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湖南信息職業(yè)技術學院學生畢業(yè)設計（論文）題 目：電子脈搏計的設計姓 名： 李 波 學 號： 16 系（部）： 信息工程系 專 業(yè)： 電子信息工程技術 指導老師： 胡 志 開題時間： 2008年10月8日 完成時間： 2009年11月27日 2009-11-27湖南信息職業(yè)技術學院畢業(yè)論文目 錄1 設計要求22 設計方案23 電子脈搏測試儀原理方框圖24 數(shù)字脈搏測試儀工作原理35 芯片資料3 5.1 芯片 CD40113 5.2 芯片 CD45534 5.3 芯片 CD40605 5.4 芯片 CD45516 5.5 數(shù)碼管86 數(shù)字脈搏測試儀原理及應用8 6.1 顯示模塊9 6.2 整形模塊10 6.3 計時模塊106.4 計數(shù)模塊117 設計過程中遇到的問題及其解決方法118 電路原理圖總圖129 參考文獻121 設計要求 脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號（傳感器輸出電壓一般為幾個毫伏）。再將信號放大通過顯示屏顯示出來。要求: 1、 實現(xiàn)在 3060 內(nèi)秒測量 1 分鐘的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。正常人脈搏數(shù)為6080次/min，為90100次/min，老人為100150次/min。 2、 用傳感器將脈搏的跳動轉(zhuǎn)換為電壓信號，并加以放大整形和濾波。 3、 測試誤差不小于2次/min。 4、 要求完成的任務：設計電路，在時間允許的情況下要安裝測試，分析實驗結(jié)果，寫出設計說明書。 2 設計方案 根據(jù)脈搏計的功能，我采用了一種比較簡單的方案： 1 把脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，在單位時間內(nèi)進行記數(shù)，并用數(shù)字顯示其記數(shù)值， 從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 2 測量脈搏跳動固定次數(shù)所需的時間，然后換算為每分鐘的脈搏數(shù)。這兩種方案比較起來，這是一種比較直觀的方案，所需要的電路結(jié)構(gòu)比較簡單。3 電子脈搏測試儀原理方框圖 數(shù)碼管顯示 譯碼/驅(qū)動計數(shù)計時信號放大傳感器 圖1 電子脈搏儀原理方框圖4 數(shù)字脈搏測試儀工作原理 本設計使用傳感器將拾取的脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號放大電路進行放 大后，送到計數(shù)顯示電路。計時電路進行計時，一分鐘到了，計數(shù)器停止計時， 這時數(shù)碼管顯示的就是一分鐘內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)。5 芯片資料5.1芯片 CD4011 CD4011也稱為MC14011B，是2輸入正向邏輯與非門。它是一個四與非門集成電路，內(nèi)部含4個獨立的與非門。如下圖所示，芯片CD4011的功能： 1與2腳 “與”后從3腳輸出 “非”； 5與6腳 “與”后從4腳輸出 “非”； 8與9腳 “與”后從10腳輸出 “非”； 12與13腳 “與”后從11腳輸出 “非”。 圖2 在下面，將介紹數(shù)字電路芯片CD4011各腳功能（圖2）: 1腳：第一組數(shù)據(jù)輸入端； 2腳：第一組數(shù)據(jù)輸入端； 3腳：第一組數(shù)據(jù)輸出端； 4腳: 第二組數(shù)據(jù)輸出端; 5腳：第二組數(shù)據(jù)輸入端； 6腳：第二組數(shù)據(jù)輸入端; 7腳：接地； 8腳: 第三組數(shù)據(jù)輸入端； 9腳：第三組數(shù)據(jù)輸入端； 10腳：第三組數(shù)據(jù)輸出端； 11腳：第四組數(shù)據(jù)輸出端； 12腳：第四組數(shù)據(jù)輸入端； 圖213腳：第四組數(shù)據(jù)輸入端； 14腳：正電源。 CD4011實現(xiàn)功能的真值表如下表所示： ABJCDKEFLGHM001001001001011011011011101101101101110110110110 表15.2 芯片CD4553CD4553也稱為MC14553b。CD4553計數(shù)器只有一組三位BCD碼輸出，通過分時控制可形成三位十進制數(shù)字顯示。采用16腳雙列直插式封裝。CD4553電路由三個同步級連的下降沿觸發(fā)的 BCD 計數(shù)器（個位、十位、百位）、三個鎖存器、分配鎖存器數(shù)據(jù)的多路轉(zhuǎn)換器、輸入整形電路、時序掃描電路及振蕩電路等部分組成。 如右圖所示，芯片CD4553的功能： 1腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端； 2腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端； 3腳：外接電容管腳1； 4腳：外接電容管腳2； 5腳：BCD碼輸出端； 6腳：BCD碼輸出端； 7腳：BCD碼輸出端； 8腳：接地； 9腳：BCD碼輸出端； 10腳：鎖存控制器； 圖3 11腳：時鐘輸入控制端； 12腳：時鐘輸入端； 13腳：復位端； 14腳：數(shù)據(jù)溢出端； 15腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端； 16腳：電源。 表2 CD4553真值表從真值表可以看出，計數(shù)情況只有兩種：一種是在 RESET、DISBALE、LE 為低電平，這時如果在CLOCK端子輸入計數(shù)脈沖，在脈沖的下降沿到來時，芯片的輸出將作加法計數(shù)。第二種情況是在RESET、LE為低電平，CLOCK為高電平時，這時如果在DISABLE端子輸入計數(shù)脈沖，在脈沖的上升沿到來時，芯片的輸出將作加法計數(shù)。此外，計數(shù)器鎖存數(shù)據(jù)也有兩種情況：一種是RESET為低電平時，這時如果LE 端子有上升沿，此時計數(shù)器將把計數(shù)鎖存起來。另外一種是 RESET 為低電平時，如果LE為高電平，此時計數(shù)器將把數(shù)據(jù)鎖存起來。 圖4從圖4可以看出，當掃描振蕩器的掃描頻率一定時（掃描頻率的改變可以通過改變外接電容值的大?。瑐€位、十位、百位掃描周期分時段顯示。 5.3 芯片CD4060 CD4060 是 14 位二進制串行計數(shù)/分頻和振蕩器。它由兩部分構(gòu)成：一部分電路是14級分頻器，其分頻系數(shù)為1616384（由Q4Q14輸出）。另一部分電路 是振蕩器，可由外接電阻和電容構(gòu)成RC振蕩器。下面介紹芯片CD4060（右圖） 各引腳的功能： 1腳：計數(shù)器輸出端； 2腳：計數(shù)器輸出端； 3腳：計數(shù)器輸出端； 4腳：計數(shù)器輸出端； 5腳：計數(shù)器輸出端； 6腳：計數(shù)器輸出端； 7腳：計數(shù)器輸出端； 8腳：接地； 9腳：時鐘輸出端； 10腳：反相時鐘輸出端； 圖5 11腳：時鐘輸入端； 12腳：計數(shù)； 13腳：計數(shù)器輸出端； 14腳：計數(shù)器輸出端； 15腳：計數(shù)器輸出端； 16腳：電源。 圖6圖6是CD4060的一種用法，一個RC振蕩器，主要起到一個計數(shù)一分鐘的作用。當一分鐘時間到時，輸出高電平。這時，使CD4553中的數(shù)據(jù)鎖存起來。 12 腳為高電平時。計數(shù)清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在 9 腳和 11 腳的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。其頻率f=1/2。2RT CT。5.4 芯片CD4511CD4511B 是一個 BCD-七段鎖存譯碼器/驅(qū)動器。說多諧振蕩器和計數(shù)器是這個設計的核心部分，那么這個譯碼器就是擔當著一座橋梁，因為通過譯碼器譯碼后，才能在 LED 數(shù)碼管看到數(shù)據(jù)。CD4511B 通過讀取計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)再通過 BCD碼轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過 LED 數(shù)碼管顯示出來。本套設計最后能否成功，就是通過這個芯片能否順利譯碼傳輸顯示出來。圖6就是CD4511B這塊芯片的引腳分布圖。 圖7 圖8在圖 7 中，ABCD 是輸入端。輸入的數(shù)據(jù)為 8421BCD 碼。輸入的 8421BCD 碼經(jīng)過鎖存器鎖存后再進行解碼成符合數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。再經(jīng)過驅(qū)動器驅(qū)動數(shù)碼管，從而最終顯示出數(shù)據(jù)。 表 3 是 CD4511B 的真值表。從表中可見：當 LE、BI、LT 分別為 0、1、1 時候，若DCBA為0000，這時a、b、c、d、ef、g分別為1、1、1、1、1、1、0。經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字0。同樣，若DCBA為0001，這時a、b、c、d、e、f、g分別為0、1、1、0、0、0、0。經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字1。其余與此相同。LEBILTDCBAabcdefgDISPLAY01111111010000000Blank0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000Blank01110110000000Blank01111000000000Blank01111010000000Blank01111100000000Blank01111110000000Blank111。 表3CD4518B與CD4511B之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就是通過8421BCD碼來傳輸?shù)摹?8421BCD 碼是十位二進制碼， 也就是將十進制的數(shù)字轉(zhuǎn)化為二進制， 但是和普通的轉(zhuǎn)化有一點不同， 每一個十進制的數(shù)字 09 都對應著一個四位的二進制碼，對應關系如下: 十進制0 對應二進制0000， 1對應二進制0001， 2對應二進制0010 9對應二進制1001 接下來10就有兩個上述的碼來表示10表示為 00010000 也就是 BCD 碼。遇見 1001 就會產(chǎn)生進位，不象普通的二進制碼，到1111才產(chǎn)生進位10000。 十進制數(shù)字8421BCD碼100012001030011401005010160110701118100091001 表45.5 數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設計提供的為LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管也稱半導體數(shù)碼管，它是以發(fā)光二極管作筆段并按共陰極方式或共陽極方式連接后封裝而成的。如圖 10、11 所示是兩種 LED 數(shù)碼管的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，、分別表示公共陽極和公共陰極，ag 是 7 個筆段電極，DP為小數(shù)點。在設計中，采用的是共陰極的LED數(shù)碼管。 圖9 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖10 共陰極數(shù)碼管6 數(shù)字脈搏測試儀原理及應用數(shù)字脈搏測試儀電原理圖如圖11所示。壓電陶瓷片 HTD-27 將拾取的脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)CD4011B組成的四級線性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511組成的計數(shù)顯示電路。CD4553內(nèi)部輸入端設置了脈沖整形電路，所以對脈沖沿無甚特殊要求。它只有一組BCD碼輸出，但通過內(nèi)部分時控制可形成三位十進制數(shù)字顯示。CD4511是譯碼器，其輸出驅(qū)動三位LED共陰數(shù)碼管。BG1、BG2、BG3分別由CD4553的15、1、2腳控制實現(xiàn)三位數(shù)碼管的分時顯示。CD4060組成計數(shù)閘門設定電路，R5、R6、C6 與其內(nèi)部電路組成振蕩器，振蕩器信號經(jīng)內(nèi)部 213 次分頻后，由 2 腳輸出延時 60 秒的正脈沖加到 CD4553 的 11 腳關閉閘門。 使用時，用手表帶或松緊帶將壓電陶瓷片壓在手腕的撓動脈處，注意一定要壓緊。在合上開關K1后即按一下復位開關K2，使CD4060和CD4553清零，這時計數(shù)閘門打開，脈搏信號由CD4553進行計數(shù)。1分鐘后，CD4060輸出一高電平，使計數(shù)閘門關閉。這時數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為每分鐘的脈搏數(shù)。本電路“數(shù)字脈搏測試儀”的設計，分成四大模塊。1、顯示模塊；2、整形模塊；3、計時模塊；4、計數(shù)模塊。接下來，將詳細介紹這四大塊的組成及功能。 圖116.1 顯示模塊 在數(shù)字脈搏測試儀電路中(圖12)，顯示模塊包括芯片CD4511、片選三極管和數(shù)碼管。CD4511中的 a，b，c，d，e，f，g 七個管腳分別與數(shù)碼管的 a，b，c，d，e，f，g七個管腳相接，將 CD4553傳遞給CD4511的數(shù)據(jù)輸送給數(shù)碼管顯示。三個數(shù)碼管分別與 CD4553 的 1 腳，2腳，15 腳相連。三個數(shù)碼管一次只導通一個管腳已實現(xiàn)片選，使得其中一個數(shù)碼管有顯示。高電平（即1）時，數(shù)碼管無顯示；低電平（即0）時，數(shù)碼管顯示。也就是說，三個數(shù)碼管同時只有一個低電平輸入，兩個高電平輸入，同一時間只有一個是亮的，由于它們的變化速度很快，肉眼無法識別，故看似同時顯示。顯示電路分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示（掃描）顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是現(xiàn)實電路具有輸出鎖存功能，只要將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再管，知道下次顯示數(shù)據(jù)需要更新世再傳送一次新數(shù)據(jù)。動態(tài)顯示，則要求對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，使顯示數(shù)據(jù)有閃爍感。由于，本電路設計的是測試一分鐘內(nèi)脈搏的跳動，因此顯示電路采用的是動態(tài)顯示。在本電路設計中，我們所采用的三位 LED 數(shù)碼管是七段共陰數(shù)碼管。數(shù)碼管共有十個管腳(如圖9)。由于不同廠家生產(chǎn)，各管腳功能可能有所不同，左圖做示范例子。介于條件所限，我們采用了三個單位數(shù)碼管，因此，三個數(shù)碼管的各筆段電極和小數(shù)點之間要互相相連。且數(shù)碼管本身的公共陰極相互連接，每個公共點與其對應的三極管發(fā)射極相連。為了不損壞數(shù)碼管，本次設計使用了 IC 插座，上述的數(shù)碼管各腳連接，在 IC 插座上實現(xiàn)。數(shù)碼管只需插入IC插座，即可工作。 在本次設計中，我們所用的三極管是塑料封裝 9012 PNP 型，三極管是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。 圖126.2 整形模塊 本數(shù)字脈搏測試儀的整形模塊，將壓電陶瓷片HTD-27置于脈搏處，電源為打開狀態(tài)，傳感器將信號送給 CD4011，通過電阻與電容的搭配，將波形送至CD4553的12腳。由于CD4553內(nèi)部設置了整形電路。因此，可以將CD4011 送來的信號進行整形，使其成為有序的波形。壓電陶瓷片 HTD-27 屬于壓電傳感器的一種。傳感器是一種以測量為目的，以一定精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關系的、易于處理的電量信號輸出的裝置。目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當這些晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時，在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為 “壓電效應”。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，只能夠測量動態(tài)的應力。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中。 電阻實質(zhì)上是吸收電能轉(zhuǎn)換成熱能的能量轉(zhuǎn)換元件，消耗電能并使自身溫度升高，其負荷能力取決于電阻長期穩(wěn)定工作的允許發(fā)熱溫度。電容，就是容納和釋放電荷的電子元器件。 圖136.3 計時模塊在前面介紹過芯片 CD4060，CD4060 是 14 位二進制串行計數(shù)/分頻和振蕩器在本設計中，其主要功能是一分鐘計時。3、4 腳外接定時電容，起定時作用。 打開電源 K1，按下復位按鈕 K2，CD4060 的 12腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，電路開始工作，CD4060開始計時，CD4553的13腳由高電平轉(zhuǎn)為低電平，CD4553的11腳時鐘輸入控制端，當11腳為低電平時，允許時鐘脈沖輸入，為高電平時，禁止時鐘脈沖輸入。則CD4060將信息由2腳送入CD4553。超過一分鐘后，CD4060的12腳由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，計?shù)清零且振蕩器使用無效，CD4060停止計時。2 腳也停止對 CD4553 的信息輸入。同時 CD4553的 13 腳也復位。CD4553 的 11腳也變?yōu)楦唠娖?，不允許時鐘脈沖輸入，測試儀停止工作。 圖146.4 計數(shù)模塊 圖15在前面介紹過，CD4553是BCD7段鎖存譯碼驅(qū)動器, 分時控制可形成三位十進制數(shù)字顯示。三個同步級連的下降沿觸發(fā)的BCD計數(shù)器（個位、十位、百位）、三個鎖存器,由1,2和15腳數(shù)據(jù)選擇輸出端控制。即作為分時輸出同步控制信號端，從而形成動態(tài)顯示方式，低電平有效。在任一時刻，1，2，15 腳只有一個是低電平，并作周期循環(huán)，形成一個三位時序信號。三腳分別外接 BG1、BG2、BG3三個PNP三極管。通過三極管的放大，分時控制數(shù)碼管。 由于CD4553