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心率计设计报告.doc

心率计设计报告

白眼圈的猫熊
2010-12-28 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《心率计设计报告doc》,可适用于高等教育领域

电子心率计设计课程设计说明书:课程设计任务书课程设计题目电子心率计设计学院光电工程学院专业测控技术与仪器年级任务要求心率计是用来测量一个人心脏单位时间跳动次数的电子仪器也是心电图的主要组成部分设计一个电子心率计要求实现在短时间内测量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。性能指标要求、测量范围:正常心跳次数成人为~次分钟婴儿为~次分钟老人为~次分钟正常范围可以设定。、​ 测量精度:测量误差≤±次分钟。、​ 报警指示:采用LED发光二极管。学生应完成的工作:、课程设计说明书。要求:内容完整图表完备字迹工整条理清晰分析有据计算准确。课程设计说明书应包括以下内容:a)​ 任务书b)​ 说明书正文​ 任务分析与方案设计​ 电路设计元器件参数计算及选择​ 电路原理框图及电路工作原理说明​ 本次课程设计的体会。c)​ 参考资料清单、完整电路图一张。要求:布局合理清晰完整线条粗细均匀一致图形大小适合图形和符号要规范。、所用元器件清单(序号、名称、型号、规格或数值、数量)。目前资料收集情况(含指定参考资料):童诗白、徐振英编现代电子学及应用高等教育出版社陈明义、宋孝瑞等编电子技术课程设计实用教程中南大学出版社陈晓文主编电子线路课程设计电子工业出版社课程设计的工作计划:年月日-年月日:根据设计任务收集相关资料年月日:在熟悉资料的基础上确定总体方案年月日-年月日:单元电路设计元器件参数计算年月日-年月日:完整电路图绘制年月日-年月日:完成课程设计说明书。任务下达日期年月日完成日期年月日指导教师(签名)学生(签名):课程设计说明书正文:任务分析与方案设计心率计是用来测量一个人心脏单位时间内跳动次数的电子仪器由于人体各部位心率一致所以通常测量人手臂处的脉搏即可测出人体心率。任务要求测出的心率为一分钟内心跳的次数并显示测量结果要与标准范围作比较不在标准范围内则报警。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。流程图如下。电子率及设计流程图:电路设计元器件参数计算及选择:传感器的选择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测量脉搏跳动次数。因此通常可选用压电陶瓷传感器测量。选择型号为CPS的陶瓷压力传感器。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mV:放大电路的设计如前所述传感器输出为微弱信号需进行放大后才便于后续电路的处理。考虑到后续电路中滤波器电路也具有信号放大的功能所以放大器的放大倍数不宜过大初步选择为倍。设计电路如下:信号输入端其放大倍数的计算公式为所以取Rf=kR=k得到A=。取R=k。运算放大电路的芯片选择型号为LM,其封装管脚图如下LM封装管脚图如上图所示LM芯片为但运放芯片其引脚功能为:和为偏置(调零端)为正向输入端为反向输入端接地为输出接电源空脚LM内部电路:滤波器的设计干扰信号对测量结果带来很大的误差所以设计滤波器是很有必要的。滤波电路主要由陷波器和带通滤波器组成。通常生活中的用电为Hz所以Hz的频率影响对测量的影响几乎无处不在工频干扰是心电信号主要的干扰源所以首先要考虑滤掉Hz的频率影响。陷波器主要用来滤除Hz的工频干扰带通滤波器主要用来着重放大所需的信号频段成分同时对其它频段成分也进行了进一步的放大。其电路原理图如下图前半部分所示。陷波器及带通滤波器电路原理图根据设计要求选择R=kΩC=μFR=kΩC=μF。A=WO=πfA为放大倍数f为中心频率Q为品质因数。所以f=HzQ=带通滤波器设计成反相输入的二阶有源RC滤波器。通过合理参数选择带通滤波器也是以进一步放大Hz~Hz的信号成分为主电路原理图如上图后半部分所示。根据设计要求选择R=kΩR=MΩC=μFC=μF。WO=πf所以f=HzQ=经过滤波器后信号的放大倍数为A=所以加上放大电路的倍放大倍数总的信号放大倍数为倍。滤波器电路中运算放大器选择为LM,与放大器中所选运算放大器型号相同其结构及性能参考其上。:整形电路的设计通常模拟信号从放大滤波处理后的信号还无法直接由计数器计数处理信号从滤波器出来后还需将波形整形可以整形为脉冲或者方波波形以便计数器计数。波形整形有很多种方法。可采用施密特触发器给波形整形整形后的波形为方波波形。施密特触发器可有门电路组成也有做好的芯片。选择芯片型号为的芯片其芯片外形及内部结构如下图所示:芯片结构图由图可知芯片内部由四个双输入单输出施密特触发器组成分别是引脚、输入脚输出引脚、输入脚输出引脚、输入脚输出引脚、输入脚输出脚接地脚接电源。虽然中有四个施密特触发器但在本设计中实际只需运用其中一组输入输出即可。功能真值表如下INPUTSOUTPUTABYLHHHHLLLHHLL功能真值表由功能真值表可知将一个输入端接地即接为低电平则当输入信号到达高电平时输出为低电平当输入信号到达低电平时输出信号为高电平这样就实现了对输入型号的整形。:倍频器的设计根据设计要求心率的定义为一分钟脉搏的次数但是测量一分钟时间太长不能快速得到被测人的心率值。通过增加心率计的频率即可减小测量时间得到一分钟的脉搏次数。例如在本设计中设计倍频器为二倍频这样只需测量时间定为秒即可测出一分钟的脉搏次数。虽然通过频率加倍的方法得到的心率值在误差方面比普通测量一分钟所得心率值误差较大但是对于心率来说小数点后的值几乎没有什么意义心率计所测值中有用部分为整数位所以采用二倍频所得值误差可以忽略不计。设计的二倍频电路图如下:二倍频电路其工作波形图如下:二倍频工作波形时序图将二倍频的输出端再接到另一个二倍频的输入端即可从输出端得到四倍频的信号。电路中,非门采用芯片型号为HC,HC是高数硅栅CMOS器件,其逻辑结构图如下:HC逻辑结构图由图可知,HC由六组反相器组成,、、、、、为输入端、、、、、为输出端脚接电源脚接地。电源电压为V输入电压为V工作环境温度为℃存储温度为~℃。电路中与非门采用芯片型号为其逻辑结构图如下:逻辑结构图如图所示为四组输入与非门芯片其中、、、、、、、为输入端、、、为输出端脚接地脚接电源。电源电压为V输入电压为V工作环境温度为℃存储温度为℃。功能表如下:INPUTSOUTPUTABYLLHLHHHLHHHL逻辑功能表:计数器的设计计数器是心率计的核心器件通过它测量脉冲次数从而测出心率。选用芯片型号为CD的芯片其芯片外形如下:CD引脚图引脚功能:CLOCK:计数脉冲输入端下调沿有效。  CIA、CIB:内部振荡器的外界电容端子。  MR:计数器清零(只清计数器部分)高电平有效。  LE:锁定允许。当该端为低电平时组计数器的内容分别进入组锁存器当该端为高电平时锁存器锁定计数器的值不能进入。   DIS:该端接地时计数脉冲才能进行计数。  DS、DS、DS:位选通扫描信号的输出这端能循环地输出低电平供显示器作为位通控制。  Q、Q、Q、Q:BCD码输出端它能分时轮流输出组锁存器的BCD码。  CD内部虽然有组BCD码计数器(计数最大值为)但BCD的输出端却只有一组Q~Q通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码相应地也输出位位选通信号。例如:当Q~Q输出个位的BCD码时DS端输出低电平当Q~Q输出十位的BCD码时DS端输出低电平当Q~Q输出百位的BCD码时DS端输出低电平时周而复始、循环不止。真值表:工作波形时序图:根据管脚功能可知计数值从QQ输出通过DSDS控制QQ的位数即个位十位和百位输出只输入到译码器译码显示同时输入到比较器中比较。在MR脚接一个与高电平相连的开关起手动清零的效果利用DIS脚接地时才能计数这一特性将其与定时器相连控制计数的开始于结束CLOCK脚即为将要计数的脉冲的输入端。:定时器的设计定时器与倍频器结合使用使测量时间不满一分钟也可测出一分钟内的脉搏次数。采用的定时器芯片型号为NE。引脚图如下:NE引脚图引脚功能:接地GND触发输出复位控制电压门限(阈值)放电电源电压VCC参数功能特性:供应电压V供应电流mA  输出电流mA(max)  上升下降时间ns存储温度范围  ℃至℃工作温度℃至℃定时器应用广泛接成不同的外围电路可实现不同的功能在这个设计中主要实现定时功能定时时间为秒其定时电路如下::NE接成的定时电路上图定时电路定时时间为Tw=RCln=RC由于设计的定时时间为秒Tw=所以取R=M,C=μ。:译码器的设计从计数器中输出的信号为四位BCD码不能直接输入到显示器中显示要先经过译码器译码输出七段显示代码才能供显示。采用的译码器芯片为CC,其逻辑结构图和引脚图如下:CC逻辑结构图CC引脚图引脚功能:AABCD码输入端YaYg七段显示代码输出端BI输出消隐控制端低电平有效LE锁存允许高电平有效LT灯测试低电平有效VDD接电源Vss接地参数特性:电源电压-V~V输入电压-V~VDDV输入电流±mA储存温度-℃~℃:显示器设计经过译码器译码输出信号为七段显示代码输入到七段数码显示管中即可实现显示功能。采用半导体数码管BSA显示其结构图如下:BSA外形图BSA等效电路外形图中DP端为显示数码管的小数点位本方案中不需用。由BSA的等效电路可知数码管有输出位将其接地。这里控制的接地与否可控制LED的导通与断开即控制每一个BSA的亮灭。在计数器中有DS,DS,DS三个控制个位十位和百位的输出端口通过这三个输出口的输出信号控制三极管开关的导通与断开即可实现三个BSA依次显示各位十位和百位。三极管选择A,A是PNP型三极管主要功用为开关主要参数是工作电压V,工作电流A。:比较器及报警过程设计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。同时标准范围有三种:老人次分婴儿次分成人次分。所以还要设置三个开关这三个开关可以是预设值范围选取开关也可以是比较器选择开关由于用预设值选择开关可以大大减少芯片使用数量所以我选用三个开关控制预设值的方法。比较器芯片选择:选用四位数值比较器LS。芯片引脚图如下:LS引脚引脚功能:AA数值A的输入端用它来做测量信号的输入端BB数值B的输入端用它来做预设值的输入端A>BA>B的级联输入端A<BoA<B的输出端A=BiA=B的级联输入端A=BoA=B的输出端A<BiA<B的级联输入端A>BoA>B的输出端。由于计数器输出为四位BCD码且有个位十位和百位的输出需要先后对百位十位和个位进行比较这样只用一片四位LS芯片明显不够用。由芯片的级联功能采用三片LS芯片级联成十二位的比较器依次比较百位十位个位。比较下限先比较百位若百位相等芯片内部逻辑结构三片四位LS级联成十二位比较器则比较十位若十位相等则再比较个位。若比较结果为A<B则测量值低于下限报警若比较结果为A=B则测量值在正常范围内不报警若比较结果为A>B则测量值可能在测量范围内由于输出端口输出为高电平打开三极管开关开启上限比较器上限比较器级联方式和下线比较器相同比较方法同理若超出上限则报警。预设值的设定:下限上限十进制数BCD码十进制数BCD码老人婴儿成人标准范围及其BCD码表BCD码由四位二进制数组成每一组表示百位或十位或百位这样可通过设置高低电平分别输入到比较器百位十位和个位的B口。标准值的选择可通过一刀三置开关控制高电平接电源低电平通过反相器得到这样就实现了预置值的输入。开关图如下:预设值高低电平设置图为防止各高低电平互窜各条高低电平引线加二极管单向导通二极管型号选为IN整个比较报警过程需要用到六片LS芯片两个三极管开关可选用A,前面已经有介绍七十二个二极管一个一刀三掷开关一个LED灯三个反相器可选用HC前面已经介绍一个芯片里有六个反相器所以可以与前面倍频器共用一个HCO芯片。这样整个心率计电路设计过程已经结束。:本次课程设计的体会这次课程设计经历了两周时间在这两周的时间内经历了许多问题。首先是对课程设计的兴奋毕竟这是第一次电类课程设计对我来说充满了新鲜感和好奇心想知道这个课程设计到底是什么样子也想知道我到底能不能做出个东西来其次是许许多多的疑问到底该怎么做呢要用到许多学过的知识但是过去的知识学的不好不牢靠而且过了这么久时间好多都忘了也要用到许多未知的知识怎样唤起过去的记忆和摸清未知的区域呢最后怎么把自己的想法付诸实践呢设计的过程中可能会有许多的想法想法是否正确或者怎么知道是正确的又怎么能去实现它呢?在这次设计过程中还是有很多体会的首先就是怎么系统的去做一件事情特别是对做一些未知的事情面对疑惑该怎么办其次做出来有一定的成就感最后学到的东西挺多的比如说图书馆借书要有目的的去借。怎样在网上收集所需资料网络是一个巨大的知识库。也借着这次机会复习了许多过去学过的东西比如数电模电还有office软件经过这次设计才发现自己的office知识多么浅陋还有orcad软件通过这次设计更加看清楚了这是一个怎样的软件。原来过去学过的东西还是非常有用的。:参考资料清单【】:阎石《数字电子技术基础》清华大学电子学教研组高等教育出版社年月第五版【】:杨素行《模拟电子技术基础简明教程》清华大学电子学教研组高等教育出版社年第三版【】:李正军李国强韩修恒《健身器材手握式电子心率计的研制》山东大学控制科学与工程学院济南【】:郝晓剑杨述平张连红《仪器电路设计与应用》电子工业出版社年月【】:吴慎山《电子线路设计与实践》电子工业出版社年月【】:张国雄金篆芷《测控电路》天津大学机械工业出版社年月【】:胡向东刘京城《传感技术》重庆大学出版社年月器件清单序号名称型号数量放大器LM片施密特触发器片反相器HC片与非门片定时器NE片计数器CD片比较器LS片显示数码管BASA片译码器CC片一刀三掷开关个按键开关个LED灯个三极管A个电阻Ω个KΩ个KΩ个Ω个MΩ个Ω个MΩ个KΩ个KΩ个电容μf个μf个μf个二极管IN个

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