畢業(yè)設計---心率計設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在社會飛速發(fā)展的今天，人們的物質文化生活得到了極大的提高，但同時多種疾病威脅著人們的生命；而心臟病的發(fā)作又是人們難以預防的突發(fā)致命疾病，所以健康也被越來越多的人所重視。本設計要解決的問題就是可以測量心率、預防心臟病等心臟方面疾病的數(shù)字心率計。</p><p>　　本設計采用以AT89S52單片機為核心的低

2、成本、高精度、微型化數(shù)字顯示心率計的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、信號采集子程序、信號放大處理子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，實現(xiàn)心率測量的各種功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。該心率計的原理是用紅外光電傳感器OPT101接收到人體信號，因人體信號很微弱，所以在電路中設置了雙重放大電路（主

3、要芯片：OP07、LM324N）。該信號經放大整形處理后傳給A/D轉換器實現(xiàn)模擬信號轉為數(shù)字信號，經過以上處理后，再傳給單片機AT89S52計算，計算完后由四位數(shù)碼管顯示出來。</p><p>　　該心率計可以簡單的測量出人的心跳和人體體溫，基本實現(xiàn)了預定的目標，這將大大減少病人測量心跳和體溫的時間。</p><p>　　關鍵字：心率；測量； 單片機AT89S52；轉換器</p>

4、;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Today in the rapid development of society, people's material and cultural life has been greatly improved, but also a variety of diseases threatening peo

5、ple's lives; and heart attack is it difficult to prevent sudden fatal disease, so health is also valued by more and more people. The design problem to be solved is that you can measure heart rate, cardiac disease, he

6、art disease and other digital heart rate meter.</p><p>　　This design uses to AT89S52 microcontroller core, low-cost, high accuracy, digital display of heart rate meter miniaturization of hardware and softwar

7、e design. The probe by the single chip integrated analysis of signal processing functions to achieve heart rate measurement. On this basis, the overall design of the system program, and finally achieved through various h

8、ardware and software modules. With the relevant parts of the hardware circuit, the program flow chart. The principle of the heart </p><p>　　The heart rate meter can easily measure the person's heart rate

9、 and body temperature, essentially achieving its stated goals, which will greatly reduce the patients of heart rate and body temperature of the time.</p><p>　　Keywords: heart rate； measurement； microcontroll

10、er AT89S52；converter目錄</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題設計的目的及功

11、能實現(xiàn)的方法1</p><p>　　1.3論文結構2</p><p>　　2總體方案設計4</p><p>　　2.1心率計原理4</p><p>　　2.2總體電路框圖設計4</p><p>　　3元器件選擇及其功能介紹6</p><p>　　3.1單片機AT89S52

12、6</p><p>　　3.2傳感器OPT1017</p><p>　　3.2.1OPT101的技術性能7</p><p>　　3.2.2OPT101的典型應用8</p><p>　　3.3集成運算放大器OP0710</p><p>　　3.4低功率運算放大器LM324N11</p>

13、<p>　　3.5A/D轉換器ADC080912</p><p>　　4系統(tǒng)硬件結構設計與仿真14</p><p>　　4.1單片機最小系統(tǒng)14</p><p>　　4.2信號采集電路15</p><p>　　4.3信號放大電路與仿真16</p><p>　　4.3.1信號放大電路與仿

14、真16</p><p>　　4.3.2電源模塊設計17</p><p>　　4.4信號比較電路18</p><p>　　4.5A/D轉換電路19</p><p>　　4.6顯示電路19</p><p>　　4.7系統(tǒng)總體設計原理圖20</p><p>　　5系統(tǒng)軟件設計

15、22</p><p>　　5.1測量計算原理22</p><p>　　5.2主程序流程圖22</p><p>　　5.3中斷程序流程圖23</p><p>　　5.4定時器T0和T1的中斷服務程序24</p><p>　　6系統(tǒng)硬件調試25</p><p>　　6.1系統(tǒng)各

16、部分電路模塊測試與仿真25</p><p>　　6.1.1一級放大電路25</p><p>　　6.1.2比較電路27</p><p>　　6.2試驗與焊接階段28</p><p>　　6.2.1試驗階段28</p><p>　　6.2.2焊接與完成階段29</p><p>

17、;　　6.3整機調試31</p><p>　　6.3.1心跳的測量過程31</p><p>　　6.3.2幾種主要系統(tǒng)干擾與影響31</p><p>　　6.4試驗結果分析32</p><p>　　7總結和展望33</p><p><b>　　致 謝35</b></p

18、><p><b>　　參考文獻36</b></p><p><b>　　附錄一：38</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　心率不僅是反映心臟功能強弱的重要標志，也是反映人體運動強度的生理指標，很多情況下我們需要及時知道自己的心率．本文介紹一種基

19、于單片機技術的心率計，單片機的可編程性使其具有較大的適應性和靈活性．</p><p><b>　　課題的來源</b></p><p>　　在醫(yī)學上，通過測量人的心率，便可初步判斷人的健康狀況。隨著人們生活水平的提高，地球環(huán)境遭到破壞，多種疾病威脅著人們的生命；而心臟病的發(fā)作又是人們難以預防的突發(fā)致命疾病。因此，心率計很快產生，并得到發(fā)展。隨著單片機技術的發(fā)展、人們的生

20、活節(jié)奏加快，設計一種以使用方便為前提，能夠快速測出人心率的心率計，不僅是臨床者的欲求，也是體育訓練者和外出旅游者的需求，因此，單片機快速心率計有著廣闊的市場前景。</p><p>　　根據(jù)設計任務要求：① 心率計要在5秒鐘內顯示被測人的心率參數(shù) ② 要求設計異常聲光報警 ③ 心率傳感器要求套在手指測量。該設計，從符合操作簡便、外表美觀、實用、安全的要求出發(fā)，完成設計和調試的全過程，該產品經過數(shù)十人的測試，符合畢業(yè)

21、設計題目的要求。</p><p>　　課題設計的目的及功能實現(xiàn)的方法</p><p>　　現(xiàn)在經?？梢钥吹皆谠S多小型醫(yī)院里，對心率的測定仍采用人工聽診器的方式，為了方便心率的采集，決定用AT89S52單片機為主芯片制作一個簡單易用易攜的心率計，能自動測量心跳次數(shù)并數(shù)字化形象直觀的表現(xiàn)出來。為此，其中心率計特色功能的實現(xiàn)主要靠有效穩(wěn)定的信號采集模式，可以通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方

22、法：通過一對紅色發(fā)光二極管實現(xiàn)和通過壓電陶瓷芯片實現(xiàn)。</p><p>　　方案一：檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變，當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小；當血液流回心臟，組織的半透明度增大。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。因此，本心率計將紅外發(fā)光二極管產生的紅外線照射到人體的上述位置，并用裝在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉化為電信號

23、。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。</p><p>　　方案二：檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏及頸部的搏動較為明顯，我們采用壓電傳感器放在上述位置，把壓電傳感器測到的信號轉換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。</p><p><b>　　論文結構&

24、lt;/b></p><p>　　本文闡述了基于單片機設計的心率計的設計原理與 實現(xiàn)方法。以AT89S52單片機為基礎，實現(xiàn)了心率計的各種功能。文中詳細地描述了心率計的設計過程，包括：取樣電路、放大電路、比較電路、A/D轉換電路和單片機處理電路和顯示電路，同時還提出了基于單片機的編碼、譯碼程序設計流程圖。從整體上實現(xiàn)了心率計的功能。</p><p>　　第1章：對本論文的選題的目的和

25、意義以及論文的結構進行了闡述，并說明了心率計的設計思路及課題的設計和要求。</p><p>　　第2章：介紹了系統(tǒng)整體方案的設計與原理總圖，簡要的介紹了設計的原理和框圖介紹。</p><p>　　第3章：詳細介紹了系統(tǒng)所需的主要元器件單片機AT89S52、運算放大器LM324N、比較器OP07DP、 A/D轉換器及部分元器件使用說明。</p><p>　　第4章：詳

26、細介紹了單片機最小系統(tǒng)，對取樣電路、放大電路、比較電路、A/D轉換電路和單片機處理電路和顯示電路進行了設計。并附了部分電路的仿真圖。</p><p>　　第5章：在硬件設計的基礎上，闡述了對軟件的設計并介紹了程序計算方法，給出了程序主程序和子程序。</p><p>　　第6章：在本章介紹了軟硬件調試、焊接及仿真和結果分析</p><p>　　第7章：總結本文的研究工

27、作，對心率計未來的發(fā)展方向及需要改進的地方進行了展望。</p><p><b>　　總體方案設計</b></p><p><b>　　心率計原理</b></p><p>　　隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小;當血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖

28、、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計將紅外發(fā)光二極管產生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。本電路把心跳脈沖輸入給計數(shù)器之前，作了100倍頻處理，組成方框圖。假設心跳每分鐘為n次，相當頻率n/60Hz，則100倍頻后為5/3nHz，這時，只要

29、計數(shù)閘門設置為0.6秒，則能準確顯示出心率來。如n=76，100倍頻后頻率為127Hz，通過脈沖為127×0.6=76，正好與實際心率相符。</p><p><b>　　總體電路框圖設計</b></p><p>　　心率計的總體設計電路框圖如圖2-1所示，主要包括取樣電路、放大電路、比較電路、A/D轉換電路和單片機處理電路和顯示電路．先用紅外光電傳感器采集與

30、心跳同頻率的信息，當人體組織半透明度的數(shù)值較大時，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強度很弱，光敏三極管無法導通，所以輸出端為高電平；當人體組織半透明度的數(shù)值較小時，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強度較強，光敏三極管導通，輸出端為低電平，這樣就形成了頻率與脈搏次數(shù)成正比的低頻信號，它近似于正弦波形．脈搏為50次，分時，頻率是0．78Hz，199次，分時是3．33Hz，從傳感器過來的是低頻信號．該低頻信號首先經RC振蕩

31、器濾波以消除高頻干擾，經無極性隔直流電容C3、C5加到線性放大器的輸入端．放大器將信號放大200倍，并與R7、c6組成截止頻率為10I-Iz左右的低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾．正弦信號經CIO、R14微分形成尖脈沖信號，單穩(wěn)態(tài)振蕩電路將尖脈沖信號轉化為同頻率的長脈沖信號，該脈沖信號通過R17送到單片機后，軟件對信號進行處理，最后在數(shù)碼管上顯示數(shù)值。</p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)設計原理框圖</p

32、><p>　　元器件選擇及其功能介紹</p><p>　　單片機AT89S52</p><p><b>　　主要性能：</b></p><p>　　（1） 與MCS-51單片機產品兼容</p><p>　?。?） 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器</p><p>　?。?）

33、 1000次擦寫周期 </p><p>　?。?）全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz</p><p>　　（5） 三級加密程序存儲器</p><p>　?。?） 32個可編程I/O口線 </p><p>　?。?） 三個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　?。?） 八個中斷源</b><

34、;/p><p>　　（9） 全雙工UART串行通道 </p><p>　?。?0）低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　（11）掉電后中斷可喚醒 </p><p>　?。?2） 看門狗定時器</p><p>　?。?3）雙數(shù)據(jù)指針 </p><p>&

35、lt;b>　　（14）掉電標識符</b></p><p><b>　　功能特性描述：</b></p><p>　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于

36、常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。</p><p>　　AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)

37、邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止.AT89S52的引腳結構如圖3-1所示。</p><p>　　圖 3-1 AT89S52的引腳結構</p><p><b>　　傳感器OPT101</b>&

38、lt;/p><p>　　OPT101的技術性能</p><p>　　OPT101型傳感器是美國B-B公司研制的集光敏器件（光敏二極管）與信號放大于一體的器件.采用單電源供電，壓電輸出。輸出電壓隨照射到光敏器件的光強度呈線性變化。可用于醫(yī)療儀器、實驗室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。OPT101型傳感器內部電路結構如圖3-2所示。</p><

39、p>　　OPT101型傳感器的性能、特點：</p><p>　?。?）單電源供電 +2.7V~~+36V</p><p>　?。?）光敏二極管的尺寸：0.09*0.09in</p><p>　?。?）片內放大器反饋電阻：Rf=1MΩ</p><p>　?。?）光敏二極管響應：0.45A/W(650nm時)</p>&l

40、t;p>　?。?）響應帶寬：14K Hz（Rf=1MΩ）</p><p>　?。?）靜態(tài)電流：120?mA</p><p>　　(7) 采用8引腳DIP，5引腳SIP，與8引腳表面貼裝封裝</p><p>　?。?）工作溫度：0~70℃</p><p>　　圖 3-2 OPT101型傳感器內部電路結構</p><

41、p>　　OPT101的典型應用</p><p>　　應用片內1MΩ與3pF組成的反饋網(wǎng)絡，即將引腳4、5連接即構成基本應用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關系如圖3-3，照射光線的入射角與輸出幅度的關系如圖3-4所示。</p><p>　　圖 3-3 電路的輸出幅度與照射光線波長的關系</p><p>　　圖 3-4 照射光線的入射角與輸出幅度的關系&

42、lt;/p><p>　　當不用片內反饋網(wǎng)絡，使用外部反饋網(wǎng)絡時（在2腳與5腳間），其輸出特性與頻率特性如圖3-5和3-6所示。</p><p>　　圖 3-5 采用外部反饋網(wǎng)絡時的輸出特性</p><p>　　圖 3-6 采用外部反饋網(wǎng)絡時的頻率特性</p><p>　　集成運算放大器OP07</p><p>　　這些低成

43、本JFET輸入運算放大器整合在一個單片集成電路上，是目前國家最先進的線性技術。每個內部補償運算放大器具有良好的匹配低輸入高電壓JFET輸入設備的偏移電壓。該技術提供廣泛的BIFET帶寬和快速的低輸入偏置電流的轉換速率，輸入失調電流和電源電流。這些器件在單、雙和四引腳與業(yè)界標準運算放大器MC1741兼容。集成運放TL184CN的最大額定值如表3-1所示。</p><p>　　OP07的性能特點：</p>

44、<p>　?。?）輸入失調6.0 mV和15 mV的最大電壓選項</p><p>　?。?）低輸入偏置電流：30pA</p><p>　?。?）低輸入失調電流：5.0pA</p><p>　?。?）增益帶寬：40 MHz</p><p>　　（5）高壓擺率：13V/us </p><p>　?。?）低電源

45、電流：每個放大器1.4mA </p><p>　?。?）高輸入阻抗：1012 ?</p><p>　　表3-1 TL184CN的最大額定值</p><p>　　低功率運算放大器LM324N</p><p>　　LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。其最大額定值如表3-2所示，與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有顯

46、著的有點：該四放大器可以工作在低到3.0伏或高到32伏的電壓下，靜態(tài)電流大致為MC1741的五分之一（對每個放大器而言），共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性，輸出電壓范圍也包括負電源電壓。其特點為：</p><p>　?。?）短路保護輸出 （2）真差動輸入級</p><p>　?。?）單電源工作，3.0V~~32V （4）低輸入

47、偏置電流，最大100nA[LM324A]</p><p>　?。?）每一個封裝四個放大器 （6）內部補償</p><p>　?。?）共模范圍擴展到負電源 （8）行業(yè)標準引腳輸出</p><p>　?。?）在輸入端的靜電放電位增加可靠性而不影響器件的工作</p><p>　　表3-2 LM324的最大額定值</p>&

48、lt;p>　　A/D轉換器ADC0809</p><p>　　ADC0809是4位雙積分A/D轉換芯片,可以轉換輸出±20000個數(shù)字量,有STB選通控制的BCD碼輸出,與微機接口十分方便.ADC0809具有精度高(相當于14位A/D轉換),價格低的優(yōu)點.其轉換速度與時鐘頻率相關,每個轉換周期均有:自校準(調零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準電壓積分)和過零檢測四個階段組成,其中自

49、校準時間為10001個脈沖,正向積分時間為10000個脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過20001個脈沖).ADC0809為DIP28封裝,芯片引腳排列如圖3-7所示，主要參數(shù)如表3-3所示：</p><p>　　圖3-7 芯片ADC0809引腳圖</p><p>　　表3-3 ADC0809的主要參數(shù)</p><p>　　系統(tǒng)硬件結構設計與仿真</

50、p><p>　　硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、信號采集、信號放大、比較電路及信號轉換電路五部分。單片機采用AT89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測由傳感器OPT101信號采集電路輸出的信號。顯示電路采用簡單實用的四位LED數(shù)碼管，信號用OP07放大，比較電流用LM324N

51、。仿真主要包括放大電路與-5V電源電路與比較電路。</p><p><b>　　單片機最小系統(tǒng)</b></p><p>　　AT89S52是片內有EPROM的單片機。因此，用這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單、可靠。用AT89S52單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路以及擴展的簡單I/O口即可，如圖4-1所示。由于受集成度、片內功能的限制，最小應用系統(tǒng)

52、只能用作一些小型的控制單元。其應用特點為：</p><p>　　有可供用戶使用的較多的I/O口線。由于不需要擴展外部存儲器，EA應接高電平，P0、P1、P2、P3均作為用戶I/O口使用。</p><p>　　內部存儲器容量有限。</p><p>　　應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。如AT89S52的應用軟件須依靠半導體廠家用半導體掩膜技術置入，故AT89S52應用系統(tǒng)一般用

53、作大批量生產的應用系統(tǒng)。另外，P0、P2口的應用與開發(fā)環(huán)境差別較大。</p><p>　　圖4-1 單片機最小系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　信號采集電路</b></p><p>　　信號采集電路如圖4-2所示。D1與Vb組成光電傳感器。因光電傳感器輸出的點脈沖信號時非常微弱的信號，而且頻率很低（如脈搏50次/分鐘為0.78Hz，20

54、0次/分鐘為3.33Hz），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要經過R3、C1低通濾波，去除高頻干擾。當傳感器檢測到較強的干擾光線時，其輸出端的直流電壓信號會有很大變化。</p><p>　　圖4-2 信號采集電路</p><p>　　信號放大電路與仿真 </p><p><b>　　信號放大電路與仿真</b></p><p&

55、gt;　　如圖4-3所示，R5與R1、R2、R3的電阻和之比為放大器的放大倍數(shù)，經過計算所得改放大器的理論值為200倍，但由于11號接口上-5V供壓不足再加上材料限制和人為的因素，該放大倍數(shù)只有20倍左右。</p><p>　　圖中C2為耦合電容，作用為隔直流通交流，之所以使用10u的電容，是為了讓所有的信號通過。C3同C2一樣。信號放大電路仿真圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖

56、4-3 信號放大電路</p><p>　　圖 4-4 信號放大電路仿真圖</p><p><b>　　電源模塊設計</b></p><p>　　-5V電源由555定時器生成，原理圖如圖4-5 所示：</p><p>　　圖4-5 -5V電源電壓原理圖</p><p>　　-5V電源電壓仿真圖如圖

57、4-6 所示：</p><p>　　圖 4-6 -5V電源電壓仿真圖</p><p><b>　　信號比較電路</b></p><p>　　電壓比較器是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，也可用于V/F 變換電路、A/D 變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。我們主要介紹其

58、基本概念、工作原理及典型工作電路，電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小并判斷出其中哪一個電壓高，如圖4-7 所示。</p><p>　　圖4-7 電壓比較器</p><p><b>　　A/D轉換電路</b></p><p>　　A/D轉換電路如圖4-8所示。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入

59、之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A／D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A／D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上</p><p>　　圖 4-8 A/D轉換器連線圖</p><p><b>　　顯示

60、電路</b></p><p>　　LED采用3位8段加提示符的液晶顯示模塊LCM046，3-4線串行接口，低功耗特性；顯示狀態(tài)功耗為50Ua;省電模式下<1uA;工作電壓2.7V—5.2V。視角對比度可調，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，可加背光。AT89S52通過P0.0~P0.7與LED連接.圖4-9為顯示電路：</p><p>　　圖 4-9 顯示電路</p>&

61、lt;p><b>　　系統(tǒng)總體設計原理圖</b></p><p>　　心率計的總體電路如圖4-10所示，主要包括取樣整型電路，單片機處理電路和顯示電路．先用紅外光電傳感器采集與心跳同頻率的信息，當人體組織半透明度的數(shù)值較大時，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強度很弱，光敏三極管無法導通，所以輸出端為高電平；當人體組織半透明度的數(shù)值較小時，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織

62、的光強度較強，光敏三極管導通，輸出端為低電平，這樣就形成了頻率與脈搏次數(shù)成正比的低頻信號，它近似于正弦波形．</p><p>　　圖 4-10 系統(tǒng)原理總圖</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　基于單片機心率計的軟件設計主要由主程序流程圖、中斷程序流程圖及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法

63、，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而心率計的程序既有較復雜的計算（時間t內的平均值），又要求精細計算程序運行時間（動脈搏動時間），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。</p><p><b>　　測量計算原理</b></p><p>　　設K個連續(xù)的動脈搏動所用時間為t（秒），在時間 t 內心率的平均值為n（次/分），則：</p

64、><p>　　n = 60K/t (1)</p><p>　　為了能夠控制用單片機計算機測定t值，我們利用脈動信號控制（在K個連續(xù)的脈搏周期內）單片機的定時/計數(shù)器T0定時（定時1ms中斷一次），工作寄存器對中斷次數(shù)進行計數(shù)，然后讀取計數(shù)值。設該計數(shù)值為N，于是有：</p><p>　　t = 0.001N

65、 （2）</p><p>　　把（2）帶入（1）得到：</p><p>　　n = 60k/0.001N =60000K/N （3）</p><p>　　式（3）就是利用單片計算機測定心率值的數(shù)學模型（誤差小于0.4%）。在該單片機系統(tǒng)中，K = 1~~9（用戶可通過按鍵自行設置）。可測心率范圍20次/分~~200次/分（N的范圍：

66、300~~30000）.</p><p><b>　　主程序流程圖</b></p><p>　　程序流程圖如圖5-1所示。程序初始化是每個單片機程序所必備的，它的主要任務是確定程序人口和中斷人口地址。接下來是顯示為全零，主要目的是為了區(qū)分是否有信號送人，當沒有信號送人時，顯示為全零，則說明心率計沒有工作，反之，則正常工作。定時lOOms是設計中比較重要的一部分，它主要

67、是為采樣6s打下基礎。設計中運用定時器T1的定時功能來實現(xiàn)100s的定時，等待中斷占用了程序執(zhí)行的大部分時間，它主要是一個死循環(huán)語句，只有當中斷條件滿足時，才執(zhí)行中斷服務子程序，對計數(shù)的結果進行累加，累加之后，判斷采樣的次數(shù)，如果采樣未滿60次，說明不到6 s，返回繼續(xù)采樣、等待中斷，直到采樣60次為止，之后把6s內采樣得到的次數(shù)由二進制數(shù)轉化為十進制數(shù)，送到數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。 </p><p>　　N

68、 </p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖 5-1 程序流程圖 圖5-2 中斷程序流程圖</p><p><b>　　中斷程序流程圖</b></p><p>　　心率

69、的有效測量范圍為50次一199次/分鐘，為了消除外界信號的干擾，在定時器中斷程序中加入了對頻率大小的判斷，濾除掉小于50次/分鐘和大于199次/分鐘的脈沖信號，中斷程序如圖5-2所示．</p><p>　　定時器T0和T1的中斷服務程序</p><p>　　定時器T0的中斷流程圖如圖5-3所示，定時器T1的中斷服務流程圖如圖5-4所示。</p><p><b&

70、gt;　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　·</b></p><p>　　圖5-3 定時器T0的中斷 圖5-4 定時器T1的中斷</p><p>　　服務程序流程圖

71、服務程序流程圖</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件調試</b></p><p>　　在制作實物之前，首先需要根據(jù)自己制作實物的思想步驟和實物所要達到的功能繪制出元器件的原理圖，然后把原理圖放到 ISIS 7 protues中進行仿真。因為元器件的大小不同，達到預期功能的效果也不一樣，在這種情況下，就需要對硬件電路進行變換和調試。實物焊接出來之后，考慮各種干擾和影響因

72、素，還要對硬件進行整機調試。系統(tǒng)的調試過程是檢驗、修正設計方案的實踐過程，也是應用理論知識來解決實踐中各類問題的關鍵環(huán)節(jié)，是電路設計者必須掌握的基本技能。</p><p>　　系統(tǒng)各部分電路模塊測試與仿真</p><p><b>　　一級放大電路</b></p><p>　　心率計的主要原理是隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到

73、人體組織時，組織的半透明度減小;當血液流回心臟，組織的半透明度增大。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。當用光電紅外傳感器接收到該變化后，但由于該變化很微弱，這就需要放大器對其進行放大，這就是一級放大電路。放大電路如圖6-1所示。</p><p>　　圖 6-1 一級放大電路</p><p>　　圖 6-2 R5為125K時的仿真圖</p><p>

74、　　圖 6-3 R5為1M時的仿真圖</p><p>　　如圖6-1所示，C2為電解電容，開始使用的電容為0.1u，此時發(fā)現(xiàn)通過的交變電流很少，當改成10u之后，幾乎所有的交變電流都可以傳輸?shù)椒糯笃鱑1A放大，電解電容C3的原理和C2一樣。R5為接在放大器兩端的電阻，它的值直接影響著放大器的放大倍數(shù)。經計算當R5的值為125K時，放大器的狀態(tài)最好，不失真。仿真如圖6-2所示，此時放大器的放大倍數(shù)為25倍，信號的放

75、大不足。所以把R5的值改為1M，此時的仿真圖為6-3所示，雖然信號放大失真，但放大倍數(shù)提高到200倍，因為在設計中只需要最大幅值，經過試驗，該放大值很適合試驗，所以R5采用1M值。所以該失真不影響最后試驗。</p><p><b>　　比較電路</b></p><p>　　圖 6-4 比較電路</p><p>　　圖 6-5 比較電路仿真圖&l

76、t;/p><p>　　比較電路如圖6-4所示，信號從上級放大器C3口輸出，由于上級放大電路材料的限制和人為干擾的因素，放大倍數(shù)遠沒有達到200倍（約20倍左右）,這就使得傳輸?shù)奖容^電路2口的電壓值還是很小，約0~~2V，但設計需要0、5V的方波，所以考慮由R9和R10求出一電壓值作為比較值。當2口接到的信號電壓小于該值時顯示0V，當大于該值時顯示5V。這就形成了0和5V的方波。比較電路仿真圖如圖6-5所示。</

77、p><p><b>　　試驗與焊接階段</b></p><p><b>　　試驗階段</b></p><p>　　當模塊設計完成并在ISIS 7 protues中仿真無誤后，電路基本確定，但那只是理論值，需要對這些仿真電路進行試驗，以確保這些電路是否適用與該設計。圖6-6為試驗過程中的插圖。</p><p&

78、gt;　　圖 6-6 試驗插圖</p><p><b>　　焊接與完成階段</b></p><p>　　在完成實驗階段測試后，這時電路的元器件及各種電阻電容的值就已經確定?？梢詫嵨锏暮附?。</p><p><b>　?、藕盖疤幚?lt;/b></p><p>　　焊接前，應對元件引腳或電路板的焊接部位進行

79、焊前處理。</p><p>　?、偾宄附硬课坏难趸瘜?lt;/p><p>　　可用斷鋸條制成小刀。刮去金屬引線表面的氧化層，使引腳露出金屬光澤。印刷電路板可用細紗紙將銅箔打光后，涂上一層松香酒精溶液。</p><p><b>　?、谠冨a</b></p><p>　　在刮凈的引線上鍍錫。可將引線蘸一下松香酒精溶液后，將帶

80、錫的熱烙鐵頭壓在引線上，并轉動引線。即可使引線均勻地鍍上一層很薄的錫層。導線焊接前，應將絕緣外皮剝去，再經過上面兩項處理，才能正式焊接。若是多股金屬絲的導線，打光后應先擰在一起，然后再鍍錫。</p><p><b>　　⑵焊接技</b></p><p>　　做好焊前處理之后，就可正式進行焊接。</p><p>　?、俸附臃椒ǎ汉附?，檢查，剪短。

81、</p><p>　　a.右手持電烙鐵。左手用尖嘴鉗或鑷子夾持元件或導線。焊接前，電烙鐵要充分預熱。烙鐵頭刃面上要吃錫，即帶上一定量焊錫。</p><p>　　b.將烙鐵頭刃面緊貼在焊點處。電烙鐵與水平面大約成60℃角。以便于熔化的錫從烙鐵頭上流到焊點上。烙鐵頭在焊點處停留的時間控制在2～3秒鐘。</p><p>　　c.抬開烙鐵頭。左手仍持元件不動。待焊點處的錫冷

82、卻凝固后，才可松開左手。</p><p>　　d.用鑷子轉動引線，確認不松動，然后可用偏口鉗剪去多余的引線。</p><p><b>　?、诤附淤|量</b></p><p>　　焊接時，要保證每個焊點焊接牢固、接觸良好。要保證焊接質量。應是錫點光亮，圓滑而無毛刺，錫量適中。錫和被焊物融合牢固。不應有虛焊和假焊。虛焊是焊點處只有少量錫焊住，造成接

83、觸不良，時通時斷。假焊是指表面上好像焊住了，但實際上并沒有焊上，有時用手一拔，引線就可以從焊點中拔出。這兩種情況將給電子制作的調試和檢修帶來極大的困難。只有經過大量的、認真的焊接實踐，才能避免這兩種情況。</p><p>　　焊接電路板時，一定要控制好時間。太長，電路板將被燒焦，或造成銅箔脫落。從電路板上拆卸元件時，可將電烙鐵頭貼在焊點上，待焊點上的錫熔化后，將元件拔出。</p><p>

84、　　由于本次設計采用單片機開發(fā)板來焊接，因此最小系統(tǒng)部分只用焊接元件不用另外布線，減輕了焊接部分的工作量，同時是電路板更美觀。雖然用單片機開發(fā)板來焊接，但是在焊接過程中也必須認真謹慎，避免虛焊和短路。每焊完一個元器件或者一條線路都要用萬用表檢查焊接是否成功，最終按照附錄一所示仿真圖焊接實物，實物圖如圖6-7所示：</p><p><b>　　圖 6-7 實物圖</b></p>

85、<p><b>　　整機調試</b></p><p><b>　　心跳的測量過程</b></p><p>　　由于血液是一種高度不透明液體，血液中含有大量的血紅細胞，這種細胞具有很強的吸收紅外線的功能。因此，紅外線在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。當人體動脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張動脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時，動脈所在部

86、分的人體組織對于紅外光的透射性就會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖和耳垂等部位最為明顯 。由于手指尖比較容易試驗，設計中就測量手指的變化來計算出心跳。</p><p>　　在設計中，用紅外光電二極管照射手指，在手指的另一邊用光電傳感器OPT101接受透射過的光信號，并放大轉化為電信號。由于人體內變化很微弱，設計就需要放大器對該信號進行多次放大，將放大到單片機能處理的信號傳給A/D轉換器轉換為模擬信號，交給

87、單片機處理顯示。 </p><p>　　幾種主要系統(tǒng)干擾與影響</p><p><b>　　陽光的干擾。</b></p><p>　　因為本設計是通過紅外光線透過手指采集到信號，進而對信號處理得到人體的心跳，光在本設計中很重要。而且在各種不同的環(huán)境中，外界光照的強度不一樣，這對實驗的干擾就講很明顯。但是外界光照對于人體是均衡的，即各處光照

88、強度相同，對人體內變化的影響是相同的，即可以相互抵消。</p><p>　　測量過程中手指的抖動。</p><p>　　光電傳感器OPT101檢測到的人體信號很微弱，手指的一點抖動都會引起測量心跳值的大幅變化。為了解決這個問題，在設計中，把OPT101和發(fā)光二極管相距一定距離（夠放下小拇指）之后固定死，這樣在測量的時候只要人盡量保持手指不動，就可以大大減小手指抖動對試驗的影響。</p

89、><p><b>　　呼吸的影響。 </b></p><p>　　試驗的原理主要是血液中的含氧量的變化進而導致人體組織變化而測量心跳的，這樣均勻呼吸和急促呼吸就將使得人體內的含氧量大大不同。據(jù)試驗所得，當人運動之后呼吸會比較劇烈，這時他的心跳值就會隨之變大。正常情況下 ，心率指的是當人心平氣和的時候的心跳值。</p><p><b>　　

90、試驗結果分析</b></p><p>　　一級放大電路在試驗仿真時理論值為200倍，但焊接完之后實際值卻只有20倍，這里存在著很多方面的原因，比如放大器供電不足，理論需要-5V電壓，但設計做出的電源電壓只有-3~-4V，嚴重影響了放大器的工作；還有就是材料限制、焊接中的問題以及理論方面的不足。</p><p>　　二級放大電路（比較電路）基本上完成了由正弦波變成方波的要求，雖然

91、在放大倍數(shù)上沒有達到理論要求值，但不影響系統(tǒng)的正常運行。</p><p>　　設計基本上達到了測量人體內脈搏變化而計算得到心跳次數(shù)的要求，手指放在光電傳感器前面10秒后，四位數(shù)碼管即可顯示被測人的心跳。</p><p><b>　　總結和展望</b></p><p>　　心率是指單位時間內心臟波動的次數(shù)。一般指每分鐘的心跳次數(shù)，是臨床常規(guī)檢查的

92、生理指標。傳統(tǒng)測量脈搏次數(shù)的方法是以基準時間為單位，并通過基準時間內測得的脈搏跳動次數(shù)和相關倍數(shù)，計算出沒分鐘的脈搏次數(shù)。</p><p>　　但在現(xiàn)實生活中，這種可以直接測量心跳的儀器還不是很常用，在很多小型醫(yī)院里 ，醫(yī)生們依舊使用著古老的手動式聽診器，這大大影響了效率和救治的時間。這就為心率計的研究與生產奠定了必然基礎。</p><p>　　本文是基于單片機研究設計的心率計，現(xiàn)在市場上

93、存在了一些基于FPGA研究設計的心率計，二者的原理和過程基本上是一樣的！心率計的原理是用傳感器接收到人體微弱的信號，因為人體信號比較的微弱，一般放大的倍數(shù)也比較高，100倍以上的。</p><p>　　心率計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、信號采集和信號放大與濾波處理電路三部分。單片機采用AT89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸

94、出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測由傳感器OPT101信號采集電路輸出的信號。顯示電路采用簡單實用的3位LED數(shù)碼管，信號用OP07放大。</p><p>　　基于單片機心率計的軟件設計主要由主程序流程圖、中斷程序流程圖及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而心率計的程序既有較復雜的計算（時間t內的平均值），

95、又要求精細計算程序運行時間（動脈搏動時間），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程而成。</p><p>　　實物焊接出來之后，先要進行硬件調試。電路的調試過程是檢驗、修正設計方案的實踐過程，也是應用理論知識來解決實踐中各類問題的關鍵環(huán)節(jié)，是電路設計者必須掌握的基本技能。</p><p>　　把電子元器件連接起來，實現(xiàn)特定功能的關鍵一步是調試。調試方法有兩種：分塊調試法和整體調試法。在

96、硬件檢測完之后，在沒有問題的情況下可以輸入程序，調試程序的可行性，并加以改正，配合著程序改動系統(tǒng)的原理圖。</p><p>　　文中的心率計使用了脈搏波作為源信號，當然我還可以通過對心電圖的分心來研究心率，它們的后繼電路部分結構都大同小異，主要的區(qū)別是前段的信號采集。本儀器適用于6—9V直流電壓，工作電流為100mA左右，心率計通電后，將手指放在紅外光電傳感器的中即可檢測到人體的信號，并在數(shù)碼管中顯示出來！<

97、;/p><p>　　當然它也存在著一定的問題，但我想在后來的研制和生產中，肯定會大大提高它的性能 ，極力完善它的缺點。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先，我要感謝我的導師**老師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，正是在**老師您的細心指導和關懷之下，我順利、及時的完成了畢業(yè)論文設計和實物的制作。<

98、/p><p>　　接著我要感謝學校和學院給了我們這么一次展示自己才華的機會，大學行將結束，在踏入社會之前，學校安排這么一次畢業(yè)設計之旅，這在很大程度上提高了我的學業(yè)水平和生活適應能力。</p><p>　　同時也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設計期間所給予我的幫助，在我畢業(yè)論文寫作期間，各位老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導和日常生活上的關懷，沒有你們這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業(yè)設計，

99、借此機會，向你們表示由衷的感激。同時還要感謝系實驗室在畢業(yè)設計期間提供給我們優(yōu)越的實驗條件。</p><p>　　最后，我要感謝和我一起做畢業(yè)設計的同學。在畢業(yè)設計的短短3個月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助，我想沒有你們，我也很難順利的完成畢業(yè)設計，在此也真誠的謝謝你們。同時，我還要感謝我的寢室同學和身邊的朋友，正是在這樣一個團結友愛，相互促進的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小

100、收獲。</p><p>　　還有許許多多給予我學業(yè)上鼓勵和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一并表示衷心地感謝！謝謝大家！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 余發(fā)山. 單片機原理及應用技術[M] 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003年8月</p><p>　　[2] 饒連周.基于

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