紅外對(duì)管心率放大測(cè)試模塊_圖文

1、電子工藝實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目紅外對(duì)管心率顯示波形器專(zhuān)業(yè) 14電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí) 1 學(xué)號(hào) 4140211118 姓名沈韜2016年6月30日衢州學(xué)院紅外對(duì)管心率顯示波形器摘要:紅外線(xiàn)心率計(jì)就是通過(guò)紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)出手指中動(dòng)脈血管的微弱波動(dòng),由計(jì)數(shù)器計(jì)算出每分鐘波動(dòng)的次數(shù)。但手指中的毛細(xì)血管的波動(dòng)是很微弱的,因此需要一個(gè)高放大倍數(shù)且低噪聲的放大器,這是紅外線(xiàn)心率計(jì)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在。關(guān)鍵字:運(yùn)算放大器;紅外對(duì)管;低噪聲;設(shè)計(jì)要求:當(dāng)手指放到紅外信號(hào)采集模塊部分時(shí)候,經(jīng)過(guò)信號(hào)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(lái)。方案選擇比較: 在測(cè)量過(guò)程中,預(yù)處理電路探測(cè)到的脈搏信號(hào)容易受到

2、外界干擾,需要對(duì)干擾噪聲進(jìn)行處理。一般通過(guò)兩種途徑對(duì)噪聲處理:一是增加濾波電路;二是從數(shù)字信號(hào)處理的角度,通過(guò)算法來(lái)減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會(huì)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(huì)很好。軟件濾波盡管會(huì)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。一、紅外心率模塊工作原理電路由血液檢測(cè)電路、放大濾波電路電路組成。血液波動(dòng)檢測(cè)電路首先通過(guò)紅外光電傳感器把血液中波動(dòng)的成分檢測(cè)出來(lái),然后通過(guò)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(dòng)檢測(cè)電路TCRT5000紅外光電傳感器的檢測(cè)方法:首先用數(shù)字萬(wàn)用表的二極管檔位正向壓降測(cè)試控制端發(fā)射管(淺藍(lán)色的正、負(fù)極,將紅黑表筆分別接發(fā)射管的兩個(gè)引腳,正反各測(cè)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(fù)極。若兩次都顯示“1”,說(shuō)明發(fā)射管內(nèi)部開(kāi)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(fù)極分別插入數(shù)字萬(wàn)用表h FE檔NPN型的C、E插孔,再將模擬萬(wàn)用表打到R×1k檔。紅黑表筆分別接接收管的兩個(gè)引腳,若表針不動(dòng),則紅黑表筆對(duì)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(shí),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?xún)?nèi),說(shuō)明該紅外光電斷續(xù)器的光電轉(zhuǎn)換效率高。血液波動(dòng)檢測(cè)電路工作原理:TCRT5000是集紅外線(xiàn)發(fā)射管、接收管為一體的器件,工作時(shí)把探頭貼在手指上,力度要適中。紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)出的紅外線(xiàn)穿過(guò)動(dòng)脈血管經(jīng)手指指骨反射回來(lái),反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度隨著血液流動(dòng)的變化而變化,接收管把反射回來(lái)的光信號(hào)變成微弱的電信號(hào),并通過(guò)C1耦合到放大器。人體指尖的動(dòng)脈比較發(fā)達(dá),當(dāng)動(dòng)脈血管隨心臟周期性收縮與舒張時(shí),血管中的血液容積也會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)紅外接收探頭便能采集到的相應(yīng)的光脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)去噪和放

5、大后送到單片機(jī),進(jìn)行運(yùn)算處理,便得到了心率數(shù)據(jù)。采集信號(hào)部分的原理圖如下圖所示。 放大、濾波電路是把傳感起檢測(cè)到的微弱電信號(hào)進(jìn)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(yùn)放電路,它們的引腳功能下圖3(b (a (b因?yàn)閭鞲衅魉蛠?lái)的信號(hào)幅度只有25毫伏,要放大到10V左右才能作為計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。因此放大倍數(shù)設(shè)計(jì)在100倍左右。兩級(jí)放大器都接成反相比例放大器的電路,經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(gè)交流信號(hào)。其中A1、A2的供電方式是正負(fù)電源供電,電源為+12V、-10V。A1、A2與周?chē)M成二級(jí)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(gè)交流信號(hào),而計(jì)數(shù)器需要的是單方向的直流脈沖信號(hào)。所以經(jīng)過(guò)檢波后變成單方向的直流脈沖信號(hào),并把檢波后的信號(hào)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(hào)。R9、LED 組成傳感器工作指示電路,當(dāng)傳感器接收到心跳信號(hào)時(shí),LED 就會(huì)按心跳的強(qiáng)度而改變亮度,因此LED 正常工作時(shí)是按心跳的頻率閃爍。在NE5532運(yùn)算管放大器第二級(jí)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(duì)管模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程首先我在網(wǎng)上查找類(lèi)似電路原理圖,然后經(jīng)過(guò)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(wàn)用板上搭建實(shí)際電路來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外對(duì)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(xiàng)技能,找到的電路圖不一定能夠合適用上,所以只能當(dāng)作自己的一個(gè)參考。例如下圖所示的網(wǎng)上搜索結(jié)果。 2、然后經(jīng)過(guò)計(jì)算和Multisim14的測(cè)試仿真。心率信號(hào)數(shù)字處理及算法在測(cè)量過(guò)程中,預(yù)處理電路探測(cè)到的脈搏信號(hào)容易受到外界干擾,需要對(duì)干擾噪聲進(jìn)行處理。一般可以通過(guò)兩種途徑對(duì)噪聲處理:一是增加濾波電路;二是從數(shù)字信號(hào)處理的角度,通過(guò)算法來(lái)減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會(huì)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(huì)很好。軟件濾波盡管會(huì)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文主要采用數(shù)字濾波的方法來(lái)進(jìn)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(shí)刻達(dá)到最大并由此導(dǎo)出的最佳線(xiàn)性濾波器。匹配濾波原理:設(shè)輸出信噪比最大的最佳線(xiàn)性濾波器的傳輸函數(shù)為H(,濾波器輸入信號(hào)與噪聲的合成波為:式(1中,s(t為輸入數(shù)字信號(hào),其頻譜函數(shù)為S(,n(t為高斯噪聲。由于該濾波器是線(xiàn)性濾波器,滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理,因此,濾波器輸出也由輸出信號(hào)和輸出噪聲兩部分組成,即:式(2中,輸出信號(hào)的頻譜函數(shù)為S0(,其對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)為:濾波器輸出噪聲的平均功率為:所以

9、,在抽樣時(shí)刻t0,線(xiàn)性濾波器輸出信號(hào)的瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比為:從式(3可見(jiàn),在輸入信號(hào)給定的情況下,輸出信號(hào)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(hào)的能量,故得關(guān)系式:根據(jù)施瓦特不等式中等號(hào)成立的條件X(=kY*(,k為任意常數(shù),可得不等式中等號(hào)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(hào)頻譜S(的復(fù)共軛。該濾波器在給定時(shí)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(hào)頻譜的復(fù)共軛相一致,所以稱(chēng)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(xiàn)接收探頭獲取

10、的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)的數(shù)字匹配濾波的過(guò)程是通過(guò)輸入信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。3、當(dāng)仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果的時(shí)候,我開(kāi)始搭建紅外對(duì)管功能的功能模塊。焊接的過(guò)程不僅是考驗(yàn)焊工,更是分析電路出現(xiàn)不同問(wèn)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(yùn)算放大器可知,采集到的信號(hào)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(jì)體會(huì)經(jīng)過(guò)這次工藝實(shí)訓(xùn),我也深刻的學(xué)習(xí)到了很多的知識(shí),學(xué)會(huì)了Multisim的仿真,實(shí)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(dá)到理想的功能,則不僅需要熟練的焊接技巧,更需要在檢測(cè)已經(jīng)出現(xiàn)了問(wèn)題的電路時(shí)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