红外线心率计.docx

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红外线心率计

1.产品简介···········································1

2.主要芯片介绍········································1

2.1CD4553··········································1

2.2NE555···········································3

2.3LM741···········································5

3.红外线心率计工作原理·······························10

3.1红外线心率计的原理框图···························10

3.2单元电路的工作原理·······························10

（1）血液波动检测电路···············································10

（2）放大、整形、滤波电路··········································11

（3）门控电路·····················································12

（4）3位计数电路··················································14

（5）译码、驱动、显示电路··········································15

4红外线心率计调试工艺·······························18

4.1基本要求········································18

4.2调试技术的发展···································18

4.3红外线心率计的调试过程····························18

5.小结·················································21

6.参考文献·············································22

红外线心率计

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.主要芯片介绍

2.1cd4553

CD4553/CC4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。

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引脚功能：

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CLOCK：

计数脉冲输入端，下调沿有效。

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CIA、CIB：

内部振荡器的外界电容端子。

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MR：

计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。

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LE：

锁定允许。

当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。

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DIS：

该端接地时，计数脉冲才能进行计数。

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DS1、DS2、DS3：

位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。

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Q0、Q1、Q2、Q3：

BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。

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CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。

例如：

当Q0～Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。

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图1 CD4553引脚图hUu838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

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图3 CD4553开关时间测试电路和波形hUu838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

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2.2NE555

555芯片引脚图及引脚描述

555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器6脚A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。

NE555管脚功能介绍：

　　1脚为地。

2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。

　　当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；

　　2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。

6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入　电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。

3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。

　　4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

　　5脚是控制端。

7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。

1555集成电路的框图及工作原理

555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。

但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。

此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。

由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，如图1所示。

555芯片管脚介绍

555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2（A）所示，按输入输出的排列可看成如图2（B）所示。

其中6脚称阈值端（TH），是上比较器的输入；2脚称触发端（TR），是下比较器的输入；3脚是输出端（Vo），它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端（DIS），它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端（MR），加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（Vc）,可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。

图2555集成电路封装图

我们也可以把555电路等效成一个带放电开关的R-S触发器，如图3（A）所示，这个特殊的触发器有两个输入端：

阈值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平，触发端（TR）可看成是置位端S，要求低电平，有一个输出端Vo，Vo可等效成触发器的Q端，放电端（DIS）可看成是由内部放电开关控制的一个接点，由触发器的Q端控制：

Q=1时DIS端接地，Q=0时DIS端悬空。

另外还有复位端MR，控制电压端Vc，电源端VDD和

地端GND。

这个特殊的触发器有两个特点：

（1）两个输入端的触发电平要求一高一低，置零端R即阈值端（TH）要求高电平，而置位端s即触发端（TR）则要求低电乎;

（2）两个输入端的触发电平使输出发生翻转的阈值电压值也不同，当Vc端不接控制电压时，对TH（R）端来讲，>2/3VDD是高电平1,<2/3VDD是低电平0：

而对TR（S）端来讲，>1/3VDD是高电平1，<1/3VDD是低电平0。

如果在控制端（Vc）上控制电压Vc时，这时上触发电平就变成Vc值，下触发电平就变成1/2Vc值，可见改变控制端的控制电压值就可以改变上下触发电平值。

它的功能表见图3（B）所示。

图3555电路等效R—S触发器

555集成电路有双极型和CMOS型两种。

CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率较小，输出驱动电流只有几毫安。

双极型的优点是输出功率大，驱动电流达200毫安，其他指标则不如CMOS型的。

4.典型应用电路

555的应用电路很多，只要改变555集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路，大体上可分为555单稳、555双稳及555无稳（即振荡器）三类。

2.3LM741

LM741/UA741运算放大器使用说明及应用

物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。

但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。

现今放大器种类繁多，一般仍以运算放大器（OperationalAmplifier,OpAmp）应用较为广泛，本文即针对741运算放大器的使用加以说明。

1.运算放大器简介

放大器最初被开发的目的是运用于类比计算器之运算电路，其内部为复杂的集成电路（IntegratedCircuit,IC），亦即在单一电子组件中整合了许多晶体管与二极管，图1为一般放大器之内部等值电路。

1.运算放大器内部等值电路图

运算放大器属于使用反馈电路进行运算的高放大倍率型放大器，其放大倍率完全由外界组件所控制，透过外接电路或电阻的搭配，即可决定增益（即放大倍率）大小。

图2为运算放大器于电路中的表示符号，可看出其包含两个输入端，其中（＋）端为非反相（Non-Inverting）端，而（－）端称为反相（Inverting）端，运算放大器的作动与此二输入端差值有关，此差值称为「差动输入」。

通常放大器的理想增益为无穷大，实际使用时亦往往相当高（可放大至105或106倍），故差动输入跟增益后输出比较起来几乎等于零。

图2.差动运算放大器表示符号

2.741运算放大器使用说明

2.1作动方式与原理

741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。

放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。

741运算放大器的外型与接脚配置分别如图3、4所示。

741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压＋Vdc与－Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压＋Vdc或小于负电源电压－Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压＋Vdc至－Vdc之范围，其值会等于＋Vdc或－Vdc，故一般运算放大器输出电压均具有如图5之特性曲线，输出电压于到达＋Vdc和－Vdc后会呈现饱和现象。

图3.放大器输出入电压关系图

741运算放大器之基本动作如图4所示，若在非反相输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；若以相同电压信号在反相输入端输入，则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性之信号输出。

而当对放大器两输入端同时输入电压时，则是以非反相输入端电压值（V1）减去反相输入端电压值（V2），可于输出端得到（V1－V2）经过倍率放大后之输出。

图4.放大器基本输出入关系图

3.运算放大器常用电路

实际使用运算放大器时，因各类传感器输出电压变化极大，放大后电压很难正好落在放大器输出电压范围内，且运算放大器输入电源电压有其限制之承受范围限制，故需在电路上变化或补正。

另外放大器放大倍率亦不一定正好为所需倍率，故需外接不同阻值电阻来解决。

3.红外线心率计工作原理

3.1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

3.2单元电路的工作原理

（1）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“0.97（0.9-1.1）”，一次显示溢出值“-1”，则显示0.97V的那次正确，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。

（2）放大、整形、滤波电路

放大、整形、滤波电路是把传感器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V3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。

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2脚电压的时候，6脚输出低电平，所以A3输出一个反应心跳频率的方波信号。

（3）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COMP1、COMP2和场效应管V1组成（参见图6（a））。

当555内部的COMP1反相输入端（-）的输入信号VR小于其同相输入端（+）的比较电压VCO（

）时，COMP1输出高电位，置触发器FF为低电平，即Q=0；当COMP2同相输入端（+）的输入信号

大于其反相输入端（-）的比较电压VCO/2（1/3VDD）时，COMP2输出高电位，置触发器FF为高电平，即Q=1。

是直接复位端，

，Q=0；MOS管V1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VCO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COMP2的比较电压为VDD/3，不用时常接0.01μF电容到地以防干扰。

（a）555定时器内部电路（b）555简化符号

图6555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。

（a）电路（b）工作波形

图7由555组成的门控电路

当接通电源的时候，+12V电源电压通过R15对电容C4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））。

V6截止，V6的C极为高电位，所以计数器MC14553不计数，此时V5不亮。

当按下S1按钮时，2脚电压为0V，低于1/3电源电压。

555内部CMP2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，V6饱和导通，V5发光，V6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R17给C6充电，C6的电压逐渐增高，如图7（b）uC6波形。

当C6的电压充到2/3电源电压的时候，555内CMP1输出高电平，触发器置“0”，3脚输出低电平，V6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C6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：

式1-1

（4）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Q1～Q3，可分时输出三组BCD码；有三个分时同步控制信号DS1～DS3，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。

（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2.1MC14553真值表

输入

输出

置零端（13脚）

时钟（12脚）

使能（11脚）

测试（10）

上升沿

不变

下降沿

计数

不变

上升沿

计数

下降沿

不变

上升沿

锁存

Q0123=0

X=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9DS1～DS3输出波形图

（5）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2.2CD4543的真值表

输入

输出

（1）

（7）

（6）

DCBA

abcdefg

显示

XXXX

1111111

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