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。

人类工作在高科技、高效率的环境中，其身体健康状况也显得日益重要并备受关注，而数显式心率测试仪就为社会的医疗保健提供了方便。

过去大多数医院测量心率主要采用手表计时切脉的方法。

由于受病人情绪变化以及测量人员主观因素影响，测量结果存在较大误差，而且费事费力。

随着电子技术发展，出现了心率仪，而且愈发智能。

但是由于价格昂贵等因素不适合大面积推广。

另一方面，人们对健康的追求越来越高，体育赛事要求越来越严格等，需要一种便携、灵活、准确的心率测试仪。

引言 (1)摘要 (3)1.总体设计方案 (4)1.1课题分析 (4)1.2总体方案 (4)2.模拟仿真软件介绍 (5)3.电路单元设计与仿真验证 (6)3.1传感器单元 (6)3.2 放大电路单元 (6)3.3滤波电路单元 (7)3.4整形电路单元 (9)3.5定时电路单元 (10)3.6计数电路 (11)3.7锁存、比较、显示单元 (13)3.8报警单元 (16)4.总体电路绘制及仿真 (17)4.1绘制的总体电路 (17)4.2电路工作原理 (17)4.3仿真结果 (17)4.4电子元件清单 (18)5.总结 (19)附录 (20)附录1 (20)附录2 (21)参考文献 (22)摘要本文主要设计一种便携式心率测试仪，该心率仪采用常见的电子元件实现，成本较低，能够实时采集并测量人体的平均心率，发现非正常心率信号并能及时报警。

由于传感器信号十分微弱，其幅度一般在毫伏的数量级范围，且夹杂着各种噪声和干扰，因此要求前置级放大电路具有高增益、高共模抑制比等技术指标。

实验结果表明，系统设计方案合理，实现了微小信号放大、显示及报警功能。

具有测量灵敏度高、实时性好、性价比高等优点。

关键词：心率测试，放大，计数，锁存，报警，显示1.总体设计方案1.1课题分析正常情况下，人的心率为每分钟60~150次。

我们要准确测量人的心率，应该使用传感器将心跳转化为电量进行测量。

根据设计要求，我们了解到，测心率跳动的传感器输出信号为0.2V，干扰信号幅值为0.01V。

且干扰信号的频率f ≥1KHZ。

因此我们需要以下几个基本单元：1.放大电路将传感器输出信号放大2.低通滤波器将干扰信号滤除。

3.定时电路。

要测定一分钟内的心跳次数，必须要有准确的定时电路。

为了便于实现，减少电路单元，本次设计我们设定时间隔60s。

4.计数单元。

计数单元是记录心跳次数所必需的。

要求此计数单元具有清零重新计数的功能。

5.显示单元。

正确显示心率。

为了便于读数，应选择十进制显示器。

6.比较报警单元。

根据设计要求，当心率N >150或者N<60时报警。

因此要有比较单元，以便与参考心率对比。

当心率不正常时，由报警器报警。

1.2总体方案经过分析，方案如下：传感器输出的信号放大滤波后，经过整形电路得到方波。

然后接入计数器计数，一定时间后显示心率，并判断是否报警。

本次设计的大致框图如图1所示。

图1 方案原理框图这些单元是设计心率测试仪所必需的。

在一定的控制信号下，这些单元协调完成心率测量。

2.模拟仿真软件介绍本次课程设计，为了保证顺利实现整体功能，要对所设计的各个单元进行实时模拟仿真，以检测是否达到预期要求。

我们选择用Proteus软件。

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。

Proteus所自带的仿真功能（Prospice）具有以下特点：1. Prospice混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真。

2. 超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。

3. 多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入。

4..丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等。

5.生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动。

6.高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。

课程设计是学生走向就业的重要实践环节。

由于Proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台,随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。

它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。

可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。

3.电路单元设计与仿真验证3.1传感器单元心率传感器的作用是将心跳转换为相应的电冲信号。

心率传感器是心率监测系统中的重要组成部分，其性能好坏直接影响后置电路的处理和结果的显示。

目前典型的心率传感主要有三类：光电类、压阻类和压电类。

在次三类中目前采用最多的是压电式传感器。

工作原理是利用敏感元件直接将压力变为电信号。

本次课程设计用正弦信号模拟传感器输出。

故传感器部分不再赘述。

3.2 放大电路单元本实验所采用的放大电路单元为同相比例运算放大器，电路图如图1所示。

图2 放大电路所用的运放为OP27AP。

OP27AP是一种超低噪声，高精度运算放大器，具有漂移小、增益高的特点。

适合此次放大电路。

其引脚图如图3所示：图3 OP27AP引脚图其中：1--调零2--负输入3--正输入4--电源负5--NC 6--输出7--电源正8--调零电路图中的OP27AP为简化的电路符号。

此放大电路属于电压串联负反馈，为了使集成运放反向输入端与通向输入端的对地电阻一致，R1、R2、R3的阻值应满足以下关系：R1=R2//R3输入输出关系为Av=V o/Vi=1+R3/R2由于输入最大0.2V左右，为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为25倍，故设R1=0.96kΩ，R2=1KΩ，R3=24KΩ。

理论上，当输入0.2V的电压时，输出为5V。

通过PROTEUS自带的Prospice仿真器仿得如下图所示曲线：图中输入电压幅度0.1V，偏置0.1V，总体落在0~0.2V之间，用来模拟传感器测得的心率信号。

可以看到，输出电压幅度2.5V，偏置2.5V，相对输入电压，放大了25倍。

达到了预期要求。

图4放大电路波形曲线3.3滤波电路单元由于有1KHZ的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰, 必须对所取信号进行滤波处理。

考虑到心率正常频率为1HZ—2.5HZ，滤波1K 赫兹工频干扰可以采用截止频率10HZ左右低通滤波器滤除。

因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单，调整方便，且电路多采用运算放大器做有源器件，几乎没有负载效应，故选择压控电压源型滤波电路。

电路如图5所示。

电路中用的运放为UA741。

uA741是通用高增益运算通用放大器,最常用的运放之一.应用非常广泛。

特点是宽输入电压、低功耗。

其引脚图同OP27AP。

3267415U2UA741R41MC150nC210nR510KR61K+15V-15VR31M图5 滤波电路图截至频率的计算：为了便于计算，取R4、R5为1M，C1为50nF，C2为10nF。

由上式计算可得f0= 7.12HZ.此为上限截至频率。

经过Prospice仿真后，可得幅频特性如下图所示。

图中上限截止频率为7.3HZ，与计算相接近，符合要求。

达到了滤除高频干扰信号的目的。

图6 电路增益与频率关系曲线f0=W0/2πW02=(f0×2π)2=1/R4*R5*C1*C23.4整形电路单元本电路的功能是将模拟电压信号转化为电平信号（方波）输出到计数器电路。

采用正相滞回电压比较器完成电路整形，本单元电路图如图7所示。

R91000+15V-15VR12(1)R12200R11100R101000R11(1)DWY(K)R11(1)DWY 1N4733A32674UZX OP27AP图7整形电路图电路中运算放大器为OP27AP 。

DWY 为稳压管。

型号1N4733A 。

1N4733是精密稳压二极管。

最大耗散功率Pzm=1W,稳定电压Vz=5.1伏，最大工作电流Izm=179毫安。

在本电路中，当集成运放同相输入端与反相输入端的参考电压相等，即u +=u -时，输出端的状态将发生跳变。

其中u -由参考电压VR 及输出电压V （out ）二者共同决定，而V （out ）有两种可能的状态：+Uz （+5.1V ）或0。

由此可见，是输出电压由+Uz 跳变为0。

以及由0跳变为+Uz 所需的输入电压值是不同的。

也就是说，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。

由图6中可以看出，经过整形电路后，V （out ）的低电压值不等于0V ，分析原因是由于稳压管DWY 的阈值电压不为零。

当输出端为负值时，稳压管导通，V out=0-V th =-0.4V 。

所以它两端的电压值并不严格等于D1的稳压电压，而是有一定的偏移。

图8 整形后波形 3.5定时电路单元定时信号是标准测量的基础，这个信号可采用多谐振荡器产生，在简单时基电路中，可以用555定时电路。

555定时器功能表如表1所示：输 入输 出 THTR d R V O Dis ×<32V CC <32V CC >32V CC × <31V CC >31V CC × L H H HL H 不变 L 导通 截止 不变 导通 表1 555定时器功能表定时电路有两种方案：方案一：直接用555定时器产生一个60s 的信号.此种方案555定时器定时太长，容易产生较大误差，且需要考虑占空比问题。

而且，由于计数部分清零信号由此提供，且为高电平有效。

定时时间过长，会使得计数器清零信号一直有效，影响正常计数。

故不予采取。

方案二：用555定时器产生一个较窄的定时脉冲，用计数器对此计数。

当达到某一数值是输出一脉冲，作为定时电路输出。