人体脉搏计-课程设计报告

1、人体脉搏计（1）设计内容及要求设计题目：设计一个人体脉搏计。内容简要：人体脉搏计的设计是基于传感器，放大电路，显示电路等基础电路的基础上， 实现对人体脉搏的精确测量。其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷的测量 脉搏次数，并用十进制数显示出来。具体的各部分电路接下来将介绍。传感器信号：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。放大电路：由于人体脉搏跳动经过传感器后的初始信号电压值很小，所以利用反相放大器将采集的电压信号放大约 50倍。又因为该信号不规则，将接入有源滤波电路，对电 路进行低通滤波的同时，再次将电压信号放大1.6倍左右。该

2、电路使信号得到80倍的放 大，充分的放大方便了后面的工作电路。整形电路：本电路旨在采用滞回电压比较器对前面放大以后的信号进行整形，使信号更规则，最终输出矩形信号。倍频电路：倍频电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频处理，以便在15s内测出1min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。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 30（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。具体各部分是由 555定时器产生 一个周期为0.5秒的脉冲信号，然后用一个 D触发器进行二分频得到周期为 1s的脉冲 信号。再经过由74LS161构成的十五

3、进制计数器，进行十五分频，再经 D触发器二分 频，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉冲信号。计数、译码、显示电路：计数器采用 3个二进制计数器74LS161分别作个、十、百位， 并将其设计成十进制计数器（逢十进位） ，再由7448译码器译码后接到七段数码管 LTS547R （共阴极）上完成三位数十进制数的显示。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、倍频后进行计数的时间，另外还具有启动电路及为各部分电路清零等功能设计要求：最终仪器要能够实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其十进制数字。 参考值：正常人的脉搏数为6080次/min,婴儿为90100次/mi

4、n,老人为100150次/min。 所以需要三个显示数码管才能完成显示功能。（2）系统框图介绍及方案选择结合以上各部分电路内容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。脉搏计的原理结构图如下：图1脉搏计结构框图根据此框图，各部分电路有如下几种设计方案：放大电路可以在同相放大器和反相放大 器之间选择，二者几乎没有区别，在此选择使用反相比较器；整形电路可以用555构成的施密特触发器或者由运放组成的迟滞电压比较器，考虑到运放的使用较555简单方便，选择用运放构成迟滞比较器；倍频电路的形式很多，可以

5、用锁相倍频器或者异或门倍频 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；基准时间产生电路的设计方案也较多，可以选择石英晶体振荡电路、555定时器构成的多谐振荡电路，因为石英晶体振荡电路还需要接入 4060集成 芯片，使用比555复杂，所以选择555产生基准时间；计数译码显示电路的计数器设计 有较多方案，可以选择160、161、279等芯片均可以设置为10进制的计数器来满足要 求，在此选择使用较为普遍，较熟悉的 161作为计数器电路。（3）单元电路设计、参数计算和器件选择1.传感器信号调节：该部分结构简单 R1和R2的值分别选取510 Q

6、和10 K Q。电源采用5V供电。红外线发光管采用TLN104，接收三极管采用TLP104。图表1传感器信号图表2放大整形电路2. 放大整形电路：第一级反相放大器放大倍数要求50倍。A=R3/R仁50,根据标准电阻选择R3=5.1KQ,R1= 100Q。同相端电阻采用滑动变阻器 R2=R1/R3=98Q。低通滤 波部分，要求放大 1.6 倍，所以（R6+R7） /R6=1.6，设置 R7=1.2 K Q, R6=2.0 K Q。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。 由公式错误！未找到引用源。 计算选择R4=R5=1.0 KQ，3= C2=160nF。整

7、形部分， 采用反相迟滞比较器，7脚4脚分别接+5V、-5V电压源，设置R9=4.7 KQ，R8=1 K Q， 稳压二极管设置为1V。三个运放均选择741。3. 倍频电路：构成 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。此处四个异或门均采用74LS86,该电路里两电阻均选用10 KQ的阻值, 电容使 C1=33nF, C2=3.3nF。图表3倍频电路4. 基准时间产生电路：主要是由555定时器多写振荡产生一个周期 0.5秒的脉冲，由 公式错误！未找到引用源。 设置参数为R1=270 KQ, R

8、2=220 KQ, C1=1.0pF，再由D触发器进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。再经过74LS161组成的15进制计 数器进行十五分频，得到周期15秒的脉冲信号，最后通过 D触发器的二分频得到周期30秒的脉冲信号（脉宽为15秒）。器件选用：定时器选用LM555定时器，D 触发器选用7474，计数器选用74LS161和一个与非门构成。IB CB图表4基准时间产生电路5. 计数显示电路：由三个74LS161组成，将161设置为十进制，用与非门得到置位信 号，用非门去其反，作为下一位的使能信号，为使电路简洁此处用4脚虚拟数码管， 代替译码器和7脚显示器。个位上显示 09，对应的二进制数为000

9、01001，所以 将0A、OD接入二输入的与非门，作为置位信号接入个位的LD置位端，使个位计到九后，再置到0,重新计数；十位与此不同的是选择 1010时，将OD、OB接入 与非门，将其置位信号接到 CLR清零端，否则的话将出现计数到 90,下一个脉冲 来时将显示101，使得计数显示结果错误。FU3SDC D HEX：DCU_HEX：5VVCC-DD-F1札vcci e ir ii e i -i5V图表5计数显示电路6. 控制电路：10k Q3-四倍频信号:的启动开关。计数器启动卜清零信号11CRCRCRCP Q.CP QCP Q清零信号2计数器计数器用一个常断开关（按下去时接通， 用两个与非门

10、组成一个寄存器，锁 存开关闭合时的信号将基准时间 电路产生的周期为15秒和30秒 的信号接入或非门再与开关信号 构成清零信号，接入到三个161计数器的清零端。经过放大整形 电路和倍频电路的最终信号、寄 存器信号和周期15秒的脉冲信号 接入三输入与非门作为计数器的 脉冲信号。(4) 完整的电路图及电路工作原理图表6脉搏计完整电路图其工作原理简介：电路连接好以后，通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，将脉搏信号转换成电平信号，由三极管接受；之后经过放大电路将信号放大 80倍，流入整形电路成为规 则的矩形波；再由倍频电路对此信号进行四倍变频。与此同时，基准时间电路由555产生一个周期为0.5秒的脉冲

11、信号，经过二分频后 变成周期为1秒的矩形信号，再由15进制的计数器进行15分频，得到周期15秒的 信号，最后再经二分频得到周期 30秒(脉冲宽度为15秒)的脉冲信号。整个电路的核心部分控制电路的工作：按下开关，输出为低电平，对计数器和D触发器进行清零；开关自动弹起，输出高电平。计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、 时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号，驱动计数器计数。计数器是由16进制的74LS161改成的10进制计数器，三个计数器从左至右分别为百位、 十位、 个位，十位的计数受各位的影响，只有当个位计数到9后十位的使能端信号才有

12、效， 十位开始计数，百位的计数原理同十位。(5) 组装调试的内容记录使用的主要仪器和仪表电路调式过程主要是使用 multisim对电路进行仿真测试，主要使用仪器是示波器和 信号发生器。调试电路方法和技巧电路调试用信号发生器，生成测试的输入信号，用示波器检测电路的输出信号，对 比二者的信号来判断被测试电路是否正确，是否符合设计要求。技巧是将整个电路 按照其功能拆分为几个小部分，对每个电路进行调试。当每个小电路均调试到符合 设计要求时，整个电路的调试也就完成。测试的数据和波形以及故障的原因分析和排除放大整形电路的调试：用10mv的信号模拟手指脉搏转换成的电平信号。最初的时候整形部分放大器采用 的虚

13、拟元件，结果没有整形效果，换成 741以后可以得到理想的整形结果。XSC12001 UN Key = A 50%4：R2 ：OPAHR1：鮒: r-Q*_L呃: i i 5*1 ka XFG11P：:廿:：严讣 R5 ：:血：血：:VCCa- IJ27-OPAHf 3T VIRTUAL： J.7k；1.0k：:.I：；-nr-Ttll二吹叫二:V&D- ;-VDD pg; DO 耳-5V=hl6DEiE_XSC2-A-TV图表7放大整形电路的调试电路图图表8最终调试波形图倍频电路的调试:图表9倍频电路的测试电路对倍频电路输入5V的脉冲信号模拟放大整形电路的输出信号，用三个示波器分别 检测输入信

14、号、一次二倍频、两次二倍频后的输出信号图像，根据图像来判断，该 倍频电路是否达到了设计的要求。此部分最难解决的问题是电容的取值，如果将两个电容值选为一致的，那么第二个 二倍频就没有作用，不会达到四倍频的效果，最终经过商量探讨，解决了二个电容 的取值问题。得出了准确的两次二倍频信号图像，说明经调试以后的电路已经能够 符合设计要求。图表10四倍频电路信号图像基准时间电路调试：555定时器自激振荡产生周期脉冲用四个示波器来分别检测初始脉冲、第一次二分 频后脉冲、十五分频后脉冲、再次分频后脉冲。最开始出现的问题在555处，波形不正常，核对后发现是由于555的con端未接入小电容引起的。16进制的74L

15、S161 需要将其设置为15进制，可能是由于仿真器件或者软件的原因， 导致从161输出的 信号存在有干扰脉冲（瞬间的负脉冲），分析其原因可能是由于竞争冒险的问题，解决办法可以加入并联电容，或者加入 D触发器进行延迟，通过仿真，这两种方法均 可以消除干扰脉冲。图表12两次二分频测试波形译码显示电路的调试：将个位上的161的0D端和OA端接入与非门，作为个位上的置位信号接入 LD端, 并对该信号取非作为十位上的使能信号；十位上由于不能让计数器在计到 9后的一 个脉冲时置位，所以需要将 0D端和0B端接入与非门，将此进位信号接入到 CLR 端，即时清零。仍然对与非门输出信号取非，作为百位上的使能端。

16、电路的调试需要用信号发生器产生脉冲信号作为计数器的时钟信号，用虚拟的数码 管代替7448译码器和7段共阴极数码管做调试。该部分电路的测试没有出现大问题， 经测试，该电路设计符合要求，能够满足三位数计数，并且进位功能也正常。图表13显示电路测试图(6) 总结设计电路的优缺点本套电路设计优点有：a.电路结构简单，没有复杂结构；b.所用元器件成本低；c.自 带基准时间电路，并且能够在 15秒内测试出1分钟的脉搏，提高了诊断效率；d. 通过手指测量人体脉搏，比传统的测手腕处快捷方便； e.电路的控制简易方便。缺点：a.基准时间电路处可以直接产生周期 1秒的信号，该电路冗杂了； b.74LS161 组成

17、的计数器的十位在从9跳到0的时候有个瞬间的10出现；c.涉及到脉冲信号较 多，容易发生竞争冒险；d.初始信号太小，容易存在误差，经放大后误差的影响可 能较大导致测量不精确。(7) 系统需要的元器件及数量元件510Q电阻100Q电阻5.1K Q电阻10KQ电阻1KQ电阻2KQ电阻1.2K Q电阻4.7K Q电阻200Q可变电阻 稳压二极管个个个个个个个个个个元件160 nF电容33 nF电容3.3nF电容10 nF电容1卩F电容5555V电压源 负5V电压源 红外光发射传感器 七段共阴极数码管个个个个个个个个1 1 1 1 1 1 1 3元件数量74ls864个74Ls102个74LS022个7

18、4Ls014个74Ls043个741运放3个74Ls1614个74Ls742个74Ls483个(8) 参考文献唐治德.2009数字电子技术基础.第1版.北京：科学出版社唐治德.2009模拟电子技术基础.第 1版.北京：科学出版社周守昌.2004电路原理.第 2版.北京：高等教育出版社夏鸣风.2010数字电子技术试验.重庆：重庆大学电气工程学院电子技术实验室 王明昌、夏鸣风、向红兵.2010模拟电子电路实验指导书.重庆：重庆大学电气工程学院电子技术实验室(9) 收获与体会通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做 好了，自己感觉还是比较好的，虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。小组人 员花费几天时间，通过图书馆和上网查阅资料，分别查阅到相应资料。经过商讨， 结合现有资料，制定基本框架，并基本定出电路图。在Multisim软件里经行电路仿真，来验证电路的正确性。做该设计时，参考了很多书，增强了自己对知识的理解， 很多以前不是很懂的问题都得到了有效地解决，一些快