五邑大学
电子系统设计开题报告
题 目：心率测试仪
院 系 信息工程学院 专 业 电子信息工程 学 号 学生姓名 指导教师 开题报告日期
五邑大学教务处制
2011年8月
一、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、目的。
1． 课题来源
电子设计要求:心率测试仪
2． 国内外研究现状与水平
便携式医疗设备正不断改进数以百万计患者的医疗保健条件。现在外国的先进运动手表甚至能够无线记录用户的心率。未来，还将有众多能显著改善医疗实施及其效果的创新型医疗应用产品。
满足便携式医疗领域的微处理器需求给半导体企业带来了挑战。虽然工程设计无外乎是在相对立的功能、规范以及空间限制条件之间进行取舍，但是这种平衡取舍在便携式医疗领域往往非常棘手。医疗市场的相关需求往往很难协调，如小尺寸与高功能性、低功耗与高性能模拟，以及超长电池使用寿命与高处理能力等。这些产品需要模数转换器 (ADC)、可调节增益、电源管理以及液晶显示屏 (LCD) 等。这些都将是需要我们更多的去研究和发展。
3． 研究意义和目的
以往专门测量心率值的仪器较少，人们为了知道自己的运动或者劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。为了观测“预防为主”的方针，为了实现人人能享受基本医疗保健的目标，把过去的以医院为轴心的医疗服务体系过度到以家庭为基础的社区卫生服务体系已成为必然趋势。所以便携式医疗仪器已相继问世。便携式心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的测试仪；同时它适合在家庭和社区条件下使用。心电诊断仪、心率计的应用在心血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它们所记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。该心率仪可用于临床心率监护；并为体力劳动者劳动强度测定、运动员及士兵训练强度测定等提供确凿的和必不可少的生理指标。
二、研究内容，拟采取的研究方法、实验过程、预期成果。
1． 研究内容
将脉搏信号通过传感器转为电压信号，再通过LM324运放将电压信号放大、用低通滤波电路进行滤波、以及74LS13进行整形等一系列工作，然后利用51系列单片机进行处理计算，1602LCD 1显示。实现快速检测出人体的心率，达到、一体化、可视化等优点于一身的系统。 2． 拟采取的研究方法
了解课题所需知识点，然后翻阅相关芯片资料和教材，通过网页搜索查找相关资料，计算各参数，了解各元器件的功能作用，用Altium Designer设计电路图，用ISIS 7 Professional或Multisim 11.0进行仿真，最后进行实物调试。
具体的设计方案(重点) 3
系统总体框图
（1）传感器的选择
①光电式传感器
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。血管的容积和透光度会随心搏的改变而改变，这样通过光电传感器可得到相应的光电流信号。
采用IR333和BPW83组合成光电传感器，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。 （2）信号处理
①前置放大
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
心率测试仪通过光电传感器获得脉搏信号的电压比较小，在几毫伏左右，且频率较低，所以需要低噪声，低漂移，高输入阻抗的放大器。本系统才用同相放大器，同相放大器具有输入阻抗高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 ○2信号滤波
由于脉搏信号的频率在0.5HZ 到4HZ 之间，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号。在这个系统中最大的干扰就是来自市电的50HZ 干扰信号，考虑到有些病人在患病时可能会出现较高的脉搏，因此在设计滤波器的截止频率在4HZ 左右，这样不但能保证不滤去脉搏信号，而且能很好的将干扰滤去。
方案选择：
1）无源滤波器
采用RC 低通滤波器。其特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
2）二阶低通滤波器
采用二阶有源滤波器，通带内幅频特性曲线比较平坦，而且二阶也可以达到较陡的衰减的特性。由于主要的干扰出现在50HZ 左右，所以在截止频率较低时，采用二阶滤波器即可达到很好的滤波效果。 （3）整形电路
由于单片机只能检测到数字信号，因此，经过信号调理电路后得到的模拟信号必须转换为数字信号5。
方案：使用集成芯片74LS13
74LS13为具有施密特触发器的两组4输入端与非门（正逻辑），通过74LS13
5
实现对信号的整形，输出单片机可以处理的脉冲信号。 （4）LCD 显示电路
本系统使用一块1602LCD 模块1作为数据显示器，通过单片机程序2处理信号，然后通过液晶显示屏将所测得的心率值显示出来。 （5）提示电路3
提示电路是对每次脉冲的到来均提示灯闪烁，与脉搏同步。这样，就可以通过光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来。此外，当所测得的心率值低于50次/分，或高于160次/分时，提示电路连续提醒。
3． 预期成果
能够较为稳定准确快速地检测到人体的心率，并且将其用LCD 显示出来，做到一体化、可视化。
4． 研究过程中可能遇到的困难，以及解决的措施
（1）可能由于IR333和BPW83组合的传感器采集到的信号非常微弱，有时候可能采集不到任何信号，而无法进行下一步的工作。如果实在采集不到信号的话，我们就换一种传感器。
（2）可能由于放大器的放大倍数不够，导致放大之后的信号不能够使74LS13产生脉冲信号。对此，我们先测试传感器（IR333和BPW83）采集到的最小信号，然后再设置好放大器的放大倍数，确保能将采集到的信号通过施密特74LS13触发器变为单片机可处理的脉冲信号。
（3）印刷和腐蚀PCB 时可能出现损毁事故，对此尽量小心对待，同时对材料和软件文件备多一份。焊接过程中可能会烧毁一些元器件，对此对容易烧毁的元器件做好防护措施，小心焊接。
5． 进度安排
第10周之前画好各部分的电路原理图，并领取元件。 第11~12周进行PCB 的制作、电路安装与调试。
第13~16周将作品完善或改进，并完成课程设计报告。
6． 主要参考文献
1. 郭天祥《新概念51单片机C 语言教程. 入门、提高、开发》电子工业出版社 2009年 147~167页， 202~213页
2．谭浩强《C 语言程序设计》清华大学出版社 2006年
3．郑锋《51单片机应用系统典型模块开发大全》2010年 16章 4．宏晶科技《STC89C51-RD+单片机器件手册》宏晶科技 2006年
5．马忠梅《单片机的C 语言应用程序设计》北京航空航天大学出版社 1997年
五邑大学
电子系统设计开题报告
题 目：心率测试仪
院 系 信息工程学院 专 业 电子信息工程 学 号 学生姓名 指导教师 开题报告日期
五邑大学教务处制
2011年8月
一、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、目的。
1． 课题来源
电子设计要求:心率测试仪
2． 国内外研究现状与水平
便携式医疗设备正不断改进数以百万计患者的医疗保健条件。现在外国的先进运动手表甚至能够无线记录用户的心率。未来，还将有众多能显著改善医疗实施及其效果的创新型医疗应用产品。
满足便携式医疗领域的微处理器需求给半导体企业带来了挑战。虽然工程设计无外乎是在相对立的功能、规范以及空间限制条件之间进行取舍，但是这种平衡取舍在便携式医疗领域往往非常棘手。医疗市场的相关需求往往很难协调，如小尺寸与高功能性、低功耗与高性能模拟，以及超长电池使用寿命与高处理能力等。这些产品需要模数转换器 (ADC)、可调节增益、电源管理以及液晶显示屏 (LCD) 等。这些都将是需要我们更多的去研究和发展。
3． 研究意义和目的
以往专门测量心率值的仪器较少，人们为了知道自己的运动或者劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。为了观测“预防为主”的方针，为了实现人人能享受基本医疗保健的目标，把过去的以医院为轴心的医疗服务体系过度到以家庭为基础的社区卫生服务体系已成为必然趋势。所以便携式医疗仪器已相继问世。便携式心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的测试仪；同时它适合在家庭和社区条件下使用。心电诊断仪、心率计的应用在心血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它们所记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。该心率仪可用于临床心率监护；并为体力劳动者劳动强度测定、运动员及士兵训练强度测定等提供确凿的和必不可少的生理指标。
二、研究内容，拟采取的研究方法、实验过程、预期成果。
1． 研究内容
将脉搏信号通过传感器转为电压信号，再通过LM324运放将电压信号放大、用低通滤波电路进行滤波、以及74LS13进行整形等一系列工作，然后利用51系列单片机进行处理计算，1602LCD 1显示。实现快速检测出人体的心率，达到、一体化、可视化等优点于一身的系统。 2． 拟采取的研究方法
了解课题所需知识点，然后翻阅相关芯片资料和教材，通过网页搜索查找相关资料，计算各参数，了解各元器件的功能作用，用Altium Designer设计电路图，用ISIS 7 Professional或Multisim 11.0进行仿真，最后进行实物调试。
具体的设计方案(重点) 3
系统总体框图
（1）传感器的选择
①光电式传感器
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。血管的容积和透光度会随心搏的改变而改变，这样通过光电传感器可得到相应的光电流信号。
采用IR333和BPW83组合成光电传感器，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。 （2）信号处理
①前置放大
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
心率测试仪通过光电传感器获得脉搏信号的电压比较小，在几毫伏左右，且频率较低，所以需要低噪声，低漂移，高输入阻抗的放大器。本系统才用同相放大器，同相放大器具有输入阻抗高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 ○2信号滤波
由于脉搏信号的频率在0.5HZ 到4HZ 之间，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号。在这个系统中最大的干扰就是来自市电的50HZ 干扰信号，考虑到有些病人在患病时可能会出现较高的脉搏，因此在设计滤波器的截止频率在4HZ 左右，这样不但能保证不滤去脉搏信号，而且能很好的将干扰滤去。
方案选择：
1）无源滤波器
采用RC 低通滤波器。其特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
2）二阶低通滤波器
采用二阶有源滤波器，通带内幅频特性曲线比较平坦，而且二阶也可以达到较陡的衰减的特性。由于主要的干扰出现在50HZ 左右，所以在截止频率较低时，采用二阶滤波器即可达到很好的滤波效果。 （3）整形电路
由于单片机只能检测到数字信号，因此，经过信号调理电路后得到的模拟信号必须转换为数字信号5。
方案：使用集成芯片74LS13
74LS13为具有施密特触发器的两组4输入端与非门（正逻辑），通过74LS13
5
实现对信号的整形，输出单片机可以处理的脉冲信号。 （4）LCD 显示电路
本系统使用一块1602LCD 模块1作为数据显示器，通过单片机程序2处理信号，然后通过液晶显示屏将所测得的心率值显示出来。 （5）提示电路3
提示电路是对每次脉冲的到来均提示灯闪烁，与脉搏同步。这样，就可以通过光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来。此外，当所测得的心率值低于50次/分，或高于160次/分时，提示电路连续提醒。
3． 预期成果
能够较为稳定准确快速地检测到人体的心率，并且将其用LCD 显示出来，做到一体化、可视化。
4． 研究过程中可能遇到的困难，以及解决的措施
（1）可能由于IR333和BPW83组合的传感器采集到的信号非常微弱，有时候可能采集不到任何信号，而无法进行下一步的工作。如果实在采集不到信号的话，我们就换一种传感器。
（2）可能由于放大器的放大倍数不够，导致放大之后的信号不能够使74LS13产生脉冲信号。对此，我们先测试传感器（IR333和BPW83）采集到的最小信号，然后再设置好放大器的放大倍数，确保能将采集到的信号通过施密特74LS13触发器变为单片机可处理的脉冲信号。
（3）印刷和腐蚀PCB 时可能出现损毁事故，对此尽量小心对待，同时对材料和软件文件备多一份。焊接过程中可能会烧毁一些元器件，对此对容易烧毁的元器件做好防护措施，小心焊接。
5． 进度安排
第10周之前画好各部分的电路原理图，并领取元件。 第11~12周进行PCB 的制作、电路安装与调试。
第13~16周将作品完善或改进，并完成课程设计报告。
6． 主要参考文献
1. 郭天祥《新概念51单片机C 语言教程. 入门、提高、开发》电子工业出版社 2009年 147~167页， 202~213页
2．谭浩强《C 语言程序设计》清华大学出版社 2006年
3．郑锋《51单片机应用系统典型模块开发大全》2010年 16章 4．宏晶科技《STC89C51-RD+单片机器件手册》宏晶科技 2006年
5．马忠梅《单片机的C 语言应用程序设计》北京航空航天大学出版社 1997年