基于单片机红外线心率计装调实训(单片机部分课件)2014.2.28

U o 1 - ( f / fo) 2 j 1 ( f / fo) R3 Aup = (1 + ) Q 为f=0时放大倍数 C R2 + 1 1 Vcc f f Q= o p R 2R1 C1 3 - Aup ∞ + +
1 1
特点：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗 很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。 优点：电路性能稳定，增益容易调节。 Aup Ui 电压放大倍数 A
8–13V K -
返回
光电转换电路
工作原理
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。
+5V R2 TCRT5000 + R3 C1 10uF +
c e
放大电路
信号幅度为mV级
R2、R3的阻值如何设计?
光电转换电路
+5V
R2
1V
A
ຫໍສະໝຸດ Baidu
TCRT5000
R3
+
c e
B
4.5—5V 4—4.5V
+
C1
放大整形 电路
☜
光电转换电路
故障分析
⑴ 用数字万用表测量A点电压为5V（正常为1V）
故障引起原因：发射管负极未接地或损坏。 故障检测方法：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。
- ∞ +
+5V
C2
R5
IC1 +
- IC2 + +
LM741 4
∞
6
R12 10k
R13 10k
R14 3 +
8
R31
3 LM741 4 R6
+5V
C4 104
R10
+ C5 0.47uF
IC3 + 1 2 LM358 4 R15
+
∞
104
C6 0.47uF
放大滤波整形电路
电路设计
1、两级放大电路参数设计（R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10 、R11 取值）;（二级总的放大倍数为3000左右） 2、请设计一个二阶低通有源滤波器，截止频率fp=10-20Hz； 运放采用358（需查阅358资料）； 3、设计一个整形、显示电路，运放采用358。 要求：整形电路输出低电平时，发光管显示，反之则不显示。 提供电阻阻值：1k、1.5k、2k、2.4k、3k、4.7k、5.6k、7.5k、 10k、15k、30k、100k、220k、300k、560k 电容容量：0.33 μF 、0.47μF
20k之间，R7的取值为（1～100）R4，R5=R6≈2R7
R4
滤波电路
来自光电 转换电路 第一级 放大 第二级 放大
信号通过放大电路放大后，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——需采 用低通滤波器进行滤波。 滤波器按元器件组成可分为有源滤波器和无源滤波器。 无源滤波器：仅由无源元件电阻、电容、电感等组成。 有源滤波器:一般由集成运放与RC网络构成,由于集成运放的增 益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与 缓冲作用。 在实际应用中，综合考虑电路滤波特性和信号增益，一般选用 有源滤波器。 下面主要介绍常用的一级、二级RC低通滤波器、二级有源低 通滤波器的设计。
u
R1
C1
+
-
+
+ uo
C1一般选小于1μF电解电容; R 选几k～几十kΩ碳膜电阻
-
R2
R3
-
整形电路
电路设计
利用电压比较器，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。
u u1
3V
0 t 0
u3
u2
t
+5V 2k 3 2 3k 8
+ -
∞1
IC3 4
+
接单片机 第4脚
+5V
第一级放大电路
R7 2 3 7
第二级放大电路
C3 10uF R8 6 + R9 R11 2 3 7
C1 10uF R4 + R5 C2
-
+5V
104
+
IC1 + LM741 4
∞
- IC2 + +
LM741 4
∞
6
+5V
C4 104
请设计一个 二阶有源 低通滤波器
请设计一个 整形、脉冲 显示电路
掌握电路板布局规范、整机电路安装调试 培养学生工程实践能力，利用所学理论知识 分析、排除调试过程中所遇到的问题
基于单片机心率计
序号
1
2
教学内容
学时安排
0.5
0.5
教学内容
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
3
4
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
2
2
光电转换电路
安装调试
① 在实验板上完成元器件及短路线的安装; 链接 ② 根据电路图检查电路是否安装正确; 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。用数字万用表 测量A点电压为1V左右。把测量结果填入教材250页表B8中
⑵ 用数字万用表测量A点电压为0V（正常为1V）
故障引起原因:发射管 的正极与R2一端或R2的一端 +5V R2 与5V未接通。 故障检测方法：断电，先 1V 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。
R3
TCRT5000
A
+
c e
B
4.5—5V 4—4.5V
红外发光二极管
+ C
光电传感器
发 射 管
E
组 成
（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。 （接收到的光线越强，电流越大） 光电传感器的红外发射管的电流在2～10mA之间时 发光强度与电流的线性最佳;红外发射的正向导通压降U 正=1.0V左右 正常使用时接收管的最大电流不超过250μA。
ui C1 I1 +5V
C2 104
R4
I2
7 6
R5
∞ 2 IC1 + 2.5V LM741 + 3
4 R6
uo
由虚断可以得出:I1=I2
Ui U 2 - U。 而I1 = ，I 2 = 放大电路参数设计： R4 R7 2
R7 推存运算放大电路的电压放大倍数小于 ，要把信号 放大倍数 100 Auf = Vcc R7 可以推导出 ：U o = - Ui 放大 3000倍，需采用二级放大电路， R4的取值范围：R 1k 4～
放大电路
电路设计
来自光电转换电路的信号很微弱（幅度为2mV左右,频 率为0.7Hz～3Hz），而计数器处理的信号为5V左右，因此 需放大3000倍左右，通常采用运放进行放大，常用于前置 放大器的的:μA741、LF347（低精度）、OP-27（中精 度）、ICL7650（高精度）等，下图为741的电路结构图。
返回
放大滤波整形电路
来自光电 转换电路
怎样的电路
？
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 而放大后的信号有很多干扰信号，因此需要采用 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。
5
单片机软件设计
1-2
基于单片机心率计
原理框图
2 光电转换 电路
3 放大滤波 整形电路
单片机 4 控制电路
89S51单片机 驱动电路
1
输入+8-13V 电压
电源 电路
输出+5V电压
链接
直流电源电路
+ J 1N4007 8–13V 1 7805 2 3 +
220uF
工作原理
A + 1k 5V
104
故障分析
引起原因：① 有可能是发光管正负极接反或损坏； ② 或1N4007正负极接反；③ 或7805装反或损坏。
⑵ 7805的3脚输出电压随输入电压变化而变化。
J 1N4007 1 3 +
220uF
引起原因：有可能是7805的2脚末接直流地（断开）。
+ 7805 2 A 1k 5V 104 B +
8 V+ 7 + 1 2 + 3 4 V6 5
8
5
8
1
4
1
4
741 内部结构图
741安装插座
741芯片
放大电路
电路设计
放大电路采用单电源反相放大电路,参见右下图。 +5V R7 下面根据运算放大器的特点推
导放大电路的放大倍数：取R5=R6 由虚短可以得出:
VCC U 2 U3 2.5V 2
电路设计
0.37 通带截止频率fp： f p = 2RC
C一般选小于1μF电解电容; R选几k～几十kΩ碳膜电阻
特点：二阶低通滤波电路幅频特性衰减斜率为-40dB/+倍 频，与一阶相比，其衰减斜率大一倍，滤波效果较好。
滤波电路
3）有源压控二阶滤波器
电路设计
1 当3-Aup>0，即Aup<3时，滤波 参数设计：2R1=R3//R2， Q = 2 ui 电路才能稳定工作
反射型光电传感器
☜
接 收 管
光电转换电路
发射管 挡 红黑 接收管
传感器检测
200kΩ 或2MΩ挡 红 黑
发射管正负极判别
俯视图
若表头显示为0.9～1.1V, 红笔接的是正极， 黑笔接的是负极。 + 若表头显示为 “1” 红笔接的是负极
接收管 eC、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 c E极。
单片机控制电路
单片机特点
单片机（Single Chip Microcomputer）——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。 特点：① 高性能、低价格；② 体积小、可靠性高； ③ 低电压、低功耗（一般单片机工作电压为5V，有的可 以在1.8～3.6V工作(MSP430单片机),功耗降至μA级，对 于开发携带式智能产品和家用消费类产品显得非常重要。 单片机目前已被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、 工业自动化、航空航天等领域。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（Micro Computer System）51系列，因此下面主要介绍51系列单片机。
滤波电路
1）一阶RC低通滤波器
-20dB/十倍频
电路设计
1 C一般选小于1μF电解电容; f = 通带截止频率fp： p 2RC R选几k～几十kΩ碳膜电阻 特点：一阶低通滤波电路结构简单，但它的幅频特性 最大衰减斜率只有-20dB/+倍频，选择性较差。
滤波电路
2）二阶RC低通滤波器
-40dB/十倍频
R6
R10
放大滤波整形电路
安装调试
① 在实验板上完成元器件及短路线的安装。链接 ② 根据电路图检查电路是否安装正确。 ③ 如正确，加入8-13V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。 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8-13V电压,把手指放在传感器上， 正常情况下发光管V7（需设计）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。 返回
B K 123 78XX稳压条件：输入1脚与输出3脚的电压压差 78XX引脚 大于2V以上,但不能超过20V。 排列图 普通的塑料封装输出电流为1.5A,金属封装的为5A。
当JK之间加入+(8～13)V电压，UAB=5V 当JK之间加入-(8～13V)电压，UAB=0V
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; 链接
放大滤波整形电路
工作原理
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。
+5V
第一级放大电路 C1 10uF R4 + R7 2 7 第二级放大电路 R11 C3 10uF R8 6 + R9 7 2 3 二阶低通滤波电路 整形电路
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），用数字万用表DC20V挡测量A、B之间 的电压应为+5V不变。把测量的电压填入教材250表B8中。
+ J 1N4007 1 7805 2 3 +
220uF
A + 1k 5V 104 B
8–13V -
K
直流电源电路
⑴ 电路通电后，发光管不亮。
+
C1
光电转换电路
故障分析
⑶ 把手指放在传感器上，用数字万用表测量B点 电压不变（正常情况下会变）
故障引起原因：红外发射二极管损坏或接收管e极未 接地或损坏。 +5V 故障检测方法：通电， R2 R3 先检查A点电压是否为1V左 TCRT5000 右，如不是，则更换发射管； B + A c 1V + 如为1V左右，则断电检查接 4.5—5V C1 收管的e极与直流地是否接 4—4.5V e 通，如接通，则接收管损坏。
主要思考及解决的问题
采用什么原理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？ 心率测量时间（30s）怎样进行设置? 怎样测量与心率对应的方波脉冲,并在数码 管上显示出来？
基于单片机心率计
掌握常用元器件在电路中应用
教学目标
掌握整机电路工作原理及电路设计