模块详解

1.信号采集电路

信号采集电路又分为以下3部分。

1）脉搏信号采集电路

图7-3所示是脉搏信号采集电路，IRL1是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R₃的选取要求较高。R₃选择330Ω也是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R₃过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R₃过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄漏到U2∶A输入端而造成错误指示，用C4耦合电容将它隔断。

当手指处于测量位置时，会出现两种情况：一是无脉期，虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收二极管中存在暗电流，会造成输出电压略低；二是有脉期，当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有50次/min时，频率只有0.78Hz，脉搏为200次/min时频率也只有3.33Hz，信号首先经R5滤除高频干扰。

由于Proteus中没有集成的红外发射和接收对管元件的仿真模型，所以这里不进行脉搏信号采集电路的仿真。

2）放大电路

按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/min来设计低通放大器，如图7-4所示。RV1、C6、C7、C8组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R₆、C₆、C₇、C₈决定，运放LM358将信号放大，放大倍数由R₆和R_V1的比值决定。

根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得

按人体脉搏跳动为200次/min时的频率是3.3Hz考虑，低频特性是令人满意的。

放大电路仿真如下。

当人运动后，人体脉搏跳动次数可达200次/min，红外对管输出信号频率约为3.3Hz，而幅值较小，所以这里采用频率为3.3Hz，幅值为100mV的脉冲信号源来代替脉搏信号采集电路的输出信号。放大电路输出采用ANALOGUE图表表示。将输入信号U2∶A（+IP）、输出信号R6（2）拖入图表中，以便观测，如图7-5所示。

调节可变电阻器使其可变引脚位于其阻值的10%的位置，此时放大倍数理论上为A=≈22.2，则放大后的信号幅值应为：V=100mV×22.2≈2.22V。仿真图表，得如图7-6所示波形，仿真与理论相符。

调节可变电阻器使其可变引脚位于其阻值的40%的位置，此时放大倍数理论上为A=≈33.3，则放大后的信号幅值应为：V=100mV×33.3≈3.33V。仿真图

表，得如图7-7所示波形，仿真与理论相符。由此可知，调节可变电阻器改变其接入电路的幅值，即可有效调节电路放大倍数。

注意

如果继续将可变电阻器阻值调大，比如调到90%，则会出现输出信号被限幅的状态（见图7-8）。此时应检查电路的放大倍数，将放大倍数调小或者在可控范围内提高芯片的供电电压。

3）波形整形电路

波形整形电路如图7-9所示，LM358是一个电压比较器，在电压比较器的负向电压输入端通过R7、R8分压得到2.5V的基准电压，经放大电路放大后的信号通过C9电容耦合进入比较器。当输入的电压低于2.5V时，LM358的引脚7输出高电平，D1亮，并且输入单片机参与运算处理；反之，输出低电平，D1灭。

波形整形电路仿真如下。

波形整形电路以2.5V为基准电压，如输入信号低于此电压，则电路输出高电平，D1亮；如输入信号高于此电压，则电路输出低电平，D1灭，如图7-10所示。电路的输入信号为放大电路的输出，这里用脉冲信号源代替。为了便于观测波形整形电路的作用，设置脉冲信号output2幅值为5V，频率为3.3Hz，上升时间和下降时间为50ms，如图7-11所示。在电路输出位置放置电压探针，输出结果显示采用模拟分析图表。将输出结果P32及输入信号output2同时拖入图表中进行仿真，以便对比结果。

设置完毕后，进行仿真，得到如图7-12所示结果。可以看到，波形整形电路可以有效地对输出波形进行调整，使之输出标准矩形波。

2.单片机处理电路

如图7-13所示，本部分运用了ATMEL公司的AT89S52单片机作为核心元件。在这里运用单片机能更快、更准确地对数据进行运算，而且可以根据实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。来自波形整形电路的脉冲电平输入单片机AT89S52的脚，单片机设为负跳变中断触发模式，对脉冲进行计数。

3.液晶显示电路

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD，本设计采用16列×2行的字符型LCD1602（在仿真库中LM016L和LCD1602是没有区别的，下面用LM016L代替LCD1602进行仿真）。带背光的液晶显示屏。其主要技术参数如下。

显示容量：16×2个字符。

芯片工作电压：4.5～5.5V。

工作电流：2.0mA（5.0V）。

模块最佳工作电压：5.0V。

字符尺寸：2.95mm×4.35mm（W×H）。

液晶显示电路如图7-14所示。

单片机处理电路及液晶显示电路仿真如下。

脉搏信号采集电路采集到脉搏变化信息后，经过放大电路和波形整形电路的处理，最终输出的信号是一定频率的矩形波，然后此信号输入到单片机P3.2引脚，单片机读取并处理后经LCD显示输出，如图7-15所示。使用脉冲信号源作为单片机输入信号，设置信号源幅值为4V，频率为3.3Hz，其余参数为默认值。

电路稳定后LCD显示数值为198次/min（见图7-16），与198次/min的预估值（3.3Hz×60s）相同，电路运行正常，仿真成功。

如果更改信号源的频率为1Hz，则此时显示的应该是60次/min。电路运行后LCD显示如图7-17所示。