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1、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: 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书姓 名学号班级专 业通信技术设计题目脉搏计的设计指导老师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注四川信息职业技术学院电子系四川九洲电子科技股份公司设计(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
2、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，20042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，19993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
3、，指导教师一份。目录摘要1第1章绪论21.1目的与意义21.2思想与方法2第章方案设计32.1方案比较与论证32.2方案选择5第章单元电路设计63.1放大与整形电路63.1.1传感器63.1.2放大电路63.1.3有源滤波电路73.1.4整形电路73.1.5电平转换电路73.2倍频电路83.3基准时间产生电路83.3.1秒脉冲发生器93.3.2十五分频和二分频器93.3.3基准时间产生电路93.3.4计数、译码、显示电路103.3.5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
4、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
5、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
6、，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。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
7、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
8、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。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
9、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
10、。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。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。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
11、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，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
12、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
13、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。图3-6放大与整形部分电路+R9C2R4R10R3R12R113.2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
14、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。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
15、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。Q
16、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。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
17、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。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3-1
18、4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3-14CD4511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
19、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），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
20、所示。图3-16显示电路限流电阻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
21、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
22、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。致谢在这里我要感谢我的指导老师，以及帮助过我的同学。说真的当我拿到任务书时不知道怎么下手，这时是我的指导老师亲切认真的给我讲解脉搏计的原理及工作流程（我选的设计是脉搏计）。然后刘老师鼓励我们不要害怕困难，认真仔细的分析问题，有什么不懂的去找她。这次设计中我还要感谢的同学有：胡宝丹，段萍。是她们在我最需要帮助的时候给了我希望之手，让我在黑暗中不感到迷茫，让我有了战胜困难的勇气和决心。参考文献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，19993朱国富，廖明涛，王博亮袖珍式脉搏波测量仪，厦门：电子技术应用，19984唐程山数字电子技术，北京：人民邮电出版社，2005 附录总电路原理图四川信息职业技术学院毕业设计（论文）评语学生姓名李兵学号0620045班级通技06-2专业通信专业设计题目设计一个脉搏计指导教师刘雪婷 谭望春指导老师考核意见 等级： 指导教师：答辩评语等级： 答辩老师： 总评成绩等级： 考核小组组长：备注以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。
