数显电子脉搏器

电子数显脉搏测试仪学生姓名：刘莉莉学号：060404350507班级：06机电一体化指导老师：卞忠英职称: 讲师学校：江苏城市职业学院张家港办学点目录一、绪论………………………1二、分析设计课题要求………1三、确定总体设计方案………2四、电路组成和工作原理……………………21.传感器…………………32.放大电路………………3 3.时基信号产生电路……………………34.计数器…………………45.译码器和显示电路…………………4五、电路设计和计算………41.放大与整形电路………42.计数器电路……………63.译码和显示电路………84.时基信号产生电路…………………115.心律监测电路………12六、调试方法………………151.总体观察……………152.检查放大电路………153.计数译码和显示电路的调试………154.实际信号的电路调试………………165.漏失脉冲检出电路的调试…………16七、脉搏测试仪的使用方法…………………16八、讨论………………………171.减小时基定时周期…………………172.设置倍频器…………17九、结束语〔致谢〕…………18参考文献…………………19电子数显脉搏测试仪的设计刘莉莉内容摘要：电子脉搏测试仪，主要由传感器、计数器、译码器和时基信号发生器等局部组成的数字脉搏测试电路。能够测出每分钟脉搏跳动的次数，并直观地显示出来，使用很方便。不用时，S把电源断开，整个电路静态时不消耗电能，一节6V叠层电池能用很长时间。关键词：传感器显示器心律监测器时基信号发生器计数器译码器放大与整形电路一、绪论随着科学技术的开展，医学方面的器材也在不断地改良着，更新着，传统的人工脉搏器已不能满足医学界的需要。为了更好地运用所学知识，加深对电子电路的掌握，到达创新的目的，更为医用器材补充一简单快捷地测试脉搏跳动的工具，本文通过实践制作出一个电子数显脉搏测试仪，也使我学会了合理利用集成电子器件制作电路。电子数显脉搏测试仪能测出人体脉搏每分钟跳动的次数，并通过数码显示器直观的显示出来，能用三位数来显示一分钟内脉搏跳动的次数，并在一分钟内保持数据不消失，便于观察，在人体脉搏跳动过快时，脉搏测试仪会亮红灯并发出报警信号，具有超强报警功能，具有自动报时功能，不用时，把电源断开，整个电路静态时不消耗电能。采用脉搏器测量心脏跳动频率，不但精确，而且使用很方便，显示结果也十分醒目，适用于各个年龄及性别的人，能判断心率不齐且进行告警显示。二、分析设计课题要求正常人的脉搏数为〔60~80〕次／min，老年人为〔50~150〕次／min，婴儿为〔90~140〕次／min,，这种频率信号属于低频范筹。因此，脉搏计是用来测量低频信号的装置，它的根本功能要求应该是：1、要把人体的脉搏〔振动〕转换成电信号，这就需要借助传感器。2、对转换后的电信号要进行放大和整形等处理，以保证其他电路能正常加工和处理。3、在很短的时间〔假设干秒〕内，测出经放大后的电信号频率值。总之，脉搏器的核心是要对低频电脉冲信号在固定的短时间内计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏器主要组成局部是计数器和数字显示器。三、确定总体设计方案脉搏器的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：1、把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内〔一分钟或半分钟〕进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。2、测量脉搏跳动固定次数〔比方5次，10次〕所需的时间，然后换算为每分钟的脉搏数。这两种方案比拟起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方法的测量误差比拟小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏器轻巧而廉价，通常采用第一种方案。以下进行的设计就基于这一方案。这种设计方案的方框图如图1：图1方框图中各局部的作用是：〔1〕传感器：将脉搏转换成相应的电脉冲信号；〔2〕放大电路：对微小电脉冲信号进行放大；〔3〕时基产生电路：产生固定时间〔1分钟或半分钟〕的控制信号，作为计数器的门控，使计数器只有在此期间才进行计数；〔4〕计数、译码、显示电路：在门控信号作用期间，对电脉冲信号进行技术，并显示译码器译码，再由数码管显示计数值；〔5〕心率监测电路：如果出现心率不齐，应有所告警。四、电路组成和工作原理图1方框图中的各单元电路，应根据设计要求和实际条件来决定。1.传感器为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。它有两种根本类型：石英晶体和压电陶瓷。前者温度稳定性和机械强度都很高，工作温度范围宽，转换精度也高。而压电陶瓷是人工制造的压电材料。优点是压电系数大、灵敏度高、价格廉价，只是温度稳定性和强度不如石英晶体。目前应用更多的是压电陶瓷。它在性能上能满足脉搏计的要求，而且本钱低是一个重要因素。2.放大电路通常采用运算放大器。它具有输入阻抗高和输出阻抗低以及电压放大倍数调节方便等许多优点，但在数字电路系统中也常用非门来构成线性放大器，如图2〔a〕所示。因为由门电路的转换特性〔见图2〔b〕〕可知，如果使他工作在线性区，它就有电压放大能力。图2〔a〕中门电路的输出、输入端所连接的反应电阻，正是为使其工作在线性区而设置的。〔a〕图2由门电路构成的放大电路，具有功耗小、稳定性高和本钱低等优点，它的缺点是输出阻抗高和上限频率较低。3.时基信号产生电路为了得到频率较低、脉冲宽度一定〔比方1分钟〕的时基信号，通常采用“振荡加分频的方法。先用振荡器产生高频脉冲。现有一些集成组件，其内部同时包含振荡和分频两局部电路，使用起来十分方便。常用的这只那个类型有CC4060和CC4040。4.计数器计数器的类型很多，选择余地较大，但最好选用有选通脉冲输出控制的计数器，以便采取动态扫描显示的方法，可以大大简化电路，节省器件。这种类型的计数器，最典型的是CD4553。5.译码器和显示电路这局部没有其他特殊要求，一般只需根据所用的显示器件，选取适宜的显示译码器即可。五、电路设计和计算根据审题表的要求和前面关于单位电路的分析，可以画出脉搏器的参考电路图如图3所示。完整的电路结构将各功能模块电路有机结合在一起,能够实现在一分钟或半分钟内测量脉搏数,并显示其数值。下面按各单元分别进行设计和计算。1.放大与整形电路这局部电路如图4所示，其中非门G1和G2构成两级放大器，G3和G4构成施密特触发器，完成整形功能。为了使G1和G2非门处于传输特性的线性区，应适中选取反应电阻R1的组值。其阻值不能太小，否那么非门的输出与输入之间的信号直接馈通。一般R1值应比非门的输出电阻R0大两个数量级〔非门R0=8～15KΩ),但R1的阻值也不能太大，否那么将使工作点稳定性变差，甚至有可能偏离出线性区，为此,R1值应比非门的输出电阻Ri小1～2个数量级(非门Ri=1010Ω),所以R1=1～10МΩ,可选为5.0МΩ、2.2МΩ等值。由非门构成的放大电路，其放大倍数约为20倍。一般是不可调的，如放大倍数不够，可采取多级放大器级联起来增大放大倍数。(图手绘)图3图4G3和G4门通过正反应构成施密特触发器，电阻比值R2/R3影响其回差值，一般先确定电阻R3，可根据R3>>UOH-UTH/IOH(max)选R3，式中UOH为门电路的输出高电平〔≈VDD〕，UTH为门电路的阈值电压〔≈VDD/2〕，IOH(max)为所选门电路的高电平输出电流最大允许值。通常把R3值取得较大〔>10KΩ〕。当R3选定后，即可确定电阻R2的阻值，由于这里的施密特触发器主要用来对输入电压进行整形并提高抗干扰能力，通常可按R2=〔0.01～0.1〕R3的关系来选取电阻R2的阻值。2.计数器电路计数器是脉搏测试仪的重要组成局部，本文电路采用CD4553〔MC14553〕作为计数器。CD4553有两个特点：〔1〕有多种功能：锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等。〔2〕是三位10进制计数器，但只有一位输出端〔输出BCD码〕，要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。图5图6CD4553的组成方框图及管脚排列如图5、图6所示，功能表见表1。现在简要说明这写管脚的功能。〔1〕CL〔引脚12〕为计数器的脉冲输入端。〔2〕INH〔引脚11〕为计数允许控制端，当INH为“0”时，计数脉冲由CL端进入计数器，而当INT为“1〔3〕LE〔引脚10〕为锁存允许端，当LE为“1”〔4〕R〔引脚13〕为复零端，当R=1时，计数器输出Q0～Q3皆为0。〔5〕输出哪一位的计数值由选脉冲DS1～DS3控制〔低电平有效〕。〔6〕溢出OF〔引脚14〕，当CD4553每计满1000个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，而后又重新开始计数。输入输出RCLINHLE000不变000计数0×1×不变010计数010不变00××不变0××锁存0××1锁存1××0Q1=Q2=Q3=Q4=0表1采用MC14553作为计数器主要有以下几点理由：(1)计数输出为BCD码，便于译码显示。〔2〕具有显示驱动扫描选通脉冲输出，可实现动态显示。〔3〕具有计数允许〔INH〕和溢出〔OF〕控制端，可实现其他功能的要求。3.译码和显示电路译码器的功能是把计数器CD4553〔MC14553〕输出的计数结果(BCD码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。CD4511是常用的BCD码——七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。本文采用CD4511作为译码器。CD4511有四个输入端A，B，C，D和七个输出端a～g,它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭控制端/BI来控制。CD4511的管脚排列如图7所示，其真值表见表2。由表2可见，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端a～g随输入A～D端而变化，当LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应使/BI为高电平。另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。图7LE/BI/LTDCBAabcdefg显示××0××××11111108×01××××0000000熄灭01100001111110001100010110001101100101101101201100111111001301101001110011401101011011011501110110101111160110111111000070111000111111180111001111001190111010～11110000000熄灭111××××为LED上跳前的BCD码决定锁存表2译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式的原理图如图8所示。该图为三位LED显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极〔对共阴LED数码管〕D1，D2，D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2，DS3控制〔本设计电路中DS1～DS3经三极管BG1～BG3控制D1～D3〕，从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率适宜，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入的电容CS值调整来决定。图8数码管限流电阻值根据数码管电流的允许值进行计算。假设把电路中的某位显示电路单独画出来，如图9所示。限流电阻R1～R7可按下式进行估算：R1～7=UOH-UD-UCE/IS式中UOH为CD4511输出高电平〔≈VDD〕，UD为LED正向工作电压〔约为1.5～2V〕，IS为数码管的笔段电流〔约为5～10mA),UCE是三极管T的管压降〔约为1V〕，那么可求得R1～R7约为0.5KΩ。图9上面的限流电阻也可以串接在三极管的集电极与地之间〔这时原来三位显示器的三个三极管集电极要并联在一起〕，这样就可以用一个电阻代替原来的七个电阻，这种接法的限流电阻仍可以用上式计算，但IS不是数码管每段电源，而应该取七段电流的总和。4.时基信号产生电路前已述及，时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为一分钟〔或30秒〕。为了得到精确的定时信号〔计数器的门控信号〕，采用振荡，分频的方法，本文选用了CD4060组件来完成这种功能。CD4060是一个14位二进制窜行计数器〔分频器〕，但是它内部除了有14个T触发器〔组成14位计数器〕外，还包含一个振荡器，只要在CP1，CP0和/CP0端外接电阻和电容，就可以构成RC振荡器。为了得到60秒脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到,该单元电路如图10所示,那么RC振荡脉冲的频率f0应为f0=214/60×2=136HZ当CD4060接成RC振荡器时，其震荡频率f0与RC之间有以下近似关系：f0≈1/2.2RTCT电阻RT的值应大于1KΩ,电容CT应大于或等于100PF,一般可先选定电容CT容量,再根据上式可估算出电阻RT之值。图10电阻RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数的差异而引起振荡周期的变化而接入的，RS的阻值应尽量大于RT，一般可取RS=10RT，此时振荡周期的变化可大为减小。为了得到准确的振荡频率值，实际上RT和RS均应采用电位器，以便调整。5、心率监测电路根据本文设计思想，心率监测电路不仅可测出人的心脏每分钟跳动次数，还能够指示出心率是否正常，心率不正常是指脉搏中间出现停跳的状态，即在连续的脉搏电信号中出现脉冲失落的现象。通常可采用漏失脉冲检出电路来进行监测，电路如图11所示。图11心率监测电路漏失脉冲检出电路的核心局部是由555定时器所组成的单稳态触发器，此外，在外接电容C是两端并入一个三极管T。在没有参加触发脉冲前，电路处于稳态，输出端〔555定时器引脚3〕为低电平，u0=0。当输入端〔555定时器引脚7〕的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂稳态，输出端为高电平，u0=1。而后电源电压VCC通过电阻R开始向电容C充电，当充电至uC=2/3VCC时，电路又返回到稳态，输出端重新回到低电平，u0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。暂稳态持续时间〔输出脉冲宽度tW〕只取决于外接电阻R和电容C的大小，tW=1.1RC。单稳态电路的工作波形如图12所示。图12漏失脉冲检出电路的根本原理是使电路在没有漏失脉冲时，电容C充电直始终答不到uC=2/3VCC，那么输出端将一直维持高电平。但是，当没有漏失脉冲时，电容C充电时间加长，可使电容C充电值到达uC=2/3VCC，于是电路由暂态返回稳态，输出端变为低电平。在下一个触发脉冲下降沿到达时，输出端又变为高电平，结果在漏失脉冲状态下，输出端产生一个负脉冲，它可作为有漏失脉冲的标志信号。现结合图11所示电路和工作波形图〔见图13〕进行说明。图13假设单稳态电路开始时u0=1，本来电容C应通过电阻R被电源电压VCC充电，但此时u1为低电平，晶体管T饱和导通，那么C两端电压uC将近似为0，只有在t1时刻后，由于u1为高电平，晶体管截止，电容C才开始充电，uC将近似线性增加。当到达t2时刻。电容C充电电压尚未到达2/3VCC，而触发脉冲u1的下降沿出现了，在此后的t2～t3期间，电容C很快放电〔因晶体管T导通〕，这样输出端电压u0仍保持原来的高电平。在t3时刻C又充电，未冲到2/3VCC时，u1又产生下降沿〔t4时刻〕，C很快放电。t5时刻，C被充电，但由于在t5～t7期间有触发脉冲漏失，这样C充电时间加长，在t6时刻可使电容C充电至2/3VCC，使输出端u0变为低电平，C那么通过555内部的开关管迅速放电。t7时刻有触发脉冲下降沿出现，从而使u0回跳至高电平。可见有漏失脉冲时，输出端u0就会出现一个负脉冲，它就是检出漏失脉冲的标志信号。图11中的两个与非门组成RS触发器，用来记忆漏失脉冲的状态。这样，当有漏失脉冲〔脉搏停跳一次〕时，u0出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管LED阴极为低电平，于是LED被点亮，以告知测试整者。为了能检出漏失脉冲，应适当调节单稳态触发器输出脉冲宽度tW=1.1RC，使其稍大于输入脉冲〔脉搏电信号〕的周期。由于正常人的心跳速度为60～120次/min，其周期为1～0.5s，那么要求1.1RC>〔0.5～1〕S电容C是取值范围为几百皮法到几十微法，而电阻R应该采用电位器，以便于调整。六、调试方法在实验箱面包板伤插接或印刷电路板上焊入各元件,经认真检查无误后即可开始调式。1.总体观察以低频可调频率脉冲发生器的输出信号当做脉搏传感器的输出信号，接通电源开关S2，如显示器显示无规那么数字,说明电路根本工作正常,而后按下清零按钮S1，对计数器和定时器清零,那么显示的计数值应不断增大，进一步说明电路的工作是正常的，否那么要进行逐级检查。2.检查放大电路仍用脉冲信号发生器做输入信号源，用脉冲示波器观测放大电路和整形电路输出端电压波形，正常情况下应有100倍以上的放大，整形电路输出的电压波形应理想，否那么可改动一下整形电路外接电阻值。如果电压放大倍数较小，可改换两个另外的非门，或者再加一、两级电压放大器。3.计数译码和显示电路的调试用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入〔加至CD4553的12引脚〕，从LED数码管上读取数字，观察个、十、百位计数器是否都能完成逢十进一的功能。然后按下清零按钮S1，使两个计数器均清零，重新开始计数，那么数码管应反映这一状态。如果读数错误，要检查三个数码管的排列顺序是否与选通脉冲DS1、DS2、DS3对应，它们应分别对应个、十、百位才对，连续不要搞错，另外应检查译码器各输出端是否与数码管的相应引脚正确连接。4.时基信号电路的调试定时电路CD4060的频率应为136HZ，可用脉冲示波器观测CD4060的9脚振荡波形，并调节10脚和11脚所接电位器RW1和RW2，使振荡频率为要求值，然后用示波器观测CD4060的Q14(引脚3)输出波形，它应完成214=16384次分频，即其周期应为1/136X16384≈120秒〔对应的正负脉冲宽度均为60秒〕。此时，再以低频脉冲发生器的输出做为计数器CD4553的计数脉冲，按下清零按钮S1，使计数器和定时器同时清零，用秒表记下此时时间，随着计数脉冲的输入，数码管计数值不断增加，当计数值停止增加而稳定不动时，记下此时的时间，前后应刚好相差一分钟〔否那么尚需反复调电位器RW1、RW2〕。5.漏失脉冲检出电路的调试用低频脉冲发生器〔或逻辑实验箱的时钟脉冲源〕输出的脉冲信号，做为漏失脉冲检出电路的输入信号〔接至555定时器的2引脚〕，调节检出电路中的三极管〔3CG2〕集-射极间并联电容的容量及电位器，在输入信号频率为1－2HZ〔相当每分钟心跳60-120次〕时，使发光二极管不亮，这时用双踪示波器观测三极管的基极与发射极波形，电容俩端的充电值达不到3V。去掉脉冲信号源，用移位存放器产生一个串行序列信号1101…加至晶体三极管的基极，再用双踪脉冲示波器观察基极和555定时器引脚3的波形，此时有输入漏失脉冲，电路应产生指示信号〔负脉冲〕，同时发光二极管应被点亮。然后按下复位开关，发光二极管不亮。七、脉搏测试仪的使用方法可用6V叠层电池作为电源，也可以使用稳压电源。用松紧带将压电陶瓷紧压在手腕的脉搏处，而后接通电源开关〔S2〕,显示器将显示无规那么数字，这是接通瞬间电源的干扰脉冲造成的。紧接着按下清零按钮〔S1〕,那么数码管计数值将随着脉搏的跳动而逐渐增加，直至计数值稳定不动时，读下此计数值，即为每分钟的脉搏次数〔该计数值稳定一分钟后又继续计数闪动〕。测试另外一个人的心率时，过程同上，但要注意不要忘记先按下清零按钮〔S1〕，使计数器和数码管重新由零开始计数和显示。在测试过程中如发现指示发光二极管被点亮，那么告知被测试人的心率不齐，而后按下复位按钮〔S3〕,使发光二极管熄灭，再进行检测。八、讨论利用前述电路测出脉搏次数，测量一次就得要一分多钟，为了能在短时间内进行脉搏次数的检测，可采取以下的一些方法：1.减小时基定时周期比方可把原来的一分钟定时周期改成半分钟。为此，需把时基信号产生电路中的214次分频，改为213次分频，即应将CD4060的Q13端〔2引脚〕和计数器CD4533的计数允许端1NH〔11脚〕相连，由于这样测出的脉搏数表示的是半分钟的心跳次数，所以，