课程设计（论文）-基于单片机的数字人体心率计设计.doc

中北大学基于单片机的心率计设计课 程 设 计 说 明 书 2017年 6月30日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1、 通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；2、 熟练使用示波器、信号源、万用表、等仪器设备；3、 了解传感器的工作原理及其相应的调理电路；4、 通过该课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法和基本开发过程。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：、 确定系统设计方案，包括传感器的选择、主控芯片的选择、控制电路设计；、 针对部分核心电路进行仿真，优化电路设计；、 根据设计电路完成PCB制版，最终完成电路的研制；、完成系统程序设计，并绘制程序流程图；3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：、确定系统设计方案，包括传感器的选择、主控芯片的选择、信号调理电路电路设计，控制电路设计；、针对特定电路进行仿真，优化电路设计；、根据设计电路完成PCB制版，最终完成电路的研制；、完成系统程序设计，并绘制程序流程图。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1陈春晓.无仓，血管功能测试诊断仪的研究.生物医学工程学，2003，1(15)，332周学军，韩香娥.心电信号数字滤波器的设计.应用光学，2009,3(30)，30-313何希才，薛永毅.传感器及其应用实力.北京:机械工业出版社，2004:52-534李刚，林凌.生物医学电子学.北京：北京航空航天大学出版社，2004:320-3235设计成果形式及要求： （1）课程设计说明书 （2）基于单片机的心率计系统仿真和PCB图6工作计划及进度：2017年6月5日-2017年6月16日6月5日-9日：6月10日-12日：6月13日-14日：6月15日-16日：学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日目录第一章 心率计设计整体构思1第二章 单片机芯片介绍2第三章 电路原理及仿真电路33.1 光电式传感器33.2前置放大器43.3 滤波电路53.4 后置放大电路6第四章 单片机程序设计74.1 设计原理74.2 软件设计的流程图84.3 LED显示电路10第五章 结果分析11第六章 心得感悟12第七章 参考文献13附录14第1章 心率计设计整体构思基于单片机的心率计既能发挥单片机快速处理数据的能力，同时伴随着集成化技术的逐渐提升，提携、快速准确、方便实用的心率计将不失为一个更好的选择，真正做到走入家庭、方便个人。人体的各种生理参数如心电、脑电等生物信号都属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，心率是指单位时间内内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本一致，脉搏信号比较容易测得，因此本设计利用脉搏信号进行心率计数。经过光电式传感器后输出的幅值都在几毫伏左右。心率计设计步骤如下：1、 心率计设计的第一步就是要获得原始的脉搏信号，本设计采用光电式传感器通过手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号进行心率计数。2、 由于信号是在强噪声背景下微弱的低频信号，在进行滤波处理前，应该先进行信号的前置放大，由于夹杂干扰信号和噪声，所以放大倍数要较小。3、 对经过前置放大的信号进行滤波处理，去噪声和干扰信号。4、 由于前置放大电路放大倍数较小，仍需外加一个后置放大电路，此时的脉搏信号已经滤波去噪，所以可以放大较大倍数方便后续步骤。5、 将近似正弦的脉搏信号变换成方波信号。6、 由于单片机的中断分为低电平和下降沿两种触发方式，因此在进行波形变换后，要进行关键的定时计数处理以及计数显示。 前置放大电路滤波电路单片机定时光电式传感器波形变换电路后置放大电路图1.1 系统总体流程图第2章 单片机芯片介绍本次设计采用AT89C51。它的引脚图如下图2.3 AT89C51引脚图1. RST 复位引脚，用于电路初始化操作，有自动上电复位和人工上电复位两种。2. XTAL1 和XTAL2片内震荡电路引脚。这两个端口外接晶体和电容，链接8051片内OSC的定时反馈回路。3. VCC 电源引脚，一般+5V。4. GND接地引脚5. P0.0-P0.7这8个引脚可以单独使用。P0内部没有上拉电阻，在使用时需外接上拉电阻，常作为通用I/O口使用，输入输出数据。6. P1.0-P1.7与P0.0-P0.7类似，但是该口有上拉电阻，无需外接上拉电阻。7. P3.0-P3.7这组引脚第一功能作为通用I/O使用，无需外接上拉电阻。第二功能位控制功能，每个引脚功能不完全相同，如下：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。第3章 电路原理及仿真电路3.1 光电式传感器本设计采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号。所采用的只要元器件有光电三极管和光敏二极管。在测量时注意，保证手指末端的血液循环良好，并且让手指与光电三极管和光敏二极管紧密接触，但不要有压迫感，以免妨碍血液循环。在取景方面尽量选择背景较暗的环境，在测量时保持手指位置稳定。电路仿真图如下：图3.1 光电式传感器仿真电路3.2前置放大器前置放大器仿真电路如下：图3.2 前置放大电路电路采用相同比例放大器：R1 = R2= 1K, R2 = 200K,R3 = 10K前置放大电路的放大倍数： 3.3 滤波电路 脉搏信号属于强噪声背景下微弱的低频信号，在对信号进行前置放大后需要对信号进行滤波处理，滤波处理主要滤除的是基线漂移、工频干扰等等。理论上当脉搏为60次/分钟为1Hz，90次/分钟为1.5Hz,100次/分为1.66Hz,120次/分为2.0Hz，因此，滤波电路采用二阶压控有源低通滤波器16，同时滤除50Hz工频干扰。滤波电路如下：图3.3 二阶压控有源低通滤波器 传递函数为： (4-2) 放大倍数： (4-3) ,。， 满足滤波器稳定工作的条件。 低通滤波器的截止频率： (4-4) 设定的截止频率，可以满足大多数人的心率检测。同时由于该低通滤波器的截止频率较低，可以滤除50Hz的工频干扰以及其他的电磁波。3.4 后置放大电路滤波处理后的信号尽管已经去除了噪声等外部干扰，但是信号仍旧比较微弱，需要进行后置放大处理。后置放大电路如下图所示：图3.4 后置放大电路后置放大电路仍然采用同相比例放大器，。 后置放大倍数： (4-5) 则总的放大倍数为： (4-6)则信号的最大值在4V-5V左右，以便利用555定时器实现波形变换。第4章 单片机程序设计4.1 设计原理4.1.1 定时原理本设计利用单片机的外部中断和内部定时功能实现对心率的计数功能。单片机的外部中断由外部中断0和1，分别由引脚(P3.2)和(P3.3),；定时器/计数器由定时器/计数器0和1，工作方式有以下四种：1、方式0：方式0共有13位计数位数，2、方式1：16位的定时器/计数器,由TH0的8位和TL0的8位组成。作为计数器使用时，最大计数；作为定时器使用时，定时时间为： (4-1) 为定时时长，count为定时器的初值设置。为时钟周期，为时钟脉冲频率（）的倒数，是计算机中最基本、最小的时间单位。 3、方式2：8位可自动装载的定时器/计数器。此方式下16位计数器被分为两个8位寄存器TH0和TL0；TL0为计数器，TH0作为计数器TL0的初值预置寄存器，并始终保持为初值常数。作为计数器时，最大计数值=256；作为定时器使用时，定时时间为： (4-2) 为定时时长，count为定时器的初值设置，为时钟周期。 4、方式3：在该工作方式下，TH0和TL0作为两个独立的8位计数器，分别构成了一个定时器/计数器和一个定时器。这种工作方式比较复杂，一般不用。 本设计采用的外部中断0，定时器/计数器0，工作方式1。4.1.2 计数原理 设检测到K个连续的脉冲所用时间为t(秒)，则在时间t内平均值为(N次/分)，则： (4-3) 本设计利用单片机的定时器/计数器实现定时120s记一次数，当检测到1个脉冲时关闭所有中断，记录下50ms的定时次数M计算出一个周期的所用的时间，则一分钟内心率值为：K=1， (4-4)4.2 软件设计的流程图开始初始化设置 N到1？N定时器初值设置定时开始，开外部中断利用公式，得出1分钟心率LED显示屏显示结束计数NY图4.1 主程序流程图用C语言编程18实现定时器/计数器0定时120s，然后中断计数，当检测到第一个脉冲式，说明产生了一个心率周期，由于人的心率是有规律的跳动，因此。可以利用公式很容易的算出一分钟的心率次数。软件设计的重点便是中断定时计数，因此先要了解中断以及定时计数。开中断关中断回复现场开中断返回断点中断服务关中断保护现场和断点图4.2 中断服务流程图 中断系统由中断源、中断标识、中断允许控制、中断优先级控制、中断查询硬件及相应的特殊寄存器组成，相应的特殊功能寄存器TCON和SCON用来存储来自中断源的中断请求标识，IE为中断允许控制寄存器，IP为中断优先级控制寄存器。该系统有5个中断源、2个中断优先级，能够实现2级中断嵌套，通过IP控制中断响应的先后顺序，每个中断响应都有各自的中断入口地址(向量地址)。中断的相关数据如下：表4.1 80C51中断号、中断源、中断向量中断号N中断源中断向量0外部中断00003H1定时器0000BH2外部中断10013H3定时器1001BH4串行口0023H单片机内集成定时电路，被称为定时器/计数器，定时器通过对系统的时钟脉冲进行计数实现定时功能，计数器对单片机外部引脚输入的脉冲进行计数。单片机的定时类别有三种：软件定时、硬件定时、可编程定时器定时。其中最常用的就是软件定时，在计算机高级语言编程中经常应用，这种方式是通过循环程序19实现延时，无需添加任何硬件，但该方式长期占用CPU。4.3 LED显示电路 LED显示屏分为共阴极和共阳极，本设的采用的是共阳极数码管，74HC245和74LS138作为段驱动和位驱动来驱动LED动态显示心率计数结果。图4.3 LED数码显示器 共阳极数码管内部将8个发光的二极管的阳极全部连在一起，称之为“阳极”，而它们的阴极是独立的。当给数码管的任一个阴极添加低电平，对应的发光二极管点亮。LED显示器的显示方法有静态显示和动态显示两种方式，其中动态显示应用的较为广泛，本设计采用的便是动态显示。所谓的动态扫描显示，简言之就是轮流的向数码管的段选端和位选端传送指令，通过控制轮流扫描的速度可以实现依次显示每个位上字型码，又可以实现“同时”显示所有位上字形码。本设计采用“同时”显示字形码的方法：利用发光管的余晖效应和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时显示，而实际上多位数码管是一位一位轮流显示的，只是将轮流扫描的速度设定的足够快，这样给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会出现闪烁的感觉。第5章 电路仿真1. 前置放大电路仿真图4.4 前置放大电路仿真2. 低通滤波电路仿真图4.5 低通滤波电路仿真3. 后置放大电路仿真图4.6 后置放大电路仿真4. 波形转换电路仿真图4.7 波形转换电路仿真5. 单片机仿真图4.8 单片机仿真第6章 结果分析本设计对采集到的信号进行一系列的信号处理和基于单片机的定时计数，从而测出人体的心率，并在数码管上显示出来。设计一共分为六大模块：一、传感器模块利用光电三极管发出红外光，透过人体手指指尖，在另一侧利用光敏二极管接收人体信号，它是近似于正弦波形。二、前置放大电路模块利用同相输入运算放大器实现对源信号的一个低倍放大功能，方便对信号的后续处理。三、滤波电路模块利用二阶压控有源滤波器设计一个低通滤波器实现对微弱低频信号的滤波处理，去除其它高频率的噪声干扰，特别是50Hz的工频市电干扰。四、后置放大电路模块则对滤波处理得到的有用信号进行放大。虽然前置放大电路已经将信号进行放大，但信号仍然比较微弱，因此需要进行放大。后置放大的倍数一般较大。五、555定时器模块则是利用555定时器构成反向施密特放大器实现正弦波信号到方波信号的转换。六、单片机模块则利用P3.2(外部中断0)输入转换后的方波信号，利用C编程实现定时器/计数器的定时功能，利用外部中断函数实现计数外部脉冲，利用动态扫描的方式实现计数的显示。在进行心率的测量过程，由于手指抖动、周围环境等的影响使得测量的心率值并不准确，另外通过仔细的研究和讨论，设计的算法还存在一定的问题。总之，设计的心率计可以实现心率的检测与显示，但存在一些误差，系统也很不稳定，有待于进一步改进。第7章 心得感悟课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于教材管理系统，其程序是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感谢老师的教导。第8章 参考文献1陈春晓.无仓，血管功能测试诊断仪的研究.生物医学工程学，2003，1(15)，332周学军，韩香娥.心电信号数字滤波器的设计.应用光学，2009,3(30)，30-313何希才，薛永毅.传感器及其应用实力.北京:机械工业出版社，2004:52-534李刚，林凌.生物医学电子学.北京：北京航空航天大学出版社，2004:320-3235宋浩，田丰.单片机原理应用.北京：清华大学出版社，2005:225-2266纪宗南.仪表放大器及其应用（六）低功耗仪表放大器的应用.国外电子元器件，1998,32-357张齐，朱宁西，毕盛.单片机原理与镶入式系统设计.北京：电子工业出版社，2011:3-48郭天祥.51单片机C语言教程（入门、提高、开发、拓展全攻略）.北京：电子工业出版社，2008:10-119李群芳，肖看，张士军.单片微型计算机与接口技术.第4版.北京：电子工业出版社，2011:24-2510陈海宴.51单片机原理及应用（基于Keil和Proteus）.北京：北京航空航天大学出版社，2010:20-98附录1、 总电路仿真图图1.1 总电路仿真图2、 源程序#includereg52.hunsigned long freq,freq_last;unsigned long period;Unsigned char code duan=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;unsigned char code wei=0X00,0X01,0X02;int timercount=0,time_c