脉搏测量仪

脉搏测量仪
一、任务分析与设计
1.1任务
利用压电陶瓷片通过脉搏跳动来采集信号, 经过放大滤波等电路处理, 最后用数码管显示出心脏跳动次数。

另一方面将脉搏电信号送入电脑中的Labview软件中处理, 便可得到心脏跳动的频率波形。

1.2任务分析
脉搏计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲信号计数, 最后以数字形式显示出来。

因此脉搏计是用来测量低频信号的装置, 其基本功能要求是:
(1)要把人体的脉搏（振动）信号转换成电信号, 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等处理, 以保证其他电路正常工作。

(3)在很短的时间内, 测量出经放大后的电信号频率值。

1.3设计思想:
把转换为电信号的脉搏信号, 在单位时间内（一分钟）进行计数, 并用数字显示其计数值, 从而直接得到每分钟的脉搏数。

内容如下：
(1) 用压电陶瓷传感器将脉搏信号转换为电信号
(2) 经放大整形滤波电路得到符合要求的脉搏电信号
(3) 再经记时系统最后在数字显示器上显示出每分钟的脉搏数
(4) 将脉搏电信号送入电脑中的Labview软件中处理, 得到心脏跳动的频率波形。

系统设计的框架图如下:
二、确定总体设计方案
为满足脉搏计的上述功能要求, 可把转换为电信号的脉搏信号, 在单位时间内（一分钟）进行计数, 并用数字显示其计数值, 从而直接得到每分钟的脉搏数。

2.1 传感器的选择
为了把脉搏转换成电信号, 采用了压电式传感器。

它有两种基本类型: 石英晶体和压电陶瓷。

前者温度稳定性好、机械强度高、工作温度范围宽、转换精度也高。

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、价格便宜, 只是温度稳定性和强度不如石英晶体, 所以我们使用了压电陶瓷片来做传感器。

2.2放大电路
通常采用运算放大器对微小电脉冲信号进行放大。

它具有输入阻抗高和输出阻抗低以及调节电压放大倍数方便等优点, 但在数字电路系统中也常用与非门来构成线形放大器。

由门电路的转换特性可知, 如果使它工作在线形区, 它就具有电压放大能力。

图(a)中门电路的输出、输入端所连接的反馈电阻, 可使其工作在线形区。

如下图所示。

由门电路构成的放大电路, 具有功耗小、稳定性高和成本和成本低等优点, 虽然输出阻抗高和上限频率较低, 但仍可适用本电路。

将放大了的信号送入一个与非门进行整形, 然后再送到加法计数输入端进行计数。

2.3计数器电路、译码和显示电路的选择
CD40110是一个及计数、译码、驱动于一体的一个芯片, 适用于本电路的要求, 用两个芯片控制并计两位数, 显示器用共阴极的双位数码管, 数值达到99溢出后再从0开始计数。

2.4时基信号产生电路的选择
产生固定信号（一分钟）的控制信号, 作为计数器在此期间进行计数。

我们选用了NE555P芯片作为产生电路。

2.5调试实际电路
在印制电路板上焊入各元件, 检查无误后开始调试。

电路调通后发现显示电路不稳定, 然后开始检查错误所在。

先将一个已知信号引入电路, 电路运行及显示正常, 说明后续电路没有问题, 但是接上压电陶瓷片来测量脉搏时, 电路显示就不
稳定, 所以确定是传感器的问题, 经讨论决定更换传感器, 使得软件的设计也发生了变化, 整体的运行也有所改变。

流程如下:
三、软件设计
传感器发生变动后, 用LabVIEW编程平台, 编制两个程序, 一个作为采集信号显示, 一个是对信号进行处理后再接回到电路板上, 通过电路中的计数电路部分, 最后在LED数码管上显示, 且软件和硬件的频率保持一致。

四、系统的具体使用方法
找到自己脉搏跳动的具体位置, 将系统接通电源, 一切准备好后, 被测者用一只手把传感器一面压在脉搏处, 负责测试的人员开始运行程序, 计数, 到一分钟停止。

Labview的前面板便会显示心脏在一分钟之内跳动的次数, 完成了心率计的功能。

打开另一个程序可以直接观测到所采集到的脉搏信号波形。

五、实物照片
六、LabVIEW软件设计
本实验中我们选用LabVIEW编程平台, 不仅由于LabVIEW本身具有很明显的优势, 更重要的是通过在实验中对它的应用, 可以使我们接触到更前沿的技术。

6.1 LabVIEW介绍
在实验中, 我们不断加深对LabVIEW 的认识。

LabVIEW是一个基于G （Graphic）语言的图形编程开发环境, 在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言, 对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。

它含有种类丰富的函数库, 科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。

LabVIEW编程语言最主要的两个特点是图形化
编程和数据流驱动。

(1) 图形化编程
LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、LabWindows/CVI等编程语言不同, 后几种都是基于文本的语言, 而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言, 用框图代替了传统的程序代码, 编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程, 源代码不是文本而是框图。

一个VI有三个主要部分组成: 框图、前面板和图标／连接器。

框图是程序代码的图形表示。

LabVIEW的框图中使用了丰富的设备和模块图标, 与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致, 这使得编程过程和思维过程非常的相似。

前面板是VI的交互式用户界面, 外观和功能都类似于传统仪器面板, 用户的输入数据通过前面板传递给框图, 计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。

图标是VI的图形符号, 连接器则用来定义输入和输出, 每一个VI都有图标和连接器。

用户要做的工作就是恰当地设置参数, 并连接各个子VI。

编程一般步骤就是使用鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程, 与烦琐枯燥的文本编程相比更为简单、生动和直观。

如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比, 前面板就像是仪器的操作和显示面板, 提供各种参数的设置和数据的显示, 框图就像是仪器内部的印刷电路板, 是仪器的核心部分, 对用户来讲是透明的, 而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件和集成电路, 保证了仪器正常的逻辑和运算功能。

(2) 数据流驱动
传统计算机语言中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。

本质上讲它是一种带有图形控制流结构的数据流模式, 程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行。

既然LabVIEW程序是数据流驱动的, 数据流程序设计规定, 一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。

于是LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序, 而不像文本程序那样受到行顺序执行的约束。

我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序, 还可以有多个数据通道同步运行, 即所谓的多线程。

在LabVIEW中单击加亮执行按钮, 即可以动画方式演示框图的执行过程, 可以观察到数据流流动的方式, 数据以有色小圆点表示, 在各种不同颜色（代表不同数据类型）的连线上流动。

6.2 主程序流程图
(1) 滤波程序
（2）记数程序
1.3.3 前面板与虚拟仪器框图——滤波部分和记数部分
七、课程设计的收获和体会
通过这次测量课程设计让我得到了很多的锻炼, 我提高了自己的自学能力和学习主动性。

测量课程设计时我们得到了很多方面基本技能的训练, 如传感器性能参数的选择、芯片功能及管脚的资料的查找、放大电路的搭接、信号的整形滤波处理、电路板的焊接等。

这次测量课程设计所需要的知识有很多在书本上是找不到的, 而且这些知道并不是像以前一样由老师系统的详细的教授。

所以, 这就强迫我去图书馆查阅资料。

以前从没为了去查阅资料而在图书馆泡上好几个小时, 而且由于以前没有过类似经历, 所以从这么多的书中筛选自己所需要的东西着实费了不少力气, 也走了很多弯路, 不过这也培养了我查阅资料的能力。

在网上找东西相对方便一点, 但信息量更大也更为嘈杂, 所以更要花很多时间整理。

加之, 这次课程设计要用到LABVIEW软件, 这无疑又给我们增加了难度, 因为这个软件的学习几乎完全靠自学, 不懂的也只能和同学一起讨论摸索。

在LABVIEW软件应用中碰到了很多问题, 一开始只会实现极为简单的功能, 离做课程设计的水平相差很远。

怎么也没有办法入门, 通过两次LABVIEW的相关试验, 对这一软件才有了更进一步的了解。

课程设计试验室里有很多达斯在做毕业设计的学长, 他们的经验和指导给了我们很大的帮助。

通过请教大四年级的学长, 我们才逐步有了信心, 经过反复不断的测试, 修改, 最终完成了软件部分的设计。

虽然完成了设计, 但关于LABVIEW的应用我们还有很多的不了解, 对已经应用的功能也不能做到很熟悉, 对于该软件的学习还是要继续巩固的。

参考文献
1.http://www.21ic.co..
2.杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊.安雪滢.Labview高级程序设计,北京: 清华大学出版社.2003
3.清华大学电子学教研组.模拟电子技术基础,北京: 高等教育出版社.200...
4.王俊峰.电子产品开发设计与制作,北京：人民邮电出版社.2005。