数字脉搏计的设计.doc

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1、 编号: 湖北文理学院理工学院本科毕业论文（设计）题 目数字脉搏计的设计 电子科学与信息工程 系 电子信息科学与技术专业学 号 学生姓名 指导教师 起讫日期 数字脉搏计的设计摘要：脉搏即动脉搏动，随着心脏节律性的收缩和舒张，动脉管壁相应地出现扩张和回缩，在表浅动脉上可触到搏动，正常人的脉搏和心跳是一致的，正常成人为60到100次/分，常为每分钟70至80次，平均约72次/分。 本文主要介绍了数字式脉搏计的具体实现方法，利用压电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查。关键词：脉搏计；脉冲信号；压

2、电传感器The Design of The Digital Pulse MeterAbstract:Pulse that pulses,along with the heart of rhythmic contraction and relaxation ,arteriole corresponding appear expansion and retraction, in shallow artery can be touched the throb of the pulse and heartbeat normal is consistent with the normal adult f

3、or 60 to 100 beats per minute, often for 7080 times per minute,an average of about 72 beats per minute. This article mainly introduced the digital pulse of thousands of concrete realization method of piezoelectric sensors produce pulse signal,after plastic surgery to enlarge,input single chip in the

4、 corresponding control,which measured one minute the pulse of the times through the observation pulse signal,to the health of human body to inspect.Key words:Pulse plans;The pulse signal;Piezoelectric sensors1 绪论 脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反应心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中，即在脉象中，人体脉象中富含有关心

5、脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测得到脉波图，其含有许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如：血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理、生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估，同时脉搏测量还为血压测量、血流测量及其他生理检测技术提供了一种生理检测信号。近年来出现的日常监护仪器，如：便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量，但是，这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，

6、存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。2 数字脉搏计的方案比较2.1 设计方案论证 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，脉搏计是用来测量低频小信号的装置，它的基本功能应该是：（1）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；（2）在短时间内测出每分钟的脉搏数。 根据脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：1、把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟或半分钟）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。2、测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为每分钟的脉搏数。2.

7、2 数字脉搏计的设计方案2.2.1 方案一的设计 方案一的原理图如下图1所示： 传感器放大与整形 计数器时基信号产生电路 译码器 显示器 图1 方案一原理图 图中各部分的作用如下：（1）传感器：将脉搏转换成相应的电脉冲信号；（2）放大整形电路：将传感器的微小电脉冲信号放大，整形除去杂散信号；（3）时基产生电路：产生固定时间（1分钟或半分钟）的控制信号，作为计数器的门控，使计数器只有在此期间才进行计数；（4）计数、译码、显示电路：在门控信号作用期间，对电脉冲信号进行计数，并显示译码器译码，再由数码管显示计数值。2.2.2 方案二的设计方案二的原理图如下图2所示：基准时间发生器 门控 电路传感器放

8、大与整形六进制计数器8位二进制计数器可预置8位计数器定脉冲数产生电路译码显示电路 图2 方案二原理图 图中各部分的作用如下：（1）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；（2）基准脉冲（时间）发生器：产生周期为0.1s的基准脉冲信号；（3）门控电路：控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器；（4）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，显示数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间；（5）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

9、器输入端；（6）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60次的脉搏数。 该方案时首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算成每分钟脉搏跳动的次数。这种测量方法的误差小，误差最多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一完全相同。2.2.3 方案比较 这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。本文进

10、行的设计就基于这一方案。3 单元电路的设计3.1 传感器 为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。它有两种基本类型：石英晶体和压电陶瓷。前者温度稳定性和机械强度都很高，工作温度范围宽，转换精度也高。而压电陶瓷是人工制造的压电材料。优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜，只是温度稳定性和强度不如石英晶体。 目前应用更多的是压电陶瓷。它在性能上能满足脉搏计的要求，而且成本低是一个重要因素。3.2 放大与整形电路 这部分电路如图3所示，其中非门G1和G2构成两级放大器，G3和G4构成施密特触发器，完成整形功能。 为了使G1和G2非门处于传输特性的线性区，应适当选取反馈电阻R1的阻值。其阻值不能太小

11、，否则非门的输出与输入之间的信号直接馈通。一般R1值应比非门的输出电阻Ro大两个数量级（非门Ro=815K),但R1的阻值也不能太大，否则将使工作点稳定性变差，甚至有可能偏离出线性区,为此,R1值应比非门的输入电阻Ri小12个数量级(非门Ri=1010),所以R1=110,可选为5.0、2.2等值。 由非门构成的放大电路，其放大倍数约为20倍。一般是不可调的，如放大倍数不够，可采取多级放大器级联起来增大放大倍数。图3 放大整形电路 G3和G4门通过正反馈构成施密特触发器，电阻比值R2/R3影响其回差值，一般先确定电阻R3，可根据 R3UOH-UTH/IOH(max) 11选R3，式中UOH为门

12、电路的输出高电平（VDD），UTH为门电路的阈值电压（VDD/2），IOH(max)为所选门电路的高电平输出电流最大允许值。由于这里的施密特触发器主要用来对输入电压进行整形并提高抗干扰能力，通常可按R2=（0.010.1）R3的关系来选取电阻R2的阻值。3.3 时基信号产生电路 时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为一分钟（或30秒）。为了得到精确的定时信号（计数器的门控信号），采用振荡，分频的方法，本文选用了CD4060组件来完成这种功能。 CD4060是一个14位二进制窜行计数器

13、（分频器），但是它内部除了有14个T触发器（组成14位计数器）外，还包含一个振荡器，只要在CP1，CP0和端外接电阻和电容，就可以构成RC振荡器,如图4所示。 为了得到60秒脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到,该单元电路如图4所示,则RC振荡脉冲的频率f0应为f0=214/602=136HZ 12 电阻Rt的值应大于1K,电容Ct应大于或等于100PF。图4 CD4060单元电路 电阻Rs是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数的差异而引起振荡周期的变化而接入的，Rs的阻值应尽量大于Rt，一般可取Rs=10Rt，此时振荡周期的变化可大为减小。为了得到准确的振荡频率值，实

14、际上Rt和Rs均应采用电位器，以便调整。3.4 计数、译码、显示电路3.4.1 计数器电路 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，本文电路采用CD4553作为计数器。CD4553有两个特点：（1）有多种功能：锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等；（2）是三位10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。图5 CD4553管脚 图6 CD4553内部组成方框图 CD4553的管脚排列及内部组成方框图如上图5、图6所示，功能表见下表1.1，现在简要说明这些管脚的功能

15、：（1）CL（引脚12）为计数器的脉冲输入端；（2）INH（引脚11）为计数允许控制端，当INH为“0”时，计数脉冲由CL端进入计数器，而当INT为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止前的最后计数状态；（3）LE（引脚10）为锁存允许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存器内信息；（4）R（引脚13）为复零端，当R=1时，计数器输出Q0Q3皆为0；（5）输出哪一位的计数值由选脉冲DS1DS3（引脚1、2、15）控制（低电平有效）；（6）溢出OF（引脚14），当CD4553每计满1000个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，而后又重新开始计数。表1.1 CD4533的功能表输入

16、输出RCLINHLE000不变000计数01不变010计数010不变00不变0锁存01锁存10Q0=Q1=Q2=Q3=03.4.2 译码电路 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，它本身由译码器和输出缓冲器组成，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、熄灭控制

17、端来控制。图7 CD4511管脚 CD4511的管脚排列如上图7所示，其真值表见下表1.2，由表1.2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=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应使为高电平。另外灯测试端=“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。表1.2 CD4511的真值表LEDCBAabcdefg显示011111108010000000熄灭01100001111110001100

18、01011000110110010110110120110011111100130110100111001140110101101101150110110101111160110111111000070111000111111180111001111001190 11101011110000000熄灭111 由LED上跳前的BCD码决定锁存3.4.3 显示电路 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8所示，该图为三位LED显示，所有相对应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

19、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Ca值调整来决定。图8 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，把电路中的某位显示电路单独画出来，如图9所示：图9 一位显示电路 限流电阻R1R7可按下式进行估算：R17

20、=UOH-UD-UCE/IS 13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。4 完整电路图 完整的电路结构如图10所示,它将前面分析的各功能模块电路有机结合在一起,能够实现在一分钟或半分钟内测量脉搏数,并显示其数值的功能。图10 完整电路图5 总结（结果及误差分析） 本文设计的脉搏波检测系统压电传感器为基础，脉搏检测中的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，本系统模拟电路实现了脉搏信号的采集、信号处理和脉搏信号的计算等功能

21、，因此体积小、功耗低、系统稳定性高，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，脉搏波呈现出的波形、幅度、速率和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特征，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值。参考文献：1张永瑞.电子测量技术基础M.西安:西安电子科技大学出版社,2002.2童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2001.3潘松,黄继业.EDA技术实用教程M.北京:科技出版社,2005.4康华光主编.电子技术基础(数字部分)M

22、.北京:高等教育出版社,2006.5史军,雷正红.数字频率计的设计J.河西学院学报.第21卷第5期(2005)6谭文秀.数字频率计电路的设计与分析J.测试技术.7曾光,冯锐.基于FPGA的数字频率计VHDL软件实现方法J.软件导刊.第8卷第2期.2009年2月.8程源,祝洪峰.基于FPGA的数字频率计的设计与制作J.制作天地.9(美)Mark D.Birnbaum.电子设计自动化基础M.北京:机械工业出版社,2005.10Kara Sadik Kemaloglu Semra Kribras Samil.Low-cost compact ECG with graphic LCD and phon

23、ocardiogram system design.J Med Syst.Kayseri.2006.Jun.11张建民.传感器与检测技术M.北京:机械工业出版社,1996.12强锡富.传感器M.北京:机械工业出版社,2001.5.13薛小铃.电子血压、脉搏、体温测量计的设计J.福州师专学报,2001,14(2):28-31.14朱国富,廖明涛,王博亮.袖珍式脉搏波测量仪J.电子技术应用.1998.第1期.15程咏梅,夏雅琴,尚岚.人体脉搏波信号检测系统J.北京生物医学工程.2006.第25卷.致 谢 很感慨，在长舒一口气之后，终于开始写我的毕业设计致谢词了，设计的完成标志着我的大学四年即将结束

24、，也意味着，新的生活又将开始。 本文从拟定题目到定稿，历时数月，在本设计完成之际，我首先要向陈传亮老师致以诚挚的谢意。在设计的写作过程中，老师给了我许多的帮助和关怀，陈老师学识渊博、治学严谨、平易近人，在老师的悉心指导中，我不仅学到了扎实的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多。在此我也向教育过我的各位老师表示衷心的感谢和深深的敬意，在这四年期间，正是由于他们让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学，如何为人处事，这才是我最宝贵的财富，它成为我今天完成这篇论文的重要积累。 一个人的成长绝不是一件孤立的事，没有别人的支持与帮助是绝不可能办到的，我感谢可以有这样一个空间，让我对所有给予我关心、帮助的人说声谢谢！今后，我会继续努力，好好工作，好好学习，好好生活！XV