脉搏计数器课题设计报告.docx
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脉搏计数器课题设计报告
荆楚理工学院
电子课程设计报告
课题：
脉搏计数电路设计
班级09电气工程2班
学号2009401020229
学生姓名刘欢
专业电气工程及其自动化
学院 电子信息工程学院
指导教师 何习佳马雪芬
2011年6月
目录
一、设计目的3
二、设计要求3
三、总体设计3
3.1采样输入电路3
3.2计数器电路4
3.3基准时间产生电路4
3.4译码显示电路4
3.5电路原理图5
3.6元器件清单6
四、单元电路设计6
4.1采样输入单元电路设计6
4.1.1LM324集成运算放大器特性7
4.1.2LM324集成运算放大器引脚说明8
4.2计数器单元电路设计8
4.2.1三位BCD计数器CD4553特性9
4.2.2三位BCD计数器CD4553真值表9
4.2.3三位BCD计数器CD4553引脚说明10
4.3基准时间产生单元电路设计10
4.3.114级二进制串行计数/分频器CD4060特性11
4.3.214级二进制串行计数/分频器CD4060引脚说明11
4.4译码显示单元电路设计12
4.4.1BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511特性12
4.4.2BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511引脚说明12
4.4.3BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511真值表13
五、调试：
13
5.1采样输入单元电路调试13
5.2计数器单元电路调试14
5.3基准时间产生单元电路调试14
5.4译码显示单元电路调试14
六、电路测试及测试结果14
七、设计总结15
课题：
脉搏计数电路设计
一、设计目的：
a）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。
b）培养学生的创新能力。
二、设计要求：
设计一个脉搏计，要求:
（1）实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。
（2）正常人们脉搏数一般为60~150次。
三、总体设计：
数字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1分钟后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。
下次工作时通过复位按钮来清零，重新显示脉搏数。
3.1采样输入电路
传感器采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动采集信号。
当脉搏跳动时，压电陶瓷片便会产生相应的信号，虽然这是一种很陈旧的方法，但是却很实用，测试的时候能够明显的观测到信号的变化。
选用压电陶瓷片作为传感器，把人体的脉搏震动转换成为电信号输入到放大整形电路的输入端口。
采样输入电路的主要作用是对信号进行放大。
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，必须采用整形电路对放大后的信号整形，使其成为能够触发计数器的方波信号。
要求输出的方波信号大于+5V以确保成功触发计数器。
其流程图如下：
3.2计数器电路
计数器是脉搏测试系统的重要组成部分，作用是记录脉搏的次数，并将其转化为三位BCD码输入到译码显示电路。
这里的计数器要能够锁存，使计数到达一定时间后自动停止计数，并且保持计数值一段时间便于记录脉搏数。
若选用有选通脉冲输出控制的计数器，可使得电路设计中采取动态扫描显示方式，将大大简化电路节省器件。
本设计采用CD4553作为计数器。
CD4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
3.3基准时间产生电路
时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许端INH，以便使计数器在定时脉冲宽度固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为1min或30s。
为得到精确的定时信号，采用振荡、分频的方法，本设计中选用CD4060来完成这种功能。
为得到60s脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到。
当CD4060接成RC振荡器时，振荡频率f与RC之间有近似关系：
电阻的值应大于1kΩ,电容应大于或等于100pF。
可先选定电容的容量,再根据估算出电阻的值。
为了改善振荡器的稳定性,减少由于器件参数差异而引起的振荡周期的变化接入一旁路电阻。
为了得到准确的振荡频率值，两电阻均采用电位器，以便调整。
3.4译码显示电路
译码器的功能使把计数器CD4553输出的计数结果（BCD码）转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。
CD4511是常见的BCD码七段显示译码器，译码显示采用扫描方式，输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。
电路显示采用扫描方式，各位数码管的共阴极分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲控制，从而实现各位的分时选通显示。
但为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适。
扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率越高，通常扫描频率取几百赫兹，可通过调整CD4553的电容C的容量来决定。
3.5电路原理图
3.6元器件清单
元器件名称
元器件型号
数量
集成块
LM324
1
CD4553
1
CD4060
1
CD4511
1
电阻
1M
1
100K
2
1K
2
9.1K
1
510K
1
10K
3
470
7
电容
100μF电解电容
1
0.1μF瓷片电容
2
10pF瓷片电容
1
4700pF瓷片电容
1
电位器
10K
1
15K
1
1M
2
三极管
9012
3
压电陶瓷片
1
开关
自锁开关\按钮
2\1
双刀开关
1
导线
若干
四、单元电路设计：
4.1采样输入单元电路设计
输入单元借助压电陶瓷将脉搏信号转换为电信号，通过电容C1耦合输入到集成运放LM324组成的同相放大器进行放大，，放大倍数约为10倍。
放大后的信号输入到后面的积分电路进行整形。
当有信号输入时，电容器以近似恒流方式进行充电，输出电压与时间t成近似线性关系，。
当t＞RC时，增大，直到，即运放进入饱和状态，保持不变，而停止积分。
此时的可以近似看成是一个方波，能够符合计数器的触发要求。
单元电路如下图所示。
4.1.1LM324集成运算放大器特性
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
其特点如下：
具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V~30V，双电源±1.5V~±15V；
内含相位校正回路,外围元件少；
消耗电流小:
Icc=0.6mA（典型值,RL=∞）；
输入失调电压低:
±2mV（典型值）；
电压输出范围宽：
0V~Vcc—1.5V
4.1.2LM324集成运算放大器引脚说明
1脚OUTPUT16脚INPUT2-11脚GND
2脚INPUT1-7脚OUTPUT212脚INPUT4+
3脚INPUT1+8脚OUTPUT313脚INPUT4-
4脚V+9脚INPUT3-14脚OUTPUT4OUTPUT
5脚INPUT2+10脚INPUT3+
14脚是运算放大器的输出端，也是这个芯片的输出；INPUT-是运算放大器的反向输入端，输出端输出的信号总与这个引脚的输入信号极性相反。
INPUT+是运算放大器的正向输入端，信号的输入与输出同向。
LM324的引脚排列见下图：
4.2计数器单元电路设计
本电路计数器部分采用一片CD4553作为计数核心。
CD4553是具有选通脉冲输出控制的3位十进制计数器。
脉冲信号由CK端输入，当计数锁定端LE和显示允许段DIS为低电平时，对脉冲信号进行计数。
计数结果为三位BCD码，由Q0--Q3输出。
而三个输出选择端、、为低电平有效，通过3扫描输出的方法分别控制三个数码管。
当时基控制电路到达计时时间后，向DIS端输出高电平，使计数器停止计数，并锁存，显示当前计数值。
MR端用于清零，按下复位按钮后计数器清零，准备工作。
单元电路如下所示。
计数器单元电路
4.2.1三位BCD计数器CD4553特性
CD4553由三个BCD计数器级联而成，因而可以用个位、十位、百位进行计数，计数值从0—999。
由于它的计数输出端只有一个，而要完成三个计数器的输出，故采用3扫描输出的方法，逐个输出3个计数器的计数值，扫描频率由3、4脚的分时扫描振荡器外接电容的容量确定。
由于扫描频率较高故不影响计数输出的准确性。
与3个计数器输出相对应，还有3个相应的计数器输出选择端、、，低电平有效。
如当第一个计数器输出时，为低电平，、均为高电平；当第二个计数器输出时，为低电平，其余为高电平；第三个计数器输出时，为低电平。
这样可以通过、、与数码管配合，实现分时显示。
4.2.2三位BCD计数器CD4553真值表
输入
输出
MR
CLK
DIS
LE
0
0
0
不变
0
0
0
计数
0
1
不变
0
1
0
计数
0
1
0
不变
0
0
不变
0
锁定
0
1
锁定
1
0
清零
由真值表可以看出，当复位端MR为高电平时，计数器清零。
当LE为高电平时，计数值被锁定，无法继续计数。
当显示允许端DIS为低电平时，时钟脉冲CLK下降沿计数；当时钟端CLK为高电平时，显示允许端输入上升沿脉冲计数；其余情况计数值不变。
当3个BCD计数器计数值均为9时，进位端OVF送出高电平脉冲。
4.2.3三位BCD计数器CD4553引脚说明
如右图所示，芯片CD4553的功能：
1脚：
数据选择输出端；9脚：
BCD码输出端；
2脚：
数据选择输出端；10脚：
锁存控制器；
3脚：
外接电容管脚1；11脚：
时钟输入控制端；
4脚：
外接电容管脚2；12脚：
时钟输入端；
5脚：
BCD码输出端；13脚：
复位端；
6脚：
BCD码输出端；14脚：
数据溢出端；
7脚：
BCD码输出端；15脚：
数据选择输出端；
8脚：
接地；16脚：
电源。
4.3基准时间产生单元电路设计
时基电路用来产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许端INH,以便使计数器在定时脉冲宽度固定的时间内对脉搏电脉冲计数，固定时间为1min或30s。
为得到精确的定时信号，采用振荡，分频的方法，在设计中选用CD406014级二进制串行计数/分频器来完成这种功能。
和端外接定时R、C元件构成振荡器。
调节RV1、RV2能使其震荡频率为273，那么其周期为。
如果从Q14输出，那么从定时开始到Q14输出高电平所需时间为。
如果从Q13输出，那么从定时开始到Q13输出高电平所需时间为。
一旦Q14或Q13为高电平，那么CD4553的INH也为高电平，计数器停止计数。
计数值不变送译码器后由数码管显示出这个稳定的计数值，即为1分钟的脉搏次数。
这个值能稳定一段时间后继续计数，但这段时间足够记录数值了。
若要重新计数，则按下复位按钮，CD4060和CD4553同时清零。
单元电路如下图所示。
4.3.114级二进制串行计数/分频器CD4060特性
CD4060由一个振荡器和14个T触发器组成。
在时钟输入端设有施密特触发器，能自动对输入信号进行整形，允许对上升或下降缓慢的信号计数或分频，计数输出端仅有Q4—Q10、Q12—Q14等10个引出端。
当复位端R为高电平时，计数器复位，Q4—Q10、Q12—Q14输出低电平。
计数脉冲由和CIN输入，当和CIN为脉冲下降沿时，计数器进1。
CIN、和外接定时R、C元件或石英晶体构成振荡器。
当V为10V时，震荡频率允许为12，可由Q4—Q10、Q12—Q14得到所需的分频输出，常用于分频定时器和时间延迟电路。
4.3.214级二进制串行计数/分频器CD4060引脚说明
Qn：
二进制计数输出端
R：
计数器复位端
、
、：
外接R、C元件或晶体构成振荡器作为时钟信号输入
引脚排列如下图。
4.4译码显示单元电路设计
CD4511BCD锁存,7段译码、驱动器作为译码显示电路的核心部分，与三位一体共阴极数码管配合，作为显示输出。
CD4553输出的BCD码由Q0—Q3端输出到七段译码驱动器CD4511的A、B、C、D端，由它译码后经限流电阻R9—R15驱动共阴极数码管显示计数值。
本电路中不需要CD4511的灯测试及消隐功能，也不用其锁定功能，故将和端接Vdd，端接地。
单元电路图如下所示。
4.4.1BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511特性
CD4511是BCD七段锁存器式译码器，译码、驱动器由译码器和输出缓冲器构成，输出电流最大值可达25mA。
为灯测试端，用来检查输出端数码管的好坏。
当为高电平时，不起作用；当它为低电平时，译码输出端a—g均为高电平，如果此时有接数码管，则数码管显示“8”。
为消隐端，当它为低电平时，a—g均为低电平，如有接数码管则表现为数码管熄灭。
为锁定允许端，当LE为低电平时，译码功能正常；当LE为高电平时，译码器进入锁定状态，不论A—D为何值，输出端a—g状态保持不变，为LE为高电平之前那一刻的译码状态。
4.4.2BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511引脚说明
A—D：
BCD码输入端
a—g：
七段译码输出
：
灯测试端
：
消隐端
：
锁定允许端
4.4.3BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511真值表
CD4511真值表如下所示。
五、调试：
5.1采样输入单元电路调试
采样输入单元安装好后，将集成块接上电源，万用表调到直流电压档，黑表笔接电源负极。
用手按动压电陶瓷片，用万用表测量压电片电压，电压有变化，说明压电片工作正常。
将该单元电路的输出端接示波器，用手按动压电片，观察示波器显示的波形，调节电位器，使输出波形为一方波，且按动一次，输出一方波，方波幅值大于5V。
至此，该单元电路调试完成。
5.2计数器单元电路调试
将计数器CD4553的输出端Q0—Q3接逻辑电平显示器，在其脉冲输入端接信号发生器发出的幅值5V，频率1的方波信号。
观察逻辑电平显示器显示情况，发现无显示。
经检查发现CD4553的LE端接到了电源正极，导致输入为高电平，计数器计数锁定，不能计数。
后将LE端改接到电源负极后，每输入一方波信号，计数器输出端的逻辑电平显示器就改变一次。
当DIS端接高电平后，计数器停止计数。
该单元电路工作正常，调试结束。
5.3基准时间产生单元电路调试
CD4060接好电源后，用万用表的直流电压档测量其Q14端的电压。
当按下复位按钮后，Q14端电压基本为0V，一段时间后Q14端电压跳变到7.8V左右。
再次按下复位按钮，Q14电压重新变为0，说明CD4060工作正常。
然后调节电位器Rv1，用电子表计时，使得每次复位后Q14端的0V电压保持60s跳变到7.8V。
完成后再测试Q13端电压，Q13端电压在0V状态保持30s后发生跳变，符合时基电路的计时要求，调试完成。
5.4译码显示单元电路调试
将译码显示电路的CD4511的A—D端接逻辑电平开关，共阴极数码管的阴极接地。
当没有输入时，数码管显示为“8”，显示不正常。
经查发现数码管接线有错误。
改正后再进行测试，无输入时显示为“0”，再按其真值表逐项测试，功能正常，结束调试。
六、电路测试及测试结果
将各单元电路连接起来，组成脉搏计整体电路。
加上电源后一手按住压电陶瓷片，接通S2，这时数码管显示“000”。
按下复位按钮S1，计数器、定时器清零，记下这时的时间。
然后用手按压压电片，计数值不断增加，一段时间后计数值不再改变并保持该值不变。
记下此时的时间，前后的时间差大约为1分钟。
再次按下复位按钮，按动压电片，计数值重新从“000”开始增加。
按下S3后，再按复位按钮，同时按动压电片，计数值不断增长，30s后停止增加。
经过测试验证，该脉搏计能对压电片输出的电信号做出正确的反应，计数准确，60s和30s的计数时间比较精确，到时能自动停止计数并锁存，数码管显示清晰，便于观察，基本符合设计要求。
七、设计总结：
在临近期末考试的时候，学校给我们安排了一个星期的电子课程设计的时间，开始有些有些同学对这个有点怨言，因为正值复习时间，做课程设计的话，不但课程设计做不好，而且还会耽误期末考试，但是经过星期一上午老师给我们讲解了课程设计之后，我们就认识到了它的重要性，我们就果断的开始了我们的课程设计之旅。
本次设计是两人一组，自由组合，自主选题，我找到了一个对数电理论学得比较好的一个同伴和我一起做，因为我觉得我实际操作能力还行，理论有点欠缺，之后经过商量我们选定了脉搏计数电路。
选定了题目之后，在星期一的下午我们查资料设计电路，经过一个下午和一个晚上的努力，终于把电路图基本画出来了。
本来不需要这么长时间的，但是由于我们开始设计的一个电路图太复杂了，要用到10多个芯片，考虑到芯片多了不好焊，所以经过进一步的研究，把电路进行精简，最后定稿4个芯片和三个显示管，这个还是在能够接受的范围之内。
之后，我们通过各种途径买元件，为什么说通过各种途径呢？
因为买元件的过程中我们也受阻了，荆门的元件店比较少，各类也比较少，有些芯片根本买不到，所以我们决定先把电阻电容等常规元件和芯片底座买回来，焊接上去，到时候从网上买几个芯片，等芯片回来就直接插上去就可以用了。
后来我们确实也是这样实施的。
星期三早上开始正式开始最重要的一个部分――焊接各种元件。
在焊接过程中我感触最深的是电路板不能进行印刷，要自己用跳线连接各个引脚，而且各个芯片的引脚隔得太近，在引脚上连一根跳线还比较好连，如果是两根或两根以上的话就有难度了，在焊接数码显示管的时候这个情况就体现的淋漓尽致，可以说这个地方焊接的时候用的时间最多，可能我应该买三位的数码管的，三位数码管总共只有10个引脚，相比三个一位数码管30个引脚强得多。
还有一个让我长了见识的地方，焊接压电片的时候，压电片一直无法上锡，那就无法操作了，后来我上网查了一下，说是要加助焊剂，但是我又不是知道什么是助焊剂，又XX了一个发现助焊剂就是松香，当然就一阵无语，“松香居然还可以焊东西”心里默想，但是经过的试验之后，还真的可以焊，心里一阵高兴，又学到新东西了。
整个焊接过程用了两天的时间。
焊接好了之后，我激动的装上电池进行调试，第一次调试的时候，显示管一个都不亮，也可以说是时亮时不亮的（在我碰到某一个引脚的时候就亮），经过检查CD4060芯片没有接地，把CD4060接地后显示管显示正常就是没有求数，一直是零。
此时，我们接着检查电路，先后测试了各个芯片，还有电容，压电片等，还专门去借了一个压电片来试了的，连线太多，连接太复杂，眼看就要放弃了，我们准备明天把电路板拿到数电实验室去检测。
后来我渐渐地看出点破绽，先后更改了电容的正负极，压电片正负极（这两个确定是连错了），最重要的是发现LM432芯片没有接电源和接地，全部更正之后，进行调试，成功了，高兴之余，看了看时间23点多了，满怀高兴的心情就睡下了，甚感今天没有白费力。
通过本次课程设计的学习，我学到很多东西。
做了这次的课程设计，我整体的梳理了学过的数电和模电的知识，让它们在我的脑海里有了一个重要的地位，对数电和模电（特别是数电）的知识更加清晰，知识的一个系统化。
在焊接方面，我相信经过这次焊的电路板，我的焊接技术绝对是更上了一层楼。
感谢学校给我这次做课程设计的机会，希望以后还有这样的机会。
刘欢
2011年6月17日
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