数字脉搏计的设计Word文档下载推荐.docx

数字脉搏计的设计Word文档下载推荐.docx

《数字脉搏计的设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字脉搏计的设计Word文档下载推荐.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

可用两个非门组成的施密特触发器对放大后的信号进行整形；

5、定时电路：

用555定时器组成多谐振荡器，达到5s、15s的精确计时；

6、计数：

采用计数器进行计数；

7、译码、显示读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。

数码管采用共阴数码管；

8、报警可用比较器比较后进行报警。

方案二：

1、以微弱正弦信号模拟采集的脉搏信号

2、用集成运算放大器对该微弱的信号进行放大，放大后进行二阶低通滤波，滤除空气中的高频，只让低频脉冲信号通过；

3、运用集成555施密特触发器对波形进行整形；

4、四倍频电路的作用是将脉搏模拟信号的频率增加四倍，即让计数器记录的数据为实际值的四倍。

让我们在15s内就能读出1min的脉搏数。

5、时钟产生电路由555构成的单稳态触发器组成，主要是为控制脉冲进入计数器的时间，从而控制计数的时间，完成测量。

6、通过由555构成的单稳态触发器的输出来控制与门的开启与关闭，从而控制计数电路是否计数；

7、清零电路只要是对计数器进行清零，安一下开关就能进行清零，从而方便下一次的测量。

方案三：

1、六进制计数器用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。

2、基准脉冲（时间）发生器产生周期为0.1s的基准脉冲信号。

3、门控电路控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。

4、8位二进制计数器对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s，即门打开5s的时间，让0.1s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。

5、脉冲数产生电路产生定脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。

6、可预置8位计数器以8位二进制计数器输出值（如50）作为预置数，对3000个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号），即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。

现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。

2.1方案比较

方案一、二、三的微弱信号都以微弱的正弦信号代替，放大均可采用集成运算放大器进行放大，滤波均采用二阶低通滤波的方法进行。

方案一、二均采用四倍频电路对信号进行加倍从而实现缩短时间的功能，而方案三则采用8位二进制计数器，对通过门控电路的基准脉冲进行计数。

方案一只是通过定时器对计数器计数的测量，方案二、三则通过定时电路和与门的连用从而控制计数器在规定时间内计数，并在时间到达后计数器停止工作。

方案一能对所测脉搏进行判断，并进行报警（如果心率不齐），方案二则能对计数器清零，在测晚一组数后，按下开关，能对计数器清零从而方便下一次的测量。

2.2方案论证与选择

结构简单，易于实现，但测量精度偏低，而要实现报警功能的话，还要对所测数据进行采集并与存储的数据进行进行比较，比较后进行报警，要实现数据的存储并与即时数据进行比较，电路就比较复杂，而且由于自己对数据的存储及调用比较不熟悉，所以放弃了该方案。

与方案一类似，结构简单，易于实现，测量精度也不是很高，要实现电路的控制较容易，另外还加了清零功能和灯光显示功能易于操作。

电路结构复杂，不易于实现，测量精度较高，但是成本较高。

经过对三个方案的分析比较，从简单性，且易于实现，经济性，考虑到测量精度，从而最终选择了方案二。

3单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1放大电路

把微弱的信号进行放大，使后续功能得以实现。

电路如图3.1.1.1所示，将5mV的正弦信号放大为5V的正弦信号，即差模电压增益为1000。

图3.1.1.1放大电路

图示为用LM324设计的同相放大器，Vi为幅值为5mV的输入信号，其Vo为输出信号。

则：

3.1.2滤波电路

滤波采用二阶低通滤波（如图3.1.2.1所示）。

二阶低通滤波器电压增益随频率变化曲线（如图3.1.2.2所示），在f=fo之后随f增加，增益急剧下降，从而达到低于f频率通过的效果，滤掉干扰，使波形输出更好（如图3.1.2.3所示）。

图3.1.2.1滤波电路

图3.1.2.2电压增益随频率变化曲线

图3.1.2.3滤波后的波形

3.1.3整形电路

将幅值为5V的正弦信号整形为同一频率的幅值为5V的方波信号（如图3.1.3.3所示）。

由于考虑到整个电路的排版，采用了集成555组成的施密特触发器（如图3.1.3.1所示）进行整形，其原理和NE555构成的施密特触发器（如图3.1.3.2所示）一样。

图3.1.3.1整形电路

图3.1.3.2555构成的施密特触发器

图3.1.3.3整形后的波形

3.1.4四倍频电路

利用四倍频电路使频率增加，从而缩短测量时间。

原理图如图3.1.4.1所示，其原理为：

当a点为低电平稳定时，b点为0。

a=b，c=0。

当a有低变高时，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点点位为高，直到电容放电至电压小于2V，c点跳变为底。

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。

例如：

输入脉搏信号用250HZ的矩形波，T=4ms来代替。

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。

为使上升沿均匀分布，二级倍频电路的高电平应小于1/2Tw。

且如果电容过大，则波形可能出现丢失现象。

故我们只需要分布均匀的上升沿即可。

所以：

1k×

0.1uF=0.07ms。

图3.1.4.1四倍频电路

3.1.5时间控制电路

通过由NE555组成的单稳态触发器来控制每次测量的时间。

其原理如图3.1.5.1所示，再连接一个发光二极管，通过发光二极管的亮与灭来判断是否在测量。

在按下开关后，发光二极管开始亮，在15s后电路跳变会原状态，发光二极管熄灭。

通过按下图3.1.5.1中的开关开启动计时电路，再经与门来控制计数器计数的时间。

图3.1.5.1555构成的单稳态触发器

电路参数如图3.1.5.1所示，R1=620K,R2=10K,R6=220,C2=22Uf,C3=0.1Uf。

Tw=1.1R1×

C2=1.1×

680K×

22uF=15s。

3.1.6与门控制

通过与门的开启与关闭来让脉冲信号进入使计数器计数，并使NE555组成的单稳态触发器产生的时间信号来控制与门的开启与关闭，从而达到规定时间的计数。

其原理图如图3.1.6.1所示。

图3.1.6.1与门控制电路

左边的为1为处理后的脉冲信号，2为NE555单稳态触发器过来的信号。

两个信号共同控制与门的开启与关闭，从而控制计数器是否计数。

3.1.7计数译码显示

通过3片74LS160的连接组成计数单元，承担本次电路的计数功能，再通过74HC4511的连接对其所计的数进行译码，使之以十进制的数显示出来，再通过3片共阴极的数码管的连接以能够显示出所测的脉搏数。

再或门的接入，从而使计数器计数计到200时，使或门关闭而使计数器停止计数（人的脉搏一般不可能超过200次每分钟），通过其原理图如图3.1.7.1所示。

图3.1.7.1计数译码显示电路

当有信号进入是计数器就开始计数，当信号中断是计数器停止工作，或者当计数达到200时，74LS160的13管脚出来高电平，通过下边所连的或门而使脉冲变为高电平，从而使计数器停止工作，而使数停留在那个状态而不再动。

3.1.8清零电路

清零电路比较简单，通过开关来控制，其连线与74LS160的清零端相连，在开关断开的情况下74LS160的清零端为高电平，为无效状态，计数器正常工作，而当按下开关后74LS160的清零端接地即为低电平，为有效状态，从而对计数器进行清零，使共阴极数码管显示为000。

其原理图如图3.1.8.1所示。

图3.1.8.1清零电路

3.2电路参数的计算及元器件的选择

3.2.1电路参数

电路参数已经在各单元模块的介绍是已说明了。

3.2.2元器件的选择

元器件清单如表3.2.2.1所示

元器件选择清单

元器件名称

类型及参数

说明

集成运算放大器

LM324

放大、滤波2个

集成块

74LS14

施密特整形1个

NE555

555定时器1个

4030

异或门1个

4069

非门1个

74LS08

与门1个

OR

或门1个

74LS160

十进制计数器3个

74HC4511

译码器3个

7SEG-BCD

七段数码管3个

电阻

300、300K、14K、68K、16K、10K、620K、220

300、14K、16K、10K为2个其余为1个

电容

1000p、0.047u、0.1u、22u

1000p、0.047u为2个其余为1个

灯

LED-BIBY

1个

开关

BUTTON

2个

电源

VCC

+5V

模拟信号

SINE

正弦信号

表3.2.2.1

3.3特殊器件的介绍

3.3.174LS14

74LS14为有施密特触发器的六反相器，共有54/7414、54/74LS14两种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下图3.3.1.1：

图3.3.1.1主要电特性的典型值

引出端符号

1A-6A输入端

1Y-6Y输出端

逻辑图如图3.3.1.2所示：

图3.3.1.274LS14逻辑图

极限值：

电源电压：

7V

输入电压：

54/74145.5V

54/74LS147V

工作温度：

54/7414-55-145℃

54/74LS140-70℃

存储温度：

-65-150℃

功能表如图3.3.1.3所示：

图3.3.1.374LS14功能表

3.3.2NE555

555电路的内部结构如图3.3.2.1所示，定时器555是一种多功能集成电路，只要在外部接上几个电阻和电容，就可以组成施密特触发器、单稳态电路和多谐振荡器。

由内部结构框图可知它由比较器、与非门G1和G2的SR锁存器和放电三极管TD组成。

内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生1/3VCC和2/3VCC两个基准电压。

在复位端加低电平信号，锁存复位可以使输出为低电平。

正常工作时复位端加高电平。

TH：

高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。

TR：

低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。

Vco：

控制电压端。

Vo：

输出端。

DISC：

放电端。

REST：

复位端。

图3.3.2.1555内部结构图

555定时器的功能表如图3.3.2.2所示

图3.3.2.2555功能表

3.3.374LS160

74LS160，十进制同步计数器（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图3.3.3.1所示：

图3.3.3.1主要电特性的典型值

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。

其管脚图如图3.3.3.2所示：

图3.3.3.274LS160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异步清零输入端（低电平有效）

PE同步并行置入控制端（低电平有效）

3.3.474HC4511

74HC4511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。

灯测试端，用来检查输出端数码管的好坏。

当它为高电平时，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”。

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。

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。

BCD锁存,7段译码,驱动器74HC4511的引脚图如图3.3.4.1所示：

图3.3.4.174HC4511引脚图

BCD锁存,7段译码,驱动器74HC4511真值表如图3.3.4.2所示：

图3.3.4.274HC4511真值表

4系统调试

由于没有做相应的实物，就在proteus仿真软件上画了原理图，并进行了仿真，所以，对于系统调试这一块来说就比做实物相对简单了许多。

无需再对各个元器件进行检测，以验证其好坏和工作状态，更无需对电路的连接等进行实际的调节。

电路连接好后也不必对电路各个单元模块进行调试，以及对电路的总调试。

在proteus仿真软件上将各个单元模块画出来，对各个单元模块进行仿真功能测试，达到指标后，将各个模块连接起来，在确认连线正确的情况下，进行全电路的仿真测试，如果没能实现器功能，或某个部分不能正常工作时，不必担心是元件的问题，无需对元件进行检测，只需检查连线及参数设置是否正确。

在此基础上对整个电路进行相应的调试，直到能够实现其功能为止。

由于在单元模块的设计是已经根据电路要实现的功能对各个单元模块进行了进行了相应的功能测试及调试，所以对全电路的调试就变得更加容易了。

5系统功能、指标参数

5.1系统能实现的功能

该系统是数字脉搏计，为达到测量一分钟脉搏数的目的的系统。

在接通电源后信号模拟器开始将信号输入电路中经放大、滤波、整形后，再通过四倍频电路使信号频率增加四倍（缩短测量时间）后，信号到达与门端，按下开关1后由NE555构成的单稳态触发器输出端电平跳变，使与门打开，刚才的信号进入计数器，使计数器开始工作（开始计数），同时NE555构成的单稳态触发器输出端接的灯也会亮起来，此时脉搏计开始计数了，数码管也会同步显示其即时数，在15s后NE555构成的单稳态触发器的输出端电平又会跳变回来，从而使得与门关闭，模拟的脉搏信号将无法进入计数器，计数器将停止计数，而此时数码管所显示的读数就是当前的脉搏数。

脉搏计的测量最高值不能超过200（一般情况下，人的脉搏再不正常也应该不会超过200次每分钟），超过200后计数器将停止计数，当测量完毕后得到了所测量的脉搏数后，按下开关2，可将计数器清零，而数码管也将显示000，以方便下一次的测量。

5.2系统指标参数测试

系统的实际参数与理论参数是有一定误差的，而仿真更加存在有误差，但误差在允许的范围内即可。

系统参数：

基准信号：

5mV，1HZ的正弦信号

电路供电：

工作温度范围：

0-70℃

仿真参数为：

输入的5mV正弦信号，经放大后为5.3V的正弦信号，再经滤波滤掉了过低和过高的正弦信号，经整形后将正弦波调整为了方波；

NE555构成的单稳态触发器电平跳变时间为15s；

计数器在15s也停止了计数，数码管也正常显示了读数；

按下开关后，清零功能也能正常实现；

调整频率使频率加快，从而使计数器在15s内计数达到200而停止计数，数码管在显示到200后，数字不再往上涨。

5.3系统功能及指标参数分析

经过对该电路的全面分析，该电路运行一切正常，所有功能都能实现；

各项参数也正常，能达到此次任务的要求。

6结论

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。

脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。

电子脉搏计能很好地克服便携式电子血压计的缺点，它体积小，而且测量精度也较高。

本次设计的数字脉搏计有如下优点：

能在短时间内（15s）测量人的1分钟的脉搏数，能对所测的脉搏数进行显示，同时能进行及时的清零，以便下一次的测量。

该数字脉搏计的测量精度比较高。

该数字脉搏计未能实现的功能，一是，未能对所测对象分类，因为婴幼儿、成年人、老人的心率都有差别，因此所反应出来的每分钟脉搏数就不同，这是此次设计的一个缺陷，可以设计这样的分类，分为三档供不同的人选择，实现相应功能的差异；

二是，未能对所测脉搏数进行比较并判断该人的脉搏数是否正常，心率是否正常，如果心率不齐会报警（心率过高和过低的报警要有所不同）。

在电路设计及仿真过程中也遇到了一些问题，基本都是电路软件使用等问题，由于第一次接触这类软件，总是感觉有些陌生，很多地方都不知道怎么用，很多功能都不会。

而且由于所学知识的有限，以及对所学知识的不是太全面的了解，以及实际应用于所学理论之间存在有误差，所以，在本次设计中遇到了很多问题。

比如：

在一些元件的应用上，存在选择的问题，要去综合考虑各方面的因素来选择元件；

在某些参数的设定时也要综合考虑各方面的因素去设置，而不能一味地依据理论去设定。

7总结与体会

由于这次电子技术课程设计是在考试完后开始的，通过和同一组的同学的一起合作完成的，在这个过程中使我受益匪浅。

不过由于此次电子技术课程设计的时间有些紧迫，所以在各模块之间的衔接上，以及某些参数的确定上可能还存在一定的问题。

但通过这次设计，收获也颇多。

这次是电子技术课程设计跟以往的电子技术实验不同，之前的实验电路图都已经有了，只要按图接线就可以了。

而这次课程设计的整个方案、流程都得自己设计。

总体上来说这次设计电路原理不算太难，但是在设计过程虽然很多东西自己明白该那么做，但是在真正的运用中却是实在是无从下手，遇到的很多小问题比自己想象中的要复杂得很多，让自己怀疑是不是考虑错了或者是走错了方向。

在确定各模块电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我们用所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机会。

在设计中，很多芯片的功能是自己不是很熟悉的，不同芯片之间的衔接更是让自己感到陌生。

比如，运算放大器LM324，如何实现倍频电路（缩短测量时间），对知识的遗忘（特别是模电知识），让我一度不知道该如何下手，对与当时的设计，在自己来说是很模糊的，但是通过询问同学和老师，并参考了相关资料，以及上网查阅了相关资料后，后让自己对各个部分的原理有了一定的了解。

特别是在倍频电路的设计上，从从来不知道该电路，到了解其原理后能设计出倍频电路；

以及为了节省空间而采用了集成555构成的施密特触发器74LS14，对正弦波进行整形，使其成为方波。

在计数器的选择上，虽然自己对这部分比较熟悉，但是当真正的接触它时，才知道很多的东西不是自己想象中的那样容易，很多的小错误就让自己感到寸步难行。

通过不断的查阅资料了解选择了十进制的74LS160实现了准确的计数功能，并通过74HC4511对其计数器进行译码，并与数码管连接使其能够以十进制的数显示出来。

通过这次的课程设计让自己熟悉了很多东西，也学会了很多东西，学习了自己已经学过的东西，也学习了自己没有接触过的东西。

对放大电路，滤波电路、整形电路、倍频电路、555定时器、计数器74LS160、译码器74HC4511，都有了一个很清楚的认识。

同时不但对这次设计中使用到的芯片自己有了了解，对其他得芯片如：

74LS161、74LS163、触发器等也有了解和认识，对设计中的芯片的其他功能也有所了解。

此次课程设计的锻炼，把自己所学的数电和模电知识系统化，并从中学到了解决问题可以有多种方法；

同时自己的动手能力有了很大的提高，查找问题、解决问题的能力也有了相应的进步；

并通过设计、仿真让我学会了仿真软件proteus的基本操作及应用。

8谢辞

在这里我首先要感谢感谢学校及学院给我们这样一个电子技术课程设