电子脉搏计数器毕业论文设计.doc

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6080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0099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；译码器毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日前 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 方案一.72.2 方案二.72.3 方案比较.724 方案选择.7第三章 各单元电路设计.83.1 设计原理.83.2 电源电路设计.93.3 信号采集电路设计. .103.4 时基信号电路设计.113.5 放大整形电路设计.113.6 计数译码显示电路设计.123.7 整机电路原理图.153.8 印制电路板图.16第四章 核心芯片介绍.164.1 cd40110集成芯片介绍. .174.2 74ls00 四2输入与非门.184.3 555时基电路. .194.4 数码管的简解.204.5 lm317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.279.1电子脉搏计的参考电路. .279.2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0099，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220v20% 频率：50hz5. 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1.2537v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) + iadj r2输出调节电路中固定电阻1取100w，此时lm317的vref=1.2v，iadj=50ma，由于iadjuoh-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=（0.010.1）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cd40110cd40110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r1r7可按下式进行估算： r17=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1.52v），is为数码管的笔段电流（约为510ma),uce是三极管t的管压降（约为1v），则可求得r1r7约为0.5k,通常取510。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3-7 100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ag,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=214/602=136hz电阻rt的值应大于1k,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f0.017hz，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4.1.1 cd40110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。ag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09 时，bo 输出负脉冲;从90 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19 图表 4-1 图 4-24.1.3 推荐工作条件电源电压范围：3v18v 输入电压范围：0vvdd4.1.4 工作温度范围如表4.1 表4.1m类55125e 类4085输 入计数器功 能显 示cpucpdcrxlll加 1随计数器显示xlll减 1随计数器显示xxl保 持保 持xxxxh清 除随计数器显示xxxhl禁 止不 变xhll加 1不 变xhll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0.5v18v输入电压0.5vvdd+0.5v输入电流10ma储存稳定65150 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74ls004.2.1 74 ls00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tplhtphlpd5400/740011ns7ns40mw54h00/74h005.9ns6.2ns90mw54s00/74s003ns3ns75mw54ls00/74ls009ns10ns9mw4.2.2 引出端符号及真值表 图 4-4 图 4-5注：1a4a，1b4b 输入端； 1y4y 输出端4.2.3.封装形式双列直插封装4.2.4 74ls00极限值电源电压：7v 输入电压：5.5v4.3 555时基电路4.3.1 5g7555简要说明555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。555的内部结构可等效成23个晶体三极管。17个电阻.两个二极管.组成了比较器。rs触发器.等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上下比较器提供基准电压。所以称之为555。555属于come工艺制造。555定时电路的应用十分广泛,它由ttl集成定时电路和cmos集成定时电路,这二者功能完全相同,不同之处是:ttl集成定时电路的驱动能力比cmos集成定时电路大。555定时器是一种时间功能器件，由于其用途广泛，因而发展迅速。4.3.2 555定时器型号型号较多，如ne555、fx555（以上为ttl型）；cc7555、icm555、5g7555、5g7556、ch7556（以上为cmos型，其中5g7556、ch7556为双定时器）。4.3.3 5g7555内部逻辑框图4-6 图4-6 5g7555内部逻辑框图 4.3.4 5g7555定时器的引脚功能及表格4.3.5 5g7555定时器的引脚排列图以及芯片 图4-7 5g7555定时器的引脚排列图以及芯片图4.3.6 555定时器概要555定时器电路是一块介于模与数字电路的一种混合电路，由于这种特殊的地位，故555定时电路在报警电路、控制电路得到了广泛的应用。图4-6 555的内部电路，从图上可以看出，其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、放电管和几个电阻构成，由于比较器电路是一个模拟器，而触发器电路为数字电路，故其为混合器件。4.4七段数码管4.4.1 七段简要说明由7个发光二极管构成七段字形，它是将电信号转换为光信号的固体显示器件，通常由磷砷化镓（gaasp）半导体材料制成。故又称为gaasp七段数码管，其最大工作电流为10ma或15ma分共阴和共阳两类品种。常用共阴型号有bs201，bs202 ，bs207，lcs011-11等。共阳型号有bs204，bs206， la5011-11等。下图分别是共阴显示器，共阳显示器的引脚排列图。4.4.2 性能指标以及参数led数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有12 ma，最大极限电流也只有1030 ma，所以它的输入端在5 v电源或高于ttl高电平(3.5 v)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。4.4.3 数码管的内部结构以及相关图片（以共阴极为主） 图4-8 数码管的内部结构以及相关图片4.4.4 数码管图片展示 图4-9 数码管图片4.4.5 数码管使用条件 a-g段及小数点上加限流电阻，使用电压：+5v+6v，使用电流：静态总电流80ma（每段 10ma）；动态：平均电流 4-5ma峰值电流 100ma4.4.6 数码管使用注意事项说明数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；焊接温度：度；焊接时间：ms4.5 lm317集成稳压器lm317是常用的三端可调节正稳压器件，这个芯片我们经常用到，故在我就不详细说明了。电路的性能很稳定调压范围是1.25-37v，应用范围广，价格便宜，使用简单。4.5.1 下面是lm317的封装形式如图4-10图4-10 lm317的封装形式4.5.2 lm317的实物图4-11 图4-11 lm317的实物图第五章 系统调试把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。然后可在面包板上接上分立元件并进行调试。在调试的过程中可能会遇到由于逻辑门传输延时的存在而带来的竞争冒险和电源电压不稳定等问题 。1 测试使用的主要仪器：万用表，示波器。2 调试电路的方法和技巧是用红黑表笔测试接电源模块处，看是否有电压显示并用万用表测试电压是否为+6v，再用表笔分别测试各集成块和电阻，电容的电压，用示波器观察输出波形。注意用手背触摸一下，检查各仪器是否发热工作。3 测试的数据电压显示为6.10伏等。 4 调试中出现的故障，原因及排除方法有的电阻未接好，接触不良，检查发现问题，74ls00接地引脚不能接错等。 5. 按电子脉搏计的整机电路图，从左到右按信号的流向分级安逐级连接，测试。6. 调试抢答电路，检查控制开关是否正常工作，按键按下时，显示对应的数码，再按下其他键时，数码管显示的数值不变。7. 用示波器观察定时时间是否准确，检查预置电路的预置、显示是否正确。8. 检查计数显示电路是否正常显示，显示数值是否按设计要求显示。第六章 总结与体会2008年的三月我开始做毕业设计，历时一个多月，终于给我的大学生活画上了圆满的句号。但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中呀！毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。因此，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的,同时借助网络查资料。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录和保存下来以备后用。通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，下一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。有了研究方向，就应该动手实现了。刚开始设计的时候，总觉的难度很大，不知道从什么地方下手，对一些设计的步骤根本不知道怎么安排，怎么设计。不管学会的还是学不会的都感觉困难比较多，真是万事开头难。老师给我们详细讲解了设计的步骤，还安排了辅导时间。为我们圆满的完成任务奠定了良好的基础。在设计期间，遇到不懂的问题时，指导老师们都能细心的帮助我。同学之间虽然每个人的设计课题不一样，但我们之间还是会经常讨论，互相帮助，不紧学会了知识，而且还锻炼了我们的团队精神。我得出一个结论：理论必须与实践相结合，这样才能真正的学到真本领，从而达到学以致用的目的。 设计虽然已经结束了，但我从中学到了不少书本上没有的知识无形的知识。让我领悟了：“学而不思则罔，思而不学则怠；温固而知新，可以为师亦”。在以后的工作学习中，不断充实自己时刻为自己“充电”。我会以这次设计为基准，在以后的工作中不断提高自己的理论水平和实际操作能力。第七章 致谢 衷心感谢我的指导老师王海梅老师对我的指导。您开阔的思维、敏锐的洞察力以及详细的修改意见给我很大的启发。唯一的遗憾是我自己不够主动，错过了许多与您交流的机会。感谢同一小组的冉妙华和同班做毕业设计同学们对于我的鼓励与建议。感谢热爱电子的校友和朋友们热切关心我的论文进度，及时督促我认真扎实地完成论文写作，为我提供免费的设计条件和环境并帮忙我收集查找资料。感谢各位老师，在校的几年时间，感谢各位老师对我的教诲，感谢大家有缘能在生命中共聚三年，出现在彼此的生活中。我