基于单片机红外线心率计装调实训

主要思考及解决的问题采用什么电路把人体心率脉动变成电信号?怎样把微弱的模拟电信号转换成幅度足够大的数字信号？怎样测量与心率对应的数字信号,并在数码管上显示出来？心率测量时间怎样进行设置?基于单片机心率计基本要求掌握常用元器件在电路中应用掌握整机电路工作原理掌握电路布局规范、整机电路安装调试运用电路原理，分析、解决电路调试过程中所遇到的问题主要教学内容整机原理框图组成直流电源电路原理及安装调试光电转换电路原理及安装调试放大滤波整形电路原理及安装调试单片机控制电路原理及安装调试整机电路原理及调试分6个单元介绍(参见教材206-209页)基于单片机心率计单片机软件的设计光电转换电路放大滤波整形电路单片机输入+8-13V电压输出+5V电压电源电路234驱动电路1基于单片机心率计原理框图单片机控制电路直流电源电路+-1N40077805123+220uF1041k8–13V+-5VJKAB当JK之间加入+(8～13)V电压，UAB=5V当JK之间加入-(8～13V)电压，UAB=0V78XX稳压条件：输入1脚与输出3脚的电压压差大于2V以上,但不要超过20V。普通的塑料封装输出电流为1.5A,金属封装的为5A。工作原理12378XX引脚排列图直流电源电路安装调试⑴电路装配完成后,根据电路检查安装是否正确;⑵如正确，电路通电,发光管发光。调节J、K之间的电压（8-13V变化），用数字表DC20V测量A、B之间的电压应为+5V不变。返回+-1N40077805123+220uF1041k8–13V+-5VJKAB链接光电转换电路+5VR21kR310kC110uF+TCRT5000放放放放+ce放放放放放mV放通过红外光电传感器，把手指血液脉动转变成微弱的电信号(信号幅度为2mV,频率为0.7～3Hz）,并将此信号送到放大电路进行放大。工作原理CE+红外发光二极管（发射管）光敏三极管（接收管）当发光二极管加上正向电压，红处发光二极管发光，光敏三极管接收到光线，C、E间电流增大而导通。光敏三极管接收到的光线越强，Ic电流越大组成红外发光二极管的正向导通压降U正=1.0V左右发射管接收管☜光电传感器反射型光电传感器光电转换电路接收管C、E极判别若表头有几十k或几百k的阻值显示，红表捧接的为C极，黑表捧接的为E极。若表头显示为0.9～1.1V,红笔接的是正极，黑笔接的是负极。发射管正负极判别若表头显示为“1”红笔接的是负极ce+俯视图光电转换电路黑红挡黑红200kΩ或2MΩ挡发射管接收管传感器检测光电转换电路+5VR21kR310kC1+TCRT50001V放大整形电路+ce4.5—5V4—4.5V①在实验板上完成元器件及短路线的安装;③如正确，加入5V电压，用示波器测量光电传感器接收管c极的波形，应为幅度为5V左右的一条直线，用手指触摸传感器，这条直线会明显向下移动。②根据电路图检查电路是否安装正确;☜安装调试光电转换电路⑴用数字万用表测量A点电压为5V（正常为1V）电路故障分析断电，先检查发射管的负极与直流地是否接通，如接通，则发射管开路，更换发射二极管。⑵用数字万用表测量A点电压为0V（正常为1V）。断电，先检查发射管的正极与R2、R2与5V是否接通，如接通，则发射管击穿，更换发射二极管。⑶把手放在传感器上，用数字万用表测量A点电压为1V，B点电压5V不变断电，先检查接收管的E极与直流地是否接通，如接通，则接收管损坏。返回+5VR21kR310kC1+TCRT50001V+ce4.5—5V4—4.5VAB放大滤波整形电路放放放放放放放放放放放放放①来自光电转换电路的信号很微弱（频率为0.7Hz～3Hz，幅度为2mV左右），必须对微弱信号进行放大，因此需先考虑放大电路。②而放大后的信号有招很多干扰信号，因此需要低通滤波电路：既可采用无源滤波器，也可采用有源滤波器。③放大滤波后的信号为模拟信号，而单片机处理的信号为数字信号，因此还需模数转换电路。？放大滤波整形电路-+++--+5V+5VR43kR5200kR7300kR6200kC2104+C310uFR83kR9200kC4104R10200kR11200k2367423674R1210k+C50.47uFR1310kC60.47uF+R142kR153k32+++841IC1LM741IC2LM741IC3LM358∞∞∞+5VR311kV7C110uF+放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放大滤波整形电路由两级放大电路,二阶RC低通滤波电路及整形(A/D转换）电路组成，如下图所示。电路组成由虚短可以得出:12345678V+V--++放大滤波整形电路放大电路+-+5VR43kR5R7300kR6200kC210423674+IC1LM741∞+5Vuiuo2.5V200kI1I2C1232.52CCVUUV两级放大电路采用单电源供电下面根据运算放大器的特点推导放大电路的放大倍数：741内部结构图741外形放大滤波整形电路+-+5VR43kR5R7300kR6200kC210423674+IC1LM741∞+5Vuiuo2.5V200kI1I2C1214141412()iiCCCUUUVccIRXRXRX其中XC1为电容C1的容抗,对于交流信号Ui，XC1较小，而对于直流信号VCC，XC1为无穷大，因此I1为2121474742ioicciUUUUIIIRRRRVURo而可以得出:U=-由虚断可以得出:I1=I2放大电路放大滤波整形电路滤波电路由于来自光电转换电路的心率信号频率很低（0.7—3Hz左右）,通过放大电路后,叠加了各种频率的干扰信号，应设法对不必要的成份衰减到足够小,将需要的信号提取出来,低通滤波器是解决前述问题的方法之一。低通滤波器可分为有源、无源等，下面主要介绍无源二阶低通滤波器（如下图）RCRC-++-u1u2放大滤波整形电路滤波电路1)()(∠|)j(|=j3+-11==)j(22212HRCCRUUH22222229+)-1(1=)(CRCRjH⑵)-13arctan(=)(222CRRC⑶放大滤波整形电路滤波电路由公式1、2可画出电路的幅频和相频特性曲线，参见下图。幅频特性相频特性放大滤波整形电路滤波电路幅频曲线表明该网络具有低通滤波特性，其转折频率fc可令求得707.0=21=)(jH2=9+)-1(222C2222CCRCR即RCRCfc3742.0=6724.21=2=CR取值范围为一般几k～几十kΩ如R取10k，C的容量为0.47μFfc≈12.7HzRCfc23742.0=⑷电路功能：将通过放大、滤除干扰后的模拟信号转换成数字信号提供单片机进行处理。-++10k0.47uF10k0.47uF++∞8123IC342k3k3V接单片机第4脚1k+5V-放大滤波整形电路整形电路对来自光电转换电路的信号进行放大（第一、二级放大倍数=？），再通过二阶低通滤波电路滤取干扰信号，在IC3的1脚输出与心率对应的方波信号，各级测试点电压波形参见下图。放大滤波整形电路工作原理-+++--+5V+5VR43kR5200kR7300kR6200kC2104+C310uFR83kR9200kC4104R10200kR11200k2367423674R1210k+C50.47uFR1310kC60.47uF+R142kR153k32+++841IC1LM741IC2LM741IC3LM358∞∞∞+5VR311kV7C110uF+放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放①在实验板上完成元器件及短路线的安装。③如正确，加入8-10V电压，用数字万用表DC20V挡测量IC1、IC2集成电路插座的第7脚与第4脚之间的电压为5V，第3脚电压为2.5V左右，IC3集成电路插座的第8脚、4脚电压为5V，2脚电压为3V左右，把以上6个数据记录在教材250页表B8的中。②根据电路图检查电路是否安装正确。安装调试放大滤波整形电路④断电，将两片LM741及一片LM358按照正确的方向插到芯片插座上。通入8-10V电压,把手指放在传感器上，正常情况下发光管V7会随着心率变化而闪烁。⑤把手指放在传感器上,发光管V7会闪烁。用LCD示波器2V/500ms挡位测量IC1的第6脚、IC2第6脚、IC3第3脚、第1脚电压波形,并把测量波形画在教材250页表B8中。将CPU、存储器、定时/计数器、输入/输出接口电路等计算机的主要功能部件集成在一个半导体芯片上,形成了芯片级计算机——即单芯片微型计算机，简称单片机单片机（SingleChipMicrocomputer）——单片机控制电路51单片机目前市场上的单片机种类较多，但主流产品仍为Intel公司的MCS（MicroComputerSystem）51系列，因此下面主要介绍51系列单片机。单片机控制电路51单片机结构总线控制逻辑CPU时钟系统ROMRAMI/O定时器/计数器中断系统串行接口UART特殊功能寄存器SFRRSTALEEAPSENP0P1P2P3XTAL2XTAL1串行输入串行输出计数信号T0T1地址/数据总线RXDTXD时钟信号INT0INT151单片机芯片有两种封装形式，即双列直插式和方型式，其中双列直插式封装式的芯片引脚名称和排列序如下图所示。1)电源引脚（2个）VCC(40脚)：接＋5V电源；GND(20脚)：接地。单片机控制电路51单片机引脚51单片机有P0～P3四个并行I/O口，这四个口中只有P0口是真正的双向口，即同时可以较强的输出高电平（上拉电流）和低电平（灌电流）驱动能力。P1～P3口是准双向口，即这些I/O口的输出高电平驱动能力较弱，只能提供较强的输出低电平驱动能力。P3口还具有第2功能，为系统提供一些控制信号。2)4个8位输入/输出端口3)控制引脚(6个)RST/VPD（9脚）:正常工作时，在该引脚应加低电平，若加两个机器周期宽度以上的高电平，则单片机复位。EA/VPP（31脚)：当EA接高电平，CPU执行内部4kROM中的程序；当EA接低电平，CPU执行外部ROM中的程序；烧写程序时，此引脚接收合适的烧写电压。单片机控制电路ALE/PROG(30脚):使用外部RAM时,做地址锁存信号;烧写EPROM时,接收烧录启动信号。PSEN(29脚):外部ROM选通信号。XTAL1—XTAL2（18-19脚）：外部振荡时钟输入引脚。51单片机引脚电源：+5V(20脚与40脚)时钟电路：18、19脚接6MHz或12MHz的晶振单片机芯片内装入程序89S51+5V+5V装入程序30p30pVcc4031EAX1X2P1.0P1.7RST91819206MHz+C1R1R2R9U18t振荡周期=1/f≈160ns复位电路:C1、R1单片机控制电路工作基本条件89S51放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放原理框图单片机控制电路912345678+5VRESETP1.0P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1X1X21918R16100R1710kC710uF+EA/VP3140IC4GND20V3R181kR191kR20100C930pFC1030pF6MHzS2S1来自整形电路+5VC8104+5VR3110k14T0(P3.2)复位电路启动电路开机显示控制电路时钟电路测量指示89S51S3S1起什么作用？123S2：拨动开关拨向左边,1、2两端导通拨向右边,2、3两端导通S1、S3：轻触开关12按下按钮,1、2两端导通不按按钮,1、2两端断开21312焊对角两个角即可6MHz晶振驱动显示电路+5VP0.0P0.1P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.239383736353433P2.7P2.5P2.3P2.4P2.3P2.2P2.1P2.02122232425242628+5V32Vcc40