紅外線心率計

1、胡雁山資料第三次討論結(jié)果2011150103111 產(chǎn)品簡介紅外線心率計就是通過紅外線傳感器檢測出手指中動脈血管的微弱波動，由計數(shù)器計算出每分鐘波動的次數(shù)。但手指中的毛細血管的波動是很微弱的，因此需要一個高放大倍數(shù)且低噪聲的放大器，這是紅外線心率計的設(shè)計關(guān)鍵所在。通過本產(chǎn)品的制作，可以使學(xué)生掌握常用模擬、數(shù)字集成電路（運算放大器、非門、555定時器、計數(shù)器、譯碼器等）的應(yīng)用。2 紅外線心率計工作原理2.1 紅外線心率計的原理框圖整機電路由-10V電源變換電路、血液波動檢測電路、放大整形濾波電路、3位計數(shù)器電路、門控電路、譯碼驅(qū)動顯示電路組成，如圖1所示。譯碼、驅(qū)動、顯示3位計數(shù)器放大、整形、濾

2、波血液波動檢測門控電路-10V+12V電源變換電路圖1 紅外線心率計的原理框圖2.2 單元電路的工作原理 負電源變換電路負電源變換電路的作用是把+12V直流電變成-10V左右的直流電壓，-10V 電壓與+12V作為運算放大器的電源。負電源變換電路如圖2所示，其中IC1（CD4069）為六非門集成電路，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3(a)所示。負電源變換電路工作原理：通電的瞬間，假設(shè)A點是低電位，則B點是高電位，C點是低電位，D點是高電位。B點的高電位通過R19給C7充電，當F點的電壓高于IC1（CD4049）的電平轉(zhuǎn)換電壓時，B點輸出低電位，C點（C7一端）輸出高電位，由于電容兩端的電壓不能突變，所以C

3、7兩端的電壓通過R19放電。當F點電壓低于IC1的轉(zhuǎn)換電壓時，B點輸出高電位，此高電位通過R19對C7充電，如此循環(huán)。C點得到方波，經(jīng)過后面四個反相器反相、擴流后，在D點得到方波。當D點是高電平的時候，V1導(dǎo)通C8被充電，大約充到11V左右，當D點變成低電平的時候，由于C8兩端電壓不能突變，G點電壓被拉到-11V左右，此時V2導(dǎo)通， C9反方向進行充電，使E點電壓達到-10V左右。由于帶負載的能力不強，當帶上負載后，E點電壓大約降到9V左右。圖2 電源電路 (a) CD4049 (b) LM741圖3 集成電路的結(jié)構(gòu)圖 血液波動檢測電路血液波動檢測電路首先通過紅外光電傳感器把血液中波動的成分檢

4、測出來，然后通過電容器耦合到放大器的輸入端。如圖4所示。圖4 血液波動檢測電路TCRT5000紅外光電傳感器的檢測方法：首先用數(shù)字萬用表的二極管檔位正向壓降測試控制端發(fā)射管（淺藍色）的正、負極，將紅黑表筆分別接發(fā)射管的兩個引腳，正反各測一次，表頭一次顯示“1.05（）”，一次顯示溢出值“-1”，則顯示1.05V的那次正確，紅表筆接的是正極，黑表筆接的是負極。若兩次都顯示“1”，說明發(fā)射管內(nèi)部開路，若兩次都顯示“0”發(fā)射管內(nèi)不短路。然后再判斷接收管的C、E極和光電轉(zhuǎn)換效率，方法如下：將發(fā)射管的正負極分別插入數(shù)字萬用表hFE檔NPN型的C、E插孔，再將模擬萬用表打到R×1k檔。紅黑表筆分

5、別接接收管的兩個引腳，若表針不動，則紅黑表筆對調(diào)，若表針向右偏轉(zhuǎn)到15k左右，則黑表筆所接管腳為C，紅表筆所接管腳為E。此時，再用手指或白紙貼近兩管上方，表針繼續(xù)向右偏轉(zhuǎn)至1k以內(nèi)，說明該紅外光電斷續(xù)器的光電轉(zhuǎn)換效率高。血液波動檢測電路工作原理：TCRT5000是集紅外線發(fā)射管、接收管為一體的器件，工作時把探頭貼在手指上，力度要適中。紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線穿過動脈血管經(jīng)手指指骨反射回來，反射回來的信號強度隨著血液流動的變化而變化，接收管把反射回來的光信號變成微弱的電信號，并通過C1耦合到放大器。 放大、整形、濾波電路放大、整形、濾波電路是把傳感起檢測到的微弱電信號進行放大、整形、濾波，最后輸

6、出反映心跳頻率的方波，如圖5所示。其中LM741為高精度單運放電路，它們的引腳功能如圖3 (b)所示。IC2、IC3、IC4都為LM741。圖5信號放大、整形電路因為傳感器送來的信號幅度只有25毫伏，要放大到10V左右才能作為計數(shù)器的輸入脈沖。因此放大倍數(shù)設(shè)計在4000倍左右。兩級放大器都接成反相比例放大器的電路，經(jīng)過兩級放大、反相后的波形是跟輸入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一個交流信號。其中A1、A2的供電方式是正負電源供電，電源為+12V、-10V。A1、A2與周圍元件組成二級放大電路，放大倍數(shù)Auf為：由于放大后的波形是一個交流信號，而計數(shù)器需要的是單方向的直流脈沖信號。所以

7、經(jīng)過V3檢波后變成單方向的直流脈沖信號，并把檢波后的信號送到RC兩階濾波電路，濾波電路的作用是濾除放大后的干擾信號。R9、V4組成傳感器工作指示電路，當傳感器接收到心跳信號時，V4就會按心跳的強度而改變亮度，因此V4正常工作時是按心跳的頻率閃爍。直流脈沖信號濾波后送入A3的同相輸入端，反相輸入端接一個固定的電平，A3是作為一個電壓比較器來工作的，是單電源供電。當A3的3腳電壓高于2腳電壓的時候，6腳輸出高電平；當A3的3腳電壓低于2腳電壓的時候，6腳輸出低電平，所以A3輸出一個反應(yīng)心跳頻率的方波信號。 門控電路555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件，用它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

8、、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。555定時器在工業(yè)控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應(yīng)用。555定時器內(nèi)部電路及其電路功能如圖6(a)、(b)所示。555內(nèi)部電路由基本RS觸發(fā)器FF、比較器COMP1、COMP2和場效應(yīng)管V1組成（參見圖6(a）)。當555內(nèi)部的COMP1反相輸入端（-）的輸入信號VR小于其同相輸入端（+）的比較電壓VCO（）時，COMP1輸出高電位，置觸發(fā)器FF為低電平，即Q=0；當COMP2同相輸入端（+）的輸入信號大于其反相輸入端（-）的比較電壓VCO/2(1/3VDD)時，COMP2輸出高電位，置觸發(fā)器FF為高電平，即Q=1。是直接復(fù)位端，Q=0；MOS管V1是

9、單穩(wěn)態(tài)等定時電路時，供定時電容C對地放電作用。注意：電壓VCO可以外部提供，故稱外加控制電壓，也可以使用內(nèi)部分壓器產(chǎn)生的電壓，這時COMP2的比較電壓為VDD/3，不用時常接0.01F電容到地以防干擾。 (a) 555定時器內(nèi)部電路 (b) 555簡化符號圖6 555定時器內(nèi)部電路及其功能符號由555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成門控電路的作用是控制計數(shù)器的啟停，并控制每次測量的時間，電路如圖7(a)所示。 (a) 電路 (b) 工作波形圖7 由555組成的門控電路 當接通電源的時候，+12V電源電壓通過R15對電容C4進行充電，2腳的電壓馬上變成12V（“1”電平），觸發(fā)器FF被置“0”， 即555

10、的3腳輸出“0”電平（參見圖7(a)）。V6截止，V6的C極為高電位，所以計數(shù)器MC14553不計數(shù)，此時V5不亮。 當按下S1按鈕時，2腳電壓為0V，低于1/3電源電壓。555內(nèi)部CMP2輸出高電平（參見圖6(a)）,觸發(fā)器FF被置“1”，即3腳輸出“1”電平，V6飽和導(dǎo)通，V5發(fā)光，V6集電極輸出低電平，使計數(shù)器MC14553清零，開始計數(shù)。同時555內(nèi)場效應(yīng)管截止，12V電壓通過R17給C6充電，C6的電壓逐漸增高，如圖7(b)uC6波形。 當C6的電壓充到2/3電源電壓的時候，555內(nèi)CMP1輸出高電平，觸發(fā)器置“0”，3腳輸出低電平，V6集電極輸出高電平，因此計數(shù)器MC14553的1

11、1腳變?yōu)楦唠娖?，計?shù)器停止計數(shù)；同時555內(nèi)場效應(yīng)管導(dǎo)通，電容C6通過場效應(yīng)管迅速放電到低電平，返回穩(wěn)定的狀態(tài)，定時結(jié)束。脈寬TW可根據(jù)下式計算： 式1-1 3位計數(shù)電路由MC14553組成的3位計數(shù)電路對輸入的方波進行計數(shù)，并把計數(shù)結(jié)果以BCD碼的形式輸出。MC14553為十六引腳扁平封裝集成電路，其引腳功能如圖8（a）所示，有四個BCD碼輸出端Q1Q3，可分時輸出三組BCD碼；有三個分時同步控制信號DS1DS3，為計數(shù)器的輸出提供分時同步輸出控制信號，形成動態(tài)掃描工作方式，該控制端低電平有效。計數(shù)電路包含了計數(shù)和輸出驅(qū)動電路。 (a) MC14553 (b) CD4543圖8 集成電路引腳

12、功能圖計數(shù)器MC14553真值表如下： 表2.1 MC14553真值表輸入輸出置零端（13腳）時鐘（12腳）使能（11腳）測試（10）0上升沿00不變0下降沿00計數(shù)0X1X不變01上升沿0計數(shù)01下降沿0不變00XX不變0XX上升沿鎖存0XX1鎖存1XX0Q0123=0X=任意計數(shù)器MC14553的 DS1DS3輸出為方波，波形如圖8所示。當按下S1時（參見圖7(a）)，V5飽和導(dǎo)通，V5的C極為低電平，MC14553的11腳變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器開始對送到12腳的從整形電路過來的方波個數(shù)進行計數(shù)，最大計數(shù)為999，計數(shù)結(jié)果以BCD碼的形式從Q0Q3輸出。11腳不管是高電平還是低電平，DS1DS

13、3始終是輸出圖9的方波。當DS3是低電平的時候，個位顯示器被選中，Q0Q3輸出個位要顯示的數(shù)值；當DS2是低電平的時候，十位顯示器被選中，Q0Q3輸出十位要顯示的數(shù)值；當DS1是低電平的時候，百位顯示器被選中，Q0Q3輸出百位要顯示的數(shù)值。圖9 DS1DS3輸出波形圖 譯碼、驅(qū)動、顯示電路3位計數(shù)電路、譯碼、驅(qū)動、顯示電路如圖10所示，它的作用是把計數(shù)器輸出的計數(shù)結(jié)果顯示在3位數(shù)碼管上。譯碼器CD4543的引腳功能如圖8（b）所示。它有了四個輸入端：A、B、C、D，與計數(shù)器的輸出端相連；有七個數(shù)碼筆段輸出驅(qū)動端：ag。譯碼器CD4543可以驅(qū)動共陰、共陽兩種數(shù)碼管，使用時，只要將PH引腳接高電

14、平，即可驅(qū)動共陽極的LED數(shù)碼管；將PH引腳接低電平，即可驅(qū)動共陰極的LED數(shù)碼管。顯示采取動態(tài)掃描的方法，即每一時刻只有一個數(shù)碼管被點亮，但是交替的頻率非?？欤捎谌搜鄣囊曈X殘留效應(yīng)，人眼看到的就是靜止的數(shù)字顯示結(jié)果。計數(shù)器送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CD4543翻譯成7段字碼后，接到數(shù)碼管的7個筆畫端，點亮相應(yīng)的筆畫段。數(shù)碼管采用共陽極的。CD4543的真值表如下： 表2.2 CD4543的真值表輸入輸出LD(1)BI(7)PH(6)D C B Aa b c d e f g顯示X11X X X X1 1 1 1 1 1 1黑屏1010 0 0 00 0 0 0 0 0 101010 0 0 11 0

15、0 1 1 1 111010 0 1 00 0 1 0 0 1 021010 0 1 10 0 0 0 1 1 031010 1 0 01 0 0 1 1 0 041010 1 0 10 1 0 0 1 0 051010 1 1 00 1 0 0 0 0 061010 1 1 10 0 0 1 1 1 171011 0 0 00 0 0 0 0 0 081011 0 0 10 0 0 0 1 0 091011 0 1 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 0 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 0 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 0 11 1 1 1 1 1 1

16、黑屏1011 1 1 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏圖10 3位計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路 上圖中：IC6為MC14553；IC7為CD4543。圖11 整機原理3 紅外線心率計調(diào)試工藝3.1 紅外線心率計的調(diào)試過程 電源變換電路的調(diào)試把12V直流電壓送入電源變換電路CD4096的1腳（正極）與8腳（負極）之間，注意正負極。用數(shù)字萬用表DC20V擋測集成電路CD4096的1腳與12腳之間電壓為12V。此時，RC振蕩器應(yīng)該工作，用示波器（量程DC5V/DIV）測試C點（參見圖3）的電壓波形，應(yīng)該是一個不規(guī)范的方波，測試D點的波形，應(yīng)該是規(guī)范的方

17、波，把C點、D點測量電壓波形記錄在表4.1中。用數(shù)字萬用表的DC20V擋測量E點對地的電壓，應(yīng)該是-10V左右，把測得電壓記錄在記錄表3中。（如果沒有方波，說明電路沒有起振，應(yīng)檢查RC電路和芯片4096的電源有沒有接錯；如果電路起振，而沒有-10V電壓，檢查二極管V1、V2和電解電容C6的極性有沒有接錯。 血液波動檢測電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。把食指放在傳感器的探頭處，適當調(diào)節(jié)壓力。用示波器的AC擋（5mV/DIV、500mS/DIV）去測量電容C1正極對地的波形，應(yīng)該能在示波器上看到心跳微弱的波動，幅度大約是幾個毫伏。如果有此波形，說明傳感器工作正常，如果沒有，檢查傳感器的引腳是否接錯。

18、用示波器去測量C1負極的波形，應(yīng)該能看到比剛才那個波形幅度還要小的波動。 放大、整形、濾波電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。測量IC2、IC3的7腳、4腳對直流地的電壓（即運放的供電電壓），應(yīng)該為+12V 、-10V左右。測量IC4的7腳、4腳之間的電壓，應(yīng)該為+12V左右。把食指放在傳感器（ON2152）的探頭上，適當調(diào)節(jié)壓力。V4應(yīng)該會有節(jié)律的閃爍，閃爍的頻率跟心跳的頻率吻合。此時，用示波器測量IC2的6腳波形，應(yīng)該是放大了R4/R3倍的波動信號。用示波器測量IC3的6腳波形，應(yīng)該是比IC2的6腳波形放大了R8/R6倍的波形(因為放大倍數(shù)很大，波形有削頂現(xiàn)象)。IC2、IC3的放大倍數(shù)可以根據(jù)

19、自己的實際情況適當做一些調(diào)整。用示波器測量IC4的6腳波形，應(yīng)該是一個規(guī)范的方波，是單極性的，如果沒有方波，或方波的占空比太小，可以適當改變R10、R11的阻值。把測得的三個波形畫入表4.3中。如果手上暫時沒有傳感器，則使用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生幾hz、幾mv的正弦波，并把該波形加到C1的負極，同樣也可以按上述的方法進行調(diào)試。 門控電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。此時，門控電路進入穩(wěn)態(tài)，用數(shù)字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳與1腳之間的電壓都為0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。按一下S1按鈕，門控電路輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進入暫穩(wěn)態(tài)，555輸出端3腳輸出高電位，因此V6飽和導(dǎo)通，V

20、6的C極輸出低電位，V5發(fā)光，用數(shù)字萬用表DC20V擋測量6、7腳與1腳之間的電壓，可以發(fā)現(xiàn)，電壓是慢慢上升的，當上升到8V左右的時候（時間是30秒），門控電路輸出狀態(tài)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進入穩(wěn)態(tài)，此時555輸出端3腳輸出低電位。用數(shù)字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳的與1腳之間的電壓，都是0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。如果暫穩(wěn)態(tài)的時間不是30秒，則最后測量的心率不準確。需要調(diào)整R17或C6的參數(shù)來達到30秒的要求。具體計算公式：1.1× R17× C6=30。 計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。此時由于門控電路的控制作用，計數(shù)器MC14553的使能端（低電平有效）被置“1”，計數(shù)器不計數(shù)，輸出的BCD碼是0000即5、