数显式脉搏计数器

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1、课程设计数显式脉搏测试仪设计班级学号学生姓名指导教师课程设计任务书课程名 称数字逻辑课程设计课程设计题目数显式脉搏测试仪设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个数显式脉搏测试电路，技术指标如下：测试时间为1分钟。 实时显示脉搏数，1分钟时停止，并提醒。利用脉冲或者正弦波模拟脉搏传感器输出。要求用数码管显示时间。二、设计要求1 .在选择器件时，应考虑成本。2 .根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3 .画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1 .根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用 multisim软件仿真。2 .进行实验数据处理和分析。

2、四、推荐参考资料1 .彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社2 .孙梅生，李美莺，徐振英.电子技术基础课程设计M.北京：高等教育出版社3 .梁宗善.电子技术基础课程设计M.武汉：华中理工大学出版社4 .童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年 五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表:序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具后可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于 5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

3、指导教师签字:1、 概述随着人们生活水平的提高， 心脏疾病的发病率呈上升趋势， 已成为威胁人类身体健康的杀手之一， 因为心脏病的发作具有突发性和随机性， 所以为患者进行实时的测量监控已成为必然的趋势。 随着电子科技的不断发展， 生命科学和信息科学的结合越来越紧密， 许多研究人员都投身于人类的健康事业中。 心率： 用来描述心动周期的专业术语， 是指心脏每分钟跳动次数， 已第一声为准， 心电信号是一种非常弱且频率较低的一种信号， 一般幅值在 0.05 到 5 毫伏之间，频率在0.05 到 100HZ 之间，脉搏波：人体心室周期的收缩和舒张， 导致主动脉的收缩和舒张， 是血流压力- 波的形式从主动脉

4、根部开始沿着动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现的形态强度，速率和节律等方面的综合信息，反应出许多生理的血流特征， 而心率的测量是一种评价人生理状况很好的方法。 心率和脉搏在身体正常的时候是相等的。 在房颤等心脏疾病的时候可出现不等。 因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量， 而脉搏的测量更容易实现特点。 在实际应用中得到广泛应用。 脉搏计在实际应用中非常广泛， 他是用来测量一个人的心脏跳动次数的电子仪器， 也是心电图的主要组成部分， 用来测量频率较低的小信号。 其原理适用于很多声控器械， 它涉及到时序逻辑电路如何设计分析和工作等方面。 通过使电路更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而

5、掌握如何根据需求设计满足要求的各种电路图，解决生活中的实际问题。2、 方案论证主要由采样输入电路、 脉冲计数电路、 基准时间产生电路、 译码显示电路四个部分组成。且要求在开始工作15S 后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。下次工作时通过按钮来清零， 重新显示脉搏数。 将脉搏信号转换成电平信号， 由三极管接受之后经过放大电路将信号放大10 倍，流入整形电路成为规则的矩形波， 再由倍频电路对此信号进行二倍变频。 与此同时， 基准时间电路由单稳态555 产生一个周期为 15 秒的信号。 整个电路的核心部分控制电路的工作，按下开关，输出为低电平，对计数器和 D 触发器进行清零，输出高电平。计数

6、器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号，驱动计数器计数。计数器是由 16 进制的 74LS160 的 10 进制计数器，三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位。十位的计数受各位的影响，只有当个位计数到 9 后十位的使能端信号才有效。十位开始计数，百位的计数原理同十位。1传感器是将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。方法：可以利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。2 .放大整形电路把传感器的微弱电流，微弱电压放大，整形出去杂散信号。方法：可以 使用电压比较器进行整型。3 .倍频器是将整

7、形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。方法：实现可以采用能 满足设计要求的D触发器组成的4倍频电路。4 .控制电路用555保证基准时间控制，4倍频后的脉冲信号送计数、显示电路中。5 .计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，以十进制数的形式由数码管显示出来。上述测量过程中，由于对脉冲进行了 4倍频，计数时间也相应地缩短了 4倍15S,而数 码管显示的数字却是1min的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为 4次/min,测 量时间越短，误差也就越大。图1方案原理图74LS160计数器集成运放放大电路，555构成的单稳态

8、触发器，D触发器组成的4倍 频电路等电路。采用简单的74LS160作为计数器，因为它是十进制计数器，无需改装， 直接使用。因为脉搏测量器所需的上百位的数字。因此将三片74LS160直接进行进位方式连接，即得千进制计数器。结合以上各部分电路内容及设计要求分析， 以控制电路为枢 纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计 数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。根据此框图，各部分电路有如下几种设计方案： 放大电路可以在同相放大器和反相放大器之间选择，二者几乎没有区别，在此选择使用反相比较器，整形电路可以用555构成的施密特触发器或者由运放组成的迟滞电压比较器， 考

9、虑到运放的使用较555简单方便，选择用运放构成迟滞比较器，倍频电路的形式很多， 可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的 D触发器组成的4倍频电路。基准时间产生电路的设计 方案也较多，可以选择石英晶体振荡电路、555定时器构成的单稳态触发器，因为石英晶 体振荡电路还需要接入4060集成芯片，使用比555复杂，所以选择555产生基准时间， 计数译码显示电路的计数器设计有较多方案，可以选择160、161、279等芯片均可以设160作为计数器电路置为10进制来满足要求，在此选择使用普遍，较熟悉的三、电路设计数显式脉搏计主要由采样输入电

10、路、 脉冲计数电路、 基准时间产生电路、 译码显示电路四个部分组成。且要求在开始工作15S 后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。下次工作时通过按钮来清零，重新显示脉搏数。其工作原理简介：电路连接好以后，通过红外光照射人的手指的血脉流动情况， 将脉搏信号转换成电平信号， 由三极管接受之后经过放大电路将信号放大10 倍， 流入整形电路成为规则的矩形波， 再由倍频电路对此信号进行二倍变频。与此同时，基准时间电路由单稳态555 产生一个周期为 15 秒的信号。 整个电路的核心部分控制电路的工作， 按下开关， 输出为低电平， 对计数器和 D 触发器进行清零， 输出高电平。 计数器的脉冲信号由锁存

11、器输出信号、 时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。 由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号，驱动计数器计数。计数器是由 16 进制的 74LS160 的 10 进制计数器，三个计数器从左至右分别为百位、 十位、 个位。十位的计数受各位的影响， 只有当个位计数到9 后十位的使能端信号才有效。十位开始计数，百位的计数原理同十位。 74LS160 计数器集成运放放大电路， 555 构成的单稳态触发器， D 触发器组成的 4 倍频电路等电路。脉搏传感器作用将脉搏信号转换为响应的电脉搏冲信号。 放大电路多种多样， 本次试验采用比较简单，廉价的运放电路。 由一个运放器和三个电阻

12、就组成了。放大倍数可调。倍频电路对脉搏进行调频，如将15S 内传感器所获得信号频率4 倍频即可得到对应一分钟的脉冲数， 从而缩短测量时间。 555 定时器是为了实验在规定时间内完成。 本设计采用简单的 74LS160 作为计数器，因为它是十进制计数器，无需改装，直接使用。因为脉搏测量器所需的上百位的数字。因此将三片 74LS160 直接进行进位方式连接，即得千进制计数器。结合以上各部分电路内容及设计要求分析， 以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、 倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制， 使其能够准确的显示脉搏数。1传感器脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲

13、信号。脉搏传感器是脉象检测系统重要的组成部分， 其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。 目前典型的脉搏传感器有以下三种： 光电类、 压阻类和压电类。传感器采用了红外光电转换器， 作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况， 把脉搏跳动转换为电信号。 传感器信号调节，该部分结构简单R1和R2的值分别选取510Q和10KQ,电源采用5V供电，红外线发光管采用TLN104接收三极管采用TLP104。本次设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。如图 2.2 .放大与整形放大电路多种多样，本次试验采用比较简单、廉价的运放电路。由一个运放器和俩个 电阻就组成了符合要求的放大电路

14、。放大倍数可调，本次放大倍数大约为 10倍。由于整 形电路比较复杂，要先较好的对脉冲信号的不规则整形是有一定的难度， 初次想到的就使 用电压比较器进行整形，但是在模拟软件下这种不知道那个是电压比较器。如图 3.图3放大电路3 .倍频电路该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。如图 4.图4倍频电路4 .定时电路555定时器是使时间长度为15s。工作原理：开关打开，RST、VCC、1端都为高电 平，此时比较器1、2都输出高电平，输出端输出为低电平。触发时：触发信号加在触发 端，比较器2输出低电平，锁存器置1

15、,输出端输出高电平。电源通过电阻R6向电容C2 充电，暂稳态开始。经过一个小的延迟时间，触发信号消失，触发端为高电平。暂稳态结束时：随着电容的充电，当时间达到15s的时候，电容两端电压为 2/3VCC,THR和THI为1/3VCC,此时输出变为低电平。时间常数有 t=1.1RC可以求得。取 C5=10nF, C2=4.7uF, R6=2.9MQ。如图 5.图5 555定时电路5 .计数译码显示这部分电路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来的功能。对于这部 分电路，有很多方案都可以实现这个功能，而且电路都很相似，对于计数器，选择曾在这个学期做过的电子技术实验中多次用到的十进制计数器7

16、4LS160。如图6.图表6 译码显示电路U8： 74LS160H * H 凸 q1- - J ,-* K3总:Htv- - - -9W- :等IT :awT 口径，;亘一四、性能测试本次课程设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。如下图 7.图步函数信号发生器-XFG1沽口信号选项公共7函数发生器1 .放大与整形电路测试在本次课程设计中，由于传感器电阻大，输出信号较弱，所以需要放大电路。如下电 路的放大倍数为：Au=Rf/Ri=10如图9所示A通道为信号源波形，B通道为放大后的波形。如图表 8,9.5VVCCU11A图8放大电路图9放大电路测试2 .倍频放大电路由于要求在15

17、秒内完成60秒的测试，该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进 行4倍频，以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提 高诊断效率。当a点由高到低时，b点电压不变，且电容开始放电，此时，a=!b, c点 电位为高，直到电容放电致电压小于 2V, c点跳变为低。整个过程组成一个二倍频电路， 两个二倍频电路构成一个四倍频电路。输入与输出波形如图所示。输入脉搏信号用250HZ 的矩形波，T=4ms。前级二倍频电路的高电平应为 2ms。经计算得：T W =0.7RC=0.7X 7K 义 0.4uF=1.96ms为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于1/2T W o且如果

18、电容过大，则波形可能出现丢步现象。故我们只需要分布均匀的上升沿即可。所以：T W2 =0.7RC=0.7 1K X0.1uF=0.07ms如图表10,11.4070BD 10V10kQ4JtB图10倍频电路-R-10kQ图11倍频电路测试3 .定时电路测试本次课题中，要求用15秒测出1min的人体脉搏，所以用 555定时器使输出端在 15秒以内为高电平，15秒之后为低电平，低电平指示灯变亮提示，电路停止计数，数码 管停止跳动，显示1min内脉搏个数。如图表12,13.vccvccxsci图12定时电路图13定时电路测试1.整体电路测试下图为总图，和测试表格结果。人的心跳不会全部相同，大概在 6

19、0-80之间，表格1 中不同频率表示不同人的不同心率，第二列表格表示不同人类在不同的心率下一分钟内的 脉搏数量。当函数传输时间达到 15秒时，开关跳开，555输出为低电平，此时经过反向 器二极管发光以作提示之用 。图14,表1,如下。KFG10-M-A5-WV-1dktMQ4070BD10VC1 33uFVCCU11AU10FIAMD2U12U7B210kD1Q7QBD_1OV407QBD_1OV C2 一.3.&uFLtH4070BD 10VNE5532AI R410Qk 口LM5S0DCO HEX74LS160N-s韶35好!DCD HEXDCH.相招斗打聒iU8 74L31I60-Ni

20、i1CC.il I? IS16。时YCCT!n -图14总电路图表1测试数据表频率（HZ） /人的心跳频率数码管显示/人的脉搏数（1min）10600.50301.250761.5090212910581五、结论本次课程设计基本实现了课题的要求， 将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号，放大整形后进行四倍频，并在15s （基准时间）内对此信号计数，便得到了 1min脉搏数。 经过实训进一步加深对逻辑电路和一些常用IC如74LS160、7400、555等应用的熟悉和掌握。另外，我也发现自己对数电知识和电子设计软件掌握得不够，其次在此次设计由于我们频繁的使用 Multisim10这个仿真软件，因此我

21、也进一步熟悉了此软件的使用，同时使用电脑对绘图操作上有了进一步提高。 我首先应选出一个比较该兴趣的课题， 然后根据设计题目的技术指标或电路所实现的功能， 对各单元模块进行设计， 在设计过程中遇到了一些问题，使得我查找各种相关资料，在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、 耐心的能力。这一课程设计， 使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在以后的学习生活中， 我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动， 培养自己的综合能力， 从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。 最后将各单元模块进行总体设计并画出原理框图。 最后我们用仿真软件对我们所设计的

22、电路进行了仿真， 经过我们不断地调试才达到我们实际的要求。 通过这次实践， 使我对抽象的理论有了具体的认识。也使对我专业知识和专业基础知识做了一次实际检验和巩固， 这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的， 只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论中得出结论， 才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。除了这些还要考虑的就是性价比的问题555 集成芯片， 74LS160， NE5532AI ， 7400,74LS86 以及数码管都是在市场上的销售价格都比较便宜， 可以买到， 并且常用的芯片， 在一定条件上可以代替市场上销售昂贵的脉

23、搏计。此脉搏计，制作简单，方便，成本低廉，性价比良好。参考文献1. 彭介华，电子技术课程设计指导 M. 北京：高等教育出版社2. 孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计M. 北京：高等教育出版社3. 梁宗善 . 电子技术基础课程设计M. 武汉：华中理工大学出版社4. 童诗白，华成英主编模拟电子技术基础 M 北京：高等教育出版社， 2006年附录I总电路图-殖口 .- CFYEi-:!5! iTfllI-Hogsl-wLrintSAJ(:si1 . 1 S 1 , .e m . .B 7 VW-ION 一 ME Soo - ，|wv- 一二：9。三图表15 电路总原理图附录II元器件清单表格2 元器清单序号编R名称型号数量1U1/2/3数码管DCD_HEX32U4定时器55513U5/8/9译码器74LS160N34U 6A/6B/7A/7B异或门4070BD_10V45U 10与非门NAND216U11A放大器NE5532AI17R1/2/5电阻1010KQ38R3电阻2.9M Q19R4电阻100KQ110R6电阻100 a111U12/13反相器NOT212LED1LED灯LED green113C13/4电容4