电子脉搏计数器的设计

摘 要

现如今，脉搏的检测在生活中越来越普遍，普通人自己在家就能测量脉搏，脉搏的测量对应诊断心脑血管疾病有很大的好处。如今电子脉搏计数器逐步取代传统脉搏诊断方法，可以减轻医疗工作者的精神压力，降低医疗工作者由于某些原因所导致的错误诊断，提高医疗工作者及患者的“幸福感”。

本设计为一个电子脉搏计数器系统，利用一个定时器、一个信号整形放大电路和一个能够将脉搏次数显示出来的由计数器、译码器、数码管构成的显示电路，实现了对人体脉搏的电子测量。在明确设计目的、设计背景的基础上，结合电子脉搏计数器系统的发展前景和国内外现状，本次方案搭建了数字脉搏计数器的框架，明确了系统工作原理，着重分析单稳态触发工作原理，重点通过传感器电路、整形放大电路、倍频电路、定时电路、计数译码显示电路完成了整体电路设计，并进行了仿真结果分析。在此基础上，硬件电路连接后经过电路测试、PCB板测试证明电子脉搏计数器系统能够满足预期、发挥作用，具有很强的实用性，为预防和治疗疾病提供参考，有益于公共卫生事业的发展。

【关键词】电子脉搏计数器，定时器，信号整形放大，数码管

　　1绪 论

1.1设计目的

现如今，脉搏的检测在生活中越来越普遍，普通人自己在家就能测量脉搏，脉搏的测量对应诊断心脑血管疾病有很大的好处，正常成人的脉搏次数温度在每分钟60-100次之间，老年人脉搏数值相对较慢，儿童的脉搏次数较快，当人处于发烧或者高度紧张的时候，脉搏数值也会上升。脉搏的强弱可以很直观的了解当前人体的身体状况[1]。

本次数字脉搏计数器设计的目的主要是为了方便人们居家检测和公共医疗的方便快捷，避免了小事、无事进入医院检查，当人们感到身体不适时（如心悸、心慌）贸然进入医院这样不仅会浪费医疗资源、公共资源还会浪费我们的时间，数字脉搏计数器可以有效地解决这些问题，降低由于人们过度紧张误以为身体出现了异样导致的不必要就医。数字脉搏计数器可以用于我们日常检测自己及家人的身体状况，脉搏是否正常，可以有效地降低由于人为的疏忽，导致的不及时就医以及错医[2]。数字脉搏计数器可以减轻医疗工作者的精神压力，降低医疗工作者由于某些原因所导致的错误诊断，提高医疗工作者及患者的“幸福感”。

1.2 研究背景

随着第二次的工业革命的结束，科学技术成为了第一生产力，科技的发展才是每个国家的首要任务，因为科技的创新发展不仅仅代表着一个国家在科技层面的发展，更是每个国家综合实力的体现。21世纪以来，各个领域都开始走向高科技化，每一次的发展都给国家的经济带来非常大贡献。在上个世纪，通信技术，计算机网络等等对于大多数国家来说都是陌生又想于尝试的，如今这些技术的研发已经日常生活带来了无限的便利，不断的促使着社会的进步，也给医疗诊断技术带来很大的提升[3]。

目前很多医生在给人们测量每分钟的脉搏数时，一般都是采用听诊器听诊，测量的时候医生-只手拿着听诊器测量心脏跳动次数，一边还要看着计时表，计数过程比较麻烦，稍有分心的话就会出现测量不准或错误的情况，给医生工作时带来很多不便。

随着物质生活和精神水平的不断提高以及老龄化比例的不断上升，人们也更加注重自身的健康问题，当前国人对自身健康状况的品质的不断追求，医疗检测设备的家庭化已经成为了专业性发展课题。将脉搏心率测量器缩小为便携式的想法应运而生[4]。

根据当今社会的医疗水平以及医疗状态我们需要一个数字脉搏计数器用来推进实现我们的科技医疗社会。表面上来看数字脉搏计数器只是一个“无用”的机器，数字脉搏计数器的研究浪费时间、浪费精力、浪费金钱以及科研资金，但实际上数字脉搏计数器在我们的生活和科研水平上会给予我们的生活极大的便利。

1.3 国内外研究动态

目前脉搏测量仪在医学领域应用最广泛，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，现在也逐步走入寻常百姓家，特别对于健身爱好者来说，是随时携带的设备。

国外的专家最早参与到脉搏测量仪系统的研究当中，此后越来越多的欧X家投入到多样化、智能化、无线化的脉搏测量仪系统研究中，期间也发布了一些跨时代的应用产品。其中瑞典、德国的学者最先发布了智能脉搏测量仪的一系列产品[5]。

我国的脉搏测量仪设计智能化水平还远远不及国外的研究水平，且在实际社会使用率也远远落后于国外。但是不能从一方面一概而论，虽然我国这项技术还处于薄弱时期，但对于这方面的扶持和资金人员投入还是占比较重要的比重的。相信还只处于理论阶段的研究，在随着人工智能的不断发展，研究技术不断创新更新，会有更多的企业在脉搏测量仪方面投入相当资金和人力[6]。从未来的前景预判，我国这方面的成就肯定远不止这步，相信能取得更多先进的技术。

1.4 发展趋势

智能脉搏测量仪是我国乃至国际社会的发展方向，落后传统的传统电子血压计必然必然被取代，无线通讯技术及物联网技术将成为脉搏测量仪市场的主流技术。无线通讯技术在日常的工作运营和日常生活沟通中已是必不可少的中介工具，拥有众多的热衷用户，普及率非常高。再则，许多大企业之间或者是国际之间的领域若使用有线布线方式是非常困难，这涉及到很多保密方面的问题，绝大部分场所甚至是不允许存在布线的，过多的布线就会存在机密泄露的问题。因此无线通讯网络是现如今时代发展所必须的，在实现这项技术的同时，只需搭配必要的接口，就可以实现无线通讯信号的连接[7]。未来，随着无线通讯技术的发展，将在脉搏测量仪领域得到更充分的应用，这将是一项非常有意义的研究。

经过本次的设计后期还可以将制作好的模块加装信号连接设备如蓝牙模块、WiFi接收传递模块，达到可以作为智能穿戴设备进行使用，与智能手机连接配合使用开发APP实时监控人体脉搏，体现健康状况，也可以检测人运动时心率是否过快在出现健康问题之前及时提醒。

1.5 论文结构

本篇论文分为五章，如下：

第一章节是绪论，介绍了课题研究背景及意义，通过阅读历史文献，阐述了当前的研究现状，给出分析结论，并介绍了本课题研究内容，同时对论文结构划分进行阐述；

第二章节着重介绍了方案设计，包含可行计划方案选择，制定了总体设计方案，并给出系统组成框图，包括各个模块组成；

第三章节阐述了电路设计及仿真，针对系统的各个模块分别分析其原理及结构组成，完成模块电路设计以及仿真设计。

第四章节是硬件电路连接与测试，进行实物连接，对功能进行测试，同时对测试结果进行分析。

第五章节是总结，对本设计的工作及个人成长进行总结，归纳设计经验。

　2 方案设计

2.1 可行计划方案

　2.1.1 脉搏采集模块选型

方案一：通过传感器将脉搏信号转变成为电信号，统计在一分钟内的脉搏数，并用数字显示器显示所及记录的数值，从而得到每一分钟的脉搏数量。

方案二：测量在15秒内脉搏跳动的次数，再将所得到的的脉搏信号的频率提高四倍，然后得到此段时间一分钟内的脉搏数[8]。

从得到的方案中对比，方案一的设计方法检测较为直观，所需电路结构简单，但测量出现误差较多读不到较多的准确数据，方案二中电路虽说复杂些，所用元器件也较多，但是可以得到更加稳定准确符合设计的最初理念，其在成本相同的情况下，使用脉搏计数器，我们将采用第二种方案。

　2.1.2 显示模块选型

方案一：采用LCD1602

LCD1602虽然显示内容不多，但是相比于LCD显示屏成本上具有很大优势，同时软件编程简单，弄清楚读时序和写时序即可，与单片机外围电路连接设计简单，适合对显示要求不高的系统开发。

方案二：采用OLED显示屏

OLED12864相比于LCD1602具有显示内容更加丰富，能够显示中文信息的优点，采用SPI通讯模式，所需单片机控制管脚较少，有利于简化外围电路设计，适合各类监测系统开发[9]。但OLED12864成本较高，编程比较复杂。

方案三：采用数码管显示

采用数码管显示的话，只能显示简单的数字，需要多位数码管配合显示，应用范围较少。

综上所述，考虑到本系统显示内容较少，只需要显示脉冲计数数值，考虑成本优势，故选择方案三更加合理。

2.2 数字脉搏计数器的组成框架

（1）传感器是将脉搏跳动信号转换为对于变化的电脉冲信号。

（2）放大整形电路把传感器的微弱电流，微弱电压放大，整形除去杂散信号。

（3）倍频器是将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。

（4）基准时间产生电路及控制电路用555保证基准时间控制，4倍频后的脉冲信号送计数、显示电路中。

（5）计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，以十进制数的形式由数码管显示出来。

根据题目要求，本设计将数字逻辑信号测试系统分为5个组成部分，各部分的组合如图2.1所示。

图2.1数字脉搏计数器系统逻辑框图

2.3 系统工作原理

由信号发生发生器产生信号，经过整形、四倍频电路，频率变为原来的四倍，倍频器使得计数器能在15s内计算出1min的脉冲数。脉冲进入数码管计数器，按下开关计数开始，来一个脉冲信号就加一。15s后，定时器输出电平翻转，计数器停止工作，显示脉搏跳动次数。重新按下开关，计数重新开始。

2.4 555单稳态触发工作原理

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图1所示。图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号ui接 在低电平触发端（2脚）。

图2.2单稳态触发器电路及工作波形

可见，输人一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到 （2/3）Vcc，所需要的时间。可得公式2.1

(2.1)

这种电路产生的脉冲宽度莎w与定时元件R，C大小有关，通常R的取值为几百欧至几兆欧，电容取值为几 百皮法到几百微法。

　3 电路设计及仿真

3.1 传感器电路

本系统选择压电类传感器，其工作原理是利用敏感元件直接把压力转变为电信号。将传感器放置在脉搏处，将脉搏信号转换为点冲信号给计数器接收。本次设计中是利用函数信号发生模拟人体脉搏跳动，如图3.1所示。

图3.1 信号发生器及产生的信号信息

3.2 整形放大电路

本次试验采用比较简单的运放电路。直接用了一个简单的与非门进行简单的整形。经过试验，可以放大、整形正弦电路。整形放大电路如图3.2所示。

图3.2 整形放大电路

3.3 倍频电路

设计要求要在15s内测量1min内的脉搏数，所以要将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应的一分钟的脉搏数，从而缩短测量时间。使用异或门组成的4倍频电路，所选芯片型号为SN74LS86N。整形放大电路如图3.3所示，74LS86引脚图及内部逻辑图如图3.4所示，74LS86真值表如表3.1所示。

表3.1 74LS86功能表

3.4 定时电路

稳态时，输出3为低电平，即无触发器信号（2为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。在2负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出3为高电平，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间常数T＝RC，电容两端电压Uc按指数规律上升。时间常数有t=1.1RC可以求得。取C3=15uF，C4=10nF，R6=920kΩ。定时电路如图3.5所示，555内部原理图如图3.6所示。

3.5 计数译码显示电路

计数译码显示电路主要用于显示方波脉冲计数数值功能。仿真中使用的数码管为4引脚，但是做实物过程中使用10引脚数码管加译码器74LS48。计数译码显示电路如图3.7所示，74160逻辑功能示意图如图3.8所示，74160工作表如表3.2所示，74LS48逻辑功能示意图如图3.9所示，用74LS48控制一位LED显示电路如图3.10所示，74LS48引脚功能表-七段译码驱动器功能表如表3.3所示。

表3.2 74160功能表

表3.374LS48引脚功能表-七段译码驱动器功能表

　3.6 总体电路及仿真结果分析

　　3.6.1 仿真软件介绍

Multisim 14.0软件是国际上非常通用的仿真工具，软件内部集成了多种插件和器件封装库，可供开发者直接调用，代码是开源的，对开发者来说很容易完成整体架构设计，非常便于编程，支持多种编译器。

3.6.2 仿真测试过程

运用Multisim仿真软件将传感器电路、整形放大电路、倍频电路、定时电路、计数译码显示电路模块一一绘制，检查每个模块之间连线正确，避免存在漏连现象，上电完成系统初始化后，数码管初始界面，整个系统仿真图如图3.11。

图3.11总设计图电路图

从整体仿真效果，可以看出，脉搏传感器将脉搏信号转换为相应的点冲信号，输出至整形放大电路，定时器进行时钟脉冲输入，在15个脉冲之内，记录脉搏点冲信号，由倍频电路进入4倍放大，之后输出至计数译码显示电路显示，可以观察到，三位数码管分别显示百位、十位、各位数值，此次调试显示0、9、7数值，代表采集到的脉搏数为97次每分钟。

本系统在仿真测试时，实现电子脉搏技术器应具备的功能，加强了对仿真软件Multisim的应用，对于系统整体运行中的不足并加以改进。在测试过程中发现并解决了一些问题，使得本系统更加完善。

4 硬件电路连接与测试

　　4.1 电路测试

　　4.1.1 信号整形及555计时器测试

信号整形是将信号发生器发生的信号转换为矩形波，在示波器中为CH1图像；555计时器的计时图形为示波器CH2图像，经测试CH2暂稳态时间为15.624s如图4.1所示。

图4.1信号整形及555计时器测试

　4.1.2 测试中的问题及解决方法

经过设计、模拟、布线、连接、调试等工作后数字脉搏计数器已基本完成，但计数功能未实现。根据观察发现可能是由于接电路是连接不稳定，线与线之间的连接，线与面包板之间的连接不够牢固。

硬件调试之前，需先完成实物搭建，依据所设计的仿真图以及器件的规格书和管脚说明材料，依次将各个重要模块通过杜邦线或者焊锡焊接的方式连接起来，依据仿真图检测每个模块之间以及模块直接的管脚连接正确，确保不存在短路或者断路的现象出现，各管脚定义准确，连接顺畅。完成实物电路连接检查之后，需要进行上电测试操作，检查系统能否正常上电。将系统供电电压连接上，用万用表测试电源口输入电压是否正常，正常后，按下系统开关按键，用电压表测试各个模块的输入电压，确保电压转换模块正常完成DC-DC电压转换，电压输入误差在允许范围之内，完成这些测试并无异常之后，才能进行系统上电工作。

依次针对数据检测和控制输出方面进行功能调试，测试结果如表4.1所示。

表4.1 硬件测试结果

系统稳定性测试：将整个系统放置在严酷的环境下运行24小时，期间不能出现短路、断路现象，经过实际测试，系统功能运行正常，供电电压稳定，程序没有出现跑飞现象。因此，该系统稳定性较好。

经过如上的硬件测试过程，本系统顺利通过了硬件调试测试，各功能测试结果均显示成功。期间有出现过数据传输不稳定的情况，通过加强信号质量和优化电路设计，使系统更加完善。

通过实际调试，本系统软件实现了预期的功能设计要求，传感器检测数据准确，期间有出现一些程序BUG，通过修改出错的语句，完成了最终的设计。但仍存在一些不足，比如功能单一，未加入控制输出模块以及报警模块，以及对后续电路进行控制，当采集的脉搏超标时，无法进行报警功能，这些都将是后续设计的改进方向。

　4.3 元件清单

本设计所用元器件如表4.1所示。

表4.1 元器件列表

5结 论

本次设计完成电子脉搏计数器的设计，实现了预定的功能设计要求，对传感器技术的应用和74160、74LS86、74LS00、555等器件的使用有了深入的了解，增加数码管显示模块的应用，使系统具备实时检测和实时显示功能，使环境脉搏方式更加智能，解决了人工采集方式的弊端。

通过此次设计，锻炼了文献阅读能力、硬件设计、软件设计及文档编写能力，是对大学所学知识的一次综合性实践应用，为将来的职场之路奠定基础。对仿真软件Multisim14和编程语言的使用也更加熟练，开发工具的使用也更加熟练。单片机技术在今后的控制系统中将发挥更大的作用，通过此次的毕业设计，也进一步提升自己对单片机的运用能力和理解能力，将在今后的工作中受益匪浅。

综上所述，本系统已经达到了本次设计的基本功能要求，但也存在一些不够完善的地方，比如功能单一，数据类型较少等。今后研究方向方面，将在本系统的基础功能上，进一步加大人体特征监测数据类型，美化用户操作界面设计，同时加入控制输出模块，实现当脉搏超过设定的阈值时，启动报警功能，提醒用户要注意休息，更具有实用价值，适应当前社会的发展趋势，具有更广大的市场前景。

　参考文献

[1]夏维．嵌入式脉搏测量与分析系统研究[D]． 武汉：武汉大学硕士学位论文，2014．

[2]赵毅红．脉搏数据采集器的研制[D]．南京：东南大学硕士学位论文，2015．

[3] 张爱华，余东．基于动态图像的多点脉搏信号检测方法[J]． 兰州理工大学学报，2017，33(5):76-80．

[4]汤伟昌，李睿．三步脉象检测系统的研究[J]．中国医疗器械杂志，2014．

　　致 谢

大学生活是一半校园一半社会的结合体，四年的时光易逝，我们即将踏入充满竞争的社会。毕业设计是对四年大学生活的总结也是步入工作岗位的起点。在科学技术不断发展的未来，我们将经历更多的挑战，有些技术或许能站在前辈的肩膀上进行进一步的研究，有的是要我们自己独立的开发研究出新型技术的。

对于论文的选题和系统组成的框架设计上，不仅仅是我本人的独自构想或是臆想，指导老师在一定程度上给予了我专业层面和社会实践层面的指导，这很大的提高了论文的专业性和可实践性。通过这份毕业设计我理清了系统功能之间的联系，在做整个毕业设计的系统框图中，思路比以前清晰许多，效率也提高了许多。选择性价比较高的器件，对C语言的介绍等等是指导老师亲自传授的知识点，这些知识点使我更好的完成了整个毕业设计。最重要的一点是，软件的使用方面，很经常出现调试不成功的案例，这也是毕业生最经常出现的常规性问题，但是感谢我们的指导老师的耐心指导，使得我们能较快的掌握如何快速的找出调试过程中出现的节点，并一步步的完成了软件功能要求。

在这里我同样要感谢我的大学同学，他们给了我莫大的支持，无法忘记那段一起并将作战的日子，给了我很大帮助，特别是编程软件使用上，舍友的建议让我少走了好多弯路，能够快速找到出现BUG的代码，也让软件调试工作进展的很顺利。高中生活是不断的学习理论知识，而大学生活则是理论与实践的相结合。但是一人难成大事业，团体永远是最稳固的实践开始，感谢我的大学同学，这个团体互相鼓励，互相帮助，共同进步，互相照顾，让我的大学生活更加完整和充实。在以后的社会工作岗位中，我将以谦虚的态度学习前辈的经验，结合前辈的经验更好的规划好自己的职业，认真踏实的进行每一项工作，在职场上不断的征服每前一分钟的自己，不负众望。

电子脉搏计数器的设计

价格 ¥9.90 发布时间 2023年5月11日

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