电子与信息工程毕业论文：脉搏计的设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计脉搏计的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要脉搏信号所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。根据人体脉搏信号特征，需要一种脉搏检测方法来随时了解自身的健康状况。脉搏信号是一种非线性、非平稳的微弱生理信号，含有大量的生理、病理信息，常对其进行检测分析，可以达到对心血管疾病的早预防和早治疗的目的。而本文设计的脉搏测量电路能够实现这一目的。该脉搏测量电路主要有传感器、放大电路、整形电路、滤波电路、倍频电路、时间控制电路、显示电路的七部分单元电路组成。本测量电路

2、通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，其电压信号经信号放大电路对其进行放大。然后，将放大后的脉搏信号通过滤波电路和整形电路转换成能够计数的电脉冲信号。这时该脉冲信号的频率与原信号一致，要在 15s 内显示脉搏数需通过倍频电路进行倍频，然后通过时基电路对计数译码电路的控制能够在 15s 内直观地显示出 1 分钟的脉搏数。通过仿真调试，该电路能够实现其功能，该电路不足之处就是没有其自动清零，自启动功能，在以后的设计中如果能够实现这一功能那么无论对于自身还是设计本身都是一次提高。关键词：时基电路；计数译码电路；放大整形电路；倍频电路IIAbstractPulse signal are presen

3、ted morphological, strength, speed and rhythms, etc, can reflect the comprehensive information human cardiovascular system many physiological diseases in the blood flow characteristics. According to the pulse signal characteristics, humans need a pulse test method to understand their health. Pulse s

4、ignal is a kind of nonlinear and non-stationary weak physiologic contains a large amount of physiology, pathology, information, often to detect the analysis, we can achieve the effect on cardiovascular disease prevention and early treatment early the purpose. While this designs pulse measurement cir

5、cuit can achieve this goal. The pulse measurement circuit mainly has sensors, amplifying circuit, plastic circuit, filter circuit, times frequency circuit, time control circuit, show circuit composed of seven sections unit circuit. The measurement circuit through the pulse sensors to collect pulse i

6、nformation output voltage signal, the voltage signal amplifier circuit by signal on the amplifier. Then, the amplification pulse signal through the filter circuits and plastic circuit converted into electrical impulses to count signal. When the pulse signal frequency and the original signal is consi

7、stent, to 15s showed in number in the pulse frequency circuit to pass times, then through frequency multiplication when to count, decode logic circuit in the control to 15s directly show within 1 minute pulse number. Through the simulation debugging, this circuit can realize its function, this circu

8、it deficiency is not its automatic reset, since start function, in the later design if can realize the function that, whether for itself or design itself is a raise.Key words：Time-based circuit; Counter decoder circuit; Amplification plastic circuit; Times frequency circuitIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究背景

9、.11.2 国内外研究状况 .11.3 研究的目的与意义 .2第 2 章 总体方案的设计 .32.1 设计思想与任务 .32.2 方案设计 .32.3 方案比较 .5第 3 章 单元电路设计 .63.1 信号采集 .63.2 放大电路 .73.3 滤波电路 .83.4 整形电路 .93.5 倍频电路 .103.6 计数译码电路 .103.7 控制时间电路 .14第 4 章 单元电路仿真结果及其分析 .154.1 multisim10 的特点 .154.2 放大电路的仿真 .154.3 滤波电路的仿真 .174.4 整形电路的仿真 .184.5 倍频电路的仿真 .214.6 控制电路的仿真 .2

10、2第 5 章 整体电路仿真调试及分析 .235.1 工作原理 .235.2 仿真调试与分析 .23总结与体会 .24致谢 .25参考文献 .26IV附录 整体电路原理图 .271第 1 章 绪论1.1 研究背景21 世纪人类将全面进入信息电子化时代，传感器技术作为现代信息技术的主要内容之一必将有较大的发展。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术。计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。人类已经进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的的开发和获取、传输和处理。传感器是研究对象与测试系统获取信息的主要的接口位置，也就是说是检测和控制系统中的重要组成部分。从

11、而，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切研究生产过程中要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为相应的电信号。所以，传感器的地位和作用就重要了。现代人类社会已经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起到决定性作用。现代信息技术的重要基础是信息传输、信息处理、信息采集，就是所谓的传感器技术、通信技术和计算机技术。特别是传感器在信息采集系统起到重要的作用，它的工作状态将会直接影响整个系统的工作。因此，近十年来，人们对于传感器在信息社会中的作用与重要性，又有新的认识和评价。传感器的重要性还体现在它已经被广泛的应用于各个领域中。例如工业自动化、资源探测、农业现代化、医疗诊断、军事工

12、程、航天技术、资源探测、海洋开发、环境监测、 、家用电器等领域中，这些领域中的应用都与传感器有着密切的关系。本课题所涉及的数字脉搏计，就是传感器技术在医疗诊断方面的一种应用。正因为传感器技术的重要作用，传感器技术的发展也受到各国的重视。传感器技术是本世纪高新技术产业中不可缺少的重要技术，无论是发展中国家还是发达国家都把传感器技术作为新技术开发的关键。从 20 世纪 80 年代起，日本就已经把传感器技术作为首先考虑发展的高新技术之首，美国，英国等西方国家也将此项技术作为国家科技发展和国防技术发展的重点。在发展中国家中，尤其是我国在 20 世纪 80 年代中也把传感器技术作为国家高新技术发展的重点

13、。本世纪是信息电子化的时代，传感器技术作为现代信息技术三大支柱之一。它必然会有较好的发展。1.2 国内外研究状况脉搏信号检测系统在国外的研究的比较早,比较深入。20 世纪 80 年代以来,通过液体传感器的研制，脉搏信号检测也有一点的发展，其工作原理是通过单位长度内动脉的血容积随时间改变多少从而转换成相应的液体阻值变化,通过这样就可以测量出脉搏信号的变化。早在 1969 年科学家卡发现 PVDF 具有压电性能之后，PVDF 经过几十年的研究和应用,不仅在其他领域,更是在医疗器械领域中应用的非常好。自从 1969 年日本神视株式会社研究发明的光电传感器得到了广泛的应用的之后，欧洲等国家的研发机构也

14、越来越看重研究利用光电传感器来实现脉搏信息的检测。比如美国曾研制用于临床检测的新型脉波记录仪；日本曾研制“脉搏测定装置” ；英国设计了用弹簧为动力的脉搏传感器，并记录了脉搏波；索尼公司生产出脉波记录仪，藤田六郎研制出光电脉诊仪，并用此传感器描述了脉象对应的脉搏图形。脉搏检测系统的研制和分析处理方法在国内的研究上落后于西方国家，但随着中国科学技术发展以及这几年来中国的生物医学的兴起，我们在这方面的研究也取得了不少的成果，如 1998 年国防科技大学的朱国富、王博亮等人研制了微小型脉搏测量仪，该测试仪通过光2电传感器来采集微弱的脉搏信号 12；北京中医药大学牛欣、杨杰等研制了压力取脉装置，通过该装

15、置可以实时观察桡动脉运动情况 15；东南大学杨序等人的脉搏数据采集系统的研制，通过该脉搏数据采集能够准确分析人体的生理状况 16。而目前在国内市场上得到认可、应用较普遍的主要是上海中医药大学与复旦大学等单位联合研制生产的 ZMI 型单探头中医脉象仪、ZM 一c 型智能脉象仪。1.3 研究的目的与意义我们已经知道传感器技术在信息时代的重要性以及传感器技术在各个领域的广泛应用。本课题所研究的数字脉搏计就是传感器技术在医疗诊断领域中的一种典型应用，这是现代数字信息技术和医疗技术完美的现代化结合下的产物。脉搏是人体重要的动力学信号之一，它能反映人体相应的生理变化，从脉搏中能够提取各种疾病有关的生理、病

16、理信息，在临床健康观察和疾病诊断中十分重要，古代就有“问病以知其外，察脉以知其内”的说法。察脉即脉诊，也是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，它历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念” 、 “辨证论治“基本精神的体现和应用，也是中医理论体系不可缺少的组成部分。历代医学家对于脉象的计量分析、脉象的分类、诊脉方法等方面进行了深研究。目前脉搏检测被应用在很多方面，如高血压、心肌梗塞等、心里状态评价中，如测谎、心里素质测定等、肌体状态诊断与治疗，如机车驾驶员疲劳测定等领域中。而传统的脉搏测量是用手去感触测量，通常将指尖轻压动脉的坚实的一面，以使脉搏的感觉传到指尖，如果将动脉压在柔软的组织上，则脉博跳动

17、会被吸收或抵消，使指尖不易察觉到脉博的跳动；指尖压在动脉上的力量要适中，用力太重将阻断血流，反而无脉搏产生。这种手工方法虽然简单易行，但容易产生误差，特别是临床住院病人常规的监测上，这种手工测脉搏的方法不仅影响工作效率，并且不能连续监测，无法实时观察。不能更好检测病人的生理状况。因此设计一种能够直观检测人体脉搏的仪器是非常有必要。而本次设计的数字脉搏计就是一种能够自动测量人体脉搏的仪器，能直观地显示人体每分钟脉搏数，可连续、动态监量，价格便宜，适于普及推广。为了适应人们生活中的需要，本文设计了一款基于红外线传感器的数字脉搏计，能够实现在 15s 内测量 1 分钟的脉搏数，并将测量结果显示在数码

18、管上。该脉搏测量电路的工作原理是通过红外传感器接受人体微弱的生理信号，将这信号转化为电信号，并利用放大电路，整形电路以及滤波电路等对信号进行处理之后准确的测量人体的脉搏信号，从而将测量结果显示出来。3第 2 章 总体方案的设计本章主要介绍了脉搏测量电路的各种实现方案和原理框图，并通过比较各种方案的优缺点，最终确定最佳方案。2.1 设计思想与任务正常人的脉搏跳动次数是每分钟 6080 次（婴儿为 90140 次,老年人则为 100150次), 这种频率信号属于低频范畴。因此,脉搏计是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求应该是:1要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。2对转

19、换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。3在很短的时间（15 秒）内，测出经放大后的电信号频率值。4将脉搏每分钟跳动的次数显示出来。从而可知，脉搏计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。本设计需要完成的任务：1脉搏跳动的频率较低，如果要将低频信号测出，必须要将信号进行放大与整形，使其能够被计数。2能够在 15 秒测出并显示出相应人的脉搏跳动次数。故需要有一个倍频电路与定时电路使其能够控制电路的正常启动与停止。2.2 方案设计方案 A 如图 2.1 所示各部分的作用如下：图 2.1 脉搏计原理框图(一)1传感器: 将脉搏跳动信号转换为与此相对应

20、的电脉冲信号。2放大与整形: 电路将传感器的微弱信号进行放大，整形之后除去干扰信号。3倍频器: 将整形后所得到的脉冲信号的频率进行提高。如将 15s 内传感器所获得的信号频率进行 4 倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，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，来控制测量时间。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在数码管显示出来。上述测量过程中，由于对脉冲进行了 4 倍频，计数时间也相应地缩短了 4 倍（15s） ，而数码管显示的数字却是 l 分钟的脉搏跳动次数。用这

21、种方案测量的误差为4 次分，测量传感器 放大与整形 倍频器 控制电路计数译码电路基准时间电路4时间越短，误差也越大。方案 B 如图 2.2 所示 图 2.2 脉搏计原理框图(二)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，可达1 次min，此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案 A 完全相同，现将其余部分的功能叙述如下：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。48 位

22、M 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，显然计数值为 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 M 进制计数器输出值（如 50）作为预置数，对 3000 个脉冲进行分频，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。方案 C 如图 2.3 所示各部分功能

23、如下：图 2.3 脉搏计原理框图(三)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: 将传感器的微弱信号进行放大，整形后除去干扰信号。3倍频器: 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将 15s 内传感器所获得的信号的频率 4 倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。4555 定时时间产生电路: 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。5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管显示出来传感器 放大与整形 六进制计数器门控电路8 位二进制计数器基准时间产生器定脉冲数产生电路 可预置 8 位计数器译码显示电路传感器 放大与整形 倍频电路555 定时器电路计数译码显示52.3 方案比较方案 A 与方案 C 结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案 B 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 C。