2024年4月21日发(作者：薄洲)

-- -

课程设计指导书

1 产品简介

红外线心率计就是通过红外线传感器检测出手指中动脉血管的微弱波动，由计数器计算

出每分钟波动的次数。但手指中的毛细血管的波动是很微弱的，因此需要一个高放大倍数且

低噪声的放大器，这是红外线心率计的设计关键所在。通过本产品的制作，可以使学生掌握

常用模拟、数字集成电路〔运算放大器、非门、555定时器、计数器、译码器等〕的应用。

2 红外线心率计工作原理

2.1 红外线心率计的原理框图

整机电路由-10V电源变换电路、血液波动检测电路、放大整形滤波电路、3位计数器电

路、门控电路、译码驱动显示电路组成，如图1所示。

血液波动放大、整形、3位

计数器

门控电路

译码、驱动、

显示 检测电源滤波

图

+12V

1

红外线心率计的原理框图

-10V

变换电路

2.2 单元电路的工作原理

⑴ 负电源变换电路

负电源变换电路的作用是把+12V直流电变成-10V左右的直流电压，-10V 电压与+12V作

为运算放大器的电源。负电源变换电路如图2所示，其中IC

1

〔CD4069〕为六非门集成电路，

它的内部构造图如图3(a)所示。

负电源变换电路工作原理：通电的瞬间，假设A点是低电位，那么B点是高电位，C点

是低电位，D点是高电位。B点的高电位通过R

19

给C

7

充电，当F点的电压高于IC

1

〔CD4049〕

的电平转换电压时，B点输出低电位，C点〔C

7

一端〕输出高电位，由于电容两端的电压不

能突变，所以C

7

两端的电压通过R

19

放电。当F点电压低于IC

1

的转换电压时，B点输出高电

位，此高电位通过R

19

对C

7

充电，如此循环。C点得到方波，经过后面四个反相器反相、扩

流后，在D点得到方波。

当D点是高电平的时候，V

1

导通C

8

被充电，大约充到11V左右，当D点变成低电平的

时候，由于C

8

两端电压不能突变，G点电压被拉到-11V左右，此时V

2

导通， C

9

反方向进展

充电，使E点电压到达-10V左右。由于带负载的能力不强，当带上负载后，E点电压大约降

到9V左右。

图2 电源电路

- - 优质资料

.

.

(a) CD4049 (b) LM741

图3 集成电路的构造图

⑵ 血液波动检测电路

血液波动检测电路首先通过红外光电传感器把血液中波动的成分检测出来，然后通过电

容器耦合到放大器的输入端。如图4所示。

图4 血液波动检测电路

TCRT5000红外光电传感器的检测方法：

首先用数字万用表的二极管档位正向压降测试控制端发射管〔浅蓝色〕的正、负极，将

红黑表笔分别接发射管的两个引脚，正反各测一次，表头一次显示"1.05〔0.9-1.1〕〞，一次显

示溢出值"-1〞，那么显示1.05V的那次正确，红表笔接的是正极，黑表笔接的是负极。假设

两次都显示"1〞，说明发射管内部开路，假设两次都显示"0〞发射管内不短路。然后再判断

接收管的C、E极和光电转换效率，方法如下：将发射管的正负极分别插入数字万用表h

FE

档

NPN型的C、E插孔，再将模拟万用表打到R×1kΩ档。红黑表笔分别接接收管的两个引脚，

假设表针不动，那么红黑表笔对调，假设表针向右偏转到15kΩ左右，那么黑表笔所接收脚为

C，红表笔所接收脚为E。此时，再用手指或白纸贴近两管上方，表针继续向右偏转至1kΩ以

内，说明该红外光电断续器的光电转换效率高。

血液波动检测电路工作原理：TCRT5000是集红外线发射管、接收管为一体的器件，工作

时把探头贴在手指上，力度要适中。红外线发射管发出的红外线穿过动脉血管经手指指骨反

射回来，反射回来的信号强度随着血液流动的变化而变化，接收管把反射回来的光信号变成

微弱的电信号，并通过C

1

耦合到放大器。

⑶ 放大、整形、滤波电路

放大、整形、滤波电路是把传感起检测到的微弱电信号进展放大、整形、滤波，最后输

出反映心跳频率的方波，如图5所示。其中LM741为高精度单运放电路，它们的引脚功能如

图3 (b)所示。IC

2

、IC

3

、IC

4

都为LM741。

图5 信号放大、整形电路

因为传感器送来的信号幅度只有2～5毫伏，要放大到10V左右才能作为计数器的输入脉

冲。因此放大倍数设计在4000倍左右。两级放大器都接成反相比例放大器的电路，经过两级

放大、反相后的波形是跟输入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一个交流信号。

其中A

1

、A

2

的供电方式是正负电源供电，电源为+12V、-10V。

A

1

、A

2

与周围元件组成二级放大电路，放大倍数A

uf

为：

由于放大后的波形是一个交流信号，而计数器需要的是单方向的直流脉冲信号。所以经

过V

3

检波后变成单方向的直流脉冲信号，并把检波后的信号送到RC两阶滤波电路，滤波电

路的作用是滤除放大后的干扰信号。R

9

、V

4

组成传感器工作指示电路，当传感器接收到心跳

信号时，V

4

就会按心跳的强度而改变亮度，因此V

4

正常工作时是按心跳的频率闪烁。直流脉

冲信号滤波后送入A

3

的同相输入端，反相输入端接一个固定的电平，A

3

是作为一个电压比拟

器来工作的，是单电源供电。当A

3

的3脚电压高于2脚电压的时候，6脚输出高电平；当A

3

jz*

2024年4月21日发(作者：薄洲)

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课程设计指导书

1 产品简介

红外线心率计就是通过红外线传感器检测出手指中动脉血管的微弱波动，由计数器计算

出每分钟波动的次数。但手指中的毛细血管的波动是很微弱的，因此需要一个高放大倍数且

低噪声的放大器，这是红外线心率计的设计关键所在。通过本产品的制作，可以使学生掌握

常用模拟、数字集成电路〔运算放大器、非门、555定时器、计数器、译码器等〕的应用。

2 红外线心率计工作原理

2.1 红外线心率计的原理框图

整机电路由-10V电源变换电路、血液波动检测电路、放大整形滤波电路、3位计数器电

路、门控电路、译码驱动显示电路组成，如图1所示。

血液波动放大、整形、3位

计数器

门控电路

译码、驱动、

显示 检测电源滤波

图

+12V

1

红外线心率计的原理框图

-10V

变换电路

2.2 单元电路的工作原理

⑴ 负电源变换电路

负电源变换电路的作用是把+12V直流电变成-10V左右的直流电压，-10V 电压与+12V作

为运算放大器的电源。负电源变换电路如图2所示，其中IC

1

〔CD4069〕为六非门集成电路，

它的内部构造图如图3(a)所示。

负电源变换电路工作原理：通电的瞬间，假设A点是低电位，那么B点是高电位，C点

是低电位，D点是高电位。B点的高电位通过R

19

给C

7

充电，当F点的电压高于IC

1

〔CD4049〕

的电平转换电压时，B点输出低电位，C点〔C

7

一端〕输出高电位，由于电容两端的电压不

能突变，所以C

7

两端的电压通过R

19

放电。当F点电压低于IC

1

的转换电压时，B点输出高电

位，此高电位通过R

19

对C

7

充电，如此循环。C点得到方波，经过后面四个反相器反相、扩

流后，在D点得到方波。

当D点是高电平的时候，V

1

导通C

8

被充电，大约充到11V左右，当D点变成低电平的

时候，由于C

8

两端电压不能突变，G点电压被拉到-11V左右，此时V

2

导通， C

9

反方向进展

充电，使E点电压到达-10V左右。由于带负载的能力不强，当带上负载后，E点电压大约降

到9V左右。

图2 电源电路

- - 优质资料

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(a) CD4049 (b) LM741

图3 集成电路的构造图

⑵ 血液波动检测电路

血液波动检测电路首先通过红外光电传感器把血液中波动的成分检测出来，然后通过电

容器耦合到放大器的输入端。如图4所示。

图4 血液波动检测电路

TCRT5000红外光电传感器的检测方法：

首先用数字万用表的二极管档位正向压降测试控制端发射管〔浅蓝色〕的正、负极，将

红黑表笔分别接发射管的两个引脚，正反各测一次，表头一次显示"1.05〔0.9-1.1〕〞，一次显

示溢出值"-1〞，那么显示1.05V的那次正确，红表笔接的是正极，黑表笔接的是负极。假设

两次都显示"1〞，说明发射管内部开路，假设两次都显示"0〞发射管内不短路。然后再判断

接收管的C、E极和光电转换效率，方法如下：将发射管的正负极分别插入数字万用表h

FE

档

NPN型的C、E插孔，再将模拟万用表打到R×1kΩ档。红黑表笔分别接接收管的两个引脚，

假设表针不动，那么红黑表笔对调，假设表针向右偏转到15kΩ左右，那么黑表笔所接收脚为

C，红表笔所接收脚为E。此时，再用手指或白纸贴近两管上方，表针继续向右偏转至1kΩ以

内，说明该红外光电断续器的光电转换效率高。

血液波动检测电路工作原理：TCRT5000是集红外线发射管、接收管为一体的器件，工作

时把探头贴在手指上，力度要适中。红外线发射管发出的红外线穿过动脉血管经手指指骨反

射回来，反射回来的信号强度随着血液流动的变化而变化，接收管把反射回来的光信号变成

微弱的电信号，并通过C

1

耦合到放大器。

⑶ 放大、整形、滤波电路

放大、整形、滤波电路是把传感起检测到的微弱电信号进展放大、整形、滤波，最后输

出反映心跳频率的方波，如图5所示。其中LM741为高精度单运放电路，它们的引脚功能如

图3 (b)所示。IC

2

、IC

3

、IC

4

都为LM741。

图5 信号放大、整形电路

因为传感器送来的信号幅度只有2～5毫伏，要放大到10V左右才能作为计数器的输入脉

冲。因此放大倍数设计在4000倍左右。两级放大器都接成反相比例放大器的电路，经过两级

放大、反相后的波形是跟输入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一个交流信号。

其中A

1

、A

2

的供电方式是正负电源供电，电源为+12V、-10V。

A

1

、A

2

与周围元件组成二级放大电路，放大倍数A

uf

为：

由于放大后的波形是一个交流信号，而计数器需要的是单方向的直流脉冲信号。所以经

过V

3

检波后变成单方向的直流脉冲信号，并把检波后的信号送到RC两阶滤波电路，滤波电

路的作用是滤除放大后的干扰信号。R

9

、V

4

组成传感器工作指示电路，当传感器接收到心跳

信号时，V

4

就会按心跳的强度而改变亮度，因此V

4

正常工作时是按心跳的频率闪烁。直流脉

冲信号滤波后送入A

3

的同相输入端，反相输入端接一个固定的电平，A

3

是作为一个电压比拟

器来工作的，是单电源供电。当A

3

的3脚电压高于2脚电压的时候，6脚输出高电平；当A

3

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