数显式脉搏测试仪课程设计与制作

数显式脉搏测试仪课程设计与制作

专业:电子信息工程学号：200602004025 姓名：谢业辉

一、课程设计的目的

为更好的运用所学的知识，加深对电子电路的掌握，达到创新的目的。通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作电路

二、设计要求及技术指标

脉搏测试仪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。它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）。

要求：

1、实现在30~60内秒测量1分钟的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60~80次/min，小孩为90~100次/min,老人为100~150次/min.。

2、用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大整形和滤波。

3、测试误差不小于2次/min。

4、要求完成的任务：设计电路，在时间允许的情况下要安装测试，分析实验结果，写出设计说明书。

三、总体设计方案

脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：

1 把转换的为电信号的脉搏信号，在单位时间内进行记数，并用数字显示其记数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。

2 测量脉搏跳动固定次数所需的时间，然后换算为每分钟的脉搏数。

这两种方案比较起来，第一种比较直观，所需要的电路结构更简单些；第二种方法的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。以下进行的设计就基于第一方案。

四、搏计组成方框图

方框图中各部分的作用是：

（1）传感器：将脉搏转换为相应的电脉冲信号；

（2）放大电路：对微小电脉冲信号进行放大；

（3）记时基产生电路：产生固定时间的控制信号，作为计数器的门控信号，使计数器只有在此期间才进行记数。

（4）计数，译码，显示电路。在门控信号作用期间，对电脉冲信号进行计数，并经显示译码器译码，再由数码管显示其数值。

（5）心率监测电路

40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。

图1

555 无稳电路

无稳电路有2 个暂稳态，它不需要外触发就能自动从一种暂稳态翻转到另一种暂稳态，它的输出是一串矩形脉冲，所以它又称为自激多谐振荡器或脉冲振荡器。555 的无稳电路有多种，这里介绍常用的3 种。

（1 ）直接反馈型555 无稳

利用555 施密特触发器的回滞特性，在它的输入端接电容C ，再在输出V 0 与输入之间接一个反馈电阻R f ，就能组成直接反馈型多谐振荡器，见图7 （ a ）。用等效触发器替代555 电路后可画成图7 （ b ）。现在来看看它的振荡工作原理：

图7

在刚接通电源时，C 上电压为零，输出V 0 =1 。通电后电源经内部电阻、V 0 端、R f 向C 充电，当 C 上电压升到＞2 /3 V DD 时，触发器翻转V 0 =0 ，于是C 上电荷通过R f 和V 0 放电入地。当C 上电压降到＜1 /3 V DD 时，触发器又翻转成V 0 =1 。电源又向C 充电，不断重复上述过程。由于施密特触发器有 2 个不同的阀值电压，因此C 就在这 2 个阀值电压之间交替地充电和放电，输出得到的是一串连续的矩形脉冲，见图7 （c ）。脉冲频率约为f=0.722 ／R f C 。

（2 ）间接反馈型无稳

另一路多谐振荡器是把反馈电阻接在放电端和电源上，如图8 （ a ），这样做使振荡电路和输出电路分开，可以使负载能力加大，频率更稳定。这是目前使用最多的555 振荡电路。这个电路在刚通电时，V 0 =1 ，DIS 端开路，C 的充电路径是：电源→R A →DIS→R B →C ，当C 上电压上升到＞2 /3 V DD 时，V 0 =1 ，DIS 端接地，C 放电，C 放电的路径是：C→R B →DIS→ 地。可以看到充电和放电时间常数不等，输出不是方波。t 1 =0.693 （R A ＋B B ）C 、t 2 =0.693R B C ，脉冲频率f=1.443 ／（R A ＋2R ）C

（3 ）555 方波振荡电路

要想得到方波输出，可以用图9 的电路。它是在图8 的电路基础上在R B 两端并联一个二极管VD 组成的。当R A =R B 时，C 的充放电时间常数相等，输出就得到方波。方波的频率为f=0.722 ／R A C （R A =R B ）

在这个电路的基础上，在R A 和R B 回路内增加电位器以及采用串联或并联二极管的方法可以得到占空比可调的脉冲振荡电路。

555 脉冲振荡电路常被用作交流信号源，它的振荡频率范围大致在零点几赫到几兆赫之间。因为电路简单可靠，所以使用极广。

只要按上述步骤细心分析核对，一定能很快地识别555 电路的类别和了解它的工作原理。下面的问题就比较好办了，例如定时时间、振荡频率等都可以按给出的公式进行估算。

CD4011

用门电路组成的多谐振荡器(包括由反相器、与非门和或非门)在各种电子电路中几乎都能见到，它们最主要的用途是用来作时钟脉冲发生器，用来驱动计数器或脉冲分配器，使电路的各组成部分能够按照所设定的工作程序有条不紊地工作。用与非门和或非门组成的多谐振荡器如图所示。

CD4011是四-2输入与非门集成电路。逻辑电路的输入端呈现高输入阻抗特性，门电路本身对于超过【阈值】的输入信号具有类似极大放大倍数的【限幅放大器】，

输入端在【悬空】状态下很容易接收附近的电磁干扰，这个干扰被放大并造成输出端无规律地【翻转】。

CD4011管脚图及外形：

六、硬件电路设计

1数电路的选型及外围电路设计

选用cd40110及对其介绍：

CD40110能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED 数码管，其逻辑功能见表1，其引脚排列如图1（a）所示。

40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别用作加计数时钟输入和减计数时

钟输入。由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工

作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。

40110的进位输出CO和借位输出BO一般为高电平，当计数器从0～9时，

BO输出负脉冲；从9～0时CO输出负脉冲。在多片级联时，只需要将CO和BO

分别接至下级40110的CPU和CPD端，就可组成多位计数器。

引出端符号：BO 借位输出端；CO 进位输出端；CPD 减计数器时钟输入端；CPU 加计数器时钟输入端；CR 清除端/；CT 计数允许端；/LE 锁存器预置端推荐工作条件：电源电压范围…………3V～18V ；输入电压范围…………0V～VDD

工作温度范围：M类：－55℃～125℃；E类.－40℃～85℃

极限值：电源电压.－0.5V～18V ；输入电压－0.5V~VDD+0.5V ；输入电流.±10mA；储存稳定－65℃～150℃

R（5脚）为清零端，R＝1时，计数器异步清零。CP为时钟端，CPu（9脚）为加法计数时钟，CPD（7脚）为减法计数时钟。Qco（10脚）加计数进位输出，QBO（11脚）减计数借位输出。TB（4脚）为触发器使能端，TE＝0时，计数器工作，TE＝1时，计数器处于禁止状态，即不计数。LE（6脚）为锁存控制端，LE＝1，显示数据保持不变，但它的内部计数器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g（1，15，14，13，12，3，2脚）为信号输出端，与七段显示器连接。

表1 CD4O110逻辑功能表

2、LED八段数码显示管：

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。（实物参照图片）

【数码管的分类】

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

[数码管的驱动方式]

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

②动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点

亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳?

找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED 会发光的找到一个就够了，，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。

1）、内部结构：常见数码管的内部结构大体分为两类，一是共阴极，二是共阳极。共阴就是将数码管内部SEL521，如图2a、b、c、d所示。四例均为共阴极接法。10脚的数码管管脚分为上下排列和左右排列两种，14脚为左右排列。16、18脚的为两位数码管，常见型号有：TR32151、2BS2461A，如图3a、b所示。两例为共阳极接法，管脚为上下排列。

2）、测试：同测试普通半导体二极管一样。注意!万用表应放在R×10K档，因为R×1K档测不出数码管的正反向电阻值。对于共阴极的数码管，红表笔接数码管的“-”，黑表笔分别接其他各脚。测共阳极的数码管时，黑表笔接数码管的vDD，红表笔接其他各脚。另一种测试法，用两节一号电池串联，对于共阴极的数码管，电池的负极接数码管的“-”，电池的正极分别接其他各脚。对于共阳极的数码管，电池的正极接数码管的VDD，电池的负极分别接其他各脚，看各段是否点亮。对于不明型号不知管脚排列的数码管，用第一种方法找到共用点，用第二种方法测试出各笔段a-g、Dp、H等。数码管管脚图，可以忽略型号，基本通用。0.5

寸单联共阴高亮红色数码管。

备注：第一脚的识别很简单，看管脚的底部，有一个方块型的就是第一脚。或者正面（就是显示那面）超你，左下角第一个为第一脚。

2 、显示电路的设计

1）动态显示简介

本设计采用动态显示方式。LED数码管的所有段码连接在同一个8位的I/O口线上,每一个LED数码管的位码则单独使用一个I/O口，如图2.3示。这样N位动态显示LED数码管只需占用6+N位I/O口线。此电路的突出特点是占用较少硬件资源(I/O),功耗相对于静态显示来将大大减低,需占用系统的软件资源。

2）LED动态显示的原理

首先向LED显示器段码数据口发送第一个8位数据,向位码数据口发送第一个位码数据,此时由于只有P0.7为高电平,因此只有第1个数码管显示该数码。延时一段时间后可以发送第二个数据,同样应使其对应的位码为高电平且保证其它位为低电平。依此类推对各显示器进行扫描,显示器分时轮流工作。虽然每次只有一个显示器显示,但由于人的视觉暂留现象我们仍会感觉所有的显示器都在同时显示。由于单片机的驱动能力比较弱，不能直接驱动数码管，因此，要加上驱动电路，如下图所示：

电路原理图

七、工作原理

压电陶瓷片HTD作为脉搏传感器，将它贴在人身测试部位时，便把人体的脉搏信号转换为电信号，由于该电信号很微弱，故由与非门IC1－1，R1，C1组成的线性放大器进行放大，放大的信号再由与非门IC1-2进行整形，然后送人IC3，IC4 CD40110进行计数，IC3，IC4与数码管共同组成两位加法计数显示电路，IC3、IC4的TB（4脚）为低电平时，允许计数

脉冲输人，当TB为高电平时，计数器被禁止，不能计数。由IC2 555集成定时器、C2、R2成定时电路，其输出端（3脚）与IC3，IC4的TE（4脚）相连接。平时，IC2的输出为高电平，使IC3，IC4计数禁止；当按下S2时，IC2的输出变为低电平，C2经R2充电，定时开始。与此同时，IC3，IC4允许开始计数脉冲进入，60秒后，IC2的输出又变为高电平，使计数器停止计数，此时，数码管显示的计数结果即为一分钟内脉搏跳动的次数。C4，R3组成清零电路，用来保证在电源接通瞬间，IC3，IC4自动复位清零。

八、元件安装步骤：

1）、电阻器→晶体二极管→晶振→电容器→DIP底座→数码管→晶体三极管→电解电容器→按钮→蜂鸣器→发光二极管→电源插座→将单片机插入底座

2 ）、实物制作过程

1. 根据我们的程序画出电路图，查找有关资料看我们所需元件是类型及作用原理；

2. 根据我们的电路图向老师提交到我们所需的元件；

3. 根据元件的封装来画电路图的PCB图；

4. 根据所做的PCB图确定电路板的大小，把PCB图压制到镀铜板上；热转印好后放到腐蚀液里进行腐蚀；

5.把腐蚀好的板洗干净进行钻孔，完成后把元件依次安装到板上；

6. 焊上元件；（电阻器→晶体二极管→晶振→电容器→DIP底座→数码管→晶体三极管→电解电容器→按钮→蜂鸣器→发光二极管→电源插座→将单片机插入底座）

7. 进行实物调试。

九、调试说明:

1、把压电陶器片放到脉搏上，借以检测硬件是否有连线错误，是否有断路和虚焊。结果发现有两个数码管不能显示。断开电源，仔细检查线路，发现那两个数码管的位选端有断线现象。用电烙铁将其焊接好，通电再次检查，显示一切正常，显示电路检查完毕。

2、进行总体调试：将程序烧写到单片机内，通电试机，发现时间走时很慢，大约8秒钟秒单元才加一。断定是1秒定时程序出错。经检查修改程序后，重新测试，再次通电试机，1秒计时正常工作。接下来检查调时功能，分别按下各功能键，观看数码管的显示结果，当在调整时钟的分单元时，发现当减到59时就又变成调整小时单元了。再次检查程序，在调时程序里有跳转错误的地方，更正后再次测试，通电检查调时功能，所有调时功能都实现了。最后就是测试。

十、心得与体会

1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。这个方案总共使用了两个， 40110，555无稳电路等。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，呵呵，开始的时候我们就是做其他的，但是在画电路图的时候，我们还是换了一个就是现在的这个。我在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。查阅了很多有关的资料，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。在制作PCB时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。第一次我做版的时候没有注意线的宽度还有焊点的宽度，要不

在焊接零件的时候很难操作。经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。当时心情不是很好，但是我还是顶住了很大的压力，做好了课程设计！生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里3年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

学生：谢业辉2009-1-16

附录

1、元件清单

2、总电路图

广西工学院

数字电路课程设计

数显式脉搏测试仪

班级：电子Z061

学号：200602004025 姓名：谢业辉

指导老师：柯宝中

2009年1月16日