电子脉搏.docx
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电子脉搏
摘要3
第一章电子脉搏计时器的应用现状及实验意义4
1.1电子脉搏计时器在医学上使用意义4
1.2电子脉搏计时器的实验意义7
第二章电子脉搏计时器的电路原理、设计过程及Mulitisim仿真分析结果
9
2.1传感器的选择及应用10
2.2放大电路的原理、设计过程和仿真分析结果...............
2.2滤波及整形电路的原理、设计过程和仿真分析结果16
2.3倍频电路的原理设计过程和仿真分析结果..................
2.4计数电路的原理、设计过程和仿真分析结果21
2.5定时控制电路的原理、设计过程和仿真分析结果26
2.6整体电子脉搏计时器的电路原理和仿真分析结果30
第三章电子脉搏计时器的实验分析改进32
3.1方波产生和反相电路实验分析改进32
3.2多路负反馈有源二阶带通滤波器电路实验分析改进33
第四章运用焊接技术焊制电路板35
第五章实验总结及心得体会37
附录39
摘要
在学校的大力提倡与鼓励之下，我们小组通过申请获得参加此次科技创新活动的机会。
该创新课题由徐彦凯老师提出整个实验的基本框架构想，并提供实验场所和器材，同时细致悉心地进行全程实验指导，提供帮助。
人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。
而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。
同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。
本文主要介绍了数字式脉搏计的电路设计方法，利用压电传感器产生脉冲信号，经过放大、滤波、整形、倍频后，将信号输入给计数电路，再通过555电路的定时控制从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。
关键字脉搏计计时器倍频电路555
第一章电子脉搏计时器的应用现状及实验意义
脉搏计数器是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分,因此，在现代医学发展史上具有重要的作用。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。
一般会作1分钟的测量，这样传统的手工脉搏测量误差较大，无法实时观察，并且比较耗费时间。
如果采用电子测量计，有利于精确测量，并在超出或低于正常范围时显示报警，还可以借助现代化的工具进行更高效、合理的判断和分析。
随着集成电路技术的发展，电子脉搏计必然向微型化、大众化、智能化发展。
本文设计了一款基于压电传感器的电子脉搏计，实现至少1min的脉搏测量，并将测量结果用数字显示。
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办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。
该电子脉搏计具有误差小，体积简小易于携带的特点。
家中备有这样的一款脉搏计，就可以日常监测自己和家人的心率变化，可以有效防止和控制多种疾病的发生和变化，达到日常保健的目的。
1.1电子脉搏计时器在医学上使用意义
脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。
人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。
人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:
血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。
同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。
在医院临床监护和日常中老年保健中，脉搏是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取。
近年来出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量。
但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。
1.2电子脉搏计时器的实验意义
脉搏是由动脉管壁周期心收缩和舒张引起，与心率同步。
心脏收缩时，左心室射血入主动脉，动脉管壁随管内血容量增大而膨胀。
心脏树长势，左心室中血压下降，迫使主动脉瓣关闭，心脏不向外射出血液，动脉管中血压容量下降，管壁收缩。
这种动脉管壁随心率产生同步胀缩运动，叫做脉搏。
脉搏每分钟跳动的次数是人体的一个重要的生理指标。
传统的脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向坚实的面，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。
这种手工犯法虽然简单易行，但容易产生误差，特别是临床住院病人。
为了适应人们生活中的需要，本文设计了一款基于压电传感器的电子脉搏计，实现至少1min的脉搏测量，并将测量结果用数字显示。
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办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。
该电子脉搏计具有误差小，体积简小易于携带的特点。
家中备有这样的一款脉搏计，就可以日常监测自己和家人的心率变化，可以有效防止和控制多种疾病的发生和变化，达到日常保健的目的。
正常人的脉搏次数是每分钟60～100次，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，以保证其他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，最后以数字的形式显示出来。
可见，脉搏计的主要组成部分是计数器和数字显示器。
脉搏计是最常用的医疗检查设备之一，实时准确的脉搏测量在患者监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。
脉搏测量包括瞬时脉搏测量和平均脉搏测量。
瞬时脉搏不仅能反映心率的快慢，同时能反映心率是否匀齐；平均心率虽然只能反映心率的快慢，但记录方便，因此这两个参数在测量时都会被记录。
第二章电子脉搏计时器的电路原理、设计过程及Mulitisim仿真分析结果
电子脉搏计设计方案
2.1传感器的选择及应用
为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。
它有两种基本类型：
石英晶体和压电陶瓷。
前者温度稳定性和机械强度都很高，工作温度范围宽，转换精度也高。
而压电陶瓷是人工制造的压电材料。
优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜，只是温度稳定性和强度不如石英晶体。
目前应用更多的是压电陶瓷。
它在性能上能满足脉搏计的要求，而且成本低是一个重要因素。
本实验采用的是压电式陶瓷医用传感器HTD-27。
其工作原理电路图为：
原理图
图中的压电陶瓷片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。
也广泛应用在生物医学测量中
2.2放大电路的原理、设计过程和仿真分析结果
“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：
用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。
放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。
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。
如图所示，运放采用了LM324，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：
R6=100KΩ，R1=910KΩ，R2=100kΩ,R3=10KΩ，C1=100μF，R7=1.6KΩ。
同相放大电路
放大电路输入输出波形
LM324芯片管脚图
2.2滤波及整形电路的原理、设计过程和仿真分析结果
经过放大后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有其他信号干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里采用滤波电路进行整形。
因为脉搏信号频率很低，1.33Hz左右，因此采用低通滤波电路。
采用一阶低通滤波器，
本方案特点是电路简单，阻带衰减慢。
这个电路允许通过的频率低于2Hz，符合要求，而且电路简单。
整形电路由两个与非门构成，进行简单的整形。
经过实验，可以放大，整形正弦电路。
滤波与整形电路
滤波整形电路输入输出波形
7400集成块的连接图与功能表
2.3倍频电路的原理设计过程和仿真分析结果
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lmin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4倍频电路，如图所示
四倍频电路
倍频电路输出波形（红色为输入信号绿色为二倍频信号蓝色为四倍频信号）
关于芯片4011
CD4011也称为MC14011B，是2输入正向逻辑与非门。
它是一个四与非门集成电路，内部含4个独立的与非门,如下图3所示：
图3CD4011结构图
有图知：
1与2脚“与”后从3脚输出“非”；
5与6脚“与”后从4脚输出“非”；
8与9脚“与”后从10脚输出“非”；
12与13脚“与”后从11脚输出“非”；
芯片CD4011引脚功能图如图4：
图4CD4011引脚图
1脚：
第一组数据输入端；2脚：
第一组数据输入端；
3脚：
第一组数据输出端；4脚:
第二组数据输出端;
5脚：
第二组数据输入端；6脚：
第二组数据输入端;
7脚：
接地；8脚:
第三组数据输入端；
9脚：
第三组数据输入端；10脚：
第三组数据输出端；
11脚：
第四组数据输出端；12脚：
第四组数据输入端；
13脚：
第四组数据输入端；14脚：
正电源。
CD4011实现功能的真值表1.如下表所示：
表1CD4011真值表
A
B
J=
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
同理，对于C、D和E、F以及G、H也同上工作原理。
2.4计数电路的原理、设计过程和仿真分析结果
本设计中采用简单的74LS160作为计数器，因为它是十进制计数器无需改装，直接使用。
因为脉搏测试器中需要上百位的数字。
因此，将三片74LS160直接按并行进位方式连接即的千进制计数器。
三块芯片的ENPLOADCLR都为高电平以保证电路的工作。
其中第二第三块芯片ENT为高电平，第一块芯片ENT受555定时器的控制。
当555定时器输出为低电平时，74LS160输入端接收到的是高电平，开始计数；输出为高电平时，74LS160接收到的是低电平，停止计数（计数结束）。
此时显示的就是15s内的脉冲数了。
七段数码管与74LS160的连接方式如下：
74LS160计数电路
54160/74160
十进制同步计数器（异步清除）简要说明：
160为可预置的十进制同步计数器，共有54/74160和54/74LS160两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：
型号
FMAX
PD
CT54160/CT74160
32MHz
305mW
CT54LS160/CT74LS160
32MHz
93mW
160的清除端是异步的。
当清除端/MR为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能。
160的预置是同步的。
当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0－Q3与数据输入端P0－P3一致。
对于54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。
160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于54/74160，只有当CP为高电平时，CEP、CET才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。
160有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
对于54/74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。
管脚图
引出端符号：
TC进位输出端CEP计数控制端Q0－Q3输出端CET计数控制端
CP时钟输入端（上升沿有效）
MR异步清除输入端（低电平有效）
PE同步并行置入控制端（低电平有效）
74LS160的功能表
CLK
Rd’
LD’
EPET
工作状态
X
0
X
XX
置零
向上
1
0
XX
预置数
X
1
1
01
保持
X
1
1
X0
保持（但C=0）
向上
1
1
11
计数
2.5定时控制电路的原理、设计过程和仿真分析结果
定时控制有两种方法：
一、通过74121芯片。
二、利用555定时器。
TTL集成器件74121是一种不可重复出发的集成单稳态触发，其内部结构图和逻辑图功能如下：
内部电路由触发信号控制电路、微分型单稳触发器和输出缓冲电路组成。
管脚图：
使用时，要在芯片的10、11引脚之间接定时电容，根据输出脉宽的要求，定时电阻可采用外接电阻或芯片内部电阻。
电路的输出脉冲宽度为
Tw=0.7RC
在仿真软件multism里没有74121芯片，因此只能以555定时器来代替。
．555定时器原理
555电路的内部原理图如图2-2。
图2-2555定时器的电路结构
它含有两个比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T比较器的参考电压由三只5kΩ的电阻构成分压器提供。
他们分别使高电平比较器A1的同向输入端和低电平比较器的A2的反向输入端参考电平为
Vcc和
Vcc，A1和A2的输出端控制RS触发状态和放电管开关状态当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过高电平参考电压时触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通，当输入信号自2管脚输入并低于低参考电平时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止
是复位端（4管脚）当
=0，555输出低电平。
是复位端（4脚），当
＝0，555输出低电平。
平时
端开路或接VCC。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出
作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。
输入
输出
阈值端6
触发端2
复位端4
输出端3
放电端7
×
×
0
0
导通
＜
＜
1
1
截止
＞
＞
1
0
导通
＜
＞
1
不变
不变
表2-1555定时器功能表
555定时电路电路
定时电路输出波形
由于单稳态的时间长度过长，单纯用555定时器构成的单稳态定时电路无法实现，只好采取555定时器构成多谐振荡电路，然后采取分频的方式延长周期，达到15秒的长度，实际焊接电路时则采取74121构成单稳态触发器实现定时功能。
2.6整体电子脉搏计时器的电路原理和仿真分析结果
将以上所设计的各部分电路按照原理框图连接起来，就组成了电子脉搏计时器电路。
整体电路图见图所示。
电子脉搏计时器总体电路
第三章电子脉搏计时器的实验分析改进
3.1方波产生和反相电路实验分析改进
3.2多路负反馈有源二阶带通滤波器电路实验分析改进
第四章运用焊接技术焊制电路板
焊接必备品注释：
助焊剂：
一般有两种，液态和固态。
液态为松香加了酒精及其他东西的混合物，固态成分只有松香。
如果是液态助焊剂需要买个装助焊剂的瓶子，瓶子得专门买，因为一般的瓶子会被蚀掉，也就是分解（一般需要15-20元）。
最好还是两个都要吧。
因为松香可以防锈（对焊枪头来说），助焊剂的话肯定要的，因为焊接小器件肯定需要那个装承永瓶的。
助焊剂作用：
在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程，同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。
助焊剂可分为固体、液体和气体。
主要有“辅助热传导”、“去除氧化物”、“降低被焊接材质表面张力”、“去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积”、“防止再氧化”等几个方面，在这几个方面中比较关键的作用有两个就是：
“去除氧化物”与“降低被焊接材质表面张力”。
焊枪：
焊接的主要工具。
焊台：
也就是放焊枪用的一个金属底座的架子，底座可以放松香。
热风枪：
热风枪主要是利用发热电阻丝的枪芯吹出的热风来对元件进行焊接与摘取元件的工具。
根据热风枪的工作原理，热风枪控制电路的主体部分应包括温度信号放大电路、比较电路、可控硅控制电路、传感器、风控电路等。
另外，为了提高电路的整体性能，还应设置一些辅助电路，如温度显示电路、关机延时电路和过零检测电路。
设置温度显示电路是为了便于调温。
温度显示电路显示的温度为电路的实际温度，工人在操作过程中可以依照显示屏上显示的温度来手动调节。
小镊子：
帮助调整和固定器件及芯片位置。
剪刀：
类似于钳子、头部较小的剪刀，以用于剪掉过长的引脚，以保持电路板整洁及平衡。
刀片或针。
焊锡：
焊锡是在焊接线路中连接电子元器件的重要工业原材料，广泛应用于电子工业、家电制造业、汽车制造业、维修业和日常生活中。
熔点较低的焊料。
主要指用锡基合金做的焊料。
熔融法制锭，压力加工成材。
焊制方法：
1：
焊制引脚较多的芯片的方法
助焊剂的用法是：
在你焊之前先把助焊剂涂到你的元件引脚上，然后用焊枪把锡弄上去。
焊接芯片首先做的第一步是：
正确辨清芯片的方向，并正确的放置在板子上芯片所在位置。
解释下：
仔细观察芯片就会发现在它们的一面会有个小的缺口，或者是在其中的一个角上有个凹下去的小点，将缺口或小点的一边朝左摆放，逆时针方向就是引脚的顺序方向。
接下来就是辨认板子上的正确方向了：
跟芯片一样，在要焊接的器件位置也会有一个缺口或者圆点，把这个缺口或圆点跟芯片的对齐就可以。
如图所示：
一定要辨清楚正确方向，否则就得用热风枪吹。
第二步：
固定芯片（需使用小镊子进行辅助操作）
在将芯片的放置在正确的位置后，然后将芯片固定在板子上。
所谓固定也就是把它的几个脚先固定住，这样有助于我们焊剩下的脚时提高效率。
固定方法：
先将芯片引脚跟板子对齐。
这一步比较麻烦而且也是最耗时间的，特别是在芯片较小而引脚很多的情况下，可以用镊子辅助，对齐之后用镊子压住芯片，然后在引脚的一面滴上助焊剂（除了助焊，多少可以帮助操作人员固定芯片），接下来就是用焊枪熔锡把滴上助焊剂的引脚焊上那么一两个。
只焊一两个的原因是为了防止操作人员轻微移动后导致的引脚错位，如果不检查就全焊上，处理起来比较麻烦。
检查，如果有没对齐的现象，用镊子小角度调整。
如法炮制，再固定芯片的一头，这样就相当于把芯片暂时完全固定在了板子上（注意不要让引脚镂空，也就是跟板子之间有空隙，因为之后如果也没处理好的话会引起虚焊现象）。
注意：
在焊接引脚的时候不要用焊枪横着刷，因为这样会引起引脚的扭曲变形，发生跟其他引脚连在一起，或者是跟板子不连接的问题。
具体方法如下：
先用助焊剂，然后一手持锡条，一手焊枪，顺着引脚由上向下固定好。
强调一点：
每刮完一下或者两下都要用助焊剂或松香。
但也有焊接引脚时发生一颗大大的焊锡黏住了多个引脚的情况发生，这个时候就要抢锡了，也就是下面要谈的问题。
2：
芯片抢锡的方法
有时候操作人员会不小心把锡弄多了，3个5个甚至更多的引脚粘到一起，此时需要进行抢锡。
一定要注意抢锡之前把助焊剂涂上，否则抢不下来。
先涂助焊剂，或者先用松香把焊枪头洗下（洗的意思就是在松香上噌噌，会冒烟），然后顺着引脚的方向往操作者的方向刮（这句话得解释下：
比如说元件4面引脚，当操作者在弄正对他的一面时，引脚的方向肯定是向下，焊枪刮的顺序就是从梳子的根部顺着齿的方向刮到尖尖上去）如此反复，直到刮下来。
如图所示：
此处需强调一点：
每刮完一下或者两下都要用助焊剂或松香。
还有，不要让焊枪长时间的在器件上蹭，这样对器件和板子都不好。
刚开始可能会发现怎么都刮不下来，这是不熟悉操作的原因，熟悉了之后就会好多。
3、引脚过孔的焊接方法
这个相对于贴片式的的芯片就相对简单的多，不过也要注意引脚跟板子正确的插入，比如：
10PF的电容就要采用长进短出的方法；有种一端红色一端黑色的二极管，则是黑色阴极红色阳极等等。
具体遇到了要多查资料，搞清楚器件特性。
4、电阻电容的焊接方法
电阻电容一般都比较小，要用到镊子辅助焊接。
方法同上。
5、排插的焊接
所谓的排插，或者叫插排，是用在大板上要套接小板用的，也就是两块板子协作合成一块功能全面的板子，有时候系统较复杂时需要这样合成的板子就不止一块了。
一般是，大板是插孔，小板是插针，这样就可以实现套接。
在这里只强调一点：
在具体焊接时要注意焊接各部分的顺序，以免给接下来的器件焊接带来一定的难度。
最后，用完焊枪后要用松香洗，防止氧化！
把东西收拾干净，摆放整齐，电源关掉。
熟悉了上边的操作，焊接问题便可迎刃而解。
第五章实验总结及心得体会
这次科创活动，我们做出了预期的结果，做出了电子脉搏计时器。
可以说在实践方面取得了一定的成功，另外在实践之外，我们也得到了其他方面比此次活动更具有价值的更多的经验。
在科学实践活动中，我们觉得最大的收获就是交流能力、创新能力得到的提升。
交流能力，不仅仅是同学之间的交流，还有与老师、教授之间的交流。
而创新能力，不仅仅是自己闷头的“创造发明”闭门造车，而更是查阅借鉴相关学术资料然后改进成更适合自己的知识。
实践能力，带给我们更强的动手能力，在竞争日益激烈的今天，动手能力显得越来越重要，而此次活动，我们亲力亲为，共同合作，动手实践能力得到
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