湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文.doc

湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：電子脈搏計(jì)的設(shè)計(jì)姓 名： 李 波 學(xué) 號(hào)： 16 系（部）： 信息工程系 專 業(yè)： 電子信息工程技術(shù) 指導(dǎo)老師： 胡 志 開(kāi)題時(shí)間： 2008年10月8日 完成時(shí)間： 2009年11月27日 2009-11-27湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文目 錄1 設(shè)計(jì)要求22 設(shè)計(jì)方案23 電子脈搏測(cè)試儀原理方框圖24 數(shù)字脈搏測(cè)試儀工作原理35 芯片資料3 5.1 芯片 CD40113 5.2 芯片 CD45534 5.3 芯片 CD40605 5.4 芯片 CD45516 5.5 數(shù)碼管86 數(shù)字脈搏測(cè)試儀原理及應(yīng)用8 6.1 顯示模塊9 6.2 整形模塊10 6.3 計(jì)時(shí)模塊106.4 計(jì)數(shù)模塊117 設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及其解決方法118 電路原理圖總圖129 參考文獻(xiàn)121 設(shè)計(jì)要求 脈搏測(cè)試儀是用來(lái)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部分。它是用來(lái)測(cè)量頻率較低的小信號(hào)（傳感器輸出電壓一般為幾個(gè)毫伏）。再將信號(hào)放大通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。要求: 1、 實(shí)現(xiàn)在 3060 內(nèi)秒測(cè)量 1 分鐘的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。正常人脈搏數(shù)為6080次/min，為90100次/min，老人為100150次/min。 2、 用傳感器將脈搏的跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并加以放大整形和濾波。 3、 測(cè)試誤差不小于2次/min。 4、 要求完成的任務(wù)：設(shè)計(jì)電路，在時(shí)間允許的情況下要安裝測(cè)試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫(xiě)出設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 2 設(shè)計(jì)方案 根據(jù)脈搏計(jì)的功能，我采用了一種比較簡(jiǎn)單的方案： 1 把脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(cè)量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)所需的時(shí)間，然后換算為每分鐘的脈搏數(shù)。這兩種方案比較起來(lái)，這是一種比較直觀的方案，所需要的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。3 電子脈搏測(cè)試儀原理方框圖 數(shù)碼管顯示 譯碼/驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)信號(hào)放大傳感器 圖1 電子脈搏儀原理方框圖4 數(shù)字脈搏測(cè)試儀工作原理 本設(shè)計(jì)使用傳感器將拾取的脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路進(jìn)行放 大后，送到計(jì)數(shù)顯示電路。計(jì)時(shí)電路進(jìn)行計(jì)時(shí)，一分鐘到了，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)， 這時(shí)數(shù)碼管顯示的就是一分鐘內(nèi)脈搏跳動(dòng)的次數(shù)。5 芯片資料5.1芯片 CD4011 CD4011也稱為MC14011B，是2輸入正向邏輯與非門(mén)。它是一個(gè)四與非門(mén)集成電路，內(nèi)部含4個(gè)獨(dú)立的與非門(mén)。如下圖所示，芯片CD4011的功能： 1與2腳 “與”后從3腳輸出 “非”； 5與6腳 “與”后從4腳輸出 “非”； 8與9腳 “與”后從10腳輸出 “非”； 12與13腳 “與”后從11腳輸出 “非”。 圖2 在下面，將介紹數(shù)字電路芯片CD4011各腳功能（圖2）: 1腳：第一組數(shù)據(jù)輸入端； 2腳：第一組數(shù)據(jù)輸入端； 3腳：第一組數(shù)據(jù)輸出端； 4腳: 第二組數(shù)據(jù)輸出端; 5腳：第二組數(shù)據(jù)輸入端； 6腳：第二組數(shù)據(jù)輸入端; 7腳：接地； 8腳: 第三組數(shù)據(jù)輸入端； 9腳：第三組數(shù)據(jù)輸入端； 10腳：第三組數(shù)據(jù)輸出端； 11腳：第四組數(shù)據(jù)輸出端； 12腳：第四組數(shù)據(jù)輸入端； 圖213腳：第四組數(shù)據(jù)輸入端； 14腳：正電源。 CD4011實(shí)現(xiàn)功能的真值表如下表所示： ABJCDKEFLGHM001001001001011011011011101101101101110110110110 表15.2 芯片CD4553CD4553也稱為MC14553b。CD4553計(jì)數(shù)器只有一組三位BCD碼輸出，通過(guò)分時(shí)控制可形成三位十進(jìn)制數(shù)字顯示。采用16腳雙列直插式封裝。CD4553電路由三個(gè)同步級(jí)連的下降沿觸發(fā)的 BCD 計(jì)數(shù)器（個(gè)位、十位、百位）、三個(gè)鎖存器、分配鎖存器數(shù)據(jù)的多路轉(zhuǎn)換器、輸入整形電路、時(shí)序掃描電路及振蕩電路等部分組成。 如右圖所示，芯片CD4553的功能： 1腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端； 2腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端； 3腳：外接電容管腳1； 4腳：外接電容管腳2； 5腳：BCD碼輸出端； 6腳：BCD碼輸出端； 7腳：BCD碼輸出端； 8腳：接地； 9腳：BCD碼輸出端； 10腳：鎖存控制器； 圖3 11腳：時(shí)鐘輸入控制端； 12腳：時(shí)鐘輸入端； 13腳：復(fù)位端； 14腳：數(shù)據(jù)溢出端； 15腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端； 16腳：電源。 表2 CD4553真值表從真值表可以看出，計(jì)數(shù)情況只有兩種：一種是在 RESET、DISBALE、LE 為低電平，這時(shí)如果在CLOCK端子輸入計(jì)數(shù)脈沖，在脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，芯片的輸出將作加法計(jì)數(shù)。第二種情況是在RESET、LE為低電平，CLOCK為高電平時(shí)，這時(shí)如果在DISABLE端子輸入計(jì)數(shù)脈沖，在脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，芯片的輸出將作加法計(jì)數(shù)。此外，計(jì)數(shù)器鎖存數(shù)據(jù)也有兩種情況：一種是RESET為低電平時(shí)，這時(shí)如果LE 端子有上升沿，此時(shí)計(jì)數(shù)器將把計(jì)數(shù)鎖存起來(lái)。另外一種是 RESET 為低電平時(shí)，如果LE為高電平，此時(shí)計(jì)數(shù)器將把數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)。 圖4從圖4可以看出，當(dāng)掃描振蕩器的掃描頻率一定時(shí)（掃描頻率的改變可以通過(guò)改變外接電容值的大?。?，個(gè)位、十位、百位掃描周期分時(shí)段顯示。 5.3 芯片CD4060 CD4060 是 14 位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻和振蕩器。它由兩部分構(gòu)成：一部分電路是14級(jí)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，可由外接電阻和電容構(gòu)成RC振蕩器。下面介紹芯片CD4060（右圖） 各引腳的功能： 1腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 2腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 3腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 4腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 5腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 6腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 7腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 8腳：接地； 9腳：時(shí)鐘輸出端； 10腳：反相時(shí)鐘輸出端； 圖5 11腳：時(shí)鐘輸入端； 12腳：計(jì)數(shù)； 13腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 14腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 15腳：計(jì)數(shù)器輸出端； 16腳：電源。 圖6圖6是CD4060的一種用法，一個(gè)RC振蕩器，主要起到一個(gè)計(jì)數(shù)一分鐘的作用。當(dāng)一分鐘時(shí)間到時(shí)，輸出高電平。這時(shí)，使CD4553中的數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)。 12 腳為高電平時(shí)。計(jì)數(shù)清零且振蕩器使用無(wú)效。所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在 9 腳和 11 腳的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。其頻率f=1/2。2RT CT。5.4 芯片CD4511CD4511B 是一個(gè) BCD-七段鎖存譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。說(shuō)多諧振蕩器和計(jì)數(shù)器是這個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，那么這個(gè)譯碼器就是擔(dān)當(dāng)著一座橋梁，因?yàn)橥ㄟ^(guò)譯碼器譯碼后，才能在 LED 數(shù)碼管看到數(shù)據(jù)。CD4511B 通過(guò)讀取計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)再通過(guò) BCD碼轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過(guò) LED 數(shù)碼管顯示出來(lái)。本套設(shè)計(jì)最后能否成功，就是通過(guò)這個(gè)芯片能否順利譯碼傳輸顯示出來(lái)。圖6就是CD4511B這塊芯片的引腳分布圖。 圖7 圖8在圖 7 中，ABCD 是輸入端。輸入的數(shù)據(jù)為 8421BCD 碼。輸入的 8421BCD 碼經(jīng)過(guò)鎖存器鎖存后再進(jìn)行解碼成符合數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，從而最終顯示出數(shù)據(jù)。 表 3 是 CD4511B 的真值表。從表中可見(jiàn)：當(dāng) LE、BI、LT 分別為 0、1、1 時(shí)候，若DCBA為0000，這時(shí)a、b、c、d、ef、g分別為1、1、1、1、1、1、0。經(jīng)過(guò)啟動(dòng)器后顯示的是數(shù)字0。同樣，若DCBA為0001，這時(shí)a、b、c、d、e、f、g分別為0、1、1、0、0、0、0。經(jīng)過(guò)啟動(dòng)器后顯示的是數(shù)字1。其余與此相同。LEBILTDCBAabcdefgDISPLAY01111111010000000Blank0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000Blank01110110000000Blank01111000000000Blank01111010000000Blank01111100000000Blank01111110000000Blank111。 表3CD4518B與CD4511B之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就是通過(guò)8421BCD碼來(lái)傳輸?shù)摹?8421BCD 碼是十位二進(jìn)制碼， 也就是將十進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制， 但是和普通的轉(zhuǎn)化有一點(diǎn)不同， 每一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)字 09 都對(duì)應(yīng)著一個(gè)四位的二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下: 十進(jìn)制0 對(duì)應(yīng)二進(jìn)制0000， 1對(duì)應(yīng)二進(jìn)制0001， 2對(duì)應(yīng)二進(jìn)制0010 9對(duì)應(yīng)二進(jìn)制1001 接下來(lái)10就有兩個(gè)上述的碼來(lái)表示10表示為 00010000 也就是 BCD 碼。遇見(jiàn) 1001 就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位，不象普通的二進(jìn)制碼，到1111才產(chǎn)生進(jìn)位10000。 十進(jìn)制數(shù)字8421BCD碼100012001030011401005010160110701118100091001 表45.5 數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的為L(zhǎng)ED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管也稱半導(dǎo)體數(shù)碼管，它是以發(fā)光二極管作筆段并按共陰極方式或共陽(yáng)極方式連接后封裝而成的。如圖 10、11 所示是兩種 LED 數(shù)碼管的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，、分別表示公共陽(yáng)極和公共陰極，ag 是 7 個(gè)筆段電極，DP為小數(shù)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，采用的是共陰極的LED數(shù)碼管。 圖9 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖10 共陰極數(shù)碼管6 數(shù)字脈搏測(cè)試儀原理及應(yīng)用數(shù)字脈搏測(cè)試儀電原理圖如圖11所示。壓電陶瓷片 HTD-27 將拾取的脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)CD4011B組成的四級(jí)線性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511組成的計(jì)數(shù)顯示電路。CD4553內(nèi)部輸入端設(shè)置了脈沖整形電路，所以對(duì)脈沖沿?zé)o甚特殊要求。它只有一組BCD碼輸出，但通過(guò)內(nèi)部分時(shí)控制可形成三位十進(jìn)制數(shù)字顯示。CD4511是譯碼器，其輸出驅(qū)動(dòng)三位LED共陰數(shù)碼管。BG1、BG2、BG3分別由CD4553的15、1、2腳控制實(shí)現(xiàn)三位數(shù)碼管的分時(shí)顯示。CD4060組成計(jì)數(shù)閘門(mén)設(shè)定電路，R5、R6、C6 與其內(nèi)部電路組成振蕩器，振蕩器信號(hào)經(jīng)內(nèi)部 213 次分頻后，由 2 腳輸出延時(shí) 60 秒的正脈沖加到 CD4553 的 11 腳關(guān)閉閘門(mén)。 使用時(shí)，用手表帶或松緊帶將壓電陶瓷片壓在手腕的撓動(dòng)脈處，注意一定要壓緊。在合上開(kāi)關(guān)K1后即按一下復(fù)位開(kāi)關(guān)K2，使CD4060和CD4553清零，這時(shí)計(jì)數(shù)閘門(mén)打開(kāi)，脈搏信號(hào)由CD4553進(jìn)行計(jì)數(shù)。1分鐘后，CD4060輸出一高電平，使計(jì)數(shù)閘門(mén)關(guān)閉。這時(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為每分鐘的脈搏數(shù)。本電路“數(shù)字脈搏測(cè)試儀”的設(shè)計(jì)，分成四大模塊。1、顯示模塊；2、整形模塊；3、計(jì)時(shí)模塊；4、計(jì)數(shù)模塊。接下來(lái)，將詳細(xì)介紹這四大塊的組成及功能。 圖116.1 顯示模塊 在數(shù)字脈搏測(cè)試儀電路中(圖12)，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(gè)管腳分別與數(shù)碼管的 a，b，c，d，e，f，g七個(gè)管腳相接，將 CD4553傳遞給CD4511的數(shù)據(jù)輸送給數(shù)碼管顯示。三個(gè)數(shù)碼管分別與 CD4553 的 1 腳，2腳，15 腳相連。三個(gè)數(shù)碼管一次只導(dǎo)通一個(gè)管腳已實(shí)現(xiàn)片選，使得其中一個(gè)數(shù)碼管有顯示。高電平（即1）時(shí)，數(shù)碼管無(wú)顯示；低電平（即0）時(shí)，數(shù)碼管顯示。也就是說(shuō)，三個(gè)數(shù)碼管同時(shí)只有一個(gè)低電平輸入，兩個(gè)高電平輸入，同一時(shí)間只有一個(gè)是亮的，由于它們的變化速度很快，肉眼無(wú)法識(shí)別，故看似同時(shí)顯示。顯示電路分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示（掃描）顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是現(xiàn)實(shí)電路具有輸出鎖存功能，只要將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再管，知道下次顯示數(shù)據(jù)需要更新世再傳送一次新數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)顯示，則要求對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，使顯示數(shù)據(jù)有閃爍感。由于，本電路設(shè)計(jì)的是測(cè)試一分鐘內(nèi)脈搏的跳動(dòng)，因此顯示電路采用的是動(dòng)態(tài)顯示。在本電路設(shè)計(jì)中，我們所采用的三位 LED 數(shù)碼管是七段共陰數(shù)碼管。數(shù)碼管共有十個(gè)管腳(如圖9)。由于不同廠家生產(chǎn)，各管腳功能可能有所不同，左圖做示范例子。介于條件所限，我們采用了三個(gè)單位數(shù)碼管，因此，三個(gè)數(shù)碼管的各筆段電極和小數(shù)點(diǎn)之間要互相相連。且數(shù)碼管本身的公共陰極相互連接，每個(gè)公共點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的三極管發(fā)射極相連。為了不損壞數(shù)碼管，本次設(shè)計(jì)使用了 IC 插座，上述的數(shù)碼管各腳連接，在 IC 插座上實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管只需插入IC插座，即可工作。 在本次設(shè)計(jì)中，我們所用的三極管是塑料封裝 9012 PNP 型，三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。 圖126.2 整形模塊 本數(shù)字脈搏測(cè)試儀的整形模塊，將壓電陶瓷片HTD-27置于脈搏處，電源為打開(kāi)狀態(tài)，傳感器將信號(hào)送給 CD4011，通過(guò)電阻與電容的搭配，將波形送至CD4553的12腳。由于CD4553內(nèi)部設(shè)置了整形電路。因此，可以將CD4011 送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行整形，使其成為有序的波形。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(cè)量為目的，以一定精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、易于處理的電量信號(hào)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(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，在其相對(duì)的兩個(gè)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(cè)量，只能夠測(cè)量動(dòng)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(cè)量中。也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中。 電阻實(shí)質(zhì)上是吸收電能轉(zhuǎn)換成熱能的能量轉(zhuǎn)換元件，消耗電能并使自身溫度升高，其負(fù)荷能力取決于電阻長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的允許發(fā)熱溫度。電容，就是容納和釋放電荷的電子元器件。 圖136.3 計(jì)時(shí)模塊在前面介紹過(guò)芯片 CD4060，CD4060 是 14 位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻和振蕩器在本設(shè)計(jì)中，其主要功能是一分鐘計(jì)時(shí)。3、4 腳外接定時(shí)電容，起定時(shí)作用。 打開(kāi)電源 K1，按下復(fù)位按鈕 K2，CD4060 的 12腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，電路開(kāi)始工作，CD4060開(kāi)始計(jì)時(shí)，CD4553的13腳由高電平轉(zhuǎn)為低電平，CD4553的11腳時(shí)鐘輸入控制端，當(dāng)11腳為低電平時(shí)，允許時(shí)鐘脈沖輸入，為高電平時(shí)，禁止時(shí)鐘脈沖輸入。則CD4060將信息由2腳送入CD4553。超過(guò)一分鐘后，CD4060的12腳由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑?jì)數(shù)清零且振蕩器使用無(wú)效，CD4060停止計(jì)時(shí)。2 腳也停止對(duì) CD4553 的信息輸入。同時(shí) CD4553的 13 腳也復(fù)位。CD4553 的 11腳也變?yōu)楦唠娖?，不允許時(shí)鐘脈沖輸入，測(cè)試儀停止工作。 圖146.4 計(jì)數(shù)模塊 圖15在前面介紹過(guò)，CD4553是BCD7段鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)器, 分時(shí)控制可形成三位十進(jìn)制數(shù)字顯示。三個(gè)同步級(jí)連的下降沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器（個(gè)位、十位、百位）、三個(gè)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(shí)輸出同步控制信號(hào)端，從而形成動(dòng)態(tài)顯示方式，低電平有效。在任一時(shí)刻，1，2，15 腳只有一個(gè)是低電平，并作周期循環(huán)，形成一個(gè)三位時(shí)序信號(hào)。三腳分別外接 BG1、BG2、BG3三個(gè)PNP三極管。通過(guò)三極管的放大，分時(shí)控制數(shù)碼管。 由于CD4553