基于单片机红外线心率计装调实训(单片机部分幻灯片)2014.2.28

1、,电子实习,第四讲 综合实践能力实训 基于单片机心率计装调实训,主要思考及解决的问题,采用什么原理把人体心率脉动变成电信号?,怎样把微弱的模拟电信号转换成幅度足够大的数字信号？,怎样测量与心率对应的方波脉冲,并在数码管上显示出来？,心率测量时间（30s）怎样进行设置?,基于单片机心率计,教学目标,掌握常用元器件在电路中应用 掌握整机电路工作原理及电路设计 掌握电路板布局规范、整机电路安装调试,培养学生工程实践能力，利用所学理论知识 分析、排除调试过程中所遇到的问题,教学内容,基于单片机心率计,光电转换 电路,放大滤波 整形电路,89S51单片机,输入+8-13V电压,输出+5V电压,电源 电路,2,3,4,驱动电路,1,基于单片机心率计,原理框图,单片机 控制电路,链接,直流电源电路,当JK之间加入+(813)V电压，UAB=5V,当JK之间加入-(813V)电压，UAB=0V,78XX稳压条件：输入1脚与输出3脚的电压压差 大于2V以上,但不能超过20V。 普通的塑料封装输出电流为1.5A,金属封装的为5A。,工作原理,123,78XX引脚 排列图,直流电源电路,安装调试, 电路装配

2、完成后,根据电路检查安装是否正确;, 如正确，电路通电,发光管发光。调节J、K之间的电压（8-13V变化），用数字万用表DC20V挡测量A、B之间的电压应为+5V不变。把测量的电压填入教材250表B8中。,链接,直流电源电路,故障分析, 电路通电后，发光管不亮。,引起原因： 有可能是发光管正负极接反或损坏； 或1N4007正负极接反； 或7805装反或损坏。,引起原因：有可能是7805的2脚末接直流地（断开）。, 7805的3脚输出电压随输入电压变化而变化。,返回,光电转换电路,通过红外光电传感器，把手指血液脉动转变成微弱的电信号(信号幅度为2mV,频率为0.73Hz）,并将此信号送到放大电路进行放大。,工作原理,R2、R3的阻值如何设计?,红外发光二极管 （发射管） 光敏三极管 （接收管）,组成,光电传感器,反射型光电传感器,光电转换电路,当发光二极管加上正向电压，红处发光二极管发光，光敏三极管接收到光线，C、E间电流增大而导通。 （接收到的光线越强，电流越大）,正常使用时接收管的最大电流不超过250A。,光电传感器的红外发射管的电流在210mA之间时发光强度与电流的线性最佳;红外发

3、射的正向导通压降U正=1.0V左右,光电转换电路,传感器检测,光电转换电路, 在实验板上完成元器件及短路线的安装;, 如正确，加入5V电压，用示波器测量光电传感器接收管c极的波形，应为幅度为5V左右的一条直线。用手指触摸传感器，这条直线会明显向下移动。用数字万用表测量A点电压为1V左右。把测量结果填入教材250页表B8中, 根据电路图检查电路是否安装正确;,安装调试,链接,光电转换电路, 用数字万用表测量A点电压为5V（正常为1V）,故障分析,故障引起原因：发射管负极未接地或损坏。, 用数字万用表测量A点电压为0V（正常为1V）,故障引起原因:发射管的正极与R2一端或R2的一端与5V未接通。,故障检测方法：断电，先检查发射管的负极与直流地是否接通，如接通，则发射管开路，更换发射二极管。,故障检测方法：断电，先检查发射管的正极与R2、R2与5V是否接通，如接通，则发射管击穿，更换发射二极管。,光电转换电路,故障分析, 把手指放在传感器上，用数字万用表测量B点电压不变（正常情况下会变）,故障检测方法：通电，先检查A点电压是否为1V左右，如不是，则更换发射管；如为1V左右，则断电检查接收管的

4、e极与直流地是否接通，如接通，则接收管损坏。,返回,故障引起原因：红外发射二极管损坏或接收管e极未接地或损坏。,放大滤波整形电路, 来自光电转换电路的信号很微弱（频率为0.7Hz3Hz，幅度为2mV左右），必须对微弱信号进行放大，因此需先考虑放大电路。, 而放大后的信号有很多干扰信号，因此需要采用低通滤波电路：既可采用无源滤波器，也可采用有源滤波器。, 放大滤波后的信号为模拟信号，而单片机处理的信号为数字信号，因此还需模数转换电路。,？,来自光电转换电路的信号很微弱（幅度为2mV左右,频率为0.7Hz3Hz），而计数器处理的信号为5V左右，因此需放大3000倍左右，通常采用运放进行放大，常用于前置放大器的的:A741、LF347（低精度）、OP-27（中精度）、ICL7650（高精度）等，下图为741的电路结构图。,放大电路,电路设计,放大电路,电路设计,由虚短可以得出:,放大电路采用单电源反相放大电路,参见右下图。,下面根据运算放大器的特点推导放大电路的放大倍数：取R5=R6,由虚断可以得出:I1=I2,放大倍数,放大电路参数设计： 推存运算放大电路的电压放大倍数小于100，要把信号

5、放大3000倍，需采用二级放大电路，R4的取值范围：1k20k之间，R7的取值为（1100）R4，R5=R62R7,滤波电路,滤波器按元器件组成可分为有源滤波器和无源滤波器。,信号通过放大电路放大后，叠加了各种频率的干扰信号，应设法对不必要的成份衰减到足够小，将需要的信号提取出来需采用低通滤波器进行滤波。,下面主要介绍常用的一级、二级RC低通滤波器、二级有源低通滤波器的设计。,有源滤波器:一般由集成运放与RC网络构成,由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。,无源滤波器：仅由无源元件电阻、电容、电感等组成。,在实际应用中，综合考虑电路滤波特性和信号增益，一般选用有源滤波器。,滤波电路,电路设计,1）一阶RC低通滤波器,通带截止频率fp：,特点：一阶低通滤波电路结构简单，但它的幅频特性最大衰减斜率只有-20dB/+倍频，选择性较差。,C一般选小于1F电解电容; R选几k几十k碳膜电阻,滤波电路,电路设计,2）二阶RC低通滤波器,特点：二阶低通滤波电路幅频特性衰减斜率为-40dB/+倍频，与一阶相比，其衰减斜率大一倍，滤波效果较好。,通带截止频率

6、fp：,C一般选小于1F电解电容; R选几k几十k碳膜电阻,滤波电路,电路设计,3）有源压控二阶滤波器,电压放大倍数,为f=0时放大倍数,特点：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。 优点：电路性能稳定，增益容易调节。,当3-Aup0，即Aup3时，滤波电路才能稳定工作,利用电压比较器，将通过放大、滤除干扰后的模拟信号转换成数字信号提供单片机进行处理。,整形电路,电路设计,对来自光电转换电路的信号进行放大（第一、二级放大倍数=？），再通过二阶低通滤波电路滤取干扰信号，在IC3的1脚输出与心率对应的方波信号，各级测试点电压波形参见下图。,放大滤波整形电路,工作原理,放大滤波整形电路,电路设计,1、两级放大电路参数设计（R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10 、R11取值）;（二级总的放大倍数为3000左右）,提供电阻阻值：1k、1.5k、2k、2.4k、3k、4.7k、5.6k、7.5k、10k、15k、30k、100k、220k、300k、560k 电容容量：0.33 F 、0.47F,2、请设计一个二阶低通有源滤波器，截止频率fp=10

7、-20Hz；运放采用358（需查阅358资料）；,3、设计一个整形、显示电路，运放采用358。 要求：整形电路输出低电平时，发光管显示，反之则不显示。, 在实验板上完成元器件及短路线的安装。, 如正确，加入8-13V电压，用数字万用表DC20V挡测量IC1、IC2集成电路插座的第7脚与第4脚之间的电压为5V，第3脚电压为2.5V左右，IC3集成电路插座的第8脚、4脚电压为5V，2脚电压为3V左右，把以上6个数据记录在教材250页表B8的中。, 根据电路图检查电路是否安装正确。,安装调试,放大滤波整形电路, 断电，将两片LM741及一片LM358按照正确的方向插到芯片插座上。通入8-13V电压,把手指放在传感器上，正常情况下发光管V7（需设计）会随着心率变化而闪烁。, 把手指放在传感器上, 发光管V7会闪烁。用LCD示波器2V/500ms挡测量IC1的第6脚、IC2第6脚、IC3第3脚、第1脚电压波形,并把测量波形画在教材250页表B8中。,链接,返回,单片机（Single Chip Microcomputer）将CPU、存储器、定时/计数器、输入/输出接口电路等计算机的主要功能部件集成

8、在一个半导体芯片上,形成了芯片级计算机 即单芯片微型计算机，简称单片机。,单片机控制电路,单片机特点,单片机目前已被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。目前市场上的单片机种类较多，但主流产品仍为Intel公司的MCS（Micro Computer System）51系列，因此下面主要介绍51系列单片机。,特点： 高性能、低价格； 体积小、可靠性高； 低电压、低功耗（一般单片机工作电压为5V，有的可以在1.83.6V工作(MSP430单片机),功耗降至A级，对于开发携带式智能产品和家用消费类产品显得非常重要。,51单片机芯片有两种封装形式，即双列直插封装和四方封装,单片机控制电路,单片机封装,双列直插(PDIP),四方封装(PLCC, TQFP),单片机控制电路,单片机结构,51单片机芯片有两种封装形式，即双列直插式和方型式，其中双列直插式封装式的芯片引脚名称和排列序如右下图所示。,1) 电源引脚（2个） VCC(40脚)：接5V电源； GND(20脚)：接地。,单片机控制电路,单片机引脚,51单片机有P0P3四个并行I/O口，这四个口中只有P0口是真正的双向口

9、，即同时可以较强的输出高电平（上拉电流）和低电平（灌电流）驱动能力。P1P3口是准双向口，即这些I/O口的输出高电平驱动能力较弱，只能提供较强的输出低电平驱动能力。,2) 4个8位输入/输出端口,P3端口还具有第2功能，为系统提供一些控制信号。,单片机控制电路,单片机引脚,3) 控制引脚(6个),RST/VPD（9脚）: 正常工作时，在该引脚应加低电平，若加两个机器周期宽度以上的高电平，则单片机复位。,EA/VPP（31脚): 接高电平时，CPU执行内部4kROM中的程序； 接低电平，CPU执行外部ROM中的程序； 烧写程序时，此引脚接收合适的烧写电压。,单片机控制电路,ALE/PROG(30脚):使用外部RAM时,做地址锁存信号; 烧写EPROM时,接收烧录启动信号。,PSEN(29脚):外部ROM选通信号。,单片机引脚,XTAL1XTAL2（19-18脚）： 外部振荡时钟输入引脚。,单片机控制电路,单片机存储器,电源：+5V(40脚与20脚),时钟电路：18、19脚 接6MHz或12MHz的晶振,单片机芯片内装入程序,如接6MHz的晶振，振荡周期=1/f 160ns,复位电路:C1、R1,单片机控制电路,工作基本条件,机器周期=12/6MHz=2s,单片机控制电路,复位电路设计,通常复位电路应具有上电自复位和按钮复位功能，参见下图。 51单片机复位脉冲的高电平宽度应大于2个机器周期。若系统采用6MHz晶振，则一个机器周期为2s，复位脉冲至少应为4s 。但在实际应用系统中还要考虑到系统电源的上升时间和振荡器起振时间。RST引脚在上电自复位时应保持20ms以上高电平。即在选择RC参数时要保证时间参数 T=RC20ms。 通常C取10F电解电容，R取2k，一般取10k,(a) RC复位电路,(b) 增加按钮复位及放电回路的 RC复位电路,原理框图,单片机控制电路,C8尽量装在89S51的40脚附近,晶振及两个30pF的电容装配时尽量靠近单片机18、19脚,1,2,3,S2：拨动开关,拨向左边, 1、2两端导通,拨向右边, 2、3两端

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