電子技術課程設計——紅外線心率計(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電子技術課程設計報告專業(yè): xxxx 班級： xxxxx 姓名： xxx 學號： xxxxxxxx 指導教師： xxx 完成日期： xxxx年x月x日 目錄一、 設計目的-3二、 設計要求-3三、 設計指標-3四、 設計框圖及整機概述-3五、各單元電路的設計及仿真-41、 檢測電路-42、 放大電路-53、 濾波電路-54、 整形電路-65、 倍頻電路-66、 定時電路-77、 計數(shù)電路-78、 譯碼電路-89、 顯示電路-9六、 電路裝配、調(diào)試與結果分析-9七、設計、裝配及調(diào)試中的體會-10八、附錄（包括整機邏輯電路圖和元器件清單）-10九、參考資源-11一、設計目

2、的電子技術綜合設計是綜合應用模技術擬電子技術、數(shù)字電子技術、電子設計自動化技術進行電子系統(tǒng)的綜合設計。本課程設計通過電子脈搏測試儀的設計，要求學生對紅外線心率計的電路布局、安裝、調(diào)試，讓學生了解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程，掌握常用元器件的識別和測試及電子產(chǎn)品生產(chǎn)基本操作技能，培養(yǎng)學生的動手能力。二、設計要求脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖測量的組要部分。本次課程設計要求用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)。三、設計指標1、設計一個脈搏測試儀，要求實現(xiàn)在30s內(nèi)測量1min的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。正常人脈搏數(shù)為60-80次/min

3、,嬰兒為90-100次/min，老人為100-150次/min。可自行設計所需的直流電源。2、設置指示電路指示直流電源的正常與否。3、放大電路之后設置指示電路指示放大電路的正常與否。4、放大電路放大倍數(shù)可調(diào)。5、整形電路輸出的方波占空比可調(diào)。四、設計框圖及整機概述設計方案為:采用傳感器，量脈搏的跳動，出微弱的信號，入放大器中放大；后通過濾波器濾除干擾信號后，將形整形為方波或脈沖信號；后經(jīng)過倍頻器增加信號的頻率，輸入計數(shù)器中計數(shù)，時通過定時器控制計數(shù)的時間，后得出一分鐘內(nèi)脈搏次數(shù)即為心率。計數(shù)器計數(shù)值輸入到顯示器中顯示。 設計流程圖五、 各單元電路的設計及仿真5.1檢測電路血液波動檢測電路血液波

4、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4所示。 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hFE檔NPN型的

5、C、E插孔，再將模擬萬用表打到R1k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)，若表針向右偏轉到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)向右偏轉至1k以內(nèi)，說明該紅外光電斷續(xù)器的光電轉換效率高。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。5.2放大電路傳感器輸出為微弱信號，需進行放大后

6、才便于后續(xù)電路的處理。考慮到后續(xù)電路中濾波器電路也具有信號放大的功能，所以放大器的放大倍數(shù)不宜過大，放大電路采用LM741芯片，輸入峰峰值為20mv，頻率為20HZ的電源信號，經(jīng)放大電路進行放大，我們的電路放大倍數(shù)為505倍。設計電路的原理如下： 5.3濾波電路干擾信號對測量結果帶來很大的誤差，對信號進行分析與處理時, 常常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題, 這些噪聲有的是與信號同時產(chǎn)生的, 有的是傳輸過程中混入的。因此, 從接收的信號中消除或減弱干擾噪聲, 就成為信號傳輸與處理中十分重要的問題。人體的心率一般在60-150次/分鐘，計算可得其最高頻率為2.5HZ，所以我們可以選擇低通濾波器

7、濾掉高頻信號的干擾。根據(jù)實際情況，我們組選擇了10千歐的電阻和470nF的電容連接成二階濾波電路。我們組設計的低通濾波環(huán)節(jié)如下圖所示：低通濾波器電路圖如下：5.4整形電路信號經(jīng)過濾波后還不能直接用來計數(shù)，需要經(jīng)過整形電路將波形整形為可用于計數(shù)的方波或脈沖信號。電路及整形后的方波如下圖所示： 整形電路 整形后所得方波5.5倍頻電路根據(jù)設計要求，該心率計需要具有在短時間內(nèi)測得1分鐘心臟跳動次數(shù)的功能，因此需要在電路中加入倍頻電路來實現(xiàn)快速測量的功能。假設需要在30秒內(nèi)測得1分鐘的心率，則需要2倍頻電路，倍頻所造成的額外誤差在測量心率這個情景下可忽略不計。倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器、異或門倍頻

8、器等，由于鎖相倍頻器電路比較復雜，成本比較高所以在實際應用中按需要選擇，當輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”都會產(chǎn)生脈沖輸出。5.6定時電路計數(shù)器必須與定時器連接共同作用，才能完成在30秒內(nèi)測量一分鐘的心率的工作。定時器可以采用NE555芯片。NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。設計的電路和輸出結果如下所示。通電后2腳為12V，3腳輸出低電位，V6

9、截止，V5不發(fā)光。按下S1，3腳輸出高電位，V6飽和導通，V5亮。V6的C極輸出低電平，12V電壓通過R17、 R31對C6充電。當充到8V時，輸出狀態(tài)發(fā)生偏轉，3腳輸出低電位，V6截止，V6的C極的輸出高電位。5.7計數(shù)電路由MC14553組成的3位計數(shù)電路對輸入的方波進行計數(shù)，并把計數(shù)結果以BCD碼的形式輸出。MC14553為十六引腳扁平封裝集成電路，其引腳功能如圖8（a）所示，有四個BCD碼輸出端Q1Q3，可分時輸出三組BCD碼；有三個分時同步控制信號DS1DS3，為計數(shù)器的輸出提供分時同步輸出控制信號，形成動態(tài)掃描工作方式，該控制端低電平有效。計數(shù)電路包含了計數(shù)和輸出驅動電路。 (a)

10、 MC14553 (b) CD4543 集成電路引腳功能圖計數(shù)器MC14553的 DS1DS3輸出為方波，波形如圖8所示。當按下S1時（參見圖7(a）)，V5飽和導通，V5的C極為低電平，MC14553的11腳變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器開始對送到12腳的從整形電路過來的方波個數(shù)進行計數(shù)，最大計數(shù)為999，計數(shù)結果以BCD碼的形式從Q0Q3輸出。11腳不管是高電平還是低電平，DS1DS3始終是輸出圖9的方波。當DS3是低電平的時候，個位顯示器被選中，Q0Q3輸出個位要顯示的數(shù)值；當DS2是低電平的時候，十位顯示器被選中，Q0Q3輸出十位要顯示的數(shù)值；當DS1是低電平的時候，百位顯示器被選中，Q0Q3輸出

11、百位要顯示的數(shù)值。 DS1DS3輸出波形圖5.8譯碼電路譯碼器CD4543的引腳功能如圖6.28（b）所示。它有了四個輸入端：A、B、C、D，與計數(shù)器的輸出端相連；有七個數(shù)碼筆段輸出驅動端：ag。譯碼器CD4543可以驅動共陰、共陽兩種數(shù)碼管，使用時，只要將PH引腳接高電平，即可驅動共陽極的LED數(shù)碼管；將PH引腳接低電平，即可驅動共陰極的LED數(shù)碼管。顯示采取動態(tài)掃描的方法，即多位數(shù)碼管在位選通信號的控制下，每個數(shù)碼管按照一定的順序輪流發(fā)光顯示。由于控制顯示信號的頻率很高，而人眼具有視覺暫留特性，所以人眼看起來，數(shù)字的顯示效果和靜態(tài)顯示完全一樣，不會有任何的閃爍感覺。隨著集成技術的發(fā)展，目前

12、有一種集計數(shù)、編碼、譯碼、驅動和顯示為一體的集成組合器件CL系列集成顯示器。CL系列集成顯示器具有體積小，成本低特點，已經(jīng)得到廣泛應用。從計數(shù)器MC14553送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CD4543翻譯成7段字碼后，接到數(shù)碼管的7個筆畫端，點亮相應的筆畫段。5.9顯示電路在心率計的設計過程中計數(shù)電路是其中很關鍵的一部分，通過它測量脈沖次數(shù)從而測出心率。所以其測量的精度直接影響到心率計的測量精度。在這里我選擇了4511BD芯片。從計數(shù)器中輸出的信號為四位BCD碼，不能直接輸入到顯示器中顯示，要先經(jīng)過譯碼器譯碼，輸出七段顯示代碼，才能供顯示。 圖為 3位計數(shù)、譯碼、驅動、顯示電路 上圖中：IC6為MC1455

13、3；IC7為CD4543。六、電路裝配、調(diào)試與結果分析用本電路制作的脈搏測試儀測量心臟跳動頻率，不但精確，而且使用方便，顯示結果醒目。但是測量心率時，每次需要一分多鐘，這可以通過設置倍頻器的辦法來節(jié)省時間。把經(jīng)過放大整形的后的脈搏信號的頻率提高,通采用二倍頻,即將該信號的頻率增加為原來的二倍,同時把計數(shù)時間由原來的1分鐘縮短為30s,這樣計數(shù)器顯示的結果就是1分鐘的跳動次數(shù)。這樣就大大的縮短了測量的時間。由于沒有傳感器，所以用函數(shù)信號代替了心率脈沖。七、設計、裝配及調(diào)試中的體會電子技術課程設計本共持續(xù)2周時間，實驗是由我和另一隊員共同完成。這兩周我從最開始的確定設計方案，到繪制全部的電路圖，其

14、間幾乎每一個步驟都是在發(fā)現(xiàn)問題與解決問題中掙扎度過。在畫電路圖的時候，我們重新翻閱了模擬電子技術基礎，雖然模電是上學期學的，不過我發(fā)現(xiàn)我們真的忘得很快，很多東西不翻書根本就不記得了。畫圖時用到了Multisim，因為前面根本就沒接觸過這個軟件，為了盡快將電路圖畫出來，我們到圖書館借了相應的書籍。并使我在短時間內(nèi)掌握了Multisim這個畫圖工具的基本用法。電路設計倒還簡單，難的是要把自己的電路圖在電路板上焊出來。焊電路的時候你必須小心翼翼，稍不留神就有可能短路或電路接觸不好。有時候你焊好了，一接電源，無任何顯示，這時，你就得一步一步的檢查電路，確認問題的所在。另外，焊電路的時候，絕對不能心急，

15、要有耐心，一急就容易出錯。通過這次試驗我才親身體會到自己學的知識與實際動手之間還有一定的差距。第一次設計一個具體的東西就容易各種鬧笑話，手忙腳亂。設計過程中常常遇到電路設計完成后，仿真始終不成功的情況，有些是因為一些細節(jié)問題的疏忽，有些則是因為在子電路能順利運行的情況在總電路中會受到其他電路因素的影響而失效，這使我充分認識到了在設計過程中擁有一個總攬全局的眼光是多么重要。而在確定各模塊電路的過程中，不但訓練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗我用所學的模擬電子技術基礎和數(shù)字電子技術基礎等相關知識來判斷電路正確與否的機會。并且這也給我對理論課的學習提供了很大的幫助。也使我意識到理論和實際相結合的重要性。雖然最后的結果并不是很好，但至少我認真去做了，并盡了自己的最大的努力。結果固然重要，但參與的過程及從中所獲得的經(jīng)驗卻值得我用一生去回味?？偟膩碚f，本次設計有苦也有甜。這次設計留給我印象最深的是要設計一個成功的電路，必須要有耐心，更要有堅持的毅力。八、附錄元器件清單名稱 封裝 sch名稱IC6: DIP16 4553IC7： DIP16 454