数显式脉搏测试仪设计方案

1 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，培养严谨求实、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内容将有较大的发展。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 30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 （ 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 毫伏之间，频率在 00搏波：人体心室周期的收缩和舒张，导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力 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 7474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 内测量人体 1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 /儿为 90100 次 /人为 100150 次 / （ 6）内容 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） 3 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 内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 1这种方案测量的误差为 4次 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， 74555构成的单稳态触发器， 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 15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内完成。本设计采用简单的 74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 74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内容及设计要求分析 ，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，各部分电路有如下倍频器 基准时间产生电路 放大与整形 计数译码显示器 控制电路 传感器 4 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 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。 传感器 放大与整形 六进制计数器 基准时间发生器 门 控 电 路 8 位二进制计数器 可预置 8 位计数器 译码、显示电路 定脉冲数产生电路 5 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 15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 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 740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。74555构成的单稳态触发器， 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 15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内完成。本设计采用简单的 74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 74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内容及设计要求分析 ，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 6 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 2的值分别选取 510和 10源采用 5V 供电，红外线发光管采用 收三极管采用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： 图 3 红外光电传感 器 (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 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。 7 图 4 放大与整形电路 功能介绍： 1、 等效输入噪声电压 5纳伏 /典型值在 1、 单位增益带宽，典型值为 10、 高直流电压增益，典型值为 100V/、 峰峰值输出电压摆幅为 32V 典型的电压 +18V 和 00 5、 高转换率，典型值 为 9V/、 宽电源电压范围， +3V 到 +20V 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 15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 成的 4倍频电路 。电路如图5所示。 8 图 5 倍频电路 （ 4）定时电路 555 定时器是为了试验在 15s 内完成任务，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， 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， 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 电容 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 2/3 1/3时输出变为低电平。时间常数有 t= 0 图 6 定时电路 9 图 7 555 内部原理图和逻辑图 （ 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74路如图 8 所示。 10 图 8 计数与显示 芯片使用说明： 74辑功能测试 74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 74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 74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 0 时， Q 0 0。 同步预置：当 0 时，在时钟脉冲 Q 0 3 锁 存：当使能端 0T 时，计数器禁止计数，为锁存状态。 计数：当使能端 1 时，为计数状态。 表 9 74逻辑功能表 时钟 步清除同步置数 作 状 态 0 清零 1 0 预置数 1 1 0 1 保持 1 1 0 保持（但 C=0) 1 1 1 1 送数 图 9 74脚图 11 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。 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 图 11 放大电路 12 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=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 2c 点为低。高电平时间由 电容开始放电，此时， a=!b, 到电容放电致电压小于 2V， 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 250T=4级二倍频电路的高电平应为 2计算得： 7K 为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的 高电平应小于 1/2如果电容过大，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： 1K 13 图 13 倍频电路 图 14 4倍频波形（ 倍后波形， （ 3）定时电路测试 本次课题中，要求用 15 秒测出 1人体脉搏，所以用 555 定时器使输出端在 15 秒以内为高电平， 15 秒之后为低电平。电路如图 15 所示，波形如图 16所示。 14 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 110V 的信号源时，在 15 秒时脉搏计上的示数为 60，在题目要求的误差范围内 15 图 17 加入 1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 10 0 220 1000 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） 内对此信号计数，便得到了 1搏数。 七、 性价比 555集成芯片， 747400,74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。 16 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 47400、 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 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