測(cè)控技術(shù)與儀器課程設(shè)計(jì)-數(shù)顯式脈搏計(jì)的設(shè)計(jì)-總體設(shè)計(jì)方案

1、引言脈搏是臨床檢查和生理研究中常見(jiàn)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(dòng)態(tài)信息，我們可以通過(guò)對(duì)脈搏波檢測(cè)得到的脈波圖含有出許多有診斷價(jià)值的信息，可以用來(lái)預(yù)測(cè)人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢(shì)，如:血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會(huì)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(guò)對(duì)脈搏的檢測(cè)可以對(duì)如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)脈搏測(cè)量還為血壓測(cè)量，血流測(cè)量及其他某些生理檢測(cè)技術(shù)提

2、供了一種生理參考信號(hào)。在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中，脈搏是一項(xiàng)基本的生命指標(biāo)，因而脈搏測(cè)量是最常見(jiàn)的生命特征的提取。近年來(lái)出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測(cè)量。但是這種便攜式電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測(cè)量都需要一個(gè)加壓和減壓的過(guò)程，存在體積龐大、加減壓過(guò)程會(huì)有不適、脈搏檢測(cè)的精確度低等缺點(diǎn)。本論文文講了一數(shù)顯示脈搏計(jì)的具體設(shè)計(jì)方法,利用傳聲器(電容傳感器)獲取脈搏信號(hào),將調(diào)理后的信號(hào)輸入集成計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù),由LED顯示輸出,從而測(cè)得一分鐘的脈搏數(shù)。此裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀、測(cè)量結(jié)果較精確的優(yōu)點(diǎn)。1 總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)思想人體脈搏信號(hào)類(lèi)似正弦波

3、信號(hào),選用高靈敏度傳感器如傳聲器將心臟的微小震動(dòng)感應(yīng)出來(lái),并經(jīng)放大處理后得到類(lèi)似正弦波的模擬信號(hào),再經(jīng)濾波整流后得到正的矩形方波即數(shù)字信號(hào),將數(shù)字信號(hào)接上集成計(jì)數(shù)芯片完成二進(jìn)制計(jì)數(shù),將二進(jìn)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(lái)。1.2 設(shè)計(jì)目的脈搏作為一項(xiàng)基本的生命指標(biāo)，測(cè)量脈搏是最常見(jiàn)的生命特征的提取。本論文文講了一數(shù)顯示脈搏計(jì)的具體設(shè)計(jì)方法,利用傳聲器(電容傳感器)獲取脈搏信號(hào),將調(diào)理后的信號(hào)輸入集成計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù),由LED顯示輸出,從而測(cè)得一分鐘的脈搏數(shù)。此裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀、測(cè)量結(jié)果較精確的優(yōu)點(diǎn)。將BM放在人體脈搏跳動(dòng)最明顯的部位

4、,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的檢測(cè)和計(jì)數(shù)功能。1.3 原理框圖本設(shè)計(jì)中，脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)傳聲器BM將脈搏跳動(dòng)的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大整形處理后，作為集成計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。此計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)集成計(jì)數(shù)電路和七段譯碼顯示驅(qū)動(dòng)集成電路處理后，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器工作，顯示器上的數(shù)字隨著脈搏的跳動(dòng)而同步變化。延時(shí)60s后，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)規(guī)則，集成計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，數(shù)碼顯示器上的小數(shù)點(diǎn)被點(diǎn)亮，表示測(cè)量結(jié)束。此時(shí)數(shù)碼顯示器上顯示的數(shù)字即是被測(cè)者脈搏每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)RP1的阻值，可使脈搏跳動(dòng)于顯示同步，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出脈搏數(shù)。 數(shù)碼顯 示器顯示驅(qū)動(dòng)集成電路信號(hào)放大電路脈搏傳感器計(jì)數(shù)器集成

5、電路數(shù)顯式脈搏計(jì)系統(tǒng)硬件原理框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 脈搏傳感器提取脈搏信號(hào)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(chēng)應(yīng)變電阻式）、壓電式、壓磁式等。這三大類(lèi)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(hào)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(shuō)話時(shí)聲帶的振動(dòng)，但很難用手的觸覺(jué)識(shí)別出說(shuō)話人的特征一樣，而任何一個(gè)普通人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的能力都可輕而易舉地分辨出說(shuō)話人的特征（如性別、年齡等）。因此，我們?cè)噲D以“聽(tīng)”聲的方式來(lái)提取和分析脈搏信號(hào)?；?/p>

6、這種意圖，我們選用電容傳聲器(如美國(guó)的Larson*Davis-3723、丹麥的B&K-4147等)作為提取脈搏信號(hào)的傳感器，本論文采用自功率譜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)功率譜）分析脈搏信號(hào)，處理方法和過(guò)程為：脈搏信號(hào)先經(jīng)過(guò)一模擬低通濾波器以消除工頻等各種干擾。然后經(jīng)過(guò)A/D采樣，把模擬信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)x(n)，最后計(jì)算瞬時(shí)頻譜傳聲器的優(yōu)勢(shì)：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(diǎn)。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(cè)量產(chǎn)品的種類(lèi)，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(jiàn)。金屬應(yīng)變式

7、壓力傳感器是一種歷史較長(zhǎng)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(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)，但由于半導(dǎo)體材料對(duì)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(jiǎn)單。一個(gè)無(wú)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(gè)參數(shù)，即可改變電容量。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎所有電容式壓力傳感器均采用改變間隙的方法來(lái)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(jìn)的電子線路才能檢測(cè)出電容的微小變化?？梢哉f(shuō)，一個(gè)好的電容式傳感器應(yīng)該是可變電容設(shè)計(jì)和信號(hào)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(lái)的電壓信號(hào)較弱，一般在毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，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(guò)過(guò)零比較器，轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，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(shí)，要求放大電路有較高的輸入阻抗。同相比例放大電路簡(jiǎn)單、實(shí)用、焊接方便，相對(duì)反相比

9、例放大電路而言，具有更高的輸入阻抗，而且價(jià)格便宜，所以，本設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器件有很多，比如運(yùn)算放大器集成電路LM324等。本設(shè)計(jì)采用LM324四運(yùn)放集成電路，LM324采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)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(fù)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(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。每一組運(yùn)算放大器可用如圖所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、

10、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 LM324管腳圖2.4 集成計(jì)數(shù)電路本設(shè)計(jì)選用集成計(jì)數(shù)IC CD4553，CD4553是3位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但只有1個(gè)輸出端，要完成3位輸出，采用掃描輸出方式，通過(guò)它的選通脈沖信號(hào)，依次控制3位十進(jìn)制的輸出，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示方式。CD4533管腳功能：CLOCK：計(jì)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(jì)數(shù)器清零（只清計(jì)數(shù)器部分），高電平有效。LE：鎖定允許

11、。當(dāng)該端為低電平時(shí)，3組計(jì)數(shù)器的內(nèi)容分別進(jìn)入3組鎖存器，當(dāng)該端為高電平時(shí)，鎖存器鎖定，計(jì)數(shù)器的值不能進(jìn)入。DIS：該端接地時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖才能進(jìn)行計(jì)數(shù)。DS1、DS2、DS3：位選通掃描信號(hào)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(shí)輪流輸出3組鎖存器的BCD碼。CD4533注意事項(xiàng)：CD4553內(nèi)部雖然有3組BCD碼計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)最大值為999），但BCD的輸出端卻只有一組Q0Q3通過(guò)內(nèi)部的多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能分時(shí)輸出個(gè)、十、百位的BCD碼，相應(yīng)地，也輸出3位位選通信號(hào)。例如：當(dāng)Q0Q3輸出個(gè)位的BCD碼時(shí)，DS1端輸出低電平；當(dāng)Q0Q3輸出十

12、位的BCD碼時(shí)，DS2端輸出低電平；當(dāng)Q0Q3輸出百位的BCD碼時(shí)，DS3端輸出低電平時(shí)，周而復(fù)始、循環(huán)不止。2.5 顯示驅(qū)動(dòng)電路顯示電路方案由顯示驅(qū)動(dòng)集成電路部分、數(shù)碼顯示器部分組成。集成驅(qū)動(dòng)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(jí)，通常用以驅(qū)動(dòng)LED脈搏信號(hào)經(jīng)放大電路處理后，需要將脈搏脈沖信號(hào)在顯示電路中直觀地顯示出來(lái)。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。人體脈搏信號(hào)從時(shí)域上看，是一個(gè)周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號(hào)。脈搏波動(dòng)頻率一般為6080次/min。本設(shè)計(jì)中，設(shè)定顯示的每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)誤差不超過(guò)1次，顯示位數(shù)為2位。

13、本設(shè)計(jì)采用7段LED數(shù)碼顯示器來(lái)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)、使用方便等特點(diǎn)，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(kāi)關(guān)Sl、電池GB和濾波電容器C6組成。脈搏信號(hào)檢測(cè)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(yùn)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(shí)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(mén)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(dòng)電路:由IC3、譯碼驅(qū)動(dòng)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(hào)名稱(chēng)參數(shù)個(gè)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(kāi)關(guān)二極管8滑動(dòng)變阻器RP122K1小型合成碳膜電位器9滑動(dòng)變阻器RP268K1小型合成碳膜電位器10電容C50.0331獨(dú)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(kāi)關(guān)S11小型單極撥動(dòng)式開(kāi)關(guān)16開(kāi)關(guān)S21小型動(dòng)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(shí)，將BM放在人體脈搏跳動(dòng)最明顯的部位，接通電源開(kāi)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(jì)數(shù)。松開(kāi)S2后，C7通過(guò)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(shí)，BM將脈搏跳動(dòng)的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器Nl-N3和Dl放大整形處理后，作為IC3的12腳 (CLK)的計(jì)數(shù)脈沖。此計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)IC3和1C4譯碼處理后，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器工作，顯示器上的數(shù)字隨著脈搏的跳動(dòng)而同步變化。延時(shí)60s后，C7放電結(jié)束，D5和D6輸出高電平，lC3停止計(jì)數(shù)，數(shù)碼顯示器上的小數(shù)點(diǎn)被點(diǎn)亮，表示測(cè)量結(jié)束。此時(shí)數(shù)碼顯示器上顯示的數(shù)字即是被測(cè)者脈搏每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)。調(diào)節(jié)RP1的阻值，可使脈搏跳

17、動(dòng)于顯示同步 (使脈搏每跳動(dòng)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(shí)計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性 (使延時(shí)時(shí)間剛好為605)。5 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果將BM放在人體脈搏跳動(dòng)最明顯的部位,如胸腔附近，頸動(dòng)脈附近都是比較理想的檢測(cè)位置，我們將BM放置在頸動(dòng)脈附近進(jìn)行測(cè)試，接上電源，調(diào)節(jié)RP1的阻值，使脈搏跳動(dòng)于顯示同步 (使脈搏每跳動(dòng)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(shí)計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性 (使延時(shí)時(shí)間剛好為605)。通過(guò)上述理論推到,若本次課設(shè)所設(shè)計(jì)的數(shù)顯式脈搏計(jì)能夠完成同步計(jì)數(shù)和延時(shí)計(jì)數(shù)功能,那么本次課程設(shè)計(jì)是成功的,當(dāng)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(duì)準(zhǔn)確性。同時(shí)，本設(shè)計(jì)可繼續(xù)改進(jìn)，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(jì)總結(jié)通過(guò)本次傳感器課程設(shè)計(jì)實(shí)踐我們收獲頗多。通過(guò)小組成員間的協(xié)作，讓我們充分體到團(tuán)隊(duì)的力量遠(yuǎn)比個(gè)人強(qiáng)大。數(shù)電、模電、傳感器知識(shí)的交叉綜合運(yùn)用，讓我們體會(huì)知識(shí)是相互存在聯(lián)系的，不是孤立單獨(dú)存在的。本次設(shè)計(jì)增強(qiáng)了我們閱資料的能力，知識(shí)要點(diǎn)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(jì)帶來(lái)了很大的方便。當(dāng)然，本次設(shè)計(jì)離不開(kāi)