毕业论文-脉搏计的设计.doc

四川信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计（论文）题目: 脉搏计的设计 专 业: 通 信 技 术 班 级: 通技 06-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二 OO 八年十二月三十日 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 姓 名班级通技 06-2专 业通信技术 设计题目脉搏计的设计 备 注 设计(论文)内容: 设计一个由传感器、计数器、译码器和时基信号发生器等部分组成的数字脉搏。 基本任务: 1要求能测量人在一分钟内的脉搏数，并以数字显示 2测量的脉搏数范围 40200 次分钟，适用于各个年龄及性别的人 3能判断心率不齐且进行告警显示。 进度安排： 第一阶段(2008.09-2008.10):完成资料收集; 第二阶段(2008.10-2008.11):完成单元电路和总电路设计及工作原理叙述,电路性能指标验算; 第三阶段(2008.11-2008.12):进行调试,防真,编写报告准备答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 欧阳俊，谢定基于 BL-410 的指端脉搏波采集系统应用研究，实用预防医学，2004 2 韩文波，曹维国，张精慧光电式脉搏波监测系统长春：长春光学精密机械学院学报，1999 3 唐程山.数字电子技术北京：人民邮电出版社，2005 年第 1 版 审 批 意 见 教研室负责人: 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 I 目 录 摘 要 .1 第 1 章 绪 论 .2 1.1 目的与意义 .2 1.2 思想与方法 .2 第章 方案设计 .3 2.1 方案比较与论证 .3 2.2 方案选择 .5 第章 单元电路设计 .6 3.1 放大与整形电路 .6 3.1.1 传感器 .6 3.1.2 放大电路 .6 3.1.3 有源滤波电路 .7 3.1.4 整形电路 .7 3.1.5 电平转换电路 .7 3.2 倍频电路 .8 3.3 基准时间产生电路 .8 3.3.1 秒脉冲发生器 .9 3.3.2 十五分频和二分频器 .9 3.3.3 基准时间产生电路 .9 3.3.4 计数、译码、显示电路 .10 3.3.5 控制电路 .13 总 结 .14 致 谢 .15 参考文献 .16 附 录 总电路原理图 .17 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 17 页 摘 要 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。要求能测量人在一分钟内的脉搏数，并以数字显示，测量的脉搏数范围 40200 次分钟，适用于各个年龄及性别的人，能判断心率不齐且进行告警显示。 关键词 数字脉搏测试；时基信号；发生器计数器；译码器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 17 页 第 1 章 绪 论 1.1 目的与意义 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。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。 脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合 信息，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电生理信号，必需经过放大 和后级滤波以满足采集的要求。 1.2 思想与方法 目前的指端脉搏检测系统都是采用模拟技术来完成滤波，放整型等处理，再经 过模数转换和进一步处理。这种方法不仅增加了硬件的复杂程度，增大了功耗和体 积，更主要的是增加了系统不可靠和不稳定因素。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、自动化的方向发展。本文针对目前的脉 搏波检测系统的问题，提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想，采用了 ADI 公司 生产的 ADC841 单片机，它的体积小，功耗低，内部集成了 8052 微处理器的内 核，精确、高速的 8 通道 12 位模数转换（其最高转换速率 420Ksps） ，双 12 位的输 出电压数模转换器，并提供了 62k 字节闪速电擦除程序存储器、8k 字节闪速/ 电擦 除数据存储器、以及 2304 字节的数据 RAM 等。本系统利用过采样技术，通过对光 电转换后的电信号高速采样实现高分辨率模数转换，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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 17 页 第章 方案设计 2.1 方案比较与论证 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。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： 用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波； 在短时间内(15s 内)测出每分钟的脉搏数。 本设计要求实现在 15s 内测量 lmin 的脉搏数，并且显示其数字。常人脉搏数为 6080 次min，婴儿为 90100 次min，老人为 100150 次/min。 满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。 方案 1：如图 2-1 所示。 图 2-1 方案 1 方框图 图中各部分的作用如下 传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。 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。 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。 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。 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。 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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 18 页 电源电路按电路要求提供符合要求的直流电源。 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。 方案 2：如图 2-2 所示。 图 2-2 方案 2 方框图 该方案是首先测出脉搏跳动 5 次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的 次数，这种测量方法的误差小，可达1 次min。此方案的传感器、放大与整形、 计数、译码、显示电路等部分与方案 1 完全相同，现将其余部分的功能叙述如下： 六进制计数器用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。基准脉 冲(时间)发生器产生周期为 0.1s 的基准脉冲信号。门控电路控制基准脉冲信号进入 8 位二进制计数器。8 位二进制计数器对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如 5 个脉搏周期为 5s，即门打开 5s 的时间，让 0.1s 周期的基准脉冲信号进入 8 位二进 制计数器，显然计数值为 50，反之，由它可相应求出 5 个脉冲周期的时间。 定脉冲数产生电路产生定脉冲数信号，如 3000 个脉冲送入可预置 8 位计数器输 入端。 可预置 8 位计数器以 8 位二进制计数器输出值（如 50）作为预置数，对 3000 个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到 60 个脉冲信号） ，即心率，从而完成计数 值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 17 页 2.2 方案选择 方案 1 结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案 2 电路结构复杂，成本高， 测量精度较高。根据设计要求，精度为4 次min，在满足设计要求的前提下，应 尽量简化电路，降低成本，故选择方案 1。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 17 页 第章 单元电路设计 3.1 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 十毫伏，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。 选择电路：所选放大整形电路框图如图 3-1 所示。 图 3-1 放大整形电路框图 3.1.1 传感器 传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情 况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图 3-2 所示。 图 3-2 传感器信号调节原理电路图 3-3 相同放大器电路 图中，红外线发光管 VD 采用 TLN104，接收三极管 TLP104。用+5V 电源供电， R1取 500，R2取 10k。 3.1.2 放大电路 由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图 3-3 所示， 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 18 页 运放采用了 LM324，电源电压5V，放大电路的电压放大倍数为 10 倍左右，电路 参数如下：R4=100k，R5=910k，R3为 10k 电位器，C1=100F。 3.1.3 有源滤波电路 采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图 3-4 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 lkHz 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 1.6 倍左右。集成运放采用 LM324。 3.1.4 整形电路 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 3-5 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： R10=5.1k，R11=100k，R12=5.1k。电源电压5V。由于 LM339 属于集电级开 路输出，使用时输出端应加 2k 的上拉电阻。 图 3-4 二阶有源滤波电路 图 3-5 施密特整形电路和电平转换电路 3.1.5 电平转换电路 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，见图 3-5。 放大与整形部分电路如图 3-6 所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 18 页 图 3-6 放大与整形部分电路 3.2 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 3-7 所示。 图 3-7 四倍频电路 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=33F，R13=10k，R14=l0k，C5=6.8F。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。 3.3 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 3-8 的方案。 R 3 R 4 C 2R 9 R 10 R 11 + R 12 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 18 页 图 3-8 基准时间产生电路框图 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。 3.3.1 秒脉冲发生器 电路如图 3-9 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 530M 范围内选 择，R16可在 10150k 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 R15为 5.1M，R16为 51k，C6为 56pF，C7为 356pF，反相器利用了 CC4060 中的反相器，如图 3-9 和 3-10 所示。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 3-9 石英晶体振荡器图 3-10 秒脉冲发生器 3.3.2 十五分频和二分频器 电路如图 3-11 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。 3.3.3 基准时间产生电路 如图 3-12 所示。 Q 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 18 页 图 3-11 十五分频和二分频电路 图 3-12 基准时间产生电路图 3.3.4 计数、译码、显示电路 该电路的功能是读出脉搏数，以十进制数形式用数码管显示出来，如图 3-13所 示： 图 3-13 计数、译码、显示电路 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 构成 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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 18 页 译码器的功能是把计数器 CD4553 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。本文采用 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。 CD4511 的管脚排列如图 3-14 所示。 由表可见，当锁存允许端 LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端 ag 随输 入 AD 端而变化，当 LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端 /BI=“0”时，译码器输出全“0” ，因此，正常工作时应使/BI 为高电平。另外灯测 试端/LT=“0”时，译码器输出全“1” ，数码管各段均亮，即显示 8，用来检测数码 管是否正常。当输入 BCD 码大于 1001 时，七段显示输出全“0” ，各段均不亮。 图 3-14 CD4511 管脚排列图 译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片 CD4511 译码器，这种显示 方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式的原理图如图 3-15 所示。该 图为三位 LED 显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对 共阴 LED 数码管）D1，D2，D3 分别被计数器 CD4553 输出的扫描时序脉冲 DS1，DS2，DS3 控制（本设计电路中 DS1DS3 经三极管 BG1BG3 控制 D1D3） ， 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 18 页 从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率 合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率 与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫 兹，可由 CD4553 接入的电容 CS 值调整来决定。 图 3-15 三位 LED 数码管显示电路 数码管限流电阻值根据数码管电流的允许值进行计算。若把电路中的某位显示 电路单独画出来，如图 3-16 所示。 图 3-16 显示电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 18 页 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。 3.3.5 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 3-17所示： 图 3-17 控制电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 17 页 总 结 脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题，本文 设计的脉搏波检测系统以光电检测技术为基础，并采用了脉冲振幅光调制技术消除 周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。并利用过采样技术和数字滤波等数字信号 处理方法，代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能。本系统模拟电路简单，由 ADC841 芯片实现脉搏信号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积小， 功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC 机) 的实时通讯，因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏 波形显示。 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。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。 脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合 信