心搏跟踪记录仪设计.doc

I 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 心搏跟踪记录仪设计心搏跟踪记录仪设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2012013 3 06 24 201 06 24 2013 3 07 07 1212 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 本科生课程设计 论文 III 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 心搏跟踪记录仪设计 课程设计 论文 任务 由 1 只压力 或声音 传感器来记录心脏搏动情况 代替心电图实现对病人病情的分 析 每秒采样 10 次 心搏记录时间达 10 分钟 设计任务 设计任务 1 CPU 最小系统设计 包括 CPU 选择 晶振电路 复位电路 2 心搏测量传感器选择及信号放大电路设计 3 10 分钟心搏记录 RAM 选择与设计 4 程序流程图设计及程序编写 技术参数 技术参数 1 噪声测量范围 30 130dB 2 工作电源 220V 设计要求设计要求 1 分析系统功能 尽可能降低成本 选择合适的单片机 传感器及模拟量输入电路等 2 应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图 3 按规定格式 撰写 打印设计说明书一份 其中程序开发要有详细的软件设计说明 详细阐述系统的工作过程 字数应在 4000 字以上 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 3 4 天 CPU 最小系统设计 第 5 天 心搏测量传感器及信号放大电路设计 第 6 天10 分钟心搏记录 RAM 选择与设计 第 7 天 程序流程图设计 第 8 天 软件编写与调试 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 IV 摘 要 随着社会的发展与进步 我们的生活节奏也越来越快 面对每天繁忙的工作 生活 我们不一定能像以前那样定期抽出时间去为自己身体做一次体检 而事实 上我们身体承受的负荷却越来越大 相比于以前我们需要给自己的身体以更多的 关注 甚至是时刻了解它的健康状况 身体的健康与否在很多方面都会有所体现 比如一个人的心率值就基本能反映一个人心脏是否正常工作的 大家都知道心脏 是我们人体中最重要的器官之一 使我们生命的源动力 所以我们能时刻了解它 的状态是很重要的 由于我们平时不一定总是能抽出时间去做体检 所以我们需 要一个简单的 便于操作的 可靠性高的心搏跟踪记录仪来帮助我们在短时间内 测到我们的心率值 让我们能及时了解到我们现在心脏以及身体的状态 关键词 心率值 便于操作 可靠性高 心搏跟踪 本科生课程设计 论文 V 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 心搏跟踪记录仪概况 1 1 2 本文研究内容 1 第 2 章 CPU 最小系统设计 2 2 1 心律跟踪记录仪总体设计方案 2 2 2 CPU 的选择 3 2 3 数据存储器扩展 3 2 4 复位电路设计 4 2 5 时钟电路设计 5 2 6 CPU 最小系统图 6 第 3 章 心搏跟踪记录仪输入输出接口电路设计 7 3 1 心搏跟踪记录仪传感器的选择 7 3 2 A D 转换器选择 7 3 3 信号采集电路 8 3 4 信号比较电路 9 3 5 A D 转换电路 9 3 6 显示电路 10 3 7 系统总体设计原理图 11 第 4 章 心搏跟踪记录仪软件设计 13 4 1 主程序与中断程序流程图 13 4 2 测量程序清单 14 4 3 中断服务子程序设计 14 第 5 章 课程设计总结 17 参考文献 18 本科生课程设计 论文 0 第 1 章 绪论 1 1 心搏跟踪记录仪概况 在社会飞速发展的今天 人们的物质文化生活得到了极大的提高 但同时多 种疾病威胁着人们的生命 而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病 所以健康也被越来越多的人所重视 本设计要解决的问题就是可以测量心率 预 防心脏病等心脏方面疾病的心搏跟踪记录仪 心搏是人体的一项重要生理参数 在现代医学中 心搏对于血液循环和心脏 功能领域的研究具有重要意义 通过测量人的心搏 便可初步判断人的健康状况 随着人们生活水平的提高 地球环境遭到破坏 多种疾病威胁着人们的生命 而 心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病 因此 心搏跟踪记录仪很快产 生 并得到发展 随着单片机技术的发展 人们的生活节奏加快 设计一种以使 用方便为前提 能够快速测出人心搏的心搏跟踪记录仪 不仅是临床者的欲求 也是体育训练者和外出旅游者的需求 因此 心搏跟踪记录仪有着广阔的市场前 景 心搏跟踪记录仪是医学中用来测量人体心率的装置 高精度心搏跟踪记录仪 的研究开发历来是医学仪器领域的一项重要课题 1 2 本文研究内容 本文阐述了基于单片机设计的心率计的设计原理与实现方法 以AT89C51单 片机为基础 实现了心率计的各种功能 文中详细地描述了心率计的设计过程 包括 取样电路 放大电路 比较电路 A D转换电路和单片机处理电路和显示 电路 同时还提出了基于单片机的编码 译码程序设计流程图 第一步 对本论 文的选题的目的和意义以及论文的结构进行了阐述 第二步 介绍了系统整体方 案的设计与原理总图 简要的介绍了设计的原理和框图介绍 第三步 详细介绍 了系统所需的主要元器件和详细介绍了单片机最小系统 对取样电路 放大电路 比较电路 A D转换电路和单片机处理电路和显示电路进行了设计 第四步 在 硬件设计的基础上 阐述了对软件的设计并介绍了程序计算方法 给出了程序主 程序和子程序 第五步 总结本文的研究工作 本科生课程设计 论文 1 第 2 章 CPU 最小系统设计 2 1 心律跟踪记录仪总体设计方案 图 2 1 过程原理框图 各模块功能 要实现对脉搏的测量 首先要用传感器模块测量得到脉搏信号 信号得到后 因为原始信号比较微弱 需要用放大器模块将其放大到一个合 适的幅度 放大后的信号中会夹杂有各种噪声 因此需要经过滤波器模块对其进行滤波 处理 以消除噪声 提高信号信噪比 为使信号能够在计数器中实现计数 需要对信号进行整形电路模块处理 将 信号由一个不规则信号整理为可用于计数的方波或脉冲信号 信号经过整形后 由于设计要求实现在短时间内测量一分钟心率的功能 需 要在计数前对信号通过倍频器模块进行倍频处理 以实现上述功能 经过之前一系列处理后 信号将进入计数器模块进行计数 其中计数器需要 用相应的定时器模块配合完成该步骤 定时器模块同样要实现短时间内测量一分 本科生课程设计 论文 2 钟心率的功能 计数器模块输出的信号是可用于显示器模块显示的七位BCD码 将其连入显 示器模块显示 同时将该信号送入比较器模块中与预设的数值进行比较 当测量 值在预设范围之外时将通过报警模块电路进行LED灯报警 表示所测得的心率超 出正常范围 2 2 CPU 的选择 AT89C51单片机是一种低功耗 高性能 包含4KB的闪速存储器 Flash Memory 的8位CMOS微控制器 这种器件系以ATMEL高密度不挥发的存储技术制造 与工业标准MCS51指令系统和引脚完全兼容 片内闪速存储器的程序代码或数据 可在线写入 也看通过常规的编程器编程 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 89C51 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 0 P1 0 P1 0 P1 0 RESET RXD P3 0 TXD P3 1 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 PSEN ALE PROG EA VPP VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 图 2 2 AT89C51 引脚图 2 3 数据存储器扩展 89C51单片机共有4个8位并行I O口 这些I O口一般是不能完全提供给用户 本科生课程设计 论文 3 使用的 在外部扩展存储器时 提供给用户使用的I O口只有P1 P3的部分口线 因此在大部分的89C51单片机应用系统中都不可避免地要进行I O口的扩展 本设 计中我们通过74LS373进行扩展 74LS373是一种带三态门的8D锁存器 其管脚示 意图如下图2 3a所示 其中D0 D7为8个输入端 Q0 Q7为8个输入端 LE为数据打 入端 当LE为 1 时 锁存器输出状态同输入状态 当LE 0 时 数据打入端 锁存器 为输出允许端 当 0时 三态门打开 1时 三态门关闭 OEOEOE 输出高祖 常用的接口芯片 6116可编程通用并行接口 HM6116有11条地址线 A0 A10 8条数据线 I O1 I O8 1条电源线 1条接地线GND和3条控制线 片 选信号CE 写允许信号WE和输出允许信号OE 这3个控制信号的组合控制HM6116 芯片的工作方式 6116的引脚如下图2 3b所示 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 74LS373 图 2 3a 74LS373 引脚图 图 2 3b 6116 的引脚图 2 4 复位电路设计 复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态 并从这上状态开始工作 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行出现 错误或操作错误使系统处于死锁状态时 为了摆脱困境 也需 按复位电路以重 新启动 复位电路包括上电复位 按键电平复位 按键脉冲复位 本设计中采用 按键电平复位 按键电平复位是通过是复位端经过电阻与VCC电源接通而实现的 如下图 复位信号及其产生 RST引脚是复位信号的输入端 复位信号时高电平 本科生课程设计 论文 4 有效 其有效时间持续24个振荡脉冲周期 即2个机器周期 以上 6 2k C 10 p VC C RESET 200 VCC 图 2 4 复位电路 2 5 时钟电路设计 时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个33pF的瓷片电容组成 时钟电路产 生单片机工作所需要的时钟信号 而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相 互关系 单片机本身就如一个复杂的同步时序电路 为了保证同步工作方式的实 现 电路应在唯一的时钟信号控制下严格工作 振荡电路产生的振荡脉冲并不直 接使用 而是经分频后再为系统所用振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信 号 在二分频的基础上再三分频产生ALE信号 再二分频的的基础上再六分频得 到机器周期信号 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器 其输入端为芯片引 脚XTAL1 输出端为引脚XTAL2 在芯片外部通过两个引脚跨接晶体振荡器和微调 电容 形成反馈电路 就构成了一个稳定的自激振荡器 如图2 5所示 Y1 12MHz C133pF C233pFGND XTAL1 XTAL2 图 2 5 时钟电路 本科生课程设计 论文 5 2 6 CPU 最小系统图 由前几节介绍的基本器件和简单电路 所形成的CPU最小系统如图所示 图 2 6 CPU 最小系统 本科生课程设计 论文 6 第 3 章 心搏跟踪记录仪输入输出接口电路设计 3 1 心搏跟踪记录仪传感器的选择 通过搜集大量压力传感器信息进行综合比对 飞思卡尔的MPX2050D压阻式硅 压力传感器能够满足要求 其主要特点如 压力范围0到50kPa 温度补偿范围0 到 85 独有的硅切应力应变片 提供编带式或卷轴式出货封装选项 由于人的血压差范围大致为40mmHg 50mmHg 即5 3kPa 6 7kPa 根据传感器 灵敏度为0 8mV kPa知 输出电压变化范围为4 24mV 5 36mV 再考虑人的最高血 压为200mmHg 即26 7kPa 则最大输出电压为21 36mV 各项指标均满足设计要 求 图 3 1 传感器外形图与示意图 3 2 A D 转换器选择 ADC0809是4位双积分A D转换芯片 可以转换输出 20000个数字量 有STB选 通控制的BCD码输出 与微机接口十分方便 ADC0809具有精度高 相当于14位A D转 换 价格低的优点 其转换速度与时钟频率相关 每个转换周期均有 自校准 调零 正向积分 被测模拟电压积分 反向积分 基准电压积分 和过零检测四个阶段组 成 其中自校准时间为10001个脉冲 正向积分时间为10000个脉冲 反向积分直至 本科生课程设计 论文 7 电压到零为止 最大不超过20001个脉冲 ADC0809为DIP28封装 芯片引脚排列如 图3 2所示 图 3 2 芯片 ADC0809 引脚图 3 3 信号采集电路 信号采集电路如图4 2所示 D1与Vb组成压力传感器 因传压力感器输出的 点脉冲信号时非常微弱的信号 而且频率很低 如脉搏50次 分钟为0 78Hz 200 次 分钟为3 33Hz 并且还伴有各种噪声干扰 故该信号要经过R3 C1低通滤 波 去除高频干扰 当传感器检测到较强的干扰时 其输出端的直流电压信号会 有很大变化 本科生课程设计 论文 8 图3 3 信号采集电路 3 4 信号比较电路 电压比较器是一种常用的集成电路 它可用于报警器电路 自动控制电路 测量技术 也可用于V F 变换电路 A D 变换电路 高速采样电路 电源电压监 测电路 振荡器及压控振荡器电路 过零检测电路等 我们主要介绍其基本概念 工作原理及典型工作电路 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小并判断出其 中哪一个电压高 如图3 4 所示 图3 4 电压比较器 3 5 A D 转换电路 A D 转换电路如图 3 5 所示 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入 地址锁存器中 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将 逐次逼近寄存器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转 换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果 数据已存入锁存器 这个信号可用作中断申请 当 OE 输入高电平 时 输出三态 门打开 转换结果的数字量输出到数据总线上 本科生课程设计 论文 9 图 3 5 A D 转换器连线图 3 6 显示电路 LED采用3位8段加提示符的液晶显示模块LCM046 3 4线串行接口 低功耗特 性 显示状态功耗为50Ua 省电模式下 1uA 工作电压2 7V 5 2V 视角对比度可 调 显示清晰 稳定可靠 可加背光 AT89C51通过P0 0 P0 7与LED连接 图3 6 为显示电路 本科生课程设计 论文 10 图3 6 显示电路 3 7 系统总体设计原理图 心搏跟踪记录仪的总体电路如图 3 7 所示 主要包括取样整型电路 单片机 处理电路和显示电路 本科生课程设计 论文 11 30pF 8pF 1M 2 3 6 47 1 8 5 U0 Vb VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 JP1 VCC S1 10u C VCC P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 AT89S52 10K R 103 C12 103 C13 12 Y1 XTAL VCC A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 D1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P10 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 D2 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P11 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 D3 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P12 P11 P12 P13 10u C210u C1 1 5K R4 1 5K R3 2 3 6 47 1 8 5 U0 1 5K R2 1 5K R1 VCC 10u C3 1M R5 1 5K R6 VCC R CV TR VCC Q DC THGND 555 1M R7 1M R8 0 01uF C5 0 01uF C4 VCC 100u C6 D1 D2 1N4007 1N4007 100u C7 2 3 6 47 1 8 5 U0 1M R9 1 5K R10 VCC VCC VCC A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 D4 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P13 3 3 4 4 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLK 10 VCC 11 VREF 12 GND 13 D1 14 D2 15 VREF 16 D0 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 ALE 22 ADD C 23 ADD B 24 ADD A 25 IN0 26 IN1 27 IN2 28 U ADC0809CCV 5 5 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 VCC P3 2 P3 7 P3 6 104 C20 基于单片机设计的数字心率计的设计与实现 学院 电气学院 姓名 顾维杰 指导教师 高娜 专业班级 电信06 1班 学号 310608030105 日期 2010年6月 图3 7 系统原理总图 本科生课程设计 论文 12 第 4 章 心搏跟踪记录仪软件设计 4 1 主程序与中断程序流程图 心搏跟踪记录仪测量程序设计由两部分构成 前半段实现初始化 包括定 时器 计数器的初始化 设置堆栈指针以及开中断等 程序的后半段则是启动两个 定时器 计数器以及调用显示子程序和语音播报子程序来完成心率值的显示和语音 播报 心搏跟踪记录仪测量的程序设计流程图如图 4 1 所示 图 4 1 程序设计流程图 开 始 定时器 计数器初始化 显 示 缓 冲 区 清 零 设 置 堆 栈 指 针 开 中 断 启动CTCO CTC1 显示 心率值 语音播报心率值 结束 本科生课程设计 论文 13 4 2 测量程序清单 rate steb et0 允许中断 steb ea steb tr0 steb tr1 pctc mov th0 15h 定时器 计数器 0 定时 60ms mov tl0 0a0h mov th1 00h mov tl1 00h mov tmod 51h 定时器 计数器 0 定时 工作方式 1 定时器 计数器 1 计数 工作方式 1 mov 7fh 0ah oah 10 10 60ms 0 6s lcall dis int 调用显示子程序 lcall playl 调用语音播报子程序 ret 4 3 中断服务子程序设计 中断服务子程序主要有以下三大功能 1 实现 0 6S 定时 初始化中设定定时器 计数器 0 用作定时 定时时间为 60ms 同时用内存单元 7EH 7FH 配合做计数器 设 7EH 7FH 单元的初始值为 0AH 相当于十进制数 10 每进入一次中断 将 7EH 7FH 单元内容减 1 减 为 0 时为 0 6s 到 60ms 乘以 10 0 6 2 满 0 6s 后 读定时器 计数器 1 中 TL1 的值 每分钟脉搏跳动的次数一般 不会超过 255 次 即为每分钟脉搏跳动值 为了提高测量的准确性 本设计中 采用测三次求平均的方法来获取心率值 这就需要我们定义一个寄存器 R1 的值 为 3 每过一个 0 6s R1 的值减 1 并将 TL1 中的值与上一次测量值 A 中的值相 加 当 R1 的值为 0 时 A 中的值就是三次的测量总值 将其值除以 3 就得到了 心率值 初始化时将定时器 计数器 1 设置为计数器工作方式 3 将 A 计得的二进制数转换成十进制数 并将之送至显示缓冲区 其中百位 数置 60H 单元 十位数和个位数置 61H 单元 以使显示子程序实现每 0 6s 脉搏 本科生课程设计 论文 14 跳动次数显示 其中单字节二进制数转换成十进制数的设计思路是 将该二进制 数先除以 100 64H 后在将余数除以 10 0AH 即可依次得十进制数的百位 十位和个位 中断服务子程序的程序流程图如图 4 3 所示 图 4 3 中断服务子程序的程序流程图 中断服务子程序 Ctco push dph push dpl push acc CTC0重装初值 7FH 单元内容值0AH 7FH单元构成的计数器 内容减1 判断 7FH的内容是否为0 判断R1的内容是否为0 读TL1的内容 TL1中的值与A中 的值相加 数据转换 将十进制 数数字显示 调用语音播报子程序 返回主程序 是 是 否 否 R1的内容减1 本科生课程设计 论文 15 mov th0 15h mov tl0