脈搏計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、報(bào)告成績(jī)電子電路綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：賀杰學(xué) 號(hào)：1410404006專業(yè)年級(jí)：2014級(jí)通信工程4班指導(dǎo)教師：周妮 講師起止日期：2016年3月2016年6月電氣與信息工程學(xué)院2016年6月3日目 錄1目的與意義13 方案設(shè)計(jì)14 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)35仿真調(diào)試與分析106結(jié)論與體會(huì)10參考文獻(xiàn)10附錄11附錄a 系統(tǒng)實(shí)物圖11 摘要：電于脈搏計(jì)可以連續(xù)臺(tái)動(dòng)地測(cè)量手術(shù)或重危病人的脈搏，也可以用于健康管理，運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練等方面，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(guò)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。

2、電子脈搏計(jì)是用來(lái)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(lái)測(cè)量頻率較低的小信號(hào)。1目的與意義一、目的：1、掌握組合邏輯電路的工作原理及設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)會(huì)安裝和調(diào)試分立元件與集成電路組成的電子電路小系統(tǒng)。二、意義 對(duì)于醫(yī)院的危重病人，或者在其他一些特殊場(chǎng)合，需對(duì)人的脈搏進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，本課題即針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)易的電子脈搏計(jì)。1、制作要求實(shí)現(xiàn)在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。正常人脈搏數(shù)為6080次/min嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min。（只考慮數(shù)字部分，即輸入波形視為矩形波）2、制作步驟 （1）擬定測(cè)試方案和設(shè)計(jì)步驟，填寫真

3、值表； （2）根據(jù)性能指標(biāo)，計(jì)算元件參數(shù)，選好元件，設(shè)計(jì)電路并畫出電路圖； （3）進(jìn)行相應(yīng)的仿真測(cè)試； （4）設(shè)計(jì)、調(diào)試和安裝電路并測(cè)試； （5）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。2 方案設(shè)計(jì)電子脈搏計(jì)是由脈搏計(jì)數(shù)器和控制時(shí)間的定時(shí)電路所組成，并且還要在15s內(nèi)測(cè)量出1min的脈搏數(shù)。所以，我們先按要求，分開(kāi)設(shè)計(jì)各個(gè)功能的電路圖，然后再組合連接成一個(gè)完整的按要求的電子脈搏計(jì)。方案一：左移兩位脈搏計(jì)數(shù)電路與門脈搏模擬電路電源電路bcd碼轉(zhuǎn)換控制電路數(shù)碼管顯示電路使能信號(hào)鎖存電路清零電路數(shù)碼管顯示電路計(jì)時(shí)電路圖31方案一整體框圖正常人脈搏數(shù)為6080次/min，嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min

4、。為了精準(zhǔn)電路，我取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0-299。讓信號(hào)發(fā)生器模擬人體脈搏的產(chǎn)生。以每個(gè)上升沿代表一次脈搏。讓計(jì)數(shù)器記錄上升沿的個(gè)數(shù)，再左移兩位，表示所記數(shù)字乘以四。這樣我們就可以15秒鐘測(cè)量一分鐘的個(gè)數(shù)。但是這種方案由六位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換bcd碼電路復(fù)雜，故障率高，延時(shí)較長(zhǎng)，且計(jì)數(shù)不能連續(xù)，所以舍棄這種方案。方案二：與門脈搏四倍頻電路脈搏模擬電路脈搏計(jì)數(shù)電路時(shí)鐘產(chǎn)生電路電源電路清零電路使能信號(hào)鎖存電路控制電路數(shù)碼管顯示電路計(jì)時(shí)電路圖3方案二整體框圖在計(jì)數(shù)器與脈搏產(chǎn)生器之間串聯(lián)一個(gè)四倍頻電路。這樣我們?cè)?5秒內(nèi)采集的脈沖個(gè)數(shù)就可以等效為一分鐘的個(gè)數(shù)，另外再加一個(gè)計(jì)時(shí)控制電路，當(dāng)計(jì)時(shí)為15秒時(shí)，讓計(jì)

5、數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)就是一分鐘的脈搏數(shù)。如需重新記數(shù)，只要清零即可。此種方法能夠連續(xù)計(jì)數(shù)，且計(jì)數(shù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。故選用第二種方案。方案二，框圖介紹：以下幾個(gè)模塊是構(gòu)成電子脈搏計(jì)的主要功能模塊，為使人們更了解該方案的原理，現(xiàn)將各個(gè)模塊介紹如下。 1.脈搏模擬電路主要是產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，來(lái)模擬人體的脈搏經(jīng)過(guò)傳感器和波形整形后的輸出信號(hào)。該信號(hào)直接送給脈搏四倍頻電路。 2.四倍頻電路的作用是將脈搏模擬信號(hào)的頻率增加四倍，即讓計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)為實(shí)際值的四倍。讓我們?cè)?5s內(nèi)就可以讀出1分鐘的脈搏數(shù)。 3.時(shí)鐘產(chǎn)生電路由555構(gòu)成，主要是為整個(gè)電路提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，讓被測(cè)者能夠?qū)Ρ葧r(shí)間與脈沖

6、個(gè)數(shù)，來(lái)判斷脈搏的快慢。 4.計(jì)時(shí)電路接收時(shí)鐘信號(hào)并計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到15s的時(shí)候，給jk觸發(fā)器一個(gè)有效脈沖，讓jk觸發(fā)器通過(guò)與門控制脈搏信號(hào)與計(jì)數(shù)電路的通與斷。 5.清零信號(hào)主要是為下一次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。當(dāng)需要再一次測(cè)量時(shí)，只需按下清零信號(hào)鍵，使數(shù)據(jù)歸零。就可以重新計(jì)數(shù)。 6.電源主要是為各個(gè)模塊提供電能，使其正常工作，本設(shè)計(jì)采用5v直流供電，電源直接從數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱上獲得。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路原理總述：電路原理如圖2所示，因?yàn)槭叭∶}搏需要傳感器，信號(hào)放大器，波形整形電路，為了方便起見(jiàn)，我以頻率可調(diào)的矩形波模擬脈搏。經(jīng)過(guò)四倍頻，產(chǎn)生需要計(jì)數(shù)的脈沖。另一路，由ne555產(chǎn)生周期為1秒的矩形波，并輸給計(jì)時(shí)電

7、路，做為時(shí)間基準(zhǔn)，控制脈搏脈沖的通與斷。再由脈搏計(jì)數(shù)器對(duì)脈搏進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。如需重新測(cè)量，只需讓各電路清零即可。此外，各個(gè)模塊用同一個(gè)電源供電。四倍頻電路：原理圖如圖31所示，其工作原理為：當(dāng)a點(diǎn)為低電平穩(wěn)定時(shí)，b點(diǎn)為0。a=b,c=0。當(dāng)a由低變高時(shí)，第一個(gè)異或輸出為高。給電容充電，b點(diǎn)電壓逐漸升高，當(dāng)電壓達(dá)到異或門的閾值電壓2v時(shí)，c點(diǎn)為低。高電平時(shí)間由r1，c1的值共同確定。當(dāng)a點(diǎn)由高到低時(shí)，b點(diǎn)電壓不變，且電容開(kāi)始放電，此時(shí)，a=!b,c點(diǎn)電位為高，直到電容放電致電壓小于2v，c點(diǎn)跳變?yōu)榈?。整個(gè)過(guò)程組成一個(gè)二倍頻電路，兩個(gè)二倍頻電路構(gòu)成一個(gè)四倍頻電路。輸入與輸出波形如圖3

8、2所示。輸入脈搏信號(hào)用250hz的矩形波，t=4ms。前級(jí)二倍頻電路的高電平應(yīng)為2ms。 經(jīng)計(jì)算得：tw=0.7rc=0.76k0.47uf=1.974ms。為使上升沿分布均勻，二級(jí)倍頻電路的高電平應(yīng)小于1/2tw。且如果電容過(guò)大，則波形可能出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。故我們只需要分布均勻的上升沿即可。所以：tw2=0.7rc=0.70.23k0.47uf=0.075ms 四4-1 四倍頻電路4圖圖4-2四倍頻電路輸出輸入波形比較、脈搏計(jì)數(shù)電路脈搏計(jì)數(shù)電路主要用到兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160，該元件功能為：ent、enp為芯片的使能端，當(dāng)ent、enp接高電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)，接低電平時(shí)處于休眠狀態(tài)。我

9、們將這兩端接高電平，使它一直工作。clr為清零端，clr=0，qaqd輸出為0，clr=1，芯片正常工作。load為同步置數(shù)端，低電平有效，當(dāng)load為低，且有下降沿來(lái)時(shí)，a、b、c、d四個(gè)數(shù)就并行置入，從qa、qb、qc、qd輸出。rco為進(jìn)位端。即由9變?yōu)?時(shí)，該端出現(xiàn)一個(gè)高電平。在兩個(gè)芯片級(jí)聯(lián)時(shí)，分同步級(jí)聯(lián)與異步級(jí)聯(lián)。同步級(jí)聯(lián)的方法不僅電路簡(jiǎn)單，而且功耗較低，因?yàn)槭粩?shù)據(jù)顯示端只在進(jìn)位信號(hào)來(lái)時(shí)工作，其余時(shí)間不工作，而異步級(jí)聯(lián)十位數(shù)據(jù)顯示端一直工作，經(jīng)電流表測(cè)量，同步電流為0.888ua,異步級(jí)聯(lián)電流為0.972ua,故我采用同步級(jí)聯(lián)的方法。將個(gè)位數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端與十位數(shù)據(jù)的使能端聯(lián)接起

10、來(lái)，把兩個(gè)芯片的load與clr都接高電平，兩個(gè)clk端連起來(lái)接模擬的脈搏信號(hào)輸出端xfg1。這樣就組成一個(gè)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。xfg1每來(lái)一個(gè)上升沿，數(shù)碼管顯示的數(shù)字就會(huì)加1，這樣就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算脈搏數(shù)量這一功能。其電路聯(lián)接如圖4-3所示：圖4-3脈搏計(jì)數(shù)電路、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路時(shí)鐘信號(hào)在電子脈搏計(jì)中的作用是產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，并控制脈搏計(jì)數(shù)器的工作，作為參考時(shí)鐘。時(shí)鐘電路的原理圖如圖4-4所示：圖4-4 555時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖該電路是用lm555cn做的一個(gè)多諧振蕩器。為了得到占空比為50%的矩形波，在r2上并聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)電容充電時(shí)，充電回路是vcc-r1-d1-c2-gnd，電容放電

11、時(shí)，放電回路是c2-r2-dis-gnd。振蕩周期由r1，r2，c2共同決定。其輸出波形如圖4-5所示。產(chǎn)生波形的周期：（理想狀態(tài)下）t=0.7（r1+r2）=0.7（6.8+6.8）0.1=1.008msf=1/t=1khz圖4-5波形產(chǎn)生電路的輸出波形（t=0.1ms）因?yàn)榉抡孳浖挠洉r(shí)單位是ms，若以s為單位，則要等很長(zhǎng)時(shí)間，故我采用1khz代替1hz的時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)算過(guò)程如上所示。4、計(jì)時(shí)控制電路： 計(jì)時(shí)控制電路如圖4-6所示，74ls163是一個(gè)十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。ent、enp和a接高電平，使芯片工作，b、c、d接低電平，即當(dāng)load為低電平時(shí)，74ls163置1。芯片的clr接r3與

12、開(kāi)關(guān)，組成清零電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，clr=1，芯片正常計(jì)數(shù)。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，clr=0芯片清零。r3為下拉電阻，r3=10k。rco為進(jìn)位信號(hào)端，當(dāng)計(jì)數(shù)到15時(shí)，qaqd輸出高電平，下一個(gè)脈沖來(lái)時(shí)，qaqd輸出為0、0、0、0。rco來(lái)一個(gè)上升沿。使該上升沿經(jīng)過(guò)一個(gè)非門引到load端，即進(jìn)位時(shí)給load一個(gè)低電平，使其置數(shù)。這樣計(jì)數(shù)器從1計(jì)到15然后返回1。這樣組成一個(gè)15進(jìn)制計(jì)數(shù)器。rco端輸出為一個(gè)15分頻波形。四個(gè)發(fā)光二極管指示計(jì)數(shù)器所記數(shù)值。r6、r7、r8、r9為四個(gè)限流電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取300歐姆。 進(jìn)位信號(hào)端rco每15秒產(chǎn)生一個(gè)上升沿，該上升沿給jk觸發(fā)器，jk觸發(fā)器的jk接1，則

13、每來(lái)一個(gè)上升沿，1q和1q翻轉(zhuǎn)一次。即1q輸出15s的高電平，然后輸出15秒的低電平，時(shí)序如圖3-7所示。即控制計(jì)數(shù)器工作15秒，然后停15秒。led5為控制狀態(tài)指示燈。led5亮表示計(jì)數(shù)器不工作。led5不亮則脈搏計(jì)工作。也就是說(shuō)led5是一個(gè)報(bào)警器，我們也可以用一個(gè)蜂鳴器代替。而led1-4，是為了表示74ls163輸出端qa、qb、qc、qd的高低電平。圖4-6計(jì)時(shí)控制電路原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖：圖4-7總原理圖電路完整工作過(guò)程描述（總體工作原理）總體框圖如圖4-7所示，一路由555產(chǎn)生電鐘信號(hào)，從3端口輸出進(jìn)入74ls163的clk端，讓163開(kāi)始計(jì)數(shù)。163的進(jìn)位端

14、rco接jk觸發(fā)器的clk。讓1q的高低電平每15秒變一次。清零系統(tǒng)由電源、按鍵、下拉電阻和地組成。74ls163的clr、74ls160的clr和74ls73的clr端連在一起并接下拉電阻旁。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合，clr輸入一個(gè)高電平；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，clr端輸入一個(gè)低電平，系統(tǒng)清零。另一路為信號(hào)處理電路，由波形發(fā)生器和四倍頻電路組成。這兩路信號(hào)通過(guò)一個(gè)與門電路合并在一起輸入計(jì)數(shù)電路的clk端。當(dāng)1q處于高電平時(shí)，脈搏信號(hào)通過(guò)與門直接輸入計(jì)數(shù)電路的clk端。當(dāng)1q為低電平時(shí)，與門輸出為0，相當(dāng)于脈搏與計(jì)數(shù)斷開(kāi)。脈搏計(jì)停止工作。操作方法：開(kāi)機(jī)后先使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)再閉合，讓系統(tǒng)清零。此時(shí)74ls73的1q端輸出為零

15、，計(jì)數(shù)器不工作，這樣做的目的是為了解決倍頻電路的丟步問(wèn)題。讓系統(tǒng)等待15秒，計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。記錄15秒后計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼管顯示不變，此時(shí)我們就可以讀出人體1分鐘的脈搏數(shù)。如需重新開(kāi)始，只要將開(kāi)關(guān)再打開(kāi)一次然后關(guān)閉即可。3元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注174ls160n2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器274ls163n1十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器374ls73d1雙jk觸發(fā)器474ls86n1異或門574ls09d1與門674ls04n1非門7led_red5發(fā)光二極管8dcd_hex3數(shù)碼管9二極管110電阻 300*5 230*1 6k*1 10k*1 6.8k*21011電容 100nf*2 0.47uf*2412

16、lm555cn1555定時(shí)器表4-1元件清單4仿真調(diào)試與分析電路設(shè)計(jì)好以后，用軟件multisim進(jìn)行仿真。在這軟件中，由于仿真軟件的記時(shí)單位是ms，若以s為單位，則要等很長(zhǎng)時(shí)間，故我采用1khz代替1hz的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)間用1ms代替1s。當(dāng)仿真開(kāi)始，右下角的數(shù)碼管開(kāi)始顯示時(shí)間從1至15（秒）循環(huán)，用函數(shù)發(fā)生器輸入一個(gè)頻率為500hz的矩形波，待一段時(shí)間后，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。過(guò)一會(huì)，當(dāng)顯示時(shí)間的數(shù)碼管重新從1開(kāi)始時(shí)，顯示脈搏數(shù)的數(shù)碼管也開(kāi)始從1開(kāi)始計(jì)數(shù)。最后，當(dāng)顯示時(shí)間的數(shù)碼管達(dá)到15且重置為1時(shí)，脈搏計(jì)數(shù)器顯示30且停止，待過(guò)15s后，脈搏計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作，顯示從30開(kāi)始，直到15秒后，達(dá)到60停止。

17、當(dāng)開(kāi)關(guān)a打開(kāi)時(shí)，脈搏計(jì)數(shù)器清零。故仿真結(jié)果正常，沒(méi)誤差，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求（在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)，且誤差小于4次/min）。接著停止電路工作，改變函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)，輸入一個(gè)頻率為1000hz的矩形波，重復(fù)上面的步驟，可測(cè)量出在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)為60個(gè)。此時(shí)，測(cè)量結(jié)果68個(gè)/s和理論值60個(gè)/s有誤差，不過(guò)誤差小于8次/min.故故整個(gè)電子脈搏計(jì)已設(shè)計(jì)成功。5結(jié)論與體會(huì)在本次實(shí)驗(yàn)完成中，這個(gè)過(guò)程中使我受益匪淺。在確定各模塊電路的過(guò)程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗(yàn)我們用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識(shí)來(lái)判斷電路正確與否的機(jī)會(huì)。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)的鍛煉，自己的動(dòng)手能力有了很大的提高，查找問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力也有了相應(yīng)的進(jìn)步。當(dāng)然，這次試驗(yàn)也讓我看到了我們的很多缺陷。首先對(duì)元器件不是特別的熟悉，尤其是在此次電路中，有多種芯片的使用，所以字焊板時(shí)費(fèi)時(shí)長(zhǎng)。所以經(jīng)驗(yàn)告訴我們，必須掌握好專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)?？偟膩?lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)有苦也有甜。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半，因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備。同時(shí)熟練地掌握課本上的知識(shí)，這對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決也是相當(dāng)重要的。這次設(shè)計(jì)留給我的印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電