数电课设任务书

浙江理工大学本科课程设计任务书

设计题目	电子脉搏测试仪的设计
设计要求	通过基于红外线传感器的脉搏测试仪的实现，熟悉数字系统的一般设计、制作和调试方法，初步掌握大规模集成电路的应用方法和注意事项； 掌握常用数字集成电路（555、计数器、译码器等）的应用； 了解影响脉搏测试仪指标的基本因素。
主要技术指标	了解放大电路，经整形、滤波后得到方波信号； 设计门控电路的暂稳态时间为30秒； 设计译码、显示电路，记录被测心率。
工作内容	用555芯片设计半分钟定时器，同时设计三位计数电路对方波信号进行计数，并设计译码电路将BCD码翻译成数码管的七段码。 设计驱动电路驱动三位数码管，显示半分钟心跳次数。 装配硬件电路并进行硬件测试、记录结果。 整理数据，撰写设计报告并上交。
工作计划	2023.3.15：介绍设计题目，工作原理，设计要求，下发课程设计任务书； 2023.3.15：设计电路、合理布局，选择合适的元器件并进行元器件测试； 2023.3.22：根据所选元器件组装并焊接电路； 2023.3.22、29：调试电路，排除故障，记录有关参数指标； 2023.3.29：答辩，按要求整理数据，撰写设计报告。
设计报告要求	产品的技术指标、功能要求； 电子脉搏测试仪的原理（框图）； 单元电路（门控、计数、译码）的工作原理，包括重要芯片的介绍等；  电子脉搏测试仪的设计思路及原理图；调试的步骤和注意事项； 测量数据记录（指导书P13）； 设计过程问题总结与心得体会。
指导教师 签    名	年  月   日	系主任签名：	年  月  日

浙江理工大学本科课程设计报告

1.产品简介

红外线心率计就是通过红外线传感器检测出手指中动脉血管的微弱波动，由计数器计算出每分钟波动的次数。但手指中的毛细血管的波动是很微弱的，因此需要一个高放大倍数且低噪声的放大器，这是红外线心事计的设计关键所在。通过本产品的制作，可以使学生掌握常用模拟、数字集成电路(运算放大器、非门、555定时器、计数器、译码器等)的应用。

技术指标

1. 合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图

（2）选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）；

（3）按照规范要求，按时提交课程设计报告，并完成相应答辩。

功能要求

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毫伏）。

具体要求：   

（1）实现在30~60秒内测量1分钟的脉搏数。正常人脉搏数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min

（2）用传感器将脉搏跳动的转换为电压信号并放大整形和滤波。

（3）测试误差不小于2/min。

2、工作原理

系统工作原理

通过脉搏传感器来拾取脉搏信号，经过前级放大器进行放大，进入有源滤波器滤去干扰信号，再经过后级放大器进行充分放大，此时经过处理后的信号还不是计数器所要的高低电平，须把信号再送入迟滞比较器进行整形再经过二极管进行电平转换，得到计数器所需要的脉冲信号。

  整机电路由 -10V电源变换电路、血液波动检测电路、放大整形德波电路、3位计数器电路、门控电路、译码驱动显示电路组成。

3、门控电路

555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件，用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。555定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。

555定时器内部电路及其电路功能如图所示。555内部电路由基本RS触发器FF、比较器COMP1、COMP2和场效应管V1组成。当555内部的COMP1反相输入端（-）的输入信号VR小于其同相输入端（+）的比较电压VCO（ ）时，COMP1输出高电位，置触发器FF为低电平，即Q=0；当COMP2同相输入端（+）的输入信号 大于其反相输入端（-）的比较电压VCO/2(1/3VDD)时，COMP2输出高电位，置触发器FF为高电平，即Q=1。 是直接复位端， ，Q=0；MOS管V1是单稳态等定时电路时，供定时电容C对地放电作用。

注意：电压VCO可以外部提供，故称外加控制电压，也可以使用内部分压器产生的电压，这时COMP2的比较电压为VDD/3，不用时常接0.01μF电容到地以防干扰。

555定时器：

 

 

  

RS触发器的原理：当R有效的时候，RS触发器输出低电平；S有效的时候，RS触发器输出高电平；RS触发器输出高电平的时候，三极管导通。但这种理解方式，会多绕很多弯，比如Vc1=0且Vc2=1时，相当于S有效，RS触发器会输出高电平，然而芯片最终的输出却是低电平，与RS触发器的逻辑相反。因此不如不要强调内部器件的工作逻辑，直接根据输入查表，判断输出。

由555接成单稳态触发器来完成门控电路的作用是控制计数器的启停

将555定时器的2引脚作为单稳态触发器的输入端，引脚的输出与电阻R组成反相电路接至引脚7，并通过电容C接地，这样便构成一个简单的单稳态触发器。该电路由输入脉冲的下跳沿触发.

 

当接通电源的时候，+12V电源电压通过R15对电容C4进行充电，2脚的电压马上变成12V（“1”电平），触发器FF被置“0”， 即555的3脚输出“0”电平。V6截止，V6的C极为高电位，所以计数器MC14553不计数，此时V5不亮。

当按下S1按钮时，2脚电压为0V，低于1/3电源电压。555内部CMP2输出高电平,触发器FF被置“1”，即3脚输出“1”电平，V6饱和导通，V5发光，V6集电极输出低电平，使计数器MC14553清零，开始计数。同时555内场效应管截止，12V电压通过R17给C6充电，C6的电压逐渐增高，uC6波形。

当C6的电压充到2/3电源电压的时候，555内CMP1输出高电平，触发器置“0”，3脚输出低电平，V6集电极输出高电平，因此计数器MC14553的11脚变为高电平，计数器停止计数；同时555内场效应管导通，电容C6通过场效应管迅速放电到低电平，返回稳定的状态，定时结束。

3位计数电路

由MC14553组成的3位计数电路对输入的方波进行计数，并把计数结果以BCD码的形式输出。

MC14553为十六引脚扁平封装集成电路，其引脚功能如图所示，有四个BCD码输出端Q1～Q3，可分时输出三组BCD码；有三个分时同步控制信号DS1～DS3，为计数器的输出提供分时同步输出控制信号，形成动态扫描工作方式，该控制端低电平有效。计数电路包含了计数和输出驱动电路。

 

计数器MC14553的 DS1～DS3输出为方波，波形如图下图所示。当按下S1时，V5饱和导通，V5的C极为低电平，MC14553的11脚变为低电平，计数器开始对送到12脚的从整形电路过来的方波个数进行计数，最大计数为999，计数结果以BCD码的形式从Q0～Q3输出。11脚不管是高电平还是低电平，DS1～DS3始终是输出下图的方波。当DS3是低电平的时候，个位显示器被选中，Q0～Q3输出个位要显示的数值；当DS2是低电平的时候，十位显示器被选中，Q0～Q3输出十位要显示的数值；当DS1是低电平的时候，百位显示器被选中，Q0～Q3输出百位要显示的数值。

 

3位计数电路、译码、驱动、显示电路如图所示，它的作用是把计数器输出的计数结果显示在3位数码管上。

译码器CD4543的引脚功能。它有了四个输入端：A、B、C、D，与计数器的输出端相连；有七个数码笔段输出驱动端：a～g。译码器CD4543可以驱动共阴、共阳两种数码管，使用时，只要将PH引脚接高电平，即可驱动共阳极的LED数码管；将PH引脚接低电平，即可驱动共阴极的LED数码管。

显示采取动态扫描的方法，即每一时刻只有一个数码管被点亮，但是交替的频率非常快，由于人眼的视觉残留效应，人眼看到的就是静止的数字显示结果。计数器送来的数据，经过CD4543翻译成7段字码后，接到数码管的7个笔画端，点亮相应的笔画段。数码管采用共阳极的。CD4543的真值表如下：

 

CD4543，一片非常方便好用的七划管驱动芯片，只要输入BCD码就可于多种不同的数码管显示0至9，如接LCD，则在Ph (Phase）输入方波脉冲，如接共阳极LED，则Ph置“1”，如接共阴极LED，则Ph置“O”，另Bl (Blanking）如果置“1”或输入0至9以外的数值，显示会空白(黑屏)，LD(Latch Disable)置“O”会锁存最近一次输入的数字，Vdd是电源正极， Vss是电源负极（接地)

芯片CD4543是一只具有锁存功能的7段字形译码器，具有4位二进制锁存。它的内部没有锁存单片，目的是防止在计数过程中显示器的数字发生翻动现象。它采用16脚扁平封装，有4∶个输入端A、B、C、D，7个笔段输出端a~g.数据被传输至输出端;个锁存控制端LD，当LD=1时，LD=0时，数据被锁存。一个消隐功能端Bl，当BI=1时，显示消隐;BI=0时，正常显示。一个共阳、共阴控制端ph，当ph=1时，可驱动共阳极LED数码管;当ph=0时，可以驱动共阴极LED 数码管，即可以驱动共阴数码管，又可驱动共阳数码管.CD4543是BCD-锁存/七段译码/驱动器有灯测试功能。

电子脉搏测试仪的设计电路

此电路采用两级运算放大电路，一级放大倍数为可调，二级放大倍数固定为2。当红外反射式传感器ST188感应到一个完整的脉搏，便产生一个脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏心率跳动次数，并使用定时器计数脉搏的频率。系统运行中能显示脉搏心率次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏心率次数和时间。

按照电路图焊接电路

调试工艺

1.门控电路的调试

电路连接完毕后通电。此时，门控电路进入稳态，用数字万用表DC20V挡测量3、6、7脚与1脚之间的电压都为0V，V6的C极与1脚之间的电压为12V，V5不发光。按一下S1按钮，门控电路输出状态发生翻转，进入暂稳态，555输出端3脚输出高电位，因此V6饱和导通，V6的C极输出低电位，V5发光，用数字万用表DC20V挡测量6、7脚与1脚之间的电压，可以发现，电压是慢慢上升的，当上升到8V左右的时候（时间是30秒），门控电路输出状态又发生翻转，进入稳态，此时555输出端3脚输出低电位。用数字万用表DC20V挡测量3、6、7脚的与1脚之间的电压，都是0V，V6的C极与1脚之间的电压为12V，V5不发光。

如果暂稳态的时间不是30秒，则最后测量的心率不准确。需要调整R17或C6的参数来达到30秒的要求。具体计算公式：1.1× R17× C6=30。

2.计数、译码、驱动、显示电路的调试

电路连接完毕后通电。此时由于门控电路的控制作用，计数器MC14553的使能端（低电平有效）被置“1”，计数器不计数，输出的BCD码是0000即5、6、7、9脚的电压大约是0V。用示波器双踪测量DS1、DS2之间、DS2与DS3之间波形，应能显示图（8）所示的波形，测试并把波形画在图中中（示波器量程：双踪，5V/DIV，1mS/DIV）。

把食指放在传感器的探头处，适当调节压力。当观察到V4呈现有规律的亮-灭时，就可以进行测量了。按一下门控电路的S1，这时，V5发光，计数器的使能端被置“0”，计数器开始按整形电路送来的心跳脉冲计数。计数的结果以BCD码的形式送到译码器进行译码。译码后的结果送到数码管显示计数的结果。过30秒钟后，门控电路输出高电平，计数器使能端被置“1”，计数器停止计数。数码管显示最后计数的结果，此数字乘2即是被测的心率。测量并记录计数器停止计数后，集成电路MC14553及CD4543的引脚电压并填入相应表中。

1. 测量数据记录（指导书P13）；

门控电路

稳态时IC4（555）及三极管V6的C极电压

测量项目 U1  U2  U3  U4  U5  U6  U7  U8  Uc

测量值  0    11.9  0   11.9  0   0    0  11.9  11.9

暂态时IC4（555）及三极管V6的C极电压：

测量项目 U1  U2  U3  U4  U5  U6  U7  U8  Uc

测量值   0   0   10.6  11.9 10.4  5.4  5.4  11.9  11.8

计数、译码、驱动、显示电路（画在一起）

DS1、DS2、DS3

 

V3、V4、V5

 

 

稳态时MC14553引脚电压

测量项目 U5  U6  U7  U9  U3  U4  U11  U13  U8  U16

测量值   0   0    0    0   4.3  4.7  10.6  0    0   11.8

稳态时CD4543引脚电压

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

问题总结：

本次数电实验遇到问题并不多，且主要是由焊接问题所致，首先是焊接过程中要时刻注意焊接是否会影响其他管脚的布局和连线，并且也要合理的将三个芯片布局布好以减少线以及锡的使用。需要多次检查电路，以确保所有引脚连接正确的位置。

在读图时有一点对我很有用，就是重画电路图，由于原理图中的接线与整齐的引脚顺序不同，这使得在排版时对连线提出了很高的要求，因此，要在纸上重新排版，这样不容易出错，也容易检查。

 

 

心得体会：

在疲惫想摆烂时，休息一会，多想想方法，再去做，不要顺着一时的情绪走，否则不好回头。我在排版时，开始直接用线连接两边，飞线只用一根，线和线交错、重叠，后来我把线全部拔掉，重新搭线。因为本次课设芯片比较多，有三个，因此管脚也比较多，所以在焊接过程中要时刻注意焊接是否会影响其他管脚的布局和连线，并且也要合理的将三个芯片布局布好以减少线以及锡的使用。

另外要熟练使用万用表的蜂鸣挡，为以后的焊接排错铺路。