武汉纺织大学课程设计任务书课题名称：心跳速率检测器完成期限：2014年05月28日至 2014年06月12日院系名称机械院指导教师周国鹏专业班级测控1102 指导教师职称学生姓名景小飞院系课程设计（论文）工作领导小组组长签字目录摘要 (2)第一章方案论证 (3)1.1定时间测次数实现法 (3)第一章心率检测单元电路设计 (3)2.1传感器 (3)2.2放大整形电路设计 (4)2.3时基信号发生器设计 (4)2.4计数译码显示电路电路设计 (7)第三章总电路及原理分析 (12)3.1 数字心率计总电路及其原理说明 (12)3.1.1数字心率计电路工作原理 (12)3.2元器件的参数设定 (12)3. 3电路仿真 (13)3.3.1仿真软件介绍 (13)3.3.2电路仿真 (13)设计心得体会 (15)附录：参考文献 (16)摘要脉搏是常见的生理现象，蕴含着丰富的人体生理病理信息。
脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中的许多生理病的血流特征。
数字电子技术作为一门应用很广泛的科学技术，发展极其迅速。
要想学好这门技术，首先是基础理论的系统学习，然后要技术训练，进而培养我们对理论联系实际的能力，设计电路的能力，实际操作的能力，以及培养正确处理数据、分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。
课程设计作为对本课程的学习情况的检验，同时课程设计也对本课程知识的综合运用。
同时也加深我们对电子产品的理解。
这次我们课程设计的题目是制作一个心跳速率检测器，二脉搏往往与心跳速率息息相关。
根据人体脉搏信号特征，本文介绍了一种的由取样电路、放大整形电路、计数显示电路、电源电路四部分组成的新型心率计的设计方法。
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。
具有时基信号频率稳定，设置合理，计数器清零及时，瞬时心率周期内准确计数等优点。
测量范围为0～199 次/min，三位数字显示测量值。
关键词：脉搏，心跳速率，电路，设计第一章方案论证从医学常识我们可知心率略等于脉搏次数，所以本次课程设计我们将脉搏做为心率的采样处。
以脉搏次数作为心率。
在这里我使用定时计数法来测量心跳速率。
（1）传感器：将脉搏转换成相应的电脉冲信号（2）放大电路：对微小电脉冲信号进行放大；（3）时基信号发生电路：产生固定时间（1分钟活半分钟）的控制信号，作为计数器的门控，使计数器只有在此期间才进行计数；（4）计数、译码、显示电路：在门控信号作用期间，对电脉冲信号进行计数，并显示译码器译码，再由数码管显示数值；（5）电源电路：按电路要求提供符合要求的直流电源。
第二章心率检测器单元电路设计2.1 取样传感器为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。
取样电路采用抗腐蚀的陶瓷压力传感器CPS182。
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，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、与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。
2.2 放大整形电路放大整形电路如下图2-2-1所示，由晶体管9013与74LS00等组成，其中晶体管9013组成放大器将压电陶瓷传感器输出的信号进行放大。
与非门构成的施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为中规中矩的矩形波。
图2-2-1 放大整形电路2. 3 时基信号发生器设计时基电路是为了产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INT端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为四分之一分钟。
在此我们采用的是555的单稳态触发器加外围电路构成的时基信号发生器。
对于555定时器芯片，它由TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,这二者功能完全相同,不同之处是:TTL集成定时电路的驱动能力比CMOS集成定时电路大。
555定时电路是由三个5千欧电阻组成分压器、两个高精度电压比较器、一个基本R-S触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。
它的逻辑电路图为：如图2-3-1所示。
图2-3-1 555定时器逻辑电路图及555定时器逻辑符号功能描述：功能表如表2-3-1表所示。
当输入端R为低电平时，不管别的输入端为何种情况，输出为低电平,CMOS管工作。
当引脚6的输入电平大于2/3UDD并且引脚2的输入电平大于1/3UDD,输出为低电平,CMOS管工作当引脚6的电平小于2/3UDD 并且引脚2的输入电平大于1/3UDD,输出为原状态.当引脚2的电平小于1/3UDD,电路输出为高电平,NMOS管关断.表2-3-1 555功能表555定时器构成单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。
暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。
单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。
在没有加入触发脉冲前，电路处于稳态，输出端（555定时器引脚3）为低电平，U0=0.当输入端（5555定时器引脚7）的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂态，输出端为高电平，U0=1。
而后电源电压VCC通过电阻R开始向电容C充电，当充电到U0=2/3VCC时，电路又还回到稳态，输出端重新回到低电平，U0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。
暂稳态持续时间（输出脉冲宽度Tw）只取决于外接电阻R和电容C的大小，Tw=0.1RC。
单稳态电路的工作波形如下图2-3-2所示图2-3-2 单稳态电路的工作波形根据原理，时基信号发生电路图如图2-3-3所示图2-3-3 时基信号发生电路图此电路的核心是555定时器，其本质也就是一个单稳态触发器，按键接地并与电阻R4串联接高电平VCC，当没按下键时2脚输入为高电平，555定时器内部晶体管饱和导通，电容C2短路，7脚一直为低电平，则3脚输出为低电平经过非门输出高电平，当按下键时，2脚变为低电平，555定时器内部晶体管截止，经过电位器RV1对电容C2充电，当C2两端电压尚未达到VCC 2/3VCC时，3脚输出为高电平经过非门输出低电平，当C2两端电压达到2/3VCC时，3脚输出为低电平经过非门输出恢复高电平，输出低电平持续的时间由电位器RV1和电容C2来确定，计算公式为：t=1.1RC，其中电容C1为小电容，作用是为了滤除高频干扰，一般取100Pf。
2. 4计数译码显示电路电路设计本次课程设计为了电路的简单，我们采用CD4553作为计数器。
对于这块芯片有两个与一般的芯片的不同之处:(1) 有多功能：锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等。
(2) 是三位10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
图2-4-1 CD4553组成方框图图2-4-2 CD4553管脚图CD4553的组成方框图及管脚排列图2-4-1、图2-4-2所示。
功能表见下表2-4-1表.下面简要说明这些管脚的功能：（1）CL(引脚12)为计数器的脉冲输入端。
（2）INH（引脚11）计数允许控制端，当INH为“0”时计数脉冲有CL端进入计数器，而当INH为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止钱的最后计数状态。
（3）LE（引脚10）为锁存器允许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存器内信息。
（4）R（引脚13）为复零端，当R=1时，计数器输出Q0—Q3皆为0.（5）输出哪一位的计数值由选脉冲DS1—DS3控制（低电平有效）。
（6）溢出OF（引脚14），当CD4553每计满1000个脉冲时。
溢出端输出一个脉冲，而后有重新开始计数。
输入输出R CL INH LE0 上升沿0 0 不变0 下降沿0 0 计数0 ╳ 1 ╳不变0 1 上升沿0 计数0 1 下降沿0 不变0 0 ╳╳不变0 ╳╳下降沿锁存0 ╳╳ 1 锁存1 ╳╳0 Q1=Q2=Q3=Q4=0表2-4-1 CD4553功能表对于译码电路我们选用CD4511芯片作为电路的译码器。
译码器的功能就是把计数器CD4553输出的计数结果（BCD码）转换成七段字型码以驱动数码管，实现数字或符号的显示。
CD4511是常用的（BCD码）—七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，。
其输出的最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。
鉴于此本课程设计我们采用CD4511作为译码器。
CD4511有四个输入端A,B,C,D和七个输出端a～g，它还具有输入BCD码锁存，灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试端/LE、熄灭控制端/BI来控制。
CD4511的引脚排列图如图2-4-3所示，其真值表如下表2-4-2表所示。
由表2-4=2可见，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端a～g随输入端A～D端变化而变化，当LE=“1”时锁存器锁定，输出状态保持不变。
熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应是/BI为高电平。
另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各端全亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。
当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段全不亮。
CD4511的引脚图如图2-4-3所示：图2-4-3 CD4511的引脚图表2-4-2 CD4511真值表译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。
扫描显示方式的原理图如图2-4-4所示。
该图为三位LED显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对共阴极LED数码管）D1,D2,D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2,DS3控制（本设计电路中DS1—DS3经三极管BG1—BD3控制D1—D3），从而实现各位的分时选通显示。
但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。
扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描的频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入电容Cs值调整来决定。
在这里我们选取1000pf。
对与数码管的限流电阻根据数码管的电流允许大小来设置。
将电路中的其中一位显示电路单独列出进行分析，如图2-4-4图所示：图2-4-4 一位数码管显示电路连接图限流电阻R1—R7可按下式进行估算：17OH D CE SU U U R I ---=（式 2-4-1）式2-4-1中式中OH U 为CD4511输出高电平（≈DD VV ）, D U 为LED 正向工作电压（约为1.5—2V ），CE U 是三极管T 的管压降（约1V ），S I 为数码管的笔 端电流（约为5—10mA ），则可求得R1—7约为0.5K Ω。