脉搏计的设计毕业设计

四川信息职业技术学院
毕业设计说明书(论文)
设计（论文）题目: 脉搏计的设计
专业: 通信技术
班级: 通技06-2
学号:
姓名:
指导教师:
四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
备注：任务书由指导教师填写，一式二份。

其中学生一份，指导教师一份。

目录
摘要 (1)
第1章绪论 (2)
目的与意义 (2)
思想与方式 (2)
第２章方案设计 (3)
方案比较与论证 (3)
方案选择 (5)
第３章单元电路设计 (6)
放大与整形电路 (6)
传感器 (6)
放大电路 (6)
有源滤波电路 (7)
整形电路 (7)
电平转换电路 (7)
倍频电路 (8)
基准时刻产生电路 (8)
秒脉冲发生器 (9)
十五分频和二分频器 (9)
基准时刻产生电路 (9)
计数、译码、显示电路 (10)
操纵电路 (13)
总结 (14)
致谢 (15)
参考文献 (16)
附录总电路原理图 (17)
摘要
本设计要紧由传感器、计数器、译码器和时基信号发生器等部份组成的数字脉搏。

要求能测量人在一分钟内的脉搏数，并以数字显示，测量的脉搏数范围40~200次／分钟，适用于各个年龄及性别的人，能判定心率不齐且进行告警显示。

关键词数字脉搏测试；时基信号；发生器计数器；译码器
第1章绪论
目的与意义
从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和医治的依据，从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”作为诊断疾病的手腕。

脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速度(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在专门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点，因此对脉搏波搜集和处置具有很高的医学价值和应用前景。

但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必需通过放大和后级滤波以知足搜集的要求。

思想与方式
目前的指端脉搏检测系统都是采纳模拟技术来完成滤波，放整型等处置，再通过模数转换和进一步处置。

这种方式不仅增加了硬件的复杂程度，增大了功耗和体积，更要紧的是增加了系统不靠得住和不稳固因素。

随着电子测量技术的迅速进展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向进展。

本文针对目前的脉搏波检测系统的问题，提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想，采纳了ADI公司生产的ADμC841单片机，它的体积小，功耗低，内部集成了8052微处置器的内核，精准、高速的8通道12位模数转换（其最高转换速度420Ksps），双12位的输出电压数模转换器，并提供了62k字节闪速电擦除程序存储器、8k字节闪速/ 电擦除数据存储器、和2304字节的数据RAM等。

本系统利用过采样技术，通过对光电转换后的电信号高速采样实现高分辨率模数转换，然后再进行数字滤波处置，从而代替原有模拟电路完成放大滤波等工作，以简化设计，提高系统稳固性。

第２章方案设计
方案比较与论证
电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的要紧组成部份。

由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一样为几个毫伏)，它的大体功能应该是：
①用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波；
②在短时刻内(15s内)测出每分钟的脉搏数。

本设计要求实此刻15s内测量lmin的脉搏数，而且显示其数字。

常人脉搏数为60~80次／min，婴儿为90~100次／min，老人为100~150次/min。

知足上述设计功能能够实施的方案很多，现提出下面两种方案。

方案1：如图2-1所示。

图2-1方案1方框图
图中各部份的作用如下
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放大与整形电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。

③倍频器将整形后所取得的脉冲信号的频率提高。

如将15s内传感器所取得的信号频率4倍频，即可取得对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时刻。

④基准时刻产生电路产生短时刻的操纵信号，以操纵测量时刻。

⑤操纵电路用以保证在基准时刻操纵下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

⑥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。

⑦电源电路按电路要求提供符合要求的直流电源。

上述测量进程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时刻也相应地缩短了4倍(15s)，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±4次／min，测量时刻越短，误差也就越大。

方案2：如图2-2所示。

图2-2方案2方框图
该方案是第一测出脉搏跳动5次所需的时刻，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方式的误差小，可达±1次／min。

此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部份与方案1完全相同，现将其余部份的功能表达如下：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。

基准脉冲(时刻)发生器产生周期为的基准脉冲信号。

门控电路操纵基准脉冲信号进入8位二进制计数器。

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的时刻，让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个脉冲周期的时刻。

定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。

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（如取得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。

此刻所得的结果即为每分钟的脉搏数。

方案选择
方案1结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案2电路结构复杂，本钱高，测量精度较高。

依照设计要求，精度为±4次／min，在知足设计要求的前提下，应尽可能简化电路，降低本钱，应选择方案1。

第３章单元电路设计
放大与整形电路
如上所述，此部份电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一样为几十毫伏，必需加以放大，以达到整形电路所需的电压，一样为几伏。

放大后的信号波形是不规那么的脉冲信号，因此必需加以滤波整形，整形电路的输出电压应知足计数器的要求。

选择电路：所选放大整形电路框图如图3-1所示。

图3-1放大整形电路框图
传感器
传感器采纳了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情形，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图3-2所示。

图3-2传感器信号调剂原理电路图3-3相同放大器电路图中，红外线发光管VD采纳TLN104，接收三极管TLP104。

用+5V电源供电，R1取500Ω，R2取10kΩ。

放大电路
由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采纳了同相放大器，如图3-3 所示，运
放采纳了LM324，电源电压±5V，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：R4=100kΩ，R5=910kΩ，R3为10kΩ电位器，C1=100μF。

有源滤波电路
采纳了二阶压控有源低通滤波电路，如图3-4所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，因此有源滤波电路的截止频率为lkHz左右。

为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用倍左右。

集成运放采纳LM324。

整形电路
通过放大滤波后的脉搏信号仍是不规那么的脉冲信号，且有低频干扰，仍不知足计数器的要求，必需采纳整形电路，那个地址选用了滞回电压比较器，如图3-5所示，其目的是为了提高抗干扰能力。

集成运放采纳了LM339，其电路参数如下：R10=Ω，R11=100kΩ，R12=Ω。

电源电压±5V。

由于LM339属于集电级开路输出，利历时输出端应加2kΩ的上拉电阻。

图3-4二阶有源滤波电路图3-5施密特整形电路和电平转换电路
电平转换电路
由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不知足计数器要求的脉冲信
号，故采纳电平转换电路，见图3-5。

放大与整形部份电路如图3-6所示。

图3-6放大与整形部份电路
倍频电路
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，从而缩短测量时刻，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，本钱比较高，因此那个地址采纳了能知足设计要求的异或门组成的4倍频电路，如图3-7所示。

图3-7四倍频电路
G1和G2组成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时刻对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。

电容器c的作用是为了增加延迟时刻，从而加大输出脉冲宽度。

依如实验结果选用C4=33μF，R13=10kΩ，R14=l0kΩ，C5=μF。

由两个二倍频电路就组成了四倍频电路。

其中异或门选用了CC4070。

基准时刻产生电路
基准时刻产生电路的功能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s)的脉冲信号，以操纵在15s内完成一分钟的测量任务。

实现这一功能的方案很多，咱们采纳如图
3-8的方案。

图3-8基准时刻产生电路框图
由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。

秒脉冲发生器
电路如图3-9所示。

为了保证基准时刻的准确，采纳了石英晶体振荡电路，石英晶体的主频为，反相器采纳CMOS器件，R15可在5~30MΩ范围内选择，R16可在
10~150kΩ范围内选择，振荡频率大体等于石英晶体的谐振频率，改变C7的大小对振荡频率有微调的作用。

那个地址选用R15为Ω，R16为51kΩ，C6为56pF，C7为3~56pF，反相器利用了CC4060中的反相器，如图3-9和3-10所示。

选用CC406014位二进制计数器对进行14次二分频，产生一个频率为2Hz的脉冲信号，然后用双D触发器CC4013进行二分频取得周期为1s的脉冲信号。

Q
图3-9石英晶体振荡器图3-10秒脉冲发生器
十五分频和二分频器
电路如图3-11所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然后用CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉冲信号。

基准时刻产生电路
如图3-12所示。

图3-11十五分频和二分频电路
图3-12基准时刻产生电路图
计数、译码、显示电路
该电路的功能是读出脉搏数，以十进制数形式用数码管显示出来，如图3-13所示：
图3-13计数、译码、显示电路
因为人的脉搏数最高是150次／min，因此采纳3位十进制计数器即可。

该电路用双BCD同步十进制计数器CC4518组成3位十进制加法计数器，用CC4511BCD-七段译码器译码，用七段数码管LT547R完成七段显示。

译码器的功能是把计数器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是经常使用的BCD码——七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。

本文采纳CD4511作为译码器。

CD4511有四个输入端A，B，C，D和七个输出端a~g，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示操纵功能，它们别离由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭操纵端/BI来操纵。

CD4511的管脚排列如图3-14所示。

由表可见，当锁存许诺端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端a～g随输入A~D端而转变，当LE=“1”时，锁存器锁定，输出端维持不变。

熄灭操纵端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应使/BI为高电平。

另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是不是正常。

当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。

图3-14CD4511管脚排列图
译码显示采纳扫描方式，使三位数字显示只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。

扫描显示方式的原理图如图3-15所示。

该图为三位LED显示，所有位的七段码线都并联在一路，而列位数码管的共阴极（对共阴LED数码管）D1，D2，D3别离被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2，DS3操纵（本设计电路中DS1~DS3经三极管BG1~BG3操纵D1~D3），从而实现列
位的分时选通显示。

但要注意为了显示稳固，应使扫描时序脉冲的频率适合，频率太低将会使显示产生闪烁，而频率太高将会使显示产生余晖。

扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入的电容CS值调整来决定。

图3-15三位LED数码管显示电路
数码管限流电阻值依照数码管电流的许诺值进行计算。

假设把电路中的某位显示电路单独画出来，如图3-16所示。

图3-16显示电路
限流电阻R1~R7可按下式进行估算：
R1~7=UOH-UD-UCE/IS
式中UOH为CD4511输出高电平（≈VDD），UD为LED正向工作电压（约为~2V），IS为数码管的笔段电流（约为5~10mA)，UCE是三极管T的管压降（约为
1V），那么可求得R1~R7约为Ω。

操纵电路
操纵电路的作用主若是操纵脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时刻，另外还应具有为各部份电路清零等功能，如图3-17所示：
图3-17操纵电路
总结
脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题，本文设计的脉搏波检测系统以光电检测技术为基础，并采纳了脉冲振幅光调制技术排除周围杂散光、暗电流等各类干扰的阻碍。

并利用过采样技术和数字滤波等数字信号处置方式，代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能。

本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信号搜集，信号处置和脉搏次数的计算等功能，因此体积小，功耗低，系统稳固性高。

本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC机)的实时通信，因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完故意率检测和脉搏波形显示。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和医治的依据，从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”作为诊断疾病的手腕。

脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速度(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在专门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点，因此对脉搏波搜集和处置具有很高的医学价值和应用前景。

致谢
在那个地址我要感激我的指导教师，和帮忙过我的同窗。

说真的当我拿到任务书时不明白怎么下手，这时是我的指导教师亲切认真的给我讲解脉搏计的原理及工作流程（我选的设计是脉搏计）。

然后刘教师鼓舞咱们不要可怕困难，认真认真的分析问题，有什么不懂的去找她。

这次设计中我还要感激的同窗有：胡宝丹，段萍。

是她们在我最需要帮忙的时候给了我希望之手，让我在黑暗中不感到迷茫，让我有了战胜困难的勇气和决心。

参考文献
[1]欧阳俊，谢定．基于BL-410的指端脉搏波搜集系统应用研究，有效预防医学，
2004
[2]韩文波，曹维国，张精慧．光电式脉搏波监测系统．长春：长春景学周密机械
学院学报，1999
[3]朱国富，廖明涛，王博亮．袖珍式脉搏波测量仪，厦门：电子技术应用，1998
[4]唐程山．数字电子技术，北京：人民邮电出版社，2005
附录总电路原理图
四川信息职业技术学院毕业设计（论文）评语。