测控技术与仪器课程设计-数显式脉搏计的设计--总体设计方案.doc

引言脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。在医院临床监护和日常中老年保健中，脉搏是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取。近年来出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量。但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。本论文文讲了一数显示脉搏计的具体设计方法,利用传声器(电容传感器)获取脉搏信号,将调理后的信号输入集成计数芯片进行定时计数,由LED显示输出,从而测得一分钟的脉搏数。此装置具有结构简单，直观、测量结果较精确的优点。1 总体设计方案1.1 设计思想人体脉搏信号类似正弦波信号,选用高灵敏度传感器如传声器将心脏的微小震动感应出来,并经放大处理后得到类似正弦波的模拟信号,再经滤波整流后得到正的矩形方波即数字信号,将数字信号接上集成计数芯片完成二进制计数,将二进制码经译码器处理后得到BCD码,最后将BCD码接上LED共阴极数码管,将结果显示出来。1.2 设计目的脉搏作为一项基本的生命指标，测量脉搏是最常见的生命特征的提取。本论文文讲了一数显示脉搏计的具体设计方法,利用传声器(电容传感器)获取脉搏信号,将调理后的信号输入集成计数芯片进行定时计数,由LED显示输出,从而测得一分钟的脉搏数。此装置具有结构简单，直观、测量结果较精确的优点。将BM放在人体脉搏跳动最明显的部位,能够实现对脉搏信号的检测和计数功能。1.3 原理框图本设计中，脉搏波动频率测量的实现是通过传声器BM将脉搏跳动的音频信号转换成电信号，该电信号经运算放大器放大整形处理后，作为集成计数器的计数脉冲。此计数脉冲经集成计数电路和七段译码显示驱动集成电路处理后，驱动数码显示器工作，显示器上的数字随着脉搏的跳动而同步变化。延时60s后，按照预先设计的计数规则，集成计数器停止计数，数码显示器上的小数点被点亮，表示测量结束。此时数码显示器上显示的数字即是被测者脉搏每分钟跳动的次数。通过调节RP1的阻值，可使脉搏跳动于显示同步，实时统计出脉搏数。 数码显 示器显示驱动集成电路信号放大电路脉搏传感器计数器集成电路数显式脉搏计系统硬件原理框图2 系统硬件设计2.1 脉搏传感器提取脉搏信号所用的传感器有三种型式：液体传导式、光电式和接触式传感器。接触式又有多种型式，如应变压力式（或称应变电阻式）、压电式、压磁式等。这三大类型的脉象传感器，其工作原理不尽相同，从一定程度上均可获取脉象的信息，但它们所获得的信号基本上是脉管容积的变化或脉位处力的变化，尚不足以揭示出脉搏内涵的丰富信息。这就象我们可以用手指触摸到人说话时声带的振动，但很难用手的触觉识别出说话人的特征一样，而任何一个普通人的听觉系统的能力都可轻而易举地分辨出说话人的特征（如性别、年龄等）。因此，我们试图以“听”声的方式来提取和分析脉搏信号。基于这种意图，我们选用电容传声器(如美国的Larson*Davis-3723、丹麦的B&K-4147等)作为提取脉搏信号的传感器，本论文采用自功率谱（以下简称功率谱）分析脉搏信号，处理方法和过程为：脉搏信号先经过一模拟低通滤波器以消除工频等各种干扰。然后经过A/D采样，把模拟信号x(t)转变为数字信号x(n)，最后计算瞬时频谱传声器的优势：瞬态响应快、灵敏度高、稳定性好、特别是低频响应好等特点。2.2 电容式传感器科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点，但由于半导体材料对温度极为敏感，所以其性能受温度影响较大，产品的一致性较差。电容式传感器是应用最广泛的一种压力传感器，其原理十分简单。一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为： C= s/d（ 为平行平板间介质的介电常数，d 为极板的间距， s 为极板的覆盖面积）改变其中某个参数，即可改变电容量。由于结构简单，几乎所有电容式压力传感器均采用改变间隙的方法来获得可变电容。电容式传感器的初始电容值较小，一般为几十皮法，它极易受到导线电容和电路的分布电容的影响，因而必须采用先进的电子线路才能检测出电容的微小变化。可以说，一个好的电容式传感器应该是可变电容设计和信号处理电路的完美结合。2.3 集成放大电路脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。电容式传声器输出电压大约为-10mv40mv，在后续电路中需要将其通过过零比较器，转换为脉冲信号，只要将其放大100倍，就可以满足后续电路处理的要求。同时，要求放大电路有较高的输入阻抗。同相比例放大电路简单、实用、焊接方便，相对反相比例放大电路而言，具有更高的输入阻抗，而且价格便宜，所以，本设计选择了同相比例放大电路。可以组成同相比例放大电路的运算放大器件有很多，比如运算放大器集成电路LM324等。本设计采用LM324四运放集成电路，LM324采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。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，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 LM324管脚图2.4 集成计数电路本设计选用集成计数IC CD4553，CD4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。CD4533管脚功能：CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。LE：锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。CD4533注意事项：CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。例如：当Q0Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。2.5 显示驱动电路显示电路方案由显示驱动集成电路部分、数码显示器部分组成。集成驱动电路选用CD4511，CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED脉搏信号经放大电路处理后，需要将脉搏脉冲信号在显示电路中直观地显示出来。所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。人体脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率一般为6080次/min。本设计中，设定显示的每分钟脉搏跳动次数误差不超过1次，显示位数为2位。本设计采用7段LED数码显示器来对脉搏波动频率信息进行显示。它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长、使用方便等特点，使用非常广泛。CD4511与7段LED数码显示器的连接方式2.6 硬件电路原理图电源电路:由电源开关Sl、电池GB和滤波电容器C6组成。脉搏信号检测放大电路:由传声器BM、电阻器Rl-R7、电位器RPl、电容器Cl-C5、二极管VD1、VD2、运算放大器集成电路ICl(Nl-N3)和六施密特触发器IC2(D1-D6)内部的Dl组成。延时复位电路:由复位控制按钮S2、电阻器R8、R9、电位器RP2、电容器C7、C8、二极管VD3、1C2内部的非门施密特触发器D2-D6和译码器集成电路IC3内电路组成。显示驱动电路:由IC3、译码驱动集成电路IC4、电阻器RlO-R2O、晶体管Vl-V3和数码显示器组成。3 器件清单列表序号名称参数个数备注1传声器BMB&K-414712IC1LM32413IC2CD4010614IC3CD455315IC4CD451116数码管三位LED共阴极17二极管VD1、VD2、VD3lN41483硅开关二极管8滑动变阻器RP122K1小型合成碳膜电位器9滑动变阻器RP268K1小型合成碳膜电位器10电容C50.0331独石电容器11电容C2101耐压值为16V的铝电解电容器12电容C81000P1高频瓷介电容器13电容C1、C44.72耐压值为16V的铝电解电容器14电容C6、C71002耐压值为16V的铝电解电容器15开关S11小型单极拨动式开关16开关S21小型动合按钮17电源GB6V1叠层电池18电阻R52.2M1金属膜电阻器19电阻R132201金属膜电阻器20电阻R9300K1金属膜电阻器21电阻R21K122电阻R1、R610K2金属膜电阻器23电阻R10、R11、R122.4K3金属膜电阻器24电阻R3、R4、R7、R8330K4金属膜电阻器25电阻R14R201007金属膜电阻器4 使用方法介绍使用时，将BM放在人体脉搏跳动最明显的部位，接通电源开关Sl，再按下复位控制按钮S2，D2输出低电平，D3和D4输出高电平，IC3清零复位，VD3导通，C7快速充电，D5、D6也输出低电平，IC3允许计数。松开S2后，C7通过D5和D6的输入端放电，使D5和D6维持输出低电平。在按下S2的同时，BM将脉搏跳动的音频信号转换成电信号，该电信号经运算放大器Nl-N3和Dl放大整形处理后，作为IC3的12脚 (CLK)的计数脉冲。此计数脉冲经IC3和1C4译码处理后，驱动数码显示器工作，显示器上的数字随着脉搏的跳动而同步变化。延时60s后，C7放电结束，D5和D6输出高电平，lC3停止计数，数码显示器上的小数点被点亮，表示测量结束。此时数码显示器上显示的数字即是被测者脉搏每分钟跳动的次数。调节RP1的阻值，可使脉搏跳动于显示同步 (使脉搏每跳动一次数码显示器的数字加上1)。调节RP2的阻值，可改变延时计时的准确性 (使延时时间刚好为605)。5 系统调试与测试结果将BM放在人体脉搏跳动最明显的部位,如胸腔附近，颈动脉附近都是比较理想的检测位置，我们将BM放置在颈动脉附近进行测试，接上电源，调节RP1的阻值，使脉搏跳动于显示同步 (使脉搏每跳动一次数码显示器的数字加上1)。调节RP2的阻值，可改变延时计时的准确性 (使延时时间刚好为605)。通过上述理论推到,若本次课设所设计的数显式脉搏计能够完成同步计数和延时计数功能,那么本次课程设计是成功的,当然不能保证完全吻合脉搏,在误差允许范围内数据具有相对准确性。同时，本设计可继续改进，选用不同的元器件以及更为合理的电路连接方式可获得更高的精确度。设计总结通过本次传感器课程设计实践我们收获颇多。通过小组成员间的协作，让我们充分体到团队的力量远比个人强大。数电、模电、传感器知识的交叉综合运用，让我们体会知识是相互存在联系的，不是孤立单独存在的。本次设计增强了我们阅资料的能力，知识要点捕获能力，借助互联网的优越性，我们可以很方便的查阅许多资料，为传感器课程设计带来了很大的方便。当然，本次设计离不开其