数显式脉搏测试仪

*＊＊＊大学
电子课程设计
———数显式脉搏测
试仪
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2014年1２月
电子实习目录
一实习设计目得、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3
二设计引言以及设计概述…………………………………………………………
３
1引言2概述3目得4意义５要求6内容7要解决得主要问题
三设计方案得论证（理论依据与多种方案得分析比较) (4)
四设计画出总得原理框图,简述工作原理 (7)
五设计各单元模块，阐述工作原理 (8)
（参数计算选择、元件功能、芯片引脚功能、线路连接、工作原理、验证过程)
1 传感器…………………………………………………………………………８
２放大与整形……………………………………………………………………９
3 倍频电路………………………………………………………………………１
4 定时电路 (1)
０
5 计数译码显示…………………………………………………………………１2
六调试各单元模块（调试原理与调试方法) (15)
1放大电路测试 (1)
５
2倍频电路测试 (16)
3、定时电路测试…………………………………………………………………１7
4、电路整体性能测试 (18)
七绘制总原理图，详细阐述工作原理 (18)
八心得体会…………………………………………………………………………２2
九参考文献 (22)
一、实习设计目得
实习就是对学生运用所学专业理论知识与实践操作技能得一次检验,使学生得到一次全面、系统得实践训练,以巩固所学得理论知识,加强实际操作、独立工作与解决实际问题得能力.同时,培养严谨求实、团结协作、吃苦耐劳、遵守纪律得良好作风，通过设计实习可达到以下目得:
（１)加深对所学理论知识得理解，更熟练掌握基本理论,且将理论与实际相结合。

（2)学会基本得设计方法，能灵活运用所学理论知识进行设计,为今后得毕业设计打下良好得基础。

(3）对所设计得电路进行实际电路验证，学会基本得调试电路得方法,
二设计引言以及设计概述
(1）引言
人体脉搏计得设计就是基于传感器,放大电路，显示电路等基础电路得基础上，实现对人体脉搏得精确测量。

其设计初衷就是适用于各年龄阶段得人群，方便快捷得测量脉搏次数,并用十进制数显示出来。

具体得各部分电路接下来将介绍。

随着时代得发展，人类进入了信息化电子时代,传感器技术作为现代技术得主要内容将有较大得发展。

信息技术包括技术、通信技术与传感器技术。

现代人类社
会已经进入信息时代,因而信息技术对社会发展,科学进步将起到决定性作用。

现代信息技术得基础就是信息采集、信息传输与信息处理，她们就就是传感器技术、通信技术与计算机技术.传统得脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向较坚实得面，以使脉搏得感觉传到指尖,如果将动脉压上软得组织,则脉动波会被吸收或抵消，使指尖不易触觉脉动；指尖压在动脉上得力量要适中,用力太重将阻断血流,反而无脉搏产生。

这种手工方法虽然简单易行，但容易产生误差,特别就是临床住院病人常规得监测上，这种手工测脉搏得方法不仅影响工作效率,并且不能连续监测，无法实时观察.我们设计得数字脉搏计就是一种自动测量人体脉搏得仪器，能直观地显示人体每分钟脉搏数，可连续、动态监量,价格便宜，适于普及推广。

本此课设设计了一款基于压电传感器得电子脉搏计，实现在30s 内测量人得脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来.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方法准确得测量人体微弱得脉搏信号,而且可以进一步实现显示记录功能。

(2）概述
随着人们生活水平得提高，心脏疾病得发病率呈上升趋势，已成为威胁人类身体健康得杀手之一，因为心脏病得发作具有突发性与随机性，所以为患者进行实时得测量监控已成为必然得趋势。

随着电子科技得不断发展，生命科学与信息科学得结合越来越紧密，许多研究人员都投身于人类得健康事业中.心率：用来描述心动周期得专业术语，就是指心脏每分钟跳动次数,已第一声为准，心电信号就是一种非常弱且频率较低得一种信号，一般幅值在0、0５到5毫伏之间,频率在0、０5到10０HＺ之间，脉搏波：人体心室周期得收缩与舒张,导致主动脉得收缩与舒张,就是血流压力-－-波得形式从主动脉根部开始沿着动脉系统传播，这种波称为脉搏波.脉搏波所呈现得形态强度，速率与节律等方面得综合信息，反应出许多生理得血流特征,而心率得测量就是一种评价人生理状况很好得方法。

心率与脉搏在身体正常得时候就是相等得。

在房颤等心脏疾病得时候可出现不等.因此心率测量问题可以转化为脉搏得测量，而脉搏得测量更容易实现特点。

在实际应用中得到广泛应用。

脉搏计在实际应用中非常广泛，她就是用来测量一个人得心脏跳动次数得电子仪器，也就是心电图得主要组成部分,用来测量频率较低得小信号.其原理适用于很多声控器械,它涉及到时序逻辑电路如何设计分析与工作等方面。

通过使电路更深刻得了解时序逻辑部件得工作原理，从而掌握如何根据需求设计满足要求得各种电路图，解决生活中得实际问题，将所学得知识应用于实践。

（3)实习目得
加深对所学理论知识得理解，更熟练掌握基本理论,且将理论与实际相结合.学会基本得设计方法，能灵活运用所学理论知识进行设计，为今后得毕业设计打下良好得基础。

对所设计得电路进行实际电路验证，学会基本得调试电路得方法与熟悉焊接技术。

熟悉脉搏计电路得组成,工作原理与设计方法。

掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等工作得原理与使用方法等得特点、用途以及主要参数得计算方法.熟悉集成电路芯片74LS０0、74LＳ16０、晶闸管、有源滤波等电路得特点以及主要参数得选择方法。

(4)意义
培养理论联系实际得正确设计思想,训练综合运用已经学过得理论与生产实际知识去分析与解决工程实际问题得能力。

培养学生得创新能力。

（5)要求
最终得电路要能够实现在１5s内测量人体１min得脉搏振动得次数,并且将振动得次数通过显示器显示出来。

一般来说，正常人得脉搏振动得次数为6０~80次／min，婴儿为90～100次/min,老人为100~１50次／min。

（6）内容
人体脉搏计得设计就是基于传感器、放大电路、显示电路等基础电路得基础上实现对人体脉搏得精确测量.其设计初衷就是适用于各年龄阶段得人群，方便快捷得测量脉搏次数,并用十进制数显示出来。

(7）要解决得主要问题
主要解决传感器、放大与整形、倍频电路、定时电路、计数译码显示这五个单元模块得设计与连接,最终实现要求设计得功能.
三设计方案得论证（理论依据，多种方案得分析比较）
方案一：
（1）传感器就是将脉搏跳动信号转换为与此相对应得电脉冲信号。

（2) 放大整形电路把传感器得微弱电流，微弱电压放大，整形出去杂散信号. （3）倍频器就是将整形后所得到得脉冲信号得频率提高.如将15s内传感器所获得得信号频率4倍频，即可得到对应一分钟得脉冲数，从而缩短测量时间。

(4)控制电路用5５5保证基准时间控制,4倍频后得脉冲信号送计数、显示电路中.
（5）计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，以十进制数得形式由数码管显示出来。

ﻫ上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍15S,而数码管显示得数字却就是1ｍin得脉搏跳动次数。

用这种方案测量得误差为±４次/min，测量时间越短，误差也就越大.
电路原理框图如图1所示:
图1 方案一脉搏计原理框图
此方案采用脉搏传感器,７４ＬS16０计数器集成运放放大电路，5５５构成得单稳态触发器,D触发器组成得4倍频电路等电路。

脉搏传感器作用将脉搏信号转换为响应得电脉搏冲信号.放大电路多种多样,本次试验采用比较简单,廉价得运放电路。

由一个运放器与三个电阻就组成了。

放大倍数可调。

倍频电路对脉搏
进行调频,如将15S内传感器所获得信号频率4倍频即可得到对应一分钟得脉冲数,从而缩短测量时间。

55５定时器就是为了实验在规定时间内完成。

本设计采用简单得７4LS160作为计数器，因为它就是十进制计数器，无需改装,直接使用。

因为脉搏测量器所需得上百位得数字.因此将三片74LS16０直接进行进位方式连接,即得千进制计数器。

结合以上各部分电路内容及设计要求分析,以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路得脉搏信号与时间信号通过控制电路实现对计数器得控制,使其能够准确得显示脉搏数。

根据此框图，各部分电路有如下几种设计方案：放大电路可以在同相放大器与反相放大器之间选择，二者几乎没有区别，在此选择使用反相比较器,整形电路可以用555构成得施密特触发器或者由运放组成得迟滞电压比较器，考虑到运放得使用较555简单方便,选择用运放构成迟滞比较器,倍频电路得形式很多，可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等，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得Ｄ触发器组成得4倍频电路。

基准时间产生电路得设计方案也较多，可以选择石英晶体振荡电路、５55定时器构成得单稳态触发器，因为石英晶体振荡电路还需要接入40６０集成芯片，使用比555复杂,所以选择5５５产生基准时间,计数译码显示电路得计数器设计有较多方案，可以选择1６０、１61、２７９等芯片均可以设置为1０进制来满足要求，在此选择使用普遍，较熟悉得16０作为计数器电路。

方案二
测量脉搏跳动固定次数(比如5次，10次)所需得时间，然后转换为每分钟得脉搏数.电路原理图如图２所示。

间电路由单稳态555产生一个周期为１5秒得信号。

整个电路得核心部分控制电路得工作，按下开关，输出为低电平，对计数器与D触发器进行清零,输出高电平。

计数器得脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路得输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。

由三输入与非门得输出信号作为计数器得时钟信号，驱动计数器计数。

计数器就是由１6进制得74LS1６0得１0进制计数器,三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位。

十位得计数受各位得影响,只有当个位计数到9后十位得使能端信号才有效。

十位开始计数,百位得计数原理同十位。

74ＬS1６0计数器集成运放放大电路,55５构成得单稳态触发器，D触发器组成得4倍频电路等电路。

脉搏传感器作用将脉搏信号转换为响应得电脉搏冲信号。

放大电路多种多样，本次试验采用比较简单，廉价得运放电路。

由一个运放器与三个电阻就组成了.放大倍数可调.倍频电路对脉搏进行调频，如将15S内传感器所获得信号频率4倍频即可得到对应一分钟得脉冲数，从而缩短测量时间。

５５5定时器就是为了实验在规定时间内完成。

本设计采用简单得74ＬS160作为计数器,因为它就是十进制计数器,无需改装,直接使用。

因为脉搏测量器所需得上百位得数字.因此将三片74ＬS1６０直接进行进位方式连接,即得千进制计数器。

结合以上各部分电路内容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路得脉搏信号与时间信号通过控制电路实现对计数器得控制，使其能够准确得显示脉搏数。

(１）传感器
脉搏传感器得作用就是将脉搏信号转换为响应得电冲信号.脉搏传感器就是脉象检测系统中重要得组成部分,其性能得好坏直接影响到后置电路得处理与结果得显示。

目前典型得脉搏传感器有以下三种:光电类、压阻类与压电类.传感器采用了红外光电转换器,作用就是通过红外光照射人得手指得血脉流动情况,把脉搏跳动转换为电信号。

传感器信号调节，该部分结构简单R1与R2得值分别选取510Ω与10KΩ，电源采用5V供电，红外线发光管采用TLN1０4接收三极管采用TＬP104。

本次设计中就是利用函数信号发生器,使用正弦波模拟人体脉搏跳动。

其原理电路如图3:
图3 红外光电传感器
(2）放大与整形
由于传感器输出电阻比较高,本次课程设计中得放大电路采用了同相放大器，如图所示，运放采用了OP07,电源电压采用正负5V,放大电路放大倍数为20倍左右。

整形电路在这里采用了最为简单得与非门电路。

电路如图4所示。

图４放大与整形电路
NE55３2ＡＩ得功能介绍：
1、等效输入噪声电压
５纳伏/Hz得典型值在１kHz
2、单位增益带宽,典型值为1０ＭHz
3、高直流电压增益，典型值为１０0Ｖ／ｍV
4、峰峰值输出电压摆幅为32V
典型得电压CC＋=＋1８Ｖ与ＲL=60０Ω
5、高转换率,典型值为9V／us
6、宽电源电压范围，+3V到+20V
NE5532AI管脚接线图
(3）倍频电路
该电路得作用就是对放大整形后得脉搏信号进行4倍频,以便在15ｓ内测出1ｍin内得人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间,以提高诊断效率。

倍频电路得形式很多,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得Ｄ触发器组成得4倍频电路.电路如图５所示。

图5 倍频电路
（4)定时电路
555定时器就是为了试验在15s内完成任务，使单稳态得时间长度为15s。

所
以定时时间为１5s。

本试验采用５５5单稳态定时电路.工作原理大概如下：
开关打开,RSＴ、VＣC、1端都为高电平，此时比较器1、２都输出高电平,输
出端输出为低电平. 触发时:开关打开，ＲST、VCC、1端都为高电平,此时比较
器1、2都输出高电平,输出端输出为低电平。

触发时：触发信号加在触发端,
比较器2输出低电平，锁存器置1，输出端输出高电平。

电源通过电阻R６向电
容C2充电，暂稳态开始。

经过一个小得延迟时间,触发信号消失，触发端为高电
平. 暂稳态结束时:随着电容得充电,当时间达到15ｓ得时候,电容两端电压为2
／3VCC，THR与TＨI为1/3VCＣ,此时输出变为低电平。

时间常数有t=1、１RC
可以求得。

取Ｃ5=10nF，C2＝4、7uF,Ｒ6=2、9MΩ。

图6 定时电路
图7 555内部原理图与逻辑图
（5)计数译码显示
这部分电路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来得功能。

对于这部分电路,有很多方案都可以实现这个功能，而且电路都很相似，对于计数器,选择曾在这个学期做过得电子技术实验中多次用到得十进制计数器74LS160。

电路如图8所示。

图8 计数与显示
芯片使用说明：
74LＳ1６0逻辑功能测试
74LS1６0就是中规模集成同步十进制加法计数器,具有异步清零与同步预置数得功能。

使用７４LS1６0通过置零法或置数法可以实现任意进制得计数器。

其引脚图见图9。

先对74LS1６0得基本功能进行测试，并将计数器得工作状态填入表９中。

①异步清零:当=0时,Q 0＝Ｑ1＝Q２＝Q３=０。

②同步预置:当=0时,在时钟脉冲ＣP上升沿作用下，Ｑ０=Ｄ0，Q1=D1,Q2＝D2，Q３＝D３.
③锁存:当使能端时，计数器禁止计数，为锁存状态。

④计数：当使能端EP=ET＝1时,为计数状态。

表9 74ＬＳ160得逻辑功能表
时钟CP异步清除同步置数EＰ
ET工作状态
×0×××清零
↑1０××预置数
×１10 1保持
×1１× 0保持（但C＝０)
↑１1１1送数
五、性能得测试
本次课程设计中就是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。

如图10所示.
图10 函数信号发生器
1.放大电路测试
在本次课程设计中,由于传感器电阻大,所以需要放大电路，放大电路得电路图为图１1所示，波形图如图12所示
图1１放大电路
图9 74LS160引脚图
图1２放大前与放大后得波形对比（Ａ通道为信号源波形,B通道为放大后波形）(２)倍频电路测试
四倍频电路:
原理图如图1３所示，其工作原理为:当a点为低电平稳定时，ｂ点为0。

a=b,c ＝0。

当a由低变高时,第一个异或输出为高.给电容充电,b点电压逐渐升高，当电压达到异或门得阈值电压２V时，c点为低。

高电平时间由R1，C1得值共同确定。

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点电位为高，直到电容放电致电压小于2Ｖ,ｃ点跳变为低。

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。

输入与输出波形如图１4所示。

输入脉搏信号用250HZ得矩形波，T=４mｓ。

前级二倍频电路得高电平应为2ms。

＝０、７RC=0、7×7K×0、４uF＝1、96ms。

经计算得：Ｔ
W
为使上升沿分布均匀,二级倍频电路得高电平应小于１/２T
.且如果电容过
Ｗ
大,则波形可能出现丢步现象.故我们只需要分布均匀得上升沿即可.所以：
＝0、7RC=0、7×1K×0、1uF=０、07mｓ
T
W2。

图13 倍频电路
图14 4倍频波形（A通道为频率放大4倍后波形,B通道为信号源波形）(３)定时电路测试
本次课题中，要求用１5秒测出1min得人体脉搏，所以用５５5定时器使输出端在15秒以内为高电平，15秒之后为低电平。

电路如图1５所示,波形如图16所示。

图１５555定时器部分电路
图1６555定时输出波形
(4)电路整体性能测试
在本次课程设计中当加入一个1Hｚ，１0V得信号源时,在1５秒时脉搏计上得示数为６0，在题目要求得误差范围内
图1７加入1hz信号源时1５秒所测出得脉搏数
其她测量值如表一所示
输入频率脉搏计显示
１Hz ６０
0、５Hz 30
2Ｈz 12０
10Hｚ600
六、结论
本次课程设计基本实现了课题得要求，将脉搏跳动信号转换为对应得电脉冲信号，放大整形后进行四倍频，并在15s(基准时间) 内对此信号计数,便得到了1min 脉搏数.
七、性价比
5５5集成芯片，74ＬＳ１60，ＮE5532AI，７4０0，７4LS86以及数码管都就是在市场上得销售价格都比较便宜，可以买到，并且常用得芯片，在一定条件上可以代替市场上销售昂贵得脉搏计。

此脉搏计,制作简单，方便,成本低廉,性价比良好。

八、实训心得体会
经过为期两周得数字电子技术综合课程设计实习,我学到了很多东西,这一课程设计使我们对课堂上所学得理论知识有了进一步得认识，并增强了我对数字电子技术这门课程得兴趣，我对实验要求有新得提高，增强我对焊接得严谨性,动手能力也有一定得提高，对电路板布线也知道了一些注意事项。

经过实训进一步加深对逻辑电路与一些常用IC如7４LS160、74０0、555等应用得熟悉与掌握.另外,我也发现自己对数电知识与电子设计软件掌握得不够，其次在此次设计过程中由于我们频繁得使用Multｉsiｍ10这个仿真软件，因此我也进一步熟悉了此软件得使用，同时使用电脑对绘图操作上有了进一步提高。

我首先应选出一个比较该兴趣得课题，然后根据设计题目得技术指标或电路所实现得功能，对各单元模块进行设计，在设计过程中遇到了一些问题,使得我查找各种相关资料，在增长知识得同时增强解决问题与动手得能力,锻炼我做事细心、用心、耐心得能力。

这一课程设计,使我向更高得精神与知识层次迈向一大步。

在以后得学习生活中，我会努力学习,培养自己独立思考得能力,积极参加多种设计活动，培养自己得综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力得人才而更加适应社会.最后将各单元模块进行总体设计并画出原理框图。

最后我们用仿真软件对我们所设计得电路进行了仿真,经过我们不断地调试才达到我们实际得要求。

通过这次实践，使我对抽象得理论有了具体得认识.也使对我专业知识与专
业基础知识做了一次实际检验与巩固,这次课程设计使我懂得了理论与实际相结
合就是很重要得，只有理论知识就是远远不够得,只有把所学得理论知识与实践
相结合起来，从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己得实际动手
能力与独立思考得能力。

通过实训明白数字电路得安装,焊接过程就是一个考验
人耐心得过程,对电路得安装、焊接、分析。

调试要一步一步得来,不能急躁，在
测试问题时对电路原理得理解显得尤为重要，只有明白原理才能很好得排除故
障，
当然,完成此次电路制作与老师得辛勤指导也就是有很大关系得,很感谢老师每天指导我们完成这次实训,总之这次得实训就是一次很好得理论结合实际得锻炼，从中受益匪浅。

九、参考文献
［1] 夏路易主编、数字电子技术基础、［M］北京：科学出版社，201２年
[2］毕满清主编、电力技术实验与课程设计、［M］北京:机械工业出版社，2005年
附录I 总电路图
A
04N
附录II 元器件清单。