课程设计指导教师评定成绩表指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日重庆大学本科学生课程设计任务书说明：本表除签名外均可采用计算机打印。

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目录摘要 (4)1.绪论 (1)1.1心率检测的意义 (1)1.2心率检测的传统方法 (2)2.总体方案设计 (3)2.1系统方案概述 (3)2.2系统方案的优势 (3)2.3心率测量的系统框图 (4)3.单元电路的设计与选择 (5)3.1传感器模块 (5)3.1.1传感器的选择 (5)3.2放大模块 (5)3.2.1放大电路的设计过程 (5)3.3低通滤波器 (7)3.3.1低通滤波器的设计过程 (7)3.4带阻滤波器 (8)3.4.1带阻滤波器的设计过程 (8)3.5整形模块 (10)3.6 555定时 (11)3.7计数、译码显示模块 (14)3.7.1 74LS160D同步计数器 (14)3.7.2 74LS48译码显示 (14)3.8数值比较模块 (18)3.8.1比较原理说明 (18)3.9报警模块 (19)4.总体电路设计 (21)4．1总体电路的介绍 (21)4.2总体电路的工作过程 (21)4.3总体电路图 (21)5.心得体会 (23)参考文献 (24)摘要该设计采用压电传感器进行人体心率实时采集，通过放大、滤波、整形，实现对输出微弱的心率信号的处理。

用555定时器产生60s方波，在定时时间内对采集的心率信号进行计数。

采用高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块，实现对心率的测量与显示。

方案讨论了放大电路，滤波电路，整形电路，计数、译码、显示，555定时电路，数值比较电路的各项指标及参数选取的合理性，从而实现心率测量仪的高稳定性，强抗干扰力，并可实现心率的显示及实时跟踪，同时对于心率过缓以及心率过低现象实现自动报警，具有极强的实用性。

关键字：心率检测，压电传感器，信号处理，自动报警1.绪论心率是指心脏跳动的频率，心脏每分钟跳动的次数。

正常人平静时每分钟60到100次，运动时心跳会加速，心肺功能较好的运动员会比正常人的心跳要慢。

心率是人体中一个非常重要的生命信息，而传统的脉诊由于其定性化和主观性影响了心率测试的精度，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。

心率是指单位时间内心脏搏动的次数。

一般指每分钟的心跳次数，是临床常规检查的生理指标。

心动过速和心动过缓都会影响人的健康，尤其对心脏有问题的人来说，心率监护是一个很重要的指标。

成人每分钟心率超过100次，称为心率过速。

心率过速分生理性和病理性两种。

生理性心率过速是很常见的，许多因素都影响心率，如体位改变、体力活动、食物消化、情绪焦虑、妊娠、兴奋、恐惧、激动、饮酒、吸烟、饮茶等，都可使心率增快。

此外，年龄也是一个因素，儿童心率往往较快。

正常人心跳次数是60～100次/分，小于60就称为心动过缓。

心动过缓有几种类型，最常见的是窦性心动过缓。

窦性心动过缓可分为病理性及生理性两种。

生理性窦性心动过缓是正常现象，一般心率及脉搏在50～60次 /分，运动员可能会出现40次的心率，不用治疗，常见于正常人睡眠中、体力活动较多的人。

心率或脉搏小于50次多数为病理性，需要治疗，严重者要安装心脏起搏器来加快心率。

心率作为血液循环机能的重要生理指标而在运动中被广泛地应用。

运动中，心率随机体代谢需要而增加，在一定范围内可反映运动强度、机体的代谢水平，在有氧运动中常用心率作为控制运动强度的指标。

运动后，心率的恢复又可作为评定运动负荷适宜与否以及心脏机能状态的指标和依据。

安静状态时基础心率的测定，在医务监督中则可作为判断某一阶段机体是否有过度疲劳和评定运动员训练程度的指标。

1.1心率检测的意义心率是指人体心脏每分钟搏动的次数．它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。

同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。

因此，设计一种可长时间记录、显示和存贮心率值，可与微机通讯并具有较强抗干扰能力，能对超出正常范围的心率进行报警的心率智能检测电路是十分必要的。

1.2心率检测的传统方法性价比较高的方法是红外法，原理是动脉血以“脉冲”方式流动，导致皮下红外反射率的些微差别。

该法受皮肤影响会造成测量误差，主要用于个人保健，该法是最常用的保健心率测量法。

最便宜的方法是电阻法，动脉血流动时的电阻率会发生改变，检出改变即可获得心率，不过该法便宜的结果是误差明显，受皮肤的影响很大且因人、因时而异。

本法基本上是“游戏”性质，楼主提及的MP3应该就是用的这种方法。

另外还有一种方法——心电位法，其实就是测量心电图的方法，精确且能获得多种心跳参数，但因使用方法和电极安放均非常专业化，故仅用于某些心脏病患者的远程监控。

2.总体方案设计2.1系统方案概述本设计通过压电传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大及整形电路对其进行放大整形，然后将放大整形后的脉搏信号转换脉冲信号。

通过555定时器构成的单稳态触发器和十进制同步计数器/译码器对脉冲信号进行处理，最终在7段数码管中直观地显示出来。

同时将计数的结果通过数值比较器进行比较，不在正常范围内进行报警。

本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后给出总体电路和工作原理。

2.2系统方案的优势过去人们测量心率时常用的方法是使用测量脉搏的听诊器，或者使用吸附在人体上的电极等老式测量方法，这些方法操作不方便且计数也不准确。

随着电子技术飞速发展，数字化时代给人们生产生活带来了极大的方便，数字式心率检测的研究及其应用也不例外。

采用压电传感器检测采集人体的脉搏，检测的部位为被检测人的任意一个手指或者是耳垂。

检测的基本原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。

当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。

这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。

2.3心率测量的系统框图3.单元电路的设计与选择3.1传感器模块3.1.1传感器的选择为了把心率信号转换为电信号，采用压电传感器。

一种是石英晶体，另一种是压电陶瓷。

前者温度稳定性和机械强度高，工作温度范围宽，转换精度高。

后者是人工制造的压电材料，优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜。

而且目前应用更多的是压电陶瓷，它在性能上满足了心率测量仪的要求，关键是成本低。

因此本系统采用压电陶瓷片作为传感器。

3.2放大模块OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A 为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

对放大电路的要求有(1)输入阻抗高，输出阻抗低；(2)放大倍数要合适，考虑到芯片的工作范围，放大到3-5V左右比较合适；(3)低频响应好；(4)温度漂移小；(5)抗干扰能力强。

选用OP07低噪声放大器，其具有如下优点：（1）最大150uV超低偏移；（2）低失调电压漂移；（3）高电压工作范围。

对于0.2V 输入信号，对其放大25倍，以实现后级比较输出。

3.2.1放大电路的设计过程本设计采用基本同相放大器，放大倍数等于R3/R2=100。

图3.1放大电路图图3.2放大电路的仿真图分析：从上图可以看出通道A为输出信号，通道B为输入信号（以正弦信号模拟心率信号），当输入信号为300uv时，输出信号为30mv，放大了100倍。

3.3低通滤波器低通滤波器允许通过低频信号，抑制或衰减高频信号。

由于心率信号极其微弱，容易受外界干扰，其中肌电干扰为甚。

肌电干扰是指由于人体肌肉颤动所引起的噪声信号。

这种噪声信号是不规则的。

肌电干扰信号的频率在10-3000Hz之间，电压从几十微伏到几毫伏之间。

3.3.1低通滤波器的设计过程1）选择C：2）计算K0引入参数值。

K0=100/(f0*C)=100/(1.6*20)=3.1253）选择R1、R2、RF、Rf、C1。

因KF=1，则表中R1=1.422，R2=5.399，Rf开路，RF=0，C1=0.33C。

将表中查的的阻值乘以引入参数得，R1=1.422*3.125=4.44K,R2=5.399*3.125=16.87K,C1=0.33C*20=6.6uF图3.3低通滤波器电路图图3.4低通滤波器仿真图3.4带阻滤波器带阻滤波器又称为陷波器，用于抑制某一段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。

由于心率信号极其微弱，故采用带阻滤波器抑制50Hz的工频干扰。

3.4.1带阻滤波器的设计过程1）选择C、R，计算KF。

a. 选择C，取C=0.068uF。

b. 选择R。

R=1/(2*pi*f0*C)=1/(2*PI*50*0.068*10^(-6))=46.81K，取R=47.0Kc. 求KF。

KF=2-[1/(2*Q)]=2-[1/(2*5)]=1.92)选择RF、Rf。

RF=(KF-1)*Rf=(1.9-1)*Rf=0.9Rf为了削弱偏执电流及漂移的影响，集成运放两输入端直流参数应对称，故RF//Rf=R+R=2*R，即0.9*Rf*Rf//(0.9*Rf+Rf)=2*RRf=4.22*R=4.22*47.0=198.4KRF=0.9*Rf=0.9*198.4=178.2k3)求2*C、R/2。

2*C取两个0.068uF的电容并联。

R/2=47/2=23.5K4)验算。

F0=1/(2*pi*R*C)=1/(2*PI*47*10^3*0.068*10^(-6))=49.8Hz。

5）计算Fh、fL。

FH={[(2-KF)^2+1]^(1/2)+(2-KF)}*f0=55.028HzFL={[(2-KF)^2+1]^(1/2)-(2-KF)}*f0=45.068Hz图3.5带阻滤波器的电路图图3.6带阻滤波器的仿真图3.5整形模块LM311是一款具有低输入漂移电压的电压比较器，其设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。

其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。

可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。

响应时间:200ns 。

经放大滤波后的信号为峰值10V的模拟信号，同时叠加250mV的噪声信号，为了便于后级计数器对脉冲计数，需要将模拟脉冲整形成方波信号。

其中整形的阈值电压的大小可以通过调节滑动变阻器的阻值和占空比而改变，此时设置的滑动变阻器的占空比是50%，阻值是20K。

图3.7 LM311H整形电路图图3.8 整形的仿真图3.6 555定时555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。