基于單片機的電子測頻儀系統(tǒng)設(shè)計.

1、 河南機電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計論文論文題目：基于單片機的電子測頻儀系統(tǒng)設(shè)計系 部 電子通信工程系 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2013年01月 08 日目 錄 HYPERLINK l _Toc229639841 摘 要 = 1 * ROMAN * MERGEFORMAT I HYPERLINK l _Toc229639842 Abstract = 2 * ROMAN * MERGEFORMAT II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc344971809 引言1 HYPERLINK l _Toc344971786 1課題研究的背景及內(nèi)容 PAGERE

2、F _Toc344971786 h 2 HYPERLINK l _Toc344971787 2 系統(tǒng)設(shè)計基本原理 PAGEREF _Toc344971787 h 2 HYPERLINK l _Toc344971788 心率的測量原理 PAGEREF _Toc344971788 h 3 HYPERLINK l _Toc344971794 頻率的測量方法 PAGEREF _Toc344971794 h 3 HYPERLINK l _Toc344971795 2. 直接測頻法 PAGEREF _Toc344971795 h 3 HYPERLINK l _Toc344971796 周期測頻法 PAGE

3、REF _Toc344971796 h 3 HYPERLINK l _Toc344971797 綜合測頻法 PAGEREF _Toc344971797 h 4 HYPERLINK l _Toc344971798 AT89C52單片機的簡單介紹 PAGEREF _Toc344971798 h 4 HYPERLINK l _Toc344971799 AT89C52各引腳功能及管腳電壓 PAGEREF _Toc344971799 h 4 HYPERLINK l _Toc344971801 AT89C52的主要引腳介紹 PAGEREF _Toc344971801 h 5 HYPERLINK l _To

4、c344971802 3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 PAGEREF _Toc344971802 h 7 HYPERLINK l _Toc344971803 系統(tǒng)硬件的設(shè)計思路 PAGEREF _Toc344971803 h 7 HYPERLINK l _Toc344971804 3.2 系統(tǒng)電路各模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc344971804 h 7 HYPERLINK l _Toc344971805 心電信號的獲取 PAGEREF _Toc344971805 h 7 HYPERLINK l _Toc344971806 心電信號的調(diào)整模塊 PAGEREF _Toc344971806 h 8 HYP

5、ERLINK l _Toc344971807 單片機測頻電路及顯示 PAGEREF _Toc344971807 h 11 HYPERLINK l _Toc344971808 單片機與計算機的通信 PAGEREF _Toc344971808 h 12 HYPERLINK l _Toc344971809 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc344971809 h 17 HYPERLINK l _Toc344971810 5 結(jié)論 PAGEREF _Toc344971810 h 20 HYPERLINK l _Toc344971809 致謝21 HYPERLINK l _Toc34497181

6、1 參 考 文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc344971811 h 22附錄1程序清單.23附錄2程序清單.28摘 要隨著我國人口老齡化程度的加快和人們物質(zhì)生活水平的提高,心血管、心臟病等疾病也越來越頻繁地出現(xiàn)在人們的生活中,人們對這一類疾病的預(yù)防和治療的意識也在不斷提高。因此,人們希望有一種醫(yī)療儀器,能夠在家里隨時隨地進(jìn)行心電圖信號頻率的測量，對自己的健康狀況隨時有所掌握，避免危險的發(fā)生。作為一個醫(yī)生，在門診和查病房時，也希望有一個可以隨身攜帶的測頻儀器，方便疾病的快速診斷。因此便攜式電子測頻儀成為研究的熱點。鑒于此, 結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號檢測、信號處理、信息存儲、智能分析等高技術(shù)手段，利用單片

7、機研制成功一種便攜式電子測頻儀,并通過RS-232串行接口與計算機相連接。這是一種新穎的臨床和家庭兼用的心電圖測頻儀。關(guān)鍵詞：心電圖信號； 頻率；便攜式；單片機AbstractWith the faster increase of old population and the improvement of living standard, disease such as HYPERLINK app:ds:cardiovascular t cardiovascular and heart trouble is more frequent in our life and our conscious

8、ness of prevention and cure against these disease is also raising continuously. So we hope a kind instrument can be developed to measure the frequency of our ECG signal anytime anywhere by ourselves so that we can avoid danger by mastering our health condition at anytime. For adoctor,he also hopes t

9、here is a carry-on frequency measurementinstrument to facilitate rapid diagnosis. So the carry-on frequency measurement instrument is becoming the research focus.In view of this, we developed a kind of carry-on frequency measurement instrument based on the knowledge of medical signal detection, sign

10、al processing, information storage and intelligent analysis by SCM.The instrument can realize teletransmission by connecting to the computer through the RS-232 serial interface.It do realized remote and real-time monitoring.It is a kind of carry-on instrument for both hospitals and families.Keywords

11、：ECG signal; frequency;carry-on;SCM引 言心率是指人體心臟每分鐘搏動的次數(shù)。它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數(shù)，同時心率值也是衡量體力勞動強度和腦力勞動強度的重要指標(biāo)。因此心率的測量是一種評價病人生理狀況很好的方法。心率計是用于測量心率值的的醫(yī)療設(shè)備，它的應(yīng)用在心血管疾病的研究和診斷方面也發(fā)揮出顯著的作用，它們所記錄的心臟活動時的生物電信號，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。因此，電子測頻儀的發(fā)展越來越受關(guān)注。電子測頻儀是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波

12、信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、 數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，受到人們的青睞。 到目前為止，電子測頻儀已有30多年的發(fā)展史。早期，設(shè)計師們追求的目標(biāo)主要是擴(kuò)展測量范圍，再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等，這些也是人們衡量電子計算器的技術(shù)水平，決定電子計數(shù)器價格高低的主要依據(jù)。目前這些基本技術(shù)日臻完善，成熟。應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)可以輕松地將電子計數(shù)器的測頻上限擴(kuò)展到微波頻段。但是隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對電子測頻儀的要求也越來越高。1 課題研究的背景及內(nèi)容眾所周知，冠心病是影響人類身體健康的第一殺手，僅去年全世界

13、死于冠心病的患者就達(dá)1850萬人，占整個死亡人數(shù)的四分之一。在我國心臟病患者約有七千萬人，死亡原因主要是致命性心率失常和急性心梗。據(jù)北京急救中心統(tǒng)計70以上病發(fā)于中，大部分人因失去搶救時間死于院外。由于目前用于心率監(jiān)護(hù)的傳統(tǒng)數(shù)字頻率計，體積偏大，操作靈活性差，不便于攜帶，且價格昂貴，一般只有在醫(yī)院中才能見到。因此對于病情嚴(yán)重且發(fā)病十分危急、變化迅速的心血管疾病特別是冠心病和心源性猝死患者來說,無法實時掌握自己的病情。這樣搶救不及時導(dǎo)致死亡成為他們生活中隨時可能發(fā)生的噩夢。如何使 HYPERLINK :/ eepw /news/listbylabel/label/高危心臟病 高危心臟病人，尤其是

14、占絕大多數(shù)的院外患者在病發(fā)前能做出早期診斷，提前進(jìn)行預(yù)防和就診是降低院外 HYPERLINK :/ eepw /news/listbylabel/label/高危心臟病 高危心臟病人群因得不到及時搶救而導(dǎo)致死亡發(fā)生率的關(guān)鍵。因此,便攜式的電子頻率計對于人們健康水平的提高顯得尤為重要。 從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問、切”是最基本的四個方面。而在其中，切，就是指的脈診。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合

15、信息，在很大程度上反映人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,可以直接反應(yīng)出患者心臟的部分狀況，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。本文中就是用脈搏波信號來代替心電信號的。 專家在對中國便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品市場現(xiàn)狀與未來展望的報告中指出，由于國家政策的支持，更適合便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的應(yīng)用。另外隨著消費者對產(chǎn)品認(rèn)知程度不斷升高，健康意識提升以及產(chǎn)業(yè)分工的不斷細(xì)化，便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品價格也會出現(xiàn)大幅度的下降，這樣更有利于市場規(guī)模擴(kuò)張。由此我們可以看出便攜式醫(yī)療電子市場前景非常誘人。2 系統(tǒng)設(shè)計基本原理 心率的測量原理正常人的胸腔內(nèi)有一顆時刻跳動的心臟，要測量心率必然要和心臟發(fā)生聯(lián)系。

16、這里需要把心臟的跳動以脈沖波的形式表現(xiàn)出來。那我們?nèi)绾尾拍塬@取到心臟的跳動信號呢。心跳的聲音又稱為心音，用聽診器或直接把耳朵貼到胸膛上就能聽到“咚咚咚”的聲音，這是心臟跳動時血液進(jìn)出心臟瓣膜時的撞擊聲，如果將麥克風(fēng)與聽診器的聽筒連接，或者把麥克風(fēng)貼到胸膛，用示波器觀察麥克風(fēng)的輸出信號，就可得到心音波形。如圖2-1所示。圖2-1 心音信號另外，中醫(yī)的“脈診”把腕動脈賦予了極其重要的診斷功能?？梢越?jīng)?？吹饺藗兺ㄟ^捏住手腕看看有沒有脈搏來判斷其生死，這個脈搏跳動采集出來就是脈搏波信號。如圖2-2所示。它也能反映心臟的跳動。這是一種常用的方法。圖2-2 脈搏波信號2.2 頻率的測量方法2.2.1 直接

17、測頻法直接測頻法是記錄在單位時間內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，則待測頻率為：=/，其中又稱為閘門時間。待測信號的脈沖是在閘門時間內(nèi)送入計數(shù)器的。由于閘門的開與閉和計數(shù)脈沖的送入在時間關(guān)系上是隨機的，這樣將產(chǎn)生極限范圍為的計數(shù)誤差，測頻相對誤差由/決定。對于同一被測頻率信號，選取閘門時間愈長，誤差越小，當(dāng)取一定閘門時，被測頻率越高，誤差越小。從而使得測量精度隨被測信號頻率的下降而降低。這種方法測量系統(tǒng)簡單，測量輸出速度快，只適用于高頻的測量。2.2.2 周期測頻法周期測頻法是在待測信號的一個周期內(nèi),記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號變化次數(shù)。這種方法測出的頻率是:=/方法同樣存在的量化誤差。對于同一標(biāo)準(zhǔn)信號, 被測信號周

18、期越大,計數(shù)值越大量化誤差/越小,測量誤差越小;當(dāng)被測信號周期不變,選用的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號越大,同樣計數(shù)值越大,量化誤差/越小,測量誤差越小。相反的存在測量精度隨被測信號頻率的升高而降低的缺陷。這種方法測量系統(tǒng)簡單,測量輸出速度快,只適用于低頻的測量。 綜合測頻法綜合測試法是為了克服測試法在低頻測量時精度不高的缺陷發(fā)展起來。通過倍頻,把待測頻率放大倍。其中是根據(jù)被測頻率信號為可變的，即當(dāng)?shù)皖l時值大,高頻值小，具體值由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定，其待測頻率為:=/這時同樣存在/()量化誤差，不過精度提高到原來的倍。其特點是待測信號脈沖間隔誤差降低,但測頻程序、倍頻控制電路較復(fù)雜。分頻測頻法是為了提高

19、測周期法高頻測量時的精度形成的。由于測周期法要求待測信號周期不能太短,所以可通過分頻使待測高頻信號的周期擴(kuò)大倍。同樣其中是根據(jù)被測頻率信號為可變的,不過當(dāng)?shù)皖l時值小,高頻時值大，具體值也由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定。其待測頻率為:=/其特點是高頻測量精度比測周期法提高倍,但可編程的分頻電路較復(fù)雜。2.3 AT89C52單片機的簡單介紹 AT89C52各引腳功能及管腳電壓AT89C52為8位 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1315649.htm t _blank 通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整

20、時的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0-P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0端口（32-39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線

21、控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash閃存，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全,雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C52支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容。但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。

22、 AT89C52的主要引腳介紹P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸

23、入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。 P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)

24、存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 定時器2：定時器

25、2是一個16位定時/計數(shù)器。它既可當(dāng)定時器使用，也可作為外部事件計數(shù)器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON（如表3）的C/T2位選擇。定時器2有三種工作方式：捕獲方式，自動重裝載（向上或向下計數(shù)）方式和波特率發(fā)生器方式，工作方式由T2CON的控制位來選擇。定時器2由兩個8位寄存器TH2和TL2組成，在定時器工作方式中，每個機器周期TL2寄存器的值加1，由于一個機器周期由12個振蕩時鐘構(gòu)成，因此，計數(shù)速率為振蕩頻率的1/12。在計數(shù)工作方式時，當(dāng)T2引腳上外部輸入信號產(chǎn)生由1至0的下降沿時，寄存器的值加1，在這種工作方式下，每個機器周期的5SP2期間，對外部輸入進(jìn)行采樣。若在第一個機器周期

26、中采到的值為1，而在下一個機器周期中采到的值為0，則在緊跟著的下一個周期的S3P1期間寄存器加1。由于識別1至0的跳變需要2個機器周期（24個振蕩周期），因此，最高計數(shù)速率為振蕩頻率的1/24。為確保采樣的正確性，要求輸入的電平在變化前至少保持一個完整周期的時間，以保證輸入信號至少被采樣一次。 中斷：AT89C52共有6個中斷，兩個外中斷（INT0和INT1），3個定時器中斷（定時器0、1、2）和串行口中斷。這些中斷源可通過分別設(shè)置專用寄存器IE的置位或清0來控制每一個中斷的允許或禁止。IE也有一個總禁止位EA，它能控制所有中斷的允許或禁止。 振蕩：XTAL1為反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工

27、作電路的輸入，XTAL2為來自反向振蕩器的輸出。一般振蕩電路如圖2-3所示。圖2-3 單片機振蕩電路在本圖中晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF。經(jīng)計算得單片機工作胡機器周期為：()=。 （2-1）復(fù)位：RST為單片機的復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。一般復(fù)位電路如圖2-4所示：圖2-4 單片機復(fù)位電路時鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個機器周期高電平，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位。3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 系統(tǒng)硬件的設(shè)計思路本系統(tǒng)的整體構(gòu)成如下圖所示。從光敏傳感器輸出的信號經(jīng)過調(diào)整，在進(jìn)入單片機I/O口時以脈沖的形式來代表每次心臟的跳動，再由單片機程序計算

28、心率。計算機系統(tǒng)LED顯示器心電信號調(diào)理電路光敏傳感器單片機系統(tǒng)圖3-1 便攜式測頻儀的硬件組成從圖3-1可以看出，此系統(tǒng)由四大模塊組成：心電信號的獲取、心電信號的調(diào)整、單片機測頻電路及顯示、單片機與計算機之間的通信。心電信號的獲取是通過光敏傳感器來完成的，將食指放在光源和光敏傳感器間，就可得到所需的脈搏跳動信號；光敏傳感器輸出的心電信號電壓非常微弱（只有1mV左右），且波形十分不規(guī)則，因此需要預(yù)處理電路，對其進(jìn)行濾波、放大（一般要放大幾千倍，變換成0-5V）和整形，形成單片機的外部中斷脈沖；單片機系統(tǒng)用于接收心電圖信號預(yù)處理電路傳送來的0-5V電壓信號，對信號進(jìn)行處理后測出頻率，顯示在LCD

29、液晶顯示器上，并且把測量的心電圖信號的頻率通過自身的串行口傳送出去。單片機應(yīng)具有低電壓、低功耗的特點，一般8位單片機能夠滿足要求。計算機系統(tǒng)是一臺普通的PC機，通過RS-232串行口，采集到單片機發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過高級語言編寫程序，在PC機上顯示出相應(yīng)的頻率并將所顯示的頻率值發(fā)送到計算機上。3.2 系統(tǒng)電路各模塊設(shè)計 心電信號的獲取一個在臨床中廣泛應(yīng)用的測量脈搏的方法是利用手指尖血容積的變化來反映心臟的跳動。手指上充滿了毛細(xì)血管，所以在驗血時只要用針扎一下指尖就會有鮮血流出。這些毛細(xì)血管里的血液體積是不恒定的，當(dāng)心臟收縮時，血液流向全身的血管，此時毛細(xì)血管中血液的體積增大；而當(dāng)心臟舒張時，血液由

30、靜脈回流心臟，此時毛細(xì)血管里的血液體積減少。我們只需要想辦法監(jiān)測到手指毛細(xì)血管里血液的體積變化。如圖3-2所示。心臟收縮心臟舒張 圖3-2 指尖血液體積變化當(dāng)光線穿過指尖時，其中毛細(xì)血管中的血液體積隨著心臟跳動在規(guī)律地變化，當(dāng)然穿過手指的光線強度也隨著毛細(xì)血管中血液的體積的改變而改變。如圖3-3（a）所示，在手指一側(cè)放置一個光源，在另一側(cè)放置一個光敏傳感器。如圖3-3所示。當(dāng)穿過指尖的光線被皮下毛細(xì)血管的血液體積影響時，光敏傳感器的輸出信號會產(chǎn)生相應(yīng)的改變，得出毛細(xì)血管中血液變化的特點。為了減少外界光線對光敏傳感器的影響，在實際應(yīng)用中我們一般把光源和光敏傳感器分別安裝在一個不透明指套內(nèi)部的上下

31、面，測量時手指伸到指套里，光線從上方光源發(fā)出，穿過手指到達(dá)下方的光敏傳感器。如圖3-3（b）所示。 （a）脈搏信號采集原理圖 （b）脈搏信號采集設(shè)備圖3-3 指尖脈搏信號的采集在本設(shè)計中，我們用普通的高亮度發(fā)光二極管代替光源（它的亮度足以穿過指尖的皮膚），用普通的光敏電阻代替光敏傳感器（由于proteus中沒有光敏電阻，因此仿真使用可變電阻代替光敏電阻）。3.2.2 心電信號的調(diào)整模塊如圖3-4所示，心電信號的預(yù)處理模塊包括所采集心電信號的低通濾波、放大、整形。放大器濾波器整形電路單片機 圖3-4 心電信號的調(diào)整模塊下面分別對此模塊的各個電路進(jìn)行介紹：按運動后人體心臟的最高跳動次數(shù)達(dá)240次/

32、分計算來設(shè)計低通放大器，它由IC2A和C4等組成，如圖3-5所示。轉(zhuǎn)折頻率由R7、C4、R8和C5決定，放大倍數(shù)由R8和R6的比值決定。圖3-5 低通放大器根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)，可得 （3-1）放大倍數(shù)為 （3-2）取倍零頻增益計算高頻轉(zhuǎn)折頻率，即 （3-3）按人的心臟頻率最高為4 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。需要說明的是，以上分析是在忽略C3的條件下做出的，如果考慮C3的話，那么： （3-4）由此可見，C3沒有影響頻率特性的分析，它的作用只是隔直。二級放大器如圖3-6所示。RV2用以調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，C1是耦合電容，信號由第一級向第二級傳遞時通常用耦合電容來消除干擾，同時防止自

33、激振蕩的產(chǎn)生。采用二級放大，零點漂移不很明顯，在0.1 V左右。圖3-6 二級放大器整形電路如圖3-7所示。圖3-7 整形電路整形電路是由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。將555定時器的兩個輸入端連在一起作為信號輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。由于比較器的參考電壓不同，因而基本RS觸發(fā)器的置0信號（）和置1信號（）必然發(fā)生在輸入信號的不同電平。因此，輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎τ玫闹狄膊幌嗤@樣就形成了施密特觸發(fā)特性。為了提高比較器參考電壓的穩(wěn)定性，通常在端接有的濾波電容。首先我們來分析從0逐漸升高的過程：當(dāng)時，故；當(dāng)時，故保持不變；當(dāng)以后，故。因此，。其次，再看從高于開

34、始下降的過程：當(dāng)時，故保持不變；當(dāng)以后，故。因此，由此得到電路的回差電壓為 = （3-5）電路的電壓傳輸特性，如圖3-8所示： 0 圖3-8 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性如果參考電壓由外接的電壓供給，則不難看出這時 =,=,= (-)通過改變值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。3.2.3 單片機測頻電路及顯示 如圖3-11所示為由單片機AT89C51、X1、R10、C5等組成單片機電路。單片機電路對P3.4輸入的整形后的脈沖信號進(jìn)行計算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。單片機中，T0選用工作方式2，計數(shù)方式；T1也選用工作方式2為定時方式。方式2是將16位的計數(shù)寄存器分為兩個8位寄存器，組成一個可重裝入的8位計

35、數(shù)寄存器。其中TLx作為8位計數(shù)寄存器，THx作為8位計數(shù)常數(shù)寄存器。當(dāng)TLx計數(shù)溢出時，一方面，將TFx置位，并向CPU申請中斷；另一方面，將THx的內(nèi)容重新裝入TLx中，繼續(xù)計數(shù)。重新裝入不影響THx的內(nèi)容，可以多次連續(xù)再裝入。定時器（）：此時，計數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘脈沖，每個機器周期使寄存器的值增1。每個機器周期等于12個振蕩周期，故計數(shù)速率為振蕩周期的1/12.當(dāng)采用12MHz的晶振時，計數(shù)速率為1MHz。定時器的定時時間，與系統(tǒng)的振蕩頻率有關(guān)，與計數(shù)器的長度和初值有關(guān)。計數(shù)器（）：單片機通過引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）對外部信號進(jìn)行計數(shù)。在每個機器周期的S5P2期間，CPU

36、采樣引腳的輸入電平。若前一機器周期采樣值為1，下一個機器周期采樣值為0，則計數(shù)器增1，此后的機器周期S3P1期間，新的計數(shù)值裝入計數(shù)器。因此，檢測一個1到0的跳變需要2個機器周期，故最高計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/24。本設(shè)計中，計算心率的方法是連續(xù)計算幾個脈沖之間的時間差，將這些時間差平均后得到心臟連續(xù)兩次跳動之間的平均間隔，從而推算出每分鐘心臟跳動的次數(shù)，即心率。測出的頻率采用液晶數(shù)碼管顯示屏進(jìn)行顯示。利用單片機的P0和P1口分別對字位和字形顯示進(jìn)行控制，從而將所測得的頻率直觀地顯示出來。測頻及顯示電路如下圖3-9所示。圖3-9 測頻及顯示電路3.2.4 單片機與計算機的通信在AT89C52中

37、有一個串行接口（Serial Port），這是一個全雙工的異步串行通信接口，可作UART（通用異步接收和發(fā)送器）用，也可作同步移位寄存器用。所謂全雙工的異步串行通信接口，就是說該接口可以同時進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。這是因為口內(nèi)的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器在物理上是隔離的，是完全獨立的?？梢酝ㄟ^訪問特殊功能寄存器SBUF來訪問接收緩沖器和發(fā)送緩沖器。接收緩沖器還具有雙緩沖的功能，即它在接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，還能接收第二個數(shù)據(jù)字節(jié)。但是，在它完成接收第二個數(shù)據(jù)字節(jié)后，若第一個字節(jié)仍未取走，則該字節(jié)數(shù)據(jù)將會丟失。UART串行口的結(jié)構(gòu)分為兩大部分：波特率發(fā)生器和串行口。如圖3-10所示。發(fā)送控制器1 發(fā)送SB

38、UF(99) 門 波特率發(fā)生器定時器T1fosc/2分頻接受控制端串行控制寄存器SCON(98H)接受SBUF輸入移位寄存器 8 TXD(P3.1) T1 R1 中斷 8 RXD(P3.0)3-10 串行口結(jié)構(gòu)框圖其中波特率發(fā)生器主要是由定時器/計數(shù)器T1、T2及內(nèi)部的一些控制開關(guān)和分頻器所組成，它向串行口送出的時鐘信號為TXCLOCK（發(fā)送時鐘）和RXCLOCK（接收時鐘），相應(yīng)的控制波特率發(fā)生器的特殊功能寄存器有TMOD、TCON、T2CON、PCON、TL1、TH1、TL2和TH2等；串行口內(nèi)部組成如下：(1)接收寄存器SBUF和發(fā)送寄存器SBUF：它們在物理上是隔離的，但是占用同一個地

39、址99H。(2)串行口邏輯控制：接收來自波特率發(fā)生器的時鐘信號TXCLOCK（發(fā)送時鐘）和RXCLOCK（接收時鐘）；控制內(nèi)部的輸入移位寄存器將外部的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，輸出移位寄存器將內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出，并控制串行中斷（RI和TI）。(3)串行口控制寄存器：SCON。(4)串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳：TXD（P3.1）為串行輸出，RXD（P3.0）為串行輸入。下面我們簡單介紹串行口的3個特殊功能寄存器:(1)串行口控制寄存器SCON：串行口控制寄存器SCON是一個逐位定義的8位寄存器，由它控制串行通信的方式選擇、接收和發(fā)送，指示串行口的狀態(tài)。寄存器SCON既可字節(jié)尋址也可位尋址

40、，字節(jié)地址為98H，位地址為98H-9FH。見表3-1所示。表3-1 串行口控制寄存器SCONb7b6b5b4b3b2b1b0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H其中各位的意義如下：SM0、SM1串行接口工作方式定義位：當(dāng)SM0、SM1=00時，串行口工作在方式0，為8位同步移位寄存器；當(dāng)SM0、SM1=01，串行口工作在方式 1，為10位異步接收發(fā)送；當(dāng)SM0、SM1=10，串行口工作在方式 2，為11位異步接收發(fā)送；當(dāng)SM0、SM1=11，串行口工作在方式 3，為11 位異步接收發(fā)送。SM2多機通信控制位（方式2和3）：當(dāng)SM2= 0

41、時為無多機通信；當(dāng)SM2= 1時允許多機通信。REN串行口接收數(shù)據(jù)控制：當(dāng)REN = 1時允許串行口接收數(shù)據(jù)；當(dāng)REN = 0時禁止串行口接收數(shù)據(jù)?？捎密浖梦?清零。TB8方式2和方式3中要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，可用軟件置位/清零。雙機通信時它可作奇偶校驗位，在多機通信中可作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識位。RB8方式2和方式3中接收到的第9位數(shù)據(jù)。方式1中接受到的是停止位，方式0中不使用這一位。TI串行口中發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后的中斷標(biāo)志。若串口發(fā)送完一組數(shù)據(jù)，則由硬件自動置TI=1；若串口還要發(fā)數(shù)據(jù)，則應(yīng)手動編程使TI=0。RI串行口中接收完一組數(shù)據(jù)后的中斷標(biāo)志。若串口接收完一組數(shù)據(jù)，則由硬件自動置R

42、I=1；若串口還要收數(shù)據(jù)，則應(yīng)手動編程使RI=0。(2)電源控制寄存器PCON：控制寄存器PCON是一個逐位定義的8位寄存器，其地址為87H，只能字節(jié)尋址。寄存器PCON目前只有幾位有定義。其中最高位SMOD與串行口控制有關(guān)，當(dāng)SMOD=1時，波特率提高一倍。復(fù)位時，SMOD=0；其它位與掉電方式有關(guān)。見表3-2所示：表3-2 電源控制寄存器PCONb7b6b5b4b3b2b1b0SMODGF1GF2PDTDL(3)串行數(shù)據(jù)寄存器SBUF：串行數(shù)據(jù)寄存器SBUF包含在物理上相互隔離的兩個8位寄存器：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，但它們共用一個地址99H。當(dāng)寫SBUF時，訪問發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器；讀

43、SBUF時，訪問接收數(shù)據(jù)寄存器。其格式如下：表3-3 串行數(shù)據(jù)寄存器SBUFD7D6D5D4D3D2D1D0SD7SD6SD5SD4SD3SD2SD1SD0上面我們提到串行口有4中工作方式，下面我們分別對其進(jìn)行介紹。(1)方式0：在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定為fosc/12.串行數(shù)據(jù)從RXD（P3.0）端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD（P3.1）送出。這種方式常用于擴(kuò)展I/O口。(2)方式1：在方式1下，串行口為比特率可調(diào)的10位通用異步接口UART。每發(fā)送或接受的一幀信息中，包括1位起始位0,8位數(shù)據(jù)位和1位停止位1。(3)方式2：在方式2下，串行口為11位UART，

44、傳送波特率與SMOD有關(guān)。發(fā)送或接收的一幀數(shù)據(jù)中包括1位起始位0,8位數(shù)據(jù)位，1位可編程位（用于奇偶校驗）和1位停止位1。(4)方式3：方式3為波特率可變的11位UART通信方式。除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。如圖3-4所示為4種工作方式的比較。表3-4 串行口的4種工作方式工作方式功能說明波特率方式08位同步移位寄存器常用于擴(kuò)展I/O口fosc/12方式110位UART8位數(shù)據(jù)、起始位、結(jié)束位可變（取決于定時器1溢出率）方式211位UART8位數(shù)據(jù)，起始位0，結(jié)束位1和奇偶校驗位fosc/64或fosc/32方式311位UART數(shù)據(jù)位，起始位，校驗位，結(jié)束位可變（取決于定時器1溢出

45、率）在本設(shè)計中我們使用的是方式1，下面我們詳細(xì)介紹一下此種工作方式的發(fā)送過程。當(dāng)串行口選擇方式1時，其數(shù)據(jù)傳輸波特率由定時器/計數(shù)器T1和T2的溢出率決定，可用程序決定。由TXD（P3.1）引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，由RXD（P3.0）引腳接收數(shù)據(jù)。當(dāng)執(zhí)行任何一條寫SBUF指令時，就啟動串行數(shù)據(jù)的發(fā)送。在執(zhí)行寫入SBUF的指令時，也將1寫入發(fā)送移位寄存器的第9位，并通知發(fā)送控制器有發(fā)送請求。實際上，發(fā)送過程開始于16分頻計數(shù)器下次滿度翻轉(zhuǎn)（由全1變?nèi)?）后的機器周期。所以每位的發(fā)送過程與16分頻計數(shù)器同步，而不是與寫SBUF同步。開始發(fā)送后的一個位周期，發(fā)送信號有效，開始將起始位送TXD（P3.1）引腳。

46、1位時間后，數(shù)據(jù)信號有效。發(fā)送移位寄存器將數(shù)據(jù)由低位到高位順序輸出至TXD（P3.1）引腳。1位時間后，第一個移位脈沖出現(xiàn)，將最低數(shù)據(jù)位從右邊移除，同時0從左邊移入。當(dāng)最高數(shù)據(jù)位移至發(fā)送移位寄存器的輸出端時，先前裝入的第9位的1，正好在最高數(shù)據(jù)位的左邊，而它的左邊全部為0。在第10個位周期（16分頻計數(shù)器回0時），發(fā)送控制器進(jìn)行最后一次移位，清除發(fā)送信號，同時使TI置位。此模塊的電路如圖3-11所示。圖3-11 單片機與計算機通信電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行，是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)主程序流程圖如圖：開始系統(tǒng)初始化脈搏波動頻率測量程序P3.4是否為矩形脈

47、沖？LCD顯示YN串口發(fā)送圖4-1 系統(tǒng)主程序流程圖脈搏波動頻率測量程序主要通過編程來控制單片機完成頻率的測量和顯示。當(dāng)單片機C/T=1時為計數(shù)方式，多路開關(guān)與定時器的外部引腳連通，外部計數(shù)脈沖由引腳輸入。當(dāng)外部信號由1至0跳變時，計數(shù)器加1，此時T0成為外部事件的計數(shù)器。由于確認(rèn)一次由1至0的跳變要用24個振蕩器周期，所以計數(shù)器的計數(shù)頻率為單片機內(nèi)部計數(shù)器頻率的1/24。當(dāng)C/T=0時為定時方式，對單片機內(nèi)部計數(shù)器進(jìn)行分頻后，計數(shù)器的實際計數(shù)頻率為單片機內(nèi)部頻率凡的1/m2，當(dāng)GATE=0時，反相器輸出為1，或門輸出為1，打開與門，使定時器的啟動僅 受TRO端信號電平的控制。在此種情況下，I

48、NT0引腳的電平變化對或門不起作用。 TRO=1時接通控制開關(guān)，計數(shù)脈沖加到計數(shù)器上，每來一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加1，只有當(dāng)TRO=0時，控制開關(guān)斷開，計數(shù)器停止計數(shù)。 當(dāng)GATA=0時，若TRO=1，或門、與門全部打開，外部信號電平通過INTO引腳直接 控制定時器的啟動和關(guān)閉。輸人高電平時允許計數(shù)，否則停止計數(shù)。根據(jù)定時器的結(jié)構(gòu)原理，若我們將 GATE 位、TR0 均設(shè)為1，INT0 端輸入被測頻率信號，當(dāng)被測信號的高電平到來時，開始計數(shù)；當(dāng)被測信號的低電平到來時，計數(shù)器停止計數(shù)，此時 TL0、TH0 的數(shù)據(jù)就是相應(yīng)的N值。本設(shè)計中對脈搏頻率的測量采用周期測量法?？蓪纹瑱C內(nèi)定時/計數(shù)器T1定

49、為16位定時器，對內(nèi)部機器周期計數(shù)，即方式控制字為#01H。定時器的開關(guān)由程序根據(jù)口上的狀態(tài)進(jìn)行控制，檢測到上升沿時開T0計數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個上升沿被檢測到時關(guān)T0計數(shù)。T0中的計數(shù)值為nx，則被測脈搏信號周期（對于12MHz晶振，Ts=1s），每分鐘跳動次數(shù)。考慮到脈搏的頻率很低，大約為1HZ左右，而16 位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535，這樣定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出，且最后脈搏波動頻率的計算涉及到雙字節(jié)除法，編程較復(fù)雜。為此，采用定時器中斷方式，即在一個脈搏周期內(nèi)，隔一段時間T1，T1即為中斷周期，且T165535，就將TH0，TL0清零。設(shè) N為每分鐘脈搏跳動次數(shù)，T為脈搏跳動周期

50、，則本設(shè)計中，設(shè)定顯示的每分鐘脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，則若T=2，則定時器周期不超過1/15秒。若T=1，則定時器周期不超過1/60秒。取T=1，即定時器周期不超過1/60秒。設(shè)中斷周期為T1，中斷次數(shù)為n，則：取：。由于定時器周期不超過1/60秒，即，故取m=7。即中斷周期為，此時，TH0=0 x00，TL0=0 x00，TH1=0 xb1，TL1=0 xe0。每分鐘脈搏跳動次數(shù)，為方便計算，取。脈搏波動頻率測量子程序流程圖如圖4-2所示。0 x00TH0, 0 x00TL00 xb1TH10 xe0TL1將所得到的數(shù)據(jù)存儲在變量中TR0置0，定時器停止工作將所測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制計算1

51、分鐘內(nèi)的脈搏數(shù)TR0、TR1置1，開始計數(shù)將數(shù)據(jù)顯示出來圖4-2 脈搏波動頻率測量子程序流程圖串口發(fā)送模塊的子程序流程圖如下圖所示串口初始化TI清零發(fā)送數(shù)據(jù)寫SBUFTI置位？NoYesNo按鍵是否按下？Yes圖4-3 串口發(fā)送模塊子程序流程圖5 結(jié) 論本文詳細(xì)介紹了采用單片機AT89C51實現(xiàn)寬量程、高精度心電圖頻率測量的原理,誤差分析及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。此方案接口電路簡單,充分利用了單片機的內(nèi)部資源,成本低,實際使用性能可靠。而且充分利用單片機軟件編程技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理,對測量誤差進(jìn)行修正,提高了儀器測量精度;對測量數(shù)據(jù)的進(jìn)行傳輸,使得本設(shè)計更加實用化。數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、

52、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，會被經(jīng)常使用到。 通過本次設(shè)計， 不但加深我對在課程上所學(xué)到的單片機理論知識的認(rèn)識和理解，重新讓自己認(rèn)識到了這門學(xué)科的在應(yīng)用方面的廣闊前景，并且通過知識與應(yīng)用于實踐的結(jié)合更加豐富了自己的知識。擴(kuò)展了知識面，不但掌握了本專業(yè)的相關(guān)知識，而且對其他專業(yè)的知識也有所了解，而且較系統(tǒng)的掌握單片機應(yīng) 用系統(tǒng)的開發(fā)過程，因而自身的綜合素質(zhì)有了全面的提高。 致 謝畢業(yè)設(shè)計給我?guī)砹瞬豢赡绲纳羁逃∠?我的收獲是巨大的，首先，在專業(yè)知識的理解與掌握上更進(jìn)了一步，通過對所

53、不理解的專業(yè)知識的查找，并最終將其理解掌握，而且融入到設(shè)計理念中，這是一個不斷成長和成熟的過程。最后,在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！我要借此機會感謝老師和同學(xué)們給予我的關(guān)心和幫助。首先我要感謝我的指導(dǎo)老師閔茹老師對我悉心的指導(dǎo)。每次向她請教問題，老師都不厭其煩地給我解答，糾正論文中出現(xiàn)的錯誤。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中不斷地督促我、鼓勵我，給予我莫大的動力。論文能夠按質(zhì)按量的順利完成，離不開閔老師的嚴(yán)格要求和無私幫助。我還要感謝給予我很多關(guān)心、幫助的老師和同學(xué)們。感謝三年來的各位老師在學(xué)業(yè)

54、上給予我精心的指導(dǎo)，感謝我所有的同學(xué)和朋友的支持，感謝你們陪我度過三年充實的大學(xué)生活。在這里向你們表示深深的敬意。參考文獻(xiàn)1 楊福生,呂揚生.生物醫(yī)學(xué)信號的處理和識別M.天津:天津科技翻譯出版公司1997,122 王保強.高精度測頻方案設(shè)計J.成都信息工程學(xué)院學(xué)報,2002(2):77-81.3 潘如寶.實用心電圖分析診斷指南.廣西科技大學(xué)出版社,2002.4 郭尚平.一種數(shù)字心率計的研制J.中國醫(yī)療器械雜志,1994,18(6):333334.5 談學(xué).基于單片機的等精度頻率計設(shè)計J.重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004(4):133-135.6 陳新.心臟性猝死的高?；颊?中華心律失常

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