人体脉搏计（1）设计内容及要求设计题目：设计一个人体脉搏计。

内容简要：人体脉搏计的设计是基于传感器，放大电路，显示电路等基础电路的基础上，实现对人体脉搏的精确测量。

其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷的测量脉搏次数，并用十进制数显示出来。

具体的各部分电路接下来将介绍。

传感器信号：传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号。

放大电路：由于人体脉搏跳动经过传感器后的初始信号电压值很小，所以利用反相放大器将采集的电压信号放大约50倍。

又因为该信号不规则，将接入有源滤波电路，对电路进行低通滤波的同时，再次将电压信号放大1.6倍左右。

该电路使信号得到80倍的放大，充分的放大方便了后面的工作电路。

整形电路：本电路旨在采用滞回电压比较器对前面放大以后的信号进行整形，使信号更规则，最终输出矩形信号。

倍频电路：倍频电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频处理，以便在15s 内测出1min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。

基准时间产生电路：基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s（即脉冲宽度为15s）的脉冲信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。

具体各部分是由555定时器产生一个周期为0.5秒的脉冲信号，然后用一个D触发器进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。

再经过由74LS161构成的十五进制计数器，进行十五分频，再经D触发器二分频，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉冲信号。

计数、译码、显示电路：计数器采用3个二进制计数器74LS161分别作个、十、百位，并将其设计成十进制计数器（逢十进位），再由7448译码器译码后接到七段数码管LTS547R（共阴极）上完成三位数十进制数的显示。

控制电路：控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进行计数的时间，另外还具有启动电路及为各部分电路清零等功能设计要求：最终仪器要能够实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其十进制数字。

参考值：正常人的脉搏数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。

所以需要三个显示数码管才能完成显示功能。

（2）系统框图介绍及方案选择结合以上各部分电路内容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。

脉搏计的原理结构图如下：图1 脉搏计结构框图根据此框图，各部分电路有如下几种设计方案：放大电路可以在同相放大器和反相放大器之间选择，二者几乎没有区别，在此选择使用反相比较器；整形电路可以用555构成的施密特触发器或者由运放组成的迟滞电压比较器，考虑到运放的使用较555简单方便，选择用运放构成迟滞比较器；倍频电路的形式很多，可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路；基准时间产生电路的设计方案也较多，可以选择石英晶体振荡电路、555定时器构成的多谐振荡电路，因为石英晶体振荡电路还需要接入4060集成芯片，使用比555复杂，所以选择555产生基准时间；计数译码显示电路的计数器设计有较多方案，可以选择160、161、279等芯片均可以设置为10进制的计数器来满足要求，在此选择使用较为普遍，较熟悉的161作为计数器电路。

（3）单元电路设计、参数计算和器件选择1.传感器信号调节：该部分结构简单R1和R2的值分别选取510Ω和10 KΩ。

电源采用5V供电。

红外线发光管采用TLN104，接收三极管采用TLP104。

图表1传感器信号图表2放大整形电路2.放大整形电路：第一级反相放大器放大倍数要求50倍。

A=R3/R1=50，根据标准电阻选择R3=5.1KΩ,R1= 100Ω。

同相端电阻采用滑动变阻器R2=R1//R3=98Ω。

低通滤波部分,要求放大1.6倍，所以（R6+R7）/R6=1.6，设置R7=1.2 KΩ，R6=2.0 KΩ。

考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为1kHz左右。

由公式错误!未找到引用源。

计算选择R4=R5=1.0 KΩ，C1=C2=160nF。

整形部分，采用反相迟滞比较器，7脚4脚分别接+5V、-5V电压源，设置R9=4.7 KΩ，R8=1 KΩ，稳压二极管设置为1V。

三个运放均选择741。

3.倍频电路：构成倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路。

此处四个异或门均采用74LS86，该电路里两电阻均选用10 KΩ的阻值，电容使C1=33nF，C2=3.3nF。

图表3倍频电路4.基准时间产生电路：主要是由555定时器多写振荡产生一个周期0.5秒的脉冲，由公式错误!未找到引用源。

设置参数为R1=270 KΩ，R2=220 KΩ，C1=1.0μF，再由D 触发器进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。

再经过74LS161组成的15进制计数器进行十五分频，得到周期15秒的脉冲信号，最后通过D触发器的二分频得到周期30秒的脉冲信号（脉宽为15秒）。

器件选用：定时器选用LM555定时器，D触发器选用7474，计数器选用74LS161和一个与非门构成。

图表4基准时间产生电路5.计数显示电路：由三个74LS161组成，将161设置为十进制，用与非门得到置位信号，用非门去其反，作为下一位的使能信号，为使电路简洁此处用4脚虚拟数码管，代替译码器和7脚显示器。

个位上显示0~9，对应的二进制数为0000~1001，所以将OA、OD接入二输入的与非门，作为置位信号接入个位的LD置位端，使个位计到九后，再置到0，重新计数；十位与此不同的是选择1010时，将OD、OB接入与非门，将其置位信号接到CLR清零端，否则的话将出现计数到90，下一个脉冲来时将显示101，使得计数显示结果错误。

图表5计数显示电路6.控制电路：用一个常断开关（按下去时接通，松开后开关断开）作为电路的启动开关。

用两个与非门组成一个寄存器，锁存开关闭合时的信号将基准时间电路产生的周期为15秒和30秒的信号接入或非门再与开关信号构成清零信号，接入到三个161≥1≥1&+5V+5VCP Q4CR计数器CP Q4CR计数器CP Q4CR计数器四倍频信号15s15s1&&110kΩ清零信号1清零信号2计数器的清零端。

经过放大整形电路和倍频电路的最终信号、寄存器信号和周期15秒的脉冲信号接入三输入与非门作为计数器的脉冲信号。

（4）完整的电路图及电路工作原理图表6脉搏计完整电路图其工作原理简介：电路连接好以后，通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，将脉搏信号转换成电平信号，由三极管接受；之后经过放大电路将信号放大80倍，流入整形电路成为规则的矩形波；再由倍频电路对此信号进行四倍变频。

与此同时，基准时间电路由555产生一个周期为0.5秒的脉冲信号，经过二分频后变成周期为1秒的矩形信号，再由15进制的计数器进行15分频，得到周期15秒的信号，最后再经二分频得到周期30秒（脉冲宽度为15秒）的脉冲信号。

整个电路的核心部分控制电路的工作：按下开关，输出为低电平，对计数器和D触发器进行清零；开关自动弹起，输出高电平。

计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。

由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号，驱动计数器计数。

计数器是由16进制的74LS161改成的10进制计数器，三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位，十位的计数受各位的影响，只有当个位计数到9后十位的使能端信号才有效，十位开始计数，百位的计数原理同十位。

（5）组装调试的内容记录✧使用的主要仪器和仪表电路调式过程主要是使用multisim对电路进行仿真测试，主要使用仪器是示波器和信号发生器。

✧调试电路方法和技巧电路调试用信号发生器，生成测试的输入信号，用示波器检测电路的输出信号，对比二者的信号来判断被测试电路是否正确，是否符合设计要求。

技巧是将整个电路按照其功能拆分为几个小部分，对每个电路进行调试。

当每个小电路均调试到符合设计要求时，整个电路的调试也就完成。

测试的数据和波形以及故障的原因分析和排除✧放大整形电路的调试：用10mv的信号模拟手指脉搏转换成的电平信号。

最初的时候整形部分放大器采用的虚拟元件，结果没有整形效果，换成741以后可以得到理想的整形结果。

图表7放大整形电路的调试电路图图表8最终调试波形图✧倍频电路的调试：图表9倍频电路的测试电路对倍频电路输入5V的脉冲信号模拟放大整形电路的输出信号，用三个示波器分别检测输入信号、一次二倍频、两次二倍频后的输出信号图像，根据图像来判断，该倍频电路是否达到了设计的要求。

此部分最难解决的问题是电容的取值，如果将两个电容值选为一致的，那么第二个二倍频就没有作用，不会达到四倍频的效果，最终经过商量探讨，解决了二个电容的取值问题。

得出了准确的两次二倍频信号图像，说明经调试以后的电路已经能够符合设计要求。

图表10四倍频电路信号图像基准时间电路调试：555定时器自激振荡产生周期脉冲用四个示波器来分别检测初始脉冲、第一次二分频后脉冲、十五分频后脉冲、再次分频后脉冲。

最开始出现的问题在555处，波形不正常，核对后发现是由于555的con端未接入小电容引起的。

16进制的74LS161需要将其设置为15进制，可能是由于仿真器件或者软件的原因，导致从161输出的信号存在有干扰脉冲（瞬间的负脉冲），分析其原因可能是由于竞争冒险的问题，解决办法可以加入并联电容，或者加入D触发器进行延迟，通过仿真，这两种方法均可以消除干扰脉冲。

图表11基准时间电路测试图图表12两次二分频测试波形译码显示电路的调试：将个位上的161的OD端和OA端接入与非门，作为个位上的置位信号接入LD端，并对该信号取非作为十位上的使能信号；十位上由于不能让计数器在计到9后的一个脉冲时置位，所以需要将OD端和OB端接入与非门，将此进位信号接入到CLR 端，即时清零。

仍然对与非门输出信号取非，作为百位上的使能端。

电路的调试需要用信号发生器产生脉冲信号作为计数器的时钟信号，用虚拟的数码管代替7448译码器和7段共阴极数码管做调试。

该部分电路的测试没有出现大问题，经测试，该电路设计符合要求，能够满足三位数计数，并且进位功能也正常。

图表13显示电路测试图（6）总结设计电路的优缺点本套电路设计优点有：a.电路结构简单，没有复杂结构；b.所用元器件成本低；c.自带基准时间电路，并且能够在15秒内测试出1分钟的脉搏，提高了诊断效率；d.通过手指测量人体脉搏，比传统的测手腕处快捷方便；e.电路的控制简易方便。