课程设计（论文）-数字式脉搏传感器设计报告.doc

第 14 页2019-3-4第 14 页 共 14 页 电信0401目 录1 设计方案21.1 设计目的21.2 设计要求21.3 设计思路22 设计原理框图23 设计内容及各部分简介33.1单元电路简介33.11 定时控制器33.12 电压放大器43.13 计数译码显示电路43.2部分元器件功能简介53.21 压电传感器53.22 555定时器104 元器件清单及总原理图114.1元件清单114.2总原理图115 设计过程中遇到的问题及其解决方法126 功能简介137 心得体会138 参考文献13 9 致谢14第一部分 设计思路设计目的：1. 加深理解数字电路的基本理论知识，学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤，进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。2. 学习和练习在焊接上接线的方法、焊接的技术及需要注意的问题。3. 学习数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法。4. 练习细致、认真的习惯。5. 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。6. 培养一种分工协作的团队精神。7. 学会熟练的查找相关资料。8. 加深对protel、autocad等相关软件的使用方法。设计要求：设计出一种数字式脉搏传感器。具体要求如下：1. 使用灵敏度较高的脉搏传感器（能发出10mv的脉动信号）。2. 测量误差不大于%1。3. 具有二位数字显示功能。4. 设计一个脉宽t=1minute的产生电路。5. 具有复位、启动及锁寸功能的电路图。6. 撰写设计报告、调试报告及心得体会。设计思路：电子脉搏仪的目的是检测人的心率。我们采用压电陶瓷片作为脉搏传感器。压电陶瓷片是一种声电转化元件，在受到外界压力或振动时会因压电效应而产生微弱的电流，利用电压放大器将其放大作为记数脉冲输入计数器，便可以用来测量人的脉搏。第二部分：设计原理框图： 原理框图如下页（图2-1），由脉搏传感器、电压放大器、定时控制电路和计数与显示电路组成。 图2-1第三部分 设计内容及各部分简介31单元电路简介：1.定时控制器图3-1脉搏的测定都是用每分钟多少次来确定的，如果将脉搏测试仪比作频率计，这个频率计的 门控信号不是秒而是分。本电路采用由5g7555（ic4）组成的单稳态触发器（图3-1）作为门控信号，它的暂稳时间是60秒。ic4的输出端接三合一计数电路的锁定端le，平时（稳态时）ic4输出高电平，将计数电路锁定使其不能计数。当测定开始时按下启动按钮sa1，ic4进入暂稳态，它的输出端3脚输出低电平将解除锁定，计数器开始计数。60秒后ic4翻转进入稳态。3脚输出高电平将计数器锁定，计数结束，完成一次测试。2.电压放大器图3-2与非门hd1411的 一个门f1和c1，r1组成积分式放大电压器，将传感器所接受到的微弱脉搏脉冲电流加以放大，经过f2反相和整形后输入三合一电路cd40110的 计数输入端。 （图3-2）3.计数译码显示电路。由三合一电路cd40110组成，其中ic2作为个位计数，ic3作为十位计数。ic2的进位输出端qcd接ic3的计数输入端cp。c4、r3组成微分电路产生清零脉冲，接通电源后产生清零脉冲、输入计数器的r端使计数清零，然后开始计数。直到定时器输出门控信号后使其停止计数。（图3-3） 图3-332 部分元器件功能简介：1. 压电传感器 压电传感器也称为压力传感器。它是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压电传感器主要是利用压电效应制造而成的。我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。图3-4为压电敏感元件受力变形的几种形式。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范 围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点” ）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度 和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人 造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、 pzt 、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是 这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种 常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电 式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛 的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发 动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮 子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，本实验就是采用压电陶瓷片作为脉搏传感器测量人的脉搏。还有比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变 式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。 图3-42. 555定时器555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路，按其工艺分双极型和cmos型两类，其功能灵活，使用范围广，该电路在定时，检测，控制，报警等方面得到广泛应用。图3-5是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器a1、a2，一个rs触发器，一个放电三极管和三个5k电阻的分压器而构成。图3-5 555定时器组成框图它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端vss或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源vcc，双极型时基电路vcc的范围是4.5 16v，cmos型时基电路vcc的范围为3 18v。一般用5v。3脚：输出端vo2脚：低触发端6脚：th高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、th处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：vc为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01f电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器a1、a2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表31示。清零端高触发端th低触发端qn+1放电管t功能00导通直接清零10导通置011截止置11qn不变保持表315555定时器的应用：构成多谐振荡器用555定时器构成多谐振荡器的电路和工作波形如图3-6所示，（a）多谐振荡器电路 （b）工作波形图3-6 多谐振荡器电路和工作波形输出高电平时间 输出低电平时间 振荡周期 输出方波的占空比构成单稳态触发电路用555定时器构成的单稳态触发电路和工作波形如图3-7示。（a）单稳态触发电路 （b）工作波形图3-7 单稳触发电路和工作波形输出正脉冲宽度 tw = 1.1rc图3-7（a）电路只能用窄负脉冲触发，即触发脉冲宽度ti必须小于tw。第四部分 元器件清单及总原理图1元件清单 htd-27型压电陶瓷片1只、5g7555型定时器1只、tc4011bp集成块1只、cd40110集成块2只、0.51k电阻14只、20k电阻1只、12m电阻1只、0.01uf电容2只、4.7 uf电容1只、1000pf电容1只、开关两只、6v稳压电源、两位共阴数码管1只。2总原理图如图4-1。 图4-1第五部分 设计过程中遇到的问题及其解决方法1测万能板状况的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是虚焊还有的是万能板上的铜片脱落。重新焊接后再用万用表测试均接触良好。2. 接线过程中，经常会出现不关联的线短接在一起，这样就容易短路，烧毁器件。主原因是焊锡放的太多或是线太粗，之后就改用细线，在焊接过程中也相当注意。避免导致不必要的损失。3. 首先我们是面包板来插入部分电路，为了验正5g7555和cd4011的功能，也就是原理图中的放大、整形电路，和定时电路，结果是正确的。后来在万能板上焊接时，我们力求精确，仔细焊接、尽量减少错误。4. 在接数码管时，一开始把电阻和数码管与ic2、ic3两集成块的引脚接错了，后来仔细查阅相关资料，弄清了共阴数码管的确切的引脚分布，然后成功布线。5当所有的线路接好后，开始检测电路，之后进行验证起功能。在检测的过程中发现ic3的7脚未接，进行了补接，但接上之后数码管还是不显示。我们首先从定时电路开始检查，ic4的3脚没有电压，经反复检测发现是开关响应时间太长。说明定时电路没有问题。整形电路，放大电路经检查都无错，数码管的引脚接法也正确，但就是不显示。经同组人员的细心观察，才发现是数码管的接地引脚漏接，接上数码管的接地脚之后数码管开始显示，调试初步成功。6. 在对各个部分电路检测时，发现555定时器3脚输出变化缓慢，依据原理，应该是当开关sa1断开时3脚为高电平，当sa1闭合时，3脚输出为低电平。但实际情况与此相反，由此判断开关接反了，但引脚此时已全部焊好，不易改变，所以在运用时要特别注意，也就是当开始计数时，应该让开关断开。7当所有的错误都改正后，数码管有了数字显示且也有跳动。（注意：由于此电路缺少压电陶瓷传感器，所以我们要用1hz的方波来代替作为信号输入，但频率不可太大，否则数码管跳动的太快，肉眼无法观察，上面只会显示88，看不出变化）开关断开时，计数开始，但当开关闭合时，计数却不能停止，这是因为开关断开或闭合时有一个缓冲过程，也就是有一个反映时间。第六部分 功能简介用压电陶瓷片制作的传感器将脉动信号转变为电信号。由于此信号很弱，故用与非门f1组成的线性放大器进行放大，放大了的信号再由与非门f2进整形，然后送入ic2的加法计数输入端进行计数。ic2、ic3能否计数，由它们的锁定端决定：当锁定端为低电平时，允许计数脉冲输入；当锁定端为高电平时，计数器被锁定，不能计数。ic4(5g7555)组成定时电路，其输出端与ic2、ic3的锁定，平时5g7555的脚输出的高电平，ic2、ic3计数禁止，当si被按一下时，3脚输出变为低电平，电容器c2经r2充电定时开始，ic2、ic3允许计数脉冲进入。经60秒钟后，ic4定时结束，输出端翻转为高电平，计数器停止计数，led数码管就显示出了1分钟脉搏跳动的次数。c4和r3构成一清零电路，在s接通的瞬间，使ic2、ic3复零。本仪器使用时，先把电源开关s接通，然后把压电陶瓷片按在人体脉搏跳动较明显的部位，按一下sb即可开始计数。第七部分 心得体会在本次设计过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是难，看似很简单的电路，要动手把它设计出来是很难的一件事情，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一件难事，不过通过这次课程设计，我学会了很多解决问题的方法。我觉得在以后的学习过程中，我们要把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是以后的学习还是就业，都会起到很大的帮助。这也是以后立足社会所必须要掌握的学习方法。通过这次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，并且很重要的是我知道我们所学的知识能够运用到实践中，还有这次的课程实际提高了我们在图书馆查找资料及运用互联网搜集、查阅相关文献材料的能力，从中我发现了自己的很多不足，以后我会逐渐弥补自己在这方面的不足。下一个阶段的学习中我会更加努力，力争把我们的专业课学好学精。还有这次作图过程中巩固了我们所学的 autocad，我觉得自己这门软件学的还好，作图过程中没有遇到说明大问题，但是对protel我还不是太熟悉，基本不会用，以后我会抽时间把它学好，因为我知道这门软件对我们专业非常重要。第八部分 参考文献1肖景和数字集成电路应用精粹m北京人民邮电出版社，2002146-1472康华光，邹寿彬电子技术基础数字部分m第四版北京：高等教育出版社，199845-46，371-3733张友汗电子线路设计应用手册m福州：福建科学技术出版社，2001.578-5794陈晓文电子线路课程设计（m）北京：电子工业出版社，2004.51-545华永平，陈松电子线路课程设计仿真、设计与制作（m），2002.35-416陈大钦电子技术基础实验（m）第二版北京：高