壓電傳感器SC0073脈搏測量儀設計

1、脈搏測量儀大連民族學院機電信息工程學院大連民族學院機電信息工程學院自動化系自動化系單片機系統(tǒng)課程設計報告單片機系統(tǒng)課程設計報告題題 目：目：脈搏測量儀設計脈搏測量儀設計專專 業(yè)：業(yè)：自動化自動化班班 級：級：自動化自動化 103學生姓名：學生姓名：王宏剛，勾延偉，金文杰王宏剛，勾延偉，金文杰指導教師：指導教師：陳曉云，張秀春陳曉云，張秀春設計完成日期：設計完成日期： 2012 年年 11 月月 28 日日脈搏測量儀0目目 錄錄1 任務分析和性能指標任務分析和性能指標.11.1 任務分析 .11.2 性能指標 .12 總體方案設計總體方案設計.22.1 硬件方案 .22.1.1 傳感器.22.1

2、.2 信號處理.22.1.3 單片機.22.1.4 電源.22.2 軟件方案 .23 硬件設計與實現(xiàn)硬件設計與實現(xiàn).43.1 前置放大電路 .43.2 二階有源濾波電路 .43.3 波形整形電路 .53.4 單片機接口電路 .64 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn).74.1 主程序.75 調(diào)試及性能分析調(diào)試及性能分析.85.1 調(diào)試分析.8總總 結結.9參考文獻參考文獻.10附錄附錄 1 元器件清單元器件清單.11附錄附錄 2 調(diào)試系統(tǒng)照片調(diào)試系統(tǒng)照片.12附錄附錄 3 源代碼源代碼.13脈搏測量儀01 任務分析和性能指標任務分析和性能指標1.1 任務分析醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人

3、每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作 1 分鐘的測量，通常是測量 10 秒鐘時間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結果乘以 6 即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學診斷方法。隨著科學技術的發(fā)展，脈搏測量技術也越來越先進，對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關鍵是對脈搏傳感器的研究。動態(tài)微壓傳感器是一種高性能、低成本的壓電式小型壓力傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，在經(jīng)傳感器

4、內(nèi)部放大電路轉換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊波能力強，抗干擾性好、操作簡便、體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領域。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。1.2 性能指標 系統(tǒng)能準確測量人的脈搏次數(shù)，一分鐘誤差不超過 1 次，有直觀的顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)要求有自己設計電路部分。 脈搏測量儀12 總體方案設計總體方案設計2.1 硬件方案本系統(tǒng)主要由動態(tài)微壓傳感器、脈搏信號調(diào)理模塊、51 單片機組成。其中模塊信號調(diào)理模塊包括信號低通濾波電路、基于 LM3

5、58 的信號放大電路、基于LM339 的信號整形電路。2.1.1 傳感器 SC0073 脈搏傳感器，該傳感器采用壓電復合材料作為換能元件，信號通過特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉換成電壓信號輸出。該傳感器是一種高性能低成本的振動傳感器，具有靈敏度高、頻率響應范圍寬、抗過載及沖擊能力強、抗干擾性好、操作簡便等特點。通過測試該型號傳感器性能基本滿足條件。2.1.2 信號處理 由于從傳感器輸出的脈搏信號十分微弱而且有用信號容易淹沒在噪聲信號中，因此需要對采集到的原始脈搏信號進行放大和濾波等處理，將信號轉化成TTL 電平信號送給單片機處理。2.1.3 單片機 將處理好的

6、信號接到單片機，通過定時器定時對脈沖信號計數(shù)，經(jīng)過計算處理后送給數(shù)碼管顯示。2.1.4 電源即向脈搏傳感器、信號處理電路、單片機提供的電源，可以是5-12V直流的電源經(jīng)過穩(wěn)壓電路送給系統(tǒng)。2.2 軟件方案 統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預定的操作方式運行, 它是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內(nèi)專用寄脈搏測量儀2存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設定。系統(tǒng)初始化之后, 進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。脈搏測量儀33 硬件設計硬件設計與實現(xiàn)與實現(xiàn)3.1 前置放大電路前置放大電路對于脈搏波信號采集來說至關重要，考慮

7、到脈搏信號的特點，為了放大噪聲環(huán)境中傳感器輸出的弱信號，對于放大器要求具有：極高的共模和差模輸入阻抗;很低的輸出阻抗;精確和穩(wěn)定的增益;極高的共模抑制比?；谝陨戏治?，低功耗、高精度放大器 LM358 作為前置放大的核心器件。圖 3.1.1 前置放大電路3.2 二階有源濾波電路噪聲信號來源主要有工頻干擾、人為運動肌電干擾、基線漂移等，其中50Hz 的肌電干擾最為嚴重。為了消除這些干擾信號，在脈搏信號放大器電路中，應加入低通濾波器。為了達到更好的濾波效果，采用二階有源濾波器，將截至頻率設為 5Hz 最為理想。脈搏測量儀4圖 3.2.1 二階有源濾波電路仿真電路圖圖 3.2.2 二階有源濾波電路仿

8、真幅頻特性曲線3.3 波形整形電路用 LM393 高精度電壓比較器將信號整形為方波，與單片機接口相兼容。圖 3.3.1 電壓比較器電路脈搏測量儀53.4 單片機接口電路圖 3.4.1 單片機接口電路 信號處理后的電路接到單片機 P3.0 口，同過軟件查詢方式來對脈搏信號進行計數(shù)。數(shù)據(jù)處理后送給數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示方式，提高顯示亮度。脈搏測量儀64 軟件設計軟件設計與實現(xiàn)與實現(xiàn)4.1 主程序圖 2.2.1 主程序流程圖脈搏測量儀75 調(diào)試及性能分析調(diào)試及性能分析5.1 調(diào)試分析 由于程序調(diào)試是否成功，這是關鍵的一步，因為單純的硬件無法實現(xiàn)預期的目的。因此，對程序的調(diào)試就同樣重要。調(diào)試這

9、階段發(fā)生過的故障如：子程序在運行時破壞現(xiàn)場，緩沖單元發(fā)生沖突，零位的建立和清除在設計上有失誤，堆棧區(qū)域有溢出等問題。采用單步運行方式和斷點運行方式對每個子程序進行調(diào)試，單步和斷點調(diào)試后，再進行連續(xù)調(diào)試，這是因為單步運行只能驗證該子程序的正確與否，而不能確定定時精度、CPU 的實時響應等問題。待全部完成后，應反復運行多次觀察。脈搏測量儀8總總 結結本設計主要是51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應用。重點介紹了單片機的最小系統(tǒng)，通過單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏的測量系統(tǒng)，由動態(tài)微壓傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的濾波、放大和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機自身的定

10、時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測量的次數(shù)，還能自動儲存這個數(shù)據(jù)。本次所設計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應用廣泛，具有實際意義。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，動態(tài)微壓傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時此次設計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設計過程中使用的運放數(shù)量也較多。然而科技的進步勢必會使測量儀的功能日益強大和完善，其應用領域將不斷擴大，將會給我們的生活帶來更多的方便和精彩。為了更好的進行電脈搏測量儀的設計，在近一個學期的時間里，認真收集有

11、關資料，并做相關的整理和閱讀，為這次的設計做好充分的準備。經(jīng)過這次課設，我收獲了很多，具體總結如下：（1）通過此次的設計，使我知道了無論做什么事都應該事先做好充分的準備，不應該盲目的只為了完成任務而被動的學習。（2）通過此次的設計，使我了解了脈搏測量儀在國內(nèi)外發(fā)展之迅速、應用領域之廣、市場前景之大。（3）通過此次的設計，使我對硬件設計和各模塊的功能有了更深的了解，同時提高了動手能力。（4）通過次次的設計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。（5）通過此次的設計，使我深刻的體會到團隊合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。脈搏測量儀9參考文獻參考文獻1 郭天祥.新概念 51 單

12、片機 C 語言教程M.北京:電子工業(yè)出版社,2009.2 胡漢才.單片機原理與接口技術M.北京: 清華大學大學出版社,2004.1-505.3 邢國泉. LM35 溫度傳感器的溫度特性及其應用J. 醫(yī)療設備信息.2007,11,25-28.4 薛國紅,趙修斌,盧艷娥等.零漂與增益控制對量化的影響分析J.西安：空軍工程大學,2008.5 馬忠梅，劉濱等. 單片機 C 語言 Windows 環(huán)境編程寶典M. 北京: 北京航空航天大學出版社. 2003.脈搏測量儀10附錄附錄 1 元器件清單元器件清單 名稱數(shù)量（個）STC89C511LM3581LM393174HC041R=100k4R=10k5R

13、=68k10SC0073 脈搏傳感器1脈搏測量儀11附錄附錄 2 調(diào)試系統(tǒng)照片調(diào)試系統(tǒng)照片脈搏測量儀12附錄附錄 3 源代碼源代碼#include#includesbit START=P37;sbit MB=P10;UnsignedcharcodeLED7=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F;int couter=0;unsigned char mb=0;unsigned char maibo=0;unsigned char k=0;unsigned char dis=0;unsigned char shi=0

14、;unsigned char ge=0;void delay_ms(unsigned int i)unsigned char j;for(;i0;i-)j=1500;while(j-);void Init() ET0=1; TR0=1; TMOD=0 x11; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; PT0=0;脈搏測量儀13void main()P0=0 x00;P2=0 x00;Init();while(1)if(START=0)delay_ms(3);dis=1;mb=0;k=0;EA=1;if(dis=1)if(MB=0)delay_ms(3);if(MB=0)mb+; while(!MB);shi=m