大学毕业论文-—数显脉搏测试仪课程设计.doc

目 录

摘 要..........................................................................3
第一章 绪论....................................................................4
1.1 心率测试的意义..............................................................4
1.2 心率测试仪的组成框图........................................................4
1.3 心率测试的基本过程..........................................................5
第二章 基础知识介绍.......................................................6
2.1 PVdF传感器............................................................6
2.1.1敏感部分..........................................................6
2.1.2电荷放大器........................................................7
2.2 555定时器.............................................................7
2.2.1 555定时器的基本功能.............................................7
2.2.2 555组成的基本电路及应用........................................9
2.3 十进制加法计数器74160.................................................10
2.4 锁存器74LS373.........................................................10
2.5 显示译码器74LS48......................................................11
2.5.1 译码驱动器.......................................................11
2.5.2 发光二极管显示器.................................................13
2.6 数值比较器74LS85.......................................................13
2.6.1 74LS85的逻辑功能图和引脚图......................................13
2.6.2 74LS85实现的逻辑功能............................................14
第三章 电路设计.............................................................15
3.1 传感器模块.............................................................15
3.1.1 传感器的选择......................................................15
3.2 放大模块................................................................15
3.2.1 放大电路.........................................................15
3.3 整形模块...............................................................16
3.3.1 电路图............................................................16
3.3.2 电压比较器......................................................17
3.3.3 单稳态触发器....................................................17
3.4 计数模块................................................................17
3.4.1 计数电路........................................................17
3.4.2 设计说明........................................................17
3.5 定时模块...............................................................17
3.5.1 电路设计........................................................17
3.5.2 计算说明........................................................17
3.6 译码显示模块...........................................................18
3.6.1 设计电路图........................................................18
3.7 数值比较模块............................................................1
3.7.1 设计电路图.......................................................19
3.7.2 比较原理说明.....................................................19
3.8 报警模块...............................................................20
3.8.1 报警电路........................................................20.
3.8.2 工作原理.........................................................20
第四章 电路综合..........................................................21
4.1 整体电路介绍..........................................................21
4.2 整个电路工作过程......................................................21
第五章 总结................................................................22
参考文献..........................................................................23
附图...............................................................................24

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师评阅书

指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

心率测试仪
教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：

系主任： （签名）
年 月 日

摘 要

本次课程设计的主要内容是设计一个由取样电路、放大整形电路、计数显示电路、比较报警电路组成的脉搏信号实时采集系统。采用高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块。具有时基信号频率稳定，设置合理，计数器清零及时等优点。设计的主要结果归纳如下：
（1） 研究了PVDF压电脉搏传感器的设计原理和优点
（2） 放大电路的设计
（3） 电压比较及波形整形电路的选择
（4） 计数器的比较与选择
（5） 译码显示设计
（6） 定时控制系统
（7） 报警控制
关键字：传感器,脉搏信号,信号分析,报警

第一章 绪论

心率（HR）是指单位时间内心脏搏动的次数。正常成年人安静时的心率也有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—150次/分之间)。心率可因年龄、性别及其他生理情况而不同。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。
心率作为血液循环机能的重要生理指标而在运动中被广泛地应用。运动中，心率随机体代谢需要而增加，在一定范围内可反映运动强度、机体的代谢水平，在有氧运动中常用心率作为控制运动强度的指标。运动后，心率的恢复又可作为评定运动负荷适宜与否以及心脏机能状态的指标和依据。安静状态时基础心率的测定，在医务监督中则可作为判断某一阶段机体是否有过度疲劳和评定运动员训练程度的指标。
它实现的主要功能有：（1）可以测1分钟脉搏跳动的次数，并以数字显示。（2）测量范围：40-200次/分。（3）测量时间：15秒内完成。（4）能判断心率不齐且报警。（5）测量误差不超过1次/分。
1.1心率测试的意义
现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。
心率是指人体心脏每分钟搏动的次数．它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此，设计一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值，可与微机通讯并具有较强抗干扰能力，能对超出正常范围的心率进行报警的心率测试仪是十分必要的。
1.2心率测试仪的组成框图

定时器
计数器
整形电路
放大模块
传感模块

报警电路
数值比较器

译 码
显 示
锁存器

图1-1 心率测试仪的组成框图

1.3心率测试的基本过程
测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。根据人体脉搏信号特征，设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，输出电荷信号，然后转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，去掉干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，把记录的结果进行比较，不在正常范围内就进行报警，由定时器控制复位端和清零，再进行下一次测量计数。

第二章 基础知识介绍

2.1 PVdF传感器
2.1.1敏感部分
本设计的脉象仪传感器的敏感部分是PVdF (聚偏二氟乙烯) 压电薄膜，它有如下几个优点：
① 压电常数大( d33 = 20 pC/ N) ,变力响应灵敏度高。比石英晶体高10 倍,压电电压输出常数g = 174 是所有压电体中最高的。
② 在非常高的交变电场中不至于去极化,单位体积能获得大的输出功率。因为换能器单位体积最大输出功率正比于机电耦合系数和能承受的最大电场强度的平方。
③ 膜轻且柔韧，易于制备，与人体组织的阻抗耦合性好，能紧贴皮肤，使得脉搏信号通过薄膜而不失真。另外由于薄膜类似于人类皮肤，可以制作仿生触觉传感器。
④ 机械品质因素低,阻尼小,密度低,具有宽带特性,能满足脉搏信号的频率特性。人体的脉搏频率非常低,约为015～4 Hz ,一般情况下为1 Hz左右。由于PVdF膜的柔性及其厚度方向伸缩振动的谐振频率很高,使得在很宽范围内有平坦的频率响应(响应范围是011 - 100 MHz) 。因此,从理论上讲,PVdF 换能器能检测微弱低频的脉搏信号。
根据中医切脉模式,我们研制出了三点式的传感器,三个换能器分别由PVdF 薄膜作成正方形片状, 面积约为16mm2 ,相当于切脉时指腹的受力面积。在压电薄膜电荷生成的两极分别蒸镀铝电极并引出导线,用柔性有机塑料薄膜封装并作成圆形基片,装在一根表带上。以单个换能器为例,其结构如图2-1 所示:

图2-1 　PVdF 薄膜换能器

如图2-2 所示,当周期性脉搏压力作用在换能器上时,桡动脉血产生的压力周期均匀地作用在换能器上,将机械能转化为电能。

图2-2 　桡动脉及换能器剖图

图2-3 　PVdF 膜应变示意图
换能器输出电荷与所受压力关系：Q ( t) = d33 F( t )
其中，d33 为压电常数,单位为C/N，表示其电荷灵敏度, F( t ) 为周期变化的脉搏压力。
2.1.2电荷放大器
主要是对检测到的微弱脉搏电信号进行处理，把电荷信号转化为电压信号。

图2-4 电荷放大器
Usc ( t) ≈ - Q/Cf= -d33 F( t)/Cf
2.2 555定时器

2.2.1　555定时器的基本功能
555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。
555定时器原理图及引线排列分别如图2-5与2-6所示。其功能见表2-1。定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给和提供参考电平2/3和1/3。和的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。
4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则；正常工作时4接为高电平。
5脚为控制端，平时输入2/3作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。

图2-5 定时器内部框图

图2-6 555定时器引脚

表2-1 555定时器的功能表

2.2.2　555组成的基本电路及应用
1．构成单稳态触发器
电路如图2-7所示，接通电源→电容C充电（至2/3Vcc）→RS触发器置0→，T导通，C放电，此时电路处于稳定状态。当2加入<1/3Vcc时，RS触发器置1，输出=1，使T截止。电容C开始充电，按指数规律上升，当电容C充电到2/3Vcc时，翻转，使输出。此时T又重新导通，C很快放电，暂稳态结束，恢复稳态，为下一个触发脉冲的到来作好准备。其中输出脉冲的持续时间=1.1RC，一般取R=1kΩ~10MΩ，C>1000PF，只要满足的重复周期大于，电路即可工作，实现较精确的定时。

图2-7 单稳态触发器
2．多谐振荡器
电路如图2-8所示，电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡（振荡过程自行分析）。电容C在1/3Vcc--2/3Vcc之间充电和放电。
555电路要求R1与R2均应大于或等于1kΩ，使R1+R2应小于或等于3.3MΩ。

图2-8 多谐振荡器

2.3 十进制同步计数器74160

图2-9 74160的逻辑功能示意图和引脚图
74160采用同步级联方式可组成几位十进制计数器，清零端MR,计数脉冲输入端CLK，ENT/ENP使能端，输出Q3Q2Q1Q0
2.4 锁存器74LS373

图2-10 74LS373的引脚图

表2-2 74LS373的功能表
E
G
功　　能
0
0
直通Qi = Di
0
1
保持（Qi保持不变）
1
X
输出高阻
Q0——建立稳态前Q的电平；
       G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE——使能端，接地。
       当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；
       当G为下降沿时，将输入数据锁存。
锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7 状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。

2.5 显示译码器74LS48
2.5.1译码驱动器

图2-11 74LS48的引脚功能图
74LS48为BCD-7段译码器，74LS48用来驱动共阴极的发光二极管显示器。74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。74LS48的功能表如表2-3所示，其中为8421BCD码输入端，a~g7段译码输出端。

表2-3　74LS48功能表
功能或数字
输入
输出
显示字形

a b c d e f g
灭灯试灯动态灭零
x x
0 x
1 0
x x x x
x x x x
0 0 0 0
0(输入)
1
0
0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0
灭灯
8
灭灯
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1 1
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
1 x
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 0 0 0 0
1 1 0 1 1 0 1
1 1 1 1 0 0 1
0 1 1 0 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1
0 0 1 1 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 0 1 1
0 0 0 1 1 0 1
0 0 1 1 0 0 1
0 1 0 0 0 1 1
1 0 0 1 0 1 1
0 0 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

－

注：是一个特殊端，有时用作输入，有时用作输出。
各使能端功能简介如下：
：灯测试输入使能端。当=0时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段全亮，因此，=0可用来检查74LS48和显示器的好坏。
：动态灭零输入使能端。在=1的前提下，当=0且输入=0000时，译码器各段输出全为低电平，显示器各段全灭，而当输入数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。
：静态灭灯输入使能端，只要=0，不论输入为何种电平，译码器各段输出全为低电平，显示器灭灯（此时为输入使能）。
RBO：动态灭零输出端。在不使用功能时，为输出使能（其功能是只有在译码器实现动态灭零时RBO=0，其它时候RBO=1）。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的RBO接到相邻低位的，实现小数位的零消隐是将低位的RBO接到相邻高位的。

2.5.2发光二极管显示器

图2-12 7段码显示器

2.6 数值比较器74LS85

2.6.1 74LS85的逻辑功能图和引脚图

图2-13 74LS85的逻辑功能图

图2-14 74LS85的引脚图

2.6.2 74LS85实现的逻辑功能
图2-15 74LS85的功能表

如图2-15所示，是74LS85的逻辑功能表，在比较两个多位数的大小时，必须自高而低地逐位比较，而且只有高位相等时，才需要比较低位。
例如，A,B是两个4位二进制数A3A2A1A0和B3B2B1B0，进行比较时应首先比较A3和B3。如果A3＞B3，那么不管其他几位数码各为何值，肯定是A＞B，如果A3=B3，这就需要判断比较下一位A2和B2来判断A和B的大小了，依此类推，就能比较出结果。

第三章 电路设计

3.1传感器模块

3.1.1传感器的选择
传感器用于脉搏信号的获取及数字化，这里选择PVDF（聚偏二氟乙烯）压电脉搏传感器。它是一种高性能、低成本的震动传感器，具有抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点，并具有良好的低频响应。它采用PVDF 压电薄膜作为换能元件，脉搏信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量再经片内放大电路转换为压电信号输出。PVDF薄膜呈圆顶状且略向外突出，以便很好地与皮肤表面接触。由于PVDF材料柔性好，能紧贴皮肤，阻抗能与皮肤阻抗匹配，采用其后即使在应力作用下也不会影响检测脉冲的压力变化，故能检测到微小的脉动信号。
经过电荷放大器出来的电压信号Usc≈0.1v
3.2放大模块
3.2.1放大电路
传感器出来的电压信号，约等于0.1v送到放大电路。放大电路由一个运放和两个电阻就组成了符合要求的放大电路。放大倍数可调，本次放大大约为10倍。
传感器
整形电路

图3-1 放大电路

3.3整形模块
3.3.1电路图
放大器输出的心电信号还不能直接用于心率测量，必须经过整形电路变换成脉冲信号。整形电路如图3-2所示。本设计的整形电路先通过比较器把脉搏波变成方波，再通过R19 与C8 进行微分后触发555 组成的单稳电路把方波整形成宽度也相等的窄脉冲，以作为锁存使能信号和计数器延时清零信号。
计数电路
放大电路

图3-2 整形电路
3.3.2电压比较器
考虑到经过放大的心电信号的幅度约为4V，选择比较器的参考电压为UREF=3V，经电阻R15 和R16分压后得门限电平UT=[R15/（R15+R16）]× UREF，接到集成运放的反向输入端，调节R15 的阻值即可改变门限电平。当心电信号高于UT 时，输出高电平；反之，输出低电平。在比较器输出端即可得到幅度相等而宽度不规则的方波。
UT= [R15/（R15+R16）]× UREF=[5/(5+1)]×3v=2.5v
3.3.3单稳态触发器
由555 构成的单稳态触发器把不规则的方波改善成幅度、宽度都相等的窄脉冲。根据脉冲宽度计算公式：tw= R17C10ln3=1.1R17C10，可知，单稳态触发器输出脉冲宽度tw仅决于定时元件R17、C10 的取值。
3.4计数模块
计数脉冲端
3.4.1计数电路

计时清零端

百 位
十 位
个 位

图3-3 计数电路

3.4.2设计说明
因为每分钟心跳次数在60到150之间，所以用三片74160采用同步级联方式组成3位8421BCD码十进制计数器，如图3-3，74160（1）作为个位计数，当到十的时候就进位到十位74160（2），74160（2）满十又进位到百位74160（3）。
考虑到后面的显示译码部分不要太复杂，转换进制，这里选用十进制的计数器，三片级联，可以测量0到999的范围。

3.5定时模块
3.5.1电路设计
计数器清零端

锁存器/计数器使能端

非门

图3-4 定时器
3.5.2计算说明
T1=0.693(R20+RV1)C4=0.693（100K+36.37K）×100u=15s 高电平
高电平的时候开始计时，15s以后跳变到低电平，驱动锁存器，然后译码显示，同时定时器还接两个非门作为延时，到计数清零端，为了使显示端正确的显示跳动次数，所以加非门，对计数器清零以后又等待下次高电平的到来，再驱动计数器开始计数，重复这个过程。

3.6译码显示模块
3.6.1设计电路图
由三部分组成，计数器模块的输出送到锁存器，然后由定时器控制的锁存器再将数据送到译码驱动部分，然后驱动LED7段显示数码管显示数据。由于计数器所用的是三位的十进制计数器，所以，每部分显示的就是跳动次数的BCD码。

计 数 器 模 块

定时器

个 位
十 位
百 位

图3-5 译码显示电路

3.7数值比较模块
3.7.1设计电路图
是否大于 150的比较结 果
脉 搏 跳 动 次 数
是否小于60的结果

图3-6 数值比较电路
3.7.2比较原理说明
这里是将三片74LS85级联组成一个12位的数值比较器。
根据多位数比较的规则，在高位相等时取决于低位的比较结果，因此，只要将两个数的高位到低位分别接在第一片，第二片和第三片上，同时把第一片的A＜B_IN,A=B_IN,A＞B_IN接到第二片的A＜B，A=B，A＞B上，第二片的A＜B_IN,A=B_IN,A＞B_IN接到第三片的A＜B，A=B，A＞B上就行了。
由三位十进制计数器的输出端把数据送到数值比较器，如图3-6所示，比较电路由两部分组成，第一部分，由低位到高位74LS85(1)、74LS85(2)、74LS85(3)三片接成12位数值比较器，因为计数器是十进制的，所以，要与十进制的60的BCD码进行比较，因为60的BCD码可表示为：
60=060=0000，0110，0000
所以，分别给从高位到低位的三片74LS85的A3A2A1A0依次设为0000，0110，0000。这样就可得到脉搏跳动次数与60的比较结果。
同理，第二部分，与150比较，从低位到高位74LS85(4)、74LS85(5)、74LS85(6)三片级连，因为150的BCD码可表示为：
150=0001，0101，0000
所以，分别给从高位到低位的三片74LS85的A3A2A1A0依次设为0001，0101，0000。这样就可得到脉搏跳动次数与150的比较结果。

3.8报警模块
3.8.1报警电路

与150比较结果
与60比较结果

图3-7 报警电路
3.8.2工作原理
由数值比较器出来的结果，与60比较的结果是数值比较器第一部分的是否比60小的输出端，如果比60小，则输入或门2端口的是高电平1，与150比较的结果是数值比较器第二部分的是否比150大的输出端，如果比150大，则输入或门1端口的高电平1，得