红外线心率计

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1、课程设计指导书141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

2、示。译码、驱动、显示3位计数器放大、整形、滤波血液波动检测门控电路-10V+12V电源变换电路图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

3、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

4、，当带上负载后，E点电压大约降到9V左右。14图2电源电路(a)CD4049(b)LM741图3集成电路的结构图⑵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）”14，一次显示溢出值“-1”，则显示1.05V的那

5、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

6、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。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。图5　信号放大、整形电

7、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V314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

8、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