数字心率计设计资料

数字心率计设计说明书

1、程设计任务书

2.说明书正文

2.1：任务分析与方案设计

心率计是用来测量一个人心脏在单位时间跳动次数的电子仪器。心脏的收缩和舒张引起血压的变化，不同年龄段和不同健康状况的人正常血压范围有较大差异，但是收缩压和舒张压的差值却大致都在40mmHg~50mmHg 范围内。基于此，可以利用压力传感器将人体血压的变化转化成电压的变化，再通过滤波、放大、整形后得到方波，由模拟转化成数字后再进行后续处理。现提出两种计数方案： 1）定时计数

在一定时间内对脉冲信号进行计数。由于任务要求在短时间内测出1分钟心脏跳动的次数，则需要对整形后的方波信号进行倍频；又由于测量误差要求≤±4次/分钟，则最多可以4倍频，此时，测量时间为15s 。

电路模块方框图：

2）定数计时

在定数的脉冲信号持续时间内，对标准时钟信号进行计数，再通过转换得到心率值。如

设置标准时钟信号周期为0.1s ，在

6个脉冲信号持续时间内（即5个心脏跳动周期）对标准时钟信号进行计数，设计数值为

N ，则心率为3000/N 。计算过程如下：

每个脉冲周期To=0.1N/5 s ，则心率S=60/To=3000/N(次/

分钟）。 电路模块方框图：

方案一的测量时间长，测量误差也较大，且测量误差与测量时间成反比关系；但是计数

值即为心率值，电路实现较为简单。方案二测量时间短，测量误差也小；但是计数后的值还需要进行除法转换后才是心率值，电路实现较为复杂，成本也较高，故采用方案一。

2.2:电路设计，元器件参数计算及选择

2.2.1:传感器的选择

传感器的选择需要综合考虑各项性能参数，这些性能参数要能满足测量要求，现对传感器的各项性能参数以及任务要求分析如下：

1）线性度指传感器输出与输入之间成线性的程度。任务要求是测量心脏跳动的次数，而并未要求测量出血压值，故只需要得到一个个脉冲输出即可，对其量值没有太大要求，故系统对传感器线性度要求不高。

2）灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出变化量对输入变化量的比值。由于人的血压压力较小，属于微压，也是微压差，故要求传感器有较大的灵敏度，才有一个比较大的输出量，对噪声的抑制也会更高。当然，灵敏度也要和后级放大器的放大倍数相匹配，并不是越大越好。3）迟滞也叫回程差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出信号大小不相等的现象。由于系统仅要求测出脉冲输出即可，故对迟滞性能要求不高。4）重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入-输出特性曲线一致程度。重复性好，对于噪声抑制有利，故要求传感器有较好的重复性。

5）漂移指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的程度。要求传感器有较小的漂移。

6）频率响应由于脉搏频率较低，所以对传感器频率响应要求不高。

综合以上性能参数以及任务要求，可以选出既能满足测量要求，又最便宜的传感器。通过搜集大量压力传感器信息进行综合比对，飞思卡尔的MPX2050D压阻式硅压力传感器能够满足要求。其主要特点如下：

压力范围0到50kPa

温度补偿范围0 到 +85℃

独有的硅切应力应变片

提供编带式或卷轴式出货封装选项

对供电电压比率输出

外壳采用聚砜（Mindel S–1000）材料（医用5级许可）

图2.1 传感器外形图图2.2 传感器示意图

其主要性能参数如下：

表2.1

特性 符号 最小值 典型值 最大值 单位 压力范围 Pop 0 - 50 kPa 供电电压 Vs - 10 16 Vdc 供电电流 Io - 6.0 - mAdc 最大输出 Vfss 38.5 40 41.5 mV 失调 Voff -1.0 - 1.0 mV 灵敏度 ΔV/ΔP - 0.8 - mV/kPa 线性度 - -0.25 - 0.25 %Vfss 输入阻抗 Zin 1000 - 2500 Ω 输出阻抗

Zout

1400

-

3000

Ω

由于人的血压差范围大致为40mmHg-50mmHg ，即 5.3kPa-6.7kPa ，根据传感器灵敏度为0.8mV/kPa 知，输出电压变化范围为 4.24mV-5.36mV ；再考虑人的最高血压为200mmHg ，即26.7kPa ，则最大输出电压为21.36mV 。各项指标均满足设计要求。

2.2.2:滤波器的设计

人的脉搏信号属于低频信号，而传感器输出存在高频噪声，故需要用低通滤波器对传感器输出信号进行低通滤波处理。由于传感器输出为非标准的正选信号，理论上需要对信号进行傅里叶变换，以得到输出信号的基频，才能得出滤波器的截止频率。但条件有限，实施起来有困难，故根据经验取截止频率为1kHz 进行设计计算。采用无限增益多路反馈型低通滤波器，其电路图如下:

图2.3 滤波器电路图

其中，前级运放接成跟随器，以提高输入阻抗；第二级为低通滤波器，各元件参数计算过程如下：

f=1kHz

f 20π=ω

2

12101

C C R R =

ω，取1R =5.1K ，2R =10K ，1C =10nF ，2C =47nF 。

则0ω=9

9

3

3

10

4710101010101.51

--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=6459 rad/s

得出f=

π

ω20

≈1042Hz 满足设计要求。 滤波器的幅频特性和相频特性曲线图如下：

图2.4 幅频特性 图2.5 相频特性

由仿真波形知，通带截止频率大致为1kHz ，与理论设计相符。

2.2.3：放大电路的设计

人的血压正常情况下舒张压<85mmHg ，收缩压<130mmHg ，则传感器的输出有共模和差模信号。要得到心脏脉动脉冲，需要的是差模信号，故需要选择性的放大差模信号，抑制共模信号。因此，采用三运放高共模抑制比放大电路。差模输出最大值为5.36mV ，放大后的信号电压不应超过5V ，则设计电压放大倍数为900倍。设计电路图如下（其中最后一级运放为放大倍数为-1的反相器）：

图2.6 放大电路

电路元件参数计算过程如下：

差模增益 Kd=1212Ui Ui Uo Uo --=10

4

11R R R ++；