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1、心跳计数系统的方案设计2 方案设计2.1 方案分析正常人心跳为6080次/分钟，老年人为100150次/分钟，婴儿为90140次/分钟，显然这种信号属于低频范畴。因此，心跳计数系统是来测量低频信号的装置，其基本功能要求（1）要把人体的心跳信号（振动）转换成电信号，这就需要借助传感器。（2）对转换后的电信号要进行放大和整形等处理，以保证其他电路正常工作。（3）在很短的时间内，测量出经放大后的电信号频率值。总之，心跳计数系统的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲计数，最后以数字形式显示出来。可见，心跳计数系统的主要组成部分是计数器和数字显示器。2.2 列出的设计方案心跳计数系统的上述功能要求，可采用
2、三个不同的方案来实现。（1） 把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。报警电路比较电路传感器放大滤波整形计数电路译码显示控制电路 图2-2-1 方案一系统框图（2） 测量心脏跳动固定次数所需时间，然后换算为每分钟的心跳数报警电路比较电路计数电路传感器放大滤波整形四倍频电路译码显示控制电路 图2-2-2 方案二系统框图（3） 利用单片机写程序来进行控制，既有硬件又有软件，且电路设计简单、抗干扰能力强、稳定性能好、电路成本低、应用范围广等优点，其功能可以通过软件实现，并且实现的方式比较灵活，适合实际应用，是一种很理想的设计方案，但是不宜通过
3、软件进行仿真 （4）单片机控制放大滤波整形是否报警传感器显示 图2-2-4 方案三系统框图 2.3方案的比较及选择 这三种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单；第二种方法通过四倍频大大可减少测量的时间，提高效率，但电路结构比较复杂，且测得的没有一分钟稳定；第三种方法既有硬件又有软件，且电路设计简单、抗干扰能力强、稳定性能好、电路成本低、应用范围广等优点，其功能可以通过软件实现，并且实现的方式比较灵活，适合实际应用，是一种很理想的设计方案，但是不宜通过软件进行仿真。况且我们还没学习单片机得知识，要在两周时间内设计出来还是很有难度。通过比较和综合考虑决定采用第一种方案，3系统概述 本设
4、计采用压电陶瓷传感器，测量脉搏的跳动，产生微弱的信号，通过放大器将信号放大；然后通过滤波器滤除干扰信号后，整形为脉冲信号；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。再通过74s85让它与预设值进行比较，如果高于或低于标准值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，再由数码管进行显示。 报警电路比较电路 传感器放大滤波整形计数电路译码显示闸门、控制电路 图3-1 整体设计框图 4模块工作原理4.1压电陶瓷传感器传感器工作原理选用合适的传感器，将物理信号转换成电信号输出。
5、传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了心率的测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。脉搏跳动引起皮肤表面压力的变化，根据这个现象可以通过测量皮肤表面压力的变化而本设计是测量心脏跳动次数。因此，可选用压电陶瓷传感器测量。选择此压力传感器。此传感器具有抗腐蚀能力，传感器没有液体的流动，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠通斯电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比、激励电压成正比的高度线性度电压信号。通过激光标定，该传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。其输出信号为0.53mV4.2 放大滤波整形部分滤
6、波与整形电路。心率信号是低频信号，低频滤波电路可以将放大后信号中的中高频信号滤除，然后通过整形将模拟的不规则的信号转变成便于信号处理的数字脉冲信号。由传感器出来的电压信号较弱，在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。传感器放大电路有源滤波整形电平转换图4-2-1 放大滤波整形结构图4.2.1 放大电路采用通用运算放大器LM324构成的同相放大电路由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用同相放大器，经测试LM324性能良好，工作可靠，且价格合理，所以本次设计选用此集成运放。原理图如下：图4-2-1-1 同
7、相比例放大电路 本设计放大电路如图所示： 图4-2-1-2 放大电路图4.2.2 滤波电路理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。理想滤波器的幅频特性如图所示。图中，w1和w2叫做滤波器的截止频率。图4-2-2-1 理想滤波器幅频特性通过与无源滤波器对比可以知道，一阶低通有源滤波器的通带截止频率与无源低通滤波器相同，均与RC的乘积成反比，但是引入集成运放以后，通带电压放大倍数和带负载能力得到了提高。心率信号是低频信号，为防止中高频信号对测量的影响，应该用低通滤波器滤除中高频信号，只让低频信号通过电路，同时把被测信号放大。为了使心率信号放大到整形电路所需的电压
8、值，通常电压放大倍数在1.6倍左右。一阶低通有源滤波器如图所示：图3-2-2-1 一阶有源低通滤波器根据虚短和虚断的特点，可求得电路的电压放大倍数和通带截止频率为： 由于一阶低通滤波器的幅频特性与理想的低通滤波特性相比，差距很大。为改善滤波特性，此次设计中选用二阶低通有源滤波器，其通带电压放大倍数和通带截止频率与一阶低通滤波器电路相同。二阶有源低通滤波器电路图如下图所示：图4-2-2-3二阶有源低通滤波器因为被测信号混有1000Hz的干扰尖脉冲，所以设计的有源滤波的截止频率为1000Hz左右。取参数为C1=C2=0.1uF,R1=R2=1.6k，为保证信号幅值达到整形电路所需的电压值，通常放大
9、倍数为1.6倍左右本设计电路如下图所示图4-2-2-4 滤波电路4.2.3整形电路图心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、将滤波信号转化成数字脉冲信号当然这是在不改变信号频率的前提下完成的。将模拟信号转换成数字脉冲信号的方案，可以有以下两种可供选择：一是利用电压比较器，二是利用555时基电路组成的滞回比较器作为整形电路。本设计采用二方案。设计的电路如3-2-3-1所示 图3-2-3-1 由555组成的整形电路4.3 计数部分电路 本计数主要采用74LS161进行计数。下面介绍74LS161的功能及应用。下面介绍74LS161的引脚图：时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CE
10、P，CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d b a d c b a 1 10 Q1 Q0 1 0 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1表一 74LS161功能表从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1
11、，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。其中本设计的计数电路图如图所示： 图4-3-1 由三块74LS161组成的计数电路4.4锁存电路本设计主要采用的是74HC573进行数据锁存 图4-4-1 74HC573的管脚图1.74HC573器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容。 2.当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同 步）
12、。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。 3.当计时到60秒是74LS573自动将数据进行锁存4.锁存电路如图所示：图4-4-2由74HC573组成的锁存电路4.5 比较电路 由设计要求可知，心率计测量接过要与标准值比较，不在标准范围内则要报警，在这里判断报警是核心内容，需要测量结果与预设值比较，包括上限比较和下限比较。比较器芯片选择：选用四位数值比较器74LS85。芯片引脚图如下：图4-5-1 74LS85引脚1.引脚功能： A0-A3 数值A的输入端，用它来做测量信号的输入端； B0-B3 数值B的输入端，用它来做预设值的输入端；AB AB的级联输入端； ABo AB的输出端 ； A=Bi A=B的级联输入端； A=Bo A=B的输出端；ABi ABo AB的输出端。 2.预设值的设定：60-90每秒 3.比较电路如图所示：图4-5-4 由四片74S85组成的比较器4.6数码管的显示译码器的功能是把计数器输出的计数结果(BCD码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字式符号的显示。CD4511是常用的BCD码七段显示译码器，它本身由译码器和输出缓冲器组成，具有锁存、译码和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA,可直接驱动共阴极LED数码管。译码显示采用扫描方式，显示3位数字只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫
