單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-AVR與虛擬儀器

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 石天卓、孫虎、李其魯摘要：以Mega16芯片為核心，以SMA1602為顯示設(shè)備，以壓電陶瓷片為信號(hào)采集設(shè)備的心率計(jì)關(guān)鍵字：Mega16 SMA1602 壓電陶瓷片一設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的目的、用途、功能我們通常看到在許多小型醫(yī)院，對(duì)心率的測(cè)定仍采用人工聽(tīng)診器的方式，為了方便心率的采集，我們決定利用Mega16單片機(jī)為主芯片制造一簡(jiǎn)單易用易攜的心率計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)計(jì)錄心跳次數(shù)并數(shù)字化形象直觀的顯示出來(lái)。為此，其中心率計(jì)特色功能的實(shí)現(xiàn)主要靠有效穩(wěn)定的信號(hào)采集模式，我們通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方法：通過(guò)一對(duì)紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)和通過(guò)壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。方案一：檢測(cè)的基本原理：隨著心

2、臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減?。划?dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。方案二：檢測(cè)的基本原理：隨著心臟的搏動(dòng)，人體手腕的脈搏和頸部的搏動(dòng)較為明顯，我們采用壓電傳感器放于上述部位，把壓電傳感器測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就

3、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。二硬件設(shè)計(jì)思想和電原理圖心率計(jì)精華即有效穩(wěn)定的信號(hào)采集模式，我們通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方案：通過(guò)一對(duì)紅色發(fā)光、接受二極管實(shí)現(xiàn)和通過(guò)壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。由于壓電陶瓷芯片會(huì)不可避免得產(chǎn)生誤差，有時(shí)是和信號(hào)相似的低頻率波形，即便通過(guò)低通濾波電路仍不可完全消除，因而我們首選了紅色發(fā)光、接受二極管作為我們的設(shè)計(jì)方案，檢測(cè)原理如下： 隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝

4、在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。以下是我們的紅外線二極管方案的采集電路部分： 但由于紅外二極管發(fā)射和接受端總是不能有效得檢測(cè)出脈沖波形，我們又缺乏對(duì)紅外二極發(fā)射和接受管的了解，最后不得以放棄原有的設(shè)計(jì)方案，改為選用我們的第二套方案壓電陶瓷傳感器法。以下是我們的實(shí)驗(yàn)原理：隨著心臟的搏動(dòng)，人體手腕的脈搏和頸部的搏動(dòng)較為明顯，我們采用壓電傳感器放于上述部位，壓電陶瓷片將脈搏振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，我們將壓電陶瓷片測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整

5、形、計(jì)數(shù)和顯示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。雖然采取了濾波電路，但人體手腕的運(yùn)動(dòng)或頸部的運(yùn)動(dòng)如說(shuō)話仍然會(huì)對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生影響，我們?cè)诓杉盘?hào)的過(guò)程中仍需小心。三硬件單元的使用說(shuō)明：功能：選用壓電陶瓷片為我們的傳感器，用LM324芯片IC1a和2個(gè)電阻組成我們的功率放大電路，用LM324芯片IC1b組成我們的低通濾波電路，運(yùn)用mega16作為我們的處理器，選擇LA1602作為我們顯示裝置，選擇普通的5V蜂鳴器作提示使用，電路圖如下： 其中，信號(hào)采集部分的電路圖為：四、軟件設(shè)計(jì)思想：心臟跳動(dòng)時(shí)會(huì)引起脈沖的變化，必然會(huì)產(chǎn)生上升沿與下降沿，因此在這里我們采用T0的下降沿觸發(fā)。但壓電陶瓷受外界的影響較

6、大，電路中還設(shè)計(jì)連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進(jìn)一步濾除干擾。濾波后的信號(hào)太過(guò)微弱，我們需要對(duì)它進(jìn)行信號(hào)放大。放大電路采用LM324放大倍數(shù)A=1+R2/R1。電R1,R2分別為10K，5歐。由于沒(méi)有買(mǎi)到5歐的電阻，我們用了兩個(gè)10歐的并聯(lián)代替。放大后的信號(hào)通過(guò)T0口進(jìn)入Mega16。當(dāng)有下降沿到來(lái)時(shí)TCNT0會(huì)自動(dòng)計(jì)數(shù)。人的心律一般在50150之間，我們不用擔(dān)心TCNT0會(huì)自動(dòng)溢出。另外我們計(jì)時(shí)采用的是CVAVR的延時(shí)程序，有誤差但很小。當(dāng)一分鐘到時(shí)蜂鳴器會(huì)響一聲，提示我們計(jì)數(shù)已經(jīng)結(jié)束。為了方便計(jì)數(shù)我們還用了復(fù)位鍵，當(dāng)Mega16開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，蜂

7、鳴器一樣會(huì)響一下。Mega16采集到的信號(hào)我們通過(guò)PA口輸出到SMC1602中。SMC1602是一種液晶數(shù)字顯示模塊，可以通過(guò)對(duì)其變成來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容。我們不但通過(guò)它顯示出了心率而且能夠分析出被測(cè)者心律的好壞。五、軟件流程圖取結(jié)果顯示脈搏次數(shù)低了高了正 常顯示具體示數(shù)一分 鐘到蜂鳴 器響開(kāi) 始初始化開(kāi)始計(jì)數(shù)SMC1602顯示六、系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程及測(cè)試數(shù)據(jù)我們采用紅外線發(fā)射、接受二極管作為我們的采集裝置時(shí)，SMA1602工作正常，但顯示測(cè)得的心率總為0，錯(cuò)誤的可能無(wú)非兩種：程序的錯(cuò)誤和硬件采集電路的錯(cuò)誤。為控制單一變量，我們對(duì)單片機(jī)PB0口輸入方波脈沖，實(shí)驗(yàn)LCD屏成功精確顯示出了脈沖個(gè)數(shù)，說(shuō)明程序編

8、寫(xiě)正確，而硬件采集電路存在錯(cuò)誤。后來(lái)，李其魯又多次檢測(cè)電路焊接，石天卓和孫虎多次檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。不得以，我們將自己焊接的電路拿到實(shí)驗(yàn)室用示波器進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤出現(xiàn)在右圖所示部分：Q1端沒(méi)有電流變化。那么可以確定，問(wèn)題出在紅外線二極發(fā)射與接受管上，于是，我們查了它們具體的參數(shù)，D1的工作電壓為4V，工作電流20mA,Q1的工作電壓為5V，工作電流60mA,在調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)開(kāi)始的設(shè)計(jì)R1取值不當(dāng)，后改為滑動(dòng)變阻器，在R2下面也串聯(lián)了紅外發(fā)光二極管作為指示燈，Q1導(dǎo)通，但仍然沒(méi)有電流變化。直到現(xiàn)在，我們?nèi)匀粵](méi)有放棄此信號(hào)采集電路，又去買(mǎi)了帶增益功能的紅外線接受管（如右圖），后來(lái)

9、又一次失望最后，不得以買(mǎi)了壓電陶瓷片作為我們的傳感器來(lái)使用。我們先在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)示波器檢測(cè)了壓電陶瓷片的壓電特性，接著設(shè)計(jì)了相應(yīng)的放大電路和低通濾波電路，連接到Mega16的PB0口并進(jìn)行檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果: Perfect!一切正常，雖然我們沒(méi)有得到最想得到的結(jié)果，但我們心中還是充滿(mǎn)了成就感。這次我們還是帶著遺憾完成了這次總結(jié)，因?yàn)槲覀冊(cè)诩t外二極發(fā)射、接受管方案上作出了巨大的努力，最后卻以失敗而告終，并且，因?yàn)楦蓴_信號(hào)的因素，壓電陶瓷片作為傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如紅外二極發(fā)射、接受管方案精確，因?yàn)橥ㄟ^(guò)兩級(jí)濾波電路，基本可以完全排除雜波干擾，這里我們衷心希望能夠看到下一級(jí)的學(xué)弟學(xué)妹們完成第一種方案的設(shè)計(jì)。七

10、、設(shè)計(jì)所需的全部資源：（一）硬件清單：LM324芯片： Mega16芯片 蜂鳴器一個(gè) 直流電源一個(gè) 電阻若干 電容若干 SMC1602液晶顯示器 1m20列導(dǎo)線一根20cm*10cm電路版一塊八成員分工，工作情況及參考文獻(xiàn)石天卓 負(fù)責(zé)軟件部分LCD顯示的開(kāi)發(fā)、電路圖的繪制及論文、網(wǎng)頁(yè)、PPT、心得的編寫(xiě)孫虎 負(fù)責(zé)軟件部分計(jì)數(shù)、定時(shí)、蜂鳴器等功能的開(kāi)發(fā)及軟件設(shè)計(jì)思想的編寫(xiě)、電路的調(diào)試、資料查詢(xún)等工作李其魯 負(fù)責(zé)硬件焊接、Protel電路圖的繪制、元件的購(gòu)買(mǎi)、電路檢測(cè)等工作 在課題制作過(guò)程中，大家優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，齊心協(xié)力，互相幫助，最終共同完成了課程設(shè)計(jì)的制作。我們切實(shí)體會(huì)到了：1.完成項(xiàng)目時(shí)前所未有的快樂(lè)。2.D