基于单片机的心率计设计毕业设计论文

1、基于单片机的心率计设计摘要心率是指单位时间内心脏搏动的次数，包含了许多重要的生理、病理信息，特别是与心脑血管相关的信息，是生物医学检测中一个重要的生理指标，也是临床常规诊断的生理指标；因此迅速准确地测量心率便显得尤为重要。随着医疗水平和人们生活水平的提高，快速、准确、便携式心率计便成为一种新的发展趋势，同时伴随着单片机技术的发展，基于单片机的便携式心率计便不失为一个好的选择。本心率计共有三大部分，分别为：传感器部分、信号处理部分、单片机控制部分。传感器部分采用光电式传感器实现对信号采集；信号处理部分则采用放大、滤波、波形变换等方法实现信号的有效处理；而单片机部分则实现对心率的计数和显示功能。通

2、过这三部分的有效组合初步实现对人体心率的一个有效计数。信号采集采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，实现信号的采集；信号放大则采用四运放运算放大器LM324,波形变换采用555定时器构成反向施密特触发器；单片机控制模块则采用AT89C51微处理器和相关元器件通过C语言编程实现计数和显示功能。关键词：心率，光电式传感器，信号处理,AT89C51DESIGNOFHEARTRATEMETERBASEDONMCUABSTRACTHeartrateisreferingtothenumberinunittimeoftheheartbeating,containsmanyimportantphysio

3、logicalandpathologicalinformation,especiallyinformationassociatedwithcardiovascular,biomedicaldetectionanimportantphysiologicalindexes,androutineclinicaldiagnosisofphysiologicalindexes;soquicklyandaccuratelymeasuringheartrateappearstobeparticularlyimportant.Withtheimprovementofmedicallevelandpeople&

4、#39;slivingstandards,rapid,accurateandportableheartratemeterhasbecomeanewtrend,accompaniedbythedevelopmentofSCMtechnology,willnotberegardedasagoodchoiceofmeterbasedonmicrocontrollerportableheartrate.Heartratemeterconsistsofthreeparts,respectively:sensorpart,signalprocessingpart,MCUcontrolpart.Partof

5、thesensorusingphotoelectricsensorachievedthesignalofthesignalacquisition;signalprocessingpartusestheamplification,filtering,waveformtransformmethodtoeffectivelydealwith;andpartofSCMistoachievecountingonheartrateanddisplayfunction.Throughtheeffectivecombinationofthesethreeparts,aneffectivecountofhuma

6、nheartrateisrealized.Signalswerecollectedusingphotoelectricsensorthroughthemonitoringofthedegreeoflightattheendofafinger,torealizethesignalacquisition;signalamplificationfouroperationalamplifierLM324operationalamplifierisused,thewaveformtransformthe555timerconstitutereverseSchmitttrigger;MCUcontrolm

7、oduleisusedAT89C51microprocessorandrelatedcomponentsbyClanguageprogrammingcountinganddisplayfunction.KEYWORDS:heartrate,sensorphotoelectric,signalprocessing,AT89C51前言0第一章系统设计的整体构思2第二章各元器件介绍35.1 LM3243§5.1.1 LM324简述3§5.1.2 LM324主要特点3§5.1.3 LM324弓|脚图422555定时器423单片机型号介绍5§2.3.1 单片机简介

8、5§2.3.2 51子系列的主要功能6§2.3.3 AT89C51引脚6S.474HC2458§2.4.1 74HC245简述8§2.4.2 74HC245的特点8§2.4.3 74HC245引脚9他.574LS1389§2.5.1 74LS138简述9§2.5.2 74LS138主要特性9§2.5.3 74LS138引脚图10第三章软件介绍118.1 KeilC51高级语言集成开发环境uVision4IDE11§8.1.1 KeilC51简介11§8.1.2 uVision4IDE集成开发环境

9、11§8.1.3 uVision4IDE仿真过程128.2 Proteus13§8.2.1 Proteus简述13§8.2.2 Proteus主界面14§8.2.3 电路图仿真14第四章电路原理及仿真电路1641光电式传感器1642前置放大器1843滤波电路18§8.2.4 放大电路1945波形变换20第五章软件的设计22§5.1 设计原理22§5.1.1 定时原理22§5.1.2 计数原理23§5.2 软件设计的流程图23§5.3 LED显示电路25第六章系统的检测27第七章误差分析28结论2

10、9参考文献31致谢33附录34心率是指单位时间内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的。由于受年龄、性别及其它生理因素的影响，心率也有不同的衡量标准:3岁以下的小孩常在100次/分以上，初生儿的心率更快，可达130次/分以上；在成年人中正常的心率为60100次/分，大多数为6080次/分，而且这一年龄段女性的心率一般比男性稍快；老年人的心率偏慢。即使是同一个人，在安静或睡眠状态下心率较慢，而在运动或情绪激动时心率则会加快，另外在某些药物或神经体液因素的影响下，心率会出现短暂的加快或减慢的症状；而对于经常进行体力劳动和体育锻炼的人来说，平时心率则比较缓慢。婴幼儿超过150次/分或成年人心率超

11、过100次/分称为窦性心律过速。婴儿常出现症状为发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭等；而成年人除此之外还常见于运动、兴奋、激动、饮酒等。心率低于60次/分称为窦性心动过缓，常出现胸闷、气短等症状。心率过快超过160次/分或过慢低于40次/分,则多表现为心脏病病人，常有心悸、胸闷、心前区不适等症状。因此说心率作为临床测量的重要生理参数，其主要意义在于：1、心率的变化直接反应人体的健康状况。对于老年人和病危的患者来说尤为重要，一单发生意外可以第一时间发现从而及时的进行救治，挽救病人的生命；特别对于心脑血管疾病的病人来说相当重要。由于心率包含着与人体心脑血管系统密切相关的信息，因此利用心率计及时的发现

12、相关的病情状况，做到及时救治从而降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担1o近年来，伴随着快节奏、高压力的生活氛围，心脑血管疾病的发病率呈上升趋势，这对心率计的发展既是一个要求也是一个机遇。2、心率与运动强度密切相关，通过心率监测及时的调整运动强度和运动方式，使运动更加系统化和科学化，从而达到运动的最佳效果。目前市场上比较流行的测心率的仪器是心率手环和心率手表，它们的出现，让我们远离了传统心率带产生的束缚、划伤、勒痕等诸多不适感，以及信号不稳造成的监测数据不准确等烦恼。例如MIOFUSE手环，它采用超级光电感应技术持续测量心率，内置加速传感器监测，可以精准测

13、量步数，它卓越的数字滤波技术和精准的监测技术，使其能够按照真实的心率及时的反应心率变化。随着科学技术的发展，通过对脉搏波的检测来评价动脉壁的扩张性和软硬度已经得到广泛应用。凭借操作简单、无创伤等优势广泛应用于流行病学等方面的研究中，也正是由于这些原因，使得此法非常适合于向家庭和社区医疗服务机构推广。利用此法生产的仪器尽管在欧美等国得到普及，国内也引进并在此基础上不断发展，但是，由于这些仪器价格昂贵、功能局限，并不适合普通患者，因此这类产品在市场上并未普及，只存在于一些大型的医疗机构中。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步提升，便携、快速准确、方便实用的

14、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。第一章系统设计的整体构思人体的各种生理参数如心电、脑电等生物电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真正的差分输入级0心率是指单位时间内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的，另外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。与其他生物电信号相比，脉搏信号比较容易检测同时具有直观的规律性。经过光电式传感器后输出的幅值都在几毫伏左右。心率计设计的步骤如下：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网通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号进行心率计数。2、

15、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，先要进行信号的前置放大，由于夹杂着干扰信号和噪声，前置放大倍数一般较小低输入偏置电流：最大值100nA。3、滤波处理。4、进行滤波处理后的信号仍然比较微弱，需要进行后置放大处理，由于这时的信号是已经经过滤波处理得到的理想信号，去除了干扰信息，因此可以进行较大的信号放大。5、进行波形变换将脉搏信号（近似正弦波）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每个封装有4个放大器,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。图1-1总体流程图第二章各元器件介绍§2.1LM324§2.1.

16、1 LM324简述脉搏信号是强噪声下微弱的低频信号，往往具有很大的共模干扰电压，需要用到仪表放大器，来对传感器信号进行精密的电压放大，同时，对共模干扰信号进行抑制，以提高信号质量。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000,功耗较低（最大电源电流仅1.3mA）。由于AD620具有高精度（最大非线性度40ppm）、低失调电压（最大50小。和低失调漂移（最大0.6pV/°）特性，使其具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗等特性，非常适ECG的前置放大短路保护输出2单电源供电：3.0V-32V45高增益，内部补偿。但由于AD620不常用在市场

17、上买不到，网店中虽有卖的但由于元器件便宜，并且数量较少，整体上费用过高不划算，于是最终选择了四运放运算放大器LM324。LM324系列器件属于四运算放大器，真正的差分输入，与单电源的运算放大器相比，它的优势在于：工作电压范围比较大，3.0V-32V均可；共模输入范围包括负电源，避免了采用外部偏置元件的繁琐。另外，此元件也可工作在单电源下，电压的范围为3.0V-32V或+6V。§2.1.2 LM324主要特点表2-1LM324的特性表序号功能§2.1.3 LM324引脚图图2-1LM324弓|脚图4出输LM324共有4组运算放大器，每一组运算放大器如下图表示，它有5个引出脚，

18、分别为：Vi+、Vi、V+、V、Vo。其中Vi+、Vi为信号的输入的正极和负极，V+、V-为电源的正负极，Vo为输出端。（反相输入端）（同相输入端）图2-2运算放大器§2.2 555定时器555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，内部电路由分压器、电压比较器Ci和C2,简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构如下:图2-3555定时器电路结构Vco为控制电压，5号引脚；Vii是比较器G的信号输入端，称为阈值输入端，6号引脚；12是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端，2号引脚；Vo为放电端，7号引脚；Vcc为电源，8号引脚；R7为直接复位输入端，4号引脚

19、；V。为输出端，3号引脚。当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端v。即为低电平。当RD为高电平时：1、当,1>0区，VI2>VCC时，Vci=0,Vc2=1,放电三极管T导通，输出V。为33低电平。2、当VI1<2Vcc,V12<Vcc时Vc1=1,Vc2=0,放电三极管T截止，输出v。为33高电平。3、当V11<空也，V|2>逗时，Vci=1,Vc2=1,锁存器状态不变，放电三极33管T状态不变，输出v。保持不变。§2.3 单片机型号介绍§2.3.1 单片机简介单片机又称MCU7是计算机的微型集成电路芯片，采用了超大规模集成

20、电路技术，片内含有CPU、ROM、RAM、多种I/O口、中断系统、定时器/51系列计数器等，是一个嵌入式系统。80C51系列单片机属于第三代单片机，包括Intel公司和其他公司的51和52系列，本设计采用的是§2.3.2 51子系列的主要功能序号表2-251子系列单片机功能8位CPU片内带振荡器及时钟电路256B片内数据存储器8KB的片内程序存储器程序存储器的寻址范围64KB片外数据存储器的寻址范围为64KB1026B的特殊功能寄存器3个16位定时器/计数器6个中断源4X8根I/O线11111条指令，含乘法指令和除法指令12布尔处理器13使用单+5V电源§2.3.3AT89

21、C51弓唧T2/P1.0匚T2EX/PL1匚P1.2CP1.3CPL4匚M0SI/P1.5匚MIS0/P1.6匚SCK/P1.7CRSTCKKD/P3,0CTXD/P3.1EIHT0/P3.2CINTT/P3,3CTQ/P3,4匚工1/P3.5C延，P3.6CBD/P3,7CXTAL2匚XTAL1CPDIPCHD匚VccP0.0/ADOPO.1/AD1PO.23D2PO.3/ADSPQ.4/AD4PO.5/AD5FO.6/AD61POF/ADTEA/VPPALE/PEO& FESN P2.7/A15 P2.G/114 P2.5?A13 F2.4/A12 P2.3/A11 P匕2ZA10

22、 F2.1/A9 F2.0/A6图2-4AT89C51引脚图1、RST复位引脚。用于电路的初始化操作。有自动上电复位和人工按键复位两种。2、XTAL1和XTAL2片内振荡电路引脚。这两个端口外接石英晶体和电容，用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。3、Vcc电源引脚。对于不同的单片机型号需接入对应的电源电压，一般为+5V,最低为为+3.3V网。4、GND接地引脚。5、P0.0P0.7这组引脚共有8条，每个口可以单独控制使用，由于P0口内部没有上拉电阻，因此在使用时，需要外接上拉电阻9。常作为通用I/O使用，用于传送用户的输入/输出数据；当P0口带外部存储器时，P0.0P0.7在CPU访问片

23、外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。6、P1.0P1.7这组引脚共有8条，每个口可以单独控制使用。与P0的第一功能相同，常作为通用I/O使用时，用于传送用户的输入/输出数据，该口内部有上拉电阻，使用时无需外接上拉电阻。7、P2.0P2.7这组引脚共有两个功能：第一功能作为通用的I/O使用，第二功能与P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0那样传送存储器的读/写数据。每个同样可以单独控制使用，使用时无需外接上拉电阻。8、P3.0P3.7这组引脚的第一功能作为通用的I/O使用，每个口可以单独控制使

24、用，使用时无需外接上拉电阻。第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表所示：表2-3P3口的第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6WR（片外数据存储器写允许）P3.7RD（片外数据存储器读允许）§2.4 74HC245§2.4.1 74HC245简述74HC245为总线收发器（bustransceiver）0由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载过重，一般应加

25、驱动器，从而增强I/O口的驱动能力。§2.4.2 74HC245的特点表2-474HC245特性表序号功能1 采用CMOS工艺2 宽电压工作范围：3V-5V3 同相三态门输出4 8位双向收发器5 封装形式：SOP20§2.4.374HC245引脚二这力,上34鸟&TvloEr.B氏B&-b»B剧回3习回引回宫MFI图2-574HC245引脚图表2-574HC245特性表引脚名称弓1脚号A0-A7数据入/输出2-9B0-B7数据入/输出18-11OE输出使能19DIR方向控制1DIR=1,AtB;DIR=0,BtA。GND逻辑地20逻辑地VCC逻辑电

26、源10电源端§2.574LS138§2.5.1 74LS138简述74LS138是3线-8线译码器，作为位驱动器与74HC245配合使用实现对LED数码管的控制。§2.5.2 74LS138主要特性表2-674LS138特性表序号功能1电压：4.755.25V2驱动电流：-0.4/8mA3最大传输延迟：41ns4封装形式：SOP16§2.5.3 74LS138引脚图图2-674LS138引脚图表2-774LS138引脚名称引脚名称弓1脚号Y0-丫6,丫7数据输出15-9,7A0,A1,A2数据输入1,2,3S3=0,S2=0,&=1S3,S2,s

27、使能控制6,4,5时，使能控制功效VCC逻辑电源16电源端GND逻辑地8逻辑地第三章软件介绍§3.1 KeilC51高级语言集成开发环境一uVision4IDE§3.1.1 KeilC51简介单片机的编程语言共有三种，分别为：BASIC语言、PL/M语言和C语言。BASIC语言和PL/M语言在单片机的发展过程中，由于自身存在的劣势并未得到广泛的应用，相比之下，C语言凭借其很强的数据处理能力、开发效率高、可移植性强等优点得到了广泛的应用。KeilC51是单片机程序常用的编译软件，该软件提供了包括C语言编辑器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等，通过一个集成开发环境(u

28、Vision4IDE)将这些部分组合在一起。uVision4IDE基于Windows系统，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成工程建立、管理、软件仿真、硬件仿真等开发流程10。§3.1.2 uVision4IDE集成开发环境安装完成后，双击桌面上的“uVision4图标进入IDE环境，uVision4IDE软件有菜单栏、可以快速选择命令按钮的工具栏、一些源代码文件窗口、对话框、信息显示窗口。uVision4IDE界面如下图所示：图3-1uVision4IDE主界面§3.1.3 uVision4IDE仿真过程1、在Project工具栏中选中NewProject,在弹出

29、的CreateNewProject对话框中选择保存路径，在文件名”文本框中输入项目名称，并保存。完成新建工程的步骤。2、接着会弹出一个对话框如下图所示，选择所需要的单片机型号，选定型号后单击“OK,在新弹出的对话框中点击是”即完成相关的操作。图3-2单片机的型号选择3、在File工具栏中选择New建立源程序文件，在弹出的程序文本框中，输入目标程序，然后在File工具栏中选择SaveAs选项进行保存。在弹出的对话框中保存为：如果是C语言程序文件，扩展名为“C”如果是汇编文件,扩展名为:asm”或.51”。并单击保存。如下图所示：图3-3SaveAs对话框4、将源程序文件添加到项目中。方法：选中左

30、边项目窗口中的SourceGroupl，然后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择AddFilesToGroup“SourceGroupl"，选择刚才保存的后缀名为“C”（此处以C源程序文件为例），点击“Add'按钮完成文件的添加。5、接下来对目标进行一些设置。选择ProjecttOptionsforTarget“Target1弹'出的对话框如下图所示：>ptionsforTargetTarget1"图3-4Target选项卡在“Output选项卡中选择“CreateHEXFile，”在Debug选项卡中的“Use”选项中选择“ProteusVSMSimul

31、ator”单击“OK。然后对目标程序进行“Translate组建）tBulid（编译）tRebulid（执行）”（这个过程需要不断的修改程序，直到源程序完全正确），生成可执行的源文件（后缀名为.hex）。§3.2 Proteus§3.2.1 Proteus简述Proteus可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起进行仿真调试11,可以与uVision4IDE工具软件结合进行编程仿真调试。ProteusVSM包含了大量的虚拟仪器，可以为仿真调试提供强有力的支持。§3.2.2 Proteus主界面安装完Proteus后，运行ISIS/Professional

32、,出现如下的界面:图3-5ProteusISIS7的编辑环境§3.2.3 电路图仿真1、添加元器件。单击对象选择器按钮回，在弹出的PickDevices窗口中,使用搜索引擎，在Keywords栏中输入所要寻找的元器件，找到元器件，并将其添加到对象选择器窗口，然后在原理图编辑窗口添加该元器件。如下图所示：图3-6添加元器件窗口2、进行元器件的连接。当线路出现交叉点时，若出现实心小黑圆点，表明导线连同。利用主界面左侧的模型选择元器件栏完成线路的连接和标注。3、添加程序文件到所选择的单片机型号中。此处以AT89C52为例，双击AT89C52打开EditComponent对话框，如下图所示，

33、在ProgramFile中选择uVision4IDE所生成的后缀为.hex的文件，单击“OK。然后单击仿真运行开始按钮工I,进行调试运行图3-7加载程序文件第四章电路原理及仿真电路§4.1 光电式传感器本设计采用的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。所采用的主要元器件有光电三极管11和光敏二极管12。整个装置具有结构简单、无创、可重复等优点。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被照射部位组织的结构特征130因此，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的不同而将其转换成电信号。此种方法有两种方式

34、：一种是对射式，另一种是反射式14。由于人体内的血流发生变化时其对光的反射率也随之变化，反射式便是利用此方法：当光照射在手指上时，通过手指的反射在同一侧接收信号。此法外界干扰信号小，但传感器输出信号小，对后面的放大电路要求较高。而对射式是光通过手指时在另一侧接收通过手指的光信号，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。通过比较，最终本设计采用对射式光电传感器。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，因此光电式传感器的测量部位通常在人体指尖150为有利于指端信号的检测，应当保

35、证肢体末端的血液循环良好；为提高检测的灵敏度，应当注意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。同时要注意尽可能选择背景较暗的环境，在测试中要注意保持手指的位置稳定，以便尽可能获得稳定的人体信号。仿真图如下：图4-1信号采集系统实物图如下:图4-2实物图§4.2 前置放大器由于脉搏信号属于强噪声下微弱的低频信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，结合这些因素采用仪表放大器AD620便能满足要求，但由于种种原因，在实际的电路连接中采用LM324四运放运算当大器。电路图如下：图4-3前置放大电路

36、电路采用同相比例放大器：Ri-1K'1,R=200KJ,R3=10K前置放大电路的放大倍数：A=Au=(1鼠11(4-1)§4.3 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4-4二阶压控有源低通滤波器传递函数为：AS三二A2V|S13-AvfsC冏sGR放大倍数：A2=AVF=1

37、=2R3Ri=R2=10KC,R4=R3=30KC,Ci=C2=10uF。3-AVF=1>0,满足滤波器稳定工作的条件。低通滤波器的截止频率：.1f=1.591549Hz2二RC1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。§4.4 后置放大电路(4-2)(4-3)(4-4)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：后置放大电路仍然采用同相比例放大器，R=R3=1KC,R2=200KQ,R4=50KC,Ci=10uF0后置放大倍

38、数：R4R2-L、A3-Au-(1)251(4-5)R3R2R3则总的放大倍数为：A总=AA2A3：1122(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。§4.5 波形变换放大后的信号近似于正弦波，需要将其变换为脉冲波形才能进行定时计数的运算处理。本设计采用555定时器组成反相施密特触发器实现波形变换17。将555定时器的2号引脚和6号引脚连在一起作为触发端Vi;4号引脚和8号引脚连在一起接在电源端；1号引脚接地；5号引脚连接一个电容然后接地；3号引脚仍作为输出端Vo。如下图所示：图4-6555定时器组成的施密特触发器当输入端电压Vi由0V开始逐渐增加，

39、当Vi<V也时，根据555定时器功3能表可知，输出Vo为高电平；Vi继续增加，如果VCC<Vi<型也，输出Vo维持33高电平不变；Vi再增加，一旦Vi>2cc,Vo就将由高电平跳变为低电平；之后3Vi再增加，仍是Vi>acc,电路输出端保持低电平不变。如果输入的波形3三角波，其波形变化如下：图4-7施密特触发器的工作波形及电压传输特性曲线第五章软件的设计§5.1 设计原理§5.1.1 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,分别由引脚而0(P3.2)和iW(P3.3),;定时器/计

40、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，由TH0的8位和TL0寄存器的低5位组成，而TL0的低3位处于闲置状态。最大计数213=8192。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216=65536；作为定时器使用时，定时时间为：Td=(216-count)12%(5-1)Td为定时时长，count为定时器的初值设置。%为时钟周期也称为机器周期，为时钟脉冲频率(fosc)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

41、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28=256;作为定时器使用时，定时时间为：Td=(28-count)12%(5-2)Td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§5.1.2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），WJ：(5-3)本设计利用单片机的定时

42、器/计数器实现定时50ms记一次数，当检测到1个脉冲时关闭所有中断，记录下时间，则一分钟内心率值为：50ms的定时次数M计算出一个周期的所用的§5.2软件设计的流程图6011200N=0.05MM(5-4)图5-1主程序流程图用C语言编程18实现定时器/计数器0定时50ms,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。图5-2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，

43、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5-180C51中断号、中断源、中断向量中断号N中断源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：

44、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§5.3LED显示电路LED显示屏分为共阴极和共阳极，本设的采用的是共阴极数码管，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。引脚图共阴极共阳极图5-3LED数码显示器共阴极数码管内部将8个发光的二极管的阴极全部连在一起，称之为阴极”，而它们的阳极是独立的。当给数码管的任一个阳极添加高电平，对应的发光二极管点亮。例如，对于共阴极LED显示器，公共阴极接地（为零电平）,而阳极dp

45、gfedcba各段为00111111时，这样显示器便可实现字符”0的显示。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。基于单片机的定时计数

46、仿真电路如下:XTAL1XTAL29«X1CRYSTALRP1RESPACK-801234567BBBBBBBBPP!PpPP98'6532RSTPSENALEEAP1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C52P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1&q

47、uot;P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393736343332P00P03P06P07U2(P3.2/INT0)图5-4定时计数电路第六章系统的检测利用Proteus进行电路仿真后，开始进行元器件的购买，由于设计时没考虑过多的因素，在实际的购买过程中，不得不用某些元器件进行代换，之后进行了电路的修改，一切敲定后便进行了电路的焊接，由于经过实习期间的锻炼对锡焊具有一定的了解和对焊接技术的掌握，电路的焊接过程非常顺利。之后便进行电路的整体测试，在测试的过程中一面用设计的心率计进行测量，一面用听诊器进行测量。焊接的实物图如下：图6-1心率计实物图测量的结果如下：表6-1测试

48、结果测量序号心率计值听诊器测量值误差163612266660370691475723580755685841第七章误差分析在系统测试中我们发现，制作的光电式传感器很不稳定，极易受到周围环境的干扰，这给测试带来了极大的干扰，另外在测试中，手指容易发生抖动导致检测到的人体信号很不稳定，于是要对光电三极管和光敏二极管的距离进行适当的调整。而心率计的设计要求快速有效的进行心率检测，因此本设计采用的是计数第一个脉冲便关闭中断，依据记录脉冲时间周期极性1分钟心率的测算，因此该心率计并不能实时的反映人体的心率变化，另外由于系统通过下降沿触发计数，所测得心率周期并不准确，导致测算的结果不准确，综上的因素导致最

49、终的结果存在一定的误差。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

50、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。仿真电路设计完成之后便开始进行元器件的购买，由于实际应用的不同，一些元器件无法获得，不得不进行元器件的替换和电路的修改，这个过程中就不得不舍弃一些合理的设计。在进行电路板焊接时。首先要进行元器件的布局，这个过程非常的繁琐，需要考虑各个方面的因素，经常是焊接了很多元器件后发现某个

51、元器件的位置不适合，需要卸下调整位置重新焊接。整个焊接过程非常的繁琐耗时。焊接完成后需要进行硬件调试20以确认硬件部分是否存在问题，这个过程花费了大量的时间，不仅要对连接电路的焊接点进行虚焊、焊接点连接与否等进行逐个检查，还要对不同的电路模块进行测量分析，不断改进，这个过程很锻炼人的动手能力和耐心，同时，也考察了对理论知识的掌握程度，以及理论与实际应用之间的差别等等。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。参考

52、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.传感器及其应用实例.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.单片机原理及应用.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，1998,3(10),32-357张齐，朱宁西，毕盛.单片机原理与嵌入式系统设计.北京：电子工业出版社，201

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