呼吸頻率檢測計的設計

1、呼吸頻率檢測計的設計摘 要呼吸頻率，實際上就是每分鐘的呼吸次數(shù)，它是急性呼吸功能障礙的敏感指標。不論是醫(yī)生還是護理人員都把它作為生命指征之一。因此，測定呼吸頻率在臨床上有很重要的意義。呼吸系統(tǒng)功能的監(jiān)測是臨床監(jiān)護的一個重要方面，而呼吸頻率是檢測人體呼吸功能的一個基本指標。正常成年人呼吸頻率為每分鐘1620次，小兒呼吸頻率為每分鐘2030次，而新生兒可達每分鐘44次。本論文設計的呼吸頻率范圍為每分鐘0100次。本論文設計一套用于檢測及顯示人體呼吸頻率這一人體基本生理信號的系統(tǒng)，通過輸入一系列二氧化碳幅值信號，可以在最終的顯示電路部分及時顯示出正確的呼吸頻率數(shù)。采集相應的呼吸頻率信號，通過本系統(tǒng)的

2、濾波，放大，整形，脈沖計時電路，最終在顯示電路部分顯示出來呼吸頻率的檢測結果。本設計采用了四倍頻的方法，使測試呼吸頻率的時間由一分鐘縮短為15秒，使測試更加快捷。這一設計提高了測試效率，節(jié)省了大量時間。由于二氧化碳信號屬于低頻信號，所以只需要采用低通濾波器，就可以得到無雜質(zhì)的二氧化碳信號。二氧化碳信號幅值為mV級別，所以要采用放大電路使原始信號放大到V級，這樣可以使測試結果更加準確。關鍵詞：呼吸頻率，放大，濾波，顯示，計數(shù)DESIGN OF BREATHING RATE DETECTORABSTRACTActually breathing rate is the frequency of br

3、eathing per minute. It is an important indicator of acute respiratory dysfunction. Both doctors and nurses regarded it as one of life indication. Thus, measurement of breathing rate has important clinical significance. Respiratory function monitoring is an important aspect of clinical care; the brea

4、thing rate is a basic indicator of testing breathing function in the human body.Normal adults breathing rate is 16-20 times per minute. A childs breathing rate is 20-30 times per minute. A New-born childs is up to 44 times per minute. In this thesis, the respiratory frequency range of 0-100 times pe

5、r minute.In this thesis, a system is designed to detect and to display the basic physiology of human respiratory frequency. Input a series of breathing signal, the final part of the number of breathing rate will be shown in time. Collecting the breathing signal, through this system, filtering, ampli

6、fication, shaping, pulse timing circuit, part of the final circuit is shown in the display the results of tests respiratory rate. This design uses a four-way harmonic, breathing frequency of the testing time reduce from one minute to 15 seconds, making testing more efficient. This design improves te

7、sting efficiency and save a lot of time. As the carbon dioxide signal is low frequency signal, so only low-pass filter, you can get the carbon dioxide signal without impurities. Carbon dioxide signal is at the level of mV degrees. Therefore, amplifier circuit is used to make the original signal ampl

8、ifying to the level of V degree, this will enable a more accurate test results.KEY WORDS: breathing rate，amplifier， filter， display， count目 錄摘 要 IABSTRACT II前 言 1第一章 緒論 2§1.1 課題研究的意義與現(xiàn)狀 2§1.2 課題研究的理論依據(jù) 2§1.3 本章小結 3第二章 總體設計方案及流程框圖 4§2.1 系統(tǒng)設計原則 4§2.2 總體設計方案及流程框圖 5§2.3 本章小

9、結 5第三章 數(shù)字電路模塊的設計 6§3.1呼吸檢測部分電路設計 6 6 9 11 12 13§3.2 A/D轉換器 14第四章 系統(tǒng)仿真及調(diào)試 18§4.1 仿真軟件簡介 18§4.2呼吸檢測仿真結果 18§4.3本章小結 21結 論 22參考文獻 23致 謝 25附錄 26前 言當今社會，人們的生活水平有了很大的提高，人們對生命質(zhì)量的要求也越來越高。但是因為環(huán)境污染及其他方面原因?qū)е碌娜梭w各方面的疾病越來越多。人體各種突發(fā)性疾病都能從呼吸方面體現(xiàn)出來，所以呼吸檢測是一個重要的醫(yī)學檢測手段。呼吸是人體內(nèi)外環(huán)境之間進行氣體交換的必需過程，人體通

10、過呼吸系統(tǒng)吸進氧氣、呼出二氧化碳，從而維持正常的生理功能。每分鐘的呼吸次數(shù)即呼吸頻率。呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態(tài)而異。成人平靜時的呼吸頻率約為每分鐘1618次；兒童約為每分鐘20次；一般女性比男性快12次。我們可以通過測定人體呼出的二氧化碳量來測定人體的呼吸頻率，臨床診斷中醫(yī)生利用呼吸頻率可以初步檢測人體是否患有疾病。呼吸頻率檢測計的設計應滿足以下幾方面的要求：能夠精確地監(jiān)測人體呼吸頻率參數(shù)，并判斷其是否處于正常范圍之中；能夠滿足實時、連續(xù)、無創(chuàng)、人性化的要求?，F(xiàn)在最常見的呼吸頻率檢測方法有：超聲多普勒呼吸頻率檢測，即利用人體呼吸時的胸廓的運動，把超聲波打到運動部位產(chǎn)生多普勒現(xiàn)象，通過電路

11、分析，檢測出呼吸頻率，達到非接觸的檢測目的；以8098單片機為基礎的阻抗式呼吸頻率檢測系統(tǒng)，具有實時檢測呼吸頻率參數(shù)和自動報警功能；敏法呼吸頻率檢測，采用PN結溫度傳感器和熱電阻作為傳感器，設計了相應的放大，濾波，波形變換電路，得到反映呼吸頻率的數(shù)字信號。第一章 緒論§1.1 課題研究的意義與現(xiàn)狀在現(xiàn)代社會中，隨著人們的健康意識和保健要求的日益增強，醫(yī)療模式由對癥治療向預防為主轉變，適用于家庭的人體健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)的需求越發(fā)迫切。同時，作為各級醫(yī)院基本設備配置的監(jiān)護設備，也正被廣泛的運用，并且促進了醫(yī)院業(yè)務項目的開展，如社區(qū)服務，現(xiàn)場緊急救護等。在這一背景下，很多的科研工作者依然致力

12、于人體生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的研究，希望使其功能更加完善。呼吸功能是人體生命功能之一，簡單的說，呼吸過程就是給全身的組織輸送氧氣，排出二氧化碳的過程，受呼吸過程影響最大的人體器官是腦和心。呼吸功能的檢測，對于診斷某些呼吸系統(tǒng)疾病，估計呼吸功能損害程度，起到很大作用。除了對疾病本身的治療意義外，更重要的是指導病人的呼吸管理、急救復蘇、重癥病人的診斷治療等。機體在多種因素下發(fā)生呼吸生理功能紊亂的同時，常伴有循環(huán)、神經(jīng)、內(nèi)分泌代謝、肝腎等其他系統(tǒng)功能的變化，且他們之間又互為因果。因此在對呼吸功能進行檢測的同時，應全面對其他人體系統(tǒng)進行檢測，才不至于顧此失彼。目前的監(jiān)測系統(tǒng)可向醫(yī)護人員提供病人生命體征的各項

13、重要參數(shù)，利用這些信息，臨床醫(yī)生能更好地分析患者的病情，使醫(yī)生的診斷和治療建議更快，更準確地反饋到對病人的治療中，從而采取適當?shù)闹委煷胧?，獲得最佳的治療效果，因此人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的作用越來越受到重視。本設計正是基于這一現(xiàn)狀，利用大學期間所學專業(yè)知識設計一個能對人體生理參數(shù)進行無創(chuàng)監(jiān)測的簡易系統(tǒng)。§1.2 課題研究的理論依據(jù)呼吸信號是一種頻率很低的微弱人體生理信號，由于呼吸信號取自人體，信號源阻抗較高，而且存在著較強的背景噪聲和干擾，呼吸是人體重要的生理過程，對人體呼吸的監(jiān)護檢測也是現(xiàn)代醫(yī)學監(jiān)護技術的一個重要組成部分。呼吸信號不僅僅局限于呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動脈血氣以及普通胸片等常

14、規(guī)項目，更受到重視的是，能確切反映患者通氣/氧合狀況并能指導機械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨床用藥的指標。人體生理信號的監(jiān)測技術已有五十多年的發(fā)展歷程了，最初主要是應用于心電信號的監(jiān)測。到目前為止，人體監(jiān)護系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)生理信號進行檢測，其監(jiān)測方法基本上是相同的。呼吸信號具有下列特點：1、微弱性：呼吸信號通常是mV級別，常見的呼吸信號幅度在5mV左右。2、低頻特性：常見的呼吸信號一般在0100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近。3、信號源阻抗高：信號源內(nèi)阻可達幾兆歐或者幾千歐。4、強噪聲背景：在檢測呼吸信號的同時存在著來自于測量系統(tǒng)外部的強大的干擾，這些干擾主要包括電磁干擾、電場干擾和磁場干擾

15、。本文主要采用測定人體內(nèi)二氧化碳量的變化信號來確定人體呼吸頻率，通過測定15秒內(nèi)人體二氧化碳信號的變化，采用四倍頻的方法即可測定出來一分鐘內(nèi)人體呼吸頻率。該系統(tǒng)采用的具體測量方法：輸入一個收集到的二氧化碳信號，經(jīng)濾波電路濾波，得到無雜質(zhì)的二氧化碳信號，然后采用放大電路將微弱信號放大，放大后的信號輸入555定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進行整形將不規(guī)則的波整形成較規(guī)則的矩形波，方便計數(shù)。§1.3 本章小結本章主要介紹了課題研究的意義與現(xiàn)狀，以及設計的理論依據(jù)。第二章 總體設計方案及流程框圖§2.1 系統(tǒng)設計原則本設計為一套無創(chuàng)監(jiān)測人體生理信號的簡易系統(tǒng)。這是一套能夠?qū)崟r地對人體的呼吸頻率

16、進行檢測，其基本要求有無創(chuàng)，實時，連續(xù)。由于人體呼吸信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大，因此，在設計過程中通常要求放大器具有高增益，高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能。（1）高增益由于人體生理信號幅度非常小，為毫伏級。只有高增益才能使信號放大到便于分析的程度。通常選擇增益在60db（1000倍）120db（100萬倍）之間。（2）高輸入阻抗通過傳感器提取的生理信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減小信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗。信號源阻抗不僅因人而異，因生理狀態(tài)而異，與傳感器的安放位置，傳感器本身的物理狀態(tài)都有密切關系。源阻抗

17、的不穩(wěn)定性將使放大器電壓增益不穩(wěn)定，從而造成難以修正的測量誤差。再者，理論上源阻抗是信號頻率的函數(shù)，電極阻抗也是頻率函數(shù)，變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降。如果放大器輸入阻抗不夠高，就會造成信號低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生失真。用于生理信號電位測量的放大器的輸入阻抗高達1M歐姆量級。（3）高共模抑制比由于生理參數(shù)測量放大器一般具有高增益和高輸入阻抗，因而各類干擾極易隨信號進入放大器，尤其工頻（50Hz）干擾，因為這種信號正好落在呼吸信號的頻譜范圍內(nèi)。強的干擾與有用信號疊加在一起，使顯示與記錄的信號的基線變寬，影響信號的觀察與測量。為此放大器必須有較好的抗干擾能力。（4）低噪聲由于生物電信號十分微弱，

18、因此要求生物電測量放大器具有低的內(nèi)部噪聲。一般采用低噪聲電阻和低噪聲放大器。儀器噪聲可用等效噪聲和信噪比來衡量。（5）低漂移由于生理信號為低頻信號，放大器一般采用直接耦合方式，則前一級放大電路的溫度漂移影響一級放大電路的工作點，導致后一級進入飽和而無法正常工作，所以要求用低漂移放大器。§2.2 總體設計方案及流程框圖首先，通過傳感器將人體的生理信號收集起來。因為人體生理信號非常微弱，不便于直接進行數(shù)據(jù)分析，所以要將這些信號進行加強，這里主要用到了放大電路。其次，因為收集到的呼吸信號中摻雜有別的生理信號，會影響到目的信號的純度給分析帶來困難，所以要對收集到的信號進行濾波。使這些信號分別

19、通過預先設計好的濾波器就可以達到此目的。又因為這些信號的波形不規(guī)則不方便計數(shù)，所以接下來就要將這些信號的波形整形為規(guī)則的矩形波，因此這里需要設計一個整波電路。最后進行計數(shù)，將數(shù)據(jù)及時顯示在顯示電路的數(shù)碼管上顯示出來。整個設計過程的流程圖如下所示：圖2-1 設計流程圖§2.3 本章小結本章的主要內(nèi)容是闡述此設計所要滿足的基本要求，設計的總體方案及主要框圖。通過本章可以對此設計有一個整體上的了解，以便于下面對具體的設計方案進行介紹。第三章 數(shù)字電路模塊的設計§3.1呼吸檢測部分電路設計測量呼吸頻率有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬方法是在給定的時間間隔內(nèi)計算呼吸變化的脈沖個數(shù)，然后將脈

20、沖計數(shù)乘以一個適當?shù)某?shù)用以測量心率，數(shù)字方法是先測量相鄰脈沖之間的時間，再將這個時間轉換為每分鐘的呼吸次數(shù)來測量呼吸頻率。本設計采用模擬方法來測量呼吸頻率。圖3-1 一階低通濾波電路一、濾波電路濾波電路就是對信號的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而阻止其他頻率信號通過。通常按照濾波電路的工作頻帶為其命名，分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器。設截止頻率為fp，頻率低于fp的信號可以通過，高于fp的信號被衰減的濾波電路稱之為低通濾波器；反之，頻率高于fp的信號可以通過，而頻率低于fp的信號被衰減的濾波電路稱為高通濾波器。前者可以作為直流

21、電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓；后者可以作為交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分，削弱低頻信號，只放大頻率高于fp的信號。設低頻截止頻率為fp1，高頻段的截止頻率為fp2，頻率fp1到fp2之間的信號可以通過，低于或高于的信號被衰減的濾波電路稱之為帶通濾波器；反之，頻率低于和高于的信號可以通過，而頻率是到之間的信號被衰減的濾波電路稱為帶阻濾波器。前者通常用于載波通信或弱信號提取等場合，以提高信噪比；后者用于在已知干擾或噪聲頻率的情況下，阻止其通過。全通濾波器對于頻率從零到無窮大的信號具有同樣的比例系數(shù)，但對于不同頻率的信號將產(chǎn)生不同的相移。若濾波電路僅由無源元件(電阻、電容、電感

22、組成，則稱為無源濾波電路。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件(雙極型管、單極型管、集成運放組成，則稱為有源濾波電路。為了使負載不影響濾波特性，可在無源濾波電路和負載之間加一個高輸入電阻低輸出電阻的隔離電路，最簡單的方法是加一個電壓跟隨器，這樣就構成了有源濾波器。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡和集成運放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能起濾波作用，于此同時還可以進行放大。組成電路時應選用帶寬合適的集成運放。有源濾波電路不適于高電壓大電流的負載，只適用于信號處理。低通濾波器是容許低于截至頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。圖3-2 二階低通濾波電路1、低通濾波

23、器本濾波器是反相放大低通濾波器一階電路，通帶放大倍數(shù)Aup=-R2/R1=-25.5，電路的傳遞函數(shù)Au(s=(-R2/R1*1/(1+s R2C用jw取代s，令f0=1/2R2C，可得出電壓放大倍數(shù)Au=Aup/(1+jf/f0 通帶截止頻率fp=f0反相放大低通濾波器二階電路，增加RC環(huán)節(jié)，可以使濾波器的過渡帶變窄，衰減斜率的值增大。當多個低通濾波器串聯(lián)起來時，就可以得到高階低通濾波器，原理框圖如下：圖3-3 高階低通濾波電路二、放大電路：圖3-4 放大電路放大電路采用同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負反饋，故可以認為輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。即使考慮集成運放參數(shù)的影響，輸入電阻

24、也可達109。根據(jù)虛短和虛斷的概念，集成運放的凈輸入電壓為零，即Up=Un=Ui說明集成運放有共模輸入電壓，可得uo/uI=1+Rf/R，即放大倍數(shù)為31倍。雖然同相比例運算電路具有高輸入電阻，低輸入電阻的優(yōu)點，但因為集成運放有共模輸入，所以為了提高運算精度，應當選用高共模抑制比的集成運放。在對電路進行誤差分析時，應特別注意共模信號的影響。圖3-5 555定時器結構圖555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量、控制、家用電器、電子玩具等許多領域中都得到廣泛應用。555

25、定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用CMOS工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當5腳懸空時，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC /3，則比

26、較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。上圖是CB555的電路結構圖。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC/3和2VCC/3。下圖是由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理：圖3-6 555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點是電路有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號作用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉到 暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，

27、由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時間后，電路會自 動返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端獲得一個脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw，就 是暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，其長短取決于電路的參數(shù)值。由555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形如圖1所示。圖中R，C為外接定時元件，輸人的觸發(fā)信號ui接 在低電平觸發(fā)端（2腳）。穩(wěn)態(tài)時，輸出uo為低電平，即無觸發(fā)器信號（ui為高電平）時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)輸出低電平。在 ui負脈沖作用下，低電平觸發(fā)端得到低于（1/3）Vcc，觸發(fā)信號，輸出uo為高電平，放電管VT截止，電 路進入暫穩(wěn)態(tài)，定時開始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源VccRC地，對電容充電，充電時間常數(shù)

28、TRC，uc按指數(shù)規(guī)律上升。當電容 兩端電壓uc上升到（2/3）Vcc后，6端為高電平，輸出uo變?yōu)榈碗娖剑烹姽躒T導通，定時電容C充電結束 ，即暫穩(wěn)態(tài)結束。電路恢復到穩(wěn)態(tài)uo為低電平的狀態(tài)。當?shù)诙€觸發(fā)脈沖到來時，又重復上述過程。 圖3-7 計時脈沖電路圖3-7為本設計計時電路，采用74163芯片。74163為可預置的4位二進制同步計數(shù)器，163的清除是同步的。當清除端(CLR為低電平時，在時鐘端(CLK上升沿作用下，才可完成清除功能。163的預置是同步的。當置入控制端(LOAD為低電平時，在CLK上升沿作用下，輸出端(QA-QD與數(shù)據(jù)輸入端(A-D相一致。163的計數(shù)是同步的，靠CLK同

29、時加在4個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。當ENP和ENT均為高電平時，在CLK上升沿作用下QA-QD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。下圖為74163管腳介紹：圖3-8 74163管腳74163在本設計中主要功能就是定時，它產(chǎn)生的信號周期為16秒，高電平寬度為15秒，低電平寬度為1秒。通過與門與整形后的二氧化碳信號相與，進而對整形后的二氧化碳信號計數(shù)15秒。圖3-9 二倍頻電路如上圖就是一個二倍頻，選取合適的C和R，然后微調(diào)R，使占空比等于百分之50，后面還可以串聯(lián)多級就可以得到四倍頻，八倍頻等等。第一個與非門起緩沖隔離作用，經(jīng)由RC微分電路C1a，R1a將輸入的方波信號的上升沿變成一個脈沖，

30、C1b，R1b組成的微分電路將輸入信號經(jīng)過一個與非門后的反響信號的上升沿變成一個脈沖，當電壓上升到加法器內(nèi)各與非門的導通電壓時，這兩個脈沖信號僅有加法器相加得到了輸入信號的二倍頻。本設計采用兩個二倍頻電路串聯(lián)得到一個四倍頻電路，輸入的一個15秒的脈沖信號經(jīng)過四倍頻電路之后得到1分鐘的信號結果。圖3-10 兩個74160連接成的顯示電路在數(shù)字系統(tǒng)中使用最多的時序電路要算是計數(shù)器了。計數(shù)器不僅能應用于對時鐘脈沖計數(shù)，還可以用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進行數(shù)字運算等。計數(shù)器種類非常繁多。如果按計數(shù)器中的觸發(fā)器是否同時翻轉分類，可以把計數(shù)器分為同步式和異步式兩種。在同步計數(shù)器中，當時鐘脈

31、沖輸入時觸發(fā)器的翻轉是同時發(fā)生的。而在異步計數(shù)器中，觸發(fā)器的翻轉有先有后，不是同時發(fā)生的。如果按技術過程中計數(shù)器數(shù)字增減分類，又可以把計數(shù)器分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞增計數(shù)的叫加法計數(shù)器，作遞減計數(shù)的叫減法計數(shù)器，可增可減的叫可逆計數(shù)器。如果按計數(shù)器中數(shù)字編碼方式分類，還可以分為二進制計數(shù)器、二-十進制計數(shù)器、循環(huán)碼計數(shù)器等。目前常見的計數(shù)器芯片在計數(shù)進制上只作成應用較廣的幾種類型，比如十進制、十六進制、7位二進制、12位二進制、14位二進制等。上圖為本設計的顯示電路，顯示電路采用三個74160串聯(lián)來實現(xiàn)經(jīng)過濾波放大整形后的二氧化碳信號的計數(shù)。7416

32、0是一個4位二進制的計數(shù)器，它具有異步清除端與同步清除端，而本設計要求計數(shù)是遞增的，所以采用同步十進制加法計數(shù)器，即QDQCQBQA=0000狀態(tài)逐漸變化到QDQCQBQA=1001，而后再跳變?yōu)镼DQCQBQA=0000的過程。從0000開始計數(shù)，直到第九個計數(shù)脈沖為止。計入第九個計數(shù)脈沖后電路進入1001狀態(tài)，這時QD的低電平使門G1的輸入為0，而QA和QD的高電平使門G3的輸出為1，所以四個觸發(fā)器的輸入控制端分別為T0=1、T1=0、T2=0、T3=1。因此，當?shù)谑畟€計數(shù)脈沖輸入后，F(xiàn)F1和FF2維持0狀態(tài)不變，F(xiàn)F0和FF3從1翻轉為0，故電路返回0000狀態(tài)。74160的ENP與EN

33、T引腳具有鎖存功能，當ENP或ENT為高電平時正常工作，在工作過程中，ENP與ENT都變?yōu)榈碗娖綍r即停止計數(shù)并通過七段數(shù)碼顯示管顯示最后的計數(shù)情況，根據(jù)這個原理可以用一個與非門的兩個輸入端接左邊計數(shù)器的QB與QC，輸出端與心電計數(shù)電路和時鐘控制電路的個位的ENP與ENT引腳都相連，當QB與QC都為高電平輸出時與非門的輸出就是低電平，低電平控制ENP與ENT，使計數(shù)停止并顯示最終結果。§3.2 A/D轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一

34、個相對大小。故任何一個模數(shù)轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數(shù)轉換器最重要的參數(shù)是轉換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。在A/D轉換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的而輸出的數(shù)字信號是離散的，所以轉換只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉換成輸出的數(shù)字量。因此，A/D轉換的過程是首先對輸入的模擬電壓信號取樣，取樣結束后進入保持時間，在這段時間內(nèi)將取樣的

35、電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。然后，再開始下一次取樣。A/D轉換器的技術參數(shù)反映了其性能特點，其主要的指標有以下幾個：(1分辨率：分辨率反映A/D轉換器對輸入微小變化響應的能力，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB所對應的模擬輸入的電平值表示。(2精度：精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。絕對誤差：是指對應于一個數(shù)字量的實際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB的分數(shù)值來表示。相對誤差：是指整個轉換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。(3轉換時間：轉換時間是指完成一次A/D轉換所需的時間，

36、即由發(fā)出啟動轉換命令信號到轉換結束信號開始有效的時間間隔，其倒數(shù)稱為轉換速率。例如MAX125的轉換時間為3s，其轉換速率約為330多kHz。(4電源靈敏度：電源靈敏度是指A/D轉換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生的轉換誤差。一般用電源電壓變化1%時相應的模擬量變化的百分數(shù)來表示。(5量程：量程是指所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。A/D轉換器實際工作時，都會引入一些誤差，主要包括：靜態(tài)誤差、孔徑誤差和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位(LSB作為計算單位。(1靜態(tài)誤差：當轉換一個直流信號時，靜態(tài)誤差可由失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差表示。 失調(diào)誤差：失

37、調(diào)誤差就是實際ADC轉換函數(shù)曲線與理想轉換曲線間得偏移，即實際曲線發(fā)生了平移現(xiàn)象。(2孔徑誤差：由于采樣時鐘或輸入信號的噪聲，使得采樣和保持之間延遲引起的誤差。(3量化誤差：A/D變換器的量化誤差決定于A/D變換器的轉換特性，這種誤差是由轉換特性造成的，是一種原理性誤差，無法消除。A/D變換器選定以后，其量化誤差也隨之確定了。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由于有限數(shù)字對模擬數(shù)字進行離散取值(量化而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個單位分辨率，即1LSB，提高分辨率可減少量化誤差。上述這些誤差構成了A/D變換器的總誤差。在考慮上述各種誤差的綜合影響時，A/D變換器的總誤差應該用各種誤差

38、的均方根來表示。A/D轉換器選擇的理論分析：采樣處理過程受ADC轉換精度和轉換速率的限制。一方面，對于具體的模數(shù)轉換器，它的數(shù)據(jù)位所能代表的精度是由ADC的轉換位數(shù)來決定的。另一方面，每一個模數(shù)轉換器的轉換數(shù)據(jù)在被讀取之前都要有轉換時間。數(shù)據(jù)位越多，則轉換時間越長，相應的轉換速率也就越慢。這就要求ADC的轉換精度和轉換速率之間做出一個折衷的解決辦法。對轉換精度和轉換速率要求越高，模數(shù)轉換越困難。綜上可知，要獲得二氧化碳數(shù)字信號，需要A/D轉換器能把輸入的模擬電壓直接轉換為輸出的數(shù)字量，所以采用ADC0809來實現(xiàn)此目的。圖3-11 ADC0809內(nèi)部結構圖ADC0809是采樣分辨率為8位的、以

39、逐次逼近原理進行模數(shù)轉換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。ADC0809引腳功能：ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。IN

40、0IN7：8路模擬量輸入端；2-12-8：8位數(shù)字量輸出端；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路；ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效；START： A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換）；EOC： A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）；OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量；CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ；REF（+）、R

41、EF（-）：基準電壓；Vcc：電源，單一5V；GND：地。第四章 系統(tǒng)仿真及調(diào)試§4.1 仿真軟件簡介本設計仿真軟件主要應用了EWB。EWB是電子電路仿真的虛擬電子工作平臺軟件，現(xiàn)在普遍使用的是EWB5.0。而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉換器等工具。它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導入。作為設計工具，它還可以同其他流行的電路分析，設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。§4.2呼吸檢測仿真結果1.原始CO2信號：圖4-1原始信號波形圖2.經(jīng)過多級低通濾波

42、后的信號效果圖：圖4-2 經(jīng)過高階低通濾波器濾波后的信號由上圖可知，信號幅度有了大幅度提高，從幾百V被放大到了一百多mV，低通濾波器幅頻圖如下所示：圖4-3 低通濾波器幅頻圖3.經(jīng)過放大后的信號圖：圖4-4 放大后的信號由上圖可得出，對比兩個信號的幅值，信號在經(jīng)過兩個低通濾波器后，由一百多毫伏被放大到伏級，因此放大效果是很成功的。4.經(jīng)過整波電路后的信號波形圖：圖4-5經(jīng)過整波電路后的信號波形圖由上圖可以得出，經(jīng)過整波電路之后，信號又不規(guī)則的波形變?yōu)橐?guī)則的矩形波，方便計數(shù)。§4.3本章小結本章主要是對第三章所設計的電路分部進行仿真，由效果圖可以看出本設計基本上實現(xiàn)了對呼吸信號的監(jiān)測，

43、但設計尚待完善。結 論歷時三個多月的畢業(yè)設計過程，使本人對所學專業(yè)知識有了更深一步的了解，為了解決一些問題，大量查閱了一些課本以外的資料，我收獲頗多。這不僅僅是為了完成畢業(yè)論文任務，也是為了進一步提高自己的理論水平、思想認識和動手能力，為今后的學習和工作留下一些具有參考價值的東西，積累一些寶貴經(jīng)驗。此次設計提高了本人分析問題，解決問題的能力。當然，在整個設計過程中也有很多問題的解決得益于老師和同學的幫助。這個過程不僅僅是設計一個檢測系統(tǒng)的過程，同時也是自我完善和提高的過程。此設計中用到的電路仿真軟件是EWB。 畢業(yè)設計結束時主要完成了以下幾部分任務：一、通過查閱相關資料了解到了各類呼吸頻率檢測計的設計方案；二、找出一種較為合理的方案，在自己在校學習的知識的基礎上進行設計；三、成功完成了電路設計，并在EWB中成功仿真；四、完成畢業(yè)論文的撰寫。本設計中主要解決的問題：一、巧妙利用了二倍頻電路，使呼吸頻率的檢測更方便，只需15秒，減少了檢測時間，使檢測更加方便快捷；二、二氧化碳量是人體呼吸的一個重要指標，對二氧化碳變化量進行檢測，使呼吸頻率結果更加準確。雖然畢業(yè)設計的任務已基本完成，但仍有不妥之處，需要本人在以后的學習過