数字脉搏测试仪毕业设计.docx
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数字脉搏测试仪毕业设计
摘要
脉搏是一项重要生理参数。
目前，测试脉搏的设备已从传统的数字电路向以微控制器为核心的方向发展。
本文的重点就在于要求实现测量的简便化和精确化。
本题目主要设计一个由传感器、计数器、译码器和时基信号发生器等部分组成的数字脉搏测试电路。
能测量人在一分钟内的脉搏数，并以数字显示，能判断心率不齐且进行告警显示。
整个系统耗电低，体积小，具有便携性与精确性。
关键词：
脉搏；计数器；译码器
Abstract
Pulseisanimportantphysiologicalparameter.Atpresent,thetestpulseequipmentfromthetraditionaldigitalcircuittothemicrocontrollerasthecoredirection.Thefocusofthispaperisthatrequiredtoachieveasimpleandaccuratemeasurement.Thistopicmainlyconsistsofsensor,counter,decoderandatimebasesignalgeneratorandothercomponentsofthedigitalpulsetestingcircuit.Canbemeasuredinoneminutewiththepulsenumber,andadigitaldisplay,canjudgetheheartrateandalarmdisplay.Thewholesystemoflowpowerconsumption,smallvolume,portableandprecise.
Keywords:
pulse;counter;decoder;
目录
摘要2
第一章引言5
第二章设计方案7
一设计要求及技术指标7
二原理方框图7
第三章单元电路的设计9
一信号检测放大与整形电路9
芯片CD40119
二计数，译码，显示电路10
CD451110
CD4553（带扫描输出的三位十进制计数器）11
三计时电路15
CD406015
第四章总原理图及原理综述17
总体调试18
设计心得与体会18
参考文献：
21
致谢22
第一章引言
在传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。
而在其中，切，也就是脉诊，占有非常重要的地位。
通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。
脉搏信号可以直接反应出患者心脏的部分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。
从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。
从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。
因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。
鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。
此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、广州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。
脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势：
（1）自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。
目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。
因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。
（2）数字化技术等先进技术的应用。
随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。
数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。
（3）多功能化越来越明显
目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。
随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。
人体脉搏测试仪是用来测量人体心脏跳动频率的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。
心脏跳动频率通常用每分钟心脏跳动的次数来表示。
采用数显式脉搏计测量心脏跳动的频率不但精确，而且使用方便，显示结果醒目。
本设计所使用的系统利用压电陶瓷片将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用AD放大器进行放大和整形，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带。
达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。
这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。
正常人的脉搏次数是每分钟60～80次（低于60次/分钟为脉动过缓，高于80次/分钟为脉动过速）,这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏计的用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求应该是:
1.要把人体的脉搏数（振动）转换成电信号,这就需要借助传感器。
2.对转换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。
3.在很短的时间（若干秒）内，测出经放大后的电信号频率值。
总之，脉搏计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。
第二章设计方案
一设计要求及技术指标
设计数字脉搏计，显示被测人体脉搏每分钟跳动次数。
测量范围为30~250次/分。
在短时间（如5~15s）内测出脉搏次每分钟数，误差限制±4次/分。
锁定显示，不闪烁。
脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：
1.把脉搏信号转换为电信号，在单位时间内进行记数，并用数字显示其记数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。
2.测量脉搏跳动固定次数所需的时间，然后换算为每分钟的脉搏数。
这两种方案比较起来，第一种比较直观，所需要的电路结构更简单些；第二种方法的测量误差比较小，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。
以下进行的设计就是基于第一方案。
把脉搏信号转换为电信号，在单位时间内进行计数，并用数字显示其计数值，而且直接得到每分钟的脉搏数。
二原理方框图
脉搏测试仪使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，信号经放大电路进行放大整形后，送到计数显示电路。
计时电路进行计时，一分钟到了，计数器停止计时，这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。
数字脉搏测试仪，其核心部分主要由三个模块组成--------检测、放大与整形，计数、译码与显示模块，计时模块。
检测电路用传感器将脉搏跳动信号转换为微弱的电信号，放大与整形主要通过CD4011组成的放大电路将信号进行放大与整形；计数译码，显示模块主要对整形好的矩形脉冲进行计数给译码器输入编码，显示主要通过译码器传和三极管控制数码管分时显示；计时模块主要通过控制一个六十秒钟的时间信息，从而控制一分钟的计时。
原理方框图如图所示
信号检测
图1
脉搏测试仪使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，信号经放大电路进行放大整形后，送到计数显示电路。
计时电路进行计时，一分钟到了，计数器停止计时，这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。
第三章单元电路的设计
一信号检测放大与整形电路
芯片CD4011
图2
图3
信号检测使用压电陶瓷片。
压电陶瓷片HTD-27属于压电传感器的一种。
传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。
目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。
将压电陶瓷片HTD-27置于脉搏测试处，传感器将脉搏跳动信号转换为微弱的电信号送给与非门组成的放大器进行放大，经过四级放大之后其波形已被整形为与脉搏相同频率夫人近似方波，送到计数器计数。
放大原理:
非门电路在高低电平转换之间,即载止与饱和之间,有一过渡区,这一段过渡区就是放大区（线性区）,利用这一区域,可将非门作放大器之用。
使用方法:
将电阻接至非门的输入与输出之间作为直流偏置电阻.这时,非门工作于放大区.就可作放大器用了。
二计数，译码，显示电路
CD4511
CD4511B是一个BCD-七段锁存译码器/驱动器。
计数结果通过译码器译码后,才能在LED数码管看到数据。
CD4511B读取计数器内的数据再通过BCD码转换,驱动LED数码管显示出来。
图4就是CD4511B的引脚分布图。
图4
CD4511B的功能表。
CD4553（带扫描输出的三位十进制计数器）
CD4553计数器只有一组三位BCD码输出，通过分时控制可形成三位十进制数字显示。
由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器、分配锁存器数据的多路转换器、输入整形电路、时序扫描电路及振荡电路等部分组成。
CD4553有两个特点：
（1）有多种功能：
锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等。
（2）是三位十进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
CD4553组成方框图CD4533管脚
图6
CD4553的组成方框图及管脚排列如图所示，功能表见表1。
（1）CL（引脚12）为计数器的脉冲输入端。
（2）INH（引脚11）为计数允许控制端，当INH为“0”时，计数脉冲由CL端进入计数器，而当INT为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止前的最后计数状态。
（3）LE（引脚10）为锁存允许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存器内信息。
（4）R（引脚13）为复位端，当R=1时，计数器输出Q0～Q3皆为0。
（5）输出哪一位的计数值由选通脉冲DS1～DS3控制（低电平有效）。
（6）溢出OF（引脚14），当CD4553每计满1000个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，而后又重新开始计数。
CD4553的功能表
输 入
输 出
R
CL
INH
LE
Q3Q2Q1Q0
0
0
0
计数
0
×
1
×
不变
0
1
0
计数
0
0
×
×
不变
0
×
×
1
锁存
1
×
×
0
从功能表可以看出，计数情况只有两种：
一种是在R、INH、LE为低电平，这时如果在CL下降沿到来时，作加法计数。
第二种情况是在R、LE为低电平，CL为高电平，这时如果电路的上升沿到来时，作加法计数。
当LE为高电平时，计数器将把数据锁存起来。
图7
从图、可以看出，当扫描振荡器的扫描频率一定时（扫描频率的改变可以通过改变外接电容值的大小实现），个位、十位、百位扫描周期分时段显示。
分时控制可形成三位十进制数字显示。
三个同步级连的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器,由1,2和15脚数据选择输出端控制。
即作为分时输出同步控制信号端，从而形成动态显示方式，低电平有效。
在任一时刻，1，2，15脚只有一个是低电平，并作周期循环，形成一个三位时序信号。
三脚分别外接BG1、BG2、BG3三个PNP三极管。
通过三极管的放大，分时控制数码管。
由于CD4553内部有整形电路。
压电陶瓷式传感器在CD4011与电阻、电容的配合下，将凌乱的信号输入CD4553整形。
13脚复位端与CD4060进行一分钟限时计数。
3、4脚外接定时电容。
作芯片内部扫描振荡器的内部时钟。
CD4553的9、7、6、5脚为BCD码输出端通过这四个管脚将数据输入CD4511。
以求达到显示的目的。
图8
在数字脉搏测试仪电路中，显示模块包括芯片CD4511、片选三极管和数码管。
CD4511中的a,b,c,d,e,f,g七个管脚分别与数码管的a,b,c,d,e,f,g七个管脚相接，将CD4553传递给CD4511的数据输送给数码管显示。
三个数码管分别与CD4553的1脚，2脚，15脚相连。
三个数码管一次只导通一个管脚已实现片选，使得其中一个数码管有显示。
高电平（即1）时，数码管无显示；低电平（即0）时，数码管显示。
也就是说，任意时刻三个数码管中只有一个低电平输入，两个高电平输入，同一时间只有一个是亮的。
前面介绍过CD4553的芯片内部有一个扫描脉冲发生器，通过这个脉冲发生器控制1、2、15管脚的电平输出，在一个脉冲周期内只有一个端口是低电平输出，然后三个周期过后就是1、2、15三个管脚的每一个低电平轮流输出，此脉冲发生器的频率较高，变换周期较短，由于它们的变化速度很快，肉眼无法识别，故看似同时显示。
三计时电路
CD4060
CD4060是14位二进制串行计数/分频和振荡器。
它由两部分构成：
一部分电路是14级分频器，其分频系数为16~16384（由Q4~Q14输出）。
另一部分电路是振荡器,可有外接电阻和电容构成RC振荡器.
图9图10
图9是CD4060的一种用法，一个RC振荡器，主要起到一个计数一分钟的作用。
当一分钟时间到时，输出高电平。
这时，使CD4553中的数据锁存起来。
12脚为高电平时。
计数清零且振荡器使用无效。
所有的计数器位均为主从触发器。
在9脚和11脚的下降沿计数器以二进制进行计数。
在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
其频率f=1/2.2RTCT。
图11
芯片CD4060，CD4060是14位二进制串行计数/分频和振荡器在本设计中，其主要功能是一分钟计时。
CD4553的3、4脚外接定时电容，起定时作用。
打开电源K1，按下复位按钮K2，CD4060的12脚由高电平到低电平，电路开始工作，CD4060开始计时，CD4553的13脚由高电平转为低电平，CD4553的11脚——时钟输入控制端，当11脚为低电平时，允许时钟脉冲输入，为高电平时，禁止时钟脉冲输入。
则CD4060将信息由2脚送入CD4553。
超过一分钟后，CD4060的12脚由低电平转变为高电平，计数清零且振荡器使用无效，CD4060停止计时。
2脚也停止对CD4553的信息输入。
同时CD4553的13脚也复位。
CD4553的11脚也变为高电平，不允许时钟脉冲输入。
测试仪停止工作。
第四章总原理图及原理综述
数字脉搏测试仪总原理图如图12所示。
压电陶瓷片HTD-27将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经CD4011B组成的四级线性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511组成的计数译码显示电路。
CD4553内部输入端设置了脉冲整形电路，所以对脉冲沿无甚特殊要求。
它只有一组BCD码输出，但通过内部分时控制可形成三位十进制数字显示。
CD4511是译码器，其输出驱动三位LED共阴数码管。
BG1、BG2、BG3分别由CD4553的15、1、2脚控制实现三位数码管的分时显示。
使用时，用手表带或松紧带将压电陶瓷片压在手腕的挠动脉处，注意一定要压紧。
在合上开关K1后即按一下复位开关K2，使CD4060和CD4553清零，这时计数闸门打开，脉搏信号由CD4553进行计数。
1分钟后，CD4060输出一高电平，使计数闸门关闭。
这时数码管显示的数字即为每分钟的脉搏数。
图12
总体调试
将压电陶瓷片紧压在手腕的脉搏处，而后接通电源开关S，数码显示管将显示数字，表明电路工作正常，紧接着按下清零按钮S1，则数码管计数值将随着脉搏的跳而持续增加，当1分钟后，由于定时器的原因，数值被锁存，数码管显示当时的数值，此计数值，即为每分钟的脉搏次数。
调试放大整形电路
用脉冲信号发生器做输入信号源，用脉冲示波器观测放大电路和整形电路输出端电压波形，正常情况下应有100倍以上的放大，整形电路应输出理想的电压波形。
调试计数显示电路
用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入，从LED数码管上去读数字，观察个，十位计数器是否都能完成逢十进一的功能，然后按下清零按钮，使两个计数器均清零，重新开始计数，数码管应能反映这个状态。
如果读取出错，要检查2个数码管的连线是否正确，所以必须检查译码器各输出端与数码管相应引脚的连接是否正确。
设计心得与体会
心得：
本次设计模块设计中要通过关联译码器CD4511、由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器、分配锁存器数据的多路转换器、输入整形电路、时序扫描电路及振荡电路等部分组成的多功能CD4553和PNP三极管的分时控制部分组成，在此设计中的难点主要有：
1、根据CD4533的1、2、15管脚的输出电平关系选择一个能在低电平输入的情况下，通过控制数码管的共阴极部分，从而实现片选、分时控制的功能。
2、CD4553通过输入的脉冲信号经过整形后进行计数再通过编码输出到一个译码器芯片CD4511，此译码器通过与CD4553的结合控制快速显示。
体会：
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。
我觉得以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力.我觉得自己的动手能力有了很大的提高;自信心也增强了.在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的知识结构。
这次课设恰恰给我提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆、网上查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。
可以说，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。
我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。
参考文献：
《数字电子技术基础》，阎石编，高教出版社。
《模拟电子技术》，江晓安编，西电出版社。
《数字电子技术》，江晓安编，西电出版社。
《无线电》杂志，《电子制作》杂志。
《电子技术工艺基础》王天曦、李鸿儒编，北京清华大学出版社2004年
《模拟电子技术》胡宴如，北京高等教育出版社2002年
标准数字电路4000CMOS全系列数据手册
《传感器与检测技术》谢志萍，北京电子工业出版社2005年
致谢
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