脈搏計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、.報(bào)告成績(jī)電子電路綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生XX：賀杰學(xué) 號(hào)：1410404006專業(yè)年級(jí)：2021級(jí)通信工程4班指導(dǎo)教師：周妮 講師起止日期：2021年3月2021年6月電氣與信息工程學(xué)院2021年6月3日. v.目 錄1目的與意義13 方案設(shè)計(jì)14 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)35仿真調(diào)試與分析106結(jié)論與體會(huì)10參考文獻(xiàn)10附錄11附錄A 系統(tǒng)實(shí)物圖11. v. 摘要：電于脈搏計(jì)可以連續(xù)臺(tái)動(dòng)地測(cè)量手術(shù)或重危病人的脈搏，也可以用于安康管理，運(yùn)發(fā)動(dòng)的訓(xùn)練等方面，為提高運(yùn)用電子技術(shù)根本知識(shí)進(jìn)展理論設(shè)計(jì)、實(shí)踐創(chuàng)新以及獨(dú)立工作、團(tuán)隊(duì)合作的能力，通過實(shí)踐制作一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，學(xué)會(huì)合理的利用集成電子器件制作基于數(shù)字電路和模擬電路

2、的課程設(shè)計(jì)與制作。電子脈搏計(jì)是用來測(cè)量一個(gè)人心臟跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成局部，它是用來測(cè)量頻率較低的小信號(hào)。1目的與意義一、目的：1、掌握組合邏輯電路的工作原理及設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)會(huì)安裝和調(diào)試分立元件與集成電路組成的電子電路小系統(tǒng)。二、意義 對(duì)于醫(yī)院的危重病人，或者在其他一些特殊場(chǎng)合，需對(duì)人的脈搏進(jìn)展連續(xù)檢測(cè)，本課題即針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)易的電子脈搏計(jì)。1、制作要求實(shí)現(xiàn)在15S內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。正常人脈搏數(shù)為6080次/min嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min。只考慮數(shù)字局部，即輸入波形視為矩形波2、制作步驟 1擬定測(cè)試方案和設(shè)計(jì)步

3、驟，填寫真值表； 2根據(jù)性能指標(biāo)，計(jì)算元件參數(shù)，選好元件，設(shè)計(jì)電路并畫出電路圖； 3進(jìn)展相應(yīng)的仿真測(cè)試； 4設(shè)計(jì)、調(diào)試和安裝電路并測(cè)試； 5撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。2 方案設(shè)計(jì)電子脈搏計(jì)是由脈搏計(jì)數(shù)器和控制時(shí)間的定時(shí)電路所組成，并且還要在15S內(nèi)測(cè)量出1min的脈搏數(shù)。所以，我們先按要求，分開設(shè)計(jì)各個(gè)功能的電路圖，然后再組合連接成一個(gè)完整的按要求的電子脈搏計(jì)。方案一：左移兩位脈搏計(jì)數(shù)電路與門脈搏模擬電路電源電路BCD碼轉(zhuǎn)換控制電路數(shù)碼管顯示電路使能信號(hào)鎖存電路清零電路數(shù)碼管顯示電路計(jì)時(shí)電路圖31方案一整體框圖正常人脈搏數(shù)為6080次/min，嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min。為了

4、精準(zhǔn)電路，我取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)X圍為0-299。讓信號(hào)發(fā)生器模擬人體脈搏的產(chǎn)生。以每個(gè)上升沿代表一次脈搏。讓計(jì)數(shù)器記錄上升沿的個(gè)數(shù)，再左移兩位，表示所記數(shù)字乘以四。這樣我們就可以15秒鐘測(cè)量一分鐘的個(gè)數(shù)。但是這種方案由六位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換BCD碼電路復(fù)雜，故障率高，延時(shí)較長(zhǎng)，且計(jì)數(shù)不能連續(xù)，所以舍棄這種方案。方案二：與門脈搏四倍頻電路脈搏模擬電路脈搏計(jì)數(shù)電路時(shí)鐘產(chǎn)生電路電源電路清零電路使能信號(hào)鎖存電路控制電路數(shù)碼管顯示電路計(jì)時(shí)電路圖3方案二整體框圖在計(jì)數(shù)器與脈搏產(chǎn)生器之間串聯(lián)一個(gè)四倍頻電路。這樣我們?cè)?5秒內(nèi)采集的脈沖個(gè)數(shù)就可以等效為一分鐘的個(gè)數(shù)，另外再加一個(gè)計(jì)時(shí)控制電路，當(dāng)計(jì)時(shí)為15秒時(shí)，讓計(jì)數(shù)器停

5、頓計(jì)數(shù)，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)就是一分鐘的脈搏數(shù)。如需重新記數(shù)，只要清零即可。此種方法能夠連續(xù)計(jì)數(shù)，且計(jì)數(shù)電路構(gòu)造簡(jiǎn)單。應(yīng)選用第二種方案。方案二，框圖介紹：以下幾個(gè)模塊是構(gòu)成電子脈搏計(jì)的主要功能模塊，為使人們更了解該方案的原理，現(xiàn)將各個(gè)模塊介紹如下。 1.脈搏模擬電路主要是產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，來模擬人體的脈搏經(jīng)過傳感器和波形整形后的輸出信號(hào)。該信號(hào)直接送給脈搏四倍頻電路。 2.四倍頻電路的作用是將脈搏模擬信號(hào)的頻率增加四倍，即讓計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)為實(shí)際值的四倍。讓我們?cè)?5s內(nèi)就可以讀出1分鐘的脈搏數(shù)。 3.時(shí)鐘產(chǎn)生電路由555構(gòu)成，主要是為整個(gè)電路提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，讓被測(cè)者能夠比照時(shí)間與脈沖個(gè)數(shù)，

6、來判斷脈搏的快慢。 4.計(jì)時(shí)電路接收時(shí)鐘信號(hào)并計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到15s的時(shí)候，給JK觸發(fā)器一個(gè)有效脈沖，讓JK觸發(fā)器通過與門控制脈搏信號(hào)與計(jì)數(shù)電路的通與斷。 5.清零信號(hào)主要是為下一次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。當(dāng)需要再一次測(cè)量時(shí)，只需按下清零信號(hào)鍵，使數(shù)據(jù)歸零。就可以重新計(jì)數(shù)。 6.電源主要是為各個(gè)模塊提供電能，使其正常工作，本設(shè)計(jì)采用5V直流供電，電源直接從數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱上獲得。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路原理總述：電路原理如圖2所示，因?yàn)槭叭∶}搏需要傳感器，信號(hào)放大器，波形整形電路，為了方便起見，我以頻率可調(diào)的矩形波模擬脈搏。經(jīng)過四倍頻，產(chǎn)生需要計(jì)數(shù)的脈沖。另一路，由NE555產(chǎn)生周期為1秒的矩形波，并輸給計(jì)時(shí)電路，做

7、為時(shí)間基準(zhǔn)，控制脈搏脈沖的通與斷。再由脈搏計(jì)數(shù)器對(duì)脈搏進(jìn)展計(jì)數(shù)。通過數(shù)碼管顯示出來。如需重新測(cè)量，只需讓各電路清零即可。此外，各個(gè)模塊用同一個(gè)電源供電。四倍頻電路：原理圖如圖31所示，其工作原理為：當(dāng)a點(diǎn)為低電平穩(wěn)定時(shí)，b點(diǎn)為0。a=b,c=0。當(dāng)a由低變高時(shí)，第一個(gè)異或輸出為高。給電容充電，b點(diǎn)電壓逐漸升高，當(dāng)電壓到達(dá)異或門的閾值電壓2V時(shí)，c點(diǎn)為低。高電平時(shí)間由R1，C1的值共同確定。當(dāng)a點(diǎn)由高到低時(shí)，b點(diǎn)電壓不變，且電容開場(chǎng)放電，此時(shí)，a=!b,c點(diǎn)電位為高，直到電容放電致電壓小于2V，c點(diǎn)跳變?yōu)榈?。整個(gè)過程組成一個(gè)二倍頻電路，兩個(gè)二倍頻電路構(gòu)成一個(gè)四倍頻電路。輸入與輸出波形如圖32所示

8、。輸入脈搏信號(hào)用250HZ的矩形波，T=4ms。前級(jí)二倍頻電路的高電平應(yīng)為2ms。 經(jīng)計(jì)算得：TW=0.7RC=0.7×6K×0.47uF=1.974ms。為使上升沿分布均勻，二級(jí)倍頻電路的高電平應(yīng)小于1/2TW。且如果電容過大，那么波形可能出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。故我們只需要分布均勻的上升沿即可。所以：TW2=0.7RC=0.7×0.23K×0.47uF=0.075ms四4-1 四倍頻電路4圖圖4-2四倍頻電路輸出輸入波形比擬、脈搏計(jì)數(shù)電路脈搏計(jì)數(shù)電路主要用到兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，該元件功能為：ENT、ENP為芯片的使能端，當(dāng)ENT、ENP接高電平時(shí)芯

9、片處于工作狀態(tài)，接低電平時(shí)處于休眠狀態(tài)。我們將這兩端接高電平，使它一直工作。CLR為清零端，CLR=0，QAQD輸出為0，CLR=1，芯片正常工作。LOAD為同步置數(shù)端，低電平有效，當(dāng)LOAD為低，且有下降沿來時(shí)，A、B、C、D四個(gè)數(shù)就并行置入，從QA、QB、QC、QD輸出。RCO為進(jìn)位端。即由9變?yōu)?時(shí)，該端出現(xiàn)一個(gè)高電平。在兩個(gè)芯片級(jí)聯(lián)時(shí)，分同步級(jí)聯(lián)與異步級(jí)聯(lián)。同步級(jí)聯(lián)的方法不僅電路簡(jiǎn)單，而且功耗較低，因?yàn)槭粩?shù)據(jù)顯示端只在進(jìn)位信號(hào)來時(shí)工作，其余時(shí)間不工作，而異步級(jí)聯(lián)十位數(shù)據(jù)顯示端一直工作，經(jīng)電流表測(cè)量，同步電流為0.888uA,異步級(jí)聯(lián)電流為0.972uA,故我采用同步級(jí)聯(lián)的方法。將個(gè)位

10、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端與十位數(shù)據(jù)的使能端聯(lián)接起來，把兩個(gè)芯片的LOAD與CLR都接高電平，兩個(gè)CLK端連起來接模擬的脈搏信號(hào)輸出端XFG1。這樣就組成一個(gè)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。XFG1每來一個(gè)上升沿，數(shù)碼管顯示的數(shù)字就會(huì)加1，這樣就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算脈搏數(shù)量這一功能。其電路聯(lián)接如圖4-3所示：圖4-3脈搏計(jì)數(shù)電路、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路時(shí)鐘信號(hào)在電子脈搏計(jì)中的作用是產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，并控制脈搏計(jì)數(shù)器的工作，作為參考時(shí)鐘。時(shí)鐘電路的原理圖如圖4-4所示：圖4-4555時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖該電路是用LM555做的一個(gè)多諧振蕩器。為了得到占空比為50%的矩形波，在R2上并聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)電容充電時(shí)，充電回路是VCC

11、-R1-D1-C2-GND，電容放電時(shí)，放電回路是C2-R2-DIS-GND。振蕩周期由R1，R2，C2共同決定。其輸出波形如圖4-5所示。產(chǎn)生波形的周期：理想狀態(tài)下T=0.7R1+R2=0.7×6.8+6.8×0.1=1.008msF=1/T=1KHZ圖4-5波形產(chǎn)生電路的輸出波形T=0.1ms因?yàn)榉抡孳浖挠洉r(shí)單位是ms，假設(shè)以s為單位，那么要等很長(zhǎng)時(shí)間，故我采用1KHZ代替1HZ的時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)算過程如上所示。4、計(jì)時(shí)控制電路： 計(jì)時(shí)控制電路如圖4-6所示，74LS163是一個(gè)十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。ENT、ENP和A接高電平，使芯片工作，B、C、D接低電平，即當(dāng)LOAD為低

12、電平時(shí)，74LS163置1。芯片的CLR接R3與開關(guān)，組成清零電路。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，CLR=1，芯片正常計(jì)數(shù)。當(dāng)開關(guān)翻開，CLR=0芯片清零。R3為下拉電阻，R3=10K。RCO為進(jìn)位信號(hào)端，當(dāng)計(jì)數(shù)到15時(shí)，QAQD輸出高電平，下一個(gè)脈沖來時(shí)，QAQD輸出為0、0、0、0。RCO來一個(gè)上升沿。使該上升沿經(jīng)過一個(gè)非門引到LOAD端，即進(jìn)位時(shí)給LOAD一個(gè)低電平，使其置數(shù)。這樣計(jì)數(shù)器從1計(jì)到15然后返回1。這樣組成一個(gè)15進(jìn)制計(jì)數(shù)器。RCO端輸出為一個(gè)15分頻波形。四個(gè)發(fā)光二極管指示計(jì)數(shù)器所記數(shù)值。R6、R7、R8、R9為四個(gè)限流電阻。根據(jù)經(jīng)歷值取300歐姆。 進(jìn)位信號(hào)端RCO每15秒產(chǎn)生一個(gè)上升沿

13、，該上升沿給JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器的JK接1，那么每來一個(gè)上升沿，1Q和1Q翻轉(zhuǎn)一次。即1Q輸出15s的高電平，然后輸出15秒的低電平，時(shí)序如圖3-7所示。即控制計(jì)數(shù)器工作15秒，然后停15秒。LED5為控制狀態(tài)指示燈。LED5亮表示計(jì)數(shù)器不工作。LED5不亮那么脈搏計(jì)工作。也就是說LED5是一個(gè)報(bào)警器，我們也可以用一個(gè)蜂鳴器代替。而LED1-4，是為了表示74LS163輸出端QA、QB、QC、QD的上下電平。圖4-6 計(jì)時(shí)控制電路原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖：圖4-7總原理圖電路完整工作過程描述總體工作原理總體框圖如圖4-7所示，一路由555產(chǎn)生電鐘信號(hào)，從3端口輸出進(jìn)

14、入74LS163的CLK端，讓163開場(chǎng)計(jì)數(shù)。163的進(jìn)位端RCO接JK觸發(fā)器的CLK。讓1Q的上下電平每15秒變一次。清零系統(tǒng)由電源、按鍵、下拉電阻和地組成。74LS163的CLR、74LS160的CLR和74LS73的CLR端連在一起并接下拉電阻旁。當(dāng)開關(guān)閉合，CLR輸入一個(gè)高電平；當(dāng)開關(guān)斷開，CLR端輸入一個(gè)低電平，系統(tǒng)清零。另一路為信號(hào)處理電路，由波形發(fā)生器和四倍頻電路組成。這兩路信號(hào)通過一個(gè)與門電路合并在一起輸入計(jì)數(shù)電路的CLK端。當(dāng)1Q處于高電平時(shí)，脈搏信號(hào)通過與門直接輸入計(jì)數(shù)電路的CLK端。當(dāng)1Q為低電平時(shí)，與門輸出為0，相當(dāng)于脈搏與計(jì)數(shù)斷開。脈搏計(jì)停頓工作。操作方法：開機(jī)后先使

15、開關(guān)斷開再閉合，讓系統(tǒng)清零。此時(shí)74LS73的1Q端輸出為零，計(jì)數(shù)器不工作，這樣做的目的是為了解決倍頻電路的丟步問題。讓系統(tǒng)等待15秒，計(jì)數(shù)器開場(chǎng)工作。記錄15秒后計(jì)數(shù)停頓，數(shù)碼管顯示不變，此時(shí)我們就可以讀出人體1分鐘的脈搏數(shù)。如需重新開場(chǎng)，只要將開關(guān)再翻開一次然后關(guān)閉即可。3元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注174LS160N2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器274LS163N1十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器374LS73D1雙JK觸發(fā)器474LS86N1異或門574LS09D1與門674LS04N1非門7LED_red5發(fā)光二極管8DCD_HEX3數(shù)碼管9二極管110電阻 300*5 230*1 6k*1 10k*1 6.

16、8k*21011電容 100nf*2 0.47uf*2412LM5551555定時(shí)器表4-1元件清單4仿真調(diào)試與分析電路設(shè)計(jì)好以后，用軟件Multisim進(jìn)展仿真。在這軟件中，由于仿真軟件的記時(shí)單位是ms，假設(shè)以s為單位，那么要等很長(zhǎng)時(shí)間，故我采用1KHZ代替1HZ的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)間用1ms代替1s。當(dāng)仿真開場(chǎng)，右下角的數(shù)碼管開場(chǎng)顯示時(shí)間從1至15秒循環(huán)，用函數(shù)發(fā)生器輸入一個(gè)頻率為500HZ的矩形波，待一段時(shí)間后，關(guān)閉開關(guān)。過一會(huì)，當(dāng)顯示時(shí)間的數(shù)碼管重新從1開場(chǎng)時(shí)，顯示脈搏數(shù)的數(shù)碼管也開場(chǎng)從1開場(chǎng)計(jì)數(shù)。最后，當(dāng)顯示時(shí)間的數(shù)碼管到達(dá)15且重置為1時(shí)，脈搏計(jì)數(shù)器顯示30且停頓，待過15s后，脈搏計(jì)數(shù)

17、器繼續(xù)工作，顯示從30開場(chǎng)，直到15秒后，到達(dá)60停頓。當(dāng)開關(guān)A翻開時(shí)，脈搏計(jì)數(shù)器清零。故仿真結(jié)果正常，沒誤差，到達(dá)實(shí)驗(yàn)的要求在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)，且誤差小于±4次/min。接著停頓電路工作，改變函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)，輸入一個(gè)頻率為1000HZ的矩形波，重復(fù)上面的步驟，可測(cè)量出在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)為60個(gè)。此時(shí)，測(cè)量結(jié)果68個(gè)/s和理論值60個(gè)/s有誤差，不過誤差小于±8次/min.故故整個(gè)電子脈搏計(jì)已設(shè)計(jì)成功。5結(jié)論與體會(huì)在本次實(shí)驗(yàn)完成中，這個(gè)過程中使我受益匪淺。在確定各模塊電路的過程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗(yàn)我們用所學(xué)的模擬電子技術(shù)根底和數(shù)字電子技術(shù)根底等相關(guān)知識(shí)來判斷電路正確與否的時(shí)機(jī)。通過此次課程設(shè)計(jì)的鍛煉，自己的動(dòng)手能力有了很大的提高，查找問題、解決問題的能力也有了相應(yīng)的進(jìn)步。當(dāng)然，這次試驗(yàn)也讓我看到了我們的很多缺陷。首先對(duì)元器件不是特別的熟悉，尤其是在此次電路中，有多種芯片的使用，所以字焊板時(shí)費(fèi)時(shí)長(zhǎng)。所以經(jīng)歷告訴我們，必須掌握好專業(yè)根底知識(shí)。總的來說，本次設(shè)計(jì)有苦也有甜。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半，因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備。同時(shí)熟練地掌握課本上的知識(shí)，這對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)展分析解決也是相當(dāng)重要的。這次設(shè)計(jì)留給我的印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有