【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁(yè)。在此次設(shè)計(jì)中我們采用的是光電傳感器中最常見普遍的光敏二極管做紅外接收二極管和光面三極管做紅外發(fā)送三極管?！」饷舳O管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小（amp。micro。A），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴，稱為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還?。划?dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過(guò)管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。檢測(cè)原理是: 隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯[5]。因此本設(shè)計(jì)將光敏二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過(guò)手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來(lái)接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng)的, 于是光敏接收三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示[9]，即可實(shí)時(shí)的測(cè)出脈搏的次數(shù)。 LED 的綜述在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT 顯示器，都可以與微機(jī)配接。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡(jiǎn)稱LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性[11]。 LED 的結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段LED數(shù)碼管，有共陰極和共陽(yáng)極兩種。七段LED數(shù)碼管顯示器有8個(gè)發(fā)光二極管，其中從a~g管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符，Dp顯示小數(shù)點(diǎn)。共陰極LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽(yáng)極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。本設(shè)計(jì)中采用的是4位七段共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示器，一共具有12個(gè)引腳，4個(gè)位選端，8個(gè)字選端。，4是位選端；a~g、Dp是字選端。 4位數(shù)碼管引腳分布圖 4位共陽(yáng)極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 LED數(shù)碼管的顯示方法靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個(gè)LED數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè)8位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機(jī)本身提供的I/O口有限，實(shí)際使用中，通常通過(guò)擴(kuò)展I/O口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問(wèn)題。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，CPU才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了CPU的時(shí)間，又提高了CPU的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個(gè)LED數(shù)碼管需要獨(dú)占8條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的I/O口線也將增加。動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。對(duì)于每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過(guò)調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個(gè)8位I/O口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)8位口（稱為段碼輸出）。通過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。 第四章 基本結(jié)構(gòu)模塊 脈搏波檢測(cè)電路傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。采用發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來(lái)。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式2種[8]。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用了指套式的透射型光電傳感器, 實(shí)現(xiàn)了光電隔離,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。 透射式光電傳感器圖 信號(hào)采集電路，U3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(qiáng)度就越大，所以對(duì)R21阻值的選取要求較高。R21選擇270Ω同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R21過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R21過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U2B輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用CC9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷[10]。 信號(hào)采集電路當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號(hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為50次/分鐘時(shí)，200次/，因此信號(hào)首先經(jīng)R2C10濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容CC9加到線性放大輸入端。 信號(hào)放大LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用14 ，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi（）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 。 由于LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 放大電路按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器。R2C6組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R2C6決定，運(yùn)放U2B將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R23和R27的比值決定。：根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：放大倍數(shù)為：截止頻率為：按人體的脈搏跳動(dòng)為200次/ Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)過(guò)低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波。 波形整形部分，U2C是一個(gè)電壓比較器，C1R29構(gòu)成一個(gè)微分器，U2A和CR32組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由CR32決定。該比較器的閥值電壓可用R31調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對(duì)R31的調(diào)節(jié)要求并不嚴(yán)格，因?yàn)閁2C的輸出信號(hào)（）經(jīng)C1R29的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖（）加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U2A的反向輸入端，不會(huì)造成很大的觸發(fā)誤差。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，U2A在比較器輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，使C7通過(guò)R32充電。大約持續(xù)20ms之后，因C7充電電流減小而使U2A同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位（尖脈沖已過(guò)去很久），于是U2A改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這長(zhǎng)的脈沖是與脈搏同步的，并由紅色發(fā)光二極管DS3的閃亮指示出來(lái)