
6、对1分钟的心率进行测量（本设计采用15秒测量），这就需要倍频器（4 倍频）和基准时钟定时器（15 秒）； 由于最后要显示其测量数字，这就需要计数器、译码器和显示器； 由于最后要用 LED 报警显示，并且成人、婴儿、老人的心率正常 范围不一样，所以还需要控制器、比较器和报警器。所设计的红外线电子心率计的核心是在固定的短时间内对低频电脉 冲信号进行计数，最后以数字形式显示出来，并且把计数得到的值与正 常范围的上下限进行比较，以实现对成人、婴儿和老人的报警指示。 2.2 总体设计方案设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器 中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲
7、信号； 后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制 计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。计数器计数值输入到 显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作 比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮。2.3 设计流程图显示二 器件选择3.1 传感器的选择个人认为一个传感器的品质在很大程度上决定于它选用的传感器， 现在市场上心率计使用比较主流的传感器有以下几种。CCPS32, CPS182, 红外传感应感器，MPS2050。CPS182与MPS2050输出电压较小，且CPS182 精确度不是很高,而红外感应传感器同样也有输出电压小的缺点, 且
8、价格会略高一些。通过对比，我选择了 CCPS32传感器，其灵敏度较高, 且输出电压越 4伏左右，这样就无需接放大电路，可直接进行滤波，且 该款传感器还自带很高的温度自补偿，这是其他传感器所不具备的。以 下是 CCPS32 的具体参数以及介绍。传感器参数及特性介绍：CPS32传感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的 干式陶瓷电容压力传感器详细说明:一、概述CCPS32传感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式 陶瓷电容压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗 冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达 -40125C，而且具有
9、测量的高精度、高稳定性。其最大特点是：量程 可以小到700Pa，抗过载能力可达量程100倍，彻底解决了其它类型传 感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点，它除具有一般传感器的量程外，其最具特色的是它的正负表压功能，如：lkPa,10kPaCCPS32 干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高输出，广量程，特别适合制造 高性能的工业控制用压力变送器。大圆形膜片表面平整、易安装，是欧 美E+H、ABB、SIEMENS、H&B、VEGA等公司压力变送器生产首选传感器。坚固的陶瓷电容敏感膜片 自带厚膜电路输出 1-4V 卓越的抗腐蚀、抗磨损性能 平整的大圆形膜片,易安装 高精度、高稳定性 宽的工作温度范围
10、响应迅速,无迟滞 量程迁移比达 10:1 可进行无源标定三、工作原理抗腐蚀的干式陶瓷电容压力传感器没有液体的传递，过程压力直接作用 在陶瓷膜片的前表面，衬底的电极与膜片电极的电容量变化比例与压力 大小，使膜片产生 0.03mm 的位移，电容的变化值经激光微调，传感器专 用信号调理电路ASIC放大输出高达4000mV的直流电压，内置的温度传 感器不断测量介质的温度并进行温度补偿。过载时，膜片贴到陶瓷衬底 上而不会损坏。当压力恢复到正常时，其性能不受任何影响。彻底解决 了低量程过载能力差的缺点，是扩散硅传感器的升级换代产品。标准化 的高输出具有极强的抗干扰能力，配专用线路板可进行大的量程迁移（1
11、0:1）。传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，自带温度补偿-20 80C，并可以和绝大多数介质直接接触。CCPS32 陶瓷传感器由于没有液体的传递作用，无任何填充液，不会产生 工艺污染，因此在食品、医药等行业有着广泛的应用，加之是干式陶瓷 膜片，故不受安装方向影响，以其作为敏感元件生产的压力变送器被广 泛地应用在各种测量压力的场合。四、技术参数供电电压：5VDC量程范围：7kPa30Mpa 响应时间：1mS综合误差（包括：线性，迟滞，重复性）：0.1.0.2FS%零点输出：50050mV 满量程输出：4000100mV温度特性（温补范围：-20-80C）：0.01 %FS/C稳定性：0.1
12、% FSO/年供电电流：2mA工作温度：-40125 C抗绝缘性：;2kV外形尺寸：32.4X5.25.7.12mm五、量程选择因为人的血压一般是在18kpa左右，所以结合传感器的量程范围, 选择传感器的量程为 030kpa。3.2 放大电路的选择因为 CCPS32 在零点有大约 50mv 的零点电压，所以可用以高共模抑 制比的差分放大电路来消除。而其输出电压就为 4 伏左右，所以不需要 在进行对其输出幅度的放大。传感器输出阻抗大约 10千欧左右，结合以 上考虑我选择了同相串联双运放高共模抑制比放大电路作为下一级。其输出波形为3.3 滤波器的选择人体的心率一般在60150次/分钟，所以容易算得
13、其最高频率为:f=150/60=2.5Hz。则可选择一低通滤波器滤掉大于3.14HZ的干扰。设该低通滤波器的截止频率f =3.14Hz0f =1/2 nRC=3.14Hz0所以求得RC=0.05结合实际情况和电路 确定R=200欧C=250uF低通滤波器电路图如下：XSC2当将电源频率改为10Hz后，滤波电路输出的波形为:两个图像对比后，我们可以很明显的看出在频率为 10 赫兹时输出的电压 基本为 0，所以可以看出该低通滤波电路能起到较好的滤波作用。3.4 整形电路的选择整形电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到倍频 电路。由于最后计数器输入的方波信号，因此还需要把面得到的信号进
14、行比较整形，从而得到方波。整形电路一般用 74LS14 和 CC40106 两种芯 片，经过比较，个人认为74LS14集成度高，更稳定。所以整形电路决定 选择 74LS14。整形电路电路图如下：整形后的波形如下：可以看出该整形电路整形效果较好，基本可以胜任。3.5 倍频电路的选择在实际中测心率一般选择一分钟为时间长度，而如果是体检或是 有很多人同时需要进行心率的测量，则一分钟的时间会略显漫长。所以 我们希望能将测量时间缩短，以便于在尽量短的时间内为更多的人测量 其心率值。于是我们需要一个倍频电路来实现这一想法，而如果采用四 倍频或更高的话，会带来至少每分钟 2 次的心率误差，如果患者的心率 接
15、近报警值，则有可能导致误报警。综合考虑我这里选择的事 2 倍频电 路，即在误差尽可能小的情况下，节约更多的时间。电路图如下：11200F亀二閑1214C3卄Ext从整形电路输出的波形图如下:经过倍频电路的波形图如下：通过两个幅频图我们可以看出 2 倍频电路工作稳定，可以起到倍频 的作用。3.6 定时器的选择一般对病人的心率的时间选择为 1 分钟，且病人的每分钟心率也是 医生参考的标准，而之前我们已经设计了一个 2 倍频的倍频电路，所以 这里我们需要设计一个 30秒得定时电路。在这里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。55 定时器功能表：输入输出THTRRdVoDisXXLL导通/ / JHH截止
