电子脉搏计课程设计

电子脉搏计

课 程 设 计 报 告

组长：蔡新源

组员：史志华、张重彬、李海磊、

杨威力、刘世洋、孙景伟、 冀鹏辉、杨冠军、李峰朝

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................................ 3 第一章

绪论................................................................................................................................. 4

第二章 各种元器件及其应用 ...................................................................................................... 5 1、集成同步计数器及其应用 张重彬...... 5 2、BCD-七段共阴数码管 史志华 ..... 7 3、74LS161计数器的应用 杨威力 .... 10 4、五进制的自循环 冀鹏辉.... 12 5、集成同步计数器及其应用 刘世洋.... 13 6、用74LS161构成一个十进制计数器 李海磊 .... 14 7、四进制的自循环 杨冠军.... 15 8、用74LS290设置七进制计数器 李峰朝 .... 17 9、七进制的自循环 孙景伟.. 19 第三章 数字脉搏计时器的方案比较 ............................................................................................ 21 3.1方案论证 ............................................................................................................................... 21 3.2提出方案 ............................................................................................................................... 21 3.3方案比较 ............................................................................................................................... 23 第四章 单元电路的设计 ................................................................................................................ 23 4.1电路总体框图 ....................................................................................................................... 23 4.2采集、放大与整形电路 ....................................................................................................... 23 4.2.1传感器 ............................................................................................................................ 24 4.2.2放大电路 ........................................................................................................................ 24 4.2.3整形电路 ........................................................................................................................ 25 4.3倍频电路 ............................................................................................................................... 26 4.4基准时间产生电路 ............................................................................................................... 28 4.5 计数、译码、显示电路 .................................................................................................... 28 4.6 控制电路............................................................................................................................ 31 总 结 .............................................................................................................................................. 32

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摘 要

人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。 本文主要介绍了数字式脉搏计的具体实现方法，利用压电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查， 通常被用于保健中心和医院。

关键词 脉搏计；脉冲信号；压电传感器

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第一章 绪论

脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。

在医院临床监护和日常中老年保健中，脉搏是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取。近年来出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量。但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。

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第二章 各种元器件及其应用

1、集成同步计数器及其应用

张重彬

集成同步计数器

74LS160(异步清零)、74LS162(同步清零)为十进制计数器，

74LS161(异步清零)、74LS163(同步清零)为四位二进制计数器，它们都是边沿触发的同步加法计数器。CLR为清零端，LOAD为置数端，一般均以低电平为有效电平。若需要构成其他进制计数器，只需把计数输出加上适当门电路反馈到异步清零端CLR或同步置数LOAD即可。

例、试利用十进制计数器74160构成六进制计数器。 （1）原理

74160N为异步清零、同步预置数的同步十进制计数器。74160N元件如图所示，CLR为异步清零端；LOAD为同步置数端；ENP、ENT为计数控制端，且高电平为有效电平；D、C、B、A为预置数据输入端；QD、QC、QB、QA为输出端，RCO为进位端。 （2）创建电路 ○1在元(器)件库中选中74160N，再利用同步置数的LOAD构成六进制计数器，故取清零端CLR、计数控制端ENP、ENT接高电平1(VCC)。 ○2取方波信号作为时钟计数输入。双击信号发生器图标，设置电压V1为5 V，频率为50Hz。 ○3送数端LOAD同步作用，设并行数据输入DCBA=0000，LOAD取QB、QC的与非，当QDQCQBQA=0110时，LOAD=0，等待下一个时钟脉冲上升沿到来，将并行数据DCBA=0000置入计数器。

4在元(器)件库中单击显示器件选中带译码的七段LED数码管U1（DCD-HEX），○

连接电路如图所示。 （3）观测输出

启动仿真开关，数码管循环显示0，1，2，3，4，5，6。

仿真输出也可以用逻辑分析仪观察。双击信号发生器图标，频率改为1 kHz。将74160N时钟输入CLK、输出QAQBQCQD及RCO进位从上到下依次接逻辑分析仪，双击逻辑分析仪图标，电路输出波形如图所示。显然输出QDQCQBQA按0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110循环，且QDQCQBQA=0110时，RCO无进位输出.

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图2.1.1 仿真电路

图2.1.2 仿真电路

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图2.1.3 逻辑分析仪的输出波形

2、BCD-七段共阴数码管

史志华

实验目的 ：○1了解74160十进制计数器的功能和特性

2了解八输入共阴七段数码管和四输入七段共阴数码管的区别 ○

3学会BCD-七段显示译码器7448和八输入七段共阴显示器的联合应用，掌握7448○

的引脚功能

模拟实验仪器：multisim仿真软件、74160N(十进制计数器)、7448N(BCD-七段显示译码器)、RPACK_VARIABLE_1*7，SEVEN_SEG_COM_K(八输入的七段共阴显示器)，CDC_HEX(四输入显示器)。实验原理：

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CLK * * * 图2.2.1 十进制计数器74160的逻辑图 R’d LD’ EP EN 工作状态 0 *’ * * 异步置零 1 0 * * 同步置数 1 1 0 1 保持 1 1 * 0 保持（C=0） 1 1 1 1 计数 表2.2.1 十进制计数器74160的功能表

当R’d=1、LD’=0时，电路工作在同步预置数状态。这时G16~G19的输出始终是1，

所以FF0~FF3输入端J、K的状态由D0~D3状态决定。例如D0=1，则J0=1，K0=0，CLK上升沿到达后FF0被置一。

当R’d=LD’= 1而EP=0、ET=1时，由于G16~G19的输出均为0，FF0~FF3输入端J=K=0，所以时钟信号到达时他们保持原来的状态不变。C的状态也得到保持。如果ET=0，则EP无论为何状态，计数器的状态也将保持不变，但C=0.

当R’d=LD’= EP=ET=1时，电路工作在计数状态，从电路的0000状态开始输入10个计数脉冲时，电路将从1001状态返回0000状态，C从高电平跳变至低电平。

输入 输出 A3A2A1A0 Y aYbYcYdYeYfYg 数字 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 8 / 33

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4 5 6 7 8 9 0000111111000011000 1 0 1 0 1 表2.2.2 BCD-七段显示译码器电路真值表

灯测试输入端LT’：

当LT’=0的信号输入时，G4、G5、G6、G7的输出同时为高电平，使A10=A11=A12=0。只要令LT’=0，便可使被驱动的数码管的七段同时点亮，以检查该数码管各段是否正常。平时接高电平1. 灭零输入RBI’：

设置灭零输入信号的目的是为了把不需要显示的0熄灭

灭灯输入/灭零输出BI’/RBO’:

作为输入端时称为灭灯输入控制端，只要BI’=0，各段同时熄灭。作为输出端时称为灭零输出端RBO’=（A’3A’2A’1A’0*RBI* LT’）’，只有A3=A2=A1=A00，且 RBI’=0时，RBO’=0。

multisim仿真如图1.2.2

图中为了突出七段共阴显示器与四输入显示器的区别，将其连接在一个图中，可以明显看到四输入的数码显示器不需要译码电路，而且在仿真中要求比较低，八输入的共阴数码管显示器不仅仅需要译码电路，而且对电流的大小有要求，主要是最大电流，只有几毫安左右。

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图2.2.2 仿真电路

3、74LS161计数器的应用

杨威力

74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能：

管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3 清零/MR 使能CEP，CET

置数PE <74ls161引脚图> 数据输出端Q0~Q3 以及进位输出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)

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输 入 CR CP LD EP 输 出 ET D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 d 0 c 0 b 0 a 0 Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф 1 1 1 1 ↑ ↑ ↑ ↑ 0 Ф Ф d 1 c b a 0 Ф Ф Ф Ф Ф Q3 Q2 Q1 Q0 1 Ф 0 Ф Ф Ф Ф Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 Ф Ф Ф Ф 状态码加1 表2.3.1 74LS161功能表 从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。 例、分析图图1.3.1给出的电路，说明这是多少进制的计数器，两片之间是多少进制。74ls161的功能表见表1.3.1。

图2.3.1

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图2.3.2 仿真电路

这是采用整体置数法接成的计数器，再出现LD’=0信号以前，两片74 ls161均按十六进制技术。即第一片到第二片为十六进制。当第二片记为5时第一片记为2时产生LD’=0信号，待下CLK信号到达后两片74ls161同时被置零，总进制为5*16+2+1=83 故为八十三进制计数器。

4、五进制的自循环

冀鹏辉

电路组成 74160 与非门 脉冲信号源 5V电源 液晶显示屏

电路原理 74160是一个十进制器件，要想实现五进制的自循环，首先要明白10进制的工作原理。十进制是将A.B.C.D四个输入端首先接0低电平，EP,ET接5V高电平，QA QB QC QD 接显示屏，当脉冲信号到来时，显示屏上将显示从0~9的数循环。现在我们来实现七进制计数器，假如我们要实现从5~0的循环，我们只需将ABCD输入端接为二进制的五即可，当到达最大数时要实现从最小的数开始循环，所以我们在输出为最大时的二进制数接LD灭零输入，所以就实现了五进制的自循环。

电路图如下所示

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图2.4.1 仿真电路

问题；:当脉冲信号到来时，我们发现显示屏上的数字是从0~9开始运行的，但第二次循环甚至以后每次的循环都是从0到5进行的，这是怎么回事呢？ 解答：：第一次从0到9，后来又都变成0到5循环是因为当脉冲信号到来时，由无关态进入到有效态，这实际是一个过渡的过程状态图如下

0000 → 0001 → 0010

↑ ↓

0101 → 0011 → 0100

图2.4.2 状态转化图

5、集成同步计数器及其应用

刘世洋

集成同步计数器

74LS160(异步清零)、74LS162(同步清零)为十进制计数器，

74LS161(异步清零)、74LS163(同步清零)为四位二进制计数器，它们都是边沿触发的同步加法计数器。CLR为清零端，LOAD为置数端，一般均以低电平为有效电平。若需要构成其他进制计数器，只需把计数输出加上适当门电路反馈到异步清零端CLR或同步置数LOAD即可。

例、试用两片同步十进制计数器74160接成二十九进制计数器。 （1）原理

74160N为异步清零、同步预置数的同步十进制计数器。74160N元件如图所示，CLR为异步清零端；LOAD为同步置数端；ENP、ENT为计数控制端，且高电平为有效电平；D、C、B、A为预置数据输入端；QD、QC、QB、QA为输出端，RCO为进位端。采用整体置零的接法，首先将两片74160以并行进位方式连成一个百进制计算器。当计数器从全0状态开始计数，计入29个脉冲时，经门G译码产生低电平信号立即将

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两片74160同时置零，于是便得到了二十九进制计数器。 （2）创建电路

1在元(器)件库中选中74160N，再利用同步置数的LOAD构成29进制计数器，故○

取第一片的清零端CLR、计数控制端ENP、ENT接高电平1(VCC)。第一片计数器的进位输出接第二片的ENP、ENT。QD为高位，QA为低位。

2取方波信号作为时钟计数输入。双击信号发生器图标，设置电压V1为5 V，频○

率为10Hz。

3送数端LOAD同步作用，设并行数据输入DCBA=0000，第一片LOAD取QD为高○

电平，当QDQCQBQA=1001时，几位输出第二片计数1，第一片LOAD=0，等待下一个时钟脉冲上升沿到。当它从全零状态开始计数并接受到28个计数脉冲，然后将电路的28状态译码产生LD’=0，同时加到两片74160中，在下一个计数脉冲（第29个输入脉冲）到达时，将0000同时置入两片74160中，从而得到二十九进制计数器。进位信号可以直接由门G的输出端引入。

4在元(器)件库中单击显示器件选中带译码的四段LED数码管U3，U4（DCD-HEX），○

连接电路如图所示。 （3）观测输出

启动仿真开关，U3数码管显示0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，当显示到9时，U4数码管计数1，U3回零，U3数码管显示0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，当显示到9时U4计数2，当U4显示2，U3显示8时达到最大值，再来一次脉冲都回零。这样就能显示0~28，实现由两片同步十进制计数器74160接成二十九进制计数器。

图2.5.1 仿真电路

6、用74LS161构成一个十进制计数器

李海磊

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（1）原理：

计数器输入端CLK接外来时钟，A、B、C、D端都接地，将计数器输入端与QA、QB、QC、QD相连，QD为高位输出，QA为低位输出，则构成一个十进制计数器。CLR为异步清零端，LOAD为同步预置数端，ENT、ENP为计数控制端，且高电平有效。从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET （2）创建电路 ：

在元件库中选中74LS161，再利用异步清零CLR构成十进制计数器。送入时钟信号，观测计数器数值的变化，显示如上图所示，反复观察多次，则可知它是一个异步清零的十进制计数器，证明电路无误。

图2.6.1 仿真电路

（3）观测输出：

启动仿真开关，数码管循环显示0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。

7、四进制的自循环

杨冠军

电路组成 ： 74160 与非门 脉冲信号源 5V电源 液晶显示屏

电路原理 ： 74160是一个十进制器件，要想实现四进制的自循环，首先要明白10

进制的工作原理。十进制是将A.B.C.D四个输入端首先接0低电平，EP,ET接5V高电平，QA QB QC QD 接显示屏，当脉冲信号到来时，显示屏上将显示从0~9的数循环。现在我们来实现四进制计数器，假如我们要实现从2-6的循环，我们只需将ABCD输入端接为二进制的2即可，即将A. C. D接低电平，B接高电平。同样要使最大的输出为6可将数

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出端的QB. QC同时接到与非门。又当当到达最大数时要实现从最小的数开始循环，所以我们在输出为最大时的二进制数接LD灭零输入，最终实现了四进制的自循环。

电路图如下所示：

图2.7.1 仿真电路

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图2.7.2 仿真电路

问题:当脉冲信号到来时，我们发现显示屏上的数字是从0~9开始运行的，但第二次循环甚至以后每次的循环都是从2到6进行的，这是怎么回事呢？

解答：第一次从0到9，后来又都变成2到6循环是因为当脉冲信号到来时，由无关态进入到有效态，这实际是一个过渡的过程状态图如下

0010 0011 0100

0110 0101 图2.7.3 状态转换图

8、用74LS290设置七进制计数器

李峰朝

74LS290功能表：

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图2.8.1 74LS290 功能表

置“9”功能：当S9（1）=S9（2）=1时，不论其他输入端状态如何，计数器输出Q3 Q2 Q1 Q0=1001，而（1001）2=（9）10，故又称为异步置数功能。

置“0”功能：当S9（1）和S9（2）不全为1，并且R0（1）=R0（2）=1时，不论其他输入端状态如何，计数器输出Q3 Q2 Q1 Q0=0000，故又称为异步清零功能或复位功能。

计数功能：当S9（1）和S9（2）不全为1，并且R0（1）和R0（2）不全为1时，输入计数脉冲CP，计数器开始计数。计数脉冲由CP0输入，从Q0输出时，则构成二进制计数器；计数脉冲由CP1输入，输出为Q2Q1Q0时，则构成五进制计数器；若将Q0和CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（8421码）计数器；若将Q3和CP0相连，计数脉冲由CP1输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（5421码）计数器。因此，74LS290又称为“二—五—十进制型集成计数器”。

用74LS290设置七进制计数器：

由于CLK1与Q0相连，同时以CLK0为输入端,Q3为输出端，若无附加电路，则为一个十进制计数器。若采用反抗置数法，反馈信号接到S1，S2端，可同步指数为1001，根据图1，当计数状态出现Q2Q=11，即计数到0110时，，Ｓ１＝Ｓ２＝１，电路进入异步置数状态，立即置入１００１，并从此状态开始计数，所以稳定的状态循环中包括１００１－００００－０００１－００１０－００１１－０１００－０１０１－１００１共七个状态，所以电路为七进制计数器。

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图2.8.2 仿真电路

9、七进制的自循环

孙景伟

电路组成 ：

74160 与非门 脉冲信号源 5V电源 液晶显示屏 电路原理

74160是一个十进制器件，要想实现七进制的自循环，首先要明白10进制的工作原理。十进制是将A.B.C.D四个输入端首先接0低电平，EP,ET接5V高电平，QA QB QC QD 接显示屏，当脉冲信号到来时，显示屏上将显示从0~9的数循环。现在我们来实现七进制计数器，假如我们要实现从3~0的循环，我们只需将ABCD输入端接为二进制的三即可，当到达最大数时要实现从最小的数开始循环，所以我们在输出为最大时的二进制数接LD灭零输入，所以就实现了七进制的自循环。

电路图如下所示：

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图2.9.1 仿真电路

问题：当脉冲信号到来时，我们发现显示屏上的数字是从0~9开始运行的，但第二次循环甚至以后每次的循环都是从3到9进行的，这是怎么回事呢？

解答：：第一次从0到9，后来又都变成3到9循环是因为当脉冲信号到来时，由无关态进入到有效态，这实际是一个过渡的过程状态图如下

0000 0001 0010 0011 0100 1001 1000 0111 0110 0101

图2.9.2 状态转换图

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第三章 数字脉搏计时器的方案比较

3.1方案论证

电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏)，它的基本功能应该是：

1）用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波； 2）在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。

本设计要求实现在15s内测量lmin的脉搏数，并且显示其数字。常人脉搏数为60~80次／min，婴儿为90~100次／min，老人为100~150次/min。

3.2提出方案

满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面方案：

方案一、原理框图如图所示，图中各部分的作用如下：

图3.2.1

1）传感器：将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。 2）放大与整形电路：将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。 3）倍频器：将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得信号频率的4倍频，即课得到对应一分钟脉冲数，从而缩短测量时间。

4）基准时间产生电路：产生短时间的控制信号，以控制测量时间。 5）控制电路：用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

6) 计数、译码、显示电路：用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码

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管显示出来。

7) 电源电路：按电路要求提供符合要求的直流电源。

上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应的缩短了四倍（15s），而数码管显示的数字却是1min的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为4次/min，测量时间越短，误差也越大。

方案二、门控电路组成数字脉搏计时器的设计

方案二的原理框图如图2-3所示，图中各部分的作用如下：

图2.2.2

1）六进制计数器：用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。 2）基准脉冲（时间）发生器：产生周期为0.1s的基准脉冲信号。 3）门控电路：控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。

4）8位二进制计数器：对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s，即门打开5s的时间，让0.1s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显示计数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。

5）定脉冲数产生电路：产生定脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。

6）可预置8位计数器：以8位二进制计数器输出值（如50）作为预置数，对3000脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号），即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟60次的脉搏数。

该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数。这种测量方法的误差小，误差最多1次/min。此方案的传感器、放大与

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整形、计数、译码、显示电路等部分与方案一完全相同。

3.3方案比较

方案一结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案二电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为4次/min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案一。

第四章 单元电路的设计

4.1电路总体框图

图4.1电路框图

4.2采集、放大与整形电路

此部分电路的功能是有传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，已达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。

传感器 放大电路 有源滤波 整形 电平转换

图4.2.1

（由于本设计只限于仿真所以在传感器的电路单元设计不在进行，信号直接

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用15mV的正弦交流信号代替）

4.2.1传感器

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

此传感器就采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图所示。

传感器信号调节原理电路

图3.2.2

同相放大器电路

图3.2.3

图中，红外线发光管VD采用TLN104，接收三极管VT采用TLN104.用+5V电源供电；R1采用500Ω，R2采用10KΩ。

4.2.2放大电路

“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。

由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器。如图所示，运放采用了LM324AM，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：R11=10 KΩ，R10= R12100 KΩ，R13=R15=500 KΩ。

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图4.2.4放大路电

图4.2.5 放大仿真结果

4.2.3整形电路

在设计中主要采用施密特触发器来对正弦波整形，变成符合要求的矩形波信号，施密特触发器采用74HC14N。

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图4.2.6

图4.2.7

为了较快得出仿真结果，将采集的信号频率改为了100Hz。

4.3倍频电路

该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短跳动时间，以提高诊断效率。

倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路，如图所示。

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图4.3.1 倍频电路

U15和U16构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入有“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出，

电容器C的作用是为了增加延迟时间，从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C1=C3=100nF，R1=R3=10KΩ。由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。其中异或门选用NC7SZ86-5V。

图4.3.2 仿真电路

倍频仿真（在改仿真中将整形后的信号频率改为了1kHz，对约1Hz

的信号同样）

可以从图中看到倍频后的信号有一些尖峰脉冲，但是由于他们的时间太短不

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能引起异或门的反应。频率还是比较准确。

4.4基准时间产生电路

基准时间产生电路的功能是产生一个周期为1s的脉冲信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，在本设计中采用了555定时器来产生周期为1S的脉冲信号。

图3.4.1 仿真电路

该计时电路利用LM555CM产生周期为1S的脉冲，再利用74HC161做成15进制的计数器，当计数到15时产生一个低电平。将74LS109的J、K连在一起接入高电平，组成反相器，每当接受一个74LS20的低电平信号时，与非门NC7SZ08就会产生一个长达15S的低电平信号，在这段时间内将会保持显示器的显示状态。

4.5 计数、译码、显示电路

因为人的脉搏数最高是150次／min，所以采用3位十进制计数器即可。 实际电路可以采用3个74160的十进制计数器与3个7448译码器驱动八输入共阴数码管完成七段显示。

译码器的功能是把计数器74160输出的计数结果(BCD码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。

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7448是常用的BCD码——七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，接上拉电阻后可以直接驱动数码管。

7448有四个输入端A，B，C，D和七个输出端a~g，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭控制端/BI来控制。

当R’d=1、LD’=0时，电路工作在同步预置数状态。这时G16~G19的输出始终是1，所以FF0~FF3输入端J、K的状态由D0~D3状态决定。例如D0=1，则J0=1，K0=0，CLK上升沿到达后FF0被置一。

当R’d=LD’= 1而EP=0、ET=1时，由于G16~G19的输出均为0，FF0~FF3输入端J=K=0，所以时钟信号到达时他们保持原来的状态不变。C的状态也得到保持。如果ET=0，则EP无论为何状态，计数器的状态也将保持不变，但C=0. 当R’d=LD’= EP=ET=1时，电路工作在计数状态，从电路的0000状态开始输入10个计数脉冲时，电路将从1001状态返回0000状态，C从高电平跳变至低电平。

表4.5.1 BCD-七段显示译码器电路真值表 输入 输出 A3A2A1A0 Y aYbYcYdYeYfYg 数字 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 灯测试输入端LT’：

当LT’=0的信号输入时，G4、G5、G6、G7的输出同时为高电平，使A10=A11=A12=0。只要令LT’=0，便可使被驱动的数码管的七段同时点亮，以检查该数码管各段是否正常。平时接高电平1. 灭零输入RBI’：

设置灭零输入信号的目的是为了把不需要显示的0熄灭 灭灯输入/灭零输出BI’/RBO’:

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作为输入端时称为灭灯输入控制端，只要BI’=0，各段同时熄灭。作为输出端时称为灭零输出端RBO’=（A’3A’2A’1A’0*RBI* LT’）’，只有A3=A2=A1=A00，且 RBI’=0时，RBO’=0。

图4.5.1 7448管脚排列图

限流电阻R1~R7=200~500Ω.

图4.5.2

为了使仿真简单易读，我们在这里不采用这种方式，而是用四输入的数码管，虽然不会影响真实的仿真结果，但是在实际生活中没有四引脚的数码管。

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图4.5.3 计数电路及仿真图

表4.5.1 实验数据

模拟频率 1.17Hz 1.33Hz 1.5Hz 1.67Hz 2Hz 2.17Hz 模拟次计数状数 态 70 69 80 82 90 91 100 98 120 119 130 133 4.6 控制电路

控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时间，另外还应具有为各部分电路清零等功能，如图所示：

图4.6开关

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总 结

本文设计的脉搏波检测系统以光电检测技术为基础，并采用了脉冲振幅光调制技术消除周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。并利用过采样技术和数字滤波等数字信号处理方法，代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能，脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题。本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC机)的实时通讯，因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受

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到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

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