课程设计————电子心率计的设计.doc
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课程设计说明书正文 1: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;将其作为计数控制信号,用基准时间 一定的方波作为计数脉冲在一个心跳周期内计数,计数值N与基准时间T的乘积就是一次 心跳的时间。再对"60/基准时间T"个脉冲进行N分频,对分频后的信号计数,其计数值则 为本次心率数值。之后计数器计数值输入到显示器中显示,同时,将其输入的频率进行 F/V转换后与标准电压值作比较,若,测量值不在标准值范围内则报警,即LED灯亮。流 程图如下。 2:电路设计,元器件参数计算及选择 2.1:传感器的选择: 红外线检测原理: 随着心脏的博动,人体组织半透度随之改变,当血液流回心脏,组织半透度增大,这 种现象在人体组织较薄的指尖、耳垂等部位最明显。用红外发光二极管产生红外线照射 到人体上述部位,并用装在一旁的红外光电管来检测机体组织的透明度并转换成电信号 ,其信号频率与脉搏频率相对应并且其为低频近似的正弦信号。 TCRT5000(L)具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上,利用红外光谱反射 对象存在另一个对象上,操作的波长大约是950毫米。探测器由光电晶体三极管组成的。 2.2:后级电路的设计: 跟随器: 电压跟随器: 电压跟随器,顾名思义,就是输出电压与输入电压是相同的,就是说,电压跟随器 的电压放大倍数恒小于且接近1。 电压跟随器的显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低,一般来说,输入阻抗要达 到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更低。 在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的输入阻抗一般 比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输出阻抗比较小,那么信号就会有相当 的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起 到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是,提高了输入阻抗,这样,输 入电容的容量可以大幅度减小,为应用高品质的电容提供了前提保证。 仿真图: 黄色信号(下)为输入信号。 蓝色信号(上)为输出信号。 由图中可以看出,输入输出信号基本相等。 2.3:放大电路的设计 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660倍。 设计电路的原理如下: 信号输入端 信号输出端 其放大倍数的计算公式为 二级放大电路: 由图可知A1=20 ,A2=33 A=A1*A2=660 二级放大电路仿真图: 黄色信号(下)为输入信号(其一格为2mV) 蓝色信号(上)为输出信号(其一格为2V) 2.4:滤波器的设计 干扰信号对测量结果带来很大的误差,对信号进行分析与处理时, 常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题, 这些噪声有的是与信号同时产生的, 有的是传输过程中混入的。因此, 从接收的信号中消除或减弱干扰噪声, 就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性, 消除或减弱噪声,提取有用信号的过程称为滤波, 实现滤波功能的系统称为滤波器。在测量的过程中,对于心率计的信号干扰主要是高频 信号的干扰,所以设计的滤波器的为低通滤波器,通带截止频率设置为1000HZ,在所有 的低通滤波器中,二阶有源滤波器具有时域响应快,截止性能良好,并且有一定的电压 放大倍数的特点,故选择滤波器为二阶有源滤波器。 有源二阶滤波器基础电路如图1所示: 图1 二阶有源低通滤波基础电路 它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成,在集成运放输出到集成运放同相输入 之间引入一个负反馈,在不同的频段,反馈的极性不相同,当信号频率f>>f0时(f0 为截止频率),电路的每级RC 电路的相移趋于-90º,两级RC 电路的移相到- 180º,电路的输出电压与输入电压的相位相反,故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈,反馈信号将起着削弱输入信号的作用,使电压放 大倍数减小,所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减,只允许 低频端信号通过。其特点是输入阻抗高,输出阻抗低。 传输函数为: 令 称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率 则 要求截止频率f0=1000HZ;品质因数Q=0.707。低通滤波器的通带电压增益 =1.586。选择C=82nF,选择标准电阻R=9.09 KΩ,Rf=2.55 KΩ。 二阶有源滤波电路: 二阶有源滤波电
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