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课程设计
1概述
脉诊是中医传统诊断中最主要的一个诊断方法,已有近千年的历史,它是种无创伤的检测方法,简便易行。
但是,传统的诊断方法属于主观诊断,其结果容易受到生理、心理等变化的影响,使临床处理的有效性降低。
如果采用电子测量技术,就能够精确测量,还可以借助现代化的工具进行更高效、合理的判断和分析。
随着集成电路的发展,脉搏测量计必然向微型化、大众化、智能化发展。
脉搏测试系统可以从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据,历来都受到中外医学界的重视。
脉搏在很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征,因此对脉搏波采集和处理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生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。
本系统采用PVDF压传感器进行脉搏测量,经过放大滤波整流后将脉搏每分钟跳动的次数直接显示在数码管电路上。
系统硬件原理图如图1-1
图1-1所示系统框图中各部分的作用如下:
1)传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电信号。
2)放大与滤波整形电路将传感器的微弱信号放大,再进行滤波整形除去杂散信号。
3)倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。
如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频,即可得到对应一分钟的脉冲数,从而缩短测量时间。
4)基准时间产生电路产生短时间的控制信号,以控制测量时间。
5)控制电路用以保证在基准时间控制下,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。
2单元电路的设计
本系统由三大部分组成:
(1)信号调理电路;
(2)基准时间产生电路;(3)控制、译码、显示电路。
本系统采用PVDF压电传感器进行检测脉搏跳动次数,PVDF压电传感器由PVDF压电薄膜构成。
与其他压电材料相比,PVDF压电薄膜具有压电系数大、频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点,且重量轻、柔软不脆。
其压电常数g=174,相比石英晶体高10倍。
对该传感器的测试如下:
分辨率、灵敏度等指标均符合要求。
所以本设计方案中选取PVDF压电传感器作为脉搏测量传感器。
2.1放大与整形电路
如上所述,此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号,一般为几毫伏,必须加以放大,以达到整形电路所需的电压,一般为几伏。
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。
电平转换
有源滤波
压电传感器
前置放大
图2-1放大与整形框图
2.1.1选择电路
所选放大整形电路框图如图2-1-1所示。
图2-1-1放大整形电路
1)传感器等效电路如图2-1-2
图2-1-2传感器等效电路
2)前置放大电路:
前置放大电路对于脉搏波信号采集来说至关重要,考虑到脉搏信号的特点,为了放大噪声环境中传感器输出的弱信号,对于运放要求具有:
极高的共模和差模输入阻抗;很低的输出阻抗;精确和稳定的增益;极高的共模抑制比。
基于以上分析,选用ANALOGDEVICES公司生产的低功耗、高精度仪表放大器AD620作为前置放大的核心器件。
AD620功耗低,尺寸小,很适合于电池供电的便携式应用场合,AD620具有很高的精度,良好的线性、温度稳定性,较宽的动态范围,可以保证信号的不失真,通过外接电阻R3的选取可以确定其放大倍数。
其放大电路如图2-1-3。
放大倍数A设置为20倍,可计算出R3=2.6KΩ,取R1=R2=90kΩ,C1=C2=10uF.
图2-1-3前置放大电路
3)有源滤波电路:
采用了二阶压控有源低通滤波电路,如图2-4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,所以有源滤波电路的截止频率为40Hz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10倍左右。
集成运放采用LM324。
图2-1-4有源滤波电路
电路中既引入了负反馈,又引入了正反馈。
当信号频率趋于零时,由于C2的电抗趋于无穷大,因而正反馈很弱;当信号频率趋于无穷大时,由于C2的电抗趋于零,因而Up(s)趋于零。
可以想象,只要正反馈引入得当,就可以在f=fo时使电压放大倍数数值增大,又不会因正反馈过强而产生自己振荡。
因为同相输入端电位控制由集成运放和R7、R8组成的电压源,故称之为压控电压源滤波电路。
设定f0=20HZ,R5=R6=1K,R7=10K,则可得到R8=90K,C2=C3=0.32Uf.
5)整形及电平转换电路:
经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号,且有低频干扰,仍不满足计数器的要求,必须采用整形电路,这里选用了滞回电压比较器,如图2-5所示,其目的是为了提高抗干扰能力。
集成运放采用了LM339,其电路参数如下:
R9=5.1kΩ,R10=100kΩ,R11=5.1kΩ。
电源电压±5V。
由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号,不满足计数器要求的脉冲信号,故采用电平转换电路,如图2-1-5所示。
图2-1-5整形及电平转换电路
如图所示,二极管负端通过下拉电阻接地,当输出的电压大于0时,则二极管导通,输出高电平,当输出电压为负电压时,二极管截至,则输出0,满足计数器的脉冲信号。
2.2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2-2所示
如图2-2倍频电路
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=33μF,R12=10kΩ,R13=l0kΩ,C5=6.8μF。
由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。
其中异或门选用了CC4070。
UA和UB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。
输入输出波形如图2-2-3所示。
2.3基准时间产生电路
基准时间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,以控制在15s内完成一分钟的测量任务。
实现这一功能的方案很多,我们采用如图2-3-1的方案。
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。
2.3.1秒脉冲发生器
电路如图2-3-2所示。
为了保证基准时间的准确,采用了石英晶体振荡电路,石英晶体的主频为32.768kHz,反相器采用CMOS器件,R15可在5~30MΩ范围内选择,R15可在10~150kΩ范围内选择,振荡频率基本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。
这里选用R14为5.1MΩ,R15为51kΩ,C7为56pF,C6为3~56pF,反相器利用了CC4060中的反相器。
选用CC406014位二进制计数器对32.768kHz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进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。
图2-3-2秒脉冲发生器
2.3.2十五分频和二分频器
电路如图2—3-3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。
图2—3-3十五分频和二分频电路
2.3.3基准时间产生电路
基准时间产生电路如图2-3-4所示,可以产生周期为30S的脉冲信号,用于测量的计时。
图2-3-4基准时间产生电路
2.4计数、译码、显示电路
该电路的功能是显示出脉搏数,以十进制数形式用数码管显示出来,如图2-4-所示。
因为人的脉搏数最高是150次/min,所以采用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构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。
图2-2-4计数、译码、显示电路
2.5控制电路
控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时间,另外还应具有为各部分电路清零等功能如图2-5-1所示。
图2-5-1控制电路
3总结与展望
通过这次的课程设计,我学到了很多的东西,对电子信息工程这个专业有了新的认识,产生了不一样的情感。
以前只是单纯的学习理论知识,总是不知道学到的东西在现实生活中有什么用处,而这次课程设计让我认识到了学习的重要性,认识到自己专业的实用型。
学习不是一个蹴而就的事情,它需要慢慢的积累,不可以奢望什么东西毫不费力就记住。
这次课程设计,用到的很多东西都不是平时在上课时学到的,所以要学会搜索资料和查阅资料。
这一个周,我一直都在忙碌的做着这次的课程设计,但是复杂的电路开始时让我有些手足无措,有种无从下手的感觉。
于是我开始忙着查阅着各种资料,在网上寻找和图书馆资源,在大致确定了电路图的情况下,我还是不能完全理解电路图的所有内容,于是我开始向同学们请教,在我们都不能解决的情况下,我们开始向老师进行答疑。
做这次课程设计是一个很好的自主学习的过程,它可是很好的锻炼一个人的自主学习能力。
之前我们都是纯粹的学习理论知识,没有想过自己去动手做实物,也没有想着会自己去设计一件电子产品。
这次的课程设计可以说是一个新鲜的尝试,它充分的调动了我们的思维和对身边事物的好奇心,而且这次我们做的课题更加贴近生活,与我们的生活息息相关,对我的吸引力更大了。
以前我一直都特别崇拜那些发明了无数电子产品、方便了我们生活的工程师和发明家们,总觉得他们是离我们很遥远的人物,在这一刻,我才觉得,他们原来离我们那么近。
生活中,只要我们用心去观察、去思考,我们会发现好多对我们有帮助的事情。
我们也可以成为生活里的小发明家。
在课程设计中,设计思路是最重要的,只要思路是正确,那你的设计已经成功了一半。
因此在设计前做好充分的准备,会为设计的成功打下坚实的基础。
我觉得我这次设计,不管最后的方案是否是最合适的,但是我在做的过程上已经正确了,我是先发现困难,然后再想办法解决的,所以至少我是成功了一半,如果说设计的方案达不到完美,只能说我的知识储备量和实践能力还不够。
所以我们既要熟练地掌握课本上的知识,又要注重理论与实际相结合,这样的学习才是最好的学习方式。
总体来说,这次实习我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。
我觉得以后更要加强这方面的设计,提高自己的能力。
参考资料
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高等教育出版社出版
[2]康光华主编.1996.《模拟电子技术(模拟部分)》.北京:
高等教育出版社出版
[3]何道清主编.2008.《传感器与传感器技术》.北京:
科学出版社
[4]全国大学生电子设计竞赛组委会编.2003.《第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001年)》.北京:
北京理工大学出版社
[5]张洪润主编.2008.《传感器应用设计300例》.北京:
北京航空航天大学出版社出版社
[6]苏文平编.2002.《新型电子电路应用实例精选》.北京:
北京航空航天大学出版社出版社
附录一
符号类别
数目
R1,R2,R3,R5,R6,R7,R8,R9,R10,
R11,R12,R13,R14,R15,R16
15
C0,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7
8
压电传感器PVDF
1
二极管D1
1
运放AD620
1
运放LM324
1
LM339
1
CC4060
1
CC4013
1
按键开关S
1
D触发器
2
RS触发器
1
数码管
3
CC4518
3
HC4511
3
三输入与非门
1
两输入与非门
4
非门
1
附录二
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
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