數(shù)字脈搏檢測儀的設計

目錄摘要 １關鍵詞 １Abstract １Keywords １1引言 ２2設計要求和設計方案 ４2．1設計要求 ４2．2設計方案 ４2.3工作原理 ４3數(shù)字脈搏檢測儀各模塊的工作原理 ６3．1傳感器模塊 ６3.1.1傳感器概述 ６3.1.2芯片CD4011 ７3.2信號放大模塊 ８3.2.1放大器概述 ８3.2.2放大器的工作電路 ９3.3譯碼／驅動模塊 １１3.4計時模塊 １２3.5計數(shù)模塊 １４3.6顯示模塊 １６3.6.1顯示器概述 １６3.6.2工作電路 １６3.6.3LED數(shù)碼管的工作原理及工作方式 １７3.6.4LED數(shù)碼管的顯示方式及安全性問題 １７4總結 １９參考文獻 ２０附錄數(shù)字脈搏檢測儀的工作電路圖 ２１致謝 ２２

數(shù)字脈搏檢測儀的設計摘要：本文介紹一種用單片機制作的便攜式脈搏測量儀，只要人把手指放在傳感器內(nèi)10秒鐘就可以精確測量出每分鐘脈搏數(shù)，測量結果用三位數(shù)字顯示。本文根據(jù)人體脈搏信號特征設計了一套脈搏檢測裝置。該裝置由應變式脈搏傳感器及其信號放大及濾波電路、A/D轉換、接I/O接口及脈搏信號數(shù)字處理軟件構成，還包括相應的計時電路和計數(shù)電路，以顯示測量結果。關鍵詞：單片機；脈搏測量儀；便攜式；精確TheDesignofDigitalPulseDetectorAbstract：Thisarticleintroducedthatonekindofthepulsemeasuringinstrumentwhichmanufactureswiththemonolithicintegratedcircuit,solongasthehumanplacesthefingerinthesensor10secondstobepossibletheprecisionmeasuringeachminutepulsenumber,themeasurementresultshowedwiththreedigit.Apulsedetectingsystemwasdevelopedinthisarticlewhichisbasedonthefunctionsofthepulse.Thesystemconsistsofstraingagesensors，amplifiers，filters，A／Dtranslators，I／Oportsandintegrateddigitalsignalprocessingsoftware．Andalso,itincludsthetimingcircuitandthecountingcircuitwhichareusedtoshowtheresult.Keywords:SCM,monolithicintegratedcircuitpulsemeasuringinstrument,Convenient,accuracy

1引言脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分,因此，在現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展史上具有重要的作用。醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作1分鐘的測量，通常是測量10秒鐘時間內(nèi)脈搏的數(shù)，再把結果乘以6即得到每分鐘的脈搏數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。我們知道，目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是能實現(xiàn)精確測量、精確顯示且計時功能準確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測量裝置很少。目前市場上比較常見的脈搏檢測儀有：1）、JQ-系列脈搏測試診斷儀：動態(tài)實時顯示脈搏波形，準確觀察心臟早搏、心律不齊、心泵力不均等現(xiàn)象。對可能患有高血壓、冠心病、心臟負荷增加、左心肥大心慌胸悶、血液供耗失調(diào)、心肌缺氧、缺血性壞死、心絞痛、心肌梗塞、高血脂、高血粘度、動脈硬化、腦血栓、肺充血、肺水腫、肺心病、血液粘稠、高血脂、微循環(huán)障礙（如手腳麻木）等疾病的患者給出及時提示。產(chǎn)品廣泛應用于：醫(yī)療院所、亞健康普查、社區(qū)服務、藥品保健品市場、醫(yī)療美容2）、ZXG-F型自動脈搏診斷儀（增強型）（1）自動無創(chuàng)檢測人體的血液粘度、血管彈性、心臟供血能力、心臟供氧狀況、微循環(huán)狀況等心腦血管方面。（2）高血粘、高血脂、高血壓、動脈硬化等心腦血管疾病的必備健康檢測儀器。（3）直接顯示實際檢測數(shù)據(jù)，并自動給出每個人的標準范圍值。（4）工業(yè)級控制主板，15寸彩色顯示器，無需軟件主機，直接開關機，性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。一體化設計，專業(yè)美觀。（5）海量存儲，可選配打印機，可選配彩色顯示器。（6）快速測試血糖參數(shù)(選配)。3）、ZXG-、JQ系列脈搏檢測診斷儀該系統(tǒng)配置有計算機、打印機、脈搏采集盒、脈搏傳感器構成。無創(chuàng)自動定量檢測心臟、血管、血液、微循環(huán)四項總計35項參數(shù)，并提供多達64項專家診斷信息。所有檢測參數(shù)均有名詞解釋，菜單顯示。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類，治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認識、預防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。ZXG-、JQ系列脈搏檢測診斷儀，以其優(yōu)良的技術性能，為臨床提供了可靠、方便的檢測、診斷手段。儀器用途：該儀器廣泛用于危重病員的搶救，運動醫(yī)學的探討，老年康復醫(yī)學的研究，手術、麻醉期的床邊監(jiān)護，體外反搏期的觀察，心血管疾病的診斷以及藥物療效的評估等。適合于各類醫(yī)院、藥品銷售部門使用。4）、產(chǎn)品名稱：全自動脈搏檢測儀無創(chuàng)自動檢測脈搏、血管、血液、微循環(huán)四大類35項參數(shù)，專家診斷信息64項，動態(tài)顯示脈搏波形，對可能患有冠心病、血管硬化、高血脂、高血粘度的患者給出及時診斷?！叭詣用}搏檢測儀”此儀器特別適合做藥品或者保健品的促銷業(yè)務,尤其對做義診活動、聯(lián)誼會、講座有絕對的優(yōu)勢，該“全自動脈搏檢測儀”可以檢測心臟功能、血管狀況、血液指標和微循環(huán)功能等脈搏全息檢測35項。5）、產(chǎn)品型號：AZN-E脈搏檢測儀最適合醫(yī)藥保健品會議營銷，社區(qū)健康普查，藥店促銷。是迅速提高醫(yī)藥保健品銷量的有力武器。主要功能特點：（1）全新一體化設計，使用內(nèi)置電池，完全滿足用戶移動需要。（2）可定量檢測脈搏、血管、血液、微循環(huán)等方面重要參數(shù)，實時顯示脈搏波形。（3）一體機由專用微機、液晶顯示屏、打印機、電池、脈搏傳感器組成。（4）快速檢測及打印脈搏功能參數(shù)，32項和8項可供選擇。（5）隨機存儲1000個檢測數(shù)據(jù)，可以隨時調(diào)用、存儲及打印。（6）一體機內(nèi)置電池可連續(xù)使用10小時，更適合進行戶外健康檢測活動。6）、AZN-E21脈搏功能檢測儀主要功能特點：（1）可定量檢測出人體的血管彈性、脈搏、微循環(huán)狀況等方面的重要參數(shù)，顯示每項參數(shù)的實際測量值、正常值范圍并給出超標提示。（2）實時顯示脈搏波形，準確觀察心臟早搏、心律不齊等現(xiàn)象。對可能患有冠心病、高血脂、微循環(huán)障礙等病變的患者可及早給出提示。（3）強大的數(shù)據(jù)庫管理功能。（4）是國內(nèi)唯一采用USB接口的心血管功能檢測儀。一線連接，支持熱插拔，簡單方便，性能穩(wěn)定。尤其適用于新型臺式機和筆記本電腦。7）、PolarS610型脈搏測試儀PolarS610型脈搏測試儀是目前較為先進的綜合測試以及記錄心率變化的儀器。本設備除了具有其他脈搏測試表的實時監(jiān)控，記錄并且分析歷史數(shù)據(jù)，形成歷史數(shù)據(jù)曲線的功能外，還具有大容量，通過紅外端口與電腦相連接傳輸數(shù)據(jù)的功能。它超大的測試容量可以同時記錄多大500個測試者1年的測試數(shù)據(jù)，并且準確度保持在萬分之一秒。本設備可用于體育運動員運動過程中脈搏變化的測試，職業(yè)勞動強度的測試，在應急情況下人心理變化能力的測試。立足于數(shù)字脈搏儀市場發(fā)展現(xiàn)狀分析，通過對數(shù)字脈搏儀行業(yè)環(huán)境、數(shù)字脈搏儀產(chǎn)業(yè)鏈、數(shù)字脈搏儀市場供需、數(shù)字脈搏儀價格、數(shù)字脈搏儀生產(chǎn)企業(yè)的詳盡分析，本文設計的數(shù)字人體脈搏檢測儀利用壓電傳感器接收脈搏跳動信號，再將其轉化為電信號，最終通過數(shù)碼管顯示數(shù)字。它可以在人體的手、腕、臂等部位均能準確測量出脈搏次數(shù)，并且能嚴格控制檢測時間，準確顯示脈搏跳動次數(shù)根據(jù)這點要求來擬定該數(shù)字脈搏檢測儀的設計要求及其設計方案。體積可做得很小，使用時一按工作按鈕，儀器則可工作計數(shù)，一分鐘后自動停止，并將數(shù)據(jù)保持下來，使用方便，數(shù)字顯示準確直觀。

2設計要求和設計方案2．1設計要求脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號（傳感器輸出電壓一般約為幾個毫伏時）。其設計要求為：1）實現(xiàn)在30～60內(nèi)秒測量1分鐘的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。成年人脈搏數(shù)為60～80次/min，青少年為90～100次/min,老人為100～150次/min.。2）用傳感器將脈搏的跳動轉換為電壓信號，并加以放大整形和濾波。3）測試誤差不小于2次/min。4）要求完成的任務：設計電路，在時間允許的情況下要安裝測試，分析實驗結果，寫出設計說明書。2．2設計方案脈搏計的上述功能要求，可采用兩個不同的方案來實現(xiàn)：1）把脈搏信號轉換為電信號，在單位時間內(nèi)進行記數(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）測量脈搏跳動固定次數(shù)所需的時間，然后換算為每分鐘的脈搏數(shù)。這兩種方案比較起來，第一種比較直觀，所需要的電路結構更簡單些；第二種方法的測量誤差比較小，但實現(xiàn)起來電路要復雜些。為了使脈搏計輕巧而便宜，通常采用第一種方案。以下進行的設計就是基于第一方案。2.3工作原理本設計使用傳感器將拾取的脈搏跳動信號轉換成電信號，經(jīng)信號放大電路進行放大后，送到計數(shù)顯示電路。計時電路進行計時，一分鐘到了，計數(shù)器停止計時，這時數(shù)碼管顯示的就是一分鐘內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)。數(shù)字脈搏檢測儀的原理方框圖如下所示：圖1數(shù)字脈搏檢測儀的設計原理方框圖由其原理方框圖我們可以畫出該脈搏檢測儀的工作原理電路圖。（見附錄）數(shù)字脈搏測試儀電中的壓電陶瓷片HTD-27將拾取的脈搏跳動信號轉換成電信號，經(jīng)CD4011B組成的四級線性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511B組成的計數(shù)顯示電路。CD4553內(nèi)部輸入端設置了脈沖整形電路，所以對脈沖沿無甚特殊要求。它只有一組BCD碼輸出，但通過內(nèi)部分時控制可形成三位十進制數(shù)字顯示。CD4511B是譯碼器，其輸出驅動三位LED共陰數(shù)碼管。BG1、BG2、BG3分別由CD4553的15、1、2腳控制實現(xiàn)三位數(shù)碼管的分時顯示。CD4060組成計數(shù)閘門設定電路，R5、R6、C6與其內(nèi)部電路組成振蕩器，振蕩器信號經(jīng)內(nèi)部213次分頻后，由2腳輸出延時60秒的正脈沖加到CD4553的11腳關閉閘門。使用時，用手表帶或松緊帶將壓電陶瓷片壓在手腕的撓動脈處，注意一定要壓緊。在合上開關K1后即按一下復位開關K2，使CD4060和CD4553清零，這時計數(shù)閘門打開，脈搏信號由CD4553進行計數(shù)。1分鐘后，CD4060輸出一高電平，使計數(shù)閘門關閉。這時數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為每分鐘的脈搏數(shù)。

3數(shù)字脈搏檢測儀各模塊的工作原理3．1傳感器模塊3.1.1傳感器概述傳感器(Sensor/Transducer)是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置[4]。（1）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。（2）它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，通常主要是電量。（3）輸入輸出的轉換規(guī)律（關系）已知，轉換精度要滿足測控系統(tǒng)的應用要求。傳感器一般是由敏感元件、變換元件、信號調(diào)理電路三部分組成的，有時還需外加輔助電源提供轉換能量。在機械量（如力、壓力、位移、速度等）測量中，常采用彈性元件作為敏感元件。這種彈性元件也叫彈性敏感元件或測量敏感元件，它可以把被測量由一種物理狀態(tài)變換為所需要的另一種物理狀態(tài)。圖中的敏感元件直接感受被測量（一般為非電量）并將其轉換為易于轉換成電量的其他物理量；再經(jīng)變換元件轉換成電參量（電壓、電流、電阻、電感、電容等）；最后信號調(diào)理電路將這一電參量轉換成易于進一步傳輸和處理的形式，即電信號。至此，傳感器就完成了它應有的功能。傳感器選擇的一般原則為：（1）根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型（2）靈敏度的選擇（3）頻率響應特性（4）線性范圍（5）穩(wěn)定性（6）精度傳感器可以將脈搏信號轉換成易于采集的電信號，其工作原理電路圖為：圖2整形模塊電路原理圖圖中的壓電陶瓷片HTD-27屬于壓電傳感器的一種。傳感器是一種以測量為目的，以一定精度把被測量轉換為與之有確定關系的、易于處理的電量信號輸出的裝置。目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當這些晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時，在其相對的兩個側面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應”。壓電效應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)測量，只能夠測量動態(tài)的應力。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中。3.1.2芯片CD4011CD4011也稱為MC14011B，是2輸入正向邏輯與非門。它是一個四與非門集成電路，內(nèi)部含4個獨立的與非門,如下圖3所示：圖3CD4011結構圖有圖知：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”；芯片CD4011引腳功能圖如圖4：圖4CD4011引腳圖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；13腳：第四組數(shù)據(jù)輸入端；14腳：正電源。CD4011實現(xiàn)功能的真值表1.如下表所示：表1CD4011真值表ABJ=001011101110同理，對于C、D和E、F以及G、H也同上工作原理。3.2信號放大模塊3.2.1放大器概述放大器：把微弱的電信號放大為較強電信號的電路?；咎卣魇枪β史糯骩1]。能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。每一類放大器都具有一定的放大器的放大倍數(shù)。圖5放大器的工作電路放大器的框圖如圖5所示。左邊是輸入端，外接信號源，vi、ii分別為輸入電壓和輸入電流；右邊是輸出端，外接負載，vo、io分別為輸出電壓和輸出電流。1、放大倍數(shù)的分類電壓放大倍數(shù)Av=Vo/Vi(3.2.1)電流放大倍數(shù)Ai=Io/Ii(3.2.2)功率放大倍數(shù)Ap=Po/Pi(3.2.3三者關系為Ap=Po/Pi=IoVo/IiVi=AiAv(3.2.42、放大器的增益增益G：用對數(shù)表示放大倍數(shù)。單位為分貝(dB)。功率增益Gp=10lgAP(dB)(3.2.5電壓增益Gv=20lgAv(dB)(3.2.6電流增益Gi=20lgAi(dB)(3.2.7增益為正值時，電路是放大器，增益為負值時，電路是衰減器。例如，放大器的電壓增益為20dB，則表示信號電壓放大了10倍。又如，放大器的電壓增益為-20dB，這表示信號電壓衰減到1/10，即放大倍數(shù)為0.1。3.2.2放大器的工作電路1、電路組成圖6單電源供電電路圖7雙電源供電電路圖是一個單管共發(fā)射極（以下簡稱單管共射）放大電路的原理電路圖。電路中有一個雙極型三極管作為放大器件，因此是單管放大電路。由圖可見，輸入回路與輸出回路的公共端是三極管的發(fā)射極，所以稱為單管共射放大電路[6]。在電路中，NPN型三極管擔負著放大作用，是放大電路的核心。Vi是集電極直流電源，為輸入信號提供能量。RC是集電極負載電阻，集是極電流iC通過Rc，從而將電流的變化轉換為集電極電壓的變化，然后傳送到放大電路的輸出端?；鶚O直流電源VBB和基極電阻Rb的作用是，一方面為三極管的發(fā)射結提供正抽偏置電壓；同時，二者共同決定了當不加輸入電壓時三極管基極回路的電流，這個電流稱為靜態(tài)基流。在以后的分析中將會看到，靜態(tài)基流的大小對放大作用的優(yōu)劣，以及放大電路的其他性能有著密切的關系。

在單管共射放大電路中，僅僅具備上述各個組成部分還不足以保證電路很好地起放大作用。為了使三極管工作在放大區(qū)，還必須使發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置，為此，Vi，RC、VB和Rb等元件的參數(shù)應與電路中三極管的輸入、輸出特性有適當?shù)呐浜详P系。2、元件作用Vb——基極電源。通過偏置電阻Rb，保證發(fā)射結正偏。Vi——集電極電源。通過集電極電阻RC，保證集電結反偏。Rb——偏置電阻。保證由基極電源GB向基極提供一個合適的基極電流。RC——集電極電阻。將三極管集電極電流的變化轉換為集電極電壓的變化。C1、C2——耦合電容。防止信號源以及負載對放大器直流狀態(tài)的影響；同時保證交流信號順利地傳輸。即“隔直通交”。在此設計電路中我們采用單電源供電電路（如圖6）3、電路中電壓和電流符號寫法的規(guī)定1）．直流分量：用大寫字母和大寫下標的符號，如IB表示基極的直流電流。2）．交流分量瞬時值：用小寫字母和小寫下標的符號，如ib表示基極的交流電流。3）．總量瞬時值：是直流分量和交流分量之和，用小寫字母和大寫下標的符號，如iB/ib，即表示基極電流的總瞬時值。4、放大器的偏置電路對于脈搏檢測的放大電路，我們采用分壓式穩(wěn)定工作點偏置電路，電路如圖8所示。電路特點是靜態(tài)工作點比較穩(wěn)定。圖8分壓式穩(wěn)定工作點偏置電路1）元件作用Rb1：上偏置電阻，Rb2：下偏置電阻，Rb3：發(fā)射極電阻，Rb4：發(fā)射極旁路電容。2）工作原理基極電壓VBQ由Rb1和Rb2分壓后得到，即VBQ=Rb2﹡VG/(Rb1+Rb2)固定。當環(huán)境溫度上升時，引起ICQ增加，導致IEQ的增加，使VEQ=IEQ﹡Re增大。由于VBEQ=VBD-VEQ，使得VBEQ減小，于是基極偏流IAQ減小,使集電極電流的增加受到限制，從而達到穩(wěn)定靜態(tài)工作點的目的。3.3譯碼／驅動模塊譯碼器是一種具有“翻譯”功能的邏輯路，這種電路能將輸入二進制代碼的各種狀態(tài)，按照其原意翻譯成對應的輸出信號。ICQ說多諧振蕩器和計數(shù)器是這個設計的核心部分,那么這個譯碼器就是擔當著一座橋梁,因為通過譯碼器譯碼后,才能在LED數(shù)碼管看到數(shù)據(jù)。圖9CD4511B的引腳分布圖上圖為CD4511B這塊芯片的引腳分布圖，它是一個BCD七段鎖存譯碼器/驅動器[5]。通過讀取計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)再通過BCD碼轉換,再將轉換好的數(shù)據(jù)通過LED數(shù)碼管顯示出來。本套設計最后能否成功，就是通過這個芯片能否順利譯碼傳輸顯示出來。表2CD4511真值表DCBAabcdefgDISPLAYXX0XXXX11111118X01XXXX0000000Blank01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101101011111601101111110000701110001111111801110011111011901110100000000Blank01110110000000Blank01111000000000Blank01111010000000Blank01111100000000Blank01111110000000Blank111XXXX表2是CD4511B的真值表[2]。從表中可見：當LE非、BI非、LT非分別為0、1、1時候，若DCBA為0000，這時a、b、c、d、e、f、g分別為1、1、1、1、1、1、0，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字0。同樣，若DCBA為0001，這時a、b、c、d、e、f、g分別為0、1、1、0、0、0、0，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字1。若DCBA為0010，這時a、b、c、d、e、f、g分別為1、1、0、1、1、0、1，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字2。若DCBA為0011，這時a、b、c、d、e、f、g分別為1、1、1、1、0、0、1，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字3。若DCBA為0100，這時a、b、c、d、e、f、g分別為0、1、1、0、0、1、1，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字4。若DCBA為0101，這時a、b、c、d、e、f、g分別為1、0、1、1、0、1、1，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字5若DCBA為0110，這時a、b、c、d、e、f、g分別為0、0、1、1、1、1、1，經(jīng)過啟動器后顯示的是數(shù)字6。0、0、0、0，其余與此相同。CD4518B與CD4511B之間的數(shù)據(jù)轉換就是通過8421BCD碼來傳輸?shù)摹?421BCD碼是十位二進制碼,也就是將十進制的數(shù)字轉化為二進制,但是和普通的轉化不同,每一個十進制的數(shù)字0～9都對應著一個四位的二進制碼,對應關系如下表：表38421BCD轉換十進制數(shù)字8421BCD碼100012001030011401005010160110701118100091001即：十進制0對應二進制0000,1對應二進制0001,2對應二進制0010……9對應二進制1001接下來10就有兩個上述的碼來表示10表示為00010000也就是BCD碼。遇見1001就會產(chǎn)生進位,不象普通的二進制碼,到1111才產(chǎn)生進位10000。3.4計時模塊我們每次測量脈搏時間為1分鐘，要完成這一精確測量，就需要用到定時器。測量開始，計時器就開始計時，一分鐘到時，測量完成，此時，脈搏跳動次數(shù)就會通過顯示屏顯示，至此，完成一次測量過程。本文中計時器中我們選用到的芯片是CD4060[7]。它由兩部分構成：一部分電路是14級分頻器，其分頻系數(shù)為16～16384（由Q4～Q14輸出）。另一部分電路振蕩器，可有外接電阻和電容構成RC振蕩器。下面介紹芯片CD4060（圖10）各引腳的功能：1腳：計數(shù)器輸出端2腳：計數(shù)器輸出端；3腳：計數(shù)器輸出端4腳：計數(shù)器輸出端；5腳：計數(shù)器輸出端6腳：計數(shù)器輸出端7腳：計數(shù)器輸出端8腳：接地9腳：時鐘輸出端10腳：反相時鐘輸出端11腳：時鐘輸入端12腳：計數(shù)器輸出端13腳：計數(shù)器輸出端14腳：計數(shù)器輸出端15腳：計數(shù)器輸出端16腳：電源圖10CD406012腳為高電平時。計數(shù)清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器在9腳和11腳的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。其頻率f=1/2.2HZ。芯片CD4060是14位二進制串行計數(shù)/分頻和振蕩器在本設計中，其主要功能是一分鐘計時。3、4腳外接定時電容，起定時作用[8]。圖11CD4060接線方法打開電源K1按下復位按鈕K2，CD4060的12腳有高電平變成低電平，電路開始工作，CD4060開始計時，CD4553的13腳由高電平轉為低電平，CD4553的11腳（時鐘輸入控制端），當11腳為低電平時，允許時鐘脈沖輸入，為高電平時，禁止時鐘脈沖輸入。則CD4060將信息由2腳送入CD4553。超過一分鐘后，CD4060的12腳由低電平轉變?yōu)楦唠娖?，計?shù)清零且振蕩器使用無效，CD4060停止計時。2腳也停止對CD4553的信息輸入。同時CD4553的13腳也復位。CD4553的11腳也變?yōu)楦唠娖?，不允許時鐘脈沖輸入。測試儀停止工作。3.5計數(shù)模塊計數(shù)模塊是用來計算每分鐘脈搏跳動次數(shù)的。本文中我們采用CD4553計數(shù)器，此芯片是3位十進制計數(shù)器，但只有1個輸出端，要完成3位輸出，采用掃描輸出方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制3位十進制的輸出，從而實現(xiàn)掃描顯示方式。CD4553計數(shù)器只有一組三位BCD碼輸出，通過分時控制可形成三位十進制數(shù)字顯示。采用16腳雙列直插式封裝。CD4553電路由三個同步級連的下降沿觸發(fā)的BCD計數(shù)器（個位、十位、百位）、三個鎖存器、分配鎖存器數(shù)據(jù)的多路轉換器、輸入整形電路、時序掃描電路及振蕩電路等部分組成。如下圖12所示，芯片CD4553的功能：圖12CD4553的引腳功能圖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；11腳：時鐘輸入控制端；12腳：時鐘輸入端；13腳：復位端；14腳：數(shù)據(jù)溢出端；15腳：數(shù)據(jù)選擇輸出端；16腳：電源。其計數(shù)情況只有兩種：一種是在RESET、DISBALE、LE為低電平，這時如果在CLOCK端子輸入計數(shù)脈沖，在脈沖的下降沿到來時，芯片的輸出將作加法計數(shù)。第二種情況是在RESET、LE為低電平，CLOCK為高電平時，這時如果在DISABLE端子輸入計數(shù)脈沖，在脈沖的上升沿到來時，芯片的輸出將作加法計數(shù)。此外，計數(shù)器鎖存數(shù)據(jù)也有兩種情況：一種是RESET為低電平時，這時如果LE端子有上升沿，此時計數(shù)器將把所計數(shù)鎖存起來。另外一種是RESET為低電平時，如果LE為高電平，此時計數(shù)器將把數(shù)據(jù)鎖存起來。圖13計數(shù)器的掃描周期從圖13可以看出，當掃描振蕩器的掃描頻率一定時（掃描頻率的改變可以通過變外接電容值的大?。?，個位、十位、百位掃描周期分時段顯示。前面介紹過，CD4553是BCD—7段鎖存譯碼驅動器,分時控制可形成三位十進制數(shù)字顯示。三個同步級連的下降沿觸發(fā)的BCD計數(shù)器（個位、十位、百位）、三個鎖存器,由1,2和15腳數(shù)據(jù)選擇輸出端控制。即作為分時輸出同步控制信號端，從而形成動態(tài)顯示方式，低電平有效。在任一時刻，1，2，15腳只有一個是低電平，并作周期循環(huán)，形成一個三位時序信號。三腳分別外接BG1、BG2、BG3三個PNP三極管。通過三極管的放大，分時控制數(shù)碼管。由于CD4553內(nèi)部有整形電路。壓電陶瓷式傳感器在CD4011與電阻、電容的配合下，將凌亂的信號輸入CD4553整形。13腳復位端與CD4060進行一分鐘限時計數(shù)。3、4腳外接定時電容。作芯片內(nèi)部掃描振蕩器的內(nèi)部時鐘。CD4553的9、7、6、5腳為BCD碼輸出端。通過這四個管腳將數(shù)據(jù)輸入CD4511。以求達到顯示的目的。下圖14為CD4553計數(shù)器在該脈搏檢測儀電路中的連狀態(tài)：圖14CD4553計數(shù)器的連接電路

3.6顯示模塊3.6.1顯示器概述在本電路設計中，我們所采用的三位LED數(shù)碼管是七段共陰數(shù)碼管[3]。數(shù)碼管共有十個管腳(如圖所示)。由于不同廠家生產(chǎn),各管腳功能可能有所不同。圖15顯示器外形圖圖16數(shù)碼管引腳圖3.6.2工作電路在數(shù)字脈搏測試儀電路中，顯示模塊應與芯片CD4511芯片相連接，它包括片選三極管和數(shù)碼管。CD4511中的a,b,c,d,e,f,g七個管腳分別與數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g七個管腳相接，將CD4553傳遞給CD4511的數(shù)據(jù)輸送給數(shù)碼管顯示。三個數(shù)碼管分別與CD4553的1腳，2腳，15腳相連。三個數(shù)碼管一次只導通一個管腳已實現(xiàn)片選，使得其中一個數(shù)碼管有顯示。高電平（即1）時，數(shù)碼管無顯示；低電平（即0）時，數(shù)碼管顯示。也就是說，三個數(shù)碼管同時只有一個低電平輸入，兩個高電平輸入，同一時間只有一個是亮的，由于它們的變化速度很快，肉眼無法識別，故看似同時顯示。顯示器在脈搏檢測電路中的連接方式如圖17所示：圖17顯示電路圖3.6.3LED數(shù)碼管的工作原理及工作方式在本次設計中，我們所用的三極管是塑料封裝9012PNP型，三極管是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。在小型控制裝置和數(shù)字化儀器儀表中，往往只要幾個簡單的數(shù)字顯示或字符狀態(tài)便可滿足現(xiàn)場的需求，而顯示數(shù)碼的LED因其成本低廉、配置靈活，與計算機接口方便等特點在小型微機控制系統(tǒng)中得到極為廣泛的應用。一個8段LED顯示器的結構與工作原理如圖16所示。它是由8個發(fā)光二管組成，各段依次記為a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp位表示小數(shù)點（不帶小數(shù)點的稱為7段LED）。8段LED顯示器分為共陽極和共陰極兩種結構，分別如下圖18、19兩圖所示[12]：圖18共陽極電路圖圖19共陰極電路圖共陰極LED的所有發(fā)光管的陰極并接成公共端COM，而共陽極LED的所有發(fā)光管的陽極并接成公共端COM。當共陰極LED的COM端接地，則某個發(fā)光二極管的陽極加上高電平時，則該管有電流流過因而點亮發(fā)光；當共陽極LED的COM端接高電平，則某個發(fā)光管的陰極加上低電平時，則該管有電流流過因而點亮發(fā)光。8段LED通過不同段點亮時的組合，可以顯示0～9、A～F等十六進制數(shù)。顯然，將單片機的數(shù)據(jù)輸出口與LED各段引腳相連，控制輸出的數(shù)據(jù)就可以使LED顯示不同的字符。3.6.4LED數(shù)碼管的顯示方式及安全性問題數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示，就是顯示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，直到下次顯示數(shù)據(jù)需要更新時再傳送一次新數(shù)據(jù)。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8＝40根I/O端口來驅動，要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個，實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。動態(tài)顯示，則要求對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，使顯示數(shù)據(jù)有閃爍感。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。由于，本電路設計的是測試一分鐘內(nèi)脈搏跳動的測試，因此，此脈搏檢測儀的顯示電路采用的是動態(tài)顯示。LED的安全性問題即它的壽命問題，保證其壽命既保證了整個電路的壽命，所以應著重考慮。由于發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大，并且還與溫度有關，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當溫度變化時驅動芯片還要能夠自動調(diào)節(jié)輸出電流的大小以實現(xiàn)色差平衡溫度補償。即使是短時間的電流過載也可能對發(fā)光管造成永久性的損壞，采用恒流驅動電路后可防止由于電流故障所引起的數(shù)碼管的大面積損壞。另外，我們所采用的超大規(guī)模集成電路還具有級聯(lián)延時