課程設(shè)計(jì)脈搏計(jì)

1、電 子 技 術(shù) 基 礎(chǔ)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 題目名稱： 人體脈搏計(jì) 姓 名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師：目 錄摘要21設(shè)計(jì)題目及要求31.1設(shè)計(jì)題目31.2設(shè)計(jì)目的31.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求31.4 脈搏計(jì)設(shè)計(jì)原理及其原理框圖32 設(shè)計(jì)方案42.1方案背景42.1方案提出43 電路設(shè)計(jì)分析43.1信號(hào)發(fā)生與采集43.2放大整形電路53.2.1放大電路53.2.2有源濾波電路63.2.3整形電路73.3倍頻電路83.4基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路103.4.1秒脈沖103.4.2 15分頻的2分頻器113.5計(jì)數(shù)譯碼顯示電路123.5.1計(jì)數(shù)電路123.5.2顯示譯碼電路133.6控制電路153.7實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總電

2、路164所用元件及實(shí)驗(yàn)心得164.1元件列表164.2實(shí)驗(yàn)心得175參考文獻(xiàn)17附錄18摘要隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展和日常生活中，人們保健意識(shí)的提高，脈搏成了一項(xiàng)重要的生命指標(biāo)，所以，脈搏的測(cè)量便成了越來越常見的一項(xiàng)體檢項(xiàng)目之一。綜合考慮到各個(gè)年齡段的脈搏特征（包括強(qiáng)度、速率和節(jié)律等），本次課程設(shè)計(jì)就針對(duì)這么一個(gè)切合實(shí)際的問題而進(jìn)行的。首先進(jìn)行仿真，外加一個(gè)脈搏信號(hào)，利用傳感器接受脈搏信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，然后將電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，緊接著增大頻率（即進(jìn)行倍頻處理），最后進(jìn)行濾波處理，從而得到效果比較良好的電脈沖信號(hào)；與此同時(shí)，設(shè)計(jì)出能產(chǎn)生短時(shí)間的控制信號(hào)，以控制測(cè)量時(shí)間（本次設(shè)計(jì)時(shí)用到了施密特觸發(fā)器）

3、；另外還要設(shè)計(jì)出控制電路，用以保證在基準(zhǔn)時(shí)間控制下，使倍頻后的脈沖信號(hào)送到設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)、顯示電路中。最后將整個(gè)電路圖合并，便得到了我們期望的仿真電路圖，并反復(fù)進(jìn)行調(diào)試便可完成仿真。最后我們將仿真電路圖拿出來做實(shí)物，并將做好的實(shí)物進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，直到調(diào)出正確結(jié)果，那么我們的課程設(shè)計(jì)便是成功地完成了。關(guān)鍵字：脈搏計(jì) 脈搏信號(hào) 倍頻 濾波 基準(zhǔn)時(shí)間 計(jì)數(shù)器 數(shù)碼管一、設(shè)計(jì)題目及要求1、題目：人體脈搏計(jì)2、設(shè)計(jì)目的：1、熟悉脈搏計(jì)電路的組成、工作原理和設(shè)計(jì)方法。2、掌握多諧振蕩器、倍頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器等的工作原理、使用方法、特點(diǎn)、用途及主要參數(shù)的計(jì)算方法。3、熟悉集成電路74LS00、74LS161、

4、74LS48、555定時(shí)器、有源濾波電路的特點(diǎn)、用途及主要參數(shù)的選擇方法。3、設(shè)計(jì)要求為提高運(yùn)用電子技術(shù)基本知識(shí)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)、實(shí)踐創(chuàng)新以及獨(dú)立工作、團(tuán)隊(duì)合作的能力，通過實(shí)踐制作一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，學(xué)會(huì)合理的利用集成電子器件制作基于數(shù)字電路和模擬電路的課程設(shè)計(jì)與制作。電子脈搏計(jì)是用來測(cè)量一個(gè)人心臟跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測(cè)量頻率較低的小信號(hào)。 要求： (1)實(shí)現(xiàn)在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)；(2)用數(shù)碼管將測(cè)得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示；(3)測(cè)量誤差小于4次/min。注：正常人的脈搏數(shù)為6080次/min，嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min。4、

5、脈搏計(jì)的基本原理及其原理框圖分析設(shè)計(jì)題目要求 脈搏計(jì)是用來測(cè)量一個(gè)人心臟跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。由給出的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)可知，脈搏計(jì)是用來測(cè)量頻率較低的小信號(hào)（傳感器輸出電壓一般為幾個(gè)毫安），它的基本功能應(yīng)該是 用傳感器將脈搏的跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并加以放大整形和濾波。 在短時(shí)間內(nèi)（15s內(nèi)）測(cè)出每分鐘的脈搏數(shù)。簡(jiǎn)單脈搏計(jì)的框圖如下圖所示。圖1.1 脈搏計(jì)原理框圖控制電路基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路計(jì)數(shù)譯碼顯示傳感器放大與整形倍頻器二、設(shè)計(jì)方案1、方案背景隨著人們生活水平的提高，心臟疾病的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，已成為威脅人類身體健康的殺手之一。因?yàn)樾呐K病的發(fā)作具有突發(fā)性和隨機(jī)性，所以為患者進(jìn)

6、行實(shí)時(shí)的測(cè)量監(jiān)控已成為必然的趨勢(shì)。隨著電子科技的不斷發(fā)展，生命科學(xué)和信息科學(xué)的結(jié)合越來越緊密，許多研究人員都投身于人類的健康事業(yè)之中。心率：用來描述心動(dòng)周期的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)。心電信號(hào)是一種非常弱且頻率較低的信號(hào)，一般幅值在0.05-5mv,頻率在0.05-100Hz。脈搏波:人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張，使血流壓力一波的形式從主動(dòng)脈根部開始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。而心率的測(cè)量是一種評(píng)價(jià)病人生理狀況很好的方法，心率

7、與脈搏在身體正常的時(shí)候是相等的。在房顫等心臟疾病時(shí)候可出現(xiàn)不等。因此心率測(cè)量問題可以轉(zhuǎn)化為脈搏的測(cè)量，而脈搏的測(cè)量更容易實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用。2、方案的提出1、傳感器 將脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為與此相對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。2、放大與整形 電路將傳感器的微弱信號(hào)放大，整形除去雜散信號(hào)。3、倍頻器 將整形后所得到的脈沖信號(hào)的頻率提高。如將15s內(nèi)傳感器所獲得的信號(hào)頻率4倍頻，即可得到對(duì)應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間。4、基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路 產(chǎn)生短時(shí)間的控制信號(hào)，以控制測(cè)量時(shí)間。 5、控制電路 用以保證在基準(zhǔn)時(shí)間控制下，使4倍頻后的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)、顯示電路中。6、計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路 用來讀

8、出脈搏數(shù)，并以十進(jìn)制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來。7、電源電路 按電路要求提供符合要求的直流電源。上述測(cè)量過程中，由于對(duì)脈沖進(jìn)行了4倍頻，計(jì)數(shù)時(shí)間也相應(yīng)地縮短了4倍（15s），而數(shù)碼管顯示的數(shù)字卻是l min的脈搏跳動(dòng)次數(shù)。用這種方案測(cè)量的誤差為4次min，測(cè)量時(shí)間越短，誤差也越大。三、電路設(shè)計(jì)與分析1、信號(hào)的發(fā)生與采集 脈搏傳感器的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖信號(hào)。脈搏傳感器是脈象檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結(jié)果的顯示。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 ： 傳感器工作原理的分類中物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮效應(yīng)現(xiàn)

9、象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 這里傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換器，作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動(dòng)情況，把脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其原理電路如圖3. 1所示。 圖3.1中，紅外線發(fā)光管VD采用TLP521-1，接收三極管V采用TLP521-1。用Vp=5V的矩形脈沖電源供電，R1取500 ，R2取10 K。R1500R210KVCC5VU17TLP521-12134V13 Hz 5 V 圖 3. 12、放大整形電路 1、放大電路：由于傳感器發(fā)出的信號(hào)很微弱，只有幾毫伏左右，所以采用放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大作用，由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采

10、用了同相放大器，如圖3.2.1所示，運(yùn)放采用了 LM324，電源電壓+5V，放大電路的電壓放大倍數(shù)為 10倍左右。 圖 3.2.1參數(shù)的計(jì)算如下：由圖 3.2.1可知這是同相比例運(yùn)算電路:因?yàn)檫\(yùn)放輸入的虛短虛斷有： Ui=R3R3+R4U0 U0Ui= 1+R4R3應(yīng)設(shè)計(jì)要求放大倍數(shù)在10左右，在這里取16，有： 1+R4R3=16令R3=10K求得：R4=150K;再由平衡電阻知識(shí)得：R5=R3/R4=9.375K;又由于人體脈搏跳動(dòng)頻率限制，可取C1=100Uf。2、有源濾波電路采用了二階壓控有源低通濾波電路，如圖所示，作用是把脈搏信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)去掉，同時(shí)把脈搏信號(hào)加以放大，考慮到去

11、掉脈搏信號(hào)中的干擾尖脈沖，所以有源濾波電路的截止頻率為1kHz左右。為了使脈搏信號(hào)放大到整形電路所需的電壓值，通常電壓放大倍數(shù)選用1.6倍左右。集成運(yùn)放采用LM324。圖 電路中既引入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)，由于C3的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號(hào)頻率趨于無窮大時(shí)，由于C4的電抗趨于零，因而Up（s）趨于零?？梢韵胂?，只要正反饋引入得當(dāng)，就可以 在f=fo時(shí)使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會(huì)因正反饋過強(qiáng)而產(chǎn)生自己振蕩。因?yàn)橥噍斎攵穗娢豢刂朴杉蛇\(yùn)放和R8、R9組成的電壓源，故稱之為壓控電壓源濾波電路。參數(shù)計(jì)算如下：應(yīng)設(shè)計(jì)要求放大倍數(shù)為1.6，即：Au=1+R9R8=

12、1.6;取R8=20K,即得：R9=12K。令R6=R7=R ,C4=C3=C；由f=12piRC得：又因f=1kHz，取C=22nF ,即得：R=7.2K。3、整形電路經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號(hào)仍是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，且有低頻干擾，仍不滿足計(jì)數(shù)器的要求，必須采用整形電路，這里選用了施密特觸發(fā)器作為遲滯電壓比較器，如圖3.2.3所示，其目的是為了提高抗干擾能力。圖 3.2.3參數(shù)如下：作為上拉電阻選取R10=1K。電壓傳輸特性如下圖所示：傳輸特性放大整形部分仿真結(jié)果：注：黃色表示整形后的信號(hào)。3、倍頻電路該電路的作用是對(duì)放大整形后的脈搏信號(hào)進(jìn)行4倍頻，以便在15s內(nèi)測(cè)出l min內(nèi)的人體脈搏跳動(dòng)次

13、數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間，以提高診斷效率。 倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器、異或門倍頻器等，由于鎖相倍頻器電路比較復(fù)雜，成本比較高，所以這里采用了能滿足設(shè)計(jì)要求的TTL異或門組成倍頻路，如圖所示。圖U21A和U21B構(gòu)成二倍頻電路，利用第一個(gè)異或門的延遲時(shí)間對(duì)第二個(gè)異或門產(chǎn)生作用，當(dāng)輸入由“0”變成“1” 或由“1”變成“0” 時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出，輸入輸出波形如下圖所示。倍頻器的頻率特性兩個(gè)二倍頻電路就構(gòu)成了四倍頻電路。電容器C的作用是為了增加延遲時(shí)間，從而加大而出脈沖寬度。異或門用74LS86。參數(shù)設(shè)置如下：由實(shí)驗(yàn)室提供元件可?。篊6C50.47F R11150 k R1216 k4倍頻電路

14、仿真結(jié)果：4、基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生一個(gè)周期為30s(即脈沖寬度為15s)的脈沖信號(hào)，以控制在15s內(nèi)完成一分鐘的測(cè)量任務(wù)。實(shí)現(xiàn)這一功能的方案很多，我們采用如圖3.4.1 的方案。秒脈沖發(fā)生器15分頻器2分頻器圖3.4.1 基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路框圖由框圖可知，該電路由秒脈沖發(fā)生器、十五分頻電路和二分頻電路組成。1、秒脈沖發(fā)生器 555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI500?R1315kR1447FCVCC5V31VCC0圖3.6.2 555多諧振蕩器參數(shù)如下：電路通過R13、R14充電時(shí)有：T1=0.7(R13+R14)C通過R14放

15、電有：T2=0.7R14C得： T=T1+T2=0.7(R13+2R14)C由設(shè)計(jì)要求得T=1s，取C=47uF。得： R13+2R14=30.4K取R13=400歐,R14=15K.2、十五分頻和二分頻器 電路如圖2-13所示，由SN74161組成十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，進(jìn)行十五分頻，然后用CC4013組成二分頻電路，產(chǎn)生一個(gè)周期為30s的方波，即一個(gè)脈寬為15s的脈沖信號(hào)。圖15分頻和2分頻電路基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路仿真結(jié)果：5、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路1、計(jì)數(shù)電路 由人體脈搏的實(shí)際情況，這里選用同步四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160。如果將三片74LS160直接并行連接即可得千進(jìn)制計(jì)數(shù)器，三片芯片都為高電平以保證

16、電路的工作。又考慮到人的脈搏數(shù)最高為：150次/min，所以采用3位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即可（即本次設(shè)計(jì)采用了3片74LS160組成了3位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）。74LS160功能表如下表 7.1：輸 入輸 出EpEtLdRdCp功 能1111四位十進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)XX01寄存并行輸入數(shù)據(jù)（預(yù)置數(shù)）0111X狀態(tài)保持X011X觸發(fā)器保持，進(jìn)位輸出為0XXX0X清零（立即、無條件）表 3.7.1 74LS160的功能表2、譯碼顯示 由于74LS160輸出的是8421BCD碼，所以應(yīng)選擇一個(gè)可以講8421BCD碼譯成7段輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的芯片，所以本次設(shè)計(jì)采用集成74LS48七段顯示譯碼器。附：74LS48 B

17、CD-七段顯示譯碼器芯片簡(jiǎn)介：7448七段顯示譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設(shè)有多個(gè)輔助控制端，以增強(qiáng)器件的功能。 7448有3個(gè)輔助控制端LT、RBI、BI/RBO,現(xiàn)簡(jiǎn)要說明如下： 1）、滅燈輸入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有時(shí)作為輸入，有時(shí)作為輸出。當(dāng)BI/RBO作輸入使用且BI0時(shí)，無論其它輸入端是什么電平，所有各段輸入ag均為0，所以字形熄滅。2）、試燈輸入LT當(dāng)LT0時(shí)，BI/RBO是輸出端，且RBO1，此時(shí)無論其它輸入端是什么狀態(tài)，所有各段輸出ag均為1,顯示字形8。該輸入端常用于檢查7448本身及顯示器的好壞。3）、動(dòng)態(tài)滅零輸入RBI 當(dāng)

18、LT1，RBI0且輸入代碼DCBA0000時(shí)，各段輸出ag均為低電平，與BCD 碼相應(yīng)的字形 熄滅，故稱“滅零”。利用LT=1與RBI=0可以實(shí)現(xiàn)某一位的“消隱”。此時(shí)BI/RBO是輸出端，且RBO=0。 為了實(shí)現(xiàn)無用0的滅零效果，可將低位的RBI信號(hào)接到高位的BI/RBO端。各片7448的LT均接高電平，當(dāng)?shù)谝黄腞BI0且DCBA0000，所以第一片滿足滅零條件，無字形顯示，同時(shí)輸出RBO=0；第一片的RBO與第二片的RBI相連，使第二片也滿足滅零條件，無顯示并輸出RBO0；同理，第三片的零也熄滅，無顯示。74LS48真值表如下表 ：表 74LS48真值表電路圖如下圖 ：仿真結(jié)果：當(dāng)輸入2

19、Hz的待測(cè)信號(hào)，仿真結(jié)果為：U6U5U46、控制電路控制電路主要作用主要是控制脈搏信號(hào)經(jīng)放大、整形、倍頻后進(jìn)行計(jì)數(shù)器的時(shí)間，另外還具有為各部分電路清零等功能功能介紹：當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)向電源端時(shí)，脈搏信號(hào)不能進(jìn)入計(jì)數(shù)器，所以計(jì)數(shù)器不能對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且此時(shí)數(shù)碼管保持上一次的測(cè)量結(jié)果.當(dāng)把開關(guān)轉(zhuǎn)向基準(zhǔn)信號(hào)端時(shí)，當(dāng)信號(hào)由低電平上升為高電平時(shí)，通過上升沿有效的邊沿觸發(fā)器將計(jì)數(shù)器置零，而此時(shí)，通過門電路的控制，脈搏信號(hào)開始進(jìn)入計(jì)數(shù)器并且開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，將開關(guān)再轉(zhuǎn)向電源端。如下圖 3.8：30s脈沖信號(hào)10KRlU4A74LS10D&U5A74LS00D&U6A74LS00D&U7A74LS00D&U8A74LS00D&U9A74LS02D=1U10A74LS02D=1VCC5VVCC5VVCC1415131115s脈沖信號(hào)返回的清零信號(hào)四倍頻信號(hào)計(jì)數(shù)器清零計(jì)數(shù)器進(jìn)位信號(hào)VCCJ1Key = A 016圖 3.87、設(shè)計(jì)完整電路圖見附錄：四、所用元件及實(shí)