课程设计报告本
课程设计名称： 心率测试仪
指导教师： 学 生： 学 号： 年 级： 专 业： 学 院：
电子科学与技术
完成时间： 2012年6月22日
重庆大学教务处制
指导教师评定成绩
指导教师评定成绩：
指导教师签名： 年
重庆大学本科学生课程设计任务书
说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。
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0.2V 信号的处理。用555定时器产生60s 方波，由单稳态电路依次产生两路无交叠信号，分别用作锁存器锁存信号和定时器清零信号。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，比较电路，计数、译码、显示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，同时对于过高及过低的心率均实现自动报警，具有极强的实用性。
关键字：心率测量 压电传感器 信号分析 自动报警
第一章 引言
心率（HR ）是指单位时间内心脏搏动的次数。正常成年人安静时的心率也有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—150次/分之间) 。心率可因年龄、性别及其他生理情况而不同。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。
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。
它实现的主要功能有：（1）可以测每分钟脉搏跳动的次数；（2）心率测试仪有数据锁存和显示的功能；（3）一分钟自动清零，清零控制端稍加延时，使一分钟的脉搏跳动次数能够正确的显示；（4）超出设定的正常脉搏跳动范围N （≥150或≤60），驱动蜂鸣器进行报警。
1.1心率测试的意义
现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。
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，设计一种可随身携带、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测试仪是十分必要的。
第二章 方法综述
2.1心率测试的方法
测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。根据人体脉搏信号特征，设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，输出电荷信号，然后转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，去掉干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，把记录的结果进行比较，不在正常范围内就进行报警，由定时器控制复位端，一分钟清零一次，
再进行下一次测量计数。
2.2系统框图
图2-1
第三章 压电传感器
3.1 压电传感器
PVdF (聚偏二氟乙烯) 压电薄膜具有压电常数大( d 33 = 20 pC/ N) , 变力响应灵敏度高，的优点。同时不易去极化, 单位体积输出功率高；膜轻柔韧，易于制备；机械品质因素低, 阻尼小, 密度低, 具有宽带特性, 能满足脉搏信号的频率特性。
图 3-1
如图3-1所示，压电薄膜换能输出电荷与所受压力关系：Q ( t ) = d 33 F ( t )
其中，d 33 为压电常数, 单位为C/N，表示其电荷灵敏度, F ( t ) 为周期变化的脉搏压力。通过图3-2所示电荷放大器，即可对检测到的微弱脉搏电信号进行处理，把电荷信号转化为电压信号。
U sc ( t ) ≈ - Q/Cf= -d 33 F ( t ) /Cf
图 3-2
第四章 信号放大
4.1 OP07单级放大
7
1
8
U3
OP07AH
4
图 4-1
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。
传感器出来的电压信号，约等于0.2v 送到放大电路。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。
对于要求（1），可以通过前后加两个缓冲器实现隔离，从而实现输入阻抗很高，输出阻抗低的要求。我们选用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。
VDD
图 4-2
A1=-R3/R1=25k/1k=-25(倍)
4.2 低通滤波器
传感器输出信号存在很大的高频干扰，因此提高系统稳定性，我们在网络中添加1kHz 低通滤波器，将频率f 1KHZ 的信号消除。
图4-3
1/RC=2лf
取R=1k，f=1000 则有C=160n 幅频特性：
图 4-4
相频特性：
图 4-5
4.3 buffer隔离缓冲
无论对于放大器的高输入阻抗、低输出阻抗要求，还是对于滤波网络的隔离，我们都必须考虑电路级连时阻抗匹配问题。因此，在放大器前级以及滤波器后级，我们放置缓冲器buf601，其具有高输入阻抗，低输出阻抗特性，同时驱动能力增强。
Vin
图 4-6
第五章 脉冲整形
5.1 LM311电压比较器
5.1.1电路设计
经放大滤波后的信号为峰值5V 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。
电路图如下图所示：
图 5-2
5.1.2 仿真验证
图 5-3
第六章 定时信号
6.1 60s定时
6.1.1 555定时60s
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图如图 6-1所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。
图6-1
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
6.1.2 参数计算及仿真验证
实现60s 定时的电路如图6-2所示。
图6-2
定时器定时总时间为（R5+2R6）C2ln2 选取
R5=51k，R6=47k，C2=580uF，
则定时总时间约等于60s 。
6.2 锁存信号
图 6-3
锁存信号触发信号由555定时器输出获得。由于555定时器输出高电平过宽，导致锁存脉冲过长而产生错误。
为此，在555定时器输出端加一单稳态出发电路，单稳态脉冲宽度为ln2RC 。 选取R=5.1k，C=100nF，Tw=4.14ms，足以满足锁存要求。
6.3 清零信号
电路设计的要求是60s 刷新锁存器一次，同时对计数器清零，从而开始下一分钟的计时。为此，我们对清零信号的要求是：低电平时间非常短，并且清零信号低电平时间与锁存信号高电平时间无交叉。
为此我们采取与产生锁存信号完全相同的办法，即通过一单稳态电路实现清零信号的产生，从而保证信号低电平时间的瞬时性。用锁存信号作为清零信号的触发信号，从而保证锁存信号高电平与清零信号低电平无交叉。
其间部分逻辑关系需要借助反相器实现。 电路图如图 6-4 所示
锁存信号
图 6-4
为节省仿真时间，我们通过修改定时器参数，缩短定时时间，从而得到仿真结果如图 6-5 所示：
其中三角标记的曲线为清零信号，另一条为锁存信号
图6-5
第七章 计数电路
7.1 芯片介绍
U8
GND CLK ~CLR~LOADENT
ENP D C B A
16
RCO QD QC QB QA VCC
74LS160D
图 7-1
TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0－Q3 输出端 CET 计数控制端
CP 时钟输入端（上升沿有效）
/MR 异步清除输入端（低电平有效） /PE 同步并行置入控制端（低电平有效）
160 为可预置的十进制同步计数器。
（1）其清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，即可完成清除功能。
（2）160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在CP 上升沿作用下，输出端Q0－Q3 与数据输入端P0－P3 一致。
（3）160 的计数是同步的，靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。当CEP 、CET 为高电平时，在CP 上升沿作用下Q0－Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
（4）160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC ）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N 位同步计数器
7.2 计数电路及工作原理
图 7-2
由74LS160构成的三位十进制计数器电路图如图所示。其低位的进位信号接高位的ENT 、ENP ，清零信号接/CLR、/LOAD 。
第八章 锁存译码显示模块
8.1芯片介绍
8.1.1锁存芯片74LS373
U2
1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D ~OCENG GND
VCC 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q
2074LS373DW 图 8-1
图中OE ——使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q —8Q 与输入端1D —8D 相同；当G 为下降沿时，将输入数据锁存。锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE 为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE 为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE 为低电平，此时锁存使能端C 为高电平时，输出Q0~Q7 状态与输入端D1~D7状态相同；当C 发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE 信号可以直接与74LS373的C 连接。
8.1.2译码芯片74LS48
U1
16
OG OF OE OD OC OB OA VCC
GND ~BI/RBO
~RBI~LT
D C B A
74LS48D
图8-2
74LS48为BCD-7段译码器，74LS48用来驱动共阴极的发光二极管显示器。74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。74LS48的功能表如表2-3所示，其中A 3A 2A 1A 0为8421BCD 码输入端，a~g7段译码输出端。
74LS48功能表
注：BI /RBO 是一个特殊端，有时用作输入，有时用作输出。
各使能端功能简介如下：
LT ：灯测试输入使能端。当LT =0时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段全亮，
因此，LT =0可用来检查74LS48和显示器的好坏。
RBI ：动态灭零输入使能端。在LT =1的前提下，当RBI =0且输入A 3A 2A 1A 0=0000时，
译码器各段输出全为低电平，显示器各段全灭，而当输入数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。
BI ：静态灭灯输入使能端，只要BI =0，不论输入A 3A 2A 1A 0为何种电平，译码器各段输
出全为低电平，显示器灭灯（此时BI /RBO 为输入使能）。
RBO ：动态灭零输出端。在不使用BI 功能时，BI /RBO 为输出使能（其功能是只有在译码器实现动态灭零时RBO=0，其它时候RBO=1）。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的RBO 接到相邻低位的RBI ，实现小数位的零消隐是将低位的RBO 接到相邻高位的RBI 。
8.2 工作电路
图8-3
由计数器输出信号送锁存器输入，锁存器LS373在60s 一次的锁存信号作用下，周期性获取计数结果，并输出至译码驱动电路74LS48，继而通过共阴极数码管显示结果。工作电路如图8-3所示。
第九章 数值比较
9.1 芯片选择
U34
4A3B3A2B2A1B1A0B0AGTB AEQB ALTB
OAGTB OALTB
74LS85D 图 9-1
集成数值比较器74LS85是４位数值比较器，该比较器的比较原理和两位比较器的比较原理相同。两个４位数的比较是从Ａ的最高位A3和Ｂ的最高位B3进行比较，如果
它们不相等，则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。若最高位A3＝B3，则再比较次高位A2和B2，余类推。显然，如果两数相等，那么，比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。
真值表中的输入变量包括A3与B3、A2与B2、A1与B1、A0与B0和Ａ与Ｂ的比较结果。其中Ａ和Ｂ是另外两个低位数，IA>B、IA
9.2 工作原理
图9-2
如图所示，由锁存器输出的低四位信号接入比较器B3至B0，将比较的结果顺序送入高位比较器的AGTB 、AEQB 、ALTB ，由此级联为12位数值比较器。
计数初始时，锁存器锁存的数值为0（
锁存器输出
4072BD_10V
图 9-3
第十章 报警电路
10.1 报警电路
VDD
图 10-1
10.2 工作原理
2N2222为NPN 型三极管，最大输出电流达800mA ，足以满足驱动电流要求。设置蜂鸣器工作电压为3V ，工作电流50mA ，当三级管基极电压为高时，三极管导通，蜂鸣器发出报警信号；当三极管基极电压为低电平时，三极管截止，无电流流经蜂鸣器，电路
处于断开状态。
第十一章 系统综合
11.1 工作过程
将传感器的敏感部分靠近人的脉搏，由传感器感应脉搏跳动，转变成电荷信号，在将电荷信号经过电荷放大器变成电压信号。
传感器出来的电压信号进入放大电路得到放大的平滑的波形，再通过低通滤波器，将信号的高频干扰滤掉。通过 buffer缓冲器起隔离作用。
前级输出信号再送到整形电路，先通过比较器把脉搏波变成方波。
由555定时器产生60s 定时周期信号。定时器输出信号通过第一级单稳态电路，调整周期信号高电平时间，作为锁存器锁存信号。锁存信号通过第二级单稳态电路，在京反相器反相，作为74LS160的清零信号。两级单稳态电路保证信号的时序正确。
整形电路出来的窄脉冲送到计数器进行计数，计数器的清零端由一个定时器控制，一分钟清零一次，为了正确显示一分钟的脉搏跳动次数；同时，定时器控制锁存器的使能端控制锁存器送译码显示电路。
计数器的输出端送到数值比较电路，与50和160进行比较，将比较结果用或门来控制蜂鸣器对不在正常范围内的脉搏跳动次数进行报警。
11.2 整体电路
第十二章 总结
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。
两周的课程设计，不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。课程设计不仅培养了我独立思考的能力，还锻炼了我理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。也让我学到了很多东西，巩固了所学的理论知识，包括《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《传感器》以及相关仿真软件平台。
在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，或者学得不够深入和细致的知识，于是图书馆和INTERNET 成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
从设计任务布置到论文提交，两周时间我们有序的完成要求的设计工作。我们大量查阅相关资料，分析资料，整理和搞清部分电路的原理；再根据查阅资料和自己所学知识，设计出整个心率测试仪的基本框图；然后，根据每个模块所实现的功能进行设计，选用合适的芯片；之后再级联电路的过程中不断的发现问题，然后分析原因，更换方案；然后用multisim 将整个电路级联，设置合适的仿真参数。当一切时序，报警信号的产生尽在掌控之中，欣悦之情无以言表。最后撰写论文。
这次课程设计让我对工作更加有耐心，明白细心对工作的重要性。同时，有计划的分配工作，是这次课程设计完成的重要条件。
最后，感谢老师的耐心指导和同学的热心帮助，顺利完成了本次课程设计。
参考文献
[1] 阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社 2006
[2] 杨素行《模拟电子技术基础简明教程》高等教育出版社 2006 [3] 李海《74系列芯片手册》重庆大学出版社 1999 [4] 何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社 1994
[5] 李文海，邓忠礼《数字通信基础及光数字传输技术[M]》北京交通大学出版社 清华大学出版社 2004
[6] 王秀艳《PZT/ PVdF 压电复合材料的制备和性能研究[D]》中国科学院长春应用化学研究所硕士论文 2001
[7] 彭军《传感器与检测技术[M]》 西安电子科技大学出版社 2003
课程设计报告本
课程设计名称： 心率测试仪
指导教师： 学 生： 学 号： 年 级： 专 业： 学 院：
电子科学与技术
完成时间： 2012年6月22日
重庆大学教务处制
指导教师评定成绩
指导教师评定成绩：
指导教师签名： 年
重庆大学本科学生课程设计任务书
说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。
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0.2V 信号的处理。用555定时器产生60s 方波，由单稳态电路依次产生两路无交叠信号，分别用作锁存器锁存信号和定时器清零信号。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，比较电路，计数、译码、显示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，同时对于过高及过低的心率均实现自动报警，具有极强的实用性。
关键字：心率测量 压电传感器 信号分析 自动报警
第一章 引言
心率（HR ）是指单位时间内心脏搏动的次数。正常成年人安静时的心率也有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—150次/分之间) 。心率可因年龄、性别及其他生理情况而不同。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。
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。
它实现的主要功能有：（1）可以测每分钟脉搏跳动的次数；（2）心率测试仪有数据锁存和显示的功能；（3）一分钟自动清零，清零控制端稍加延时，使一分钟的脉搏跳动次数能够正确的显示；（4）超出设定的正常脉搏跳动范围N （≥150或≤60），驱动蜂鸣器进行报警。
1.1心率测试的意义
现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。
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，设计一种可随身携带、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测试仪是十分必要的。
第二章 方法综述
2.1心率测试的方法
测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。根据人体脉搏信号特征，设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，输出电荷信号，然后转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，去掉干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，把记录的结果进行比较，不在正常范围内就进行报警，由定时器控制复位端，一分钟清零一次，
再进行下一次测量计数。
2.2系统框图
图2-1
第三章 压电传感器
3.1 压电传感器
PVdF (聚偏二氟乙烯) 压电薄膜具有压电常数大( d 33 = 20 pC/ N) , 变力响应灵敏度高，的优点。同时不易去极化, 单位体积输出功率高；膜轻柔韧，易于制备；机械品质因素低, 阻尼小, 密度低, 具有宽带特性, 能满足脉搏信号的频率特性。
图 3-1
如图3-1所示，压电薄膜换能输出电荷与所受压力关系：Q ( t ) = d 33 F ( t )
其中，d 33 为压电常数, 单位为C/N，表示其电荷灵敏度, F ( t ) 为周期变化的脉搏压力。通过图3-2所示电荷放大器，即可对检测到的微弱脉搏电信号进行处理，把电荷信号转化为电压信号。
U sc ( t ) ≈ - Q/Cf= -d 33 F ( t ) /Cf
图 3-2
第四章 信号放大
4.1 OP07单级放大
7
1
8
U3
OP07AH
4
图 4-1
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。
传感器出来的电压信号，约等于0.2v 送到放大电路。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。
对于要求（1），可以通过前后加两个缓冲器实现隔离，从而实现输入阻抗很高，输出阻抗低的要求。我们选用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。
VDD
图 4-2
A1=-R3/R1=25k/1k=-25(倍)
4.2 低通滤波器
传感器输出信号存在很大的高频干扰，因此提高系统稳定性，我们在网络中添加1kHz 低通滤波器，将频率f 1KHZ 的信号消除。
图4-3
1/RC=2лf
取R=1k，f=1000 则有C=160n 幅频特性：
图 4-4
相频特性：
图 4-5
4.3 buffer隔离缓冲
无论对于放大器的高输入阻抗、低输出阻抗要求，还是对于滤波网络的隔离，我们都必须考虑电路级连时阻抗匹配问题。因此，在放大器前级以及滤波器后级，我们放置缓冲器buf601，其具有高输入阻抗，低输出阻抗特性，同时驱动能力增强。
Vin
图 4-6
第五章 脉冲整形
5.1 LM311电压比较器
5.1.1电路设计
经放大滤波后的信号为峰值5V 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。
电路图如下图所示：
图 5-2
5.1.2 仿真验证
图 5-3
第六章 定时信号
6.1 60s定时
6.1.1 555定时60s
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图如图 6-1所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。
图6-1
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
6.1.2 参数计算及仿真验证
实现60s 定时的电路如图6-2所示。
图6-2
定时器定时总时间为（R5+2R6）C2ln2 选取
R5=51k，R6=47k，C2=580uF，
则定时总时间约等于60s 。
6.2 锁存信号
图 6-3
锁存信号触发信号由555定时器输出获得。由于555定时器输出高电平过宽，导致锁存脉冲过长而产生错误。
为此，在555定时器输出端加一单稳态出发电路，单稳态脉冲宽度为ln2RC 。 选取R=5.1k，C=100nF，Tw=4.14ms，足以满足锁存要求。
6.3 清零信号
电路设计的要求是60s 刷新锁存器一次，同时对计数器清零，从而开始下一分钟的计时。为此，我们对清零信号的要求是：低电平时间非常短，并且清零信号低电平时间与锁存信号高电平时间无交叉。
为此我们采取与产生锁存信号完全相同的办法，即通过一单稳态电路实现清零信号的产生，从而保证信号低电平时间的瞬时性。用锁存信号作为清零信号的触发信号，从而保证锁存信号高电平与清零信号低电平无交叉。
其间部分逻辑关系需要借助反相器实现。 电路图如图 6-4 所示
锁存信号
图 6-4
为节省仿真时间，我们通过修改定时器参数，缩短定时时间，从而得到仿真结果如图 6-5 所示：
其中三角标记的曲线为清零信号，另一条为锁存信号
图6-5
第七章 计数电路
7.1 芯片介绍
U8
GND CLK ~CLR~LOADENT
ENP D C B A
16
RCO QD QC QB QA VCC
74LS160D
图 7-1
TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0－Q3 输出端 CET 计数控制端
CP 时钟输入端（上升沿有效）
/MR 异步清除输入端（低电平有效） /PE 同步并行置入控制端（低电平有效）
160 为可预置的十进制同步计数器。
（1）其清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，即可完成清除功能。
（2）160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在CP 上升沿作用下，输出端Q0－Q3 与数据输入端P0－P3 一致。
（3）160 的计数是同步的，靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。当CEP 、CET 为高电平时，在CP 上升沿作用下Q0－Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
（4）160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC ）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N 位同步计数器
7.2 计数电路及工作原理
图 7-2
由74LS160构成的三位十进制计数器电路图如图所示。其低位的进位信号接高位的ENT 、ENP ，清零信号接/CLR、/LOAD 。
第八章 锁存译码显示模块
8.1芯片介绍
8.1.1锁存芯片74LS373
U2
1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D ~OCENG GND
VCC 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q
2074LS373DW 图 8-1
图中OE ——使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q —8Q 与输入端1D —8D 相同；当G 为下降沿时，将输入数据锁存。锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE 为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE 为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE 为低电平，此时锁存使能端C 为高电平时，输出Q0~Q7 状态与输入端D1~D7状态相同；当C 发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE 信号可以直接与74LS373的C 连接。
8.1.2译码芯片74LS48
U1
16
OG OF OE OD OC OB OA VCC
GND ~BI/RBO
~RBI~LT
D C B A
74LS48D
图8-2
74LS48为BCD-7段译码器，74LS48用来驱动共阴极的发光二极管显示器。74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。74LS48的功能表如表2-3所示，其中A 3A 2A 1A 0为8421BCD 码输入端，a~g7段译码输出端。
74LS48功能表
注：BI /RBO 是一个特殊端，有时用作输入，有时用作输出。
各使能端功能简介如下：
LT ：灯测试输入使能端。当LT =0时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段全亮，
因此，LT =0可用来检查74LS48和显示器的好坏。
RBI ：动态灭零输入使能端。在LT =1的前提下，当RBI =0且输入A 3A 2A 1A 0=0000时，
译码器各段输出全为低电平，显示器各段全灭，而当输入数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。
BI ：静态灭灯输入使能端，只要BI =0，不论输入A 3A 2A 1A 0为何种电平，译码器各段输
出全为低电平，显示器灭灯（此时BI /RBO 为输入使能）。
RBO ：动态灭零输出端。在不使用BI 功能时，BI /RBO 为输出使能（其功能是只有在译码器实现动态灭零时RBO=0，其它时候RBO=1）。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的RBO 接到相邻低位的RBI ，实现小数位的零消隐是将低位的RBO 接到相邻高位的RBI 。
8.2 工作电路
图8-3
由计数器输出信号送锁存器输入，锁存器LS373在60s 一次的锁存信号作用下，周期性获取计数结果，并输出至译码驱动电路74LS48，继而通过共阴极数码管显示结果。工作电路如图8-3所示。
第九章 数值比较
9.1 芯片选择
U34
4A3B3A2B2A1B1A0B0AGTB AEQB ALTB
OAGTB OALTB
74LS85D 图 9-1
集成数值比较器74LS85是４位数值比较器，该比较器的比较原理和两位比较器的比较原理相同。两个４位数的比较是从Ａ的最高位A3和Ｂ的最高位B3进行比较，如果
它们不相等，则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。若最高位A3＝B3，则再比较次高位A2和B2，余类推。显然，如果两数相等，那么，比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。
真值表中的输入变量包括A3与B3、A2与B2、A1与B1、A0与B0和Ａ与Ｂ的比较结果。其中Ａ和Ｂ是另外两个低位数，IA>B、IA
9.2 工作原理
图9-2
如图所示，由锁存器输出的低四位信号接入比较器B3至B0，将比较的结果顺序送入高位比较器的AGTB 、AEQB 、ALTB ，由此级联为12位数值比较器。
计数初始时，锁存器锁存的数值为0（
锁存器输出
4072BD_10V
图 9-3
第十章 报警电路
10.1 报警电路
VDD
图 10-1
10.2 工作原理
2N2222为NPN 型三极管，最大输出电流达800mA ，足以满足驱动电流要求。设置蜂鸣器工作电压为3V ，工作电流50mA ，当三级管基极电压为高时，三极管导通，蜂鸣器发出报警信号；当三极管基极电压为低电平时，三极管截止，无电流流经蜂鸣器，电路
处于断开状态。
第十一章 系统综合
11.1 工作过程
将传感器的敏感部分靠近人的脉搏，由传感器感应脉搏跳动，转变成电荷信号，在将电荷信号经过电荷放大器变成电压信号。
传感器出来的电压信号进入放大电路得到放大的平滑的波形，再通过低通滤波器，将信号的高频干扰滤掉。通过 buffer缓冲器起隔离作用。
前级输出信号再送到整形电路，先通过比较器把脉搏波变成方波。
由555定时器产生60s 定时周期信号。定时器输出信号通过第一级单稳态电路，调整周期信号高电平时间，作为锁存器锁存信号。锁存信号通过第二级单稳态电路，在京反相器反相，作为74LS160的清零信号。两级单稳态电路保证信号的时序正确。
整形电路出来的窄脉冲送到计数器进行计数，计数器的清零端由一个定时器控制，一分钟清零一次，为了正确显示一分钟的脉搏跳动次数；同时，定时器控制锁存器的使能端控制锁存器送译码显示电路。
计数器的输出端送到数值比较电路，与50和160进行比较，将比较结果用或门来控制蜂鸣器对不在正常范围内的脉搏跳动次数进行报警。
11.2 整体电路
第十二章 总结
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。
两周的课程设计，不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。课程设计不仅培养了我独立思考的能力，还锻炼了我理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。也让我学到了很多东西，巩固了所学的理论知识，包括《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《传感器》以及相关仿真软件平台。
在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，或者学得不够深入和细致的知识，于是图书馆和INTERNET 成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
从设计任务布置到论文提交，两周时间我们有序的完成要求的设计工作。我们大量查阅相关资料，分析资料，整理和搞清部分电路的原理；再根据查阅资料和自己所学知识，设计出整个心率测试仪的基本框图；然后，根据每个模块所实现的功能进行设计，选用合适的芯片；之后再级联电路的过程中不断的发现问题，然后分析原因，更换方案；然后用multisim 将整个电路级联，设置合适的仿真参数。当一切时序，报警信号的产生尽在掌控之中，欣悦之情无以言表。最后撰写论文。
这次课程设计让我对工作更加有耐心，明白细心对工作的重要性。同时，有计划的分配工作，是这次课程设计完成的重要条件。
最后，感谢老师的耐心指导和同学的热心帮助，顺利完成了本次课程设计。
参考文献
[1] 阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社 2006
[2] 杨素行《模拟电子技术基础简明教程》高等教育出版社 2006 [3] 李海《74系列芯片手册》重庆大学出版社 1999 [4] 何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社 1994
[5] 李文海，邓忠礼《数字通信基础及光数字传输技术[M]》北京交通大学出版社 清华大学出版社 2004
[6] 王秀艳《PZT/ PVdF 压电复合材料的制备和性能研究[D]》中国科学院长春应用化学研究所硕士论文 2001
[7] 彭军《传感器与检测技术[M]》 西安电子科技大学出版社 2003