红外线心率计.pdf
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1、-.课程设计指导书课程设计指导书1 1产品简介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,这是红外线心率计的设计关键所在。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。2 2红外线心率计工作原理红外线心率计工作原理2.12.1红外线心率计的原理框图红外线心率计的原理框图整机电路由-10V 电源变换电路、血液波动检测电路、放大整形滤波电路、3 位计数器电路、门控电路、译码驱动显示电路组成,如图
2、1 所示。图 1红外线心率计的原理框图+12V 电源变换电路-10V门控电路血液波动检测放大、整形、滤波3 位计数器译码、驱动、显示2.22.2单元电路的工作原理单元电路的工作原理 负电源变换电路负电源变换电路负电源变换电路的作用是把+12V 直流电变成-10V 左右的直流电压,-10V 电压与+12V 作为运算放大器的电源。负电源变换电路如图2 所示,其中 IC1(CD4069)为六非门集成电路,它的部结构图如图 3(a)所示。负电源变换电路工作原理:通电的瞬间,假设 A 点是低电位,则 B 点是高电位,C 点是低电位,D 点是高电位。B 点的高电位通过 R19给 C7充电,当 F 点的电压
3、高于 IC1(CD4049)的电平转换电压时,B 点输出低电位,C 点(C7一端)输出高电位,由于电容两端的电压不能突变,所以C7两端的电压通过 R19放电。当F 点电压低于 IC1的转换电压时,B 点输出高电位,此高电位通过 R19对 C7充电,如此循环。C 点得到方波,经过后面四个反相器反相、扩流后,在 D 点得到方波。当 D 点是高电平的时候,V1导通 C8被充电,大约充到11V 左右,当D 点变成低电平的时候,由于 C8两端电压不能突变,G 点电压被拉到-11V 左右,此时 V2导通,C9反方向进行充-可修编-电,使 E 点电压达到-10V 左右。由于带负载的能力不强,当带上负载后,E
4、 点电压大约降到9V 左右。+12V+12V1 114141 1ICIC1 1A A3 31 12 2B BICIC1 1ICIC1 15 51 14 4C C7 7ICIC1 11 1ICIC1 11 1C C8 86 6D D+G G15151N41481N4148V V2 2-10V-10VR R181868k68kR R19195k65k69 9C C7 71000P1000P1111F F10102.22.2FFV V1 11N41481N4148E EC C9 92.22.2FF+ICIC1 11 112128 8图 2 电源电路1616NCNC151514141313NCNC12
5、1211111010 9 98 8V+V+7 76 65 5-V VDDDD1 12 23 34 45 56 67 7V VSSSS 8 81 12 2+3 34 4V-V-(a)CD4049(b)LM741图 3集成电路的结构图 血液波动检测电路血液波动检测电路血液波动检测电路首先通过红外光电传感器把血液中波动的成分检测出来,然后通过电容器耦合到放大器的输入端。如图4 所示。+12V+12V3k3kR R1 11k81k8TCRT5000TCRT5000R R2 222k22kC CE EC C1 1+放大整形放大整形电路电路+图 4血液波动检测电路TCRT5000 红外光电传感器的检测方法
6、:-可修编-首先用数字万用表的二极管档位正向压降测试控制端发射管(浅蓝色)的正、负极,将红黑表笔分别接发射管的两个引脚,正反各测一次,表头一次显示“1.05(0.9-1.1)”,一次显示溢出值“-1”,则显示 1.05V 的那次正确,红表笔接的是正极,黑表笔接的是负极。若两次都显示“1”,说明发射管部开路,若两次都显示“0”发射管不短路。然后再判断接收管的C、E 极和光电转换效率,方法如下:将发射管的正负极分别插入数字万用表hFE档 NPN 型的 C、E 插孔,再将模拟万用表打到 R1k档。红黑表笔分别接接收管的两个引脚,若表针不动,则红黑表笔对调,若表针向右偏转到15k左右,则黑表笔所接管脚
7、为C,红表笔所接管脚为E。此时,再用手指或白纸贴近两管上方,表针继续向右偏转至1k以,说明该红外光电断续器的光电转换效率高。血液波动检测电路工作原理:TCRT5000 是集红外线发射管、接收管为一体的器件,工作时把探头贴在手指上,力度要适中。红外线发射管发出的红外线穿过动脉血管经手指指骨反射回来,反射回来的信号强度随着血液流动的变化而变化,接收管把反射回来的光信号变成微弱的电信号,并通过C1耦合到放大器。放大、整形、滤波电路放大、整形、滤波电路放大、整形、滤波电路是把传感起检测到的微弱电信号进行放大、整形、滤波,最后输出反映心跳频率的方波,如图5 所示。其中 LM741 为高精度单运放电路,它
8、们的引脚功能如图 3(b)所示。IC2、IC3、IC4都为 LM741。R R4 4200k200kR R8 8300k300k+12V+12VICIC3 37 73 3-A A2 2 6 62 2+4 4R R7 72k2k-10V-10V二级放大二级放大滤波滤波V V3 31N41481N4148R R121230k30kR R131330k30k+12V+12VR R101010k10kICIC4 43 3R R3 33k3kR R5 52k2k+12V+12VICIC2 27 73 3-6 6A A1 12 2+4 4-10V-10V一级放大一级放大+12V+12V+6 62 2-A
9、A3 37 7R R6 63k3kR R9 9390390V V4 42 2C C2 20.470.47+C C3 30.470.47+4 4R R11113k3k0V0V整形整形图 5信号放大、整形电路因为传感器送来的信号幅度只有25 毫伏,要放大到 10V 左右才能作为计数器的输入脉冲。因此放大倍数设计在4000 倍左右。两级放大器都接成反相比例放大器的电路,经过两级放大、反相后的波形是跟输入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一个交流信号。其中 A1、A2的供电方式是正负电源供电,电源为+12V、-10V。A1、A2与周围元件组成二级放大电路,放大倍数Auf为:AufR4R8 666
10、6 4000R3R6-可修编-由于放大后的波形是一个交流信号,而计数器需要的是单方向的直流脉冲信号。所以经过 V3检波后变成单方向的直流脉冲信号,并把检波后的信号送到 RC 两阶滤波电路,滤波电路的作用是滤除放大后的干扰信号。R9、V4组成传感器工作指示电路,当传感器接收到心跳信号时,V4就会按心跳的强度而改变亮度,因此 V4正常工作时是按心跳的频率闪烁。直流脉冲信号滤波后送入 A3的同相输入端,反相输入端接一个固定的电平,A3是作为一个电压比较器来工作的,是单电源供电。当 A3的 3 脚电压高于 2 脚电压的时候,6 脚输出高电平;当A3的 3 脚电压低于 2 脚电压的时候,6 脚输出低电平
11、,所以 A3输出一个反应心跳频率的方波信号。门控电路门控电路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 定时器部电路及其电路功能如图6(a)、(b)所示。555 部电路由基本 RS 触发器 FF、比较器 P1、P2和场效应管 V1 组成(参见图 6(a))。当 555 部的 P1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(Vco 2VDD)时,P1输出高电位,置触发器 FF3为低电平,即Q=0;当P2同相输入端(+)的输
12、入信号VS大于其反相输入端(-)的比较电压VCO/2(1/3VDD)时,P2输出高电位,置触发器 FF 为高电平,即 Q=1。RD是直接复位端,RD 0,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,也可以使用部分压器产生的电压,这时 P2的比较电压为 VDD/3,不用时常接 0.01F 电容到地以防干扰。V VDDDD8 8R R1 1V VC0C0V VR R5 56 6R R2 25k5k+-R R3 3放电放电DISCDISC7 7V V1 15k5k+-5k5kCMPCMP1 1+R RD D4 4FFFFR
13、 R1R1R1S1SQ Q1 1复位复位电源电源4 4 3 3Q Q放电放电7 7R RD DDISCDISC8 8V VDDDDV VS S2 2CMPCMP2 2置“0”置“0”6 6输入输入置“1”置“1”2 2输入输入R RS SQ Q3 3输出输出GNDGNDVCCVCC5 51 1控制地控制地(a)555 定时器部电路(b)555 简化符号图 6555 定时器部电路及其功能符号由 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,并控制每次测量的时间,电路如图 7(a)所示。-可修编-+12V+12VR R14141k1kV5V5计数指示计数指示V V6 680508
14、050R R16168k28k2R R1717200k200kR R3131100k100k3 34 42 2S S1 1ICIC5 5NE555NE5551 15 5C C5 50.010.018 87 76 6+C C6 6100100u u2 22VDD3R R151510k10kICIC5 511脚11脚u uC6C6u u3 3u uC6C6TwTw(a)电路(b)工作波形图 7由 555 组成的门控电路 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(参见
15、图 7(a))。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 部 CMP2输出高电平(参见图 6(a)),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 场效应管截止,12V 电压通过 R17给 C6充电,C6的电压逐渐增高,如图7(b)uC6波形。当 C6的电压充到 2/3 电源电压的时候,555CMP1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
16、器 MC14553 的 11 脚变为高电平,计数器停止计数;同时 555 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。脉宽 TW 可根据下式计算:TW R17C6lnVDD R17C6ln3 1.1R17C6式 1-12VDDVDD33 3 位计数电路位计数电路由 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8(a)所示,有四个BCD 码输出端 Q1Q3,可分时输出三组BCD 码;有三个分时同步控制信号DS1DS3,为计数器的输出提供分时同步输出控
17、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。-可修编-16161515VDDDS31414O.F1313R1212CP1111DIS1010LE 9 9Q01616VDD1515f1414g1313e1212dCD45431111c1010b 9 9aMC14553DS2DS112 2CB3 3CA4 4Q35 5Q26 6Q17 7V VSSSS 8 8LD1C2 2B3 3D4 4A5 5PH6 6BI7 7V VSSSS 8 8(a)MC14553(b)CD4543图 8集成电路引脚功能图计数器 MC14553 真值表如下:表 2.1MC14553
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