人体 脉搏计

电子课程设计目录电子课程设计目录 第一部分第一部分 电子课程设计题目及要求电子课程设计题目及要求 1 题目 1 2 设计目的 1 3 设计内容及要求 1 4 脉搏计的基本原理 1 第二部分第二部分 设计方案设计方案 1 提出方案 2 2 方案比较 3 第三部分第三部分 电路设计与分析电路设计与分析 4 1 信号发生与采集 4 2 放大电路 4 3 有源滤波电路 5 4 整形电路 7 5 倍频器 9 6 基准时间产生电路 10 6 1 NE555 定时器 10 6 2 用 555 定时器构造施密特触发器 11 6 3 用施密特触发器构造多谐振荡器 12 7 计数译码器 13 7 1 计数电路 13 7 2 译码显示 14 8 控制电路 17 第四部分第四部分 所用元件及实验心得所用元件及实验心得 18 1 元件列表 18 2 实验心得 18 3 参考文献 18 附附 总原理图 19 1 第一部分第一部分 电子课程设计题目及要求电子课程设计题目及要求 1 1 题目题目 人体脉搏计 2 2 设计目的设计目的 2 1 熟悉脉搏计电路的组成 工作原理和设计方法 2 2 掌握多谐振荡器 倍频器 计数器 译码器等的工作原理 使用方法 特点 用途 及主要参数的计算方法 2 3 熟悉集成电路 74LS00 74LS161 CC4518 CC4511 晶闸管 有源滤波电路的特点 用途及主要参数的选择方法 3 3 设计内容及要求设计内容及要求 3 1 设计题目 设计一个脉搏计 3 2 要求 实现在 15s 内测量 1min 的脉搏数 并且显示其数字 正常人的脉搏数为 60 80 次 min 婴儿为 90 100 次 min 老人为 100 150 次 min 3 3 放大与整形电路 放大电路 电压放大倍数 uA约为 11 倍 选 R4 100 K C1 100 F 试选择其它 元件参数 有源滤波电路 电压放大倍数选用 1 6 倍左右 运放可均采用 LM324 也可 选其它型号运放 整形电路 选用滞回电压比较器 集成运放采用 LM339 其电路参数如下 R10 5 1K R11 100 K R12 5 1 K 倍频电路 异或门选用可采用 CC 系列 也可采用 TTL 系列 基准时间产生电路 试选择电路其它未知参数 计数 译码 显示电路 试选择电路其它未知参数 控制电路 试选择电路其它未知参数 4 4 脉搏计的基本原理脉搏计的基本原理 分析设计题目要求 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安 它的基本功能应该是 用传感器将脉搏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 简单脉搏计的框图如图 1 所示 图图 1 11 1 脉搏计原理框图脉搏计原理框图 控控 制制 电电 路路 基准时间产生电路基准时间产生电路 计计 数数 译译 码码 显显 示示 传感器传感器 放大与整形放大与整形倍频器倍频器 2 第二部分第二部分 设计方案设计方案 设计背景设计背景 随着人们生活水平的提高 心脏疾病的发病率呈上升趋势 已成为威胁人类身体 健康的杀手之一 因为心脏病的发作具有突发性和随机性 所以为患者进行实时的测 量监控已成为必然的趋势 随着电子科技的不断发展 生命科学和信息科学的结合越 来越紧密 许多研究人员都投身于人类的健康事业之中 心率 用来描述心动周期的专业术语 是指心脏每分钟跳动的次数 以第一声音 为准 心电信号是一种非常弱且频率较低的信号 一般幅值在 0 05 5mv 频率在 0 05 100Hz 脉搏波 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张 使血流压力 一波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播 这种波称为脉搏波 脉搏波所 呈现出的形态 强度 速率和节律等方面的综合信息 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 而心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法 心率与脉搏在身体正常的时候是相等的 在房颤等心脏疾病时候可出现不等 因此心 率测量问题可以转化为脉搏的测量 而脉搏的测量更容易实现特点 在实际应用中得 到广泛运用 1 1 提出方案提出方案 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 A 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 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 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 4 倍频 即可得到对应一分钟的脉冲数 从而缩短测量时间 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 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 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 7 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 误差也越大 方案 B 如图 2 所示 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 A 完全相同 3 2 2 方案比较方案比较 方案 A 结构简单 易于实现 但测量精度偏低 方案 B 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 A 图 2 1 确定后的脉搏计原理框图 信号发生 放大整形电路四倍频器 555 定时器计数译码显示 控制电路 4 第三部分第三部分 电路设计与分析电路设计与分析 1 1 信号发生与采集信号发生与采集 脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号 脉搏传感器是脉象检测 系统中重要的组成部分 其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示 根据传感器工作原理 可分为 物理传感器 和化学传感器 二大类 传感器工作原理的分类 中物理传感器应用的是物理效应 诸如 压电效应 磁 致伸缩效应现象 离化 极化 热电 光电 磁电等效应 被测信号量的微小变化 都将转换成电信号 这里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 1 所示 图中 红外线发光管 VD 采用 TLN104 接收三极管 V 采用 TLP104 用 5V 电源供 电 R1取 500 R2取 10k 图 3 1 2 放大电路放大电路 由于传感器发出的信号很微弱 只有几毫伏左右 所以采用放大电路实现信号放 大作用 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 2 所示 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 3 2 1 411 LM324 C1 100uf R1 910k R2 100k 52 RV1 10k C1 1 U0 图 3 2 参数计算 参数计算 由图可知这是反相比例运算电路 所以由虚短虚断知 5 Uo 1 R2 RV1 Ui 式 3 2 1 要保持放大倍数在 10 左右 有 Uo Ui 1 R2 RV1 11 式 3 2 2 所以取 RV1 10K R2 100K 另外 取参数 R1 900K C1 100uF 3 有源滤波电路有源滤波电路 采用了二阶压控有源低通滤波电路 如图 3 3 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 1kHz 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 图 3 3 电路中既引入了负反馈 又引入了正反馈 当信号频率趋于零时 由于 C1 的电抗 趋于无穷大 因而正反馈很弱 当信号频率趋于无穷大时 由于 C2 的电抗趋于零 因 而 Up s 趋于零 可以想象 只要正反馈引入得当 就可以 在 f fo 时使电压放大倍 数数值增大 又不会因正反馈过强而产生自己振荡 因为同相输入端电位控制由集成 运放和 R1 R2 组成的电压源 故称之为压控电压源滤波电路 参数分析 参数分析 式 3 3 1 P 点的电流方程为 6 Um s Up s R Um s SC Um s Up s R Um s SC 式 3 3 2 由式 3 3 1 和式 3 3 2 联解得 Au s Aup s 1 3 Aup s sRC sRC 式 3 3 3 在式 3 3 3 中 只有当 Aup s 小于 3 时 即分母中 S 的一次项系数大于零 电路 才能稳定工作 而不产生自己振荡 若令 S jw fo 1 2 RC 则电压放大倍数 Au Aup 1 f fo j 3 Aup f fo 式 3 3 4 若令 Q 1 3 Aup 则 f fo 时 有 Au f fo Aup 3 Aup Q Aup 即 Q Q AuAu f fo AupAup 式 3 3 5 可见 Q 是 f fo 时的电压放大倍数与通带放大倍数数值之比 图 3 4 由图可知通带放大倍数 Aup 1 R2 R1 式 3 3 6 所以根据实际要求 Aup 1 6 所以由 Q 1 3 Aup 和式 3 3 5 知 AuAu f fo Q Q AupAup 0 7 0 7 AupAup 式 3 3 7 因此 通带截止频率 fp fo 1KHz fo 1 2 RC 1KHz 综上可以选取 R1 10K R 1K 7 所以 R2 R1 1 6 1 6K C fo 2 R 16uf 4 整形电路 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 4 1 所示 其目 的是为了提高抗干扰能力 集成运放采用了 LM339 7 6 1 312 LM339 R1 100k R2 5 1k R3 5k D1 1N914 Ui Uo 图 4 1 滞回比较器 参数设定参数设定 R1 100K R2 5 1K R3 5K 图 4 2 滞回比较器的电压传输特性 如图 4 1 所示 二极管负端通过下拉电阻接地 当输出的电压大于 0 时 则二极管导 通 输出高电平 当输出电压为负电压时 二极管截至 则输出 0 满足计数器的脉冲 8 信号 由以上可以画出放大与整形电路模块的连接电路 如下图 9 3 2 1 411 U1 A LM324 R1 10k R2 10k C1 1nF R3 10k 50 RV2 6k C2 1nF 5 6 7 411 U1 B LM324 R4 100k 50 RV1 10k C3 100uf R5 910k 原原样样信信号号输输入入 7 6 1 312 U2 A LM339 R6 100k 40 RV3 5 1k D1 1N914 R7 5k 放放大大整整形形输输出出 放放大大整整形形电电路路原原理理图图 5 倍频器倍频器 10 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 5 1 所示 1 1 2 3 1 5 6 4 1 8 9 10 1 12 13 11 R1 10k R2 10k 0 000033F C2 0 0000068F U1 A A G1 G2 G3 G4 图 5 1 异或门组成的 4 倍频电路 Gl 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 输入输出波 形如图 5 2 所示 图 5 2 倍频器的频率特性 由两个二信频电路就构成了四倍频电路 电容器 C 的作用是为了增加延迟时间 从而加大而出脉冲宽度 异或门用 CC4030 参数设定参数设定 C4 33 F R13 10 k C5 6 8 F R14 10 k 6 6 基准时间产生电路 基准时间产生电路 11 这里的基准时间产生电路用 555 定时器来实现 即需要一个周期为 30s 的矩形波 信号 下面就将对如何实现何以信号进行具体分析 1 NE555 定时器 555 定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 利用它能极方便的构成施密 特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 由于灵活 方便 所以 555 定时器在波形的 产生与变换 测量与控制等多发面都得到了应用 555 定时电路有 TTL 集成定时电路 和 CMOS 集成定时电路 它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同 双极型产品型号最 后数码为 555 CMOS 型产品型号最后数码为 7555 图 6 1 555 内部电路结构及其引脚 它含有两个电压比较器 一个基本 RS 触发器 一个放电开关 T 比较器的参考电压由 三只 5K 的电阻器构成分压 它们分别使高电平比较器 C1 同相比较端和低电平比较 12 器 C2 的反相输入端的参考电平为 Vcc32 和 Vcc31 C1 和 C2 的 Vcc32 触发器复位 555 的输出端 3 脚输出低电平 同时放电 开关管导通 当信号自 2 脚输入并低于 Vcc3 时 触发器置位 555 的 3 脚输出高电平 同时放电 开关管截止 RD 是复位端 当其为 0 时 555 输出低电平 高电平时 该端开路或接高电平 Vcc Vco 是控制电压端 5 脚 低电平时输出 2 3Vcc 作为比较器 A1 的参考电平 当 5 脚外接一个输入电压 即改变了比较器的参考电平 从而实现对输出的另一种控制 在不接外加电压时 通常接一个 0 01uF 的电容器到地 起滤波作用 以消除外来的干 扰 以确保参考电平的稳定 T 为放电管 当 T 导通时 将给接于 7 脚的电容器提供低阻放电电路 表 6 1 555 定时器的功能表 输 入输 出 RD VI1VI2Vo TD 状态 0XX 低导通 1 2 3VCC 1 3VCC 低导通 1 1 3VCC 不变不变 1 2 3VCC2 3VCC 1 3VCC 高截止 2 用 555 定时器构造施密特触发器 施密特触发器是数字系统中常用的电路之一 它可以把变化缓慢的脉冲波形变换 成数字电路中所需要的矩形脉冲 这里只需将 555 定时器的 VI1 和 VI2 两个端口连在 一起作为信号输入端 即可构成施密特触发器 13 图 6 2 由 555 构成的施密特触发器及其电压特性 3 用施密特触发器构成多谐振荡器 将施密特触发器的反相输出端经 RC 积分电路接回输入端即可构成多谐振荡器 如 下图所示 R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 NE555 50 RV1 1k 94 RV2 1k D1 1N914 D2 1N914 C1 0 01uF C2 10uF 占占空空比比可可调调的的基基准准时时间间产产生生电电路路 图 6 3 参数分析参数分析 图 6 3 中 假设输出端 3 脚 的高低电平分别为 VoH VoL 0V 14 所以电容 C2 的充电时间 T1 R Rv2ClnCln VoH V VT VoH V VT 式 3 6 1 放电时间 T2 R Rv1ClnCln V VT V VT 式 3 6 2 周期 T T1 T2 因此可以通过调节 Rv1 和 Rv2 来调节占空比 从而使得 T1 T2 15s 从而产生产生一个周期为 30s 即脉冲宽度为 15s 的脉冲信号 图 6 4 多谐振荡器产生的基准信号 7 7 计数译码显示 计数译码显示 1 计数电路 由人体脉搏的实际情况 这里选用同步十进制计数器 CC4518 CLK 1 E 2 MR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 U2 A 4518 图 7 1 CC4518 的引脚图 功能介绍功能介绍 E 为工作状态控制端 RD MR 为置零端 工作状态工作状态 当 RD 1 时所有触发器将被置零 而且置零操作不受其他输入端状态的影 15 响 当 RD 0 E 1 时 电路工作在计数状态 电路从 0000 开 始计数 则直到输入第九个计数脉冲为止 计入第九个计数脉冲后电路进入 1001 状态 当第十个计数脉冲输入后 电路返回 0000 状态 表 7 1 CC4518 的状态转换表 电 路 状 态计 数 顺 序 Q3 Q2 Q1 Qo 等效十 进制数 输出 C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 译码显示 将加法器产生的四位二进制数通过译码器供数码管使用 可采用 CC4511 4 线 七 段所存译码器 驱动器 由于去没有灭零控制端 显示效果不太理想 故此采用 74LS7448 附 74LS7448 BCD 七段显示译码器芯片简介 7448 七段显示译码器输出高电平有效 用以驱动共阴极显示器 该集成显示译码器设 有多个辅助控制端 以增强器件的功能 7448 有 3 个辅助控制端 LT RBI BI RBO 现简要说明如下 1 灭灯输入 BI RBO BI RBO 是特殊控制端 有时作为输入 有时作为输出 当 BI RBO 作输入使用且 BI 0 时 无论其它输入端是什么电平 所有各段输入 a g 均为 0 所以字形熄灭 2 试灯输入 LT 当 LT 0 时 BI RBO 是输出端 且 RBO 1 此时无论其它输入端是什么状态 所 有各段输出 a g 均为 1 显示字形 8 该输入端常用于检查 7488 本身及显示器的好坏 3 动态灭零输入 RBI 当 LT 1 RBI 0 且输入代码 DCBA 0000 时 各段输出 a g 均为低电平 与 BCD 码相应的字形 熄灭 故称 灭零 利用 LT 1 与 RBI 0 可以实现某一位的 消隐 16 此时 BI RBO 是输出端 且 RBO 0 为了实现无用 0 的灭零效果 可将低位的 RBI 信号接到高位的 BI RBO 端 各片 7448 的 LT 均接高电平 当第一片的 RBI 0 且 DCBA 0000 所以第一片满足灭零条件 无字形显示 同时输出 RBO 0 第一片的 RBO 与第二片的 RBI 相连 使第二片也满足灭 零条件 无显示并输出 RBO 0 同理 第三片的零也熄灭 无显示 表 7 2 74LS7448 真值表 通过 CC4518 十进制计数器记录脉搏信号 在通过 7448 译码器与 7 段 BCD 数码管 的连接 使得信号显示在数码管上 具体电路如下图 7 2 所示 17 CLK 1 E 2 MR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 CLK 1 E 2 MR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 CLK 1 E 2 MR 7 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 CLK U1 AND 图 7 2 译码显示电路原理图 8 8 控制电路控制电路 18 控制电路主要是为了实现对计数器的清零和对脉搏信号的控制 功能介绍 当开关转向电源端时 脉搏信号不能进入计数器 所以计数器不能对脉搏信号进行 计数 且此时数码管保持上一次的测量结果 当把开关转向基准信号端时 当信号由低 电平上升为高电平时 通过上升沿有效的边沿触发器将计数器置零 而此时 通过门 电路的控制 脉搏信号开始进入计数器并且开始计数 当计数完成后 将开关再转向 电源端 图 8 1 上升沿触发器 第四部分第四部分 所用元件及实验心得所用元件及实验心得 19 1 1 元件列表元件列表 元件名称数量及说明 传感器一个 红外光电转换器 集成运放三块 LM324 电容若干 数值不等 电阻若干 滑动变阻器若干 二极管两个 与门 或门 非门 与非门等若干 555 定时器一块 JK 触发器两块 计数器 CC4518三块 译码器 7448三块 数码管三个 共阴极 单刀双向开关一个 电源若干 2 2 实验心得实验心得 在这次课程设计中 我和同学们在一起交流 学习如何将课本上的知识应用于实际 的问题之中 所以在这期间 锻炼了我对所学知识应用的能力 也让我对所学的知识 有了一次深刻的复习和清晰的认识 当然这次设计更重要的是锻炼了自己解决实际问 题能力 如何分析问题 理清思路 简化问题 找出最佳方案 这是最关键的方面 还有在设计时 让我对画电路图的软件有了一个基本的了解 对一些芯片的功能叶有 了大致的熟悉 相信这些将为我以后的学习设计大虾一个良好的基础 因此这次设计 对我的意义很大 让我受益匪浅 在这次课程设计过程中 我也遇到了很多问题 比如在译码器与数码管连接及数 码管的共阳共阴时 我就弄了很长时间 先是不清晰 这直接导致了我无法很顺利地 连接电路 从而无法顺利的进行模拟 然后翻阅了书籍 查资料 问同学 最后终于 正确的模拟出了所要的效果 这次的制作也让我感受到 我们在电子方面学到的只是 很小的一部分知识 我们需要更多的时间来自主学习相关知识 只有这样 我们以后 才能具备较强的动手能力