脉搏计课程设计Word文档格式.docx
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对于医院的危重病人,或者在其他一些特殊场合,需对人的脉搏进行连续检测,本课题即针对这一需求,设计一台简易的电子脉搏计。
1、制作要求
实现在15S内测量1min的脉搏数,并且显示其数字。
正常人脉搏数为60~80次/min婴儿为90~100次/min,老人为100~150次/min。
(只考虑数字部分,即输入波形视为矩形波)
2、制作步骤
(1)拟定测试方案和设计步骤,填写真值表;
(2)根据性能指标,计算元件参数,选好元件,设计电路并画出电路图;
(3)进行相应的仿真测试;
(4)设计、调试和安装电路并测试;
(5)撰写设计报告。
2方案设计
电子脉搏计是由脉搏计数器和控制时间的定时电路所组成,并且还要在15S内测量出1min的脉搏数。
所以,我们先按要求,分开设计各个功能的电路图,然后再组合连接成一个完整的按要求的电子脉搏计。
方案一:
图3-1
方案一整体框图
正常人脉搏数为60~80次/min,婴儿为90~100次/min,老人为100~150次/min。
为了精准电路,我取计数器的计数范围为0-299。
让信号发生器模拟人体脉搏的产生。
以每个上升沿代表一次脉搏。
让计数器记录上升沿的个数,再左移两位,表示所记数字乘以四。
这样我们就可以15秒钟测量一分钟的个数。
但是这种方案由六位二进制码转换BCD码电路复杂,故障率高,延时较长,且计数不能连续,所以舍弃这种方案。
方案二:
图3-2
方案二整体框图
在计数器与脉搏产生器之间串联一个四倍频电路。
这样我们在15秒内采集的脉冲个数就可以等效为一分钟的个数,另外再加一个计时控制电路,当计时为15秒时,让计数器停止计数,此时读出的数据就是一分钟的脉搏数。
如需重新记数,只要清零即可。
此种方法能够连续计数,且计数电路结构简单。
故选用第二种方案。
方案二,框图介绍:
以下几个模块是构成电子脉搏计的主要功能模块,为使人们更了解该方案的原理,现将各个模块介绍如下。
1.脉搏模拟电路主要是产生一定频率的脉冲信号,来模拟人体的脉搏经过传感器和波形整形后的输出信号。
该信号直接送给脉搏四倍频电路。
2.四倍频电路的作用是将脉搏模拟信号的频率增加四倍,即让计数器记录的数据为实际值的四倍。
让我们在15s内就可以读出1分钟的脉搏数。
3.时钟产生电路由555构成,主要是为整个电路提供一个基准时钟,让被测者能够对比时间与脉冲个数,来判断脉搏的快慢。
4.计时电路接收时钟信号并计时,当计时到15s的时候,给JK触发器一个有效脉冲,让JK触发器通过与门控制脉搏信号与计数电路的通与断。
5.清零信号主要是为下一次计数做准备。
当需要再一次测量时,只需按下清零信号键,使数据归零。
就可以重新计数。
6.电源主要是为各个模块提供电能,使其正常工作,本设计采用5V直流供电,电源直接从数电实验箱上获得。
3系统硬件设计
电路原理总述:
电路原理如图2-2所示,因为拾取脉搏需要传感器,信号放大器,波形整形电路,为了方便起见,我以频率可调的矩形波模拟脉搏。
经过四倍频,产生需要计数的脉冲。
另一路,由NE555产生周期为1秒的矩形波,并输给计时电路,做为时间基准,控制脉搏脉冲的通与断。
再由脉搏计数器对脉搏进行计数。
通过数码管显示出来。
如需重新测量,只需让各电路清零即可。
此外,各个模块用同一个电源供电。
1.四倍频电路:
原理图如图3-1所示,其工作原理为:
当a点为低电平稳定时,b点为0。
a=b,c=0。
当a由低变高时,第一个异或输出为高。
给电容充电,b点电压逐渐升高,当电压达到异或门的阈值电压2V时,c点为低。
高电平时间由R1,C1的值共同确定。
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3-2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:
TW=0.7RC=0.7×
6K×
0.47uF=1.974ms。
为使上升沿分布均匀,二级倍频电路的高电平应小于1/2TW。
且如果电容过大,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:
TW2=0.7RC=0.7×
0.23K×
0.47uF=0.075ms
四4-1四倍频电路
4
图
4-2
四倍频电路输出输入波形比较
2、脉搏计数电路
脉搏计数电路主要用到两个十进制计数器74LS160,该元件功能为:
ENT、ENP为芯片的使能端,当ENT、ENP接高电平时芯片处于工作状态,接低电平时处于休眠状态。
我们将这两端接高电平,使它一直工作。
CLR为清零端,CLR=0,QA~QD输出为0,CLR=1,芯片正常工作。
LOAD为同步置数端,低电平有效,当LOAD为低,且有下降沿来时,A、B、C、D四个数就并行置入,从QA、QB、QC、QD输出。
RCO为进位端。
即由9变为0时,该端出现一个高电平。
在两个芯片级联时,分同步级联与异步级联。
同步级联的方法不仅电路简单,而且功耗较低,因为十位数据显示端只在进位信号来时工作,其余时间不工作,而异步级联十位数据显示端一直工作,经电流表测量,同步电流为0.888uA,异步级联电流为0.972uA,故我采用同步级联的方法。
将个位数据计数器的进位端与十位数据的使能端联接起来,把两个芯片的LOAD与CLR都接高电平,两个CLK端连起来接模拟的脉搏信号输出端XFG1。
这样就组成一个100进制的计数器。
XFG1每来一个上升沿,数码管显示的数字就会加1,这样就可以实现计算脉搏数量这一功能。
其电路联接如图4-3所示:
图4-3脉搏计数电路
3、时钟信号产生电路
时钟信号在电子脉搏计中的作用是产生一个基准时钟,并控制脉搏计数器的工作,作为参考时钟。
时钟电路的原理图如图4-4所示:
图4-4555时钟信号产生电路原理图
该电路是用LM555CN做的一个多谐振荡器。
为了得到占空比为50%的矩形波,在R2上并联一个二极管,当电容充电时,充电回路是VCC-R1-D1-C2-GND,电容放电时,放电回路是C2-R2-DIS-GND。
振荡周期由R1,R2,C2共同决定。
其输出波形如图4-5所示。
产生波形的周期:
(理想状态下)T=0.7(R1+R2)
=0.7×
(6.8+6.8)×
0.1
=1.008ms
F=1/T=1KHZ
图4-5波形产生电路的输出波形(T=0.1ms)
因为仿真软件的记时单位是ms,若以s为单位,则要等很长时间,故我采用1KHZ代替1HZ的时钟信号。
计算过程如上所示。
4、计时控制电路:
计时控制电路如图4-6所示,74LS163是一个十六进制的计数器。
ENT、ENP和A接高电平,使芯片工作,B、C、D接低电平,即当LOAD为低电平时,74LS163置1。
芯片的CLR接R3与开关,组成清零电路。
当开关闭合时,CLR=1,芯片正常计数。
当开关打开,CLR=0芯片清零。
R3为下拉电阻,R3=10K。
RCO为进位信号端,当计数到15时,QA~QD输出高电平,下一个脉冲来时,QA~QD输出为0、0、0、0。
RCO来一个上升沿。
使该上升沿经过一个非门引到LOAD端,即进位时给LOAD一个低电平,使其置数。
这样计数器从1计到15然后返回1。
这样组成一个15进制计数器。
RCO端输出为一个15分频波形。
四个
发光二极管指示计数器所记数值。
R6、R7、R8、R9为四个限流电阻。
根据经验值取300欧姆。
进位信号端RCO每15秒产生一个上升沿,该上升沿给JK触发器,JK触发
器的JK接1,则每来一个上升沿,1Q和~1Q翻转一次。
即1Q输出15s的高电平,然后输出15秒的低电平,时序如图3-7所示。
即控制计数器工作15秒,然后停15秒。
LED5为控制状态指示灯。
LED5亮表示计数器不工作。
LED5不亮则脉搏计工作。
也就是说LED5是一个报警器,我们也可以用一个蜂鸣器代替。
而LED1-4,是为了表示74LS163输出端QA、QB、QC、QD的高低电平。
图4-6
计时控制电路原理图
根据设计要求,本设计的系统硬件框图:
图4-7总原理图
电路完整工作过程描述(总体工作原理)总体框图如图4-7所示,一路由555产生电钟信号,
从3端口输出进入74LS163的CLK端,让163开始计数。
163的进位端RCO接JK触发器的CLK。
让1Q的高低电平每15秒变一次。
清零系统由电源、按键、下拉电阻和地组成。
74LS163的CLR、74LS160的CLR和74LS73的CLR端连在一起并接下拉电阻旁。
当开关闭合,CLR输入一个高电平;
当开关断开,CLR端输入一个低电平,系统清零。
另一路为信号处理电路,由波形发生器和四倍频电路组成。
这两路信号通过一个与门电路合并在一起输入计数电路的CLK端。
当1Q处于高电平时,脉搏信号通过与门直接输入计数电路的CLK端。
当1Q为低电平时,与门输出为0,相当于脉搏与计数断开。
脉搏计停止工作。
操作方法:
开机后先使开关断开再闭合,让系统清零。
此时74LS73的1Q端输出为零,计数器不工作,这样做的目的是为了解决倍频电路的丢步问题。
让系统等待15秒,计数器开始工作。
记录15秒后计数停止,数码管显示不变,此时我们就可以读出人体1分钟的脉搏数。
如需重新开始,只要将开关再打开一次然后关闭即可。
3.元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
74LS160N
2
十进制计数器
74LS163N
十六进制计数器
3
74LS73D
双JK触发器
74LS86N
异或门
5
74LS09D
与门
6
74LS04N
非门
7
LED_red
发光二极管
8
DCD_HEX
数码管
9
二极管
10
电阻
300*5230*16k*110k*16.8k*2
11
电容
100nf*20.47uf*2
12
LM555CN
555定时器
表4-1元件清单
4仿真调试与分析
电路设计好以后,用软件Multisim进行仿真。
在这软件中,由于仿真软件的记时单位是ms,若以s为单位,则要等很长时间,故我采用1KHZ代替1HZ的时钟信号,时间用1ms代替1s。
当仿真开始,右下角的数码管开始显示时间从1至15(秒)循环,用函数发生器输入一个频率为500HZ的矩形波,待一段时间后,关闭开关。
过一会,当显示时间的数码管重新从1开始时,显示脉搏数的数码管也开始从1开始计数。
最后,当显示时间的数码