红外线心率计要点.pdf

课程设计指导书 1 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 红外线心率计工作原理 2.1 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1 所示。 图 1 红外线心率计的原理框图 2.2 单元电路的工作原理 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， 它的内部结构图如图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点电压大约降到9V 左 右。 血液波动 检测 放大、 整形、 滤波 译码、 驱动、 显示 3 位 计数器 门控电路 +12V 电源 变换电路 -10V 2 11 1 1 1 +12V -10V 325 4 1415 76 910 1112 V1 V2 C8 C9 + + R18 68k R19 5k6 C7 1000P 2.2 F 2.2 F IC1 IC1 IC1 IC1 IC1 IC1 1 8 A B C F D G 1 1N4148 1N4148 E 图 2 电源电路 NC 1615141312 91110 8765432 VDDVSS NC 1234 5 678 +- V+ V- 1 (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 R1 1k8 R2 22k C1 + TCRT5000 放大整形 电路 +C E 3k 图 4 血液波动检测电路 TCRT5000红外光电传感器的检测方法： 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 3 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” ，说明发射管内部开路，若两次都显示“0”发射管内不短路。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R× 1k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以内，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，它们的引脚功能如 图 3 (b)所示。 IC2、IC3、IC4都为 LM741 。 + - - + - + R3 3k R4 200k R5 2k R6 3k R8 300k R7 2k V3 1N4148 R9 390 V4 R12 30k 0.47 R13 30k R10 10k R11 3k +12V C2 C3 0.47 A1A2 A3 一级放大 二级放大 滤波 整形 2 3 6 33 2 22 6 6 IC2IC4IC3 +12V+12V +12V 7 4 7 44 7 -10V 0V-10V + 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： 40006666 R R R R A 6 8 3 4 uf 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 4 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，所以A3输出一个反应心跳频率的方波信号。 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6(a) 、(b) 所示。 555 内部电路由基本RS触发器 FF、比较器COMP 1、COMP2和场效应管V1组成（参见图6(a） ) 。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（ DD3 2 VVco）时， COMP 1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 S V 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 。 D R是直接复位端，0RD，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0.01 F电容到地以防干扰。 + + - - + + VDD VC0 5 6 VR VS 放电 2 5k 5k 5k R1 R2 R3 CMP1 CMP2 3 Q RD R 1R 1S Q FF 7 V1 1 4 复位电源 放电 置“0” 输入 置“1” 输入 7 6 2 3 8 输出 R S 51 GND VCC Q 控制地 DISC DISC RDVDD 48 (a) 555定时器内部电路 (b) 555简化符号 图 6 555定时器内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。 5 +12V R14 1k V5 计数指示 R15 10k R16 8k2 R17 200k 100 C6 0.01 C5 S1 3 2 48 7 6 IC5 NE555 V6 8050 1 + IC5 11脚 5 u2 uC6 u3 uC6 DD V 3 2 Tw R31 100k (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 内部 CMP 2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 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，如图7(b)u C6波形。 当 C6的电压充到2/3 电源电压的时候，555 内 CMP 1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。 脉宽 TW 可根据下式计算： 617617 DDDD DD 617W CR1 .13lnCR V 3 2 V V lnCRT式 1-1 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。 6 1615141312 91110 8765432 VSS 1 2 DS 1 DS CBCAQ3Q2 Q1 VDD 3 DSO.F RCPDISLEQ0 1615141312 91110 8765432 VSS 1 VDD CBDAPHBI a bcde g f MC14553 CD4543 LD (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 2.1 MC14553真值表 输入 输出 置零端（ 13 脚）时钟（ 12 脚）使能（ 11 脚）测试（ 10） 0 上升沿0 0 不变 0 下降沿0 0 计数 0 X 1 X 不变 0 1 上升沿0 计数 0 1 下降沿0 不变 0 0 X X 不变 0 X X 上升沿锁存 0 X X 1 锁存 1 X X 0 Q0123=0 X=任意 计数器 MC14553的 DS1DS3输出为方波， 波形如图 8 所示。 当按下 S1时（参见图7(a ）) ， 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Q0Q3输出。 11 脚不管是高电平还是低电平，DS1DS3始终是输出图9 的方波。当DS3是低电平的时候，个 位显示器被选中，Q0Q3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， Q0Q3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，Q0Q3输出百位 要显示的数值。 图 9 DS1DS3输出波形图 7 译码、驱动、显示电路 3 位计数电路、译码、驱动、显示电路如图10 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的引脚功能如图8（b）所示。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：ag。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： 表 2.2 CD4543的真值表 输入输出 LD (1) BI (7) PH (6) D C B A a b c d e f g 显示 X 1 1 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 4 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 5 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 6 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 9 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 黑屏 8 a b c d e f g Q0 Q1 Q2 Q3 A B C D CIA CIB CLK DIS MR VSS VDD4 3 12 11 13 16 8 9 7 6 5 5 3 2 4 DS2 DS3 DS1 2 1 15 C7 1000P VSSBI VDD LDPH 9 13 14 15 10 11 12 1661 +12V V7V8 V9 R21R23 4.7k R24R30 1k7 3 IC46脚输出 V6C 极 IC6 IC7 R20 10k 8550 8550 8550 78 10 百 af 十 个b edcg 个 十 百 图 10 3位计数、译码、驱动、显示电路 上图中： IC6 为 MC14553 ；IC7 为 CD4543 。 9 图 1 1 整 机 原 理 10 3 红外线心率计调试工艺 3.1 基本要求 熟练掌握用数字万用表测量集成电路以及各种元器件引脚的电压，判别各种集成电路 输入、输出状态；熟练使用示波器测量要求点的电压波形。 会利用电原理分析和排除调试过程中出现的故障。 3.2 调试技术的发展： 当代电子产品调试技术的发展有三个明显的趋势： 强调整体调试 由于微电子技术和EDA （电子设计自动化）技术飞速发展，电子产品元器件数量减少， 设计制造水平不断提高，使得大批产品内的同一功能电路之间差别微小，不同工能模块之间 的配合有条件在产品设计中解决，因此一个电子产品内各功能块不需要或很少需要调试。调 试工作主要集中在整体调试，极大提高了效率，降低了产品制造成本。 趋向免调试、少测试 由于现在很多电子产品采用高集成度专用的集成电路；大规模、超大规模通用集成电路 和高质量电子元器件组成，制造工艺先进， 使电子产品调试走出传统反复调整和测试的模式， 向免调试、 少测试方向发展。例如现代采用单片集成电路和SMT技术制造的数字调谐收音机， 几乎不用调整，只须很少测试便可以达到较高的指标。 发展自动测试 先进的计算机集成制造系统将电子产品的测试完全由计算机控制，产品的一致性和质量 都达到空前的水平。 3.3 红外线心率计的调试过程 电源变换电路的调试 把 12V直流电压送入电源变换电路CD4096的 1 脚（正极）与8 脚（负极）之间，注意正 负极。用数字万用表DC20V挡测集成电路CD4096的 1 脚与 12 脚之间电压为12V。此时， RC 振荡器应该工作，用示波器（量程DC5V/DIV）测试 C 点（参见图3）的电压波形，应该是一 个不规范的方波，测试D 点的波形，应该是规范的方波，把C 点、 D 点测量电压波形记录在 表 4.1 中。用数字万用表的DC20V挡测量 E点对地的电压，应该是-10V 左右，把测得电压记 录在记录表3 中。 （如果没有方波，说明电路没有起振，应检查RC电路和芯片4096 的电源有 没有接错；如果电路起振，而没有-10V 电压，检查二极管V1、V2和电解电容C6的极性有没有 接错。 血液波动检测电路的调试 电路连接完毕后通电。把食指放在传感器的探头处，适当调节压力。用示波器的AC 挡 （5mV/DIV、500mS/DIV）去测量电容C1正极对地的波形，应该能在示波器上看到心跳微弱的 波动，幅度大约是几个毫伏。如果有此波形，说明传感器工作正常，如果没有，检查传感器 的引脚是否接错。用示波器去测量C1负极的波形，应该能看到比刚才那个波形幅度还要小的 11 波动。 放大、整形、滤波电路的调试 电路连接完毕后通电。测量IC2、IC3的 7 脚、4 脚对直流地的电压（即运放的供电电压）， 应该为 +12V 、-10V 左右。测量IC4的 7 脚、 4 脚之间的电压，应该为+12V左右。 把食指放在传感器（ON2152 ）的探头上，适当调节压力。V4应该会有节律的闪烁，闪烁 的频率跟心跳的频率吻合。此时，用示波器测量IC2的 6 脚波形，应该是放大了R4/R3倍的波 动信号。用示波器测量IC3的 6 脚波形，应该是比IC2的 6 脚波形放大了R8/R6倍的波形 ( 因为 放大倍数很大，波形有削顶现象) 。IC2、IC3的放大倍数可以根据自己的实际情况适当做一些 调整。用示波器测量IC4的 6 脚波形，应该是一个规范的方波，是单极性的，如果没有方波， 或方波的占空比太小，可以适当改变R10、 R11的阻值。把测得的三个波形画入表4.3 中。 如果手上暂时没有传感器，则使用函数信号发生器产生几hz、几 mv 的正弦波，并把该 波形加到C1的负极，同样也可以按上述的方法进行调试。 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。 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4.5 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的引脚电压并填入表4.6 、表 4.7 。 12 3.4 外线心率计调试记录表 表 3.1 电源电路 测量项目C点电压波形D点电压波形 画出被测量 波形并标出 幅度与周期 E点电压UE= V 表 3.2 血液波动检测电路 测量项目C1正极电压波形C1负极电压波形 画出被测量 波形并标出 幅度与周期 表 3.3 放大、整形、滤波电路 测量项目IC2的 6 脚电压波形IC3的 6 脚电压波形IC4的 6 脚电压波形 画出被测量 波形并标出 幅度与周期 一级放大倍数：一级放大倍数： 13 表 3.4 门控电路 稳态时 IC4（555）及三极管 V6的 C极电压 测量 项目 U1U2U3U4U5U6U7U8UC 测量值 暂态时 IC4 （555）及三极管 V6的 C极电压： 测量 项目 U1U2U3U4U5U6U7U8UC 测量值 暂稳态时间t= 秒 表 3.5 计数、译码、驱动、显示电路 测量项目DS1、DS2、 DS3波形（画在一起）V3、V4、V5的 C极（画在一起） 画出被测量 波形并标出 幅度与周期 表 3.6 稳态时 MC14553引脚电压 测量 项目 MC14553 U5U6U7U9U3U4U11U13U8U16 测量值 表 3.7 稳态时 CD4543引脚电压 测试项目 CD4543 U2U3U4U5U9U10U11U12 测量值 测试项目U13U14U15U1U6U16U7U8 测量值 所测得的心率是：次/ 分钟 14 附件 1：元器件清单 器件IC 电阻器电容器二极管三极管LED 按钮传感器数码管 电源 变换 电路 IC1 4096*1 68k*1 5k6*1 102*1 2.2 F*2 1N4148 *2 血液 波动 检测 电路 1k8*1 22k*1 10F*2 0N2152 *1 放大 整形 滤波 电路 IC2、 IC3、 IC4 LM741* 3 3K*2 200K*2 2K*2 30K*2 10K*1 7K5*1 390*1 0.47 F*2 1N4148 *1 红*1 门控 电路 IC5 555*1 1k*1 10k*1 8k2*1 273k*1 103*2 100F*1 8050*1 绿*1 常开 *1 计数 译码 驱动 显示 电路 IC6 4553*1 IC7 4543*1 1k*7 4k7*3 102*1 100F*1 8550*3 共阳 7 段*3