紅外對管心率放大測試模塊_圖文

1、電子工藝實訓設(shè)計報告設(shè)計題目紅外對管心率顯示波形器專業(yè) 14電氣工程及其自動化班級 1 學號 4140211118 姓名沈韜2016年6月30日衢州學院紅外對管心率顯示波形器摘要:紅外線心率計就是通過紅外線傳感器檢測出手指中動脈血管的微弱波動,由計數(shù)器計算出每分鐘波動的次數(shù)。但手指中的毛細血管的波動是很微弱的,因此需要一個高放大倍數(shù)且低噪聲的放大器,這是紅外線心率計的設(shè)計關(guān)鍵所在。關(guān)鍵字:運算放大器;紅外對管;低噪聲;設(shè)計要求:當手指放到紅外信號采集模塊部分時候,經(jīng)過信號的采集,放大采集到的電路,使得心率波形能在示波器上顯示出來。方案選擇比較: 在測量過程中,預處理電路探測到的脈搏信號容易受到

2、外界干擾,需要對干擾噪聲進行處理。一般通過兩種途徑對噪聲處理:一是增加濾波電路;二是從數(shù)字信號處理的角度,通過算法來減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會使成本增加,并影響儀器的便攜性,另外由于干擾的不確定性,濾波的效果不會很好。軟件濾波盡管會占用一定的系統(tǒng)資源,但成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好,在處理速度允許的條件下,具有靈活、方便、功能強的優(yōu)點。一、紅外心率模塊工作原理電路由血液檢測電路、放大濾波電路電路組成。血液波動檢測電路首先通過紅外光電傳感器把血液中波動的成分檢測出來,然后通過電容器耦合到放大器的輸入端。如圖下圖所示。 +12VR11k8R222kC1+TCRT5000放大整形電路+CE3k

3、血液波動檢測電路TCRT5000紅外光電傳感器的檢測方法:首先用數(shù)字萬用表的二極管檔位正向壓降測試控制端發(fā)射管(淺藍色的正、負極,將紅黑表筆分別接發(fā)射管的兩個引腳,正反各測一次,表頭一次顯示“1.05(0.9-1.1”,一次顯示溢出值“-1”,則顯示1.05V的那次正確,紅表筆接的是正極,黑表筆接的是負極。若兩次都顯示“1”,說明發(fā)射管內(nèi)部開路,若兩次都顯示“0”發(fā)射管內(nèi)不短路。然后再判斷接收管的C、E極和光電轉(zhuǎn)換效率,方法如下:將發(fā)射管的正負極分別插入數(shù)字萬用表h FE檔NPN型的C、E插孔,再將模擬萬用表打到R×1k檔。紅黑表筆分別接接收管的兩個引腳,若表針不動,則紅黑表筆對調(diào),

4、若表針向右偏轉(zhuǎn)到15k左右,則黑表筆所接管腳為C,紅表筆所接管腳為E。此時,再用手指或白紙貼近兩管上方,表針繼續(xù)向右偏轉(zhuǎn)至1k以內(nèi),說明該紅外光電斷續(xù)器的光電轉(zhuǎn)換效率高。血液波動檢測電路工作原理:TCRT5000是集紅外線發(fā)射管、接收管為一體的器件,工作時把探頭貼在手指上,力度要適中。紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線穿過動脈血管經(jīng)手指指骨反射回來,反射回來的信號強度隨著血液流動的變化而變化,接收管把反射回來的光信號變成微弱的電信號,并通過C1耦合到放大器。人體指尖的動脈比較發(fā)達,當動脈血管隨心臟周期性收縮與舒張時,血管中的血液容積也會發(fā)生變化。這時紅外接收探頭便能采集到的相應(yīng)的光脈沖信號,經(jīng)過去噪和放

5、大后送到單片機,進行運算處理,便得到了心率數(shù)據(jù)。采集信號部分的原理圖如下圖所示。 放大、濾波電路是把傳感起檢測到的微弱電信號進行放大、濾波,最后輸出反映心跳頻率的放大樣子,如下圖(a所示。其中NE5532為高精度單運放電路,它們的引腳功能下圖3(b (a (b因為傳感器送來的信號幅度只有25毫伏,要放大到10V左右才能作為計數(shù)器的輸入脈沖。因此放大倍數(shù)設(shè)計在100倍左右。兩級放大器都接成反相比例放大器的電路,經(jīng)過兩級放大、反相后的波形是跟輸入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一個交流信號。其中A1、A2的供電方式是正負電源供電,電源為+12V、-10V。A1、A2與周圍元件組成二級放大電

6、路,放大倍數(shù)Auf 為: 00110106834=R R R R A uf 由于放大后的波形是一個交流信號,而計數(shù)器需要的是單方向的直流脈沖信號。所以經(jīng)過檢波后變成單方向的直流脈沖信號,并把檢波后的信號送到RC 兩階濾波電路,濾波電路的作用是濾除放大后的干擾信號。R9、LED 組成傳感器工作指示電路,當傳感器接收到心跳信號時,LED 就會按心跳的強度而改變亮度,因此LED 正常工作時是按心跳的頻率閃爍。在NE5532運算管放大器第二級輸出端7引出排針可以用示波器顯示出心率的變化規(guī)律。二、 紅外對管模塊的實現(xiàn)過程首先我在網(wǎng)上查找類似電路原理圖,然后經(jīng)過Multisim2014的仿真,調(diào)整到合適的

7、參數(shù),使得該模塊能正常工作,最后在萬用板上搭建實際電路來實現(xiàn)紅外對管心率電路。1、查找網(wǎng)上現(xiàn)有的原理圖是工程師需要基本掌握的一項技能,找到的電路圖不一定能夠合適用上,所以只能當作自己的一個參考。例如下圖所示的網(wǎng)上搜索結(jié)果。 2、然后經(jīng)過計算和Multisim14的測試仿真。心率信號數(shù)字處理及算法在測量過程中,預處理電路探測到的脈搏信號容易受到外界干擾,需要對干擾噪聲進行處理。一般可以通過兩種途徑對噪聲處理:一是增加濾波電路;二是從數(shù)字信號處理的角度,通過算法來減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會使成本增加,并影響儀器的便攜性,另外由于干擾的不確定性,濾波的效果不會很好。軟件濾波盡管會占用一定的系

8、統(tǒng)資源,但成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好,在處理速度允許的條件下,具有靈活、方便、功能強的優(yōu)點。本文主要采用數(shù)字濾波的方法來進行處理,其中最重要的算法是匹配濾波算法。所謂匹配濾波器就是使濾波器輸出信噪比在某一特定時刻達到最大并由此導出的最佳線性濾波器。匹配濾波原理:設(shè)輸出信噪比最大的最佳線性濾波器的傳輸函數(shù)為H(,濾波器輸入信號與噪聲的合成波為:式(1中,s(t為輸入數(shù)字信號,其頻譜函數(shù)為S(,n(t為高斯噪聲。由于該濾波器是線性濾波器,滿足線性疊加原理,因此,濾波器輸出也由輸出信號和輸出噪聲兩部分組成,即:式(2中,輸出信號的頻譜函數(shù)為S0(,其對應(yīng)的時域信號為:濾波器輸出噪聲的平均功率為:所以

9、,在抽樣時刻t0,線性濾波器輸出信號的瞬時功率與噪聲平均功率之比為:從式(3可見,在輸入信號給定的情況下,輸出信號比r0只與濾波器傳輸函數(shù)H(有關(guān)。根據(jù)施瓦茲不等式:根據(jù)帕塞瓦爾定理有:式(5中,E為輸入信號的能量,故得關(guān)系式:根據(jù)施瓦特不等式中等號成立的條件X(=kY*(,k為任意常數(shù),可得不等式中等號成立的條件為:式(7中,K為常數(shù),通?？蛇x擇為k=1.S*(是輸入信號頻譜S(的復共軛。該濾波器在給定時刻t0能獲得最大輸出信噪比2E/n0。這種濾波器的傳輸函數(shù)H(除相乘因子Ke-jt0外,與信號頻譜的復共軛相一致,所以稱該濾波器為匹配濾波器。易得到匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為:紅外線接收探頭獲取

10、的動脈搏動光脈沖信號的數(shù)字匹配濾波的過程是通過輸入信號序列s(n與匹配濾波器的沖擊響應(yīng)序列h(n求卷積的方法來實現(xiàn)的。3、當仿真結(jié)果達到預期效果的時候,我開始搭建紅外對管功能的功能模塊。焊接的過程不僅是考驗焊工,更是分析電路出現(xiàn)不同問題的能力的鍛煉。三、元件參數(shù)選擇 Au=10*10=100倍,理論上根據(jù)集成運算放大器可知,采集到的信號將被放大100倍。四、仿真調(diào)試結(jié)果 五、焊接,調(diào)試,拍攝成品照片 六、設(shè)計體會經(jīng)過這次工藝實訓,我也深刻的學習到了很多的知識,學會了Multisim的仿真,實際元件參數(shù)的配比,功能板子的調(diào)試。焊接完電路板,最最需要耐心的就是調(diào)試電路板的功能,想要達到理想的功能,則不僅需要熟練的焊接技巧,更需要在檢測已經(jīng)出現(xiàn)了問題的電路時分析各種原因以及解決方法,正確的分析方式有利于我們事半功倍