电子脉搏计数器(毕业设计).doc
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电子脉搏计数器(毕业设计).doc
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陕西国防学院电子工程系毕业论文
内容摘要
本设计旨在糸综合模拟、数字电路知识,解决电子信息方面常见实际问题的能力,掌握一般电子电路设计方法与设计步骤。
全面的、系统的、精辟的讲解了电子脉搏计的原理电路设计、硬件选择和使用,应用到了模拟电子和数字电子的许多知识,内容丰富,图解叙述,版式新颖,通俗易懂,由浅到深。
为以后能够走向更复杂更实用的电子应用领域做好一定基础铺垫并其实用性强,设计中的各个集成电路的应用更加使设计趋于完整性。
电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器,也是心电图的主要组成部分。
正常人的脉搏次数是每分钟60~80次。
这种频率信号属于低频范畴.因此,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)的装置。
本设计主要由传感器、计数器、译码器和时基信号发生器等部分组成的数字脉搏测试电路。
能测量人在一分钟内的脉搏跳动次数,并以十进制数字显示,测量的脉搏数范围00—99次/分钟,适用于各个年龄及性别的人,能判断心率不齐等。
总之,脉搏计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数,最后以数字形式显示出来。
可见,脉搏计的主要组成部分是计数器和数字显示器。
关键字:
脉搏;低通数字脉搏测试;时基信号发生器;计数器;译码器
前言
本设计为一个电子脉搏计系统。
通过信号检测、信号处理、计数显示等几个功能模块的设计,实现了对人体脉搏的电子测量。
本设计给出了系统的功能特点,设计原理以及整机电路、调试步骤等,也是电子脉搏计测试脉搏信号的一次努力和尝试,无论在传感器设计、信号处理还是计数显示,都力求经济实用。
整个系统成本较低,结构简单,操作方便,易于实现。
脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足系统采集的要求。
目前的指端脉搏检测系统都是采用模拟技术来完成滤波,放大整型等处理,再经过模数转换和进一步处理。
随着电子测量技术的迅速发展,现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化、智能化的方向发展。
本设计为提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想。
本系统通过采样技术,通过传感器将脉搏跳动此你好转换为相应的电脉冲信号,然后再进行数字滤波处理,从而代替原有模拟电路完成放大滤波等工作,以简化设计,提高系统稳定性。
本设计文的内容是智能化测试脉搏信号的一次努力和尝试,无论是在传感器设计、信号处理还是计数显示,都力求经济实用。
通过对脉搏信号的测量,为预防和治疗疾病提供参考,有益于公众卫生事业。
目录
内容摘要....................................................................1
前言......................................................................2
目录......................................................................3
第一章设计任务和要求.......................................................5
第二章总体方案设计.........................................................6
2.1方案一...............................................................7
2.2方案二...............................................................7
2.3方案比较.............................................................7
2.4方案选择.............................................................7
第三章各单元电路设计......................................................8
3.1设计原理.............................................................8
3.2电源电路设计.........................................................9
3.3信号采集电路设计...................................................10
3.4时基信号电路设计....................................................11
3.5放大整形电路设计....................................................11
3.6计数译码显示电路设计................................................12
3.7整机电路原理图......................................................15
3.8印制电路板图........................................................16
第四章核心芯片介绍.......................................................16
4.1CD40110集成芯片介绍...............................................17
4.274LS00四2输入与非门..............................................18
4.3555时基电路.......................................................19
4.4数码管的简解.......................................................20
4.5LM317集成稳压器...................................................21
第五章系统调试及试验.....................................................23
第六章总结与体会.........................................................24
第七章谢辞..............................................................25
第八章参考文献...........................................................26
第九章附录...............................................................27
9.1电子脉搏计的参考电路.............................................27
9.2元器件清单.......................................................28
第一章设计任务与要求
1.要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器,这里采用压电陶瓷片实现声电转换,将脉博的跳动转换为电信号,并加以放大、整形和滤波,以保证其它电路能正常加工和处理。
2.设计一个定时电路,在一分钟内,测出经放大后的电信号频率值,测出每分钟的脉搏数。
3.输出并显示一分钟内脉搏跳动的次数,要求在一分钟内能够记录人体脉搏跳动的次数并计数,以十进制的形式显示出来,直观简单,计数范围在00—99,数码显示。
4.直流稳压电源部分,为整个电路提供能量,使电路稳定工作,其参数如下:
输入电压:
交流220V±20%频率:
50Hz
5.具有复位功能。
第二章总体方案设计
2.1方案一
把转换为电信号的脉搏信号,在单位时间内(一分钟)进行计数,并用字显示其计数值,从而直接得到每分钟的脉搏数。
脉搏计方案一图2-1所示。
图2-1脉搏计方案一
图中各部分的作用如下:
1.1.1传感器
将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。
1.1.2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。
1.1.3定时电路
产生时间基准控制信号,以控制测量时间。
1.1.4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。
2.1方案二
测量脉搏在固定时间(比如15s)跳动的次数,然后将所得到的脉冲信号的频率提高4倍频即可得到对应一分钟的脉冲数,如下图2-2所示。
图2-2脉搏计方案二
图中各部分的作用如下:
2.2.1传感器
将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。
2.2.2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。
2.2.3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倍频即可得到对应一分钟的脉冲数,从而缩短测量时间。
2.2.4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。
2.2.5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。
2.2.6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。
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,测量时间越短,误差也就越大。
2.3方案比较
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,成本更低,易于实现;第二种方案实现起来电路要复杂些,所用元器件数量多,成本相对高一点。
2.4方案选择
根据设计要求,在满足设计要求的前提下,应尽量简化电路,降低成本,使脉搏计轻巧而便宜,所以采用第一种方案。
第三章各单元电路设计
3.1设计原理
通过传感器(压电陶瓷片)来采集人体脉搏跳动次数,将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号,经过放大整形电路将传感器的微弱电脉冲信号放大,整形除去杂散信号。
定时电路产生时间基准控制信号,以控制测量一分钟内脉搏跳动的次数,并通过计数器进行计数,最后通过数码管显示出来。
其整机系统框图如图3-1
图3-1电子脉搏计整机系统框图
3.2直流电源电路
3.2.1电源电路工作原理
LM317输出电流为1.5A,输出电压可在1.25-37V之间连续调节,其输出电压由两只外接电阻R1、RP1决定,输出端和调整端之间的电压差为1.25V,这个电压将产生几毫安的电流,经R1、RP1到地,在RP1上分得的电压加到调整端,通过改变RP1就能改变输出电压。
注意,为了得到稳定的输出电压,流经R0的电流小于3.5mA。
电源部分电路图如图3-2
图3-2直流稳压电源图
3.2.2参数计算
稳压电源电路输出电压为:
VO=VREF(1+R2/R1)+IADJR2
输出调节电路中固定电阻R1取100W,此时
LM317的VREF=1.2V,Iadj=50mA,由于Iadj< 为了使用方便和降低成本,通过计算RP电位器直接取值: Rp=20Ω(即直接用电阻代替),是输出电压V0=+6V即可。 3.2.3注意的问题 焊接时要注意,电容C6应靠近IC的输入端,C7应靠近IC的输出端,这样能更好地抑制纹波 3.3信号采集电路 3.3.1方案一: 使用压电陶瓷片 为了把脉搏转换成电信号,应采用压电式传感器。 它有两种基本类型: 石英晶体和压电陶瓷。 前者温度稳定性和机械强度都很高,工作温度范围宽,转换精度也高。 而压电陶瓷是人工制造的压电材料。 优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜,只是温度稳定性和强度不如石英晶体。 电子脉搏计电路原理图中所用压电陶瓷片BC是一脉搏传感器,将它紧贴在人身部位时,它便把人体的脉搏信号转换为电信号。 由于该电信号很弱,故先通过运放进行放大,然后通过与非门进行整形,然后送入IC2进行计数。 3.3.2方案二: 压电薄膜传感器的设计 PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料,在医用传感器中应用很普遍。 它既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能,用它制作压力传感器,具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适,能紧贴体壁,以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点,可用于脉搏心音等人体信号的检测。 脉搏心音信号携带有人体重要的生理参数信息,通过对该信号的有效处理,可准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠的诊断依据。 图3-3为传感器的阻抗变换器和阻抗曲线: 图3-3传感器的阻抗变换器和阻抗曲线 3.3.3通过比较两种方案 方案二压电薄膜传感器虽然精度高使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适,但是成本很高;方案一目前应用更多的是压电陶瓷片。 它在性能上能满足电子脉搏计的设计要求,而且成本低是一个重要因素,所以选择压电陶瓷片。 3.4放大与整形电路 3.4.1方案一 如图3-4所示,其中非门G1和G2构成两级放大器,G3和G4构成施密特触发器,完成整形功能。 图3-4放大整形电路 为了使G1和G2非门处于传输特性的线性区,应适当选取反馈电阻R1的组值。 其阻值不能太小,否则非门的输出与输入之间的信号直接馈通。 一般R1值应比非门的输出电阻R0大两个数量级(非门R0=8~15KΩ),但R1的阻值也不能太大,否则将使工作点稳定性变差,甚至有可能偏离出线性区,为此,R1值应比非门的输出电阻Ri小1~2个数量级(非门Ri=1010Ω),所以R1=1~10МΩ,可选为5.0МΩ、2.2МΩ等值。 由非门构成的放大电路,其放大倍数约为20倍。 一般是不可调的,如放大倍数不够,可采取多级放大器级联起来增大放大倍数。 G3和G4门通过正反馈构成施密特触发器,电阻比值R2/R3影响其回差值,一般先确定电阻R3,可根据 R3>>UOH-UTH/IOH(max) 选R3,式中UOH为门电路的输出高电平(≈VDD),UTH为门电路的阈值电压(≈VDD/2),IOH(max)为所选门电路的高电平输出电流最大允许值。 由于这里的施密特触发器主要用来对输入电压进行整形并提高抗干扰能力,通常可按R2=(0.01~0.1)R3的关系来选取电阻R2的阻值。 3.4.2方案二 如图3-5所示,用与非门D1组成的线性放大器进行放大,放大了的信号再由与非门D2进整形,将电脉冲信号送到CD40110的9引脚,元器件参数计算和方案一相同。 电路简单,能够满足设计要求。 图3-5放大整形电路 3.4.3方案比较 经过比较,在能满足设计要求的前提下,选方案二。 3.5计数译码显示电路 3.5.1方案一: 采用集成芯片CD40110 CD40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器,具有加减计数,计数器状态锁存,七段显示译码输出等功能,其详细资料见后面核心芯片介绍。 参数计算: 数码管限流电阻值根据数码管电流的允许值进行计算。 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1.5~2V),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),则可求得R1~R7约为0.5KΩ,通常取510Ω。 若把电路中的某位显示电路单独画出来,如图3-6所示。 图3-6计数译码显示电路 3.5.2方案二: 采用74HC161十六进制加减计数器,译码器CD4511构成计数译码电路74HC161是十六进制计数器,采用两片74LS161芯片设计一个100进制计数器,电路图3-7如下: 图3-7100进制计数器 译码器的功能是把计数器74LS161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是常用的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。 本设计采用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、灯测试和熄灭显示控制功能,它们分别由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭控制端/BI来控制。 3.5.3方案比较 通过比较,选择方案一,集成度高,可以简化电路,使得电路更简单,而且CD40110这一芯片价格不是很贵。 3.6时基信号产生电路 时基电路应产生一个方波定时脉冲,用来控制计数器CD40110的计数允许端,以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数,固定时间为一分钟。 时基信号产生有两种方案: 3.6.1方案一: CD4060 为了得到精确的定时信号(计数器的门控信号),采用振荡,分频的方法。 CD4060是一个14位二进制窜行计数器(分频器),但是它内部除了有14个T触发器(组成14位计数器)外,还包含一个振荡器,只要在CP1,CP0和/CP0端外接电阻和电容,就可以构成RC振荡器. 图3-8基准信号电路 为了得到60秒脉宽的定时信号,RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到,该单元电路图3-8所示,则RC振荡脉冲的频率f0应为 f0=214/60×2=136HZ 电阻RT的值应大于1KΩ,电容CT应大于或等于100PF,一般可先选定电容CT容量,再根据上式可估算出电阻RT之值。 电阻RS是为了改善振荡器的稳定性,减少由于器件参数的差异而引起振荡周期的变化而接入的,RS的阻值应尽量大于RT,一般可取RS=10RT,此时振荡周期的变化大为减小。 为了得到准确的振荡频率值,实际上RT和RS均应采用电位器,以便调整。 3.6.2方案二: 采用5G7555实现 60秒脉冲产生电路由555定时器和外接元件R2、C2构成多谐振荡器。 输出脉冲的频率为: 经过计算得到f≈0.017Hz,即60秒。 电路原理图3-9 图3-9 3.6.3经过方案比较 选择方案二,方案二简单,应用到的元器件少,成本低。 3.7电子脉搏计整机电路原理图 第四章核心芯片介绍 4.1核心芯片CD40110介绍 4.1.1CD40110简要说明 CD40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器,具有加减计数,计数器状态锁存,七段显示译码输出等功能,通常将具有这样功能的电路集称为“四合一电路”此类集式电路功能较强,采用这样的电路有利于缩小整体的体积,减小装置的连线,使故障率降低。 CD40110内部按“二——十”进制加减计数方式工作,如果使CD40110工作在计数方式,其计数部分与CD451118相同,CPu与CPd为加减计数方式的输入端,通过其内部计数预处理及控制单元,实现按“二——十”进制加减计数方式。 计数器的输出通过所存器送给译码器,转换成可供显示的七段等,并经驱动电路输出。 a~g为驱动器的输出端和七段共阴极,LED显示器可直接相连。 不必加限流电阻。 /TE端为使能端,高电平有效,Qco与Q80为进位和借位输出端,供多级连接使用。 CD40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。 由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑,因此当一个时钟输入端计数作时,另一个时钟输入端可以是任意状态。 CD40110的进位输出CO和借位输出BO一般为高电平,当计数器从0~9时,BO输出负脉冲;从9~0时CO输出负脉冲。 在多片级联时,只需要将CO和BO分别接至下级CD40110的CPU和CPD端,就可组成多位计数器。 4.1.2引出端符号功能介绍以及引脚图 17 图表4-1图4-2 4.1.3推荐工作条件 电源电压范围: 3V~18V输入电压范围: 0V~VDD 4.1.4工作温度范围如表4.1 表4.1 M类 -55℃~125℃ E类 -40℃~85℃ 输入 计数器 功能 显示 CPU CPD CR X L L L 加1 随计数器显示 X L L L 减1 随计数器显示 X X L 保持 保持 X X X X H 清除 随计数器显示 X X X H L 禁止 不变 X H L L 加1 不变 X H L L 减1 不变 4.1.5极限值、功能表、芯片内部逻辑图 表4.2 电源电压 -0.5V~18V 输入电压 -0.5V~VDD+0.5V 输入电流 ±10mA 储存稳定 -65℃~150 内部逻辑图如图4-3 陕西国防学院电子工程系毕业论文 4.2四2输入与非门74LS00 4.2.174LS00简要说明 00为四组2输入端与非门(正逻辑),共有54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00四种线路结构形式,其主要电特性的典型值如下表4.3 表4.3 型号 Tplh Tphl PD 5400/7400 11ns 7ns 40mW 54H00/74H00 5.9ns 6.2ns 90mW 54S00/74S00
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