数显式脉搏测试仪设计方案

数显式脉搏测试仪设计方案一、实习设计目的实习是对学生运用所学专业理论知识和实践操作技能的一次检验，使学生得 到一次全面、系统的实践训练，以巩固所学的理论知识，加强实际操作、独立工 作和解决实际问题的能力。同时，培养严谨、团结协作、吃苦耐劳、遵守纪律的 良好作风，通过设计实习可达到以下目的：（1）加深对所学理论知识的理解，更熟练掌握基本理论，且将理论与实际相结 合。（2）学会基本的设计方法，能灵活运用所学理论知识进行设计，为今后的毕业 设计打下良好的基础。（3）对所设计的电路进行实际电路验证，学会基本的调试电路的方法，二 设计引言以及设计概述（1）引言人体脉搏计的设计是基于传感器，放大电路，显示电路等基础电路的基础上， 实现对人体脉搏的精确测量。其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷 的测量脉搏次数，并用十进制数显示出来。具体的各部分电路接下来将介绍。随 着时代的发展，人类进入了信息化电子时代，传感器技术作为现代技术的主要容 将有较大的发展。信息技术包括技术、通信技术和传感器技术。现代人类社会已 经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起到决定性作用。现代 信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，他们就是传感器技术、通信 技术和计算机技术。传统的脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向较坚实 的面，以使脉搏的感觉传到指尖，如果将动脉压上软的组织，则脉动波会被吸收 或抵消，使指尖不易触觉脉动；指尖压在动脉上的力量要适中，用力太重将阻断 血流，反而无脉搏产生。这种手工方法虽然简单易行，但容易产生误差，特别是 临床住院病人常规的监测上，这种手工测脉搏的方法不仅影响工作效率，并且不 能连续监测，无法实时观察。我们设计的数字脉搏计是一种自动测量人体脉搏的 仪器，能直观地显示人体每分钟脉搏数，可连续、动态监量，价格便宜，适于普 及推广。本此课设设计了一款基于压电传感器的电子脉搏计，实现在 30s 测量人 的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。该传感器可与电子电路相结合，将 脉搏信号转化为模拟电信号，并利用滤波技术等信号处理方法准确的测量人体微 弱的脉搏信号，而且可以进一步实现显示记录功能。（2）概述随着人们生活水平的提高，心脏疾病的发病率呈上升趋势，已成为威胁人类身 体健康的杀手之一，因为心脏病的发作具有突发性和随机性，所以为患者进行实 时的测量监控已成为必然的趋势。随着电子科技的不断发展，生命科学和信息科 学的结合越来越紧密，许多研究人员都投身于人类的健康事业中。心率：用来描 述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动次数，已第一声为准，心电信号是 一种非常弱且频率较低的一种信号，一般幅值在 0.05到 5 毫伏之间，频率在 0.05 到 100HZ 之间，脉搏波：人体心室周期的收缩和舒，导致主动脉的收缩和舒，是 血流压力-波的形式从主动脉根部开始沿着动脉系统传播，这种波称为脉搏波。 脉搏波所呈现的形态强度，速率和节律等方面的综合信息，反应出许多生理的血 流特征，而心率的测量是一种评价人生理状况很好的方法。心率和脉搏在身体正 常的时候是相等的。在房颤等心脏疾病的时候可出现不等。因此心率测量问题可 以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量更容易实现特点。在实际应用中得到广泛应 用。脉搏计在实际应用中非常广泛，他是用来测量一个人的心脏跳动次数的电子 仪器，也是心电图的主要组成部分，用来测量频率较低的小信号。其原理适用于 很多声控器械，它涉及到时序逻辑电路如何设计分析和工作等方面。通过使电路 更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而掌握如何根据需求设计满足要求的 各种电路图，解决生活中的实际问题，将所学的知识应用于实践。 （3）实习目的加深对所学理论知识的理解，更熟练掌握基本理论，且将理论与实际相结合。 学会基本的设计方法，能灵活运用所学理论知识进行设计，为今后的毕业设计打 下良好的基础。对所设计的电路进行实际电路验证，学会基本的调试电路的方法 和熟悉焊接技术。熟悉脉搏计电路的组成，工作原理和设计方法。掌握多谐振荡 器、倍频器、计数器、译码器等工作的原理和使用方法等的特点、用途以及主要 参数的计算方法。熟悉集成电路芯片74LS00、74LS160、晶闸管、有源滤波等电 路的特点以及主要参数的选择方法。（4）意义 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。培养学生的创新能力。（5）要求最终的电路要能够实现在 15s 测量人体 1min 的脉搏振动的次数，并且将振动 的次数通过显示器显示出来。一般来说，正常人的脉搏振动的次数为 6080 次 /min，婴儿为 90100 次/min，老人为 100150 次/min。（6）容 人体脉搏计的设计是基于传感器、放大电路、显示电路等基础电路的基础上实 现对人体脉搏的精确测量。其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷的 测量脉搏次数，并用十进制数显示出来。（7）要解决的主要问题主要解决传感器、放大与整形、倍频电路、定时电路、计数译码显示这五个单 元模块的设计和连接，最终实现要求设计的功能。三 设计方案的论证（理论依据，多种方案的分析比较）方案一：（1）传感器是将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。（2）放大整形电路把传感器的微弱电流，微弱电压放大，整形出去杂散信号。（3）倍频器是将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将 15s 传感器所获得 的信号频率4 倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。（4）控制电路用 555 保证基准时间控制，4 倍频后的脉冲信号送计数、显示电 路中。（5）计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，以十进制数的形式由数码管显示 出来。上述测量过程中，由于对脉冲进行了 4 倍频，计数时间也相应地缩短了4 倍15S,而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为 4次/ min，测量时间越短，误差也就越大。电路原理框图如图 1 所示：图 1 方案一脉搏计原理框图此方案采用脉搏传感器，74LS160计数器集成运放放大电路，555构成的单稳 态触发器，D触发器组成的4倍频电路等电路。脉搏传感器作用将脉搏信号转换 为响应的电脉搏冲信号。放大电路多种多样，本次试验采用比较简单，廉价的运 放电路。由一个运放器和三个电阻就组成了。放大倍数可调。倍频电路对脉搏进 行调频，如将15S传感器所获得信号频率4倍频即可得到对应一分钟的脉冲数， 从而缩短测量时间。555定时器是为了实验在规定时间完成。本设计采用简单的 74LS160作为计数器，因为它是十进制计数器，无需改装，直接使用。因为脉搏 测量器所需的上百位的数字。因此将三片74LS160直接进行进位方式连接，即得 千进制计数器。结合以上各部分电路容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将 经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对 计数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。根据此框图，各部分电路有如下几 种设计方案：放大电路可以在同相放大器和反相放大器之间选择，二者几乎没有 区别，在此选择使用反相比较器，整形电路可以用 555 构成的施密特触发器或者 由运放组成的迟滞电压比较器，考虑到运放的使用较 555 简单方便，选择用运放 构成迟滞比较器，倍频电路的形式很多，可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等， 由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的 D 触发器组成的 4 倍频电路。基准时间产生电路的设计方案也较多，可以选择石 英晶体振荡电路、555 定时器构成的单稳态触发器，因为石英晶体振荡电路还需 要接入4060集成芯片，使用比 555复杂，所以选择 555产生基准时间，计数译 码显示电路的计数器设计有较多方案，可以选择 160、161、279 等芯片均可以设 置为10 进制来满足要求，在此选择使用普遍，较熟悉的 160作为计数器电路。方案二测量脉搏跳动固定次数（比如 5 次，10 次）所需的时间，然后转换为每分钟 的脉搏数。电路原理图如图 2 所示。图 2 方案二脉搏计原理框图 这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案 的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻巧而便宜，通常 采用第一种方案。本文进行的设计就基于这一方案。四、电路设计数显式脉搏计主要由采样输入电路、脉冲计数电路、基准时间产生电路、译 码显示电路四个部分组成。且要求在开始工作 15S 后能自动停止对脉搏的计数以 获得准确的脉搏数。下次工作时通过按钮来清零，重新显示脉搏数。其工作原理 简介：电路连接好以后，通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，将脉搏信号 转换成电平信号，由三极管接受之后经过放大电路将信号放大 10 倍，流入整形 电路成为规则的矩形波，再由倍频电路对此信号进行二倍变频。与此同时，基准 时间电路由单稳态 555 产生一个周期为 15 秒的信号。整个电路的核心部分控制 电路的工作，按下开关，输出为低电平，对计数器和D触发器进行清零，输出高 电平。计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电 路信号通过三输入与非门产生。 由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟 信号，驱动计数器计数。计数器是由 16 进制的 74LS160 的 10进制计数器，三个 计数器从左至右分别为百位、十位、个位。十位的计数受各位的影响，只有当个 位计数到9后十位的使能端信号才有效。十位开始计数，百位的计数原理同十位。 74LS160计数器集成运放放大电路，555构成的单稳态触发器，D触发器组成的4 倍频电路等电路。脉搏传感器作用将脉搏信号转换为响应的电脉搏冲信号。放大 电路多种多样，本次试验采用比较简单，廉价的运放电路。由一个运放器和三个 电阻就组成了。放大倍数可调。倍频电路对脉搏进行调频，如将15S传感器所获 得信号频率4倍频即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。555定时 器是为了实验在规定时间完成。本设计采用简单的74LS160作为计数器，因为它 是十进制计数器，无需改装，直接使用。因为脉搏测量器所需的上百位的数字。 因此将三片74LS160直接进行进位方式连接，即得千进制计数器。结合以上各部 分电路容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍 频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制，使其能够准确 的显示脉搏数。（1）传感器 脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象检 测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。传感器采用 了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳 动转换为电信号。传感器信号调节，该部分结构简单R1和R2的值分别选取510 Q和10KQ，电源采用5V供电，红外线发光管采用TLN104接收三极管采用 TLP104。本次设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。其 原理电路如图3：(2)放大与整形由于传感器输出电阻比较高，本次课程设计中的放大电路采用了同相放大器， 如图所示，运放采用了 OP07，电源电压采用正负5V,放大电路放大倍数为20 倍左右。整形电路在这里采用了最为简单的与非门电路。电路如图4所示。VCC I I II 10-kDd4NE5532AINAND2:IDOtkllT图4放大与整形电路NE5532AI的功能介绍：1、等效输入噪声电压5纳伏/Hz的典型值在1 kHz2、单位增益带宽，典型值为10MHz3、高直流电压增益，典型值为100V/mV4、峰峰值输出电压摆幅为32V典型的电压CC =+18V和R =600 Q+ L5、高转换率，典型值为9V/us6、宽电源电压围,+3V 到+20VNE5532AI管脚接线图(3)倍频电路该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s测出1min 的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。倍频电路的形式很 多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较 高，所以这里采用了能满足设计要求的D触发器组成的4倍频电路。电路如图5 所示。rm图5倍频电路(4)定时电路555定时器是为了试验在15s完成任务，使单稳态的时间长度为15s。所以定 时时间为15s。本试验采用555单稳态定时电路。工作原理大概如下：开关打开，RST、VCC、1端都为高电平，此时比较器1、2都输出高电平，输 出端输出为低电平。触发时：开关打开，RST、VCC、1端都为高电平，此时比 较器1、2都输出高电平，输出端输出为低电平。触发时：触发信号加在触发端, 比较器2输出低电平，锁存器置1,输出端输出高电平。电源通过电阻R6向电 容C2充电，暂稳态开始。经过一个小的延迟时间，触发信号消失，触发端为高 电平。暂稳态结束时：随着电容的充电，当时间达到15s的时候，电容两端电 压为2/3VCC,THR和THI为1/3VCC，此时输出变为低电平。时间常数有t=1.1RC 可以求得。取 C5=10nF, C2=4.7uF, R6=2.9MQ。vccJ1e图6定时电路输A输出THR.%DisXLL导邇HH就止%、H不变不变冥HL导51图7 555部原理图和逻辑图5KI(5)计数译码显示这部分电路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来的功能。对 于这部分电路，有很多方案都可以实现这个功能，而且电路都很相似，对于计数器，选择曾在这个 学期做过的电子技术实验中多次用到的十进制计 数器74LS160。电路如图8所示。D0I rX1U- dzA wG-畫 口pal: NW;a11-ss-匸qU1274L13jr1718U17Vuia ?lLSl0fcfU16JNOT4/1L T:JnLJdzx wG-畫Yenmlss-匸quu二图8计数与显示芯片使用说明：74LS160逻辑功能测试74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。使 用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。其引脚图见图9。先对74LS160的基本功能进行测试，并将计数器的工作状态填入表9中。异步清零：当RD =0时，Q 0=Qi=Q2=Q3=0o同步预置：当LD =0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q =D, Q=D, Q=D,0 0 1 12 2Q =D33锁存：当使能端EP ET=O时，计数器禁止计数，为锁存状态。计数：当使能端EP=ET= 1时，为计数状态。表974LS160的逻辑功能表时钟CP异步清除 RD同步置数LDEPET工作状态X0XXX清零t10XX预置数X1101保持X11X0保持（但C=0）t1111送数图9 74LS160引脚图五、性能的测试本次课程设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。如图10所示。XFG1图10函数信号发生器1.放大电路测试在本次课程设计中，由于传感器电阻大，所以需要放大电路，放大电路的电 路图为图11所示，波形图如图12所示Qv图11放大电路喘苓IEkL T器e灯年比锲 20 V/D-iv比运V/L-iv下|0节也童o-屯平AC :- | tC 存ac| -spT - | 疔fWT 二页：2.-A | A-2 FT疋蒂|押灌1自蔚|右图12放大前与放大后的波形对比(A通道为信号源波形，B通道为放大后波形)(2) 倍频电路测试四倍频电路：原理图如图13所示，其工作原理为：当a点为低电平稳定时，b点为0。a二b,c=0。当a由低变高时，第一个异或输出为高。给电容充电，b点电压逐渐 升高，当电压达到异或门的阈值电压2V时，c点为低。高电平时间由R1，C1的 值共同确定。当a点由高到低时，b点电压不变，且电容开始放电，此时，a二!b, c点电位为高，直到电容放电致电压小于2V, c点跳变为低。整个过程组成一个 二倍频电路，两个二倍频电路构成一个四倍频电路。输入与输出波形如图14所 示。输入脉搏信号用250HZ的矩形波，T=4ms。前级二倍频电路的高电平应为2ms。 经计算得：T=0.7RC=0.7X7KXO.4uF=1.96ms。W为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于1/2T。且如果电容过W大，则波形可能出现丢步现象。故我们只需要分布均匀的上升沿即可。所以：T =0.7RC=0.7X1KXO.1uF=0.07msW2j-：9C1图13倍频电路通道工通道_D时间32.075 ms32.075 ms0.000 s通道10.003V 10.003V 0.000 V通道_E5.000 V 5.000 V 0.000 V厂眉向计 棵存GND CT2-T1时间轴屛：比例 500 us/t)iv通道丿pV/biv比例 丫位宣电平正弦|标谁|自动|贡触发边铝图14 4倍频波形(A通道为频率放大4倍后波形，B通道为信号源波形)(3) 定时电路测试本次课题中，要求用15秒测出1min的人体脉搏，所以用555定时器使输出 端在15秒以为高电平，15秒之后为低电平。电路如图15所示，波形如图16所 示。vcc图15 555定时器部分电路图16 555定时输出波形(4) 电路整体性能测试在本次课程设计中当加入一个1Hz, 10V的信号源时，在15秒时脉搏计上的示数为60，在题目要求的误差围图17加入1 hz信号源时15秒所测出的脉搏数 其他测量值如表一所示表一输入频率以及脉搏计显示示数输入频率脉搏计显示1Hz600.5Hz302Hz12010Hz600六、结论本次课程设计基本实现了课题的要求，将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信 号，放大整形后进行四倍频，并在15s （基准时间）对此信号计数，便得到了 1min脉搏数。七、性价比555集成芯片，74LS160, NE5532AI, 7400,74LS86以及数码管都是在市场上 的销售价格都比较便宜，可以买到，并且常用的芯片，在一定条件上可以代替市 场上销售昂贵的脉搏计。此脉搏计，制作简单，方便，成本低廉，性价比良好。八、实训心得体会经过为期两周的数字电子技术综合课程设计实习，我学到了很多东西，这一 课程设计使我们对课堂上所学的理论知识有了进一步的认识，并增强了我对数字 电子技术这门课程的兴趣，我对实验要求有新的提高，增强我对焊接的严谨性， 动手能力也有一定的提高，对电路板布线也知道了一些注意事项。经过实训进一 步加深对逻辑电路和一些常用IC如74LS160、7400、555等应用的熟悉和掌握。 另外，我也发现自己对数电知识和电子设计软件掌握得不够，其次在此次设计过 程中由于我们频繁的使用MultisimlO这个仿真软件，因此我也进一步熟悉了此 软件的使用，同时使用电脑对绘图操作上有了进一步提高。我首先应选出一个比较该兴趣的课题，然后根据设计题目的技术指标或电路 所实现的功能，对各单元模块进行设计，在设计过程中遇到了一些问题，使得我 查找各种相关资料，在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事 细心、用心、耐心的能力。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一 大步。在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参 加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人 才而更加适应社会。最后将各单元模块进行总体设计并画出原理框图。最后我们 用仿真软件对我们所设计的电路进行了仿真，经过我们不断地调试才达到我们实 际的要求。通过这次实践，使我对抽象的理论有了具体的认识。也使对我专业知识和专 业基础知识做了一次实际检验和巩固，这次课程设计使我懂得了理论与实际相结 合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结 合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能 力和独立思考的能力。通过实训明白数字电路的安装，焊接过程是一个考验人耐 心的过程，对电路的安装、焊接、分析。调试要一步一步的来，不能急躁，在测 试问题时对电路原理的理解显得尤为重要，只有明白原理才能很好的排除故障，当然，完成此次电路制作与老师的辛勤指导也是有很大关系的，很感老师每 天指导我们完成这次实训，总之这次的实训是一次很好的理论结合实际的锻炼， 从中受益匪浅。九、参考文献1 夏路易主编.数字电子技术基础.M：科学，2012年2 毕满清主编电力技术实验与课程设计.M:机械工业，2005年附录 I 总电路图N附录 II 元器件清单序号编号名称型号数量1U1, U2, U5译码器74ls16032U3, U4, U108421BCD码译码 器CD451133U6非门740114U7定时器55515U8放大器OP0716U9 (A, B)异或门4070BD_10V17U11, U12, U13数码管SENVEN_SEG_CON_K38R1电阻16kQ19R2电阻6MQ110R3电阻910kQ111R4电阻100kQ112R6可调电阻3.1kQ113R7, R8, R9排阻180Q314C1电容46nf115C2电容100uf116C3电容4.6uf117C4电容10nf118U14与非门74001