课程设计-脉搏计

电子技术基础课程设计报告题目名称： 人体脉搏计 姓 名：学 号：班 级：指导教师：摘要 21 设计题目及要求 31.1 设计题目 31.2 设计目的 31.3 设计内容及要求 31.4 脉搏计设计原理及其原理框图 32 设计方案 42.1 方案背景 42.1 方案提出 43 电路设计分析 43.1 信号发生与采集 43.2 放大整形电路 53.2.1 放大电路 53.2.2 有源滤波电路 63.2.3 整形电路 73.3 倍频电路 83.4 基准时间产生电路 103.4.1 秒脉冲 103.4.2 15分频的 2 分频器 113.5 计数译码显示电路 123.5.1 计数电路 123.5.2 显示译码电路 133.6 控制电路 153.7 实验设计总电路 164 所用元件及实验心得 164.1 元件列表 164.2 实验心得 175 参考文献 17附录 18摘要 随着医学的发展和日常生活中，人们保健意识的提高，脉搏成了一项重要的生命 指标，所以，脉搏的测量便成了越来越常见的一项体检项目之一。综合考虑到各 个年龄段的脉搏特征（包括强度、速率和节律等），本次课程设计就针对这么一 个切合实际的问题而进行的。首先进行仿真，外加一个脉搏信号，利用传感器接 受脉搏信号并转换为电脉冲信号，然后将电脉冲信号进行放大，紧接着增大频率 （即进行倍频处理），最后进行滤波处理，从而得到效果比较良好的电脉冲信号； 与此同时，设计出能产生短时间的控制信号，以控制测量时间（本次设计时用到 了施密特触发器）；另外还要设计出控制电路，用以保证在基准时间控制下，使 倍频后的脉冲信号送到设计的计数、显示电路中。最后将整个电路图合并，便得 到了我们期望的仿真电路图，并反复进行调试便可完成仿真。最后我们将仿真电 路图拿出来做实物，并将做好的实物进行反复的调试，直到调出正确结果，那么 我们的课程设计便是成功地完成了。关键字：脉搏计 脉搏信号 倍频 滤波 基准时间 计数器 数码管一、设计题目及要求1、题目：人体脉搏计2、设计目的：1、熟悉脉搏计电路的组成、工作原理和设计方法。2、掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等的工作原理、使用方法、特点 用途及主要参数的计算方法。3、熟悉集成电路 74LS00、74LS161、74LS48、555 定时器、有源滤波电路的特点、 用途及主要参数的选择方法。3、设计要求为提高运用电子技术基本知识进行理论设计、实践创新以及独立工作、团队合作 的能力，通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作基于 数字电路和模拟电路的课程设计与制作。电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要 组成部分。它是用来测量频率较低的小信号。要求：(1) 实现在15s内测量lmin的脉搏数；(2) 用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；(3) 测量误差小于±4次/min。注：正常人的脉搏数为6080次/min，婴儿为90100次/min，老人为100150 次/min。4、脉搏计的基本原理及其原理框图分析设计题目要求 脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也 是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率 较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫安)，它的基本功能应该是 用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大整形和滤波。 在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。 简单脉搏计的框图如下图所示。图 1.1 脉搏计原理框图二、设计方案1、方案背景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之中。心率：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一 声音为准。心电信号是一种非常弱且频率较低的信号，一般幅值在0.05-5mv，频 率在0.05-100Hz。脉搏波:人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒 张，使血流压力一波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称 为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大 程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。而心率的测量是一种 评价病人生理状况很好的方法，心率与脉搏在身体正常的时候是相等的。在房颤 等心脏疾病时候可出现不等。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运用。2、方案的提出1、传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。2、放大与整形电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。3、倍频器 将整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。4、基准时间产生电路 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。5、控制电路 用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计 数、显示电路中。6、计数、译码、显示电路 用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码 管显示出来。7、电源电路 按电路要求提供符合要求的直流电源。 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lmin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，误差也越大。三、电路设计与分析1、信号的发生与采集脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象 检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的 显示。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ： 传感器工作原理的分类中物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效 应，磁致伸缩效应现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信 号量的微小变化都将转换成电信号。这里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，其原理电路如图3. 1所示。图3.1中，红外线发光管VD采用TLP521-1，接收三极管V采用TLP521-1。 用Vp=5V的矩形脉冲电源供电，R取500 Q，R取10 KQ。125V23TLP521 -13 57图 3. 12、放大整形电路1、放大电路： 由于传感器发出的信号很微弱，只有几毫伏左右，所以采用放大电路实现信 号放大作用，由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图3.2.1所示，运放采用了 LM324,电源电压+5V,放大电路的电压放大倍数为10 倍左右。参数的计算如下：由图3.2.1可知这是同相比例运算电路: 因为运放输入的虚短虚断有：q =一叫L R3 + FL4 °应设计要求放大倍数在10左右，在这里取16,有:令 R3=10K求得：R4=150K;再由平衡电阻知识得：R5=R3/R4=9.375K;又由于人体脉搏跳动频率限制，可取C1=100Uf。2、有源滤波电路采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图3.2.2所示，作用是把脉搏信号中 的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰 尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为1 kHz左右。为了使脉搏信号放大到整 形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。图 3.2.2电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C3 的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于C4的电 抗趋于零，因而Up (s)趋于零。可以想象，只要正反馈引入得当，就可以 在 f=fo时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自己振荡。因为 同相输入端电位控制由集成运放和R8、R9组成的电压源，故称之为压控电压源 滤波电路。参数计算如下：应设计要求放大倍数为1.6,即:R.gAu=1+77=1.6;取R8=20K,即得：R9=12K。令 R6=R7=R ,C4=C3=C；由fU得：又因 f=1kHz,取C=22nF，即得：R=7.2K。3、整形电路经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满 足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了施密特触发器作为迟滞电压比 较器，如图3.2.3所示，其目的是为了提高抗干扰能力。5VVCCUiriR10lkQ19VCCVCCRSTOUTDISTHRTRICONGNDA2UQ555_VIRTUAL0图 3.2.3参数如下：作为上拉电阻选取R1O=1K。电压传输特性如下图所示：* vOVDDVDD/3 2VDD/3传输特性放大整形部分仿真结果：注：黄色表示整形后的信号。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l min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。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、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TTL异或门组成倍 频路，如图3.3. 1所示。图 3.3.1U21A和U21B构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产 生作用，当输入由“0”变成T”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出, 输入输出波形如下图3.3.2所示。图3.3.2倍频器的频率特性 两个二倍频电路就构成了四倍频电路。电容器C的作用是为了增加延迟时间，从 而加大而出脉冲宽度。异或门用74LS86。参数设置如下：由实验室提供元件可取：C6 = C5 = 0.47uFR11 = 150 kR12 = 16 k4倍频电路仿真结果：4、基准时间产生电路基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s（即脉冲宽度为15s）的脉冲 信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，我们 采用如图3.4.1的方案。秒脉冲发生器k 15分频器k 2分频器图3.4.1基准时间产生电路框图由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。1、秒脉冲发生器Q500?R131l5kR145VVCCRSTDISTHRTRICONNDOUT555_VIRTUAL Timer47pFC图3.6.2 555多谐振荡器参数如下：电路通过R13、R14充电时有：T1=0.7(R13+R14)C通过R14放电有：T2=0.7R14C得：T=T1+T2=0.7(R13+2R14)C由设计要求得T=1s，取C=47uF。得：R13+2R14=30.4K取 R13=400 欧,R14=15K.2、十五分频和二分频器电路如图2-13所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然后用 CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉 冲信号。U2A7410NU3A1PRDQ8BQAQU174LS161D1D1Q32|75V7474N1CLK1Q图3.6.215分频和2分频电路基准时间产生电路仿真结果：5、计数译码显示电路1、计数电路由人体脉搏的实际情况，这里选用同步四位十进制计数器74LS160。如果将 三片74LS160直接并行连接即可得千进制计数器，三片芯片都为高电平以保证电 路的工作。又考虑到人的脉搏数最高为：150次/min，所以采用3位十进制计数 器即可（即本次设计采用了 3片74LS160组成了 3位十进制计数器）。74LS160功能表如下表 7.1：输入输出EpEtLd'Rd'Cp功能1111t四位十进制同步加计数XX01t寄存并行输入数据（预置数）0111X状态保持X011X触发器保持，进位输出为'0'XXX0X清零（立即、无条件）表3.7.174LS160的功能表2、译码显示由于74LS160输出的是8421BCD码，所以应选择一个可以讲8421BCD码译成 7段输出信号以驱动数码管的芯片，所以本次设计采用集成74LS48七段显示译 码器。附：74LS48 BCD-七段显示译码器芯片简介：7448 七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译 码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。7448有3个辅助控制端LT、RBI、 BI/RBO,现简要说明如下：1）、灭灯输入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使 用且BI = 0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0,所以 字形熄灭。2）、试灯输入LT当LT = 0时，BI/RBO是输出端，且RBO=1,此时无论其它输入端是什么状 态，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7448本身及显 示器的好坏。3）、动态灭零输入RBI当LT=1，RBI = 0且输入代码DCBA = 0000时，各段输出ag均为低电平， 与BCD码相应的字形 熄灭，故称“灭零”利用LT= 1与RBI=0可以实现某一位 的“消隐”此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。为了实现无用0的灭零效果，可将低位的RBI信号接到高位的BI/RBO端。各 片7448的LT均接高电平，当第一片的RBI = 0且DCBA = 0000，所以第一片满足 灭零条件，无字形显示，同时输出RBO=0；第一片的RBO与第二片的RBI相连， 使第二片也满足灭零条件，无显示并输出RB0 = 0；同理，第三片的零也熄灭， 无显示。74LS48真值表如下表3.7.2： A由丿 tHLTRHIJ)cEAbJ/HHLLLLH |HHHHHHLHXLLLHHLHHLLLLHXLL讨LIIH1.HHLHHXLLHHHHHHHLLH11XLElLLHLHLLHHH宣LHLHHH1-HHLHHHXLHHLHLLHHHHHHXL.E<HHHHHH1.LLi.HyHLLLUHHHHHHHHXElLLH|IIHHLHHHXHLHLHLLLHHLHHXE1LHHHLLKHLLHHXHLLHLEl.1.1.HHXHHLHHHLLHLHHHXIIl-tHLLLLHHHHHKliKItFIHLLLLLLLKXXXXXLLLLLLLL11LLL1.LLLLLLLLL.Xx蕈HHHi-CHHMH¥晞制!tis功 u I 斗 l 11 21 3M1 s表3.7.274LS48真值表电路图如下图3.7.3：U5U6U174LS160N4567 19 |1XIVCCVCCU13 74LS160NU3 74LS48D-IVCC5V2ABCQ 04LS160N111 1CKU4U2LL7 12 6CL7 12 6VCC5V3456 |7 0 I1TT4565V5V图 3.7.3 仿真结果：当输入2Hz的待测信号，仿真结果为：6、控制电路 控制电路主要作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进行计数器的时间 另外还具有为各部分电路清零等功能功能介绍：当开关转向电源端时，脉搏信号不能进入计数器，所以计数器不能对脉搏信 号进行计数，且此时数码管保持上一次的测量结果.当把开关转向基准信号端时 当信号由低电平上升为高电平时，通过上升沿有效的边沿触发器将计数器置零， 而此时，通过门电路的控制，脉搏信号开始进入计数器并且开始计数。当计数完 成后，将开关再转向电源端。如下图 3.8：7、设计完整电路图见附录：四、所用元件及实验心得1、元件列表序号元器件名称基本参数数量替代元器件参数备注1D触发器1274LS1603374LS16114LM3391555定时器（1个）5CC40601555定时器（1个）还包括替代 一 D触发器6运放2774LS101874LS001974LS8611074483118段显示器312电阻3713电容614导线若干2、实验心得本次实验由我和队员共同完成，在这个过程中使我受益匪浅。在确定各模块 电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我们用所学 的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机 会。通过此次课程设计的锻炼，自己的动手能力有了很大的提高，查找问题、解 决问题的能力也有了相应的进步。当然，这次试验也让我看到了我们的很多缺陷。首先就是在画原理图的时候 没有看清数码管的管脚，以致出现乱码的情况。还有就是在确定方案之前，没有 在实验板上认真搭建电路，事前摸清放大模块的工作情况。由于这两次较大的失 误使整个设计与制作过程耗时耗力。总的来说，本次设计有苦也有甜。 设计思路是最重要的，只要你的设计思 路是成功的，那你的设计已经成功了一半，因此我们应该在设计前做好充分的准 备。同时熟练地掌握课本上的知识，这对试验中出现的问题进行分析解决也是相 当重要的。 这次设计留给我们印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，更要有坚持的毅力。五、参考文献1.数字电子技术基础唐治德主编2.模拟电子技术基础唐治德主编3.数字电子技术实验夏鸣风编附录：5VVCCH 'hOh=O74US160N= ='llU20TLC 47p F |C 47pR215kQR1500Q74US58DCONTRI THRDIS RSTGNDVCVCCLJt £U22TimM5_VIRTUAL5V5V74US48DVCC 74US68D74US360NVCCU2AVCC4US161DKey = A卜” 一rcc74USADD74*S02i-C60.47pF7486N150kfi7486N钊U21B7486NC7486N0.4CF31CLK21D1CLR1>R145V7474N5 U3A5VR60kQR17广U1724ADa 5VUr9R11II6銘U18A1kfiDr10C511LM324ADFU19A1kRE13CONTRI THRDIS RSTGNDVCCO|UTA2555 VIRTUAL