数电课设——人体脉搏计数器.doc

一、 概述随着时代的发展，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。二、 方案论证设计一个人体脉搏计，要求能够实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。正常人的脉搏数为6080次/min，婴儿为90100次/min，老人为100150次/min。方案一1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 放大整形电路 把传感器的微弱电流，微弱电压放大。3倍频器 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将30s内传感器所获得的信号频率2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定时器以保证在基准时间控制下，使2倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。5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。上述测量过程中，由于对脉冲进行了2倍频，计数时间也相应地缩短了2倍(30s)，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2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。倍频器基准时间产生电路放大与整形计数译码显示器控制电路传感器图1 方案一脉搏计原理框图方案二测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为没分钟的脉搏数。电路原理图如图2所示。基准时间发生器传感器放大与整形六进制计数器门控电路定脉冲数产生电路8位二进制计数器可预置8位计数器译码、显示电路图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。三、 电路设计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，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2倍频，以便在30s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异或门组成的2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30s内完成任务，使单稳态的时间长度为30s。所以定时时间为30s。本试验采用555单稳态定时电路。工作原理大概如下：开关打上，RST、VCC都为高电平，由于有电容C3的存在、THR和THI为低电平。此时输出为低电平，随着电容的充电，当时间达到30s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C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M欧。手动清零，只需将将开关断开就可以，电路如图6所示。图6 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，故不一一列举，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，对这个芯片比较熟悉；对于译码器，由于74LS160输出的是8421BCD码，故应选择一个可以将8421BCD码译成7段输出信号以驱动数码管的芯片，CD4511可以满足这一要求。电路如图7所示。图7 计数与显示四、 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8所示。 图8 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9所示，波形图如图10所示图9 放大电路图 10 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.倍频电路测试用2个异或门把频率放大2倍，电路如图10所示，波形如图11所示。图11 倍频电路图12 2倍频波形（A通道为频率放大2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30秒测出1min的人体脉搏，所以用555定时器使输出端在30秒以内为低电平，30秒之后为高电平，用开关清零。电路如图13所示，波形如图14所示。图13 555定时器部分电路图14 555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30秒时脉搏计上的示数为61，在题目要求的误差范围内图15 加入1hz信号源时30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1hz610.5hz352hz130五、 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，放大整形后进行二倍频，并在30s（基准时间） 内对此信号计数，便得到了1min脉搏数。六、 性价比555集成芯片，74LS160，OP07，7400,4511，4070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。七、 课设体会及合理化建议通过这次实践，使我对抽象的理论有了具体的认识。我了解了数字频率计的用途及工作原理，熟悉了熟悉频率计的设计步骤，锻炼了电子设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，我更加了解了本专业在实际生活中的应用，通过查阅各种资料，增加了我对本专业的了解，看着我们用专业知识可以解决多种实际问题，我更加热爱我的专业。通过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。参考文献1 阎石主编. 数字电子技术. M北京：高等教育出版社，2006年2 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. M北京：国防工业出版社，2005年3 康华光.电子技术基础（数字部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-4244 稻叶保.振荡电路的设计与应用M.北京：科学出版社，2004.29-995 王立欣，杨春玲.电子技术实验与课程设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.98-996 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001.7刘灿军.实用传感器M.北京：国防工业出版社，2004. 8 何希才，薛永毅.传感器及其应用实例M.北京：机械工业出版社，2004.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1U1，U2，U5译码器74ls16032U3，U4，U108421BCD码译码器CD451133U6非门740114U7定时器55515U8放大器OP