一、设计任务

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1.1   课题概述

本课题的要求是设计出一款数字心率计，通过传感器将测量的心率信号通过处理，能够用数码管显示心率大小出来，并且要求效率高。本课题的思路为用压力传感器测量人脉搏跳动，压力传感器的输出信号经一系列电路处理，形成可用于检测的脉冲信号，再经电路处理，最后由数码管显示其数值。 用multisim仿真软件进行电路的仿真设计。

1.2  系统功能要求

1、能够在15S左右的时间测量出心率的大小；

2、显示范围为 40~200次/分；

3、测量误差≤± 4 次/分；

4、3位七段数码管显示；

1.3 数字电路设计要求

1、在选择器件时，应考虑成本，使系统成本尽可能的低；

2、使设计的电路使用的芯片的种类和数量尽可能的少；

3、根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数；

4、传感器输出电压较小，频率较低，所以器件应该有良好的低频特性，且精度高。

1.4 EDA仿真实验要求

1、熟练使用multisim仿真软件；

2、电路连接排布整齐，美观

二、总体方案设计

2.1设计方案方框图

 

2.2  方案介绍

1、用传感器将心脏的跳动转换为电压信号，一般的传感器输出的电压很小，只有几毫伏的电压，所以需要用放大器进行放大。传感器输出的电压中，常常会伴有高频或低频电压，形成干扰信号，所以需要滤波器进行滤波，将干扰信号去除掉，由于信号频率很低，所以采用低通滤波器。将滤波后的电路，通过一施密特电路整形为方波，使电路计数方便。

   2、我们测量的心率为一分钟内的心跳次数，为了缩短测量的时间、提高测量的精度，我们可以选择测量15s内的次数，然后将次数在乘四倍，但是精度较低；所以我们将整形后的电路，通过四倍频电路将其频率变为原来的四倍，这时15s内测得的频率就为原来一分钟内的频率。

3、通过时间基准电路，产生一个周期为15s的信号来控制逻辑控制电路。当时基电路在控制周期内时，控制电路使闸门电路导通，计数器、锁存器工作，开始计数，当计数15s后，闸门电路关闭。这时通过译码电路将计数的大小显示出来，数码管显示的数字就为心率的大小。

三、单元电路设计

3.1  传感器的选择

采用MPX2050GP压力传感器

特点：该传感是带温度补偿的扩散硅压力传感器，它具有良好的线性和温度稳定，并且灵敏度高、造价低，是一种专门用于血压测量的传感器。

输出电压范围：-15mV到15mV。

    传感器灵敏度：0.8V/KPa

在multisim仿真中，用正玄波信号代替传感器产生的信号。

3.2  放大电路选择与参数计算

3.2.1  放大电路的选择

    放大电路采用电压串联负反馈电路，输入、输出电压恒定；在信号源与放大电路之间在接一电压跟随器，使负反馈放大电路输入电压稳定。经过放大器的放大后，使输出电压为5到10V。下图为放大电路原理图。

3.2.2  放大电路参数计算

1、集成运算放大器采用型号为LM324的集成运放，用正负15V的电压供电。

2、电压跟随器输出电压U0=UI,输出电压不变，只起稳定作用。

3、输入电压UI一般为10mV左右，想要使输出电压为5V到10V，则电压放大倍数为500；由电压串联负反馈电路电压放大倍数 Au=1+R1/R2，所以Au=500时，取R1/R2=500。

4、当R2=1K时，R1则为500K。

5、当输入电压为有效值为10mV，频率为60Hz时，放大后的输出电压波形如图所示：

3.3 滤波电路设计

3.3.1 电路的选择与计算

1、滤波电路选用同相输入有源低通滤波器，将叠加的高频波去除，电路原理图如图：

2、人心跳频率约为60到150次每分钟，所以最高频率为2.5Hz。考虑到其他因素影响，所以将频率高于5Hz的波形滤除掉，即此低通滤波器的截至频率为5Hz。

  3、截至频率f0=1/2πRC;所以1\RC=31.4；取R=10k，则电容C约为3uF;

4、此电路也有电压放大的作用，放大倍数为1+R2/R1，我们使它的放大倍数为1.1，来补偿因滤波器而损耗的电压；取R2=1k,则R1=10K。

3.3.2  滤波器电路图

采用型号为LM324的放大器，用正负15V电压供电。

3.4 整形电路的设计

3.4.1 电路的选择

   1、采用施密特触发电路进行整形，将模拟信号变为高低电平的数字信号

   2、施密特触发电路能够将边沿变化缓慢的信号变为边沿陡峭的信号，还可以有效去除噪音，能够实现波形的变换，将其他的波形变为方波，性能良好；

   3、用集成运放和电阻组成施密特电路

3.4.2  电路的设计与参数计算

  1、施密特电路的电压传输特性为：

施密特电路为：

2、采用同相的施密特电路，使正负阈值电压分别为3V、-3V；由UT=R1/R2UZ, UZ约为6V，所以R1/R2=1/2，取R1=1K，则R2=2K。

3、电路图为：

3.5 四倍频电路

3.5.1  电路原理

一个二倍频电路原理为：

电路由一个同或门与一个时钟上升沿有效的D触发器（连接成翻转器）组成，其中clk_in为外部输入时钟周期信号，clk_out为二倍频输出信号。下图为其输入输出波形：

根据上图可以看出，输出clk_out的频率变为clk_in频率的二倍。

在同或门的输入端，Q*信号上再加上一RC延时电路，就可以使输出高电平的时间延长，增大占空比。电路为：

3.5.2   电路图和计算

1、用两个二倍频电路串行连接，就构成了四倍频的电路；

2、两个电路的延时应不同，即两个电路RC不同；

3、取第一个电路R=500K,C=2uF,则RC=2S；第二个电路R=100K，C=2uF;

4、选择74LS86异或门芯片和74LS04非门芯片，两芯片组成一个同或门；选用74LS74芯片，74LS74芯片为上升沿触发的D触发器，D触发器的特征方程为Q*=D。

5、整体倍频电路为：

3.6 时间基准电路

3.6.1 采用电路

  1、时基信号是测量的基础，这个信号可以用多谐振荡电路产生，而多谐振荡电路可以用555定时器构成；

  2、要使有效电平维持时间为15S，所以周期要大于15S，我们采用占空比为50%的方波电路作为时基电路，则周期为30S。由于电路的频率太小，如果用555定时器直接产生，则误差会非常大，所以我们用多谐振荡器产生一个周期为1S的方波，然后再将其进行15分频，在将分频后的电路接入一个T触发器，作为T触发器的时钟信号 输入端，则T触发器输出的则为周期为30S，占空比50%的方波；

3、分频电路用计数器代替，计数器有分频的作用。用74LS161计数芯片作为分频的芯片，74LS161为十六进制芯片再将其用置数法接为十五进制的计数器，进位端输出的则为十五分频，74LS161的功能表为：

3、常用的555定时器为NE555定时器，NE555定时器的功能表为：

4、T触发器采用JK触发器制成，将JK触发器的J、K两端相接，则构成T触发器。JK触发器采用74LS76芯片。74LS76芯片的功能表为：

3.6.2 电路和参数计算

   1、用555定时器组成的多谐振荡器的电路原理图为：

2、要产生周期为1S的电路，则T=（R1+2R2）cln2;取电容C=1uF，则R1+2R2=1440K，取R1=R2，则R1=R2=480K；

3、将振荡电路的输出作为74LS161芯片的时钟信号输入端，将74LS161接成15进制芯片：

4、所以，时基电路为：

3.7计数和锁存电路

3.7.1 电路设计  

1、计数器对频率进行计数，锁存器是在控制信号结束时将记得的数进行锁存，使数码管能稳定的显示此时计数器的值；

2、计数器采用芯片74LS160，74LS160为同步十进制芯片。因为计数的范围为40到200，所以采用3片74LS160构成同步三位计数器，74LS160的功能表与74LS161芯片的功能表相同；

3、锁存器的输入为计数器的输出，锁存器采用74LS373；74LS373的功能表为：

3.7.2  电路图：

3.8 译码和显示电路

通过译码器和数码管将计数所得的频率数显示出来，译码器选用数码管显示专用译码器7448芯片，数码管采用共阳极数码管，为防止数码管电流过载，在7448芯片与数码管之间再加以电阻值为200的电阻；7448芯片的逻辑图为：

芯片功能表为：

译码显示电路总体为：

3.9 显示控制电路

  所有的功能子模块都有了，还需要控制电路将其有机的连接在一起。显示控制电路如图所示：

在时基信号有效时（高电平，计数器计数），电阻R13和电容组成的积分电路对与门输入端为高电平，而与门的另一个输入端为低电平，与门输出为低电平；在此时，计数器清零端为高电平，计数器正常计数。

当时基信号变为低电平时，由于积分电路的存在，与门会输出一段时间的高电平，使锁存器锁存当前计数值；当锁存完成后计数器清零端会输入低电平，使计数器清零，15S后计数器再次计数。这样就将计数器、锁存器、时间基准信号结合在一起工作。

四、电路的测试和仿真运行

4、1 总体电路运行调试

  1、 操作方法与运行过程：

  首先设置好正玄波的频率和幅值，即设置传感器的频率，人心跳的频率一般为1到2Hz，幅值10mV左右；然后运行电路，等待电路运行15S后，数码管就会显示心率的大小；然后电路会继续运行，计数器被清零，在有15S后电路重新开始计数，留有15S的时间让观察者观察，而数码管保持上次计数的大小，提高了效率，计数15S后数码管显示的数值为再次计数的心率大小。

2、测试

以正玄波代替传感器产生的信号，假设信号频率分别为1.7Hz、1.2Hz，有效值为5mV。则启动电路运行一段时间后，数码管理论上显示的心率为102次/min、72次/min；在计数器的输出端外加一个虚拟数码管，用以显示此时计数器的计数值。

运行15S后，信号频率为1.7Hz的电路数码管显示为：

与理论值相同。

  运行15S后，信号频率为1.2Hz的电路，数码管显示为：

 与理论值的误差为2，在误差允许的范围内。

4.2滤波电路测试

     我们设定滤波器的截至频率为5Hz，当传感器输出的电压中混有频率为50Hz的干扰信号时，在滤波器输出的信号波形为（通道一信号为传感器输出信号，通道二为滤波器输出信号）；

通过此图可以看出，可以将干扰信号有效的去除。

4.3 倍频电路测试

    倍频电路的功能是将原波形的频率变为四倍，通过下图示波器显示，通道一波形为倍频前的波形，通道二的波形为倍频后的波形，通过观察，在原波形运行一个周期后，倍频后的波形已经运行了四次，所以实现了将原波形的四倍频。

五 总体电路与元器件

5.1、元器件清单

5.2、总体电路图