简易人体脉搏信号调理电路的设计

人体脉搏波检测电路设计报告精82 蔡暻煊20080105352010/9/13目录一、综述 (4)1.课题背景 (4)2.实验任务 (5)3.实验预期目标 (5)二、总体方案设计 (5)三、电路设计 (6)1.时钟信号产生 (6)2.倍频电路 (7)3.计数信号产生 (8)4.计数电路 (8)5.显示电路 (9)6.清零信号的产生 (10)四、电路整体工作原理 (12)1.整体电路图 (12)2.工作流程简述 (13)五、实验数据分析 (13)六、总结与改进方案 (14)1.实习过程中的难点 (14)2.仍然存在的问题 (14)3.实习收获与感想 (15)4.改进方案 (15)1)使用数字器件 (15)2)使用单片机 (16)七、附录 (16)1.器件汇总（数字电路部分） (16)2.芯片管脚图汇总（数字电路部分） (17)3.实际电路照片 (19)八、参考文献 (23)一、综述1.课题背景1) 光电容积法测量脉搏的发展背景人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张, 使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播, 这种波称为脉搏波。

脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息, 很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。

传统的脉搏测量采用脉诊方式, 中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大, 测量精度不高。

无创测量(Noninvasive Measurements) 又称非侵入式测量或间接测量, 其重要特征是测量的探测部分不侵入机体, 不造成机体创伤, 通常在体外, 尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。

生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。

光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器, 通过对手指末端透光度的监测, 间接检测出脉搏信号。

光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复性好等优点。

实验报告五一、实验目的设计相应的信号调理电路，然后利用通过对脉搏信号进行测量，来进行实时显示测量结果。

二、实验内容设计一个脉搏测量仪可实现对人体脉搏信号的测量和显示功能。

三、实验环境计算机、MULTISIM仿真软件四、实验方案脉搏测量仪系统总框图，如图1所示。

系统由五个部分组成：信号采集单元，信号调理单元，信号整形单元，频率计测量单元，显示单元。

信号采集单元主要是选用合适的传感器将脉搏的压力信号转换为电信号，一般传感器输出的电压都在几毫伏左右。

信号调理单元主要包括信号的低通滤波，以及实现信号的放大，经过信号调理单元，几毫伏的脉搏信号的电压被放大为4V-5V左右。

信号整形单元则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。

频率计测量单元和显示单元由一个数字频率计完成其功能。

图1 系统总体框图五、实验步骤1、数字频率计仿真设计如图所示，当给予方波信号时，频率计开始计数，计数范围取决于上输入信号的频率及选通信号的频率，这里取输入信号频率f=1000Hz，选通信号F=10Hz，相当于在1秒内可计100个脉冲，计数范围可由选通信号的频率和输入的计数信号的频率来决定2、采集信号放大电路电路由于对于脉搏测量仪，其要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号,因此需要对所采集的信号进行放大；由于脉搏信号的频率在1.33HZ 左右，正常情况下不会出现高于2HZ的信号，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号；而整形的时是为了将输入的信号变为方波。

滤波器的载止频率的计算公式：12FRCπ=其中一级放大电路：二阶低通滤波器：二级放大器电路：3、脉搏测量仪滤波结果：放大结果：整形结果：五、实验总结在这次的实验当中遇到了不少的问题，比如一开始计数结果并不是自己预料的。

通过这次实验让我加深的对电路的学习，懂得理论与实践之间的差别，并意识到理论与实践要相结合的重要性。

设计实验的过程中，让我对课本上的知识有了更清晰的认识和了解，学会了运用一些器件来完成某些具体的功能，对器件功能的了解更深入，应用也更灵活了。

电子技术课程设计---电子人体脉搏计的设计一、课程设计目的1.应用电子技术知识设计制作一台电子人体脉搏计，实现在短时间内测量人体脉搏数，并显示其数值。

总体目标：（1）掌握电子产品的初步设计方法、以及元件计算、选用。

（2）学习电子元件焊接与安装。

（3）学习电子产品使用通用测量仪器的调试方法。

2.功能技术指标（1）实现在15秒钟以内测量1分钟的脉搏数，并显示其数值；（2）测量误差≤±2次/分钟；（3）可以连续测量或单次测量；（4）最大显示300次/min。

二、课程设计内容1、电子脉搏计的原理2、确定设计方案，画出组成方框图，简述每部分功能；3、电路元件数值计算，确定主要元件参数值4、绘制完整的电路原理图，生成元件清单。

5、装配焊接硬件电路并进行硬件测试、数据记录6、芯片介绍（1）4046芯片工作原理。

输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。

UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。

VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。

若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作。

（2）4060芯片工作原理。

4060是由一振荡器和14位二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器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CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。

（3）4553芯片工作原理。

4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。

1一、设计说明设计一个人体脉搏计，要求能够实现在30s 内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。

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 。

电路原理框图如图1所示。

图1 脉搏计原理框图将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号，放大整形后进行二倍频，并在30s （基准时间） 内对此信号计数，便得到了1min 脉搏数。

二、技术指标1．设计人体脉搏计数器并用LED 显示。

2．误差为±2次/min 。

三、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本。

2．根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3．主要器件：(1)74LS74双D 触发器；(2)74LS47或4LS48译码器；(3) 74LS163计数器；(5)OP07等。

四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。

2．进行实验数据处理和分析。

倍频器基准时间产生电路放大与整形 计数译码显示器控制电路传感器五、推荐参考资料1.谢自美. 电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000年2.阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年3.付家才. 电子实验与实践. [M]北京：高等教育出版社，2004年六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：成绩指导教师签字：日期：3人体脉搏计的设计一、概述脉搏计在实际中的应用非常广泛，它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，用来测量频率较低的小信号。

其原理适用于很多声控器械，它涉及到时序逻辑电路如何设计、分析和工作等方面。

通过此电路更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而掌握如何根据需要设计满足要求的各种电路图，解决生活中的实际问题，将所学知识应用于实践中。

设计任务技术指标；1．要求在规定时间内实现测量人体的脉搏跳动次数。

电子脉搏计电路设计一、设计任务与要求为提高运用电子技术基本知识进行理论设计、实践创新以及独立工作、团队合作的能力，通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作基于数字电路和模拟电路的课程设计与制作。

电子脉搏计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。

要求：(1)实现在1min内测量脉搏数；(2)用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；(3)测量误差小于±4次/min。

二、原理电路设计正常人的脉搏次数是每分钟60～80次（婴儿为90～140次,老年人则为100～150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏计的用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求应该是:（1）.要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。

（2）.对转换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。

（3）.在很短的时间（若干秒）内，测出经放大后的电信号频率值。

总之，脉搏计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。

可见，脉搏计的主要组成部分是计数器和数字显示器。

1 .设计方案比较脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：1）.把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟或半分钟）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。

2）.测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为没分钟的脉搏数。

这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。

为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。

本文进行的设计就基于这一方案。

下图为选用方案的方框图：此电路需达到如下要求：（1）设计一个数字脉搏计，要求用十进制数字显示被测人体脉搏每分钟跳动次数，测量范围30~160次/min 。

（2）短时间内（5~15s ）测出每分钟的脉搏跳动次数，误差为±4次/min 。

脉搏与心电信号采集与监测系统设计1. 设计脉搏或心电信号放大器•增益：60dB ～70dB ～80dB 三档可调•带宽：0.01HZ ～200HZ ，可插入50HZ 陷波器2. 设计测量和显示心率的数字电路（用七段数码管）3. 设计心率越限报警电话（报警范围为分次分次/150f /40f 00>---<），报警方式，喇叭或蜂鸣器鸣叫，屏幕显示。

4. 完成模拟电路和数字电路的仿真和虚拟实验。

5. 完成印刷板设计。

6. 基本框图脉搏与心电信号采集与监测系统一、 心电信号采集电路（模拟电路部分）1 、查阅资料可知人体心电信号有如下的特点(1)信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；(2)心电信号通常比较微弱，至多为mV 量级；(3)属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下；(4)干扰特别强。

干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等；(5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。

2 心电信号采集放大器电路设计要求 •增益：60dB ～70dB ～80dB 三档可调（即放大倍数为1000~3160~10000） •带宽：0.01HZ ～200HZ ，可插入50HZ 陷波器分析：根据要求，放大倍数为1000~3160~10000，故采用二级放大。

其中前级放大增益三档可调，分别为10、31、100倍。

后级放大器为100倍。

2-1、前级放大器设计a 、放大器AD620构成的电路由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围。

为此，选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大(预放)。

AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放)，其内部结构如图1所示。

心音、脉搏信号采集、调理电路的设计心音和脉搏是反映人体生理及病理的两项重要指标，它们分别是诊断人体疾病的重要手段之一，具有非常重要的临床意义。

为此，对该领域的研究背景、研究现状和发展趋势进行了充分调研，认为现有系统一般是单独的心音或者单独的脉搏采集调理电路，但是由于心动是脉动的源，心音与脉搏本身就存在着严密的医学联系，单独的心音或者单独的脉搏采集调理电路，无法对心音和脉搏信号进行关联分析提供大量可靠的数据样本，因此本文详细介绍了用通用器材制作心音、脉搏传感器的方法以及信号调理电路的设计方案。

1 心音、脉搏传感器的制作方法1．1 心音传感器选择及制作心音是人体最重要的声信号之一。

它是在心动周期中，由于心肌收缩和舒张、瓣膜启闭、血流冲击心室壁和大动脉等因素引起的机械振动，该振动通过周围组织传到胸壁成为可听到的声音。

心音信号中含有关于心脏各个部分，如：心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息，是临床评估心脏功能状态的最基本方法。

当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变(如ECG变化)以前，心音中出现的杂音和畸变就是重要的诊断信息。

1．1．1 心音传感器的选择心音采集系统首先要解决的是如何将心音信号转化为电信号的问题。

由于心音信号的频谱范围在人耳所能听到声音的低频段，约在20～600 Hz，因此可选用低频响应较好的话筒作为心音传感器。

驻极体式电容话筒低频特性能满足要求而价格低，该设计中选用直径6 mm的驻极体话筒。

1．1．2 心音传感头的制作制作心音传感头时，选用了由江苏鱼跃医疗设备股份有限公司出品的单用听诊器全铜听头部分，在听头耳把上套上约20 cm长的医用橡皮管，对心音进行物理增强，橡皮管的另一头挤压入微型驻极体话筒，话筒的两根导线用屏蔽电缆接到放大电路中。

1．2 脉搏传感器的选择及制作脉搏波是以心脏搏动为动力源，通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。

当心脏收缩时，有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内，使得该处的弹性管壁被撑开，此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能；心脏停止收缩时，扩张了的那部分血管也跟着收缩，驱使血液向前流动，结果又使前面血管的管壁跟着扩张，以此类推。

综合实训报告2014 — 2015学年第1 学期实训名称：便携式人体脉搏信号检测系统设计指导教师：学院：电气工程及其自动化学院班级：姓名：学号：2014 年10 月17 日便携式人体脉搏信号检测系统设计一．综合实训的主要内容设计一种人体脉搏信号检测系统，使得系统能够采集人体脉搏信号，并对信号进行处理，分析每分钟脉搏次数及其他生理指标。

人体脉搏信号检测系统能够通过USB端口与PC机通讯，并在PC机上对采集数据进行处理，并显示每分钟脉搏跳动的次数和脉搏波形。

二．硬件方案设计HK-2000B脉搏传感器：HK-2000B集成化脉搏传感器将力敏组件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿组件、感温组件、信号调理电路集成在传感器内。

具有灵敏度高、抗干扰能力强、过载能力大、一致性好、性能稳定可靠、使用寿命长等特点。

压电式原理采集信号，能够输出完整的脉搏波电压信号。

它的输出是和脉压对应的0~1.0v 脉动模拟电压信号。

AD/DA转换器PCF8951：8位AD/DA转换器。

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。

它具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。

PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。

在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C总线以串行的方式进行传输。

PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。

PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定。

STC89C52单片机：与51指令兼容。

通用型，有总线扩展和较强的位处理功能，其全双工异步串行通信口，所以具有串口通讯功能。

作为数据采集和传输的控制器。

RS232转USB芯片PL2303：PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB 接口转换器，可提供一个RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利联接的解决方案。

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。

人体脉搏计的设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握人体脉搏的基本知识，包括脉搏的定义、测量方法和正常范围。

2. 学生能了解电子电路的基本原理，掌握传感器的工作方式和数据处理方法。

3. 学生能结合数学知识，解释脉搏信号的变化规律，并运用公式进行简单计算。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计并制作一个简单的人体脉搏计。

2. 学生通过实践操作，提高动手能力，培养团队协作和问题解决能力。

3. 学生能运用图表、数据和文字，对实验结果进行整理和分析，形成实验报告。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对人体生理现象的好奇心和探究精神，增强学习生物和物理的兴趣。

2. 学生通过实践活动，体会科技与生活的紧密联系，增强创新意识和实践能力。

3. 学生在团队协作中，学会尊重他人、沟通与合作，培养积极向上的情感态度。

分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程将目标分解为具体的学习成果，包括：掌握人体脉搏知识、电子电路原理和数据处理方法；具备设计制作脉搏计的实践能力；培养团队协作、问题解决和实验报告撰写能力。

通过本课程的学习，旨在提高学生的跨学科综合运用能力，激发创新思维，增强实践操作技能，培养科学精神和合作意识。

二、教学内容1. 人体脉搏基本知识：包括脉搏的定义、测量方法和正常范围，对应教材生物学章节中关于人体循环系统的内容。

2. 电子电路基本原理：涉及传感器的工作原理、电路连接方式和数据处理方法，对应物理教材中有关电子电路和传感器的内容。

3. 数学知识应用：运用数学知识解释脉搏信号的变化规律，进行数据计算和分析，结合教材数学章节中的数据处理和函数知识。

教学大纲安排：第一课时：介绍人体脉搏基本知识，学习脉搏的定义、测量方法和正常范围。

第二课时：讲解电子电路基本原理，学习传感器工作方式和数据处理方法。

第三课时：结合数学知识，分析脉搏信号变化规律，进行数据计算和分析。

第四课时：实践操作，设计并制作人体脉搏计，学会电路连接和调试。

第1章绪论1.1 研究背景和意义随着社会和科学技术的不断进步，人们对生命现象的认识也越来越深入，生物医学信号的检查是对人体健康状况评估的手段。

在医院里，通过检查必要的生物医学数据，医生可以对病人健康程度做一个评估，并且根据数据诊断出病患所得的疾病以及康复状况。

同时，医药保健类产品早已经不是医院的专利，以家庭为单位，几乎每个家庭都配备了必要的医疗保健类用品[1-3]。

在适宜的医疗设备条件下，病人可以不依靠医生的辅助，自己采集医学生理数据，通过医学根据对此参数分析，评估健康水平或者诊断自身是否有疾病。

现代的医疗仪器给人民生活带来了便捷，在智能化、便携式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。

仪器在实现功能的同时都有不同的特点，有的仪器便于携带，有的仪器操作简单。

当然，结合众多优点的仪器无疑受到消费者的青睐。

以医院为单位，因为测量出来的数据可以直接提供给医生作为诊断或评估病人身体状况的参考，所以这类医疗仪器性能高、功能强大、测量数据准确。

而对于以家庭或个人来说，在保证功能的同时，方便测量生理数据、便于携带、价格低廉、智能化这些特点是此类医疗仪器发展的趋势。

作为诸多生理信号的一种，脉象信号蕴含着丰富的信息，从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征[4]。

许多中医文献分析脉象的形成和西医分析虽然表、述各有不同，但是有相同的科学原理。

人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及废物的运送。

血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。

当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏[1]。

正常人的脉搏和心跳是一致的。

脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟120-140次，幼儿每分钟90-100次，学龄期儿童每分钟80-90次，成人为60-100次/分，老年人为55-60次/分。