电子脉搏计的设计

电子脉搏计的设计

目录

1 设计要求 (2)

2 设计方案 (2)

3 电子脉搏测试仪原理方框图 (2)

4 数字脉搏测试仪工作原理 (3)

5 芯片资料 (3)

5.1 芯片CD4011 (3)

5.2 芯片CD4553 (4)

5.3 芯片CD4060 (5)

5.4 芯片CD4551 (6)

5.5 数码管 (8)

6 数字脉搏测试仪原理及应用 (8)

6.1 显示模块 (9)

6.2 整形模块 (10)

6.3 计时模块 (10)

6.4 计数模块 (11)

7 设计过程中遇到的问题及其解决方法 (11)

8 电路原理图总图 (12)

9 参考文献 (12)

1 设计要求

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）。再将信号放大通过显示屏显示出来。 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 ，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。

2 设计方案

根据脉搏计的功能，我采用了一种比较简单的方案：

1 把脉搏信号转换为电信号，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，这是一种比较直观的方案，所需要的电路结构比较简单。

3 电子脉搏测试仪原理方框图

图1 电子脉搏仪原理方框图

4 数字脉搏测试仪工作原理

本设计使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经信号放大电路进行放大后，送到计数显示电路。计时电路进行计时，一分钟到了，计数器停止计时，这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。

5 芯片资料

5.1芯片 CD4011

CD4011也称为MC14011B，是2输入正向逻辑与非门。它是一个四与非门集成电路，内部含4个独立的与非门。如下图所示，芯片CD4011的功能：

1与2脚“与”后从3脚输出“非”；

5与6脚“与”后从4脚输出“非”；

8与9脚“与”后从10脚输出“非”；

12与13脚“与”后从11脚输出“非”。

图2

在下面，将介绍数字电路芯片CD4011各脚功能（图2）:

1脚：第一组数据输入端；

2脚：第一组数据输入端；

3脚：第一组数据输出端；

4脚: 第二组数据输出端;

5脚：第二组数据输入端；

6脚：第二组数据输入端;

7脚：接地；

8脚: 第三组数据输入端；

9脚：第三组数据输入端；

10脚：第三组数据输出端；

11脚：第四组数据输出端；

12脚：第四组数据输入端；图2

13脚：第四组数据输入端；

14脚：正电源。

CD4011实现功能的真值表如下表所示：

表1

5.2 芯片CD4553

CD4553也称为MC14553b。CD4553计数器只有一组三位BCD码输出，通过分时控制可形成三位十进制数字显示。采用16脚双列直插式封装。CD4553电路由三个同步级连的下降沿触发的 BCD 计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器、分配锁存器数据的多路转换器、输入整形电路、时序扫描电路及振荡电路等部分组成。

如右图所示，芯片CD4553的功能：

1脚：数据选择输出端；

2脚：数据选择输出端；

3脚：外接电容管脚1；

4脚：外接电容管脚2；

5脚：BCD码输出端；

6脚：BCD码输出端；

7脚：BCD码输出端；

8脚：接地；

9脚：BCD码输出端；

10脚：锁存控制器；图3

11脚：时钟输入控制端； 12脚：时钟输入端；

13脚：复位端； 14脚：数据溢出端；

15脚：数据选择输出端； 16脚：电源。

表2 CD4553真值表

从真值表可以看出，计数情况只有两种：一种是在 RESET、DISBALE、LE 为低电平，这时如果在CLOCK端子输入计数脉冲，在脉冲的下降沿到来时，芯片的输出将作加法计数。第二种情况是在RESET、LE为低电平，CLOCK为高电平时，这时如果在DISABLE端子输入计数脉冲，在脉冲的上升沿到来时，芯片的输出将作加法计数。

此外，计数器锁存数据也有两种情况：一种是RESET为低电平时，这时如果LE 端子有上升沿，此时计数器将把计数锁存起来。另外一种是 RESET 为低电平时，如果LE为高电平，此时计数器将把数据锁存起来。

图4

从图4可以看出，当扫描振荡器的扫描频率一定时（扫描频率的改变可以通过改变外接电容值的大小），个位、十位、百位扫描周期分时段显示。

5.3 芯片CD4060

CD4060 是 14 位二进制串行计数/分频和振荡器。它由两部分构成：一部分电路是14级分频器，其分频系数为16~16384（由Q4~Q14输出）。另一部分电路是振荡器，可由外接电阻和电容构成RC振荡器。

下面介绍芯片CD4060（右图）

各引脚的功能：

1脚：计数器输出端；

2脚：计数器输出端；

3脚：计数器输出端；

4脚：计数器输出端；

5脚：计数器输出端；

6脚：计数器输出端；

7脚：计数器输出端；

8脚：接地；

9脚：时钟输出端；

10脚：反相时钟输出端；图5

11脚：时钟输入端；

12脚：计数；

13脚：计数器输出端；

14脚：计数器输出端；

15脚：计数器输出端；

16脚：电源。

图6

图6是CD4060的一种用法，一个RC振荡器，主要起到一个计数一分钟的作用。当一分

钟时间到时，输出高电平。这时，使CD4553中的数据锁存起来。

12 脚为高电平时。计数清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在 9 脚和 11 脚的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。其频率f=1/2。2RT CT。

5.4 芯片CD4511

CD4511B 是一个 BCD-七段锁存译码器/驱动器。说多谐振荡器和计数器是这个设计的核心部分，那么这个译码器就是担当着一座桥梁，因为通过译码器译码后，才能在 LED 数码管看到数据。CD4511B 通过读取计数器内的数据再通过 BCD码转换，再将转换好的数据通过 LED 数码管显示出来。本套设计最后能否成功，就是通过这个芯片能否顺利译码传输显示出来。图6就是CD4511B这块芯片的引脚分布图。

图7

图8

在图 7 中，ABCD 是输入端。输入的数据为 8421BCD 码。输入的 8421BCD 码经过锁存器锁存后再进行解码成符合数码管显示的数据。再经过驱动器驱动数码管，从而最终显示出数据。

表 3 是 CD4511B 的真值表。

从表中可见：当 LE、BI、LT 分别为 0、1、1 时候，若DCBA为0000，这时a、b、c、d、ef、g分别为1、1、1、1、1、1、0。经过启动器后显示的是数字0。同样，若DCBA为0001，

这时a、b、c、d、e、f、g分别为0、1、1、0、0、0、0。经过启动器后显示的是数字1。其余与此相同。

表3

CD4518B与CD4511B之间的数据转换就是通过8421BCD码来传输的。

8421BCD 码是十位二进制码，也就是将十进制的数字转化为二进制，但是和普通的转化有一点不同，每一个十进制的数字 0～9 都对应着一个四位的二进制码，对应关系如下: 十进制0 对应二进制0000， 1对应二进制0001， 2对应二进制0010 …… 9对应二进制1001 接下来10就有两个上述的码来表示10表示为 00010000 也就是 BCD 码。遇见 1001 就会产生进位，不象普通的二进制码，到1111才产生进位10000。

表4

5.5 数码管

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED 数码管。LED数码管也称半导体数码管，它是以发光二极管作笔段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。如图 10、11 所示是两种 LED 数码管的外形与内部结构，＋、－分别表示公共阳极和公共阴极，a～g 是 7 个笔段电极，DP为小数点。在设计中，采用的是共阴极的LED数码管。

图9 数码管结构图图10 共阴极数码管

6数字脉搏测试仪原理及应用

数字脉搏测试仪电原理图如图11所示。压电陶瓷片 HTD-27 将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经CD4011B组成的四级线性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511组成的计数显示电路。CD4553内部输入端设置了脉冲整形电路，所以对脉冲沿无甚特殊要求。它只有一组BCD码输出，但通过内部分时控制可形成三位十进制数字显示。CD4511是译码器，其输出驱动三位LED共阴数码管。BG1、BG2、BG3分别由CD4553的15、1、2脚控制实现三位数码管的分时显示。CD4060组成计数闸门设定电路，R5、R6、C6 与其内部电路组成振荡器，振荡器信号经内部 213 次分频后，由 2 脚输出延时 60 秒的正脉冲加到 CD4553 的 11 脚关闭闸门。

使用时，用手表带或松紧带将压电陶瓷片压在手腕的挠动脉处，注意一定要压紧。在合上开关K1后即按一下复位开关K2，使CD4060和CD4553清零，这时计数闸门打开，脉搏信号由CD4553进行计数。1分钟后，CD4060输出一高电平，使计数闸门关闭。这时数码管显示的数字即为每分钟的脉搏数。

本电路“数字脉搏测试仪”的设计，分成四大模块。1、显示模块；2、整形模块；3、计时模块；4、计数模块。接下来，将详细介绍这四大块的组成及功能。

图11

6.1 显示模块

在数字脉搏测试仪电路中(图12)，显示模块包括芯片CD4511、片选三极管和数码管。CD4511中的 a，b，c，d，e，f，g 七个管脚分别与数码管的 a，b，c，d，e，f，g七个管脚相接，将 CD4553传递给CD4511的数据输送给数码管显示。三个数码管分别与 CD4553 的1 脚，2脚，15 脚相连。三个数码管一次只导通一个管脚已实现片选，使得其中一个数码管有显示。高电平（即1）时，数码管无显示；低电平（即0）时，数码管显示。也就是说，三个数码管同时只有一个低电平输入，两个高电平输入，同一时间只有一个是亮的，由于它们的变化速度很快，肉眼无法识别，故看似同时显示。

显示电路分为静态显示和动态显示（扫描）显示。所谓静态显示，就是现实电路具有输出锁存功能，只要将所要显示的数据送出后就不再管，知道下次显示数据需要更新世再传送一次新数据。动态显示，则要求对显示器件进行数据刷新，使显示数据有闪烁感。由于，本电路设计的是测试一分钟内脉搏的跳动，因此显示电路采用的是动态显示。

在本电路设计中，我们所采用的三位 LED 数码管是七段共阴数码管。数码管共有十个管脚(如图9)。由于不同厂家生产，各管脚功能可能有所不同，左图做示范例子。介于条件所限，我们采用了三个单位数码管，因此，三个数码管的各笔段电极和小数点之间要互相相连。且数码管本身的公共阴极相互连接，每个公共点与其对应的三极管发射极相连。为了不损坏数码管，本次设计使用了 IC 插座，上述的数码管各脚连接，在 IC 插座上实现。数码管只需插入IC插座，即可工作。

在本次设计中，我们所用的三极管是塑料封装 9012 PNP 型，三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。

图12

6.2 整形模块

本数字脉搏测试仪的整形模块，将压电陶瓷片HTD-27置于脉搏处，电源为打开状态，传感器将信号送给 CD4011，通过电阻与电容的搭配，将波形送至CD4553的12脚。由于CD4553内部设置了整形电路。因此，可以将CD4011 送来的信号进行整形，使其成为有序的波形。

压电陶瓷片 HTD-27 属于压电传感器的一种。传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。也广泛应用在生物医学测量中。

电阻实质上是吸收电能转换成热能的能量转换元件，消耗电能并使自身温度升高，其负荷能力取决于电阻长期稳定工作的允许发热温度。电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。

图13

6.3 计时模块

在前面介绍过芯片 CD4060，CD4060 是 14 位二进制串行计数/分频和振荡器在本设计中，其主要功能是一分钟计时。3、4 脚外接定时电容，起定时作用。

打开电源 K1，按下复位按钮 K2，CD4060 的 12脚由高电平变为低电平，电路开始工作，CD4060开始计时，CD4553的13脚由高电平转为低电平，CD4553的11脚——时钟输入控制端，当11脚为低电平时，允许时钟脉冲输入，为高电平时，禁止时钟脉冲输入。则CD4060将信息由2脚送入CD4553。超过一分钟后，CD4060的12脚由低电平转变为高电平，计数清零且振荡器使用无效，CD4060停止计时。2 脚也停止对 CD4553 的信息输入。同时 CD4553

的 13 脚也复位。CD4553 的 11脚也变为高电平，不允许时钟脉冲输入，测试仪停止工作。

图14

6.4 计数模块

图15

在前面介绍过，CD4553是BCD—7段锁存译码驱动器, 分时控制可形成三位十进制数字显示。三个同步级连的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器,由1,2和15脚数据选择输出端控制。即作为分时输出同步控制信号端，从而形成动态显示方式，低电平有效。在任一时刻，1，2，15 脚只有一个是低电平，并作周期循环，形成一个三位时序信号。三脚分别外接 BG1、BG2、BG3三个PNP三极管。通过三极管的放大，分时控制数码管。

由于CD4553内部有整形电路。压电陶瓷式传感器在CD4011与电阻、电容的配合下，将凌乱的信号输入 CD4553 整形。13 脚复位端与 CD4060 进行一分钟限时计数。3、4脚外接定时电容。作芯片内部扫描振荡器的内部时钟。

CD4553的9、7、6、5脚为BCD码输出端。通过这四个管脚将数据输入CD4511。以求达到显示的目的。

7 设计过程中遇到的问题及其解决方法

1.在检测 CD4511 驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。用 5V 电源对数码

管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。本次实验中还发现一块坏的LED数

码管，经更换后均能正常显示。

2.在连接晶振的过程中，晶振无法起振。在排除线与芯片的接触不良问题后重新对照电路图，发现是由于12脚未接地所至。

3.在试验过程中，数码管不能正常计数，经检测，发现 CD4060 没有高电平输出，这是本设计不能做出来的重要原因。

8 电路原理图总图

图16 电路原理图总图

9 参考文献：

[1]王天曦、李鸿儒《电子技术工艺基础》北京：清华大学出版社 2004年

[2]教育博士网

[3]胡宴如《模拟电子技术》北京：高等教育出版社 2002年

[4]标准数字电路 4000 CMOS 全系列数据手册

[5]电子资源网

[6]谢志萍《传感器与检测技术》北京：电子工业出版社 2005年