便攜式心率測(cè)試儀電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

便攜式心率測(cè)試儀電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告五邑大學(xué)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)題報(bào)告題目：便攜式心率測(cè)試儀院系信息工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師報(bào)告日期2012.12.18１６目錄摘要22、課題研究意義22.1.背景22.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求23、方案設(shè)計(jì)說明23.1硬件電路原理分析說明23.1.1信號(hào)放大電路23.1.2濾波電路33.1.3整形電路43.1.4單片機(jī)信號(hào)處理電路43.1.5數(shù)碼管顯示電路53.2軟件設(shè)計(jì)63.2.1編程環(huán)境與開發(fā)工具63.2.2源程序及注解7調(diào)試過程遇到的問題與解決的方法95、設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)96、參考文獻(xiàn)97、附錄101、摘要本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的便攜式心率測(cè)試儀.接受心率測(cè)試檢測(cè)模塊發(fā)送的信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析并顯示，從而實(shí)現(xiàn)心率測(cè)試功能。該系統(tǒng)的硬件單元包括信號(hào)放大電路、濾波電路、整形電路、單片機(jī)控制電路和數(shù)碼管顯示電路。采用了放大電路后，使得采集的脈搏信號(hào)放大到整形電路要求的電壓幅度。濾波電路消除了干擾，得到特定頻率的低頻信號(hào)。整形電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)內(nèi)的處理程序?qū)⒔邮盏降男盘?hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得出心率值，經(jīng)單片機(jī)I/O口發(fā)送給由數(shù)碼管組成的顯示模塊顯示。2、課題研究意義2.1背景健康的重要性不言而喻，越來越多的研究表明心率是健康極其重要的指標(biāo)。一般人們?yōu)榱酥雷约旱倪\(yùn)動(dòng)或者勞動(dòng)強(qiáng)度是否超負(fù)荷，尤其是老年人、運(yùn)動(dòng)員等，他們都得趕到醫(yī)院而不能實(shí)時(shí)測(cè)量和預(yù)知。為了貫徹黨和國家“預(yù)防為主”的醫(yī)療方針，滿足人們能享受基本醫(yī)療保健的愿望，便攜式心率測(cè)試儀應(yīng)運(yùn)而生，也極具市場(chǎng)潛力。心臟病人往往需要經(jīng)常去醫(yī)院定期心臟檢測(cè)，此儀器可以隨時(shí)將病人的心臟情況記錄和保存，并發(fā)送給醫(yī)生，從而給病人帶來便捷也有助于治療；當(dāng)心臟類疾病突發(fā)時(shí)，也可以提前將心臟情況發(fā)送給醫(yī)生，從而縮短救援時(shí)間，提高救援成功率。2.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)基于C51單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀。2.2.2要求：（1）設(shè)計(jì)脈搏波放大、濾波、整形電路，實(shí)現(xiàn)所采集的脈搏信號(hào)的放大、濾波、整形。（2）設(shè)計(jì)單片機(jī)電路及處理程序與數(shù)碼管顯示電路，實(shí)現(xiàn)心率信號(hào)的處理與正確顯示。方案設(shè)計(jì)說明3.1硬件電路原理分析說明3.1.1信號(hào)放大電路作用：將采集的幅度值過小的心率信號(hào)放大到足夠大的幅值。原理：電路如圖所示:利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)反向比例放大電路。運(yùn)算放大器在深度負(fù)反饋的條件下工作于線性區(qū)，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念對(duì)以上電路進(jìn)行分析，可得：放大器增益Ua=-R17/R16=20電路采用LM324雙極型線性集成放大器，有直流電壓增益高(約100dB)

單位增益頻帶寬等特點(diǎn)，同理再接一級(jí)放大器后放大增益為400，電路圖如下：3.1.2濾波電路作用：由于心律值為低頻周期信號(hào)，需要濾除高頻雜波信號(hào)得到特定頻率的低頻信號(hào)。原理：電路如圖所示。由于一階低通濾波器的濾波特性和理想低通濾波器的特性相差較大，為了使實(shí)際低通濾波器特性更接近理想特性，電路采用了由一階濾波器基礎(chǔ)上外加RC網(wǎng)絡(luò)組成的二階壓控有源低通濾波電路，是高頻段的衰減斜率更大，濾波效果更好。二階濾波器截止頻率fH=1/2πRC通帶電壓增益Aup=1+Rf/R1,R=R24=R22=100k,Rf=R19=10k得截止頻率為fH=15HZ，放大增益為23.1.3整形電路作用：把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。原理：電路圖如圖所示，555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。設(shè)計(jì)采用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，各引腳功能分別為：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端，接經(jīng)放大、濾波后的心率信號(hào)3腳：輸出端Vo，與單片機(jī)輸入端相連4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用所以接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，該端不用，故將該端串入一只10nF電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。在此電路不用8腳：外接電源VCC，一般用5V。當(dāng)輸入信號(hào)V1從零逐漸升高時(shí)當(dāng)V1<1/3Vcc時(shí)，Vo輸出高電平；當(dāng)1/3Vcc<V1<Vcc時(shí)，Vo保持不變，輸出高電平；當(dāng)V1>2/3Vcc時(shí)，Vo輸出低電平；當(dāng)輸入信號(hào)V1從V1>2/3Vcc逐漸下降時(shí)當(dāng)V1>2/3Vcc時(shí)，Vo輸出低電平；當(dāng)1/3Vcc<V1<Vcc時(shí)，Vo保持不變，輸出低電平；當(dāng)V1<1/3Vcc時(shí)，Vo輸出高電平；3.1.4單片機(jī)信號(hào)處理電路作用：對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行處理并輸出心率信號(hào)到顯示模塊。原理:電路圖如圖所示，AT89C51芯片的40個(gè)引腳圖及其功能為：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在本設(shè)計(jì)中做輸出端口，分別接數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g,dp.P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P1口在本設(shè)計(jì)中不用。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口在本設(shè)計(jì)中分別通過PNP三極管接共陽數(shù)碼管的1，2，3，4腳。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。電路中由11.0592MHZ晶振Y1、電容C2、C3組成單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩電路，開關(guān)S2、電容C1、R13組成單片機(jī)的復(fù)位電路。3.1.5數(shù)碼管顯示電路作用：通過數(shù)碼管顯示將心率信號(hào)直觀地顯示。原理：本設(shè)計(jì)采用四位七段共陽數(shù)碼管，從正面看，數(shù)碼管管腳從左到右，上面管腳分別為：1,a,f,2,3,b，下面管腳分別為：e,d,dp,c,g,41,2,3,4是4個(gè)數(shù)碼管的位選，為位選通管腳，由于是共陽數(shù)碼管，所以位選要接三極管驅(qū)動(dòng)，分別通過三極管與單片機(jī)的P2口連接，a,b,c,d,e,f,g,dp是段碼，低電平有效。各管腳與單片機(jī)間連接一個(gè)1k電阻，起限流作用。數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描單片機(jī)通過運(yùn)算得出心率，并通過P0管腳輸出顯示。由于四位數(shù)碼管的段選并聯(lián)，所以每次只能有一位數(shù)碼管處于接通狀態(tài)，在編程時(shí)，需要輸出段選和位選，位選信號(hào)選中一個(gè)其中一個(gè)數(shù)碼管，然后輸出段碼，使數(shù)碼管顯示所需要的內(nèi)容，延時(shí)1~2ms后，再顯示下一個(gè)數(shù)碼管，數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描利用了人眼的暫留效應(yīng)，通過短時(shí)間內(nèi)的交替顯示而使人看到數(shù)碼管同時(shí)顯示。3.2軟件設(shè)計(jì)3.2.1編程環(huán)境與開發(fā)工具由VisualC++編寫源程序，并通過uvision軟件檢測(cè)無錯(cuò)誤后，燒錄到單片機(jī)內(nèi)。程序運(yùn)行無錯(cuò)誤。3.2.2源程序及注解#include<reg52.h>//包含C51頭文件#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintbitflag=0;ucharnum,t,shu,bai,shi,ge;//定義變量sbitZD=P3^2;sbitd1=P2^7;sbitd2=P2^6;sbitd3=P2^5;uintxintiao;ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80f};ucharcodetable1[]={001,010,100};//定義的數(shù)據(jù)要放在ROM里面voiddelay(ucharz)//延時(shí)函數(shù)延時(shí)時(shí)間=z*j個(gè)機(jī)器時(shí)間{ uchari,j; for(i=z;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--);}voidXS(ucharbai,ucharshi,ucharge)//顯示函數(shù){ d3=table1[2]; P0=table[bai]; delay(5);//輸出顯示一位后延時(shí)5個(gè)機(jī)器周期 d2=table1[1]; P0=table[shi]; delay(5); d1=table1[0]; P0=table[ge]; delay(5);}voidmain(){ TMOD=0x01;//設(shè)置定時(shí)器0為定時(shí)模式在工作方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1;//開總中斷 ET0=1;//允許定時(shí)器0開中斷 EX0=1;//允許外部中斷0中斷 IT0=1;//外部中斷0選擇電平觸發(fā)方式 t=20; XS(0,0,0);//數(shù)碼管顯示000初值 while(!flag); xintiao=shu*3; bai=xintiao/100; shi=(xintiao-bai*100)/10; ge=xintiao%10; while(1) { XS(bai,shi,ge);//輸出顯示分別為百、十、個(gè)位 }}voidT0_time()interrupt1//定時(shí)器0中斷{ TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; num++; if(num==20) { num=0; t--; if(t==0) { TR0=0;//定時(shí)器0關(guān)閉 EX0=0; flag=1;//外部中斷0關(guān)閉 } }}voidINT0_ZD()interrupt0{ TR0=1;//定時(shí)器0開始工作 shu++;}調(diào)試過程遇到的問題與解決的方法在做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)自己對(duì)一些專業(yè)軟件和知識(shí)還不夠熟悉，比如：設(shè)計(jì)開始事還沒有很多地接觸單片機(jī)、沒用過Proteus軟件、仿真軟件不熟悉，C++程序設(shè)計(jì)知識(shí)遺忘等等。讓設(shè)計(jì)開始時(shí)舉步維艱解決方法：通過跟同學(xué)請(qǐng)教、討論，還有借助網(wǎng)絡(luò)搜索信息。第一部分剛組裝好電路板后出不來方波。解決方法：用示波器根據(jù)電路圖，逐個(gè)逐個(gè)階段地測(cè)量分析，最終找到問題出在哪段放大電路。設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)在整個(gè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)達(dá)十六周的過程中，我感覺自己學(xué)到了很多，也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，從剛開始接觸這個(gè)課程，由于基礎(chǔ)太扎實(shí)，電路和編程知識(shí)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用，這個(gè)問題在后來的實(shí)踐中也證實(shí)了，從電路的設(shè)計(jì)到PCB排版，我不僅踏踏實(shí)實(shí)地復(fù)習(xí)了一遍之前的模電和protel軟件知識(shí)，我也感受到了要成為一名優(yōu)秀的技術(shù)人員，耐心是必不可少的。不知道數(shù)碼管怎么與單片機(jī)使用，我就上網(wǎng)查詢，通過搜索我了解到了各種類型數(shù)碼管的各種特性和使用方法，不禁感嘆網(wǎng)絡(luò)資源的豐富和善于思考的重要性。在對(duì)單片機(jī)程序的編寫過程中，我犯了很多的錯(cuò)誤，經(jīng)過一次又一次的修改，才一步一步得接近我預(yù)想的結(jié)果，這過程中我感受到了單片機(jī)這塊內(nèi)容的博大精深，自己對(duì)它的掌握還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要自己繼續(xù)加深學(xué)習(xí)和研究，才能有所突破，同時(shí)也激勵(lì)