【毕业设计】项目教学法的应用——快速心率测试仪的设计

项目教学法的应用快速心率测试仪的设计摘要跨专业课程又称为项目教学法，它是通过“项目”的形式进行教学。为了使学生在解决问题中习惯于一个完整的方式，所设置的“项目”包含多门课程的知识。项目教学法就是在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生自己处理信息的收集，方案的设计,项目实施及最终评价,都由学生自己负责,学生通过该项目的进行,了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。心率是指单位时间内心脏跳动的次数,一般指每分钟的心跳次数,是临床常规检查的生理指标。心率监测系统在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。在医学上，通过测量人的心率，便可初步判断人的健康状况。本课题设计完成了一个基于51单片机的心率监测系统。系统以AT89C51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应心跳脉冲，单片机通过脉冲累加得到心脏跳动次数，在数码管上显示心跳次数和时间。系统实现了心率的实时监测与显示、定时测量以及报警提醒等功能。实验结果表明，系统工作正常，测量灵敏度高，实现了设计功能。关键词项目教学法，AT89C52单片机，光电传感器THEAPPLICATIONOFPROJECTTEACHINGTHEDESIGNOFTHERAPIDHEARTRATETESTERABSTRACTCROSSMAJORCOURSE,ALSOKNOWNASPROJECTTEACHINGMETHOD,ITISTHROUGHTHE“PROJECT“INTHEFORMOFTEACHINGINORDERTOMAKESTUDENTSINPROBLEMSOLVINGISUSEDTOAWHOLEWAY,SETUPBYTHE“PROJECT“INCLUDEDINFORMATIONONMANYSUBJECTSPROJECTTEACHINGMETHODISUNDERTHEGUIDANCEOFTHETEACHER,ISARELATIVELYINDEPENDENTPROJECTSREFERTOTHESTUDENTTHECOLLECTIONOFINFORMATION,SCHEMEDESIGN,PROJECTIMPLEMENTATIONANDFINALEVALUATION,ISRESPONSIBLEBYTHESTUDENTSTHEMSELVES,STUDENTSTHROUGHTHEPROJECT,UNDERSTANDANDGRASPTHEWHOLEPROCESSANDTHEBASICREQUIREMENTSINEVERYASPECTHEARTRATEGENERALLYREFERSTOTHENUMBEROFHEARTBEATSPERMINUTEITISONEOFTHEPHYSIOLOGICALINDEXESINCLINICALROUTINEEXAMINATIONTHEHEARTRATEMONITORINGSYSTEMHASBEENWIDELYUSEDINOURDAILYLIFEINMEDICINE,ITCANPRELIMINARILYDETERMINETHEHEALTHSTATUSBYMEASURINGHEARTRATETHISPAPERPROPOSESANEWSYSTEMBASEDONASINGLECHIPMICROCOMPUTERANDTWOSENSORSOFANINFRAREDLIGHTEMITTINGDIODEANDAPHOTOTRANSISTORTHESENSORSDETECTHEARTBEATINGANDTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERGETSTHEFREQUENCYBYACCUMULATINGTHETIMESOFHEARTBEATINGTHETIMEISOBTAINEDBYTHEINNERTIMEROFTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERTHISSYSTEMCANNOTONLYDISPLAYTHEHEARTRATE,THETESTTIMEONLINE,BUTALSOGIVEALARMINGASAREMINDINGWHENTHEHEARTRATEISNOTNORMALTHETESTRESULTSHOWSTHATTHESYSTEMWORKSWELLWITHHIGHSENSITIVITYANDSHORTDELAYITHASREALIZEDTHEFUNCTIONSOFDESIGNKEYWORDSHEARTINGRATEMONITORING，AT89C52SINGLECHIPMICROCOMPUTER，PHOTOELECTRICSENSOR目录摘要IABSTRACTII1概述111选题的背景和意义112心率测量仪的发展与应用12心率测量仪系统结构321心率测量仪的结构322工作原理323心率测量仪的特点43硬件系统531控制器5311AT89S52简介5312AT89S52的特点5313AT89S52的结构5314时钟电路8315复位电路832心率信号采集9321光电传感器的原理9322光电传感器的结构9323光电传感器检测原理10324信号采集电路1033信号放大1134信号比较电路1335显示电路1336抗干扰措施14361环境光对心率传感器测量的影响14362电磁干扰对心率传感器的影响15363测量过程中运动噪声的影响154软件系统1641主程序流程1642定时器中断程序流程1743INT中断程序流程1844显示程序流程1845蜂鸣器报警流程1946软件小结205目教学法的应用2151问题描述21511设计快速心率测试仪要求21512任务要求21513原理图2152计划与决策22521传感器的选择与论证22522信号处理方案选择和论证23523单片机系统选择24524显示模块选择和论证24525程序流程系统2553实施25531要完成的任务25532输入、输出的说明25533输入、输出连接图25534开关的连接26535编写程序2654检查2655评估27551文献整理和演示27252展示工作成果及解决方案2756后续任务276总结和展望28致谢29参考文献30附录32附录33附录341概述11选题的背景和意义论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。脉心率携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著脉经问世以来，脉学理诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。但由于中医是靠手指获取心率信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断1。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟心率数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据心率的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高心率测量的精确与速度，多种心率测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。早在1860年VIERORDT创建了第一台杠杆式心率描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将心率仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成,脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设计2。目前心率测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的心率测量仪。12心率测量仪的发展与应用随着科学技术的发展，心率测量技术也越来越先进，对心率的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的心率测量仪，而其中关键是对心率传感器的研究。起初用于体育测量的心率测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确3。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成心率的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、心率检测的精确度低等缺点。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。其中光电式心率传感器是根据光电容积法制成的心率传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出心率信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式心率传感器所研制的心率测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为心率波4。从心率波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。心率波所呈现出的形态波形、强度波幅、速率波速和节律周期等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对心率波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景5。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,心率波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。2心率测量仪系统结构心率测量仪的设计，必须是通过采集人体心率变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的心率变化，最后要得出每分钟的心率次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个系统的设计思路，本课题就此开始实施。21心率测量仪的结构心率测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测心率跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、液晶显示、电源等部分。（1）光电传感器即将非电量红外光转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系通常是线性关系转换成便于测量的物理量如电压、电流或频率等输出。（2）信号处理即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路包括放大、滤波、整形等。（3）单片机电路即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括AT89S52、外部晶振、外部中断等）。（4）液晶显示即把单片机计算得出的结果用LCD1602来显示，便于直接准确无误的读出数据。（5）电源即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V的直流的稳压电源。22工作原理本设计采用单片机AT89S52为控制核心，实现心率测量仪的基本测量功能。心率测量仪硬件框图如下图21所示图21心率测量仪的工作原理当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到液晶显示。23心率测量仪的特点与传统的心率测量仪相比，心率测量仪具有以下特点（1）测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外。（2）传感器可重复使用且速度快，精度高。（3）测试的适用电压为5V直流电压。（4）稳定性好、磨损小、寿命长、维修方便。（5）由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越（6）测量的有效范围为60次120次/分钟。3硬件系统31控制器本系统基于52系列单片机来实现，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。311AT89S52简介AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128BYTES的随机存取数据存储器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器CPU和FLASH存储单元，功能强大AT89S52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。312AT89S52的特点与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节可重擦写FLASH闪速存储器1000次擦写周期1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式313AT89S52的结构此次设计所使用的AT89S52的封装形式是DIP40。如图31所示。图31AT89S52的封装形式引脚功能VCC电源电压GND接地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。PL口P1是个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电萌。P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用，每一位功能定义如表31所示表31P3口的第二功能端口引脚第二功能P30RXD串行输入口P31TXD串行输出口P32INTO外中断0P33INT1外中断1P34TO定时/计数器0P35T1定时/计数器1P36WR外部数据存储器写选通P37RD外部数据存储器读选通RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令或数据时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EAVPPEA0，单片机只访问外部程序存储器。EA1，单片机访问内部程序存储器。XTALI振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。314时钟电路AT89S52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，所以实际构成的振荡时钟电路，外接晶振以及电容C7和C10构成了并联谐振电路接在放大器的反馈回路中，对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。晶振的频率可在12MHZ12MHZ之间任选，电容C7和C10的典型值在20PF100PF之间选择，由于本系统用到定时器，为了方便计算，采用了12M的晶振，采用电容选择30PF，时钟电路如图32所示。图32时钟电路315复位电路AT89S52的复位输入引脚RST为单片机提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在AT89S52的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作，只要RST保持高电平，则AT89S52循环复位，只有当RET由高电平变成低电平以后，AT89S52才从0000H地址开始执行程序，本系统采用按键复位方式的复位电路。复位电路如图33所示。图33复位电路32心率信号采集目前心率波检测系统有以下几种检测方法光电容积心率波法、液体耦合腔心率传感器、压阻式心率传感器以及应变式心率传感器。近年来,光电检测技术在临床医学应用中发展很快,这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰,具有很高的绝缘性,且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点6。用光电法提取指尖心率光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。321光电传感器的原理根据朗伯比尔LAMBERBEER定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征7。心率主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式心率传感器的测量部位通常在人体指尖。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的心率信号7。322光电传感器的结构传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用GAAS红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的心率波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出来。光电式心率传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种8。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器,实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。323光电传感器检测原理检测原理是随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显5。因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的,于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示9，即可实时的测出心率的次数。324信号采集电路图34是心率信号的采集电路，D1，D3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R6阻值的选取要求较高。R6选择330同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R6过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有心率和无心率时的信号。反之，R6过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有心率和无心率时的信号。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，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C2耦合电容把它隔断10。当手指处于测量位置时，会出现二种情况一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的心率时，血脉使手指透光性变差，红外接收三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，如当心率只有为50次/分钟时，只有078HZ，200次/分钟时也只有333HZ，信号首先经C6滤除高频干扰，再由耦合电容C2加到线性放大输入端。图34信号采集电路33信号放大由于人体的心率通常为50200次/分钟，对应的频率范围在083HZ333HZ之间，因此经红外检测采集到并转换得到的电信号频率就非常低。为了防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波，以便滤出绝大部分的高频干扰。而且心率仪所使用的地点不能保证是阴暗的室内，所以要考虑到强光对其测量的干扰。此外，低频信号需要经过多倍放大和整形，才能被主控模块所接受和处理。信号转换模块会使用到LM358运算放大器。主要参数和特性如下LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。3特性FEATURES内部频率补偿直流电压增益高约100DB单位增益频带宽约1MHZ电源电压范围宽单电源330V双电源1515V低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大0至VCC15V4表32LM358引脚功能说明电阻参数（K）直流电压参数（V）引脚序号英文缩写集成电路引脚功能正笔接地负笔接地有信号无信号1AMPOUT1放大信号（1）输出17765652IN1反向信号（1）输入197565653IN1同向信号（1）输入494963634GND接地00005IN2反向信号（2）输入494963636IN2同向信号（2）输入58864647AMPOUT2放大信号（2）输出186964648VCC电源电压12V0430431212如图35所示，R3与R8的电阻之比为放大器的放大倍数，经过计算所得该放大器的理论值为200倍，但由于8号接口上5V供压不足再加上材料限制和人为的因素，该放大倍数只有20倍左右。图中C7为耦合电容，作用为隔直流通交流，之所以使用1UF的电容，是为了让所有的信号通过。信号放大电路仿真图如图35所示。图35信号放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得31放大倍数为32截止频率为33按人体的心率跳动为200次/分钟时的频率是33HZ考虑，低频特性是令人满意的经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。34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，接到的信号电压小于该值时显示0V，当大于该值时显示5V，这就形成了0和5V的方波。如图36所示。图36电压比较器35显示电路1602字符型液晶显示模块是工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符，专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。本设计采用16列2行的字符型LCD1602带背光的液晶显示屏。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，显示时模块把地址中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到相应的字母。因为1602识别的是ASCII码，所以可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效8。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）存储了160个不同的点阵字符图形。这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。液晶显示电路液晶的8个数据端口和52单片机的P0口相连用于数据的传输。在显示电路图37显示电路原理图37中可以看到，液晶显示器的控制端口RS，WR，和EN分别与单片机的P25，P26，P27相连，便于单片机对液晶的初始化和读写操作。P01GNDVC2O3RS4W5E6B79L位图37LCD1602液晶显示电路36抗干扰措施为了提高测量仪的精确度，系统首先要解决的是硬件方面的干扰问题。光电式心率测量仪的测量过程中，前端测量到的心率信号十分微弱，容易受到外界环境干扰，其中主要的干扰源有测量环境光干扰、电磁干扰、测量运动噪声。361环境光对心率传感器测量的影响在光电式心率传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含心率信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰13。测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对心率信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。加上指套式外壳后的心率传感器测量到的心率波形比较平滑。这是因为加指套式的心率传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响，而且能够有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的心率信号较为稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的体现出心率波形的特征。362电磁干扰对心率传感器的影响通过光电转换得到的包含心率信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，在传统的光电式心率传感器电路中，由于光敏器件和放大电路是分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰14。本系统采用了新型的光敏器件，在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始心率信号的干扰。工频干扰是电路中最常见的干扰，心率信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证心率信号测量精度的主要措施之一。通常心率信号的频率范围在0330HZ之间，小于工频50HZ，因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰，在心率信号数据采集后，可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰15。363测量过程中运动噪声的影响测量过程当中，通常情况下手指和光电式心率传感器可能产生相对的运动，这样对心率测量产生误差，可以通过2个方面减少运动噪声误差一是改善指套式传感器的机械抗运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二是从心率信号处理的角度，通过算法来减小误差。对于传感器的设计，现在采用的主要是第一个途径。4软件系统硬件电路设计完成以后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。41主程序流程主流程如图41所示。开始系统初始化P32是否为下降沿心率测量子程序LCD显示NY显示结果是否大于120或小于60LCD显示驱动蜂鸣器报警NY图41主程序流程图在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。把一个多功能的复杂的程序划分为若干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种子程序组成。各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，在具体需要时调用相应的模块即可。系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后,进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。42定时器中断程序流程定时器中断程序流程如图42所示。保存心率数继续计时YYY到1S到60S处于检测返回NN按键检测定时器初值设定图42定时器中断程序流程定时器中断服务程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判断等部分组成。当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1S计时到之后继续检测下1S，直到60S到了再停止并保存测得的心率次数。同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的心率次数。43INT中断程序流程INT中断程序流程如图43所示。外部中断服务程序完成对外部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲心率次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的心率次数。没有处于检测状态时，按下按键检测开始，进行心率数的累加。定时器中断0进入处于检测心率数1等待按键按下返回NY图43INT中断程序流程44显示程序流程在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。本设计的显示采用LCD数码管动态扫描来显示。动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。两个4位的共阳极LED数码管组成8位显示，其中0、1两位显示测量中的时间，3、4两位显示测量中的心率次数，6、7两位用来显示上次测量的数据。单片机的P0口控制显示字型，P2口控制显示字。显示程序包括显示上次的心率次数、本次测量中的时间和心率的次数。从中断程序中取得结果后，先显示上次的心率次数，经过10MS的延时后再显示测试中的心率次数，再经过10MS的延时显示测试中的时间。两个4位的共阳极LED数码管组成8位显示，其中0、1两位显示测量中的时间，3、4两位显示测量中的心率次数，6、7两位用来显示上次测量的数据。单片机的P0口控制显示字型，P2口控制显示字。显示程序流程如图44所示。取结果显示上次心率数延时显示测试中的时间延时显示子程序返回图44显示程序流程图45蜂鸣器报警流程根据对报警电路的分析，可通过对管脚的置位来控制蜂鸣器发出声音和关闭。当管脚为高电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电路形成回路，发出声音；当管脚为低电平时，三极管截止，这样蜂鸣器中无法形成电流回路，蜂鸣器不出声。因此，利用此原理可通过控制管脚来控制蜂鸣器是否响应报警。根据医学数据，人体心率正常在60到120之间，当数码管所显示的示数大于120或小于60时，蜂鸣器响应报警；示数大于120时小于60时，蜂鸣器不响。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率，驱动蜂鸣器工作。蜂鸣器报警流程如图45所示。重装初值扫描数码管上显示的数值蜂鸣器标志位是否置位拉响蜂鸣器YN定时器1中断输入返回图45蜂鸣器报警流程图46软件小结本章节主要是程序的编写，要想系统能正常的工作，除了要有合理的硬件之外还要有一个合理的软件系统。软件应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种子程序组成。程序采用C语言编写，可读性非常好。5目教学法的应用跨专业课程又称为项目教学法，它是通过“项目”的形式进行教学。为了使学生在解决问题中习惯于一个完整的方式，所设置的“项目”包含多门课程的知识。项目教学法就是在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生自己处理信息的收集，方案的设计,项目实施及最终评价,都由学生自己负责,学生通过该项目的进行,了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。项目教学法萌芽于欧洲的劳动教育思想，最早的雏形是18世纪欧洲的工读教育和19世纪美国的合作教育，经过发展到20世纪中后期逐渐趋于完善，并成为一种重要的理论思潮。项目教育模式是建立在工业社会、信息社会基础上的现代教育的一种形式，它以大生产和社会性的统一为内容，以将受教育者社会化，以使受教育者适应现代生产力和生产关系相统一的社会现实与发展为目的，即为社会培养实用型人才为直接目的的一种人才培养模式。51问题描述随着社会经济水平和人们的物质生活水平的不断提高，人们的生活方式和饮食结构发生着巨大变化。快节奏的生活方式和不良的饮食结构，使得现代的人们不得不面临着更大的健康威胁，高血压、冠心病、动脉硬化等各种各样的心血管疾病正不断威胁着人类。而这些疾病的早期监测，对疾病的防治和控制有着十分重要，正因为如此，需要设计出一款测量准确、简单易用，造价便宜的快速心率测试仪。511设计快速心率测试仪要求（1）本课题开发一款低功耗、便携式心率测试仪。（2）实时示被测者心率值，并显示。（3）用按键设显置正常心率的范围，超过这个范围，进行报警提示。512任务要求（1）题目为中心，收集相关专业资料。（2）52芯片实现对信号的处理、显示、报警等功能。（3）设计应具有准确读出心率，快速显示等功能。（4）依据需求可扩展实现按键可以设置报警上下限功能（5）运用PROTEUS进行仿真，实现心率用脉冲模拟，液晶显示心率（6）C语言实现软件相关功能。513原理图图51系统设计原理框图52计划与决策521传感器的选择与论证1压电式压电式传感器的检测方法是利用压力传感器或振动传感器将人体心率振动转换成电信号。常见的压力传感器可用现有的压电陶瓷代替。压电式元件的内阻极高，通常采用两片相同的元件，使其极性反向相叠，由夹在中间的铜片作为一个电极。这样，中央电极处于全空状态，可以用具有良好绝缘性的导线引出。此种方法的优点是传感器种类多，一般的传感器输出信号也比较大，对后面的放大电路要求不高。压电陶瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特点。2声电式声电式传感器的作用是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号。因此，它也属于力学量传感器。它的制作材料一般由不定性无烟煤颗粒或压电陶瓷构成。颗粒式声电传感器的优点是耐用、成本低和容易制作，缺点是颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化，从而导致杂音大、性能不稳定和非线性；而压电陶瓷式的声电传感器在检测声音信号时却存在着一定的缺陷。声电式检测方法是利用微音传感器将人体的振动的声音转换成电信号。此种方法的优点是作为传感器的微音传感器可利用现有的驻极体或电容式话筒，但其后面的电路要采取一定的措施将环境的声音干扰信号滤去。3光电式光电系统通常是指能敏感由紫外光到红外光的光能量，并将光能量转换成电信号的器件。通常用的光电器件有光电二极管和光电三极管。光电式传感器测量微小的位移变化有明显的效果，但是光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高1）吸收红外光的能力极强2）介电常数小，以便得到大的输出电压。3）介电损耗小。光电式检测方法是利用光电传感器检测人体内血液流动时对光的透过率或反射率不同而将其转换成电信号的方法。此种方法有两种方式一种是对射式，另一种是反射式。对射式是在一个大小合适的环的两侧各放一个发射管和一个接收管，测量时将人的手指伸到环中，由于手指中的血流量的变化而使光电接收管的光电流也随之变化，反射式是光电发射与光电接收都指向一个方向，当人体内的血流发生变化时其对光的反射率也随之变化，从而检测出心率。这种方法的优点是外界干扰信号小，但其最大的难点是传感器输出信号小，对后面的放大电路要求较高。此外，对于干扰变化强烈的信号，回路不宜调制，可视光电管的定向角不同，光轴也不宜把握。综上所述，从传感器的制作工艺、材料的选取、受外界的干扰信号的干扰程度和制作过程中前级电路的处理难易程度上考虑，就选用一对红外对射二极管实现。红外传感器的检测、放大、滤波和整型并传到单片机工作系统的过程。522信号处理方案选择和论证1小规模数字电路采用小规模数字电路也可完成此方案的基本功能,这种方案是采用一个二进制计数器，将处理后的脉波信号进行计数，在1分钟内将计数值显示。此方案的不足是电路结构复杂，实现一个相对简单一些的过程控制功能都要用好多片电路，且数字电路器件功能单一，一旦硬件电路定型就难以改动，尤其在题目要求中，要实现心率测量并显示，还要超限报警等等，则显得力不从心。2PLD可编程逻辑器件PLD突破了小规模数字电路功能单一的缺点，可以按照设计者设计分析出来的逻辑要求去编程定义，应用起来确实方便，设计也比较灵活。针对题目要求，该方案应该至少由传感器电路、闸门电路、计数器电路、数字锁存电路、显示电路、数据存储电路、PC接口电路七部分构成，在闸门信号允许时间内对被测信号计数，闸门宽度为单位时间。显然电路复杂，一旦涉及到数据处理、数据分析、数据记忆、数据通信等功能要求时，其实现难度可想而知。3单片机单片机的发展和应用大家有目共睹，其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点已经被默认。在科学计算、数据处理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、过程控制和仪表智能化、军事领域、多媒体系统和信息高速公路甚至家用电器和家庭自动化等方面都可以看到单片机的影子，可谓立下了汗马功劳。单片机内部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、总线甚至A/D及D/A转换电路，功能十分强大。许多在数字电路、模拟电路中的难题都在单片机的程序设计中得到了出乎意料的解决效果，通过对程序和外部少许电路的修改即可以改变整个设计系统的功能。可移植性和可维护性得到极大的改善。在数据分析、处理、记忆、通讯等方面表现相当出色。根据题目提出的要求，单片机控制当为首选。以单片机为主外设显示器、键盘、通讯、打印接口等硬件电路，完成脉波计数、数据运算、显示、通讯、记忆等功能。根据以上方案比较，本课题决定采用以红外传感器为传感器，以单片机为主控芯片外辅少量硬件电路完成数据处理、记忆、显示、通讯等功能。523单片机系统选择AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种高性能、低损耗、CMOS八位微处理器。AT89C2051与MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多新的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89S52可构成真正的单片机最小应用系统，增加系统可靠性，缩小系统体积，降低了系统成本。程序长度只要不大于4K，四个I/O口全部提供给用户。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。采用AT89S52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。比较以上方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用AT89S52。524显示模块选择和论证1液晶显示液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十MV；由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000HZ情况下，液晶透光率的改变只与外电压的有效值相关。液晶显示信息量大、长寿命、低压驱动等优点。2LED动态显示数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。数码管动态显示接口是单片机中应用最广泛的显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的八个显示笔划“A,B,C,D,E,F,G,DP“的同名端连起来，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机有字形码输出时，所有数码管都接收到相同的字形码。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象，实际上尽管数码管不是同时点亮，但只要扫描的速度很快，给人的印象就是稳定的显示数据，不会有感觉到闪烁，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。根据以上两种方案比较，液晶显示具有其独特的优越性，显示效果好，控制简单等优点。所以就选择液晶来实现显示功能。525程序流程系统开始系统初始化P32是否为下降沿心率测量子程序LCD显示NY显示结果是否大于120或小于60LCD显示驱动蜂鸣器报警NY图52程序流程图53实施531要完成的任务（1）完成整理系统所需要的元件或设备清单。（2）按照设计的最佳方案完成连线图。（3）开关的连线。（4）编写控制系统的控制编程。532输入、输出的说明（1）输入三个按键一个设置，一个加，一个减，按下设置的时候才可以加减。（2）设置正常心率的范围，超过这个范围，进行报警提示。533输入、输出连接图图53连接图534开关的连接图54开关电路图535编写程序请用上面出示的设计图作为基础，用功能图和电路图给系统进行程序编写，并选择最好的控制程序。54检查（1）用PROTEUS进行仿真。（2）投入使用并进行运行调试。（3）寻找错误并进行改进。图55仿真软件图55评估551文献整理和演示项目工作制定一个文献，有整理清单、功能图、电路图。252展示工作成果及解决方案（1）展示控制系统的运行结果。（2）解说工作原理。（3）回答老师提出的问题。56后续任务表51打分值说明1总是2经常3偶然4很少5从不表52评价表12345观察到的行为工作计划书实施业能力结果评价解