基于单片机红外线心率计装调实训

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C、E极判别 e
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。
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; 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。
+5V
第一级放大电路 第二级放大电路 R11 二阶低通滤波电路 整形电路 V7 R12 10k R13 10k R14 R31 2k 8 1k 3 + ∞ 1 IC3 + 2 LM358 R15 3k 4 R7 C1 10uF R4 200k 7 300k 7 C3 R8 3k 2 10uF 3k + ∞ 6 - ∞ 6 + 2 - IC2 + R5 IC1 + R9 200k 3 LM741 +5V 200k 3 LM741
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
放大电路
R4 ui C1 I1 3k R7
+5V uo
I2 300k 7
+5V
C2 104
R5 200k
- ∞ 2 IC1 + 2.5V LM741 + 3
R6 200k 4
6
Ui U2 U o Ui I1 而I 2 I1 R4 R7 R4 R7 Vcc 可以得出:Uo =- U i R4 2
+ C5 0.47uF
+ C6 0.47uF
放大滤波整形电路
两级放大电路采用单电源供电
放大电路
R4 ui C1 I1 3k R7
+5V
∞
下面根据运算放大器的特点推 导放大电路的放大倍数： +5V R5 200k 由虚短可以得出:
I2 300k 7
2 2.5V 3
+
IC1 + LM741 4
6
uo
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？ 心率测量时间怎样进行设置? 怎样测量与心率对应的数字信号,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
基本要求
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
(1- R C ) + 9 R C = 2
2 C 2 2 2 2 C 2 2
1 0.3742 c = 2f C = = 2.6724 RC RC 0.3742 fc = ⑷ 2RC R取值范围为一般几k～几十kΩ 如R取10k，C的容量为0.47μF fc≈12.7Hz
放大滤波整形电路
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）
放大滤波整形电路
电路组成
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。
+5V
第一级放大电路 R7 第二级放大电路 R11 二级低通滤波电路 整形电路 V7 R14 R31 2k 8 1k 3 + ∞ 1 IC3 + 2 LM358 R15 3k 4
123
78XX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; 链接 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。
+ J 1N4007 1 7805 2 3 +
220uF
A + 1k 5V 104 B
⑵ ⑶
3RC ( ) = arctan( 2 2 2) 1- R C
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
1 fc可令 H ( j ) = = 0.707 求得 2
即
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
整形电路
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。
+5V 2k 10k + 10k + 3V 3 2 3k 8
1k
0.47uF -
0.47uF
+ -
IC3 + 4
∞1
接单片机 第4脚
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。
R + R + C C
u1
-
u2
-
放大滤波整形电路
滤波电路
U2 1 H ( j ) = = =| H ( j ) | ∠ ( ) 2 2 2 U1 1 - R C + j3RC
(1)
H ( j ) =
1 (1 - R C ) + 9 R C
2 2 2 2 2 2 2
+
C2 104
4 R6 200k
+5V
C4 104
+
4 R10 200k
+ C5 0.47uF
+ C6 0.47uF
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。 ② 根据电路图检查电路是否安装正确。 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。 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。
原理框图
单片机 控制电路
单片机 驱动电路
1
输入+8-13V 电压
电源 电路
输出+5V电压
直流电源电路
+ J 1N4007 8–13V 1 7805 2 3 +
220uF
工作原理
A + 1k 5V
104 -
K B 78XX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。 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
基于单片机心率计 主要教学内容
整机电路原理及调试分6个单元介绍(参见教材 206-209页) 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
单片机软件的设计
基于单片机心率计
4 2 光电转换 电路 3 放大滤波 整形电路
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。
+ C
光电传感器
发 射 管
E
组 成
（发射管）
光敏三极管
（接收管）
反射型光电传感器
☜
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
红外发光二极管的正向导通压降U正=1.0V左右
光电转换电路
发射管 挡 红黑 接收管
C1 C3 10uF R4 200k 7 300k 7 10uF R8 3k 2 + 3k ∞ 6 - ∞ 6 + 2 - IC2 + R5 IC1 + R9 200k 3 LM741 +5V 200k 3 LM741
R12 10k
R13 10k
+
C2 104
4 R6 200k
+5V
C4 104
+
4 R10 200k
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 1k + R3 TCRT5000 10k C1 10uF +
c e
放大电路
信号幅度为mV级
光电转换电路
红外发光二极管
单片机控制电路
51单片机
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
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。
TXD 串行 输出
单片机控制电路
51单片机引脚
51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。 2) 4个8位输入/输出端口
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。
VCC U 2 U3 2.5V 2 V+
8 7 6 5 + 1 2 + 3 4 V-
C2 104
R6 200k
741内部结构图
741外形
放大滤波整形电路
由虚断可以得出:I1=I2
Ui U 2 Ui Vcc I1 R4 X C1 R4 X C1 2( R4 X C1 )
+5V
R2 1k R3 10k
TCRT5000
1V
+
c e
4.5—5V 4—4.5V
+
C1
放大整形 电路
☜
光电转换电路
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） 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， +5V 用数字万用表测量A点电 R2 R3 1k 10k TCRT5000 压为1V，B点电压5V不变 A c B + 断电，先检查接收管的E 1V + 4.5—5V C1 极与直流地是否接通，如接 4—4.5V e 通，则接收管损坏。
单片机控制电路
3) 控制引脚(6个)
51单片机引脚
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。 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。
单片机控制电路
RST ALE EA PSEN
51单片机结构
地址/数据总线 P0 P1P2P3
总线控制逻辑
ROM
RAM
I/O 特殊功能 寄存器 SFR
CPU 时钟系统
定时器/ 计数器
中断 系统
串行接口 UART
ຫໍສະໝຸດ Baidu
XTAL2
XTAL1 T0 T1 时钟信号 计数信号
RXD 串行 INT0 INT1 输入