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浙江理工大學(xué)本科課程設(shè)計任務(wù)書

設(shè)計題目 電子脈搏測試儀的設(shè)計 設(shè)計要求

通過基于紅外線傳感器的脈搏測試儀的實現(xiàn)，熟悉數(shù)字系統(tǒng)的一般設(shè)計、制作和調(diào)試方法，初步掌握大規(guī)模集成電路的應(yīng)用方法和注意事項；掌握常用數(shù)字集成電路（555、計數(shù)器、譯碼器等）的應(yīng)用；了解影響脈搏測試儀指標(biāo)的基本因素。 主要技術(shù)指標(biāo)

了解放大電路，經(jīng)整形、濾波后得到方波信號；設(shè)計門控電路的暫穩(wěn)態(tài)時間為30秒；設(shè)計譯碼、顯示電路，記錄被測心率。 工作內(nèi)容

用555芯片設(shè)計半分鐘定時器，同時設(shè)計三位計數(shù)電路對方波信號進行計數(shù)，并設(shè)計譯碼電路將BCD碼翻譯成數(shù)碼管的七段碼。設(shè)計驅(qū)動電路驅(qū)動三位數(shù)碼管，顯示半分鐘心跳次數(shù)。裝配硬件電路并進行硬件測試、記錄結(jié)果。整理數(shù)據(jù)，撰寫設(shè)計報告并上交。 工作計劃 2023.3.15：介紹設(shè)計題目，工作原理，設(shè)計要求，下發(fā)課程設(shè)計任務(wù)書； 2023.3.15：設(shè)計電路、合理布局，選擇合適的元器件并進行元器件測試； 2023.3.22：根據(jù)所選元器件組裝并焊接電路； 2023.3.22、29：調(diào)試電路，排除故障，記錄有關(guān)參數(shù)指標(biāo)； 2023.3.29：答辯，按要求整理數(shù)據(jù)，撰寫設(shè)計報告。 設(shè)計報告要求

產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、功能要求；電子脈搏測試儀的原理（框圖）；單元電路（門控、計數(shù)、譯碼）的工作原理，包括重要芯片的介紹等；?電子脈搏測試儀的設(shè)計思路及原理圖；調(diào)試的步驟和注意事項；測量數(shù)據(jù)記錄（指導(dǎo)書P13）；設(shè)計過程問題總結(jié)與心得體會。 指導(dǎo)教師 簽 ???名 年 ?月 ??日 系主任簽名： 年 ?月 ?日

浙江理工大學(xué)本科課程設(shè)計報告

1.產(chǎn)品簡介

紅外線心率計就是通過紅外線傳感器檢測出手指中動脈血管的微弱波動，由計數(shù)器計算出每分鐘波動的次數(shù)。但手指中的毛細(xì)血管的波動是很微弱的，因此需要一個高放大倍數(shù)且低噪聲的放大器，這是紅外線心事計的設(shè)計關(guān)鍵所在。通過本產(chǎn)品的制作，可以使學(xué)生掌握常用模擬、數(shù)字集成電路(運算放大器、非門、555定時器、計數(shù)器、譯碼器等)的應(yīng)用。

技術(shù)指標(biāo)

合理的設(shè)計硬件電路，說明工作原理及設(shè)計過程，畫出相關(guān)的電路原理圖

（2）選擇常用的電器元件（說明電器元件選擇的過程和依據(jù)）；

（3）按照規(guī)范要求，按時提交課程設(shè)計報告，并完成相應(yīng)答辯。

功能要求

脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數(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為幾毫伏）。

具體要求： ??

（1）實現(xiàn)在30~60秒內(nèi)測量1分鐘的脈搏數(shù)。正常人脈搏數(shù)為60~80次/min，嬰兒為90~100次/min，老人為100~150次/min

（2）用傳感器將脈搏跳動的轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大整形和濾波。

（3）測試誤差不小于2/min。

2、工作原理

系統(tǒng)工作原理

通過脈搏傳感器來拾取脈搏信號，經(jīng)過前級放大器進行放大，進入有源濾波器濾去干擾信號，再經(jīng)過后級放大器進行充分放大，此時經(jīng)過處理后的信號還不是計數(shù)器所要的高低電平，須把信號再送入遲滯比較器進行整形再經(jīng)過二極管進行電平轉(zhuǎn)換，得到計數(shù)器所需要的脈沖信號。

??整機電路由 -10V電源變換電路、血液波動檢測電路、放大整形德波電路、3位計數(shù)器電路、門控電路、譯碼驅(qū)動顯示電路組成。

3、門控電路

555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件，用它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。555定時器在工業(yè)控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應(yīng)用。

555定時器內(nèi)部電路及其電路功能如圖所示。555內(nèi)部電路由基本RS觸發(fā)器FF、比較器COMP1、COMP2和場效應(yīng)管V1組成。當(dāng)555內(nèi)部的COMP1反相輸入端（-）的輸入信號VR小于其同相輸入端（+）的比較電壓VCO（ ）時，COMP1輸出高電位，置觸發(fā)器FF為低電平，即Q=0；當(dāng)COMP2同相輸入端（+）的輸入信號 大于其反相輸入端（-）的比較電壓VCO/2(1/3VDD)時，COMP2輸出高電位，置觸發(fā)器FF為高電平，即Q=1。 是直接復(fù)位端， ，Q=0；MOS管V1是單穩(wěn)態(tài)等定時電路時，供定時電容C對地放電作用。

注意：電壓VCO可以外部提供，故稱外加控制電壓，也可以使用內(nèi)部分壓器產(chǎn)生的電壓，這時COMP2的比較電壓為VDD/3，不用時常接0.01μF電容到地以防干擾。

555定時器：

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RS觸發(fā)器的原理：當(dāng)R有效的時候，RS觸發(fā)器輸出低電平；S有效的時候，RS觸發(fā)器輸出高電平；RS觸發(fā)器輸出高電平的時候，三極管導(dǎo)通。但這種理解方式，會多繞很多彎，比如Vc1=0且Vc2=1時，相當(dāng)于S有效，RS觸發(fā)器會輸出高電平，然而芯片最終的輸出卻是低電平，與RS觸發(fā)器的邏輯相反。因此不如不要強調(diào)內(nèi)部器件的工作邏輯，直接根據(jù)輸入查表，判斷輸出。

由555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成門控電路的作用是控制計數(shù)器的啟停

將555定時器的2引腳作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，引腳的輸出與電阻R組成反相電路接至引腳7，并通過電容C接地，這樣便構(gòu)成一個簡單的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。該電路由輸入脈沖的下跳沿觸發(fā).

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當(dāng)接通電源的時候，+12V電源電壓通過R15對電容C4進行充電，2腳的電壓馬上變成12V（“1”電平），觸發(fā)器FF被置“0”， 即555的3腳輸出“0”電平。V6截止，V6的C極為高電位，所以計數(shù)器MC14553不計數(shù)，此時V5不亮。

當(dāng)按下S1按鈕時，2腳電壓為0V，低于1/3電源電壓。555內(nèi)部CMP2輸出高電平,觸發(fā)器FF被置“1”，即3腳輸出“1”電平，V6飽和導(dǎo)通，V5發(fā)光，V6集電極輸出低電平，使計數(shù)器MC14553清零，開始計數(shù)。同時555內(nèi)場效應(yīng)管截止，12V電壓通過R17給C6充電，C6的電壓逐漸增高，uC6波形。

當(dāng)C6的電壓充到2/3電源電壓的時候，555內(nèi)CMP1輸出高電平，觸發(fā)器置“0”，3腳輸出低電平，V6集電極輸出高電平，因此計數(shù)器MC14553的11腳變?yōu)楦唠娖?，計?shù)器停止計數(shù)；同時555內(nèi)場效應(yīng)管導(dǎo)通，電容C6通過場效應(yīng)管迅速放電到低電平，返回穩(wěn)定的狀態(tài)，定時結(jié)束。

3位計數(shù)電路

由MC14553組成的3位計數(shù)電路對輸入的方波進行計數(shù)，并把計數(shù)結(jié)果以BCD碼的形式輸出。

MC14553為十六引腳扁平封裝集成電路，其引腳功能如圖所示，有四個BCD碼輸出端Q1～Q3，可分時輸出三組BCD碼；有三個分時同步控制信號DS1～DS3，為計數(shù)器的輸出提供分時同步輸出控制信號，形成動態(tài)掃描工作方式，該控制端低電平有效。計數(shù)電路包含了計數(shù)和輸出驅(qū)動電路。

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計數(shù)器MC14553的 DS1～DS3輸出為方波，波形如圖下圖所示。當(dāng)按下S1時，V5飽和導(dǎo)通，V5的C極為低電平，MC14553的11腳變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器開始對送到12腳的從整形電路過來的方波個數(shù)進行計數(shù)，最大計數(shù)為999，計數(shù)結(jié)果以BCD碼的形式從Q0～Q3輸出。11腳不管是高電平還是低電平，DS1～DS3始終是輸出下圖的方波。當(dāng)DS3是低電平的時候，個位顯示器被選中，Q0～Q3輸出個位要顯示的數(shù)值；當(dāng)DS2是低電平的時候，十位顯示器被選中，Q0～Q3輸出十位要顯示的數(shù)值；當(dāng)DS1是低電平的時候，百位顯示器被選中，Q0～Q3輸出百位要顯示的數(shù)值。

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3位計數(shù)電路、譯碼、驅(qū)動、顯示電路如圖所示，它的作用是把計數(shù)器輸出的計數(shù)結(jié)果顯示在3位數(shù)碼管上。

譯碼器CD4543的引腳功能。它有了四個輸入端：A、B、C、D，與計數(shù)器的輸出端相連；有七個數(shù)碼筆段輸出驅(qū)動端：a～g。譯碼器CD4543可以驅(qū)動共陰、共陽兩種數(shù)碼管，使用時，只要將PH引腳接高電平，即可驅(qū)動共陽極的LED數(shù)碼管；將PH引腳接低電平，即可驅(qū)動共陰極的LED數(shù)碼管。

顯示采取動態(tài)掃描的方法，即每一時刻只有一個數(shù)碼管被點亮，但是交替的頻率非?？?，由于人眼的視覺殘留效應(yīng)，人眼看到的就是靜止的數(shù)字顯示結(jié)果。計數(shù)器送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CD4543翻譯成7段字碼后，接到數(shù)碼管的7個筆畫端，點亮相應(yīng)的筆畫段。數(shù)碼管采用共陽極的。CD4543的真值表如下：

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CD4543，一片非常方便好用的七劃管驅(qū)動芯片，只要輸入BCD碼就可于多種不同的數(shù)碼管顯示0至9，如接LCD，則在Ph (Phase）輸入方波脈沖，如接共陽極LED，則Ph置“1”，如接共陰極LED，則Ph置“O”，另Bl (Blanking）如果置“1”或輸入0至9以外的數(shù)值，顯示會空白(黑屏)，LD(Latch Disable)置“O”會鎖存最近一次輸入的數(shù)字，Vdd是電源正極， Vss是電源負(fù)極（接地)

芯片CD4543是一只具有鎖存功能的7段字形譯碼器，具有4位二進制鎖存。它的內(nèi)部沒有鎖存單片，目的是防止在計數(shù)過程中顯示器的數(shù)字發(fā)生翻動現(xiàn)象。它采用16腳扁平封裝，有4∶個輸入端A、B、C、D，7個筆段輸出端a~g.數(shù)據(jù)被傳輸至輸出端;個鎖存控制端LD，當(dāng)LD=1時，LD=0時，數(shù)據(jù)被鎖存。一個消隱功能端Bl，當(dāng)BI=1時，顯示消隱;BI=0時，正常顯示。一個共陽、共陰控制端ph，當(dāng)ph=1時，可驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管;當(dāng)ph=0時，可以驅(qū)動共陰極LED 數(shù)碼管，即可以驅(qū)動共陰數(shù)碼管，又可驅(qū)動共陽數(shù)碼管.CD4543是BCD-鎖存/七段譯碼/驅(qū)動器有燈測試功能。

電子脈搏測試儀的設(shè)計電路

此電路采用兩級運算放大電路，一級放大倍數(shù)為可調(diào)，二級放大倍數(shù)固定為2。當(dāng)紅外反射式傳感器ST188感應(yīng)到一個完整的脈搏，便產(chǎn)生一個脈沖，單片機通過對脈沖累加得到脈搏心率跳動次數(shù)，并使用定時器計數(shù)脈搏的頻率。系統(tǒng)運行中能顯示脈搏心率次數(shù)和時間，系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏心率次數(shù)和時間。

按照電路圖焊接電路

調(diào)試工藝

1.門控電路的調(diào)試

電路連接完畢后通電。此時，門控電路進入穩(wěn)態(tài)，用數(shù)字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳與1腳之間的電壓都為0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。按一下S1按鈕，門控電路輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進入暫穩(wěn)態(tài)，555輸出端3腳輸出高電位，因此V6飽和導(dǎo)通，V6的C極輸出低電位，V5發(fā)光，用數(shù)字萬用表DC20V擋測量6、7腳與1腳之間的電壓，可以發(fā)現(xiàn)，電壓是慢慢上升的，當(dāng)上升到8V左右的時候（時間是30秒），門控電路輸出狀態(tài)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進入穩(wěn)態(tài)，此時555輸出端3腳輸出低電位。用數(shù)字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳的與1腳之間的電壓，都是0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。

如果暫穩(wěn)態(tài)的時間不是30秒，則最后測量的心率不準(zhǔn)確。需要調(diào)整R17或C6的參數(shù)來達到30秒的要求。具體計算公式：1.1× R17× C6=30。

2.計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路的調(diào)試

電路連接完畢后通電。此時由于門控電路的控制作用，計數(shù)器MC14553的使能端（低電平有效）被置“1”，計數(shù)器不計數(shù)，輸出的BCD碼是0000即5、6、7、9腳的電壓大約是0V。用示波器雙蹤測量DS1、DS2之間、DS2與DS3之間波形，應(yīng)能顯示圖（8）所示的波形，測試并把波形畫在圖中中（示波器量程：雙蹤，5V/DIV，1mS/DIV）。

把食指放在傳感器的探頭處，適當(dāng)調(diào)節(jié)壓力。當(dāng)觀察到V4呈現(xiàn)有規(guī)律的亮-滅時，就可以進行測量了。按一下門控電路的S1，這時，V5發(fā)光，計數(shù)器的使能端被置“0”，計數(shù)器開始按整形電路送來的心跳脈沖計數(shù)。計數(shù)的結(jié)果以BCD碼的形式送到譯碼器進行譯碼。譯碼后的結(jié)果送到數(shù)碼管顯示計數(shù)的結(jié)果。過30秒鐘后，門控電路輸出高電平，計數(shù)器使能端被置“1”，計數(shù)器停止計數(shù)。數(shù)碼管顯示最后計數(shù)的結(jié)果，此數(shù)字乘2即是被測的心率。測量并記錄計數(shù)器停止計數(shù)后，集成電路MC14553及CD4543的引腳電壓并填入相應(yīng)表中。

測量數(shù)據(jù)記錄（指導(dǎo)書P13）；

門控電路

穩(wěn)態(tài)時IC4（555）及三極管V6的C極電壓

測量項目 U1 ?U2 ?U3 ?U4 ?U5 ?U6 ?U7 ?U8 ?Uc

測量值 ?0 ???11.9 ?0 ??11.9 ?0 ??0 ???0 ?11.9 ?11.9

暫態(tài)時IC4（555）及三極管V6的C極電壓：

測量項目 U1 ?U2 ?U3 ?U4 ?U5 ?U6 ?U7 ?U8 ?Uc

測量值 ??0 ??0 ??10.6 ?11.9 10.4 ?5.4 ?5.4 ?11.9 ?11.8

計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路（畫在一起）

DS1、DS2、DS3

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V3、V4、V5

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穩(wěn)態(tài)時MC14553引腳電壓

測量項目 U5 ?U6 ?U7 ?U9 ?U3 ?U4 ?U11 ?U13 ?U8 ?U16

測量值 ??0 ??0 ???0 ???0 ??4.3 ?4.7 ?10.6 ?0 ???0 ??11.8

穩(wěn)態(tài)時CD4543引腳電壓

U2 U3 U4 U5 U9 U10 U11 U12 0 0 0 0 110.4 11.2 9.8 11.0 U13 U14 U15 U1 U6 U16 U7 U8 10.6 9.9 11.2 11.9 11.9 11.9 0 0

問題總結(jié)：

本次數(shù)電實驗遇到問題并不多，且主要是由焊接問題所致，首先是焊接過程中要時刻注意焊接是否會影響其他管腳的布局和連線，并且也要合理的將三個芯片布局布好以減少線以及錫的使用。需要多次檢查電路，以確保所有引腳連接正確的位置。

在讀圖時有一點對我很有用，就是重畫電路圖，由于原理圖中的接線與整齊的引腳順序不同，這使得在排版時對連線提出了很高的要求，因此，要在紙上重新排版，這樣不容易出錯，也容易檢查。

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心得體會：

在疲憊想擺爛時，休息一會，多想想方法，再去做，不要順著一時的情緒走，否則不好回頭。我在排版時，開始直接用線連接兩邊，飛線只用一根，線和線交錯、重疊，后來我把線全部拔掉，重新搭線。因為本次課設(shè)芯片比較多，有三個，因此管腳也比較多，所以在焊接過程中要時刻注意焊接是否會影響其他管腳的布局和連線，并且也要合理的將三個芯片布局布好以減少線以及錫的使用。

另外要熟練使用萬用表的蜂鳴擋，為以后的焊接排錯鋪路。

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