数字的电路课程设计红外线心率计
浙江理工大学本科课程设计任务书(心率计) (1)
3.了解影响脉搏测试仪指标的基本因素。
主要技术指标
1.电压放大电路的放大倍数可调，经整形、滤波后得到方波信号；
2.门控电路的暂稳态时间为30秒；
3.译码显示记录被测心率。
工作内容
1.根据红外传感器输出信号特点，设计放大电路、滤波电路及整形电路各元件参数，要求输出方波信号。
用555芯片设计半分钟定时器同时设计三位计数电路对方波信号进行计数并设计译码电路将bcd码翻译成数码管的七段码
浙江理工大学本科课程设计任务书
设计题目
电子脉搏测试仪的设计
设计要求
1.通过基于红外线传感器的脉搏测试仪的实现，熟悉数字系统的一般设计、制作和调试方法，初步掌握大规模集成电路的应用方法和注意事项；
2.电子脉搏测试仪的原理（框图）；
3.各部分单元电路的工作原理，包括重要芯片的介绍等；
4.电子脉搏测试仪的设计思路及原理图；调试的步骤和注意事项；
5.测量数据记录；
6.课程设计过程问题总结与心得体会。
指导教师
签名
年月日
系主任签名：
年月日
2.用555芯片设计半分钟定时器，同时设计三位计数电路对方波信号进行计数，并设计译码电路将BCD码翻译成数码管的七段码。
3.设计驱动电路驱动三位数码管显示半分钟心跳次数。
4.装配硬件电路并进行硬件测试、记录结果。
5.整理数据，撰写设计报告并上交。
工作计划
2013.12.30介绍设计题目、工作原理、设计要求、注意事项等；
2013.12.31熟悉设计题目，查找资料，初步设计电路原理图；
2013.12.31元器件测试、组装并焊接；
课程设计---数字式红外测速仪
电子技术课程设计题目：数字式红外测速仪系别：电气与电子工程系专业：电子信息工程姓名：学号：指导教师：年月日成绩评定·一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。
二、成绩指导教师签字：年月日目录一设计目的 (1)二技术要求与指标 (1)三设计原理及步骤 (1)1、测速仪原理框图 (1)2、数字式红外测速仪原理 (1)3、各部分电路图 (6)四电路原理图及模拟仿真结果 (7)1、电路原理图 (7)2、仿真结果 (8)五、所用器件 (9)六、设计总结 (9)1、设计前的难点 (9)2、仿真实验遇到的问题 (9)3、不足之处 (10)七、心得体会 (10)八、参考文献 (11)数字式红外测速仪(一 ) 设计目的1、 在前导验证性认知实验基础上，进行更高层次的命题设计实验，要求学生在教师指导下独立查阅资料、设计、安装和调试特定功能的电子电路。
2、利用模拟、数字电路知识，解决电子线路中常见实际问题的能力，逐步积累掌握实际电子制作经验。
3、巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用。
（二）技术要求与指标1、用红外线发光二极管，光敏三极管作为速度转换装置2、测速范围：10-990转/分。
3、两位数字显示，显示不允许闪烁（三）设计原理及步骤1、测速仪原理框图图一、原理总框图2、数字式红外线测速仪的原理本设计要求使用红外发光二极管和光敏三极管作为速度转换装置，可以测定10到990转每分钟的转速，并在无闪烁的情况下数字显示。
在经过商讨之后，我们可以将其划分为光电转化部分，控制电路部分，计数部分，显示部分。
其中光电转化部分是将红外发光二极管和光敏三极管所产生的物理信号将其转化为整个系统可以处理的电脉冲信号。
控制电路则是将光电转化部分的得到的电信号被测量光电转换装置计数器锁存译码显示 60s 时钟控制电路计数器在有效时间内控制性的输入到计数部分。
计数部分将在有效时间段内接收到的有效信号进行累加计数，并且在每次计数结束时自动完成清零。
心率计课程设计
本次设计可分如下几个部分，首先是模拟出心率信号，其设计图如下如图所示，两个函数信号发生器通过串联，在经二级管会出现一个不是很有规律的波，用示波器观察其所产生的波形使两个函数信号发生器的波形种类、频率、振幅均不同，观察其波形为：通过施密特触发器进行整波后，在观察其波形，可以把示波器接在通过施密特触发器整波后的输出部分，如下图观察其输出后的波形为我们可以观察到是很规则的方波。
这就证明了我所设计的用三个五施密特触发器整波的功能。
下面来介绍我们所设计的另一个部分，晶振部分。
其实晶振部分是提供一个阈值时间，也就是说晶振部分所产生的方波的周期要大于心率进行整波后所产生的方波的周期。
其比较在整体电路图已有所体现。
如下：模拟信整波后的输出与晶振的输出用一个与非门连接此部分为多谐波振荡器，产生周期较小的方波此输出经过二分频所产生的方波与上面的经整波分频后所产生的方波经过一个与非门输出。
此两波在示波器上的比较图如下：所以此数字心率计设计的原理为当整波输出的波为高电平1时，多谐波振荡器跳动的次数会经与非门输出到右侧74LS160的CLK。
其脉冲使计数器开始计数。
本次数字电子课程设计要求做一个数字心率计，我所设计的电路主要包括被测信号输入电路，三五施密特触发器整波电路，多谐波振荡器晶振电路，分频电路，控制门电路，计数器电路，锁存七段译码电路以及显示电路。
方框图完成之后，开始具体设计。
根据这一条件，首先要确保被测信号是方波，本人根据施密特触发器对波形的整形和变形作用，选用施密特触发器将被测波形转变成方波。
而为了使被测信号波形没有规律，我设计出让两个振幅大小不同函数信号发生器串联。
由于单位时间内的周期个数即为频率。
根据这一概念，只要用一个固定长度的门信号与被测信号同时进行与运算即可得出这一单位长度中的被测信号的有效个数，再把这个经过加工的信号送到数字集成计数器中，即可测出信号在这个单位时间内的周期，在经过单位的倍数运算就可以得出正确的频率。
课程设计————电子心率计的设计
课程设计说明书正文1：任务分析与方案设计心率计是用来测量一个人心脏单位时间内跳动次数的电子仪器，由于人体各部位心率一致，所以通常测量人手臂处的脉搏即可测出人体心率。
任务要求测出的心率为一分钟内心跳的次数，并显示，测量结果要与标准范围作比较，不在标准范围内则报警。
设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；将其作为计数控制信号，用基准时间一定的方波作为计数脉冲在一个心跳周期内计数，计数值N 与基准时间T 的乘积就是一次心跳的时间。
再对“60/基准时间T ”个脉冲进行N 分频，对分频后的信号计数，其计数值则为本次心率数值。
之后计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入的频率进行F/V 转换后与标准电压值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED 灯亮。
流程图如下。
2：电路设计，元器件参数计算及选择2.1：传感器的选择:红外线检测原理：随着心脏的博动，人体组织半透度随之改变，当血液流回心脏，组织半透度增大，这种现象在人体组织较薄的指尖、耳垂等部位最明显。
用红外发光二极管产生红外线照射到人体上述部位，并用装在一旁的红外光电管来检测机体组织的透明度并转换成电信号，其信号频率与脉搏频率相对应并且其为低频近似的正弦信号。
TCRT5000(L)具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上，利用红外光谱反射对象电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。
输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。
在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。
因为，电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输出阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。
在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。
起到承上启下的作用。
应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证]1[。
红外线心率计解析
放放
R13 30k
A
放放 放放
V3 IC3 7+12V R6 R12 2 ∞ 1N4148 3k 30k C 6 3 + A2 + B R9 4 + C2 390 -10V R7 放放 0.47μ 2k V4
R10 10k
D
+ C3 0.47μ
+12V IC4 7 3 ∞ + 6 2 A3 + E 4 R11 3k
计数、译码、驱动、显示电路
百
a f
十
个
b 放放放放
电路功能：
对来自整形电路的反映心跳 频率的矩形脉冲进行计数，
R10 10k 3
放放
IC4
+ 6 2 - A3 + + 4 R11 3k
放放 放放
R9 390 V4
放放 放放
放放 放放
C2 0.47μ
+
C3 0.47μ
在两级放大电路分别调试完成后， 把手指放在传感器上，V4能按心 跳频率闪烁。
放大、滤波、整形电路仿真结果
门控电路
+12V 放放放 放放放
R14
红外线心率计
教学内容
整机原理框图组成 血液波动检测电路 放大滤波整形电路 门控电路 计数、译码 显示电路 负电源转换电路
基本要求
掌握整机电路组成及工作 原理,并能运用所学过的电
路知识分析、解决电路制
作过程中所遇到的问题。
红外线心率计原理框图
1
血液波动 检测电路
2
放大滤波 整形电路
I2
R3 +12V
I1 I 2
ui uo R1 R3
数字电路课程设计红外线心率计
数字电子技术课程设计报告指导老师：严国红、夏海霞姓名：学号：班级：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⑴ 负电源变换电路为简化实验的步骤，实验中直接用+12V 、和-10V 的电源代替负电源变换电路。
⑵ 血液波动检测电路实验中采用信号源发生器直接产生正弦波代替原来的血液波动检测电路。
⑶ 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。
IC 2、IC 3、IC 4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A 1、A 2的供电方式是正负电源供电，电源为+12V 、-10V 。
A 1、A 2与周围元件组成二级放大电路，放大倍数A uf 为：40006666R R R R A 6834uf ≈⨯=⨯=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V 3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。
(整理)红外线心率计 2
胡雁山资料第三次讨论结果2011150103111 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⑴ 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IC 1（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R 19给C 7充电，当F 点的电压高于IC 1（CD4049）的电平转换电压时，B 点输出低电位，C 点（C 7一端）输出高电位，由于电容两端的电压不能突变，所以C 7两端的电压通过R 19放电。
当F 点电压低于IC 1的转换电压时，B 点输出高电位，此高电位通过R 19对C 7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，V 1导通C 8被充电，大约充到11V 左右，当D 点变成低电平的时候，由于C 8两端电压不能突变，G 点电压被拉到-11V 左右，此时V 2导通， C 9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。
数字电子课程设计-红外警报器
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未来红外警报器可能会采用更先进的传感器技术和算法， 提高检测精度和降低误报率。
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加强红外传感器技术的研究和创新，提高传感器的性能和 稳定性。
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06
课程总结与展望
项目成果回顾及经验教训分享
项目成果：成功设计 并实现了一个基于红 外传感器的警报器系 统，能够实时监测指 定区域的红外辐射变 化，并在检测到异常 时触发警报。
经验教训
在项目初期，应充分 进行需求分析和规划 ，明确项目目标和范 围，避免后期出现需 求变更或范围蔓延的 情况。
在硬件设计和选型时 ，要充分考虑系统稳 定性和可靠性，选择 合适的元器件和设计 方案。
推动红外警报器与智能家居、智慧社区等系统的深度融合 ，为用户提供更加便捷、智能的安全防护服务。
感谢您的观看
THANKS
性能参数比较
不同类型的红外传感器在性能参数上存在差异，如灵敏度、响应速度、测量范 围、抗干扰能力等。在选型时，需要综合考虑这些参数，选择最适合的红外传 感器。
红外传感器工作原理剖析
01
热释电红外传感器工作原理
当人体进入传感器的探测区域时，人体辐射的红外线与周围环境的红外
线存在差异，这种差异经过菲涅尔透镜的聚焦作用被热释电元件接收，
误报率评估
误报率直接影响系统的可用性和用户满意度。在长时间的稳定性测试中，我们统计了系统误报的次数，并计算出误报 率。结果显示，系统的误报率非常低，完全符合设计要求。
其他性能测试
除了响应时间和误报率外，我们还对系统的功耗、抗干扰能力等方面进行了评估。测试结果表明，系统 在各方面均表现出良好的性能，满足了设计要求。
基于单片机的红外线心率计
基于单片机的红外线心率计结题报告项目负责人：唐建祥部门：星火训练中心开放实验项目名称：基于单片机的红外线心率计参加学生及班级：05电气2班宋人权2007 年 9月 27日项目总结报告摘要:正文:1 系统设计基本原理图如下：其中单片机系统部分框架图如下：2 单元电路设计5V电源电路的原理图检测与放大电路部分原理图：单片机部分原理图：3 软件设计软件流程图如下：中断流程图如下：（1）中断TR0：TR1中断流程图：原代码如下：data1 EQU R7data2 EQU R6data3 EQU R5 ;初始化ORG 00HJMP MAIN ;跳转到主程序ORG 000BHJMP time0ORG 001BHJMP time1ORG 0050HMAIN: ;主程序SETB P1.6MOV TMOD,#11HMOV TL0,#30HMOV TH0,#0F8HMOV TL1,#0B0HMOV TH1,#3CHMOV IE,#11001010BMOV IP,#08HMOV P2,#0FFHSETB TR0PANGDUAN: ;判断开关JB P1.7,XUEHAOJMP CESHIXUEHAO: ;显示学号mov R7,#04Hmov R6,#00Hmov R5,#02HJMP PANGDUANCESHI: ; 清O所有mov R7,#00Hmov R6,#00Hmov R5,#00HMOV R4,#00HMOV R3,#00HCLR 20H.0SETB TR1;开始计数JISHU:JB P1.4,PANGDUANWAIT:JB 20H.0,STOPSETB P1.6JNB P1.4,CESHIJB P1.7,XUEHAOJNB P1.1,WAITJB P1.1,$CLR P1.6call delay1INC R7CJNE R7,#10,WAITMOV R7,#0INC R6CJNE R6,#10,WAITMOV R6,#0INC R5CJNE R5,#10,WAITMOV R5,#0JMP WAITSTOP: ; 停止程序SETB P1.6JB P1.7,XUEHAOJNB P1.4,CESHIJMP STOPtime0: ；TR0中断PUSH ACCPUSH PSWMOV TL0,#30HMOV TH0,#0F8HMOV DPTR,#TABLE ;input table address MOV A,data1 ;geweimovc A,@A+DPTRmov P0,Aclr P2.3SETB P2.4CALL DELAYMOV A,data2 ;shiweimovc A,@A+DPTRmov P0,ASETB P2.3clr P2.4CALL DELAYMOV A,data3 ;baiweimovc A,@A+DPTRmov P0,ASETB P2.4clr P2.5CALL DELAYSETB P2.5POP PSWPOP ACCRETItime1: ；TR1中断PUSH ACCPUSH PSWMOV TL1,#0B0HMOV TH1,#3CHINC R4CJNE R4,#100,OUTMOV R4,#0INC R3CJNE R3,#6,OUTSETB 20H.0CLR TR1OUT:POP PSWPOP ACCRETITABLE: ；数字表0-9DB 40H,5EH,22H,12H,1CH,11H,01H,5AH,00H,10HDELAY: ；延时程序0MOV R0,#250DJNZ R0,$RETDELAY1: ；延时程序1MOV R1,#100CC:MOV R2,#250AA:DJNZ R2,AADJNZ R1,CCOUT2:RETEND4 系统测试经过对系统的测试，基本达到设计目的系统首先通过红外感应器对人的血液波动做测试，将感应信号转变为电信号。
在电子实习中引入红外线心率计教学实践(1)
1542010年第19期(总第107期)et在电子实习中引入红外线心率计教学实践朱朝霞 唐建祥 詹 雯中国计量学院 浙江杭州 310018摘 要：结合电子实习教学及培养学生工程实践能力的要求，引入红外线心率计作为电子实习制作产品，并介绍了红外线心率计的实践教学流程、教学思路及达到的教学效果。
关键词：电子实习；红外线心率计；实践教学收稿日期：2010-05-24作者简介：朱朝霞，硕士，高级实验师，教学部主任。
电子实习是我校工科专业重要的实践教学环节，学校每年都安排60个班左右学生到工程训练中心参加电子实习。
通过电子实习，使不同专业学生初步获得电子产品生产工艺的基本知识和基本操作技能，为电子技术基础课及专业课程学习建立初步的感性认识并提高学生的工程实践能力即具备：1.手工焊接及常用电子仪器操作技能；2.常用元器件的识别、测试、选用能力；3.电子产品装配、调试能力；4.印刷线路板设计制作能力；5.电路读图能力并利用电路知识，解决实际问题的能力；6.电子产品检验能力；7.编写实训报告能力；8.初步具备设计、开发电子产品的能力。
为了达到上述实践教学目的，需要选择合适的电子实习产品，使学生从产品制作中了解尽可能多的电子相关知识。
而选择合适的电子产品具备以下条件：1.趣味性较强，能引起学生的制作及学习电路知识的兴趣；2.综合性较强，电路能够涵盖常用的模拟电路、数字电路，或以单片机作为控制核心，且硬件内容应多于软件内容；3.具备一定数量的电子元器件作为焊接技术及装配、调试实践，并且能够涉及更多的技术领域。
这样既能锻炼学生硬件电路装配调试能力，又能锻炼学生软件编程技巧、芯片开发能力，提高学生系统级电路的设计水平。
而通常电子实习产品采用购买配套的元件和电路板装配,更多注重产品的焊接、装配过程而不重视产品的调试和检验,忽略对相关领域知识的了解,特别在产品的设计和开发能力上缺乏锻炼。
因此选择合适的实习制作产品就成为提高电子实习教学效果的关键。
电子技术课程设计--红外线心率计
6
4
+
uo
u+>u- uo输出高电位 “1”
u+<u- uo输出低电位 “0”
运算放大电路
(3) LM741
1和5为偏置(调零端) 2为反向输入端 3为正向输入端 4接地或负电源 6为输出 7接电源 8空脚
放大、滤波、整形电路
R4
R8
+12V
C1
R3 3k
R5 2k
300k
2 3
IC2
+12V 7
计数电路----MC14553
DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。 DSM1、C1D4S525、3是D3S位3：十位进选制通计扫数描器信，号但的只输有出1个，这3端 能输循出环端地，输要出完低成电3平位，输供出显，示采器用作扫为描位输通出控方制。 Q0式、，Q通1、过Q它2、的Q选3通：脉BC冲D信码号输，出依端次，控它制能3分位时轮 流十输进出制3组的锁输存出器，的从B而CD实码现。扫描显示方式。 O.F.：溢出进位端
E
R11 3k
放大、滤波、整形电路调试
VP- P 1000mV
VP- P 660mV
u3
LCD放 放 放 放 放
u2
5V/ 500ms
u6
放 放 放 C1放 放 放 A1放 6放
放 放 VP- P 10mV
放 放 放 50Hz放 放 放 放 放 放 放 放 放 放 放 放 放
放放放放放
R4放 放 放 放 放 放 放 放 放 R8
4
三位计数器、 译码电路
5
显示电路
+12V电压
6
负电源 变换电路
门控电路
3
数电课程设计心率计
数电课程设计心率计一、课程目标知识目标：1. 理解数字电路基础知识，掌握心率计中数字电路的设计原理；2. 学习并掌握心率计的硬件组成、工作原理及各部分功能；3. 了解心率计在医疗、运动等领域的应用及其重要性。
技能目标：1. 能够运用所学知识，设计并搭建一个简单的心率计数字电路；2. 学会使用相关仪器、工具进行电路调试，解决实际问题；3. 提高分析问题、解决问题的能力，培养动手实践和团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数字电路的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生的创新意识，鼓励他们勇于尝试、不断探索；3. 增强学生的责任感，使他们认识到技术发展对人类生活的影响，关注健康问题。
本课程旨在结合数字电路相关知识，通过设计心率计的实践活动，使学生在掌握基本原理的同时，提高实际操作能力。
课程针对学生的年级特点，注重理论与实践相结合，培养学生的动手能力、创新能力和团队协作能力。
通过课程学习，让学生了解心率计在实际生活中的应用，提升他们对健康问题的关注程度，从而达到学以致用的目的。
二、教学内容1. 数字电路基础知识回顾：逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路等；2. 心率计工作原理介绍：光电传感器原理、模拟信号处理、数字信号处理；3. 心率计硬件组成：传感器、信号放大器、滤波器、模数转换器、微处理器；4. 数字电路设计：组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计、微控制器编程；5. 心率计电路搭建与调试：选用合适元器件，搭建心率计电路，进行实际测试；6. 心率计应用案例分析：分析心率计在医疗、运动等领域的实际应用案例；7. 教学实践：分组进行电路设计、搭建与调试，每组展示成果，相互交流经验。
教学内容参考教材相关章节，以理论与实践相结合的方式进行。
教学进度安排如下：1. 数字电路基础知识回顾（1课时）2. 心率计工作原理介绍（1课时）3. 心率计硬件组成（1课时）4. 数字电路设计（2课时）5. 心率计电路搭建与调试（2课时）6. 心率计应用案例分析（1课时）7. 教学实践（3课时）三、教学方法本课程将采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：通过教师对数字电路基础知识、心率计工作原理及硬件组成的系统讲解，为学生奠定扎实的理论基础。
电类课程设计心率计
电类课程设计心率计一、教学目标本节课的教学目标是让学生了解心率计的工作原理和基本使用方法，通过学习让学生掌握一定的电子电路知识，提高学生的实践操作能力，培养学生的创新意识和科学精神。
具体分为以下三个维度：1.知识目标：使学生了解心率计的基本结构、工作原理和功能，理解电子电路在生物医学领域的应用，掌握心率信号的检测和处理方法。
2.技能目标：培养学生运用电子电路知识分析和解决实际问题的能力，学会使用心率计进行基本操作，能够进行心率信号的采集、处理和分析。
3.情感态度价值观目标：激发学生对生物医学工程领域的兴趣，培养学生的社会责任感，增强学生运用科学知识服务社会的意识。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括以下几个部分：1.心率计的基本原理：介绍心率计的工作原理，使学生了解心率信号的产生和检测方法。
2.心率计的结构与功能：讲解心率计的各个组成部分及其功能，让学生掌握心率计的基本使用方法。
3.电子电路在生物医学领域的应用：分析电子电路在生物医学领域的应用实例，让学生了解心率计在医疗保健中的重要性。
4.心率信号的检测与处理：介绍心率信号的检测方法，讲解心率信号的处理技巧，培养学生分析和处理心率信号的能力。
5.心率计的操作与实践：指导学生进行心率计的操作实践，培养学生的动手能力，提高学生运用心率计解决实际问题的能力。
三、教学方法为了提高教学效果，本节课将采用以下几种教学方法：1.讲授法：讲解心率计的基本原理、结构和功能，使学生掌握心率计的相关知识。
2.案例分析法：分析实际案例，让学生了解心率计在医疗保健领域的应用，提高学生的实际操作能力。
3.实验法：指导学生进行心率计的操作实践，培养学生的动手能力，使学生能够运用心率计解决实际问题。
4.小组讨论法：分组讨论心率计的使用方法和心率信号的处理技巧，培养学生的团队合作意识和沟通能力。
四、教学资源为了保证教学效果，本节课将充分利用以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统、科学的心率计知识。
基于红外技术的简易心率计的设计
VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3) P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7)
EA/VPP ALE(PROG)
PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13) P2.4(A12) P2.3(A11) P2.2(A10)
红外技术是一种视距无线通信技术，具有非接触式、抗 干扰能力强、工作功耗低利、数据通信可靠等优点。红外光 电式检测方法测量心率，是利用光信号对血液流动的透射率 或反射率不同，将光信号变换成电信号进而进行测量的方法。 一般对光信号的采集有两种方法，一种是对射式采集，即在 对人体如手指测量时，在手指两侧各放一个光电二极管，一个 用于发射信号，一个用于接收信号。当通过手指的血流量变化 时，光信号的透射率发生变化，光电接收管中的电流量也将发 生变化，从而测量心率值 ；另一种是反射式采集，即用于发射 信号和接收信号的光电二极管都朝向一端，利用血流变化时， 光的反射率发生变化，从而利用光电管中的电流量的变化来测 ————————————————
全面感知 Comprehensive Perception
基于红外技术的简易心率计的设计
雷文礼，袁君丽，任新成
（延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000）
摘 要：心脑血管疾病是人类健康的直接威胁者，简单有效地监测心率是降低人类心脑血管疾病发病率的迫切需求。文
章基于红外技术设计了一种简易心率计，该心率计采用红外对管发射和接收红外信号，采集人体的心率信号，并经过主控芯片
P2.1(A9) P2.0(A8)
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数字电路课程设计红外线心率计
数字电子技术课程设计报告指导老师：严国红、夏海霞姓名：学号：班级：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⑴ 负电源变换电路为简化实验的步骤，实验中直接用+12V 、和-10V 的电源代替负电源变换电路。
⑵ 血液波动检测电路实验中采用信号源发生器直接产生正弦波代替原来的血液波动检测电路。
⑶ 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。
IC 2、IC 3、IC 4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A 1、A 2的供电方式是正负电源供电，电源为+12V 、-10V 。
A 1、A 2与周围元件组成二级放大电路，放大倍数A uf 为：40006666R R R R A 6834uf ≈⨯=⨯=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V 3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。
数字心率计的设计
摘要摘要本设计采用以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示心率计的硬件电路和软件设计方法。
整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、信号采集子程序、信号放大处理子程序、显示子程序等模块组成。
本设计采用了红外对管传感器和光电转换原理进一步实现对心率的检测。
心率计通过感知手指内的微弱波动来接收信号，可以避免人工听诊器所带来不必要的麻烦。
心率传感器采样脉搏信号，采用AT89S51单片机作为控制器，心率传感器输出方波传入单片机，单片机每接收一个脉冲波形，数码管就计数一次。
心率次数超限时用蜂鸣器报警。
三极管加大功率，驱动器件工作。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现心率测量的各种功能。
在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
关键词：心率；传感器；滤波器；放大器；显示电路；报警电路IAbstractAbstractThe rapid development of society today, people's material and cultural life has been great ly improved, but at the same time, a variety of diseases threatening people's life; and the heart attack is difficult to prevent the sudden fatal disease, so health is also more and more attention by people. This design is to solve the problem that can be measured by heart rate, heart dise ase prevention of heart disease in the digital heart rate meter.Heart rate is an important phys iological parameter of human body, in modern medicine, heart rate for blood circulation and c ardiac function in field research has important significance. Heart rate meter is used to measur e the human heart rate in medical devices, high accuracy rate meter research and development of medical instrument is always an important topic in the field of. This design aims to have th e circuit and hardware knowledge, design a simple heart rate meter. In the design of the pulse frequency and heart rate, heart rate can be used to measure the pulse measurement is obtained, therefore the design of human body pulse as the measuring object.Key words：Heart rate;sensor;filter;amplifier;a display circuit;alarm circuitII目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景、目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状及存在问题 (1)1.3 课题的主要问题和研究方法 (2)1.3.1 设计要求 (2)1.3.2 设计内容 (2)第2章数字心率计总体方案设计 (3)2.1 数字心率计方案设计思路 (3)2.2 心率计的结构组成和框图 (3)2.2.1 心率计的结构组成 (3)2.2.2 心率计的结构框图 (4)2.3 本章小结 (4)第3章心率计的硬件设计 (5)3.1 AT89S51单片机 (5)3.1.1 AT89S51单片机简介 (5)3.1.2 AT89S51单片机的特点 (5)3.1.3 AT89S51的结构 (6)3.1.4 工作原理 (8)3.2 传感器 (8)3.2.1 传感器的选择与论证 (8)3.2.2 红外线传感器 (10)3.3 复位电路 (10)3.3.1 单片机复位电路 (10)3.3.2 按键电路 (11)3.3.3 振荡电路 (11)3.4 显示报警模块 (12)3.4.1 显示模块的选择与论证 (12)3.4.2 显示电路 (12)3.4.3 报警电路 (15)3.5 信号采集电路 (16)I I3.6 信号放大电路 (17)3.7 信号比较电路 (17)3.8 LM358P放大器 (18)3.9 本章小结 (19)第4章心率计的软件设计 (20)4.1 程序流程 (20)4.1.1 主程序流程图 (20)4.1.2 中断程序流程图 (21)4.1.3 定时器T0和T1的中断服务程序 (21)4.2 测量计算原理 (22)4.3 KEIL编程软件的介绍 (23)4.4 几种主要干扰因素 (23)4.5 本章小结 (24)总结 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录 (28)附录1 系统原理图 (28)附录2 程序代码 (29)I V第1章绪论1.1课题背景、目的及意义近年来世界科技与经济的飞速蓬勃发展，重视生命和健康渐渐成为人类共同的追求。
心率计课程设计教材
一摘要随着社会的发展与进步，我们的生活节奏也越来越快，面对每天繁忙的工作生活，我们不一定能像以前那样定期抽出时间去为自己身体做一次体检。
而事实上我们身体承受的负荷却越来越大，相比于以前我们需要给自己的身体以更多的关注，甚至是时刻了解它的健康状况。
身体的健康与否在很多方面都会有所体现。
比如一个人的心率值就基本能反映一个人心脏是否正常工作的。
大家都知道心脏是我们人体中最重要的器官之一，使我们生命的源动力。
所以我们能时刻了解它的状态是很重要的。
由于我们平时不一定总是能抽出时间去做体检，所以我们需要一个简单的，便于操作的，可靠性高的仪器来帮助我们在短时间内测到我们的心率值。
让我们能及时了解到我们现在心脏以及身体的状态。
心率的生理意义人的心脏比握紧的拳头稍大，平均重量为300g。
它是人体内“泵器官”，负责人体血液循环。
心脏每天跳动超过10万次，累计使8千多公升的血液，流经约1万9千公里长的动静脉，从而维持血液循环。
心脏有四个腔，分别是左心房、右心房、左心室和右心室。
右心房接受全身各器官回流的含氧低静脉血并输入右心室，右心室把血液泵入肺脏进行氧气与二氧化碳的气体交换。
左心房将自肺脏返回的含氧高的动脉血输入左心室，左心室再将血液输送至全身器官。
从我们出生的那一刻起，心脏便24小时不停地工作，为全身输送氧气和养分。
心脏能够这样周而复始地有规律地工作，是因为心脏有一个天然的起搏器——窦房结，它能自发地、有节律地发放电脉冲，并沿着结间束、房室结、希氏束和左右束支这一固定的激动传导途径由上向下传遍整个心脏，使心脏各个腔室顺序收缩，完成运送血液的工作。
心脏的正常工作要求心脏节律发放和传导系统的结构和功能正常。
心率(heart rate)指心脏分钟搏动的次数，它能够反映心脏的工作状态。
正常心率决定于窦房结的节律性，成人静息时约60～100次/min，平均约75次/min。
心率可因年龄、性别及其他因素而变化。
初生儿心率约130次/min，随年龄增长而逐渐减慢，至青春期乃接近成人的心率。
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数字电子技术课程设计报告指导老师：严国红、夏海霞姓名：学号：班级：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。
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图1 红外线心率计的原理框图2.2 单元电路的工作原理⑴负电源变换电路为简化实验的步骤，实验中直接用+12V、和-10V的电源代替负电源变换电路。
⑵血液波动检测电路实验中采用信号源发生器直接产生正弦波代替原来的血液波动检测电路。
⑶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。
∞+-∞-+∞-+R 33k R 4200kR 52kR 63kR 8300k R 72kV 31N4148R 9390V 4R 1230k0.47μR 1330kR 1010kR 113k+12V C 2C 30.47μA 1A 2A 3一级放大二级放大滤波整形23 6332226 6IC 2IC 4IC 3+12V +12V +12V747447-10V 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A 1、A 2的供电方式是正负电源供电，电源为+12V 、-10V 。
A 1、A 2与周围元件组成二级放大电路，放大倍数A uf 为：40006666R R R R A 6834uf ≈⨯=⨯=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V 3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。
R 9、V 4组成传感器工作指示电路，当传感器接收到心跳信号时，V 4就会按心跳的强度而改变亮度，因此V 4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A 3的同相输入端，反相输入端接一个固定的电平，A 3是作为一个电压比较器来工作的，是单电源供电。
当A 3的3脚电压高于2脚电压的时候，6脚输出高电平；当A 3的3脚电压低于2脚电压的时候，6脚输出低电平，所以A 3输出一个反应心跳频率的方波信号。
⑷ 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、COMP 2和场效应管V1组成（参见图6(a ）)。
当555内部的COMP 1反相输入端（-）的输入信号V R 小于其同相输入端（+）的比较电压V CO （DD 32V V co =）时，COMP 1输出高电位，置触发器FF 为低电平，即Q=0；当COMP 2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V CO /2(1/3V DD )时，COMP 2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，0R D =，Q=0；MOS 管V 1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V CO 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COMP 2的比较电压为V DD /3，不用时常接0.01μF 电容到地以防干扰。
∞+∞+--++V DDV C056V RV S放电25k5k5kR 1R 2R 3CMP 1CMP 23QR D R 1R 1SQFF 7V 114复位电源放电置“0”输入置“1”输入76238输出υR υS51GND VCC Q控制地DISCDISCR D V DD48(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。
+12VR 141k V5计数指示R 1510kR 168k2R 17200k100μC 60.01μC 5S 1324876IC 5NE555V 680501+IC 511脚5u 2u C6u 3u C6DD V 32TwR 31100k(a) 电路 (b) 工作波形图7 由555组成的门控电路① 当接通电源的时候，+12V 电源电压通过R 15对电容C 4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)）。
V 6截止，V 6的C 极为高电位，所以计数器MC14553不计数，此时V 5不亮。
② 当按下S 1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，V 6饱和导通，V 5发光，V 6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R 17给C 6充电，C 6的电压逐渐增高，如图7(b)u C6波形。
③ 当C 6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，V 6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C 6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：617617DDDD DD617W C R 1.13ln C R V 32V V lnC R T ==-= 式1-1⑸ 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Q 1～Q 3，可分时输出三组BCD 码；有三个分时同步控制信号DS 1～DS 3，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。
1615141312 91110 8765432V SS 12DS 1DS CBCA Q 3Q 2Q 1V DD 3DS O.FRCPDISLEQ 01615141312 91110 8765432V SS 1V DDC BD A PH BI abcd egfMC14553CD4543LD (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=0X=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⑹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：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 111 1 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏abcd e f gQ 0Q 1Q 2Q 3A B CDCIA CIB CLK DIS MR V SS V DD 4312111316897655324DS 2DS 3DS 12115C 71000PV SS BI V DD LD PH 91314151011121661+12VV 7V 8V 9R 21—R 234.7k R 24—R 301k ⨯7⨯3IC 46脚输出V 6C极IC 6IC 7R 2010k8550855085507810百a f 十个be d c g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。