数字心率监护计.doc

数字心率监护计1 设计任务描述1.1 设计题目：数字心率监护计1.2 设计要求1.2.1 设计目的（1）掌握数字心率监护计的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求（1）用传感器测量心率，把心率转换为可测信号，测出1分钟内心跳次数；（2）常规与快速心率测量的切换，设计振荡器及分频系统，闸门时间：1s,0.5s；（3）心脏偷停的监护（建议设为2S左右，也可自行设置或可根据实际情况调节）（4）可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.2.3 发挥部分（1）心率超过100报警；（2）心率低于50报警。 2 设计思路（一）概述总体设计思路：根据此次课程设计的要求,我设计的数字心率计基本电路由八个部分组成，其中振荡器和分频器组成产生闸门时间的信号发生器，由计数器、译码器和显示器组成数字心率计系统。跳信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“个”“十”“百”的十进制数字显示出来。再由比较器，锁存器，D 触发器和计数器够成报警电路。最后还要在系统中还要加进一些控制电路来完善系统的功能。（二）具体各基本电路的分析：1 振荡电路设计：可采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器选用555定时器构成多谐振荡器，振荡器的频率为100赫兹。2 分频电路设计：采用4片74LS90级联，其中三个十进制一个三进制最终得到的方波信触发JK触发器 3 由555定时器构成的单稳态触发器被从JK触发器的信号触发，通过电阻的选择产生30s和60s的闸门时间。4 传感器把信号传入由555定时器构成的施密特触发器正形成方波。5 计数译码显示电路设计：心跳信号和闸门信号通过与门触发计数器和锁存器，计数器和锁存器再将所得信号送入译码器，译码器把二进制数转换成十进制数由显示器显示出来。6 比较报警电路设计：用二个74HC85比较器组成，一部分是数值大于100的;另一部分是数值小于50的。由计数器输送信号通过比较器和已经定义好的数相比较，从而来判断心跳的次数是否超出预定的值，如果是则给报警电路一个信号。7 心脏偷停电路的设计：如果心脏偷停就会触发由555定时器构成的可重复的单稳态触发器，后者产生信号通过功率放大器带动扬声器报警。8 （一） ，555定时器构成的单稳态触发器控制锁存器的锁存端当一次测量结束时把记录的数值保留在显示器上。同时555定时器构成的单稳态触发器通过对电阻的选择，选取是30s还是60s的测量时间 （二）， 555定时器构成的单稳态触发器控制计数器的清零端当一次测量结束时自动的把数值清零。同时555定时器构成的单稳态触发器通过对电阻的选择，选取是30s还是60s的测量时间。3 设计方框图4各部分电路设计及参数计算4.1信号产生电路设计及其参数计算4.1.1 信号产生电路设计 1 触发信号的最终形式：图4.1 触发信号2. 信号产生部分： 图4.1.1 555振荡器与分频器的连接电路利用NE555直接产生100Hz直接供给计数器。NE555的1角为接地，2、6角外部数据输入端，3角输出端，4角复位，5角阈置电压端，7角放电端，8角电源端。 当电路图连接好之后，只要接通电源，在其输出端便可获得矩形脉冲。用555定时器构成的多谐振当器是一种时钟源，它没有稳定的状态，同时不需要外加触发器，就能输出一定频率的矩形脉冲，调节,使其在输出端获得频率为100Hz的信号。电阻,和电容C构成了RC定时电路，电容C在 1/3Vcc2/3Vcc之间周而复始的进行充放电过程，在输出端就得到一系列的矩形脉冲信号。4.1.2 信号产生电路参数计算 电容器C放电所需时间为： 4.1.1向电容C充电，即有上升到所需时间为： 4.1.2则频率为： 4.1.3欲使产生100HZ，C=0.01， 则根据公式4.2.3可计算得：4.2 闸门时间单稳态的设计和计算图4.2 单稳态触发电路4.2.1 单稳态电路的参数：公式：因为取tw=30s和60s且令C=30uF所以R1=90K,R2=180K这样就能产生30s和60s的闸门时间。4.3 计数，锁存，译码，显示电路的设计4.3.1 译码显示电路：对于译码显示电路,我使用的是7448集成四一七线译码器，7448是BCD码到七段码的显示译码器，它可以直接驱动共阴极数码管。在电路的整体设计中需要计数个，十，百位所以因此需要三个译码电路，即需要三块7448来完成译码功能。我使用的显示器是共阴极七端数码显示管，它的a.b.c.d.e.f七个拐脚分别接接到7448译码器的七个输出端子。图4.3 计数锁存译码显示电路4.3.2 计数电路个，十，百位计数均由利用三片74160组成10进制递增计数器来完成进。图所示，其中个位计数器接成十进制形式。将个位计数器的进位输出控制端（RCO）接至十位计数器触发端（CP），完成个位对十位计数器的进位控制。同样十位对百位计数器触发端（CP），完成十位对百位计数器的进位控制。所有计数允许端都接高电平1。清零端串联接到一起接到由555构成的单稳态触发器。4.3.3锁存电路 图4.3a) 锁存电路由三个74LS194并联构成所存系统它的输入端接计数器的输出端，左串行和右串行都接低电平，清零端都接到高电平。它的锁存端接到由555构成的单稳态触发器，当单稳态选择tw为30s和60s当一次测量结束时s0和s1都为低电平锁存器为锁存状态把数锁在显示器上。S0和s1都为高电平时锁存器为让数通过状态。4.4整形电路图4.4 整形电路整形电路为由555构成的施密特触发器，它的输入端接到传感器将非方波整形成方波，再与闸门时间一同触发计数器和锁存器。4.5 心脏偷停报警电路和参数4.5.1 心脏偷停电路 图4.5 心脏偷停报警电路此部分为由555定时器构成的可重复的触发单稳态电路和一个功率放大器。当vi输入负向脉冲后，电路进入暂稳态，同时三极管T导通，电容C放电。输入负脉冲撤除后，电容C冲电，在vc未冲到2Vcc/3之前，电路处于暂稳态。如果在此期间，又加入新的触发脉冲，三极管T导通，电容C放电，输出仍然维持在暂稳态。只有在触发脉冲撤除后且在输出脉宽tw时间内没有新的触发脉冲，电路才返回稳定状态。该电路用作失落脉冲检测，或对人体心律不齐进行监视，当心律不齐时，vo的低电平作为报警信号。4.5.2 心脏偷停报警电路的参数和波形由公式得：取C=0.01uF,得R=181.81K当偷停时间为2s时由555定时器构成得可重复的单稳态就会输出信号，通过功率放大器将功率放大送到扬声器，发出报警信号。所以波形为：图4.5.2 555波形图4.6 比较报警系统4.6.1 比较报警系统电路： 图4.6 大于100报警电路图4.6.1 小于50报警电路此部分第一个为大于100的报警系统，第二个为小于50的报警系统。在第二部分中锁存器的锁存端接到一个由555定时器构成的单稳态系统的输出端在测量未结束时锁存器为锁存状态，当测量结束时锁存器为让数据输出状态这时在计数器的数就能通过锁存器到达比较器中与50比较。如果比50小那么两个发光二极管就会闪量。对于第一部分如果输入的数据比100大那么三个发光二极管就会追逐的亮。4.6.2比较报警系统的器件参数：图4.6.2 4585组成的比较电路表4.1比较器真值表输入输出比较级联A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0ABABA3B3001A3=B3A2B2001A3=B3A2=B2A1B1001A3=B3A2=B2A1=B1A0B0001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0001001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0010010A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0100100A3=B3A2=B2A1=B1A0B0100A3=B3A2=B2A1B1100A3=B3A2B2100A3B31004.6.3 由D触发器构成的时序电路图4.6.3 时序电路对于由三个D触发器构成的时序电路它的输出方程为：状态方程组为： 主要状态图为：5 工作过程分析当电源接通时电路开始工作, 当电源接通时电路开始工作根据此次课程设计的要求,我设计的数字心率计基本电路由八个部分组成，其中振荡器和分频器组成产生闸门时间的信号发生器，由计数器、译码器和显示器组成数字心率计系统。跳信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“个”“十”“百”的十进制数字显示出来。再由比较器，锁存器，D 触发器和计数器够成报警电路。最后还要在系统中还要加进一些控制电路来完善系统的功能。由555定时器构成的多谐振荡器开始产生一个100赫兹的方波。分频电路：采用4片74LS90级联，其中三个十进制一个三进制最终得到的方波送到一个非门，由555定时器构成的单稳态触发器被从非门的信号触发，通过电阻的选择产生30s和60s的闸门时间。这时传感器把信号传入由555定时器构成的施密特触发器正形成方波。计数译码显示电路心跳信号和闸门信号通过与门触发计数器和锁存器，计数器和锁存器再将所得信号送入译码器，译码器把二进制数转换成十进制数由显示器显示出来。比较报警电路：用二个74HC85比较器组成，一部分是数值大于100的;另一部分是数值小于50的。由计数器输送信号通过比较器和已经定义好的数相比较，从而来判断心跳的次数是否超出预定的值，如果是则给报警电路一个信号。心脏偷停电路：如果心脏偷停就会触发由555定时器构成的可重复的单稳态触发器，后者产生信号通过功率放大器带动扬声器报警。555定时器构成的单稳态触发器控制锁存器的锁存端当一次测量结束时把记录的数值保留在显示器上。同时555定时器构成的单稳态触发器通过对电阻的选择，选取是30s还是60s的测量时间 555定时器构成的单稳态触发器控制计数器的清零端当一次测量结束时自动的把数值清零。同时555定时器构成的单稳态触发器通过对电阻的选择，选取是30s还是60s的测量时间。这样就能完成一次测量。6 元器件清单序号元件名称规格及用途数量1定时器5556片2计数器74LS90 4片3计数器74LS1604片4译码器74LS483片5显示器BS2013片6比较器74HC852片7电阻4.3 k1个8电阻90 k3个9电阻5k1个10电阻180k3个11电阻181.8k1个11电容0.01 uF8个12电容30uF3个13二四输入与门74LS083片14二四输入非门74LS041个15锁存器74LS1942个16二四输入非门74LS004个17三极管2个7 主要元器件介绍7.1 555的功能555定时器一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路应用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图7.1 NE555管脚图表7.1555定时器功能表输入输出Vi1X2/3Vcc2/3Vcc2/3VccVi2X1/3Vcc1/3Vcc1/3VccRDLHHHVoLHL不变T导通截止导通不变7.1.1 各引脚功能1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端Vo4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。6脚：TH高触发端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。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。7.2 计数器74LS160十进制计数器74LS160为十进制计数器，直接清除。两个高电平有效允许输入EP和ET及动态进位输出使计数器易于级联；ET允许动态进位输出图7.2 74160同步十进制计数器管脚图表7.2 74160同步十进制计数器功能表输入输出Qn时钟清除置数EPETXLXXX清除HLXX置数HHHH计数XHHLX不计数XHHXL不计数7.3 7448共阴七段译码器/驱动器有效高电平输出：内部有升压电阻因而无需外部电阻；输出最大电压5.5V；吸收电流6.4mA。图7.3.1 7448共阴七段译码器/驱动器管脚图表7.3.1 7448共阴七段译码器/驱动器功能表十进制数或功能输入 BI/RBO输出 LT RBIDCBA a b c d e f g0HXLLLLHONONONONONONOFF1HXLLLHHOFFONONOFFOFFOFFOFF2HXLLHLHONONOFFONONOFFON3HXLLHHHONONONONOFFOFFON4HXLHLLHOFFONONOFFOFFONON5HXLHLHHONOFFONONOFFONON6HXLHHLHOFFOFFONONONONON7HXLHHHHONONONOFFOFFOFFOFF8HXHLLLHONONONONONONON9HXHLLHHONONONOFFOFFONON10HXHLHLHOFFOFFOFFONONOFFON11HXHLHHHOFFOFFONONOFFOFFON12HXHHLLHOFFOFFONOFFOFFONON13HXHHLHHONOFFONOFFOFFONON1415HHXXHHHHHHLHHHOFFOFFOFFOFFOFFOFFONOFFONOFFONOFFONOFFBIXXXXXXXOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFRBIHLLLLLLOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFLTLXXXXXXONONONONONONON7.4 4585数值比较器7.4.1 引脚图引脚图是芯片的实物，被用在实际连线图中，下图7.4就是比较器引脚图，如图7.3所示。图7.4 比较器引脚图 7.4.2 功能表下表7.4是比较器的功能表，它主要介绍了比较器4585在电路里实现什么功能，如表7.4所示。表7.4 4585比较器功能表小结一周的设计在紧张和繁忙中度过,在这一周里，不知遇到了多少困难，不知克服多少难题，每天不知几点睡觉，几点起床。翻阅资料，用电话和组员讨论问题，上课时，自己认真听讲，在课下自己付出了汗水,收获了微笑.知识总是在实践生产, 实践是理论的基石，理论需要实践来验证，书本上学到的知识总是死的,当我们把它们熟练运用到实际生活中时,那才说明自己真正拥有知识,自己才可以支派知识,这也是我们设计的目的.一周紧张的设计下来,让我学到了很多,尤其是发现了不少问题.原来自己平常所学的只不过是整本书的九牛一毛.也让我清晰地认识到自己还是没把书本知识具体化、系统化、细制化.自己所掌握的知识依然是零碎的、模糊的、不全面.自己对有些器件的特殊功能以及与类似器件不同之处,还是有些模糊，对一些器件以点也不了解.平常的知识仅限于对课本知识和课后习题的掌握,更进一步的了解也只是在课外阅读中所得,不尽详细,也不系统，更不全面.也只是对该器件或芯片的应用有粗略的了解.然而实际操作虽然和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比较困难了.所以这更要求我们要有较强的自学能力,能够在查阅资料的过程中有效地获取有用的我们需要的知识点.尤其是面对新事物的时候,结合资料把你想要设计的东西表达在纸面上并要转换为实际的物质产品,这种能力是特别需要的,也是我们需要去学习的,更是我们现在所缺少的. 当然 ,收获是肯定的,我们每一次实验、设计都是为了锻炼我们的实际动手能力,为把书本知识和实践结合起来积累经验.虽然说一次实验或设计所积累的经验是微不足道的,但是一次又一次的锻炼,虽然不是百尺竿头,更进一步,但也可算做薄积而厚发,丰富的经验是靠积累而来的,这种积累就是出现我们每次在的实验、实践中.老师也经常教导我们说,大学中最重要的不是学习课本知识,而是学习高小的学习方法,一种好的学习方法不仅可以让你博学,而且会让你变的睿智.方法还是一个人有能力的体现.所以除了我们在上课认真学习老师的方法外,在设计中运用这种方法,先构思,画草图，然后再正规图纸上正规画图。除了这些，我和同学的协作能力也得到了考验，得到了锻炼，这些都是将来在工作和生活中必不可少的东西。感谢学校给了我们一次又一次的锻炼机会，也非常感谢老师孜孜不倦的批注和谆谆教诲，让我在一个又一个难关面前鼓足勇气挑战困难，让我的知识面不断丰富，使我的视野不断开阔，让我的自信心也与日俱增。本次课程设计使我对数字电子技术有了更进一步的熟悉。同时，通过这次电路的设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。不但巩固了所学的知识，也使我们把理论和实践有意义地结合起来，增强了学习兴趣，也增强