數(shù)字脈搏測試儀設(shè)計

1、摘要脈搏是一項重要生理參數(shù)。目前，測試脈搏的設(shè)備已從傳統(tǒng)的數(shù)字電路向以微控制器為核心的方向發(fā)展。本文的重點就在于要求實現(xiàn)測量的簡便化和精確化。本題目主要設(shè)計一個由傳感器、計數(shù)器、譯碼器和時基信號發(fā)生器等部分組成的數(shù)字脈搏測試電路。能測量人在一分鐘內(nèi)的脈搏數(shù)，并以數(shù)字顯示，能判斷心率不齊且進行告警顯示。整個系統(tǒng)耗電低，體積小，具有便攜性與精確性。關(guān)鍵詞：脈搏；計數(shù)器；譯碼器Abstract Pulse is an important physiological parameter.At present, the test pulse equipment from the traditional

2、digital circuit to the microcontroller as the core direction.The focus of this paper is that required to achieve a simple and accurate measurement.This topic mainly consists of sensor, counter, decoder and a time base signal generator and other components of the digital pulse testing circuit.Can be

3、measured in one minute with the pulse number, and a digital display, can judge the heart rate and alarm display.The whole system of low power consumption, small volume, portable and precise. Key words: pulse; counter; decoder;目錄摘要2第一章引言5第二章設(shè)計方案7一設(shè)計要求及技術(shù)指標7二原理方框圖7第三章單元電路的設(shè)計9一信號檢測放大與整形電路9芯片CD40119二計數(shù)，

4、譯碼，顯示電路10CD451110CD4553 （帶掃描輸出的三位十進制計數(shù)器）11三計時電路15CD406015第四章總原理圖及原理綜述17總體調(diào)試18設(shè)計心得與體會18參考文獻：21致謝22第一章 引言在傳統(tǒng)中醫(yī)學的診斷中，“望、聞、問、切”是最基本的四個方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過脈診，醫(yī)生可以對患者的身體狀況有一個大概的了解，進而對癥下藥。脈搏信號可以直接反應(yīng)出患者心臟的部分狀況，我國傳統(tǒng)中醫(yī)學認為，通過脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測到病因，病位，預測療效等。從近代醫(yī)學的角度來看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔著協(xié)調(diào)全身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，運

5、走代謝廢物等重要的工作，還承擔運送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動態(tài)平衡。從整體的角度對疾病進行綜合分析，顯然循環(huán)系統(tǒng)的信息將占很重要的比重；從整個循環(huán)系統(tǒng)來看橈動脈介于大動脈與小動脈之間，由于心臟的舒縮、內(nèi)臟血容量的變化、血管端點阻抗、管道內(nèi)脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因素使脈象攜帶著有關(guān)心臟運動、內(nèi)臟循環(huán)、外周循環(huán)等豐富的心血管系統(tǒng)及整體的動態(tài)信息。因此脈診的臨床意義很大，它的機理是急待于我們進行研究的。 鑒于脈診的重要性，人們對于脈搏測量一直非常關(guān)注，早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面

6、。此后隨著機械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是70年代中期，國內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地相繼成立了跨學科的脈象研究協(xié)作組，多學科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進入了一個新的境界。脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢： (1) 自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析。目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能，但是對這些信號的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗的醫(yī)生觀察，進行分析后才能確認結(jié)果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來脈搏自動檢測的內(nèi)容將更加詳細，自動分析診斷功能也更強大。(2) 數(shù)字化技術(shù)等先進技術(shù)的應(yīng)用。隨著數(shù)字科學技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成

7、度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準確。（3）多功能化越來越明顯目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實現(xiàn)更多的功能。人體脈搏測試儀是用來測量人體心臟跳動頻率的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。心臟跳動頻率通常用每分鐘心臟跳動的次數(shù)來表示。采用數(shù)顯式脈搏計測量心臟跳動的頻率不但精確，而且使用方便，顯示結(jié)果醒目。本設(shè)計所使用的系統(tǒng)利用壓電陶瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理后利用AD放大器進行放大和整形，在短時間內(nèi)，測量出人體一分鐘的脈搏數(shù)，并將心率進行實時顯示，便于攜帶。達到了方

8、便、快速、準確地測量心率的目的。這樣的脈搏測量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適應(yīng)大眾化，適合家庭進行自我檢查以及醫(yī)院護士進行每日的臨床記錄。 正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6080次（低于60次/分鐘為脈動過緩，高于80次/分鐘為脈動過速), 這種頻率信號屬于低頻范疇.因此,脈搏計的用來測量低頻信號的裝置,它的基本功能要求應(yīng)該是: 1.要把人體的脈搏數(shù)(振動)轉(zhuǎn)換成電信號,這就需要借助傳感器。 2.對轉(zhuǎn)換后的電信號要進行放大和整形處理，以保證其它電路能正常加工和處理。 3.在很短的時間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號頻率值。總之，脈搏計的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數(shù)，

9、最后以數(shù)字形式顯示出來。第二章設(shè)計方案一 設(shè)計要求及技術(shù)指標設(shè)計數(shù)字脈搏計，顯示被測人體脈搏每分鐘跳動次數(shù)。測量范圍為30250次/分。在短時間（如515s）內(nèi)測出脈搏次每分鐘數(shù)，誤差限制4次/分。鎖定顯示，不閃爍。脈搏計的上述功能要求，可采用兩個不同的方案來實現(xiàn)：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，第一種比較直觀，所需要的電路結(jié)構(gòu)更簡單些；第二種方法的測量誤差比較小，但實現(xiàn)起來電路要復雜些。為了使脈搏計輕巧而便宜，通常采用第一種方案。以下進行的設(shè)計

10、就是基于第一方案。把脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，在單位時間內(nèi)進行計數(shù)，并用數(shù)字顯示其計數(shù)值，而且直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。二原理方框圖脈搏測試儀使用傳感器將拾取的脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號經(jīng)放大電路進行放大整形后，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)。數(shù)字脈搏測試儀，其核心部分主要由三個模塊組成-檢測、放大與整形，計數(shù)、譯碼與顯示模塊，計時模塊。檢測電路用傳感器將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，放大與整形主要通過CD4011組成的放大電路將信號進行放大與整形；計數(shù)譯碼，顯示模塊主要對整形好的矩形脈沖進行計數(shù)給譯碼器輸入編碼，顯示

11、主要通過譯碼器傳和三極管控制數(shù)碼管分時顯示；計時模塊主要通過控制一個六十秒鐘的時間信息，從而控制一分鐘的計時。原理方框圖如圖所示計時譯碼/驅(qū)動計數(shù)信號放大與整形數(shù)碼管顯示信號檢測圖1脈搏測試儀使用傳感器將拾取的脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號經(jīng)放大電路進行放大整形后，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)。第三章 單元電路的設(shè)計一 信號檢測放大與整形電路芯片CD4011圖2圖3信號檢測使用壓電陶瓷片。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(guān)系的、易于處理的電量信號

12、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(yīng)”。壓電效應(yīng)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(yīng)力。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。將壓電陶瓷片HTD-27置于脈搏測試處，傳感器將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號送給與非門組成的放大器進行放大，經(jīng)過四級放大之后其波形已被整形為與脈搏相同頻率夫人近似方波，送到計數(shù)器計數(shù)。放大原理:非門電路在高低電平轉(zhuǎn)換之間,即載止與飽和之間,有一過渡區(qū),這一段過渡區(qū)就是放大區(qū)(線性區(qū)),利用這一區(qū)域,可將非門作放大器

13、之用。使用方法:將電阻接至非門的輸入與輸出之間作為直流偏置電阻.這時,非門工作于放大區(qū).就可作放大器用了。二 計數(shù)，譯碼，顯示電路CD4511CD4511B是一個BCD-七段鎖存譯碼器/驅(qū)動器。計數(shù)結(jié)果通過譯碼器譯碼后,才能在LED數(shù)碼管看到數(shù)據(jù)。CD4511B讀取計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)再通過BCD碼轉(zhuǎn)換,驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示出來。圖4就是CD4511B的引腳分布圖。圖4CD4511B的功能表。CD4553 （帶掃描輸出的三位十進制計數(shù)器）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。由三個同步級聯(lián)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

14、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。CD4553有兩個特點： （1）有多種功能：鎖存控制、計數(shù)允許、計滿溢出和清零等。 （2）是三位十進制計數(shù)器，但只有一位輸出端（輸出BCD碼），要完成三位輸出，采用掃描方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制三位十進制的輸出，從而實現(xiàn)掃描顯示方式。 CD4553組成方框圖 CD4533管腳圖6CD4553的組成方框圖及管腳排列如圖所示，功能表見表1。 （1）CL（引腳12）為計數(shù)器的脈沖輸入端。 （2）INH（引腳11）為計數(shù)允許控制端，當INH為“0”時，計數(shù)脈沖由CL端進入計數(shù)器，而當INT為“1”時，禁止計數(shù)脈沖輸入計數(shù)器，

15、計數(shù)器保持禁止前的最后計數(shù)狀態(tài)。 （3）LE（引腳10）為鎖存允許端，當LE為“1”時，鎖存器呈鎖存狀態(tài)而保持原有鎖存器內(nèi)信息。 （4）R（引腳13）為復位端，當R=1時，計數(shù)器輸出Q0Q3皆為0。 （5）輸出哪一位的計數(shù)值由選通脈沖DS1DS3控制（低電平有效）。 （6）溢出OF（引腳14），當CD4553每計滿1000個脈沖時，溢出端輸出一個脈沖，而后又重新開始計數(shù)。CD4553的功能表輸入輸出RCLINHLEQ3 Q2 Q1 Q0000計數(shù)01不變010計數(shù)00不變01鎖存10從功能表可以看出，計數(shù)情況只有兩種：一種是在R、INH、LE為低電平，這時如果在CL下降沿到來時，作加法計數(shù)。第

16、二種情況是在R、LE為低電平，CL為高電平，這時如果電路的上升沿到來時，作加法計數(shù)。當LE為高電平時，計數(shù)器將把數(shù)據(jù)鎖存起來。圖7從圖、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小實現(xiàn)），個位、十位、百位掃描周期分時段顯示。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

17、 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 內(nèi)部有整形電路。壓電陶瓷式傳感器在 CD4011 與電阻、電容的配合下，將凌亂的信號輸入 CD4553 整形。13 腳復位端與CD4060 進行一分鐘限時計數(shù)。3、4腳外接定時電容。作芯片內(nèi)部掃描振蕩器的內(nèi)部時鐘。CD4553的9、7、6、5腳為BCD碼輸出端通過這四個管腳將數(shù)據(jù)輸入CD4511。以求達到顯示的目的。圖8在數(shù)字脈搏測試儀電路中，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C

18、D4511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，任意時刻三個數(shù)碼管中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。前面介紹過CD4553的芯片內(nèi)部有一個掃描脈沖發(fā)生器，通過這個脈沖發(fā)生器控制1、2、15管腳的電平輸出，在一個脈沖周期內(nèi)只有一個端口是低電平輸出，然后三個周期過后就是1、2、15三個管腳的每一個低電平輪流輸出，此脈沖發(fā)生器的頻率較高，變換周期較短，由于它們的變化速度很快，肉眼無法識別，故看似同

19、時顯示。三 計時電路CD4060CD4060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,可有外接電阻和電容構(gòu)成RC振蕩器.圖9 圖10圖9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。圖1

20、1芯片CD4060，CD4060是14位二進制串行計數(shù)/分頻和振蕩器在本設(shè)計中，其主要功能是一分鐘計時。CD4553的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腳由高電平到低電平，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CD4

21、553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。第四章 總原理圖及原理綜述數(shù)字脈搏測試儀總原理圖如圖12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)譯碼顯示電路。CD4553內(nèi)部輸入端設(shè)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。使用時，用手表

22、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(guān)K1后即按一下復位開關(guān)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(guān)閉。這時數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為每分鐘的脈搏數(shù)。圖12總體調(diào)試將壓電陶瓷片緊壓在手腕的脈搏處，而后接通電源開關(guān)S，數(shù)碼顯示管將顯示數(shù)字，表明電路工作正常，緊接著按下清零按鈕S1，則數(shù)碼管計數(shù)值將隨著脈搏的跳而持續(xù)增加，當1分鐘后，由于定時器的原因，數(shù)值被鎖存，數(shù)碼管顯示當時的數(shù)值，此計數(shù)值，即為每分鐘的脈搏次數(shù)。調(diào)試放大整形電路 用脈沖信號發(fā)生器做輸入信號源，用脈沖示波器觀測放大電路和整形電路輸出端電壓波形，正常情況下應(yīng)有100倍以上的放大，整形電路應(yīng)輸出理想的電壓波形。調(diào)試計數(shù)顯示電路 用低頻脈沖信號發(fā)生器的輸出信號作為計數(shù)器的輸入，從LED數(shù)碼管上去讀數(shù)字，觀察個，十位計數(shù)器是否都能完成逢十進一的功能，然后按下清零按鈕，使兩個計數(shù)器均清零，重新開始計數(shù)，數(shù)碼管應(yīng)能反映這個狀態(tài)。如果讀取出錯，要檢查2個數(shù)碼管的連線是否正確，所以必須檢查譯碼器各輸出端與數(shù)碼管相應(yīng)引腳的連接是否正確。設(shè)計心得與體會心得：本次設(shè)計模塊設(shè)計中要通過關(guān)聯(lián)譯碼器CD4511、由三個同步級聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計數(shù)器（個位、十位、百位）、三個鎖存器