红外线心率计要点.docx

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红外线心率计要点

课程设计指导书

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。

-10V

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。

图2电源电路

（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。

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×1kΩ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15kΩ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1kΩ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。

图5　信号放大、整形电路

因为传感器送来的信号幅度只有2～5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：

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，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COMP1、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（

）时，COMP1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

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。

是直接复位端，

，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0.01μF电容到地以防干扰。

（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。

（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）uC6波形。

当C6的电压充到2/3电源电压的时候，555内CMP1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：

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Q1～Q3，可分时输出三组BCD码；有三个分时同步控制信号DS1～DS3，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。

（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DS1～DS3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Q0～Q3输出。

11脚不管是高电平还是低电平，DS1～DS3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，Q0～Q3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，Q0～Q3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，Q0～Q3输出百位要显示的数值。

图9 DS1～DS3输出波形图

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：

a～g。

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：