数字脉搏计设计报告.docx
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数字脉搏计设计报告.docx
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数字脉搏计设计报告
湛江师范学院信息学院
课程设计报告
2013-2014学年第二学期
课程名称电子线路课程设计
设计题目电子脉搏计的设计
专业应用电子技术教育
学生姓名
学号
班级
指导教师梁启文
2014年6月
目录
电子脉搏计的设计1
1、系统的设计要求1
2、系统的构成1
2.1系统原理、设计思路与框图1
2.2信号放大部分2
2.3信号滤波部分3
2.4信号整形部分3
2.5信号倍频部分4
2.6计数部分5
2.7控制部分5
3、调试过程与方法6
3.1放大电路的调试过程6
3.2电平转换7
3.3倍频调试7
3.4计数显示7
3.5基准时间调试8
4.总结8
参考文献10
附录:
整机电路11
电子脉搏计的设计
摘要:
由于传统的把脉不够精确且不方便,此次电子脉博计的设计是依据光学检测人体组织的半透明性随每次心跳作周期变化:
当心脏收缩,将血液泵入动脉时,人体组织透明度较低。
这种现象不容易由眼明显看出,但可以由电子手段来方便地证实。
此次设计主要采用了LM324、74LS160、NE555、4511等芯片和面包板。
在此着重介绍电子脉博计的设计的一些制作过程,并阐述设计心得。
键词:
电子脉搏计;周期变化;LM324;NE555;制作过程
1、系统的设计要求
1)、实现在1min测量人体脉搏数,也可在15s内测量1min的脉搏数,并且用2-3位数码管显示其脉搏数。
2)、硬件部分使用模拟电子技术和数字电子技术方面的知识进行综合设计,可使用信号发生器进行调试。
3)、完成硬件部分电路的调试和课程设计报告。
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。
2、系统的构成
2.1系统原理、设计思路与框图
图2.1-1,设计思路流程图
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。
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(传感器输出电压一般为几个毫伏),它的基本功能应该是①用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号,并加以放大整形和滤波。
②在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。
设计思路流程图如图2.1-1所示,系统电路框图如图2.1-2所示
图2.1-2,系统电路框图
2.2信号放大部分
此部分电路的功能是有传感器将脉搏信号转换为电信号,一般为几十毫伏,必须加以放大,已达到整形电路所需的电压,一般为几伏。
“放大”的本质是实现能量的控制,即能量的转换:
用能量比较小的输入信号来控制另一个能源,使输出端的负载上得到能量比较大的信号。
放大的对象是变化量,放大的前提是传输不失真。
此设计采用了三级放大电路。
由于传感器输出电阻比较高,此电路主要采用LM324芯片实现放大。
此设计采用了熟悉的同相比例运算电路。
一级放大:
电阻R1=100Ω,R2=3.2KΩ,U0=(1+R2/R1)Ui,所以Au1=320左右,同理得Au2=6.2左右,三级放大:
Au3=6.2,左右,所以放大的增益为:
Au=Au1*Au2*Au3,大概放大10000倍左右。
放大电路图如图2.2-1所示,LM324引脚图如图2.2-2所示。
图2.2-1放大电路
图2.2-2LM324引脚图
2.3信号滤波部分
采用一阶低通有源低通滤波电路,此电路主要采用LM324芯片实现,如图2.3-1所示。
把脉搏信号中的高频干扰信号滤掉,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,通带截止频率,f0=1/(2πRC),其中,R=R3=1.6K,C=C1=1000pF,所以有源滤波电路的截止频率为l0Kz,通带电压放大倍数是Aup=1+Rf/R5,Rf=R6=620Ω,R5=100Ω,所以放大7倍左右。
图2.3-1一阶滤波电路
2.4信号整形部分
放大后的信号波形是不规则的脉冲信号,因此必须加以滤波整形,整形电路的输出电压应满足计数器的要求。
所选放大整形方案电路框图如图2.4-1所示。
门电路有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压,从而整形出方波。
此电路采用了555,芯片。
电路图如图2.4-2所示。
图2.4-1整形电路框图图2.4-2 整形电路
2.5信号倍频部分
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1min内的人体脉搏跳动次数,从而缩短跳动时间,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4倍频电路,如图3-6所示。
G1和G2构成二倍频电路,利用第一个异或门的延迟时间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间,从而加大输出脉冲宽度。
根据实验结果选用C4=C5=0.047μF,R13=R14=16KΩ。
由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。
其中异或门选用CC4070。
(由于在做倍频时遇到许多参数的校调问题,虽然在multisim仿真符合,但是落实到实验时遇到了许多问题,由于时间问题,没有完成这部分比较遗憾,同时也让我反省,在实验前,应该充分准备并预留足够的时间。
)
2.6计数部分
主要采用了74LS160实现十进制计数,4511芯片实现译码器的功能,数码管。
为了信号脉冲稳定,在CP处串联一电阻接地实现分压。
为了避免烧坏数码管,同样将数码管的公共端串联起来接一电阻接地。
S2开关起到清零的作用。
电路图如图2.6-1所示。
图2.6-1计数电路
2.7控制部分
基准时间产生电路的功能是产生一个周期为60s的脉冲信号,以控制在60内完成测量任务。
555芯片其引脚图如2.7-1所示,此电路主要采用了555芯片来实现延时,接通电源V由高跳低电平而延迟的电路,延时时间:
t=1.1RC。
R=R10+R11+R12+R13,C=C3C4/(C3+C4),电路图如2.7-2所示。
开关S1起到控制作用。
2.7-2基准时间电路
2.7-1555引脚图
3、调试过程与方法
3.1放大电路的调试过程
用信号发生源输入U0:
1Hz,5mV的正弦波,将输出接到数字示波器,可观察到输出1Hz,5V左右的放大正弦波。
放大电路仿真图如图3.1-1所示
图3.1-1放大电路仿真图
浅色是5mV1Hz信号输入
深色是放大电路信号输出,符合要求。
过程中遇到放大电路不稳定的问题。
上午放大电路还是正常的,下午再去实验室调试全局的电路时,,放大电路就不正常了,导致不能正常计数。
另外,信号源很不稳定,输入1HZ,5mvV-pp时,有时能达到5V,有时达不到,致使在电平转换时,没有预期的方波出现。
这时,我们尝试输入30Hz,5mVV-PP时,放大电路能正常工作,这时我们确认电路接线是正确的。
过程中有由于示波器显示不好,线接触不良等等问题,检查出原因后,问题得到解决,这增进了我们些信心。
3.2电平转换
放大滤波后的正弦波经整形后,得到方波。
仿真的结果如3.2-1所示。
图3.2-1整形仿真
3.3倍频调试
由于器件参数问题,虽然理论上电路图是正确的,但是总是得不到预想的结果。
这部分的电路没有测试成功,这也是本次设计的不足之处。
3.4计数显示
首先独自调式计数显示部分,看是否能正常工作。
刚开始遇到的是不能进位计数,后发现是在74LS160级联时接错了,及时纠正很快就完成了计数显示部分。
关于实现不显示计数过程的功能,最初出现的原因是对设计任务要求的理解不清。
本次计数过程中,数码管显示会空白不符合老师要求。
在将消隐引脚改回锁存引脚后,出现了完成脉搏计数后显示本次计数结果,下次计数一开始,数码管显示清零并锁存直到此次计数完成的现象。
另外,有时用701的实验仪器检测可以,转到703的实验室的仪器,反而不行了。
后来发现信号发生源输出的信号不稳定,所以决定采用实验箱提供电源和脉冲,经过多次调整,总算得到预想的结果。
但由于我刚开始不是很了解双开关的作用,所以接错了开关,致使不能清零。
幸好队友对此比较熟悉,告诉了我双开关的结构原理,我很快就改进了开关的接法,实现了清零功能。
CP端接1Hz,5mV经过放大滤波整形的电路,测试结果图如3.4-1所示。
图3.4-1计数测试
3.5基准时间调试
多次改线后以及换信号发生器问题得到解决,但是1分钟内没达到预期的效果,计数只有57,灯就灭了,锁存在57上,后来发现是由于555的问题,首先检查是否接触不良,后来发现不是,接着串接更大的电阻,发现只是增多一下,达到58,所以后来在47uf极性电容,本来是想找比47uf的极性电容大一点点的电容,可是没找到现成的器材。
我尝试采用了100uF的极性电容,虽然是将时间延长了,计数提高了,但是计数达到了104,并不是我们预想的结果。
于是我们采取了并接了2个1uf的电容,问题得到解决。
4、总结
经过足够充分的准备后,课程设计终于进入到实验室,我们很快就实现了最基础的计数功能;但是在放大和倍频上耗费了很多精力,由于最终老师去掉了倍频这一部分,所以实验还是顺利完成了。
4.1遇到的问题
a面包板问题接在面包板上的线接触不良
由于线比较多,所以找出原因是比较大的工程量,所以,我们决定将计数显示接在一块面包板上,放大电路、整形以及高低电平转换接在另外一块,面包上,这样能快速分工检查线路接触不良问题。
刚开始,由于经验不足,在找不到原因的情况下,将线全拔了,重新连接接线,发现这样并不是解决问题的办法,有时重新接线后,出现的情况还是一样,这样一来造成板的插孔变送了,这意味着接触不良的问题更多。
所以我们决定相互检查接线电路。
过程有由于误接引起的,有由于电阻搞错的等。
不过总能及时发现问题的所在。
b调试过程中遇到的问题
在调试部分已有详细的叙述,此处不作详述。
4.2实验中的成功之处
1).分工明确
接好线,为了避免错现接线错误,另外一方检查电路。
以及在一方接线时,另外地一方准备各种芯片、电容、电阻等原件。
2).默契合作和充分的准备
虽然在最后的关头,我们碰到了没有考虑到的问题,但是总体来说,其他部分的准备我们是足够充分的。
3).恰当的电路
虽然仿真出来的电路符合情况,但是实验过程遇到许多问题,最后采用经老师调好参数的实验电路图。
4).老师的得力指导
实验过程中遇到一些困惑很久的问题,老师的指点,使我们能顺利完成设计实验。
4.3设计心得
虽然之前有做过功放设计,但是设计电子脉搏计设计还是有些兴奋。
过程中虽然遇到许多问题,也有过放弃的念头,幸好,坚持到最后,让我更深一步意识到只要坚持,没什么做不到的。
另外,让我感受到队友间合作的愉快。
在实验调试的时光,让我感到很充实。
4.4成果展现
参考文献
[1]欧阳俊.基于BL-410的指端脉搏波采集系统应用研究实用预防医学[J].2004
[2]韩文波.光电式脉搏波监测系统.长春光学精密机械学院学报[J].1999
[3]申永山.电工电子技术实验与课程设计[M].北京:
机械工业出版社,2011:
142-143.
[4]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].北京:
高等教育出版社,1984.4
[5]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京:
高等教育出版社,2005.10
附录:
整机电路
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