基于压电传感器的心率计的计算机设计与仿真设计

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1、. . . . 毕业设计(论文)基于压电传感器的心率计的计算机设计与仿真学 院：专 业：姓 名：学 号：指导教师： 2010 年 6 月43 / 49摘 要脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。根据人体脉搏信号特征，本文设计了一种脉搏波动频率测量系统。本次设计的压电传感器基础上的心率计，原理结构主要由六部分组成，其中包括：测量电路、放大电路、滤波整形电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路。其中传感器的选取是设计中的首要任务，其次就是信号的放大与计数电路的设计，关键点是计数电路中计数方式的选择。显示电路可以借助传统的设计模块

2、作为参考。利用压电传感器，将人体的脉搏通过压电瓷片转换为可处理的电信号，经过集成运算放大器、滤波电路、整形电路等模块，在555时基电路、数码显示、控制、计数等电路元件的配合下，利用Multisim2001仿真软件，可以实现此心率计的仿真设计。各个电路模块，根据其功能特点均有多种方案选择，我们在设计过程中，利用所掌握的理论知识，对各种方案做出比较，并要求选择出最佳方案，完成整体设计，并且实现利用Multisim2001软件对每一模块的仿真。本次设计任务详细分析了压电传感器应用于心率测量上的原理与优点，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点，得出了在不同测量数据和技术参数条件下的仿真结果，使得本次课

3、题的预期结果得以实现。关键词：压电传感器，控制电路，计数器， Multisim2001仿真软件AbstractThe shape, intensity, speed, and rhythm of pulse signals mostly reflect the physical and pathological characters of heart-blood system in human bodies. According to the characteristics of the human pulse signals, a pulse fluctuation frequency me

4、asurement system is designed. The design of piezoelectric sensors on the basis of heart rate, the main principle behind the structure from the six components, including: measuring circuit, amplifier, filter plastic circuit, counts show circuit, control circuits, power supply circuits. The selection

5、of these sensors is the primary task in the design, followed by the signal is enlarged and the number of circuit design, the key point is counting circuit in the counting method choice. Show circuit can use the traditional design module as a reference. Use of piezoelectric sensors, will feel the pul

6、se of the human body through the piezoelectric ceramics can handle the conversion to electrical signals, through integrated operational amplifiers, filter circuits, such as plastic circuit module, in 555 at-circuit, digital display, control, counting and other circuit elements , Coupled with the use

7、 Multisim2001 simulation software, can achieve this rate of simulation design. Each circuit module, according to their functional characteristics have the choice of a variety of programmes, we in the design process, mastered by the use of the theory of knowledge, to compare the various options and a

8、sked to choose the best option, to complete the overall design, and Implementation of Multisim2001 software for each module of the simulation. The task of designing a detailed analysis of piezoelectric sensors for measuring heart rate and on the principle of merit, on the other circuit with the comp

9、osition and characteristics of the work, come in different measurement data and technical parameters under the conditions of the simulation results, making The topics to achieve the expected results.Keywords: Piezoelectric sensors, control circuit, counters, Multisim2001 simulation software control

10、circuit.目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 心率研究的意义11.2 国外研究现状21.3 课题要求21.4 设计容21.5 主要技术指标与参数21.6 传感技术的研发概况3第二章 设计方案论证52.1 传感器的分类与工作原理52.1.1 传感器的分类52.1.2 传感器的工作原理62.2 传感器的选用分析72.3 设计方案8第三章 硬件电路设计103.1 心率计工作原理框图103.2 电源供电电路113.2.1 采用交流220V电源供电方式113.2.2 采用直流电源供电方式113.3 测量电路113.4 传感器的性能133.4.1 传感器的型号选择1

11、33.4.2 传感器的供电电路133.5 放大电路143.6 滤波整形电路163.6.1 滤波电路163.6.2 整形电路173.7 倍频电路203.7.1 利用CD4046锁相环与计数器构成的倍频电路203.7.2 利用简单门电路等组成的二倍频电路级联213.8 控制电路223.8.1 闸门信号的产生223.8.2 启动清零的控制263.9 计数译码显示电路26第四章 仿真结果与分析304.1 Multisim2001的功能与特点304.2 测量电路314.3 放大电路324.4 滤波电路334.5 整形电路344.6 倍频电路354.7 闸门控制电路364.7.1 闸门电路364.7.2

12、控制电路374.8 计数显示电路374.9 整机电路39结 论40参考文献41致 42附录43第一章 引 言1.1 心率研究的意义中医对脉诊是十分重视的，认为通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰，可以探测病因、病位、预测疗效等。从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代，输送氧气、营养物质，运走代废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象

13、携带着有关心脏运动、脏循环、外周循环等丰富的心血管系统与整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。作为现代电子仪器与医学相结合的一个重要应用课题，具有深远意义。现代医学的不断发展和进步，使人们对各种测量仪器的要求越来越高，而心率的测量是一种评价人生理状况的好方法。心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频率。本设计是一款性价比比较高的电子心率计，它解决了传统测量方法的不准确性和随机性，能够准确的测量出人体的心率，并以数字的方式将测量结果显示。它利用压电瓷片将人体脉搏转换为可处理的电信号，再经过信号的放大、整形滤波，而实现人体心率的测量和显示，具有抗干扰能力

14、强、稳定性能好、电路成本低、应用围广等优点。本设计旨在综合压电传感器以与相关专业知识，设计一个数字脉搏计，对人体脉搏进行测量经数码管显示，最终利用软件Multisim2001仿真出实验结果。本课题综合性较强，可以巩固所学专业基础理论和基本操作技能，培养综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；通过在设计中选择合适的传感器，进而掌握其原理、应用围、功能等；还可以深入了解心率计的工作原理、元器件选择以与电子仪器的常用设计方法等，进而掌握使用计算机进行电子线路设计与仿真的基本思想和方法。通过这次毕业设计，重温了专业理论知识，锻炼了动手操作技能，实现了理论和实践的有机结合，为将来从事相关行业积

15、累了初步的设计经验。1.2 国外研究现状在医疗诊断中，快速脉搏测定已从传统的测量方法向多参数生命体征监护仪和自动脉搏测量仪发展。由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存储数据等功能特点，不仅减轻了医务人员的工作强度,也使医疗手段得以现代化、高科技化。新技术和新工艺使传感器和实验室仪表两者成为同一个芯片，这是全新的提高。这种多元化的测量系统正朝着体积小，功耗低、使用灵活、便于携带，适合于社区和住院病房使用,有较强的分析能力，可扩展等方向发展。如与PC 机进行通信，将采集到的脉搏信号通过无线网络传输到PC 端，从而实现远程医疗等。现今多数医生用听诊器测量脉搏，医用脉搏计可以精确测出心率，并且可

16、以测出心肌收缩力度，从而判断病人的健康状况；而家用脉搏计只需测出脉搏的频率，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带,。1.3 课题要求1、选用合适的传感器。2、设计与传感器配合的信号处理电路。3、设计相关电子线路并画图。4、熟练掌握Multisim2001和Protel99SE的使用方法。5、完成对设计的电子线路和系统的仿真实验。6、测试相关点的波形，记录、分析整理测试数据。1.4 设计容1、方案比较与论证，查阅相关资料，选择最佳设计方案，列出设计思想。2、了解心率计的测量原理，结构特点以与控制要求。3、了解心率计的工作原理、结构框图等，完成单元电路设计。4、实现电路的测量

17、与仿真。5、绘制电路原理图，列元件明细表，整理与分析有关数据。6、总结。1.5 主要技术指标与参数1、计数围：1999。2、数字显示位数：三位静态十进制计数显示被测信号数值。3、具有计数与锁存功能。4、性能良好，工作可靠。1.6传感技术的研发概况随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普与和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。自20世纪50年代以来，科学家对于脉学的理论、脉诊方法、临床诊断和实验研究等方面均

18、开展了大量工作，取得了较大进展。脉象的客观化研究集中在脉象仪的研制方面。脉象传感器是脉象仪的关键部分。英国人Marey最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。1860年首次出现杠杆和压力鼓式描述脉搏图，1895年开始采用换能的方式，出现了杠杆式光学脉搏描述器。20世纪50年代我国学者朱颜首次将杠杆脉搏描述器引用到中医脉诊的研究中来。自20世纪70年代至今，研究人员已研制出种类繁多的换能器以模拟中医切脉的手指采集脉搏信号并记录。目前应用的脉象传感器种类繁多，根据其工作原理可分为4种：通过感受脉动处压力的变化而描述脉搏图的压力传感器；通过感受脉管容积的变化来描述脉象的光电传

19、感器；利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动即所谓听信号的传声器；还有超声多普勒检测技术。但是目前国医疗机构对于脉搏和血压的测量在相当程度上还依赖于听诊器，医疗事业的发展使其测量将由数字化仪器所代替。传感器是脉搏检测仪器中的重要部件。国外科研人士在提取脉搏图象方面已开展了大量工作，先后研制了不同种类的传感器与测量设备以获得脉搏波形。如：液态传感器，将单位长度管段动脉血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来测量脉搏波形。它的灵敏度虽高，却因液态传感器本身结构特点的限制使测量过程并不方便。由新型高分子材料PVDF、扩散硅等压电材料（具有压电效应）制成的压电传感器在医用领域得到了广泛应用。采

20、用红外线来检测采集人体的脉搏，检测的部位为任意一手指或者耳垂的液晶显示型心率计也较为应用。随着电子计算机技术的发展，智能传感器也应用到各个领域。在医用领域将传感器与信号采集、放大装置、计算机等相结合构成新型智能测量系统，不仅可以对脉搏的频率、血压等实现单方面测量，也可实现对人体进行多点测量，完整检测脉搏的波动状态，更加科学的反映脉象变化，为医生提供了详细的诊断参考依据。第二章 设计方案论证心率是一种重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频率。心率计的根本任务是实现对人体心率的测量，其中包括：心跳是否正常、是否过快或过慢、是否有心率不齐等现象。心率的数值根据个人的年龄、性别与其他生理情况而不同。

21、各种心跳分析，都是要通过对心率的计数来完成的。为实现测量目的，首先要将压力信号转变为电信号，再进行信号的放大、滤波和整形，变成适合信号进一步处理的数字信号。这一过程在任何方案中都是必须的，因此放大、整形无需论证，只需选择各电路的最佳方案。实现数字脉冲计数的方法很多，在本设计中，我们必须选择一种最合适的方法应用到心率计中，以满足设计需要。实现对数字脉冲计数比较常用的方式有两种：一种是应用计数芯片实现计数；另一种是利用单片机控制实现计数。应用计数芯片，通过一些基本的数字电路知识，来配合计数芯片实现计数，然后驱动数码管显示。这种方式线路比较复杂，但是技术成熟，而且很容易进行仿真，比较适合学习用。利用

22、单片机控制实现计数，具有电路设计简单、抗干扰能力强、稳定性能好、电路成本低、应用围广等优点，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。根据本次毕业设计使用Multisim 2001软件仿真的要求，我们选择第一种方式即应用计数芯片实现计数功能。2.1 传感器的分类与工作原理传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2.1.1 传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：

23、1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。2.1.2 传感器的工作原理1、电阻式传感器：其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经过相应的测量电路而最后显示被测量值的变化，电阻式传感器与相应的测量电路组成测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭距、测温度等测试系统。2、电位器式传感器：电位器是人们常用到的一种

24、电子元件，它作为传感器，可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。3、电感式传感器：是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般利用磁场作为媒介或利用磁铁的某种现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨率高，示值误差一般为示值围的0.10.5，稳定性好。它的缺点是频率响

25、应低，不宜用于快速动态测量。4、电容式传感器：电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件。电容式传感器已经在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量与成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高达0.01精度的电容式传感器在国外已有商品供应。优点是温度稳定性好，结构简单、适应性强，动态响应好，可以实现非接触测量，具有平均效应。缺点是输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，输出特性非线性。5、磁电式传感器：是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。6、压电式传感器：利用压电材料的压电

26、效应，将机械能转化为电能，属于典型的有源传感器。它的敏感元件由压电材料制成。常见的压电材料有石英晶体、人工合成的多晶体瓷(如钦酸钡、错钦酸铅等)以与有机高分子聚合物PVDF。工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。由于压电传感器的动态响应好，在动态测量中使用广泛。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或

27、电荷放大器来克服这一缺陷。7、光电式传感器：是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上就可以看成是一连串的具有能量E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。2.2 传感器的选用分析传感器种类繁多，不同工作原理的传感器应用于不同的产品研究与开发。因此，传感器的选择是完成本设计的重要部分。1、 电阻式传感器：无法进行频率测量，因此不适用于本课题的设计。2、 电容式传感器：由于不能进行微信号测量，因此不适用于本

28、课题的设计。3、电位器传感器：是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器，因此不适用于本课题的设计。4、电感式传感器：其分辨力和示值误差与示值围有关。示值围大时，分辨力和示值精度将相应降低。因此不适用于本课题的设计。5、磁电式传感器：载流半导体在磁场中由电磁效应而输出电动势，因此不适用于本课题的设计。6、磁阻式传感器：与电磁感应相关，因此不适用于本课题的设计。7、光电式传感器：由于光电测量方法灵活多样，可测参数较多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，所以光电式传感器适用测量心率。8、压电式传感器：它可以把加速度、压力、温度、湿度等许多非电量

29、转换为电量。具有灵敏度高、结构简单、动态响应好等优点,所以压电式传感器适用测量心率。由此可见，光电式传感器、压电式传感器是可以满足心率测量要求的。根据本次课题设计要求，我们选用压电式传感器。本次设计采用半导体压力传感器2S5M，其敏感元件为半导体应变片。压力传感器2S5M用恒流源供电比用电压源供电的测量精度高，故测量电路采用恒流源的供电形式。这里的电流源不是采用电流源元件，而是用放大器电路取得。具体的电路与其原理说明见第三章。2.3 设计方案通过放大电路、滤波电路与整形电路出来的信号为脉冲信号。脉冲信号的频率是指在单位时间由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即。可以看出测量fx必须将N或t两个量

30、之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。对于不同的频率围，有三种不同的测量方法。1、周期测量法：采用单片机的一个定时/计数器，以单片机的标准机器周期作为标准时基信号Ts。被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx，因此被测信号周期为，每分钟脉搏跳动次数为。2、频率测量法：也叫倍频法，根据频率计的原理，将被测信号倍频后，测量其在闸门时间的脉冲个数，即为心率值。例如设心率为每分钟n次，则频率测量电路不直接测量心率脉冲数，而用一个计数器的8倍频后的信号进行计数，并规定计数时间为7.5秒，则7.5秒的计数值为（8n/60）7.5=n。可见，该计数值恰好等于所需测定的心率。此次设计采

31、用频率测量法，这种方法采用的电路结构简单，易于实现，可以在几秒测得相对可靠的心率值。第三章 硬件电路设计3.1 心率计工作原理框图本次数字心率计的设计可分为以下几个模块：测量电路、放大整形电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路等。其原理方框图如图3-1所示：传感器放大滤波整形倍频电路计数译码显示闸门、控制电路图3-1 心率计原理框图1、传感器部分。选用合适的传感器，将物理信号转换成电信号输出。传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力与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。2、信号放大电路部分。从传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。所以，设计信号放大电

32、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。3、滤波与整形电路。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。4、倍频电路。提高整形后脉冲信号的频率，以此在短时间测得心率的数值。5、闸门电路。产生短时间的控制信号，控制测量时间。6、控制电路。用以保证在基准时间控制下，使倍频后的脉冲信号送到计数器进行计数。7、显示电路部分。 由计数译码后的心率值最后送往LED显示电路直观地显示出来。所以，需要选用合适的显示设备与显示电路，来实现心率值的显示。考虑到每个模块都可以有多种实

33、现方案，下面通过比较各种方案，来选择最优化的实现方案。3.2 电源供电电路心率计的正常测量、信号输出离不开电源。根据心率计的工作原理，电源可以采用交流供电和直流供电两种方式。通常情况下，交流电压采用220V的电压等级，直流电压采用5V15V的直流电压等级。3.2.1 采用交流220V电源供电方式交流220V的供电方式主要原理是，通过整流桥进行整流滤波，将交流电压变为直流电压再给心率计进行供电。主要工作过程是，先利用隔离变压器将220V的电压进行降压，得到所需电压，然后通过整流设备进行整流、滤波，再输出稳定的直流电压提供给心率计。3.2.2 采用直流电源供电方式便携式心率计一般采用三节5V直流干

34、电池直接对电路进行供电，这种供电方式方便、实用。这次心率计设计中，交流供电、直流供电两种方式我们都可以采用。也可以同时采用两种供电方式在仿真实验中实现。3.3 测量电路心率信息的采集，是要依靠测量电路来实现的。测量电路在心率测量过程中起着“先行官”的作用。没有准确的测量，那么一切数据信息都将没有意义。实现测量目的的重要元件就是传感器。当前传感器技术发展迅速，我们可以在设计过程中选用技术成熟的成型传感器。根据前面的方案论证，满足心率计要求的传感器有：光电式传感器和压电式传感器。我们此次设计选用压电式传感器。本设计以测量心脏跳动频率为目的，通过查阅大量相关资料，常用的心率测量可有以下三种方案：一是

35、通过测量单位血管长度血液流量的变化来测量心跳的频率；二是通过测量心脏跳动流过传感器时对传感器的压力的变化来测量频率；三是利用心脏跳动时的振动来测量。方案一：通过测量单位血管长度血流量的变化测心跳频率实现此种方式测量的传感器主要以液态传感器、光电传感器为主，这两种传感器均是利用血液流过传感器时，单位长度血管血液体积的变化引起电信号的变化。不同的是前者是引起传感器测量围电阻的变化，从而引起电压的变化，转化成电信号进行测量。而后者是由血液体积的变化引起光线通过人体后明暗的变化来触发光电传感器而得到电信号。这两种传感器都有较高的灵敏度，但也都有各自的缺点。液态传感器由于本身结构特点的限制使测量过程并不

36、十分方便，而光电传感器对光线通过人体的厚度有较高的要求，只能测量手指、耳朵等相对较薄的地方。这两种传感器均只能用于专业的医用领域和其他特殊领域，而不适用于家庭保健，因此不作为本次设计选用的传感器。方案二：利用心跳时的振动来测量此方案是利用心脏的跳动来触发振动传感器，这种振动传感器当在某一方向有振动时，传感器就被触发导通，没有外力时就不导通。但大多数振动传感器都具有方向性，且由于传感器结构的原因，大多广泛用于汽车、摩托车、自行车、家庭财产与贵重物品等各种不同类型的防盗报警装置上，在测量人体心跳、脉搏等方面很少用到，故此方案也不作为本次设计采用。方案三：通过测量对传感器的压力的变化来测量频率实现此

37、方式测量所选用的传感器多为压电传感器和电容式传感器，其工作原理是利用人体的血压变化来测量心跳频率的变化，人体心脏在跳动的过程中，血压也随着心脏的跳动而变化，进而引起力敏元件的物理效应，转换成电信号进行测量。电容式传感器灵敏度高，动态响应好，但输出阻抗高，负载能力差，受寄生电容影响大，输出特性为非线性，不适合本设计采用。压电传感器是利用压电材料的压电效应来进行工作的，所谓压电效应就是某些材料在沿着一定方向受到外力作用时，部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变。压电材料所产生的电荷量与外力的大小成正比。压

38、电式传感器大多采用差分式电桥结构，此种传感器技术相对比较成熟，灵敏度高，结构简单，工作可靠，质量轻，应用广泛，比较适合本设计采用。作为家庭生活保健用品，选择一款质量、体积都比较小，性能稳定的，价格适中的压电传感器为妙。3.4 传感器的性能3.4.1 传感器的型号选择本次设计选用半导体压力传感器2S5M，其敏感元件为半导体应变片，应变片受到压力后电阻的变化可用下式表示： （3-1）其中 R电阻的变化量； R应变片的电阻； K应变灵敏系数； 应变；泊松比； 应变片的电阻率；电阻率的变化量。式中第一项决定于电阻体的大小和形状，第二项决定于电阻率的变化量。金属应变片的应变系数K较小，K最大为二。但半导

39、体应变片由于压敏电阻效应引起很大的电阻变化，K可达100到150.因此半导体压力传感器的分散性很大，这给成批生产带来不便，需将放大器的增益设计成可调的。该传感器的初始偏压在-10mV左右，利用偏移电压相互补偿，可达到0，实现零点温度补偿。3.4.2 传感器的供电电路压力传感器2S5M用恒流源供电比用电压源供电的测量精度高，故测量电路采用恒流源供电的形式。这里的电流源不是采用电流源元件，而是用运算放大器电路取得，具体的电路见下图，27k和3k电阻分压，集成运放的输出电流即为传感器的输入电流，这个电流不随负载（即传感器）的变化而变化，基本是一个恒流源，保证了测量精度。图3-2 恒流源原理图运放的正

40、输入端其电位为：（3-2）其中要求27k和3k电阻的阻值极为精确，其温度系数要小，应选用金属膜电阻。运放的负输入端电位为： （3-3）因此，运放的输出端的输出电流即传感器的输入电流： （3-4）传感器的桥式电阻为0.89k,因此传感器2S5M上的压降为：（3-5）再加上电阻375上的压降为：（3-6）因此电源电压完全满足要求。3.5 放大电路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。方案一：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

41、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3-3 同相比例放大电路从图 3-2中可以得到：（3-7）（3-8） （3-9）（3-10）考虑到每个人个体之间的差异，人与人之间脉搏信号的强弱不同，反映在脉搏波形中即是幅度不同。为了使该设计能适用于不同的人，在设计的时候，R1采用滑动变阻器，通过调节其电阻，可以改变放大倍数。方案二：用多级级联的单管放大电路放大一般情况下，单管放大电路的电压放大倍数只能达到几十倍，放大电路的其他技术指标也难以达到实际工作中提出的要求，因此，在实际的电子设备中，大都采用各种各样的多级放大电路。但是此方案的电路的元

42、件较多，集成运放简单可靠，且同相比例放大电路输入电阻高，所以此次设计选用LM324组成的同相比例放大电路来放大被测信号。3.6 滤波整形电路要求心率计在计数的基础上，通过数码管将测量的数据显示出来，这就必须将模拟信号转换成可以计数的数字信号。这部分的实现是通过滤波整形电路来完成的。这个模块的电路可分为滤波电路和整形电路两部分。3.6.1 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3-4 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一

43、样，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3-5 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：（3-11）（3-12）（3-13）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

44、波器电路一样。二阶有源低通滤波器电路图如下图所示：图3-6 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，通常放大倍数为1.6倍左右。3.6.2 整形电路心率计设计中，整形电路的主要作用就是将经过放大、滤波的模拟信号转换成数字脉冲信号，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。方案一：利用集成运放组成的电压比较器

45、根据比较器的阈值电压和传输特性来分类，常用的比较器有过零比较器、单限比较器、滞回比较器和双限比较器等。各种类型的比较器可由通用集成运放组成，也可选用专用的集成电压比较器。相对来说，通用集成运放组成的比较器工作速度比较慢。集成电压比较器工作速度比较快，且在要求同样的响应时间时，集成电压比较器的价格比较低廉。此外，集成电压比较器的输出电平一般可与TTL等数字逻辑电平直接兼容，而无需外加限幅电路。各种比较器中最简单的一种是过零比较器，根据过零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V，电路如图3-7所示。集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。当输入电压ui0V时，UO=-UOM。因此，

46、电压传输特性如图3-8。 图3-7 过零比较器 图3-8 过零比较器的传输特性过零比较器电路简单，可实现波形的整形作用。方案二：利用555时基电路1. 电路组成与工作原理图3-9555定时器构成的施密特触发器（1） VI =0V时，Vo1输出高电平。（2）当VI上升到时 ，Vo1输出低电平。当VI由 继续上升，Vo1保持不变。2. 电压滞回特性和主要参数电压滞回特性图3-10 施密特触发器的电路符号和电压传输特性主要静态参数（1）上限阈值电压VT+VI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值 。（2）下限阈值电压VT- VI下降过程中， vO由低电平VOL

47、跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值 。（3）回差电压VT,回差电压又叫滞回电压，定义为VT= VT+VT =（3-14）若在电压控制端VIC（5脚）外加电压VS，则将有VT+=VS、VT=VS/2、VT= VS/2，而且当改变VS时，它们的值也随之改变。方案三：用集成施密特触发器图3-11 74LS14D图形符号由于集成施密特触发器电路简单，工作可靠，故此次设计的整形电路选用集成施密特触发器74LS14D。3.7 倍频电路要在短时间完成每分钟心跳次数计数功能，而在整形电路中，整形后的信号与原信号的频率是一样的，如果要测其每分钟脉冲数，则至少应测量一分钟才可以实现，为了缩短测量时间，必须将

48、整形后的信号的频率加倍，这样就可以满足在短时间完成测量任务的要求。显然，若将原信号频率变为原来的N倍则测量时间就可以缩短为原来的1/N。因此，此次设计采用倍频电路来提高被测信号的频率，减少心率测量的时间。3.7.1 利用CD4046锁相环与计数器构成的倍频电路CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600W，属微功耗器件。其引脚图如下：CD404618916图3-12 CD4046的引脚图CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能： 1脚相位输出端，环路人锁时为高电

49、平，环路失锁时为低电平。 2脚相位比较器的输出端。 3脚比较信号输入端。 4脚压控振荡器输出端。 5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 6、7脚外接振荡电容。 8、16脚电源的负端和正端。 9脚压控振荡器的控制端。 10脚解调输出端，用于FM解调。 11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器的输出端。 14脚信号输入端。 15脚部独立的齐纳稳压管负极。3.7.2 利用简单门电路等组成的二倍频电路级联二倍频电路有多种，下面是一种实用的二倍频电路。图3-13 实用二倍频电路图 其工作原理为：当输入信号由0正跃到1时，1端输出由0正跃到1，由于电阻和电容的存在，电容被充电，2端输出

50、按指数规律上升。在上升到Uth前，电路输出为高电平1。一旦2端输出上升到大于Uth时，电路输出又由1负跃到0。当一端输出负跃到0时，电路输出由0正跃到1，一端输出0，这时电容经电阻放电，在2端输出下降到Uth时，输出又由1负跃到0，从而实现了二倍频。图3-14 快速二倍频电路图把二倍频电路级联起来就可以实现4倍频、八倍频、16倍频等倍频电路。在Multisim中不存在CD4046元件，且创建新元件是一项浩大的工程，而用门电路组成的倍频电路简单易行，可实现2的N次方倍频。所以此次设计中的倍频电路选用门电路组成的倍频电路。3.8 控制电路由于在题目中要求在短时间测得实验结果，因而需要一个电路来控制

51、整个电路的运行、复位、自启动等，控制电路是用来控制计数脉冲的输入以与控制计数器的工作状态，在心率计设计中起到“闸门”的作用。控制电路设计的好坏直接影响到整个心率计的性能。这个任务由本部分电路实现。3.8.1 闸门信号的产生闸门信号的功能是产生一个闸门脉冲信号，以控制在该时间完成一分钟的测量任务，该功能的实现可由以下方案来实现。方案一：采用CMOS石英晶体多谐振荡器与分频器构成的时间基准电路图3-15 石英晶体多谐振荡器说明：图中4060BD的3脚输出频率为2Hz的方波信号，经D触发器二分频后1脚输出脉宽为1s的方波信号。振荡频率由石英晶体自身决定，这里如果取f0=32768Hz，经过分频器（分

52、频器可由各种进制的计数器实现，比较简单，不再叙述）分频，可以得到一系列低频信号。其优点是产生的时间基准十分精确，误差小，电路稳定，缺点是只能产生频率为2n的方波信号，在本电路中需要7.5s与15s的时间信号，因而需要将上述基准信号进行42分频得到周期为1s的方波信号，然后再通过5进制与15进制的计数器得到相应的时间控制信号，这样电路接线极其复杂，成本高，不易调试。方案二：用555定时器构成的多谐振荡器图3-16 555定时器的电气原理图和电路符号(a)原理图 （b）电路符号1555定时器部结构：（1）由三个阻值为5k的电阻组成的分压器；（2）两个电压比较器C1和C2：v+v，vo=1； v+v

53、，vo=0。（3）基本RS触发器； 图3-17 电压比较器（4）放电三极管T与缓冲器G。2. 555定时器构成的多谐振荡器如下图所示，R1、R2、C是外接定时元件。图3-18 用555定时器构成的多谐振荡器其工作原理为：起始状态：接通电源前电容C上无负荷，所以接通电源瞬间，C来不与充电，故Uc等于0，比较器C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器Q=1，Q=0，Uo=Uoh，Td截止。暂稳态：Q=1、Q=0、Uo=Uoh,Td截止，是电路的一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充电、电压缓慢升高的渐变过程在进行着，时间常数是1=（R1+R2）C。自动翻转：当电容C充电，Uc上升到时，比

54、较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0、Q=1、Uo=Uol，Td饱和导通。暂稳态：Q=0、Q=1、Uo=Uol，Td饱和导通，是电路的另一种暂稳状态,因为在这种状态下，同样有一个电容C放电、Uc缓慢下降的渐变过程在进行着，时间常数是2=R2C。自动翻转：当电容C放电、Uc下降到时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转为1状态，Q=1、Q=0、Uo=Uoh,Td截止，即暂稳态。3.振荡参数暂稳态维持时间： （3-15）暂稳态维持时间： （3-16）电路振荡周期: （3-17）电路振荡频率: （3-18）占空比： （3-19）上面的电容的充电时间总是大于放电时间，

55、输出的波形不可能对称，所以选用占空比可调的多谐振荡器，其电路图如下：图3-19 占空比可调的多谐振荡器电容充放电时间为： （3-20） （3-21）占空比：（3-22）只要改变电位器活动端的位置，就可以方便的调节占空比q，当R1等于R2时，q=0.5,输出脉冲将成为对称的矩形脉冲。此次设计采用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器，不同的倍频还需对输出的信号进行分频。分频采用芯片4024BD，其管脚图如下：f 4024BD121196543cp14Vdd图3-204024BD的引脚功能图如上图所示，用4024芯片可以将信号进行2分频、四分频、八分频到128分频，此次设计即采用555定时器组成

56、的多谐振荡器和芯片4024组成闸门电路。3.8.2 启动清零的控制整个电路的启动、清零的控制将由这部分电路来完成，方案有可自启动与自动清零、手动启动自动清零和手动启动手动清零等电路，比较之下，手动启动手动清零电路最简单，且易于实现，因此此次设计选用手动启动手动清零电路来控制电路的启动和清零。开关可选用单刀单掷开关和双刀双掷开关，可控制555电路的启动和计数器的清零与被测信号的通过，具体电路见第四章的仿真电路。3.9 计数译码显示电路本次心率计要能够用三位十进制显示，数显管用七段LED数码管，并且要有锁存的功能。此模块电路的传统设计思路是由计数芯片进行计数，然后经过译码、锁存，最后经过驱动芯片，

57、来驱动数码管进行显示。但在计数、译码、锁存以与驱动等芯片的选择上有所区别，不同的芯片功能有所差别，相应的电路设计也有差别。此电路的框图如下：计数器译码锁存器显示器图3-21 计数译码显示电路框图计数器选用芯片4518BD，它是双四位二进制加计数器，其引脚图和真值表如下：图3-22 4518BD的符号图表3-1 4518BD的真值表CPENMR工作方式上升沿HL加计数L下降沿L加计数下降沿XL不变X上升沿L不变上升沿LL不变H下降沿L不变XXH输出0其引脚功能如下：CP1：时钟输入端。EN1：计数使能端。1A，1B，1C，1D：计数输出端，输出为二进制。MR：复位端，高电平有效。本次设计中译码锁

58、存器选用芯片4511BD，它是7段BCD锁存译码驱动器，其引脚图如下：图3-23 4511BD引脚图 表3-2 4511BD的真值表ELBICTDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000blank011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011111118011100111100119111XXXX*其他0000000Blank其引脚功能说明如下

59、：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，数码管不显示任何东西。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出，LE=1时译码器处于锁定保持状态。LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1时，LT=0时，数码管将全部显示这主要用于测试7段数码管有没有物理损坏。A3,A2,A1,A0为8421BCD码输入端，高位到低位依次为A3A0。a，b，c，d，e，f，g为译码输出端，输出高电平有效。第四章 仿真结果与分析4.1Multisim2001的功能与特点Multisim2001是电子线路仿真软件EWB(ElectronicsWorkbench，虚拟电子工作台)的升级版。Multisim是一个完整的设

60、计工具系统，提供了非常强大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能FPGA/CPLD综合RF设计能力和后处理功能。还可以进行从原理图到PCB布线工具包（如Electronics Worbench的Ultiboard）的无缝隙数据传输。Multisim2001用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。Multisim2001是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim2001的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可很方便地在工程设计中使用