数显式脉搏测试仪Word格式.docx
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二设计引言以及设计概述
（1）引言
人体脉搏计的设计是基于传感器，放大电路，显示电路等基础电路的基础上，实现对人体脉搏的精确测量。
其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷的测量脉搏次数，并用十进制数显示出来。
具体的各部分电路接下来将介绍。
随着时代的发展，人类进入了信息化电子时代，传感器技术作为现代技术的主要内容将有较大的发展。
信息技术包括技术、通信技术和传感器技术。
现代人类社会已经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起到决定性作用。
现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，他们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。
传统的脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向较坚实的面，以使脉搏的感觉传到指尖，如果将动脉压上软的组织，则脉动波会被吸收或抵消，使指尖不易触觉脉动；
指尖压在动脉上的力量要适中，用力太重将阻断血流，反而无脉搏产生。
这种手工方法虽然简单易行，但容易产生误差，特别是临床住院病人常规的监测上，这种手工测脉搏的方法不仅影响工作效率，并且不能连续监测，无法实时观察。
我们设计的数字脉搏计是一种自动测量人体脉搏的仪器，能直观地显示人体每分钟脉搏数，可连续、动态监量，价格便宜，适于普及推广。
本此课设设计了一款基于压电传感器的电子脉搏计，实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。
该传感器可与电子电路相结合，将脉搏信号转化为模拟电信号，并利用滤波技术等信号处理方法准确的测量人体微弱的脉搏信号，而且可以进一步实现显示记录功能。
（2）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，将所学的知识应用于实践。
（3）实习目的
加深对所学理论知识的理解，更熟练掌握基本理论，且将理论与实际相结合。
学会基本的设计方法，能灵活运用所学理论知识进行设计，为今后的毕业设计打下良好的基础。
对所设计的电路进行实际电路验证，学会基本的调试电路的方法和熟悉焊接技术。
熟悉脉搏计电路的组成，工作原理和设计方法。
掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等工作的原理和使用方法等的特点、用途以及主要参数的计算方法。
熟悉集成电路芯片74LS00、74LS160、晶闸管、有源滤波等电路的特点以及主要参数的选择方法。
（4）意义
培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
培养学生的创新能力。
（5）要求
最终的电路要能够实现在15s内测量人体1min的脉搏振动的次数，并且将振动的次数通过显示器显示出来。
一般来说，正常人的脉搏振动的次数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。
（6）内容
人体脉搏计的设计是基于传感器、放大电路、显示电路等基础电路的基础上实现对人体脉搏的精确测量。
（7）要解决的主要问题
主要解决传感器、放大与整形、倍频电路、定时电路、计数译码显示这五个单元模块的设计和连接，最终实现要求设计的功能。
三设计方案的论证（理论依据，多种方案的分析比较）
方案一：
（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。
（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。
（3）倍频器是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）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。
电路原理框图如图1所示：
图1方案一脉搏计原理框图
此方案采用脉搏传感器，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。
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等芯片均可以设置为10进制来满足要求，在此选择使用普遍，较熟悉的160作为计数器电路。
方案二
测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为每分钟的脉搏数。
电路原理图如图2所示。
图2方案二脉搏计原理框图
这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；
第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。
为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。
本文进行的设计就基于这一方案。
四、电路设计
数显式脉搏计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。
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。
（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。
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510Ω和10KΩ，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。
其原理电路如图3：
图3红外光电传感器
（2）放大与整形
由于传感器输出电阻比较高，本次课程设计中的放大电路采用了同相放大器，如图所示，运放采用了OP07，电源电压采用正负5V，放大电路放大倍数为20倍左右。
整形电路在这里采用了最为简单的与非门电路。
电路如图4所示。
图4放大与整形电路
NE5532AI的功能介绍：
1、等效输入噪声电压
5纳伏/Hz的典型值在1kHz
2、单位增益带宽，典型值为10MHz
3、高直流电压增益，典型值为100V/mV
4、峰峰值输出电压摆幅为32V
典型的电压CC+=+18V和RL=600Ω
5、高转换率，典型值为9V/us
6、宽电源电压范围，+3V到+20V
NE5532AI管脚接线图
（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。
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D触发器组成的4倍频电路。
电路如图5所示。
图5倍频电路
（4）定时电路
555定时器是为了试验在15s内完成任务，使单稳态的时间长度为15s。
所以定时时间为15s。
本试验采用555单稳态定时电路。
工作原理大概如下：
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，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=2.9MΩ。
图6定时电路
图7555内部原理图和逻辑图
（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74LS160。
电路如图8所示。
图8计数与显示
芯片使用说明：
74LS160逻辑功能测试
74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。
使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。
其引脚图见图9。
先对74LS160的基本功能进行测试，并将计数器的工作状态填入表9中。
?
①异步清零：
当
＝0时，Q0＝Q1＝Q2＝Q3＝0。
②同步预置：
＝0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q0＝D0，Q1＝D1，Q2＝D2，Q3＝D3。
③锁存：
当使能端
时，计数器禁止计数，为锁存状态。
?
④计数：
当使能端EP＝ET＝1时，为计数状态。
表9?
74LS160的逻辑功能表
时钟CP
异步清除
同步置数
EP?
ET
工作状态
×
×
清零?
↑
1
预置数?
0?
1
保持?
0
保持（但C=0）?
1?
送数?
五、性能的测试
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。
如图10所示。
图10函数信号发生器
1.放大电路测试
在本次课程设计中，由于传感器电阻大，所以需要放大电路，放大电路的电路图为图11所示，波形图如图12所示
图11放大电路
图12放大前与放大后的波形对比（A通道为信号源波形，B通道为放大后波形）
（2）倍频电路测试
四倍频电路：
原理图如图13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14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×
7K×
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1/2TW。
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×
1K×
0.1uF=0.07ms
。
图13倍频电路
图144倍频波形（A通道为频率放大4倍后波形，B通道为信号源波形）
（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。
电路如图15所示，波形如图16所示。
图15555定时器部分电路
图16555定时输出波形
（4）电路整体性能测试
在本次课程设计中当加入一个1Hz，10V的信号源时，在15秒时脉搏计上的示数为60，在题目要求的误差范围内
图17加入1hz信号源时15秒所测出的脉搏数
其他测量值如表一所示
表一输入频率以及脉搏计显示示数
输入频率
脉搏计显示
1Hz
60
0.5Hz
30
2Hz
120
10Hz
600
六、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。
7、性价比
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搏计。
此脉搏计，制作简单，方便，成本低廉，性价比良好。
八、实训心得体会
经过为期两周的数字电子技术综合课程设计实习，我学到了很多东西，这一课程设计使我们对课堂上所学的理论知识有了进一步的认识，并增强了我对数字电子技术这门课程的兴趣，我对实验要求有新的提高，增强我对焊接的严谨性，动手能力也有一定的提高，对电路板布线也知道了一些注意事项。
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，其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用Multisim10这个仿真软件，因此我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。
通过实训明白数字电路的安装，焊接过程是一个考验人耐心的过程，对电路的安装、焊接、分析。
调试要一步一步的来，不能急躁，在测试问题时对电路原理的理解显得尤为重要，只有明白原理才能很好的排除故障，
当然，完成此次电路制作与老师的辛勤指导也是有很大关系的，很感谢老师每天指导我们完成这次实训，总之这次的实训是一次很好的理论结合实际的锻炼，从中受益匪浅。
九、参考文献
[1]夏路易主编.数字电子技术基础.[M]北京：
科学出版社，2012年
[2]毕满清主编.电力技术实验与课程设计.[M]北京：
机械工业出版社，2005年
附录I总电路图
附录II元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
U1，U2，U5
译码器
74ls160
3
2
U3，U4，U10
8421BCD码译码器
CD4511
U6
非门
7401
4
U7
定时器
555
5
U8
放大器
OP07
6
U9（A，B）
异或门
4070BD_10V
7
U11，U12，U13
数码管
SENVEN_SEG_CON_K
8
R1
电阻
16kΩ
9
R2
6MΩ
10
R3
910kΩ
11
R4
100kΩ
12
R6
可调电阻
3.1kΩ
13
R7，R8，R9
排阻
180Ω
14
C1
电容
46nf
15
C2
100uf
16
C3
4.6uf
17
C4
10nf
18
U14
与非门
7400
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