电子技术课程设计——红外线心率计

电子技术课程设计

报告

专业: xxxx 班级： xxxxx 姓名： xxx 学号： xxxxxxxx 指导教师： xxx 完成日期： xxxx年x月x日

目录

一、设计目的------------------------------3

二、设计要求------------------------------3

三、设计指标------------------------------3

四、设计框图及整机概述--------------------3

五、各单元电路的设计及仿真-----------------4

1、检测电路-----------------------------4

2、放大电路-----------------------------5

3、滤波电路-----------------------------5

4、整形电路-----------------------------6

5、倍频电路-----------------------------6

6、定时电路-----------------------------7

7、计数电路-----------------------------7

8、译码电路-----------------------------8

9、显示电路-----------------------------9

六、电路装配、调试与结果分析---------------9

七、设计、装配及调试中的体会---------------10

八、附录（包括整机逻辑电路图和元器件清单）-10

九、参考资源-------------------------------11

一、设计目的

电子技术综合设计是综合应用模技术拟电子技术、数字电子技术、电子设计自动化技术进行电子系统的综合设计。本课程设计通过电子脉搏测试仪的设计，要求学生对红外线心率计的电路布局、安装、调试，让学生了解电子产品的生产工艺流程，掌握常用元器件的识别和测试及电子产品生产基本操作技能，培养学生的动手能力。

二、设计要求

脉搏测试仪是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图测量的组要部分。本次课程设计要求用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。

三、设计指标

1、设计一个脉搏测试仪，要求实现在30s内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60-80次/min,婴儿为90-100次/min，老人为100-150次/min。可自行设计所需的直流电源。

2、设置指示电路指示直流电源的正常与否。

3、放大电路之后设置指示电路指示放大电路的正常与否。

4、放大电路放大倍数可调。

5、整形电路输出的方波占空比可调。

四、设计框图及整机概述

设计方案为:采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。计数器计数值输入到显示器中显示。

设计流程图

五、 各单元电路的设计及仿真

检测电路

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。

+12V

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“（）”，一次显示溢出值“-1

”，则显示的那次正确，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h FE 档NPN 型的C 、E 插孔，再将模拟万用表打到R ×1k Ω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15k Ω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1k Ω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。

放大电路

传感器输出为微弱信号，需进行放大后才便于后续电路的处理。考虑到后续电路中滤波器电路也具有信号放大的功能，所以放大器的放大倍数不宜过大，放大电路采用LM741芯片，输入峰峰值为20mv，频率为20HZ的电源信号，经放大电路进行放大，我们的电路放大倍数为505倍。

设计电路的原理如下：

滤波电路

干扰信号对测量结果带来很大的误差，对信号进行分析与处理时, 常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题, 这些噪声有的是与信号同时产生的, 有的是传输过程中混入的。因此, 从接收的信号中消除或减弱干扰噪声, 就成为信号传输与处理中十分重要的问题。

人体的心率一般在60-150次/分钟，计算可得其最高频率为，所以我们可以选择低通滤波器滤掉高频信号的干扰。根据实际情况，我们组选择了10千欧的电阻和470nF的电容连接成二阶滤波电路。我们组设计的低通滤波环节如下图所示：

低通滤波器电路图如下：

整形电路

信号经过滤波后还不能直接用来计数，需要经过整形电路将波形整形为可用于计数的方波或脉冲信号。

电路及整形后的方波如下图所示：

整形电路整形后所得方波

倍频电路

根据设计要求，该心率计需要具有在短时间内测得1分钟心脏跳动次数的功能，因此需要在电路中加入倍频电路来实现快速测量的功能。假设需要在30秒内测得1分钟的心率，则需要2倍频电路，倍频所造成的额外误差在测量心率这个情景下可忽略不计。

倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高所以在实际应用中按需要选择，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”都会产生脉冲输出。

定时电路

计数器必须与定时器连接共同作用，才能完成在30秒内测量一分钟的心率的工作。定时器可以采用NE555芯片。NE555是属于555系列的计时IC 的其中的一种型号，555系列IC 的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC ，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。

设计的电路和输出结果如下所示。

通电后2脚为12V ，3脚输出低电位，V 6截止，V 5不发光。

按下S 1，3脚输出高电位，V 6饱和导通，V 5亮。V 6的C 极输出低电平，12V 电压通过R 17、 R 31对C 6充电。当充到8V 时，输出状态发生偏转，3脚输出低电位，V 6截止，V 6的C 极的输出高电位。

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Q 1～Q 3，可分时输出三组BCD 码；有三个分时同步控制信号DS 1～DS 3，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。

u 2

u C6u 3u H

DD V 3

2

31

1615141312 91110 8

7

6

5

4

3

2

V SS 12DS 1DS CB

CA Q 3Q 2Q 1V DD 3

DS O.F

R CP DIS LE Q 0

1615141312 91110 8

7654

3

2

V SS 1

V DD C B D A PH BI a

b

c d e g

f

MC14553

CD4543

LD (a) MC14553 (b) CD4543

集成电路引脚功能图

计数器MC14553的 DS 1～DS 3输出为方波，波形如图8所示。当按下S 1时（参见图7(a ）)，V 5饱和导通，V 5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Q 0～Q 3输出。11脚不管是高电平还是低电平，DS 1～DS 3始终是输出图9的方波。当DS 3是低电平的时候，个位显示器被选中，Q 0～Q 3输出个位要显示的数值；当DS 2是低电平的时候，十位显示器被选中，Q 0～Q 3输出十位要显示的数值；当DS 1是低电平的时候，百位显示器被选中，Q 0～Q 3输出百位要显示的数值。

DS 1～DS 3输出波形图

译码电路

译码器CD4543的引脚功能如图（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，即多位数码管在位选通信号的控制下，每个数码管按照一定的顺序轮流发光显示。由于控制显示信号的频率很高，而人眼具有视觉暂留特性，所以人眼看起来，数字的显示效果和静态显示完全一样，不会有任何的闪烁感觉。随着集成技术的发展，目前有一种集计数、编码、译码、驱动和显示为一体的集成组合器件——CL 系列集成显示器。CL 系列集成显示器具有体积小，成本低特点，已经得到广泛应用。

从计数器MC14553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。

显示电路

在心率计的设计过程中计数电路是其中很关键的一部分，通过它测量脉冲次

数从而测出心率。所以其测量的精度直接影响到心率计的测量精度。在这里我选择了4511BD芯片。从计数器中输出的信号为四位BCD码，不能直接输入到显示器中显示，要先经过译码器译码，输出七段显示代码，才能供显示。

图为3位计数、译码、驱动、显示电路

上图中：IC6为MC14553；IC7为CD4543。

六、电路装配、调试与结果分析

用本电路制作的脉搏测试仪测量心脏跳动频率，不但精确，而且使用方便，显示结果醒目。但是测量心率时，每次需要一分多钟，这可以通过设置倍频器的办法来节省时间。把经过放大整形的后的脉搏信号的频率提高,通采用二倍频,即将该信号的频率增加为原来的二倍,同时把计数时间由原来的1分钟缩短为30s,这样计数器显示的结果就是1分钟的跳动次数。这样就大大的缩短了测量的时间。由于没有传感器，所以用函数信号代替了心率脉冲。

七、设计、装配及调试中的体会

电子技术课程设计本共持续2周时间，实验是由我和另一队员共同完成。这两周我从最开始的确定设计方案，到绘制全部的电路图，其间几乎每一个步骤都是在发现问题与解决问

题中挣扎度过。在画电路图的时候，我们重新翻阅了《模拟电子技术基础》，虽然模电是上学期学的，不过我发现我们真的忘得很快，很多东西不翻书根本就不记得了。

画图时用到了Multisim，因为前面根本就没接触过这个软件，为了尽快将电路图画出来，我们到图书馆借了相应的书籍。并使我在短时间内掌握了Multisim这个画图工具的基本用法。

电路设计倒还简单，难的是要把自己的电路图在电路板上焊出来。焊电路的时候你必须小心翼翼，稍不留神就有可能短路或电路接触不好。有时候你焊好了，一接电源，无任何显示，这时，你就得一步一步的检查电路，确认问题的所在。另外，焊电路的时候，绝对不能心急，要有耐心，一急就容易出错。

通过这次试验我才亲身体会到自己学的知识与实际动手之间还有一定的差距。第一次设计一个具体的东西就容易各种闹笑话，手忙脚乱。设计过程中常常遇到电路设计完成后，仿真始终不成功的情况，有些是因为一些细节问题的疏忽，有些则是因为在子电路能顺利运行的情况在总电路中会受到其他电路因素的影响而失效，这使我充分认识到了在设计过程中拥有一个总揽全局的眼光是多么重要。而在确定各模块电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我用所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机会。并且这也给我对理论课的学习提供了很大的帮助。也使我意识到理论和实际相结合的重要性。

虽然最后的结果并不是很好，但至少我认真去做了，并尽了自己的最大的努力。结果固然重要，但参与的过程及从中所获得的经验却值得我用一生去回味。总的来说，本次设计有苦也有甜。这次设计留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，更要有坚持的毅力。

八、附录

元器件清单

名称封装sch名称

IC6: DIP16 4553

IC7：DIP16 4543

IC5：DIP8 555

三极管：TO92C NPN、PNP

LM741: DIP8 LM741

CD4543：DIP16 4543

电位器：VR5 POT2

发光二极管：LED LED

数码管：DIS

按钮开关：SW SW-PB

电容：10pF～10uF,

常用封装：0805，1005

电阻：几欧～数百K，

面包板

九、参考资源

[1] 模拟电子技术基础（第四版）.童诗白、华成英主编.高等教育出版社，2011年

[2] 数字电子技术基础（第五版）.阎石主编.高等教育出版社，2011年