模塊詳解

1.信號采集電路

信號采集電路又分為以下3部分。

1）脈搏信號采集電路

圖7-3所示是脈搏信號采集電路，IRL1是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大，所以對R₃的選取要求較高。R₃選擇330Ω也是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R₃過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R₃過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄漏到U2∶A輸入端而造成錯誤指示，用C4耦合電容將它隔斷。

當手指處于測量位置時，會出現(xiàn)兩種情況：一是無脈期，雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收二極管中存在暗電流，會造成輸出電壓略低；二是有脈期，當有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號的頻率很低，如當脈搏只有50次/min時，頻率只有0.78Hz，脈搏為200次/min時頻率也只有3.33Hz，信號首先經(jīng)R5濾除高頻干擾。

由于Proteus中沒有集成的紅外發(fā)射和接收對管元件的仿真模型，所以這里不進行脈搏信號采集電路的仿真。

2）放大電路

按人體脈搏在運動后跳動次數(shù)達200次/min來設(shè)計低通放大器，如圖7-4所示。RV1、C6、C7、C8組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R₆、C₆、C₇、C₈決定，運放LM358將信號放大，放大倍數(shù)由R₆和R_V1的比值決定。

根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得

按人體脈搏跳動為200次/min時的頻率是3.3Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。

放大電路仿真如下。

當人運動后，人體脈搏跳動次數(shù)可達200次/min，紅外對管輸出信號頻率約為3.3Hz，而幅值較小，所以這里采用頻率為3.3Hz，幅值為100mV的脈沖信號源來代替脈搏信號采集電路的輸出信號。放大電路輸出采用ANALOGUE圖表表示。將輸入信號U2∶A（+IP）、輸出信號R6（2）拖入圖表中，以便觀測，如圖7-5所示。

調(diào)節(jié)可變電阻器使其可變引腳位于其阻值的10%的位置，此時放大倍數(shù)理論上為A=≈22.2，則放大后的信號幅值應(yīng)為：V=100mV×22.2≈2.22V。仿真圖表，得如圖7-6所示波形，仿真與理論相符。

調(diào)節(jié)可變電阻器使其可變引腳位于其阻值的40%的位置，此時放大倍數(shù)理論上為A=≈33.3，則放大后的信號幅值應(yīng)為：V=100mV×33.3≈3.33V。仿真圖

表，得如圖7-7所示波形，仿真與理論相符。由此可知，調(diào)節(jié)可變電阻器改變其接入電路的幅值，即可有效調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)。

注意

如果繼續(xù)將可變電阻器阻值調(diào)大，比如調(diào)到90%，則會出現(xiàn)輸出信號被限幅的狀態(tài)（見圖7-8）。此時應(yīng)檢查電路的放大倍數(shù)，將放大倍數(shù)調(diào)小或者在可控范圍內(nèi)提高芯片的供電電壓。

3）波形整形電路

波形整形電路如圖7-9所示，LM358是一個電壓比較器，在電壓比較器的負向電壓輸入端通過R7、R8分壓得到2.5V的基準電壓，經(jīng)放大電路放大后的信號通過C9電容耦合進入比較器。當輸入的電壓低于2.5V時，LM358的引腳7輸出高電平，D1亮，并且輸入單片機參與運算處理；反之，輸出低電平，D1滅。

波形整形電路仿真如下。

波形整形電路以2.5V為基準電壓，如輸入信號低于此電壓，則電路輸出高電平，D1亮；如輸入信號高于此電壓，則電路輸出低電平，D1滅，如圖7-10所示。電路的輸入信號為放大電路的輸出，這里用脈沖信號源代替。為了便于觀測波形整形電路的作用，設(shè)置脈沖信號output2幅值為5V，頻率為3.3Hz，上升時間和下降時間為50ms，如圖7-11所示。在電路輸出位置放置電壓探針，輸出結(jié)果顯示采用模擬分析圖表。將輸出結(jié)果P32及輸入信號output2同時拖入圖表中進行仿真，以便對比結(jié)果。

設(shè)置完畢后，進行仿真，得到如圖7-12所示結(jié)果。可以看到，波形整形電路可以有效地對輸出波形進行調(diào)整，使之輸出標準矩形波。

2.單片機處理電路

如圖7-13所示，本部分運用了ATMEL公司的AT89S52單片機作為核心元件。在這里運用單片機能更快、更準確地對數(shù)據(jù)進行運算，而且可以根據(jù)實際情況進行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自波形整形電路的脈沖電平輸入單片機AT89S52的腳，單片機設(shè)為負跳變中斷觸發(fā)模式，對脈沖進行計數(shù)。

3.液晶顯示電路

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣式LCD，本設(shè)計采用16列×2行的字符型LCD1602（在仿真庫中LM016L和LCD1602是沒有區(qū)別的，下面用LM016L代替LCD1602進行仿真）。帶背光的液晶顯示屏。其主要技術(shù)參數(shù)如下。

顯示容量：16×2個字符。

芯片工作電壓：4.5～5.5V。

工作電流：2.0mA（5.0V）。

模塊最佳工作電壓：5.0V。

字符尺寸：2.95mm×4.35mm（W×H）。

液晶顯示電路如圖7-14所示。

單片機處理電路及液晶顯示電路仿真如下。

脈搏信號采集電路采集到脈搏變化信息后，經(jīng)過放大電路和波形整形電路的處理，最終輸出的信號是一定頻率的矩形波，然后此信號輸入到單片機P3.2引腳，單片機讀取并處理后經(jīng)LCD顯示輸出，如圖7-15所示。使用脈沖信號源作為單片機輸入信號，設(shè)置信號源幅值為4V，頻率為3.3Hz，其余參數(shù)為默認值。

電路穩(wěn)定后LCD顯示數(shù)值為198次/min（見圖7-16），與198次/min的預(yù)估值（3.3Hz×60s）相同，電路運行正常，仿真成功。

如果更改信號源的頻率為1Hz，則此時顯示的應(yīng)該是60次/min。電路運行后LCD顯示如圖7-17所示。