图 4-2-1-1 同相比例放大电路
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。
3 系统概述
本设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。
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 3-2-2-1 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：
（4）
传感器
放大滤波整形
单片机控制
是否报警
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，
4.2 放大滤波整形部分
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。
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。
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。
传感器
放大滤波整形
计数电路
比较电路
控制电路
译码显示
报警电路
（2）
图 2-2-1 方案一系统框图
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
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 60~80 次/分钟，老年人为 100~150 次/分钟，婴儿为 90~140 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。
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0.5—3mV
传感器
放大滤波整形 控制电路
四倍频电路
计数电路
报
警
电
路
译码显示
比较电路
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 通过软件进行仿真
传感器
放大滤波整形
计数电路
比较电路
闸门、控制电路
译码显示
报警电路
4 模块工作原理
图 3-1 整体设计框图
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。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。
Au
Uo Ui
Aup
1
j
f
f0
Aup 1 R2 R3
f0
1 2
RC
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=1.6kΩ，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 本设计电路如下图所示
传
放
有
电
感
大
源
整
平
器
电
滤
形
转
路
波
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：
本设计放大电路如图所示：