数电课设——人体脉搏计数器

一、概述
随着时代的发展，人类进入了信息化电子时代，传感器技术作为现代技术的主要内容将有较大的发展。

信息技术包括技术、通信技术和传感器技术。

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。

现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，他们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。

传统的脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向较坚实的面，以使脉搏的感觉传到指尖，如果将动脉压上软的组织，则脉动波会被吸收或抵消，使指尖不易触觉脉动；指尖压在动脉上的力量要适中，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，特别是临床住院病人常规的监测上，这种手工测脉搏的方法不仅影响工作效率，并且不能连续监测，无法实时观察。

我们设计的数字脉搏计是一种自动测量人体脉搏的仪器，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的电子脉搏计，实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，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的测量人体微弱的脉搏信号，而且可以进一步实现显示记录功能。

二、方案论证
设计一个人体脉搏计，要求能够实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。

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

方案一
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 放大整形电路把传感器的微弱电流，微弱电压放大。

3倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。

如将30s内传感器所获得的信号频率2倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。

4控制电路用555定时器以保证在基准时间控制下，使2倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

5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。

上述测量过程中，由于对脉冲进行了2倍频，计数时间也相应地缩短了2倍(30s)，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±2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
方案二
测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为没分钟的脉搏数。

电路原理图如图2所示。

图2方案二脉搏计原理框图
这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。

为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。

本文进行的设计就基于这一方案。

三、电路设计
1．传感器
脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。

脉搏传感器是脉象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。

目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。

传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指
3
的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图
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，本次课程设计中的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的与非门电路。

电路如图4所示。

图4 放大与整形电路
3. 倍频电路
该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行2倍频，以便在30s内测出1min 内的人体脉搏跳动次数，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，成本比
较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的2倍频电路。

电路如图5所示。

图5 倍频电路
4．定时电路
555定时器是为了试验在30s内完成任务，使单稳态的时间长度为30s。

所以
定时时间为30s。

本试验采用555单稳态定时电路。

工作原理大概如下：
开关打上，RST、VCC都为高电平，由于有电容C3的存在、THR和THI为低电
平。

此时输出为低电平，随着电容的充电，当时间达到30s的时候，电容两端电
压为2/3VCC,THR和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C4=10nF，C3=4.6uF，R2=6M欧。

手动清零，只需将将开关断开就可以，电路如图6所示。

图6 定时电路
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的功能。

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，故不一一列举，对于计数器，选择曾在这个学期做过的电子技术实验中多次用到的十进制计数器74ls160，对这个芯片比较熟悉；对于译码器，由于74LS160输出的是8421BCD码，故应选择一个可以将8421BCD码译成7段输出信号以驱动数码管的芯片，CD4511可以满足这一要求。

电路如图7所示。

图7 计数与显示
四、性能的测试
本次课程设计中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8所示。

图8 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，放大电路的电路图为图9所示，波形图如图10所示
图9 放大电路
图10 放大前与放大后的波形对比（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
用2个异或门把频率放大2倍，电路如图10所示，波形如图11所示。

图11 倍频电路
图12 2倍频波形（A通道为频率放大2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30秒测出1min的人体脉搏，所以用555定时器使输出端在30秒以内为低电平，30秒之后为高电平，用开关清零。

电路如图13所示，波形如图14所示。

图13 555定时器部分电路
图14 555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的信号源时，在30秒时脉搏计上的示数为61，在题目要求的误差范围内
图15 加入1hz信号源时30秒所测出的脉搏数
其他测量值如表一所示
五、结论
本次课程设计基本实现了课题的要求，将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号，放大整形后进行二倍频，并在30s（基准时间）内对此信号计数，便得到
了1min脉搏数。

六、性价比
555集成芯片，74LS160，OP07，7400,4511，4070以及数码管都是在市场上的销售价格都比较便宜，可以买到，并且常用的芯片，在一定条件上可以代替市场上销售昂贵的脉搏计。

此脉搏计，制作简单，方便，成本低廉，性价比良好。

七、课设体会及合理化建议
通过这次实践，使我对抽象的理论有了具体的认识。

我了解了数字频率计的用途及工作原理，熟悉了熟悉频率计的设计步骤，锻炼了电子设计实践能力，培养了自己独立设计能力。

此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，我更加了解了本专业在实际生活中的应用，通过查阅各种资料，增加了我对本专业的了解，看着我们用专业知识可以解决多种实际问题，我更加热爱我的专业。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的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，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

参考文献
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附录I 总电路图
A 04N
附录II 元器件清单。