呼吸頻率檢測計(jì)的設(shè)計(jì)

1、呼吸頻率檢測計(jì)的設(shè)計(jì)摘 要呼吸頻率，實(shí)際上就是每分鐘的呼吸次數(shù)，它是急性呼吸功能障礙的敏感指標(biāo)。不論是醫(yī)生還是護(hù)理人員都把它作為生命指征之一。因此，測定呼吸頻率在臨床上有很重要的意義。呼吸系統(tǒng)功能的監(jiān)測是臨床監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要方面，而呼吸頻率是檢測人體呼吸功能的一個(gè)基本指標(biāo)。正常成年人呼吸頻率為每分鐘1620次，小兒呼吸頻率為每分鐘2030次，而新生兒可達(dá)每分鐘44次。本論文設(shè)計(jì)的呼吸頻率范圍為每分鐘0100次。本論文設(shè)計(jì)一套用于檢測及顯示人體呼吸頻率這一人體基本生理信號(hào)的系統(tǒng)，通過輸入一系列二氧化碳幅值信號(hào)，可以在最終的顯示電路部分及時(shí)顯示出正確的呼吸頻率數(shù)。采集相應(yīng)的呼吸頻率信號(hào)，通過本系統(tǒng)的

2、濾波，放大，整形，脈沖計(jì)時(shí)電路，最終在顯示電路部分顯示出來呼吸頻率的檢測結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用了四倍頻的方法，使測試呼吸頻率的時(shí)間由一分鐘縮短為15秒，使測試更加快捷。這一設(shè)計(jì)提高了測試效率，節(jié)省了大量時(shí)間。由于二氧化碳信號(hào)屬于低頻信號(hào)，所以只需要采用低通濾波器，就可以得到無雜質(zhì)的二氧化碳信號(hào)。二氧化碳信號(hào)幅值為mV級(jí)別，所以要采用放大電路使原始信號(hào)放大到V級(jí)，這樣可以使測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：呼吸頻率，放大，濾波，顯示，計(jì)數(shù)DESIGN OF BREATHING RATE DETECTORABSTRACTActually breathing rate is the frequency of br

3、eathing per minute. It is an important indicator of acute respiratory dysfunction. Both doctors and nurses regarded it as one of life indication. Thus, measurement of breathing rate has important clinical significance. Respiratory function monitoring is an important aspect of clinical care; the brea

4、thing rate is a basic indicator of testing breathing function in the human body.Normal adults breathing rate is 16-20 times per minute. A childs breathing rate is 20-30 times per minute. A New-born childs is up to 44 times per minute. In this thesis, the respiratory frequency range of 0-100 times pe

5、r minute.In this thesis, a system is designed to detect and to display the basic physiology of human respiratory frequency. Input a series of breathing signal, the final part of the number of breathing rate will be shown in time. Collecting the breathing signal, through this system, filtering, ampli

6、fication, shaping, pulse timing circuit, part of the final circuit is shown in the display the results of tests respiratory rate. This design uses a four-way harmonic, breathing frequency of the testing time reduce from one minute to 15 seconds, making testing more efficient. This design improves te

7、sting efficiency and save a lot of time. As the carbon dioxide signal is low frequency signal, so only low-pass filter, you can get the carbon dioxide signal without impurities. Carbon dioxide signal is at the level of mV degrees. Therefore, amplifier circuit is used to make the original signal ampl

8、ifying to the level of V degree, this will enable a more accurate test results.KEY WORDS: breathing rate，amplifier， filter， display， count目 錄摘 要IABSTRACTII前 言1第一章 緒論2§1.1 課題研究的意義與現(xiàn)狀2§1.2 課題研究的理論依據(jù)2§1.3 本章小結(jié)3第二章 總體設(shè)計(jì)方案及流程框圖4§2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則4§2.2 總體設(shè)計(jì)方案及流程框圖5§2.3 本章小結(jié)5第三章 數(shù)字電路

9、模塊的設(shè)計(jì)6§3.1呼吸檢測部分電路設(shè)計(jì)6§3.1.1 放大及濾波電路6§3.1.2 整形電路9§3.1.3 計(jì)時(shí)電路11§3.1.4 倍頻電路12§3.1.5 顯示電路13§3.2 A/D轉(zhuǎn)換器14第四章 系統(tǒng)仿真及調(diào)試18§4.1 仿真軟件簡介18§4.2呼吸檢測仿真結(jié)果18§4.3本章小結(jié)21結(jié) 論22參考文獻(xiàn)23致 謝25附錄26前 言當(dāng)今社會(huì)，人們的生活水平有了很大的提高，人們對(duì)生命質(zhì)量的要求也越來越高。但是因?yàn)榄h(huán)境污染及其他方面原因?qū)е碌娜梭w各方面的疾病越來越多。人體各種突發(fā)性疾病都

10、能從呼吸方面體現(xiàn)出來，所以呼吸檢測是一個(gè)重要的醫(yī)學(xué)檢測手段。呼吸是人體內(nèi)外環(huán)境之間進(jìn)行氣體交換的必需過程，人體通過呼吸系統(tǒng)吸進(jìn)氧氣、呼出二氧化碳，從而維持正常的生理功能。每分鐘的呼吸次數(shù)即呼吸頻率。呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態(tài)而異。成人平靜時(shí)的呼吸頻率約為每分鐘1618次；兒童約為每分鐘20次；一般女性比男性快12次。我們可以通過測定人體呼出的二氧化碳量來測定人體的呼吸頻率，臨床診斷中醫(yī)生利用呼吸頻率可以初步檢測人體是否患有疾病。呼吸頻率檢測計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾方面的要求：能夠精確地監(jiān)測人體呼吸頻率參數(shù)，并判斷其是否處于正常范圍之中；能夠滿足實(shí)時(shí)、連續(xù)、無創(chuàng)、人性化的要求?，F(xiàn)在最常見的呼吸頻

11、率檢測方法有：超聲多普勒呼吸頻率檢測，即利用人體呼吸時(shí)的胸廓的運(yùn)動(dòng)，把超聲波打到運(yùn)動(dòng)部位產(chǎn)生多普勒現(xiàn)象，通過電路分析，檢測出呼吸頻率，達(dá)到非接觸的檢測目的；以8098單片機(jī)為基礎(chǔ)的阻抗式呼吸頻率檢測系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)檢測呼吸頻率參數(shù)和自動(dòng)報(bào)警功能；敏法呼吸頻率檢測，采用PN結(jié)溫度傳感器和熱電阻作為傳感器，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的放大，濾波，波形變換電路，得到反映呼吸頻率的數(shù)字信號(hào)。第一章 緒論§1.1 課題研究的意義與現(xiàn)狀在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著人們的健康意識(shí)和保健要求的日益增強(qiáng)，醫(yī)療模式由對(duì)癥治療向預(yù)防為主轉(zhuǎn)變，適用于家庭的人體健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)的需求越發(fā)迫切。同時(shí)，作為各級(jí)醫(yī)院基本設(shè)備配置的監(jiān)護(hù)設(shè)備，也

12、正被廣泛的運(yùn)用，并且促進(jìn)了醫(yī)院業(yè)務(wù)項(xiàng)目的開展，如社區(qū)服務(wù)，現(xiàn)場緊急救護(hù)等。在這一背景下，很多的科研工作者依然致力于人體生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究，希望使其功能更加完善。呼吸功能是人體生命功能之一，簡單的說，呼吸過程就是給全身的組織輸送氧氣，排出二氧化碳的過程，受呼吸過程影響最大的人體器官是腦和心。呼吸功能的檢測，對(duì)于診斷某些呼吸系統(tǒng)疾病，估計(jì)呼吸功能損害程度，起到很大作用。除了對(duì)疾病本身的治療意義外，更重要的是指導(dǎo)病人的呼吸管理、急救復(fù)蘇、重癥病人的診斷治療等。機(jī)體在多種因素下發(fā)生呼吸生理功能紊亂的同時(shí)，常伴有循環(huán)、神經(jīng)、內(nèi)分泌代謝、肝腎等其他系統(tǒng)功能的變化，且他們之間又互為因果。因此在對(duì)呼吸功能

13、進(jìn)行檢測的同時(shí)，應(yīng)全面對(duì)其他人體系統(tǒng)進(jìn)行檢測，才不至于顧此失彼。目前的監(jiān)測系統(tǒng)可向醫(yī)護(hù)人員提供病人生命體征的各項(xiàng)重要參數(shù)，利用這些信息，臨床醫(yī)生能更好地分析患者的病情，使醫(yī)生的診斷和治療建議更快，更準(zhǔn)確地反饋到對(duì)病人的治療中，從而采取適當(dāng)?shù)闹委煷胧@得最佳的治療效果，因此人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的作用越來越受到重視。本設(shè)計(jì)正是基于這一現(xiàn)狀，利用大學(xué)期間所學(xué)專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)人體生理參數(shù)進(jìn)行無創(chuàng)監(jiān)測的簡易系統(tǒng)。§1.2 課題研究的理論依據(jù)呼吸信號(hào)是一種頻率很低的微弱人體生理信號(hào)，由于呼吸信號(hào)取自人體，信號(hào)源阻抗較高，而且存在著較強(qiáng)的背景噪聲和干擾，呼吸是人體重要的生理過程，對(duì)人體呼吸的

14、監(jiān)護(hù)檢測也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。呼吸信號(hào)不僅僅局限于呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動(dòng)脈血?dú)庖约捌胀ㄐ仄瘸Ｒ?guī)項(xiàng)目，更受到重視的是，能確切反映患者通氣/氧合狀況并能指導(dǎo)機(jī)械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨床用藥的指標(biāo)。人體生理信號(hào)的監(jiān)測技術(shù)已有五十多年的發(fā)展歷程了，最初主要是應(yīng)用于心電信號(hào)的監(jiān)測。到目前為止，人體監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)生理信號(hào)進(jìn)行檢測，其監(jiān)測方法基本上是相同的。呼吸信號(hào)具有下列特點(diǎn)：1、微弱性：呼吸信號(hào)通常是mV級(jí)別，常見的呼吸信號(hào)幅度在5mV左右。2、低頻特性：常見的呼吸信號(hào)一般在0100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近。3、信號(hào)源阻抗高：信號(hào)源內(nèi)阻可達(dá)幾兆歐或者幾千歐。4、強(qiáng)

15、噪聲背景：在檢測呼吸信號(hào)的同時(shí)存在著來自于測量系統(tǒng)外部的強(qiáng)大的干擾，這些干擾主要包括電磁干擾、電場干擾和磁場干擾。本文主要采用測定人體內(nèi)二氧化碳量的變化信號(hào)來確定人體呼吸頻率，通過測定15秒內(nèi)人體二氧化碳信號(hào)的變化，采用四倍頻的方法即可測定出來一分鐘內(nèi)人體呼吸頻率。該系統(tǒng)采用的具體測量方法：輸入一個(gè)收集到的二氧化碳信號(hào)，經(jīng)濾波電路濾波，得到無雜質(zhì)的二氧化碳信號(hào)，然后采用放大電路將微弱信號(hào)放大，放大后的信號(hào)輸入555定時(shí)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行整形將不規(guī)則的波整形成較規(guī)則的矩形波，方便計(jì)數(shù)。§1.3 本章小結(jié)本章主要介紹了課題研究的意義與現(xiàn)狀，以及設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。第二章 總體設(shè)計(jì)方案及流程框

16、圖§2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則本設(shè)計(jì)為一套無創(chuàng)監(jiān)測人體生理信號(hào)的簡易系統(tǒng)。這是一套能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)人體的呼吸頻率進(jìn)行檢測，其基本要求有無創(chuàng)，實(shí)時(shí)，連續(xù)。由于人體呼吸信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大，因此，在設(shè)計(jì)過程中通常要求放大器具有高增益，高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能。（1）高增益由于人體生理信號(hào)幅度非常小，為毫伏級(jí)。只有高增益才能使信號(hào)放大到便于分析的程度。通常選擇增益在60db（1000倍）120db（100萬倍）之間。（2）高輸入阻抗通過傳感器提取的生理信號(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號(hào)，為了減小信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器

17、的輸入阻抗。信號(hào)源阻抗不僅因人而異，因生理狀態(tài)而異，與傳感器的安放位置，傳感器本身的物理狀態(tài)都有密切關(guān)系。源阻抗的不穩(wěn)定性將使放大器電壓增益不穩(wěn)定，從而造成難以修正的測量誤差。再者，理論上源阻抗是信號(hào)頻率的函數(shù)，電極阻抗也是頻率函數(shù)，變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降。如果放大器輸入阻抗不夠高，就會(huì)造成信號(hào)低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生失真。用于生理信號(hào)電位測量的放大器的輸入阻抗高達(dá)1M歐姆量級(jí)。（3）高共模抑制比由于生理參數(shù)測量放大器一般具有高增益和高輸入阻抗，因而各類干擾極易隨信號(hào)進(jìn)入放大器，尤其工頻（50Hz）干擾，因?yàn)檫@種信號(hào)正好落在呼吸信號(hào)的頻譜范圍內(nèi)。強(qiáng)的干擾與有用信號(hào)疊加在一起，使顯示與記

18、錄的信號(hào)的基線變寬，影響信號(hào)的觀察與測量。為此放大器必須有較好的抗干擾能力。（4）低噪聲由于生物電信號(hào)十分微弱，因此要求生物電測量放大器具有低的內(nèi)部噪聲。一般采用低噪聲電阻和低噪聲放大器。儀器噪聲可用等效噪聲和信噪比來衡量。（5）低漂移由于生理信號(hào)為低頻信號(hào)，放大器一般采用直接耦合方式，則前一級(jí)放大電路的溫度漂移影響一級(jí)放大電路的工作點(diǎn)，導(dǎo)致后一級(jí)進(jìn)入飽和而無法正常工作，所以要求用低漂移放大器。§2.2 總體設(shè)計(jì)方案及流程框圖首先，通過傳感器將人體的生理信號(hào)收集起來。因?yàn)槿梭w生理信號(hào)非常微弱，不便于直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所以要將這些信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)，這里主要用到了放大電路。其次，因?yàn)槭占降?/p>

19、呼吸信號(hào)中摻雜有別的生理信號(hào)，會(huì)影響到目的信號(hào)的純度給分析帶來困難，所以要對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行濾波。使這些信號(hào)分別通過預(yù)先設(shè)計(jì)好的濾波器就可以達(dá)到此目的。又因?yàn)檫@些信號(hào)的波形不規(guī)則不方便計(jì)數(shù)，所以接下來就要將這些信號(hào)的波形整形為規(guī)則的矩形波，因此這里需要設(shè)計(jì)一個(gè)整波電路。最后進(jìn)行計(jì)數(shù)，將數(shù)據(jù)及時(shí)顯示在顯示電路的數(shù)碼管上顯示出來。整個(gè)設(shè)計(jì)過程的流程圖如下所示：圖2-1 設(shè)計(jì)流程圖§2.3 本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是闡述此設(shè)計(jì)所要滿足的基本要求，設(shè)計(jì)的總體方案及主要框圖。通過本章可以對(duì)此設(shè)計(jì)有一個(gè)整體上的了解，以便于下面對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。第三章 數(shù)字電路模塊的設(shè)計(jì)§3.1呼

20、吸檢測部分電路設(shè)計(jì)測量呼吸頻率有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬方法是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算呼吸變化的脈沖個(gè)數(shù)，然后將脈沖計(jì)數(shù)乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)用以測量心率，數(shù)字方法是先測量相鄰脈沖之間的時(shí)間，再將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換為每分鐘的呼吸次數(shù)來測量呼吸頻率。本設(shè)計(jì)采用模擬方法來測量呼吸頻率。§ 放大及濾波電路圖3-1 一階低通濾波電路一、濾波電路濾波電路就是對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)順利通過，而阻止其他頻率信號(hào)通過。通常按照濾波電路的工作頻帶為其命名，分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器。設(shè)截止頻率為fp，頻率低于fp的信號(hào)可以通過，高于fp的

21、信號(hào)被衰減的濾波電路稱之為低通濾波器；反之，頻率高于fp的信號(hào)可以通過，而頻率低于fp的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為高通濾波器。前者可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓；后者可以作為交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分，削弱低頻信號(hào)，只放大頻率高于fp的信號(hào)。設(shè)低頻截止頻率為fp1，高頻段的截止頻率為fp2，頻率fp1到fp2之間的信號(hào)可以通過，低于或高于的信號(hào)被衰減的濾波電路稱之為帶通濾波器；反之，頻率低于和高于的信號(hào)可以通過，而頻率是到之間的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為帶阻濾波器。前者通常用于載波通信或弱信號(hào)提取等場合，以提高信噪比；后者用于在已知干擾或噪聲頻率的情況下，阻止其

22、通過。全通濾波器對(duì)于頻率從零到無窮大的信號(hào)具有同樣的比例系數(shù)，但對(duì)于不同頻率的信號(hào)將產(chǎn)生不同的相移。若濾波電路僅由無源元件(電阻、電容、電感)組成，則稱為無源濾波電路。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件(雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放)組成，則稱為有源濾波電路。為了使負(fù)載不影響濾波特性，可在無源濾波電路和負(fù)載之間加一個(gè)高輸入電阻低輸出電阻的隔離電路，最簡單的方法是加一個(gè)電壓跟隨器，這樣就構(gòu)成了有源濾波器。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能起濾波作用，于此同時(shí)還可以進(jìn)行放大。組成電路時(shí)應(yīng)選用帶寬合適的集成運(yùn)放。有源濾波電路不適于高電壓大電流的負(fù)載

23、，只適用于信號(hào)處理。低通濾波器是容許低于截至頻率的信號(hào)通過， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過的電子濾波裝置。圖3-2 二階低通濾波電路1、低通濾波器本濾波器是反相放大低通濾波器一階電路，通帶放大倍數(shù)Aup=-R2/R1=-25.5，電路的傳遞函數(shù)Au(s)=(-R2/R1)*1/(1+s R2C)用jw取代s，令f0=1/2R2C，可得出電壓放大倍數(shù)Au=Aup/(1+jf/f0) 通帶截止頻率fp=f0反相放大低通濾波器二階電路，增加RC環(huán)節(jié)，可以使濾波器的過渡帶變窄，衰減斜率的值增大。當(dāng)多個(gè)低通濾波器串聯(lián)起來時(shí)，就可以得到高階低通濾波器，原理框圖如下：圖3-3 高階低通濾波電路二、放大電路：

24、圖3-4 放大電路放大電路采用同相比例運(yùn)算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故可以認(rèn)為輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。即使考慮集成運(yùn)放參數(shù)的影響，輸入電阻也可達(dá)109。根據(jù)虛短和虛斷的概念，集成運(yùn)放的凈輸入電壓為零，即Up=Un=Ui說明集成運(yùn)放有共模輸入電壓，可得uo/uI=1+Rf/R，即放大倍數(shù)為31倍。雖然同相比例運(yùn)算電路具有高輸入電阻，低輸入電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榧蛇\(yùn)放有共模輸入，所以為了提高運(yùn)算精度，應(yīng)當(dāng)選用高共模抑制比的集成運(yùn)放。在對(duì)電路進(jìn)行誤差分析時(shí)，應(yīng)特別注意共模信號(hào)的影響。§ 整形電路圖3-5 555定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它

25、能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變換、測量、控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用。555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用CMOS工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀

26、態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC /3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。上圖是CB555的電路結(jié)構(gòu)圖。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC/3和2VCC/3。下圖是由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

27、：圖3-6 555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)是電路有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號(hào)作用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到 暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自 動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端獲得一個(gè)脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw，就 是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，其長短取決于電路的參數(shù)值。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形如圖1所示。圖中R，C為外接定時(shí)元件，輸人的觸發(fā)信號(hào)ui接 在低電平觸發(fā)端（2腳）。穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出uo為低電平，即無觸發(fā)器信號(hào)（ui為高電平）時(shí)，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)輸出低電平。在 ui負(fù)脈沖

28、作用下，低電平觸發(fā)端得到低于（1/3）Vcc，觸發(fā)信號(hào)，輸出uo為高電平，放電管VT截止，電 路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時(shí)開始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源VccRC地，對(duì)電容充電，充電時(shí)間常數(shù)TRC，uc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容 兩端電壓uc上升到（2/3）Vcc后，6端為高電平，輸出uo變?yōu)榈碗娖剑烹姽躒T導(dǎo)通，定時(shí)電容C充電結(jié)束 ，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，又重復(fù)上述過程。 § 計(jì)時(shí)電路圖3-7 計(jì)時(shí)脈沖電路圖3-7為本設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)電路，采用74163芯片。74163為可預(yù)置的4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，163的清除是同步的。當(dāng)清除端(CLR)為低電平時(shí)，在時(shí)鐘

29、端(CLK)上升沿作用下，才可完成清除功能。163的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制端(LOAD)為低電平時(shí)，在CLK上升沿作用下，輸出端(QA-QD)與數(shù)據(jù)輸入端(A-D)相一致。163的計(jì)數(shù)是同步的，靠CLK同時(shí)加在4個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ENP和ENT均為高電平時(shí)，在CLK上升沿作用下QA-QD同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。下圖為74163管腳介紹：圖3-8 74163管腳74163在本設(shè)計(jì)中主要功能就是定時(shí)，它產(chǎn)生的信號(hào)周期為16秒，高電平寬度為15秒，低電平寬度為1秒。通過與門與整形后的二氧化碳信號(hào)相與，進(jìn)而對(duì)整形后的二氧化碳信號(hào)計(jì)數(shù)15秒。§ 倍頻電路圖3-9 二

30、倍頻電路如上圖就是一個(gè)二倍頻，選取合適的C和R，然后微調(diào)R，使占空比等于百分之50，后面還可以串聯(lián)多級(jí)就可以得到四倍頻，八倍頻等等。第一個(gè)與非門起緩沖隔離作用，經(jīng)由RC微分電路C1a，R1a將輸入的方波信號(hào)的上升沿變成一個(gè)脈沖，C1b，R1b組成的微分電路將輸入信號(hào)經(jīng)過一個(gè)與非門后的反響信號(hào)的上升沿變成一個(gè)脈沖，當(dāng)電壓上升到加法器內(nèi)各與非門的導(dǎo)通電壓時(shí)，這兩個(gè)脈沖信號(hào)僅有加法器相加得到了輸入信號(hào)的二倍頻。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)二倍頻電路串聯(lián)得到一個(gè)四倍頻電路，輸入的一個(gè)15秒的脈沖信號(hào)經(jīng)過四倍頻電路之后得到1分鐘的信號(hào)結(jié)果。§ 顯示電路圖3-10 兩個(gè)74160連接成的顯示電路在數(shù)字系統(tǒng)中使

31、用最多的時(shí)序電路要算是計(jì)數(shù)器了。計(jì)數(shù)器不僅能應(yīng)用于對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。計(jì)數(shù)器種類非常繁多。如果按計(jì)數(shù)器中的觸發(fā)器是否同時(shí)翻轉(zhuǎn)分類，可以把計(jì)數(shù)器分為同步式和異步式兩種。在同步計(jì)數(shù)器中，當(dāng)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)是同時(shí)發(fā)生的。而在異步計(jì)數(shù)器中，觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，不是同時(shí)發(fā)生的。如果按技術(shù)過程中計(jì)數(shù)器數(shù)字增減分類，又可以把計(jì)數(shù)器分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。隨著計(jì)數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞增計(jì)數(shù)的叫加法計(jì)數(shù)器，作遞減計(jì)數(shù)的叫減法計(jì)數(shù)器，可增可減的叫可逆計(jì)數(shù)器。如果按計(jì)數(shù)器中數(shù)字編碼方式分類，還可以分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)

32、器、循環(huán)碼計(jì)數(shù)器等。目前常見的計(jì)數(shù)器芯片在計(jì)數(shù)進(jìn)制上只作成應(yīng)用較廣的幾種類型，比如十進(jìn)制、十六進(jìn)制、7位二進(jìn)制、12位二進(jìn)制、14位二進(jìn)制等。上圖為本設(shè)計(jì)的顯示電路，顯示電路采用三個(gè)74160串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)經(jīng)過濾波放大整形后的二氧化碳信號(hào)的計(jì)數(shù)。74160是一個(gè)4位二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，它具有異步清除端與同步清除端，而本設(shè)計(jì)要求計(jì)數(shù)是遞增的，所以采用同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，即QDQCQBQA=0000狀態(tài)逐漸變化到QDQCQBQA=1001，而后再跳變?yōu)镼DQCQBQA=0000的過程。從0000開始計(jì)數(shù)，直到第九個(gè)計(jì)數(shù)脈沖為止。計(jì)入第九個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后電路進(jìn)入1001狀態(tài)，這時(shí)QD的低電平使門G1的輸入為0

33、，而QA和QD的高電平使門G3的輸出為1，所以四個(gè)觸發(fā)器的輸入控制端分別為T0=1、T1=0、T2=0、T3=1。因此，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)計(jì)數(shù)脈沖輸入后，F(xiàn)F1和FF2維持0狀態(tài)不變，F(xiàn)F0和FF3從1翻轉(zhuǎn)為0，故電路返回0000狀態(tài)。74160的ENP與ENT引腳具有鎖存功能，當(dāng)ENP或ENT為高電平時(shí)正常工作，在工作過程中，ENP與ENT都變?yōu)榈碗娖綍r(shí)即停止計(jì)數(shù)并通過七段數(shù)碼顯示管顯示最后的計(jì)數(shù)情況，根據(jù)這個(gè)原理可以用一個(gè)與非門的兩個(gè)輸入端接左邊計(jì)數(shù)器的QB與QC，輸出端與心電計(jì)數(shù)電路和時(shí)鐘控制電路的個(gè)位的ENP與ENT引腳都相連，當(dāng)QB與QC都為高電平輸出時(shí)與非門的輸出就是低電平，低電平控制ENP

34、與ENT，使計(jì)數(shù)停止并顯示最終結(jié)果。§3.2 A/D轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)的多少表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。在A/D轉(zhuǎn)換器中

35、，因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的而輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的，所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)換的過程是首先對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)入保持時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后，再開始下一次取樣。A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)反映了其性能特點(diǎn)，其主要的指標(biāo)有以下幾個(gè)：(1)分辨率：分辨率反映A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。(2)精度：精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。絕對(duì)誤差：是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬

36、輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB)的分?jǐn)?shù)值來表示。相對(duì)誤差：是指整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，即由發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)開始有效的時(shí)間間隔，其倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如MAX125的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3s，其轉(zhuǎn)換速率約為330多kHz。(4)電源靈敏度：電源靈敏度是指A/D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般用電源電壓變化1%時(shí)相應(yīng)的模擬量變化的百分?jǐn)?shù)來表示。(5)量程：量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單

37、極性、雙極性兩種類型。A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際工作時(shí)，都會(huì)引入一些誤差，主要包括：靜態(tài)誤差、孔徑誤差和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位(LSB)作為計(jì)算單位。(1)靜態(tài)誤差：當(dāng)轉(zhuǎn)換一個(gè)直流信號(hào)時(shí)，靜態(tài)誤差可由失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差表示。 失調(diào)誤差：失調(diào)誤差就是實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線間得偏移，即實(shí)際曲線發(fā)生了平移現(xiàn)象。(2)孔徑誤差：由于采樣時(shí)鐘或輸入信號(hào)的噪聲，使得采樣和保持之間延遲引起的誤差。(3)量化誤差：A/D變換器的量化誤差決定于A/D變換器的轉(zhuǎn)換特性，這種誤差是由轉(zhuǎn)換特性造成的，是一種原理性誤差，無法消除。A/D變換器選定以后，其量化誤差也隨之確定了。

38、量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由于有限數(shù)字對(duì)模擬數(shù)字進(jìn)行離散取值(量化)而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個(gè)單位分辨率，即1LSB，提高分辨率可減少量化誤差。上述這些誤差構(gòu)成了A/D變換器的總誤差。在考慮上述各種誤差的綜合影響時(shí)，A/D變換器的總誤差應(yīng)該用各種誤差的均方根來表示。A/D轉(zhuǎn)換器選擇的理論分析：采樣處理過程受ADC轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率的限制。一方面，對(duì)于具體的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的數(shù)據(jù)位所能代表的精度是由ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)來決定的。另一方面，每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在被讀取之前都要有轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)據(jù)位越多，則轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率也就越慢。這就要求ADC的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率之

39、間做出一個(gè)折衷的解決辦法。對(duì)轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率要求越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換越困難。綜上可知，要獲得二氧化碳數(shù)字信號(hào)，需要A/D轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，所以采用ADC0809來實(shí)現(xiàn)此目的。圖3-11 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，

40、指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。ADC0809引腳功能：ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。IN0IN7：8路模擬量輸入端；2-12-8：8位數(shù)字量輸出端；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路；ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效；START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）；EOC： A

41、/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）；OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量；CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ；REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓；Vcc：電源，單一5V；GND：地。第四章 系統(tǒng)仿真及調(diào)試§4.1 仿真軟件簡介本設(shè)計(jì)仿真軟件主要應(yīng)用了EWB。EWB是電子電路仿真的虛擬電子工作平臺(tái)軟件，現(xiàn)在普遍使用的是EWB5.0。而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。它的器

42、件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)入。作為設(shè)計(jì)工具，它還可以同其他流行的電路分析，設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。§4.2呼吸檢測仿真結(jié)果1.原始CO2信號(hào)：圖4-1原始信號(hào)波形圖2.經(jīng)過多級(jí)低通濾波后的信號(hào)效果圖：圖4-2 經(jīng)過高階低通濾波器濾波后的信號(hào)由上圖可知，信號(hào)幅度有了大幅度提高，從幾百V被放大到了一百多mV，低通濾波器幅頻圖如下所示：圖4-3 低通濾波器幅頻圖3.經(jīng)過放大后的信號(hào)圖：圖4-4 放大后的信號(hào)由上圖可得出，對(duì)比兩個(gè)信號(hào)的幅值，信號(hào)在經(jīng)過兩個(gè)低通濾波器后，由一百多毫伏被放大到伏級(jí)，因此放大效果是很成

43、功的。4.經(jīng)過整波電路后的信號(hào)波形圖：圖4-5經(jīng)過整波電路后的信號(hào)波形圖由上圖可以得出，經(jīng)過整波電路之后，信號(hào)又不規(guī)則的波形變?yōu)橐?guī)則的矩形波，方便計(jì)數(shù)。§4.3本章小結(jié)本章主要是對(duì)第三章所設(shè)計(jì)的電路分部進(jìn)行仿真，由效果圖可以看出本設(shè)計(jì)基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)呼吸信號(hào)的監(jiān)測，但設(shè)計(jì)尚待完善。結(jié) 論歷時(shí)三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程，使本人對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)有了更深一步的了解，為了解決一些問題，大量查閱了一些課本以外的資料，我收獲頗多。這不僅僅是為了完成畢業(yè)論文任務(wù)，也是為了進(jìn)一步提高自己的理論水平、思想認(rèn)識(shí)和動(dòng)手能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作留下一些具有參考價(jià)值的東西，積累一些寶貴經(jīng)驗(yàn)。此次設(shè)計(jì)提高了本人分析問題

44、，解決問題的能力。當(dāng)然，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中也有很多問題的解決得益于老師和同學(xué)的幫助。這個(gè)過程不僅僅是設(shè)計(jì)一個(gè)檢測系統(tǒng)的過程，同時(shí)也是自我完善和提高的過程。此設(shè)計(jì)中用到的電路仿真軟件是EWB。 畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)主要完成了以下幾部分任務(wù)：一、通過查閱相關(guān)資料了解到了各類呼吸頻率檢測計(jì)的設(shè)計(jì)方案；二、找出一種較為合理的方案，在自己在校學(xué)習(xí)的知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)；三、成功完成了電路設(shè)計(jì)，并在EWB中成功仿真；四、完成畢業(yè)論文的撰寫。本設(shè)計(jì)中主要解決的問題：一、巧妙利用了二倍頻電路，使呼吸頻率的檢測更方便，只需15秒，減少了檢測時(shí)間，使檢測更加方便快捷；二、二氧化碳量是人體呼吸的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)二氧化碳變化量進(jìn)行檢測，使呼吸頻率結(jié)果更加準(zhǔn)確。雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)已基本完成，但仍有不妥之處，需要本人在以后的學(xué)習(xí)過程中不斷完善。同時(shí)也堅(jiān)信隨著科技的發(fā)展，人體呼吸頻率檢測會(huì)在科研工作者的努力下越來越精確化，人性