中国计量学院电子实习单片机心率计

,电子实习,基于单片机心率计装调实训,主要思考及解决的问题,采用什么电路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数字信号,并在数码管上显示出来？,心率测量时间怎样进行设置?,基于单片机心率计,基本要求,掌握常用元器件在电路中应用掌握整机电路工作原理掌握电路布局规范、整机电路安装调试运用电路原理，分析、解决电路调试过程中所遇到的问题,主要教学内容,整机原理框图组成,直流电源电路原理及安装调试,光电转换电路原理及安装调试,放大滤波整形电路原理及安装调试,单片机控制电路原理及安装调试,整机电路原理及调试分6个单元介绍(参见教材206-209页),基于单片机心率计,单片机软件的设计,光电转换电路,放大滤波整形电路,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,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,但不要超过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），用数字表DC20V测量A、B之间的电压应为+5V不变。,返回,链接,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,红外发光二极管（发射管）光敏三极管（接收管）,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。光敏三极管接收到的光线越强，Ic电流越大,组成,红外发光二极管的正向导通压降U正=1.0V左右,光电传感器,反射型光电传感器,光电转换电路,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。,根据电路图检查电路是否安装正确;,安装调试,光电转换电路,用数字万用表测量A点电压为5V（正常为1V）,电路故障分析,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。,用数字万用表测量A点电压为0V（正常为1V）。,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。,把手放在传感器上，用数字万用表测量A点电压为1V，B点电压5V不变,断电，先检查接收管的E极与直流地是否接通，如接通，则接收管损坏。,返回,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。,而放大后的信号有招很多干扰信号，因此需要低通滤波电路：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。,？,放大滤波整形电路,放大滤波整形电路由两级放大电路,二阶RC低通滤波电路及整形(A/D转换）电路组成，如下图所示。,电路组成,由虚短可以得出:,放大滤波整形电路,放大电路,两级放大电路采用单电源供电,下面根据运算放大器的特点推导放大电路的放大倍数：,741内部结构图,741外形,放大滤波整形电路,其中XC1为电容C1的容抗,对于交流信号Ui，XC1较小，而对于直流信号VCC，XC1为无穷大，因此I1为,由虚断可以得出:,I1=I2,放大电路,放大滤波整形电路,滤波电路,由于来自光电转换电路的心率信号频率很低（0.73Hz左右）,通过放大电路后,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,低通滤波器是解决前述问题的方法之一。,低通滤波器可分为有源、无源等，下面主要介绍无源二阶低通滤波器（如下图）,放大滤波整形电路,滤波电路,放大滤波整形电路,滤波电路,由公式1、2可画出电路的幅频和相频特性曲线，参见下图。,放大滤波整形电路,滤波电路,幅频曲线表明该网络具有低通滤波特性，其转折频率fc可令求得,即,R取值范围为一般几k几十k如R取10k，C的容量为0.47Ffc12.7Hz,电路功能：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。,放大滤波整形电路,整形电路,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,在实验板上完成元器件及短路线的安装。,如正确，加入8-10V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8-10V电压,把手指放在传感器上，正常情况下发光管V7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挡位测量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。,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（SingleChipMicrocomputer）,单片机控制电路,51单片机,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（MicroComputerSystem）51系列，因此下面主要介绍51系列单片机。,单片机控制电路,51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,51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，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。P3口还具有第2功能，为系统提供一些控制信号。,2)4个8位输入/输出端口,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)：当EA接高电平，CPU执行内部4kROM中的程序；当EA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。,XTAL1XTAL2（18-19脚）：外部振荡时钟输入引脚。,51单片机引脚,电源：+5V(20脚与40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,振荡周期=1/f160ns,复位电路:C1、R1,单片机控制电路,工作基本条件,原理框图,单片机控制电路,S1起什么作用？,1,2,3,S2：拨动开关,拨向左边,1、2两端导通,拨向右边,2、3两端导通,S1、S3：轻触开关,1,2,按下按钮,1、2两端导通,不按按钮,1、2两端断开,焊对角两个角即可,6MHz晶振,驱动显示电路,LED数码管,51单片机应用系统中最常见的显示器是LED数码管、LCD液晶字符和液晶图形显示器等。,LED数码管是由若干个发光二极管按一定的位置排列组成的字符显示器件。每个发光二极管代表字符中的一段笔画，具有清晰、高亮等优点，适合在光线暗的环境中使用。这种数码管有共阴极和共阳极两种。下面主要介绍3位共阳LED数码管，它的电路结构图及外形如下图所示。,外形图,单片机控制电路,结构图,数字万用表二极管挡，红黑表棒分别接触二个电极，如某位某笔段发光，由红笔接的是位选位，黑表棒接的是笔段位，依次可以判断位选位与笔段位,共阳极数码管,LED数码管检测,单片机控制电路,LCD显示控制方式,LCD显示器控制方式有静态和动态两种。,1）LED静态显示方式,静态显示是指每位数码管都始终处于通电状态，即它们的公共极连在一起接地（或+5V），每位的段选线（adp）分别与8位的输出锁存器相连，各位显示互相独立，保持不变，直到显示另一个字符为止。,2）LED动态显示方式,动态显示是将段选线（adp）并在一起，由一个8位的I/O端口控制，各位的位选线分别由相应的I/O口线控制，实现分时选通。由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示的时间间隔足够短，就可造成多位同时点亮的假象，达到显示的目的。基于单片机红外线心率计就是采用动态显示,单片机控制电路,若数码管要显示“000”,某位某笔段如十位a笔段要显示，即三极管V5要导通：P2.5需输出低电平，控制该笔段单片机输出39脚（P0.0）为低电平。,P2.7-P2.5-P2.3,单片机P0口输出对应的引脚39、38、37、36、35、34、33脚输出什么电平？,e,b,c,P0.0,P0.6,LCD显示控制电路,V6-V4,如左图:P2.7、P2.5、P2.3控制位显示;P0.0-P0.6控制笔段显示,单片机控制电路,V6、V5、V4的Ub波形？,电压波形,单片机控制电路,安装调试,电路制作完成后先不通电，先检查电路安装是否正确，如正确再测试40芯集成插座各个相邻管脚间是否短路，测试第40脚与第20脚间是否短路,如果都没有短路，可以通电测试。通入8-10V电压，测量40芯集成插座管脚对直流地的电压，应与下表相符,单片机控制电路,安装调试,通入8-10V电压。左右拨动一下开关S2，并测量40芯集成插座第7脚电压，正常应该一次为0V，一次为5V。,通入8-10V电压。测量40芯集成插座第14脚电压，正常应该为5V，按住S3按钮(不放)再测量，正常应该为0V。测量第9脚电压,正常应该为0V,按住S1按钮(不放)再测量，正常应该为5V。,单片机控制电路,安装调试,断电，领取一片单片机芯片，正确插到插座上。通电，如电路安装正确，数码管应该显示“888”，过2秒钟，显示“000”或“123”，此时拨动一下开关S2，应该交替显示“123”或“000”。当显示“000”时,点击S3按钮，V3发光。用示波器（双踪、DC2V/1ms）测量P2.7（28脚）、P2.5（26脚）、P2.3（24脚）的波形（注意三个电压波形的相位关系。用同样的方法测量V6V4的C极、B极的波形,再用数字存储式示波器（DC2V/100ns）测量单片机18脚的电压波形，把测量波形记录在253页表B11中。,拨动一下拨动开关S2，使数码管显示“000”，按下S3按钮，指示灯V3发光，把手放在传感器上就可以进行30s心跳次数的测量。把测量结果记录在教材252页表B10中,单片机控制电路,单片机控制电路,常见故障分析,单片机软件设计,初始化：设置各种端口的初始状态定时器初始化：使定时器工作在何种状态测量心跳：检测脉冲（对应心率信号）并计数T0、T1中断：控制数码管动态显示和计时,程序组成,1)检测脉冲信号并计数,CESHI:JNBXINHAO,$LCALLDELAY2;信号延时判断LCALLDELAY2;信号延时判断JNBXINHAO,CESHICLRDENGJBXINHAO,$CJNEGEWEI,#9,JIAG;个位已经为9，十位加一，个位清零SHI:MOVGEWEI,#00HCJNESHIWEI,#9,JIAS;十位已经为9，百位加一，十位清零BAI:MOVSHIWEI,#00HINCBAIWEILJMPCESHIJIAG:INCGEWEILJMPCESHIJIAS:INCSHIWEILJMPCESHI,编程举例,单片机软件设计,编程举例,单片机软件设计,MOVA,GEWEI;把个位值赋给AMOVCA,A+DPTRMOVP2,#01111111B;使能个位显示数码管MOVP0,ALCALLDELAY1MOVA,SHIWEI;把十位值赋给AMOVCA,A+DPTRMOVP2,#10111111B;使能十位显示数码管MOVP0,ALCALLDELAY1MOVA,BAIWEI;把百位值赋给AMOVCA,A+DPTRMOVP2,#11011111B;使能个位显示数码管MOVP0,A,2)数码管显示,:,51单片机开发入门与典型实例王守中编著人民邮电出版社,51单片机及其C语言程序开发实例戴仙金主编清华大学出版社,推荐的单片机方面参考书：,电路板布局安装要求,在装配