关于心率计简要设计

一摘要

随着社会的越来越快的发展与进步，我们的生活节奏也越来越快，面对每天繁忙的工作生活，我们不一定能像以前那样定期抽出时间去为自己身体做一次体检。而事实上我们身体承受的负荷却越来越大，相比于以前我们需要给自己的身体以更多的关注，甚至是时刻了解它的健康状况。身体的健康与否在很多方面都会有所体现。比如一个人的心率值就基本能反映一个人心脏是否正常工作的。大家都知道心脏是我们人体中最重要的器官之一，使我们生命的源动力。所以我们能时刻了解它的状态是很重要的。由于我们平时不一定总是能抽出时间去做体检，所以我们需要一个简单的，便于操作的，可靠性高的仪器来帮助我们在短时间内测到我们的心率值。让我们能及时了解到我们现在心脏以及身体的状态。

心率的生理意义

人的心脏比握紧的拳头稍大，平均重量为300g。它是人体内“泵器官”，负责人体血液循环。心脏每天跳动超过10万次，累计使8千多公升的血液，流经约1万9千公里长的动静脉，从而维持血液循环。心脏有四个腔，分别是左心房、右心房、左心室和右心室。右心房接受全身各器官回流的含氧低静脉血并输入右心室，右心室把血液泵入肺脏进行氧气与二氧化碳的气体交换。左心房将自肺脏返回的含氧高的动脉血输入左心室，左心室再将血液输送至全身器官。从我们出生的那一刻起，心脏便24小时不停地工作，为全身输送氧气和养分。心脏能够这样周而复始地有规律地工作，是因为心脏有一个天然的起搏器——窦房结，它能自发地、有节律地发放电脉冲，并沿着结间束、房室结、希氏束和左右束支这一固定的激动传导途径由上向下传遍整个心脏，使心脏各个腔室顺序收缩，完成运送血液的工作。心脏的正常工作要求心脏节律发放和传导系统的结构和功能正常。心率(heart rate)指心脏分钟搏动的次数，

它能够反映心脏的工作状态。正常心率决定于窦房结的节律性，成人静息时约60～100次/min，平均约75次/min。心率可因年龄、性别及其他因素而变化。初生儿心率约130次/min，随年龄增长而逐渐减慢，至青春期乃接近成人的心率。女性心率比男性稍快；运动员心率较慢。成人安静心率超过120次/min者，为心动过速；低于40次/min者为心动过缓。心率受植物性神经和体液因素调节。安静或睡眠时，心迷走中枢紧张性增高，心交感中枢紧张性降低，心率减慢。运动、情绪激动、精神紧张时，心迷走中枢紧张性降低，心交感中枢紧张性升高，心率加快。肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺素等体液因素也会增快心率。此外，体温每升高1℃，心率加快12～20次/min。

二任务分析及总体设计方案

在认真学习和研究了任务指导书后，在老师的指导与启发下，我初步定下了自己的方案。经过和同学们的集中讨论与研究和数次李老师耐心的讲解与分析，方案在我脑海中逐渐清晰。通过自己的对个别知识的再次学习与网上资料的查阅，最终确定下方案。

2.1任务分析

所设计的电子心率计要求实现在短时间内测量1分钟的心脏跳动次数，并且显示其数字。当心脏跳动次数超过正常范围时，发出异常指示（LED发光二极管发光报警指示）。正常范围可根据需要设定，性能指标：

◆测量范围：正常心跳次数成人为60~90次/分钟，婴儿为90~120

次/分钟，老人为100~150次/分钟，正常范围可以设定；

◆测量精度：测量误差≤±4次/分钟；

◆报警指示：采用LED发光二极管。

基于以上任务要求，经过详细分析得到了如下结论：

◆由于从红外线传感器送来的信号很微弱，一般为（2～5mv），并

且叠加了很多干扰及噪声，这就需要信号放大、滤波与整形电路；

◆要想在短时间内实现对1分钟的心率进行测量（本设计采用15

秒测量），这就需要倍频器（4倍频）和基准时钟定时器（15秒）；

◆由于最后要显示其测量数字，这就需要计数器、译码器和显示器；

◆由于最后要用LED报警显示，并且成人、婴儿、老人的心率正常

范围不一样，所以还需要控制器、比较器和报警器。

所设计的红外线电子心率计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲信号进行计数，最后以数字形式显示出来，并且把计数得到的值与正常范围的上下限进行比较，以实现对成人、婴儿和老人的报警指示。2.2总体设计方案

设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮。

2.3设计流程图

二器件选择

3.1 传感器的选择

个人认为一个传感器的品质在很大程度上决定于它选用的传感器，现在市场上心率计使用比较主流的传感器有以下几种。CCPS32，CPS182，红外传感应感器，MPS2050。CPS182与MPS2050输出电压较小，且CPS182精确度不是很高，而红外感应传感器同样也有输出电压小的缺点，且价格会略高一些。通过对比，我选择了CCPS32传感器，其灵敏度较高，且输出电压越4伏左右，这样就无需接放大电路，可直接进行滤波，且该款传感器还自带很高的温度自补偿，这是其他传感器所不具备的。以下是CCPS32的具体参数以及介绍。

传感器参数及特性介绍：

CPS32传感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器

详细说明:

一、概述

CCPS32传感器是KAVLICO公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达

-40～125℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。其最大特点是：量程可以小到700Pa，抗过载能力可达量程100倍，彻底解决了其它类型传感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点，它除具有一般传感器的量程外，其最具特色的是它的正负表压功能，如：±1kPa，±10kPa 等。

CCPS32干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高输出，广量程，特别适合制造高性能的工业控制用压力变送器。大圆形膜片表面平整、易安装，是欧美E+H、ABB、SIEMENS、H&Ｂ、VEGA等公司压力变送器生产首选传感器。

二、特点

坚固的陶瓷电容敏感膜片

自带厚膜电路输出1-4V

卓越的抗腐蚀、抗磨损性能

平整的大圆形膜片,易安装

高精度、高稳定性

宽的工作温度范围

响应迅速,无迟滞

量程迁移比达10:1

可进行无源标定

三、工作原理

抗腐蚀的干式陶瓷电容压力传感器没有液体的传递，过程压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，衬底的电极与膜片电极的电容量变化比例与压力大小，使膜片产生0.03mm的位移，电容的变化值经激光微调，传感器专用信号调理电路ASIC放大输出高达4000mV的直流电压，内置的温度传感器不断测量介质的温度并进行温度补偿。过载时，膜片贴到陶瓷衬底上而不会损坏。当压力恢复到正常时，其性能不受任何影响。彻底解决了低量程过载能力差的缺点，是扩散硅传感器的升级换代产品。标准化的高输出具有极强的抗干扰能力，配专用线路板可进行大的量程迁移（1 0:1）。传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，自带温度补偿-20～80℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

CCPS32陶瓷传感器由于没有液体的传递作用，无任何填充液，不会产生工艺污染，因此在食品、医药等行业有着广泛的应用，加之是干式陶瓷