測控技術(shù)與儀器課程設(shè)計數(shù)顯式脈搏計的設(shè)計總體設(shè)計方案

1、引言脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象，包含了反映心臟和血管狀態(tài)的重要生理信息。人體內(nèi)各器官的健康狀態(tài)、病變等信息將以某種方式顯現(xiàn)在脈搏中即在脈象中。人體脈象中富含有關(guān)心臟、內(nèi)外循環(huán)和神經(jīng)等系統(tǒng)的動態(tài)信息，我們可以通過對脈搏波檢測得到的脈波圖含有出許多有診斷價值的信息，可以用來預(yù)測人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢，如:血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會引起脈搏波波形和波速等性質(zhì)的改變，而脈搏的病理生理性改變常引發(fā)各種心血管事件，脈搏生理性能的改變可以先于疾病臨床癥狀出現(xiàn)，通過對脈搏的檢測可以對如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進行評估。同時脈搏測量還為血壓測量，血流測量及其他某些生理檢測技術(shù)提

2、供了一種生理參考信號。在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中，脈搏是一項基本的生命指標，因而脈搏測量是最常見的生命特征的提取。近年來出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量。但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。本論文文講了一數(shù)顯示脈搏計的具體設(shè)計方法,利用傳聲器(電容傳感器)獲取脈搏信號,將調(diào)理后的信號輸入集成計數(shù)芯片進行定時計數(shù),由led顯示輸出,從而測得一分鐘的脈搏數(shù)。此裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，直觀、測量結(jié)果較精確的優(yōu)點。1 總體設(shè)計方案1.1 設(shè)計思想人體脈搏信號類似正弦波

3、信號,選用高靈敏度傳感器如傳聲器將心臟的微小震動感應(yīng)出來,并經(jīng)放大處理后得到類似正弦波的模擬信號,再經(jīng)濾波整流后得到正的矩形方波即數(shù)字信號,將數(shù)字信號接上集成計數(shù)芯片完成二進制計數(shù),將二進制碼經(jīng)譯碼器處理后得到bcd碼,最后將bcd碼接上led共陰極數(shù)碼管,將結(jié)果顯示出來。1.2 設(shè)計目的脈搏作為一項基本的生命指標，測量脈搏是最常見的生命特征的提取。本論文文講了一數(shù)顯示脈搏計的具體設(shè)計方法,利用傳聲器(電容傳感器)獲取脈搏信號,將調(diào)理后的信號輸入集成計數(shù)芯片進行定時計數(shù),由led顯示輸出,從而測得一分鐘的脈搏數(shù)。此裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，直觀、測量結(jié)果較精確的優(yōu)點。將bm放在人體脈搏跳動最明顯的部位

4、,能夠?qū)崿F(xiàn)對脈搏信號的檢測和計數(shù)功能。1.3 原理框圖本設(shè)計中，脈搏波動頻率測量的實現(xiàn)是通過傳聲器bm將脈搏跳動的音頻信號轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號經(jīng)運算放大器放大整形處理后，作為集成計數(shù)器的計數(shù)脈沖。此計數(shù)脈沖經(jīng)集成計數(shù)電路和七段譯碼顯示驅(qū)動集成電路處理后，驅(qū)動數(shù)碼顯示器工作，顯示器上的數(shù)字隨著脈搏的跳動而同步變化。延時60s后，按照預(yù)先設(shè)計的計數(shù)規(guī)則，集成計數(shù)器停止計數(shù)，數(shù)碼顯示器上的小數(shù)點被點亮，表示測量結(jié)束。此時數(shù)碼顯示器上顯示的數(shù)字即是被測者脈搏每分鐘跳動的次數(shù)。通過調(diào)節(jié)rp1的阻值，可使脈搏跳動于顯示同步，實時統(tǒng)計出脈搏數(shù)。 數(shù)碼顯 示器顯示驅(qū)動集成電路信號放大電路脈搏傳感器計數(shù)器集成

5、電路數(shù)顯式脈搏計系統(tǒng)硬件原理框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 脈搏傳感器提取脈搏信號所用的傳感器有三種型式：液體傳導(dǎo)式、光電式和接觸式傳感器。接觸式又有多種型式，如應(yīng)變壓力式（或稱應(yīng)變電阻式）、壓電式、壓磁式等。這三大類型的脈象傳感器，其工作原理不盡相同，從一定程度上均可獲取脈象的信息，但它們所獲得的信號基本上是脈管容積的變化或脈位處力的變化，尚不足以揭示出脈搏內(nèi)涵的豐富信息。這就象我們可以用手指觸摸到人說話時聲帶的振動，但很難用手的觸覺識別出說話人的特征一樣，而任何一個普通人的聽覺系統(tǒng)的能力都可輕而易舉地分辨出說話人的特征（如性別、年齡等）。因此，我們試圖以“聽”聲的方式來提取和分析脈搏信號?；?/p>

6、這種意圖，我們選用電容傳聲器(如美國的larson*davis-3723、丹麥的b&k-4147等)作為提取脈搏信號的傳感器，本論文采用自功率譜（以下簡稱功率譜）分析脈搏信號，處理方法和過程為：脈搏信號先經(jīng)過一模擬低通濾波器以消除工頻等各種干擾。然后經(jīng)過a/d采樣，把模擬信號x(t)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號x(n)，最后計算瞬時頻譜傳聲器的優(yōu)勢：瞬態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、特別是低頻響應(yīng)好等特點。2.2 電容式傳感器科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展極大地豐富了壓力測量產(chǎn)品的種類，現(xiàn)在，壓力傳感器的敏感原理不僅有電容式、壓阻式、金屬應(yīng)變式、霍爾式、振筒式等等但仍以電容式、壓阻式和金屬應(yīng)變式傳感器最為多見。金屬應(yīng)變式

7、壓力傳感器是一種歷史較長的壓力傳感器，但由于它存在遲滯、蠕變及溫度性能差等缺點，其應(yīng)用場合受到了很大的限制。壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制造的一種新型的傳感器，它具有制造方便，成本低廉等特點，但由于半導(dǎo)體材料對溫度極為敏感，所以其性能受溫度影響較大，產(chǎn)品的一致性較差。電容式傳感器是應(yīng)用最廣泛的一種壓力傳感器，其原理十分簡單。一個無限大平行平板電容器的電容值可表示為： c= s/d（ 為平行平板間介質(zhì)的介電常數(shù)，d 為極板的間距， s 為極板的覆蓋面積）改變其中某個參數(shù)，即可改變電容量。由于結(jié)構(gòu)簡單，幾乎所有電容式壓力傳感器均采用改變間隙的方法來獲得可變電容。電容式傳感器的初始電容值較小，一

8、般為幾十皮法，它極易受到導(dǎo)線電容和電路的分布電容的影響，因而必須采用先進的電子線路才能檢測出電容的微小變化?？梢哉f，一個好的電容式傳感器應(yīng)該是可變電容設(shè)計和信號處理電路的完美結(jié)合。2.3 集成放大電路脈搏傳感器出來的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要對其進行放大。所以，設(shè)計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當?shù)男盘?，便于后續(xù)電路的處理。電容式傳聲器輸出電壓大約為-10mv40mv，在后續(xù)電路中需要將其通過過零比較器，轉(zhuǎn)換為脈沖信號，只要將其放大100倍，就可以滿足后續(xù)電路處理的要求。同時，要求放大電路有較高的輸入阻抗。同相比例放大電路簡單、實用、焊接方便，相對反相比

9、例放大電路而言，具有更高的輸入阻抗，而且價格便宜，所以，本設(shè)計選擇了同相比例放大電路。可以組成同相比例放大電路的運算放大器件有很多，比如運算放大器集成電路lm324等。本設(shè)計采用lm324四運放集成電路，lm324采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，lm324工作電壓范圍寬，可用正電源330v，或正負雙電源15v15v工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為ovcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放大器可用如圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“v+”、

10、“v-”為正、負電源端，“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相同。 lm324管腳圖2.4 集成計數(shù)電路本設(shè)計選用集成計數(shù)ic cd4553，cd4553是3位十進制計數(shù)器，但只有1個輸出端，要完成3位輸出，采用掃描輸出方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制3位十進制的輸出，從而實現(xiàn)掃描顯示方式。cd4533管腳功能：clock：計數(shù)脈沖輸入端，下調(diào)沿有效。cia、cib：內(nèi)部振蕩器的外界電容端子。mr：計數(shù)器清零（只清計數(shù)器部分），高電平有效。le：鎖定允許

11、。當該端為低電平時，3組計數(shù)器的內(nèi)容分別進入3組鎖存器，當該端為高電平時，鎖存器鎖定，計數(shù)器的值不能進入。dis：該端接地時，計數(shù)脈沖才能進行計數(shù)。ds1、ds2、ds3：位選通掃描信號的輸出，這3端能循環(huán)地輸出低電平，供顯示器作為位通控制。q0、q1、q2、q3：bcd碼輸出端，它能分時輪流輸出3組鎖存器的bcd碼。cd4533注意事項：cd4553內(nèi)部雖然有3組bcd碼計數(shù)器（計數(shù)最大值為999），但bcd的輸出端卻只有一組q0q3通過內(nèi)部的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)能分時輸出個、十、百位的bcd碼，相應(yīng)地，也輸出3位位選通信號。例如：當q0q3輸出個位的bcd碼時，ds1端輸出低電平；當q0q3輸出十

12、位的bcd碼時，ds2端輸出低電平；當q0q3輸出百位的bcd碼時，ds3端輸出低電平時，周而復(fù)始、循環(huán)不止。2.5 顯示驅(qū)動電路顯示電路方案由顯示驅(qū)動集成電路部分、數(shù)碼顯示器部分組成。集成驅(qū)動電路選用cd4511，cd4511具有鎖存、譯碼、消隱功能，通常以反相器作輸出級，通常用以驅(qū)動led脈搏信號經(jīng)放大電路處理后，需要將脈搏脈沖信號在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強的準周期信號。脈搏波動頻率一般為6080次/min。本設(shè)計中，設(shè)定顯示的每分鐘脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，顯示位數(shù)為2位。

13、本設(shè)計采用7段led數(shù)碼顯示器來對脈搏波動頻率信息進行顯示。它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長、使用方便等特點，使用非常廣泛。cd4511與7段led數(shù)碼顯示器的連接方式2.6 硬件電路原理圖電源電路:由電源開關(guān)sl、電池gb和濾波電容器c6組成。脈搏信號檢測放大電路:由傳聲器bm、電阻器rl-r7、電位器rpl、電容器cl-c5、二極管vd1、vd2、運算放大器集成電路icl(nl-n3)和六施密特觸發(fā)器ic2(d1-d6)內(nèi)部的dl組成。延時復(fù)位電路:由復(fù)位控制按鈕s2、電阻器r8、r9、電位器rp2、電容器c7、c8、二極管vd3、1c2內(nèi)部的非門施密特觸發(fā)器d2-d6和譯碼器集

14、成電路ic3內(nèi)電路組成。顯示驅(qū)動電路:由ic3、譯碼驅(qū)動集成電路ic4、電阻器rlo-r2o、晶體管vl-v3和數(shù)碼顯示器組成。3 器件清單列表序號名稱參數(shù)個數(shù)備注1傳聲器bmb&k-414712ic1lm32413ic2cd4010614ic3cd455315ic4cd451116數(shù)碼管三位led共陰極17二極管vd1、vd2、vd3ln41483硅開關(guān)二極管8滑動變阻器rp122k1小型合成碳膜電位器9滑動變阻器rp268k1小型合成碳膜電位器10電容c50.0331獨石電容器11電容c2101耐壓值為16v的鋁電解電容器12電容c81000p1高頻瓷介電容器13電容c1、c44.72耐壓

15、值為16v的鋁電解電容器14電容c6、c71002耐壓值為16v的鋁電解電容器15開關(guān)s11小型單極撥動式開關(guān)16開關(guān)s21小型動合按鈕17電源gb6v1疊層電池18電阻r52.2m1金屬膜電阻器19電阻r132201金屬膜電阻器20電阻r9300k1金屬膜電阻器21電阻r21k122電阻r1、r610k2金屬膜電阻器23電阻r10、r11、r122.4k3金屬膜電阻器24電阻r3、r4、r7、r8330k4金屬膜電阻器25電阻r14r201007金屬膜電阻器4 使用方法介紹使用時，將bm放在人體脈搏跳動最明顯的部位，接通電源開關(guān)sl，再按下復(fù)位控制按鈕s2，d2輸出低電平，d3和d4輸出高電

16、平，ic3清零復(fù)位，vd3導(dǎo)通，c7快速充電，d5、d6也輸出低電平，ic3允許計數(shù)。松開s2后，c7通過d5和d6的輸入端放電，使d5和d6維持輸出低電平。在按下s2的同時，bm將脈搏跳動的音頻信號轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號經(jīng)運算放大器nl-n3和dl放大整形處理后，作為ic3的12腳 (clk)的計數(shù)脈沖。此計數(shù)脈沖經(jīng)ic3和1c4譯碼處理后，驅(qū)動數(shù)碼顯示器工作，顯示器上的數(shù)字隨著脈搏的跳動而同步變化。延時60s后，c7放電結(jié)束，d5和d6輸出高電平，lc3停止計數(shù)，數(shù)碼顯示器上的小數(shù)點被點亮，表示測量結(jié)束。此時數(shù)碼顯示器上顯示的數(shù)字即是被測者脈搏每分鐘跳動的次數(shù)。調(diào)節(jié)rp1的阻值，可使脈搏跳

17、動于顯示同步 (使脈搏每跳動一次數(shù)碼顯示器的數(shù)字加上1)。調(diào)節(jié)rp2的阻值，可改變延時計時的準確性 (使延時時間剛好為605)。5 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果將bm放在人體脈搏跳動最明顯的部位,如胸腔附近，頸動脈附近都是比較理想的檢測位置，我們將bm放置在頸動脈附近進行測試，接上電源，調(diào)節(jié)rp1的阻值，使脈搏跳動于顯示同步 (使脈搏每跳動一次數(shù)碼顯示器的數(shù)字加上1)。調(diào)節(jié)rp2的阻值，可改變延時計時的準確性 (使延時時間剛好為605)。通過上述理論推到,若本次課設(shè)所設(shè)計的數(shù)顯式脈搏計能夠完成同步計數(shù)和延時計數(shù)功能,那么本次課程設(shè)計是成功的,當然不能保證完全吻合脈搏,在誤差允許范圍內(nèi)數(shù)據(jù)具有相對準確性。同時，本設(shè)計可繼續(xù)改進，選用不同的元器件以及更為合理的電路連接方式可獲得更高的精確度。設(shè)計總結(jié)通過本次傳感器課程設(shè)計實踐我們收獲頗多。通過小組成員間的協(xié)作，讓我們充分體到團隊的力量遠比個人強大。數(shù)電、模電、傳感器知識的交叉綜合運用，讓我們體會知識是相互存在聯(lián)系的，不是孤立單獨存在的。本次設(shè)計增強了我們閱資料的能力，知識要點捕獲能力，借助互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性，我們可以很方便的查閱許多資料，為傳感器課程設(shè)計帶來了很大的方便。當然，本次設(shè)計離不開其