任務(wù)書-基于51單片機(jī)的心率計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：設(shè)計(jì)（論文）題目：基于51單片機(jī)的心率計(jì)設(shè)計(jì)要求在社會(huì)飛速發(fā)展的今天，人們的物質(zhì)文化生活得到了極大的提高，但同時(shí)多種疾病威脅著人們的生命；而心臟病又是人們難以預(yù)防的突發(fā)致命疾病，所以健康也被越來越多的人所重視。本設(shè)計(jì)要解決的問題就是可以測(cè)量心率、預(yù)防心臟病等心臟方面疾病的數(shù)字心率計(jì)。便攜式數(shù)字人體心率計(jì)運(yùn)用STC89C51單片機(jī)作為核心控制處理單元，采用紅外傳感器作為傳感器，運(yùn)用軟件和硬件雙重濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體心率信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。測(cè)量范圍限可以用按鍵調(diào)節(jié)，并進(jìn)行聲音報(bào)警，傳感器可以放在身體脈搏明顯的任何部位，測(cè)量結(jié)果以數(shù)字方式方式顯示，測(cè)量精確到2次/分。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，本心率計(jì)已經(jīng)基本達(dá)到題目要求部分的全部指標(biāo)。研究?jī)?nèi)容：便攜式數(shù)字人體心率計(jì)運(yùn)用STC89C51單片機(jī)作為核心控制處理單元，采用紅外傳感器作為傳感器，運(yùn)用軟件和硬件雙重濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體心率信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)，最終以數(shù)值形式顯示在LCD上。本課題開發(fā)一款低功耗、便攜式數(shù)字心率計(jì)，具體要求如下：(1)實(shí)時(shí)顯示被測(cè)者心率值，并顯示；(2)可用按鍵設(shè)置正常心率的范圍，超過這個(gè)范圍，進(jìn)行報(bào)警提示。方案設(shè)計(jì)與論證：3.1傳感器的選擇與論證(1)壓電式壓電式傳感器的檢測(cè)方法是利用壓力傳感器或振動(dòng)傳感器將人體脈搏振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常見的壓力傳感器可用現(xiàn)有的壓電陶瓷代替。壓電式元件的內(nèi)阻極高，通常采用兩片相同的元件，使其極性反向相疊，由夾在中間的銅片作為一個(gè)電極。這樣，中央電極處于全空狀態(tài)，可以用具有良好絕緣性的導(dǎo)線引出。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感器種類多，一般的傳感器輸出信號(hào)也比較大，對(duì)后面的放大電路要求不高。壓電陶瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特點(diǎn)。(2)聲電式聲電式傳感器的作用是將氣體、液體或固體中傳播的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此，它也屬于力學(xué)量傳感器。它的制作材料一般由不定性無煙煤顆粒或壓電陶瓷構(gòu)成。顆粒式聲電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是耐用、成本低和容易制作，缺點(diǎn)是顆粒的機(jī)械磨損和接觸表面上的瞬間電弧會(huì)使顆粒逐漸老化，從而導(dǎo)致雜音大、性能不穩(wěn)定和非線性；而壓電陶瓷式的聲電傳感器在檢測(cè)聲音信號(hào)時(shí)卻存在著一定的缺陷。聲電式檢測(cè)方法是利用微音傳感器將人體的振動(dòng)的聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是作為傳感器的微音傳感器可利用現(xiàn)有的駐極體或電容式話筒，但其后面的電路要采取一定的措施將環(huán)境的聲音干擾信號(hào)濾去。(3)光電式光電系統(tǒng)通常是指能敏感由紫外光到紅外光的光能量，并將光能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。通常用的光電器件有光電二極管和光電三極管。光電式傳感器測(cè)量微小的位移變化有明顯的效果，但是光電傳感器對(duì)材料、電路控制和光電管屬性要求較高：1）吸收紅外光的能力極強(qiáng)2）介電常數(shù)小，以便得到大的輸出電壓。3）介電損耗小。光電式檢測(cè)方法是利用光電傳感器檢測(cè)人體內(nèi)血液流動(dòng)時(shí)對(duì)光的透過率或反射率不同而將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的方法。此種方法有兩種方式：一種是對(duì)射式，另一種是反射式。對(duì)射式是在一個(gè)大小合適的環(huán)的兩側(cè)各放一個(gè)發(fā)射管和一個(gè)接收管，測(cè)量時(shí)將人的手指伸到環(huán)中，由于手指中的血流量的變化而使光電接收管的光電流也隨之變化，反射式是光電發(fā)射與光電接收都指向一個(gè)方向，當(dāng)人體內(nèi)的血流發(fā)生變化時(shí)其對(duì)光的反射率也隨之變化，從而檢測(cè)出心率。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是外界干擾信號(hào)小，但其最大的難點(diǎn)是傳感器輸出信號(hào)小，對(duì)后面的放大電路要求較高。此外，對(duì)于干擾變化強(qiáng)烈的信號(hào)，回路不宜調(diào)制，可視光電管的定向角不同，光軸也不宜把握。綜上所述，從傳感器的制作工藝、材料的選取、受外界的干擾信號(hào)的干擾程度和制作過程中前級(jí)電路的處理難易程度上考慮，就選用一對(duì)紅外對(duì)射二極管實(shí)現(xiàn)。紅外傳感器的檢測(cè)、放大、濾波和整型并傳到單片機(jī)工作系統(tǒng)的過程見下圖3-1所示：圖3-1信號(hào)檢測(cè)處理工作流程圖3.2信號(hào)處理方案選擇和論證(1)小規(guī)模數(shù)字電路：采用小規(guī)模數(shù)字電路也可完成此方案的基本功能，電路框圖如圖3-2所示。圖3-2小規(guī)模數(shù)字電路心率計(jì)這種方案是采用一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將處理后的脈波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在1分鐘內(nèi)將計(jì)數(shù)值顯示。此方案的不足是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單一些的過程控制功能都要用好多片電路，且數(shù)字電路器件功能單一，一旦硬件電路定型就難以改動(dòng)，尤其在題目要求中，要實(shí)現(xiàn)心率測(cè)量并顯示，還要超限報(bào)警等等，則顯得力不從心。(2)PLD：可編程邏輯器件(PLD)突破了小規(guī)模數(shù)字電路功能單一的缺點(diǎn)，可以按照設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)分析出來的邏輯要求去編程定義，應(yīng)用起來確實(shí)方便，設(shè)計(jì)也比較靈活。針對(duì)題目要求，該方案應(yīng)該至少由傳感器電路、閘門電路、計(jì)數(shù)器電路、數(shù)字鎖存電路、顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、PC接口電路七部分構(gòu)成，在閘門信號(hào)允許時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，閘門寬度為單位時(shí)間。顯然電路復(fù)雜，一旦涉及到數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)記憶、數(shù)據(jù)通信等功能要求時(shí)，其實(shí)現(xiàn)難度可想而知。(3)單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大家有目共睹，其體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被默認(rèn)。在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、過程控制和儀表智能化、軍事領(lǐng)域、多媒體系統(tǒng)和信息高速公路甚至家用電器和家庭自動(dòng)化等方面都可以看到單片機(jī)的影子，可謂立下了汗馬功勞。單片機(jī)內(nèi)部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、總線甚至A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路，功能十分強(qiáng)大。許多在數(shù)字電路、模擬電路中的難題都在單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)中得到了出乎意料的解決效果，通過對(duì)程序和外部少許電路的修改即可以改變整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能?？梢浦残院涂删S護(hù)性得到極大的改善。在數(shù)據(jù)分析、處理、記憶、通訊等方面表現(xiàn)相當(dāng)出色。根據(jù)題目提出的要求，單片機(jī)控制當(dāng)為首選。以單片機(jī)為主外設(shè)顯示器、鍵盤、通訊、打印接口等硬件電路，完成脈波計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示、通訊、記憶等功能。根據(jù)以上方案比較，本課題決定采用以紅外傳感器為傳感器，以單片機(jī)為主控芯片外輔少量硬件電路完成數(shù)據(jù)處理、記憶、顯示、通訊等功能。硬件框圖如圖2-3所示。圖3-3單片機(jī)心率計(jì)3.3單片機(jī)系統(tǒng)選擇AT89C2051、STC89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，是一種高性能、低損耗、CMOS八位微處理器。AT89C2051與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多新的功能，功能強(qiáng)、靈活性高而且價(jià)格低廉。AT89S52可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，增加系統(tǒng)可靠性，縮小系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本。程序長(zhǎng)度只要不大于4K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶。系統(tǒng)運(yùn)行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴(kuò)充外部RAM。采用STC89C51單片機(jī)，其內(nèi)部有4KB單元的程序存儲(chǔ)器。而且具有兩個(gè)定時(shí)器，正好滿足系統(tǒng)多機(jī)通信時(shí)所用。比較以上方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用STC89C51。3.4顯示模塊選擇和論證(1)液晶顯示液晶單元是容性負(fù)載，液晶的電阻在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)，是無極性的，即正壓和負(fù)壓的作用效果是一樣的。液晶顯示器件在直流電壓作用下會(huì)發(fā)生電解作用，故必須用交流驅(qū)動(dòng)，并且限定交流成分中的直流分量不大于幾十mv；由于液晶在電場(chǎng)作用下光學(xué)性能的改變是依靠液晶作為彈性連續(xù)體的彈性變形，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，所以交變驅(qū)動(dòng)電壓的作用效果不取決于其峰值，在頻率小于1000Hz情況下，液晶透光率的改變只與外電壓的有效值相關(guān)。液晶顯示信息量大、長(zhǎng)壽命、低壓驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。(2)LED動(dòng)態(tài)顯示數(shù)碼管是一類顯示屏通過對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流，會(huì)使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示時(shí)間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。由于它的價(jià)格便宜使用簡(jiǎn)單在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最廣泛的顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的八個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連起來，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)有字形碼輸出時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在動(dòng)態(tài)顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)及人的視覺暫留現(xiàn)象，實(shí)際上盡管數(shù)碼管不是同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度很快，給人的印象就是穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有感覺到閃爍，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。根據(jù)以上兩種方案比較，液晶顯示具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，顯示效果好，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。所以就選擇液晶來實(shí)現(xiàn)顯示功能。參考文獻(xiàn)：[1]陳文彬,王友赤.診斷學(xué)[M].人民衛(wèi)生出版社,2002.45-90.

[2]王瑞元,孫學(xué)川,熊開宇.運(yùn)動(dòng)生理學(xué)[M].人民體育出版社,2002.76-81.[3]姜元恩，邢武；基于脈搏波速度測(cè)量的動(dòng)脈硬化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2007.8.12(5).[4]姜元恩，邢武：半導(dǎo)體應(yīng)變片式脈搏傳感器在動(dòng)躲硬純檢測(cè)系統(tǒng)中酶應(yīng)用[Z].安徽省傳感器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展論壇，2007.10.[5]朱彤、李婉媚．脈搏波傳導(dǎo)速度測(cè)定的新認(rèn)識(shí)[J].醫(yī)療保健器具，2006．(8).[6]羅志昌、張松、楊文鳴．脈搏波波形特征信息的研究[N]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)．1996.1.10(11).[7]趙玉霞等．橈動(dòng)脈脈圖在心血管血流動(dòng)力學(xué)定量監(jiān)測(cè)中的價(jià)值[N]．山東醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)．1994.1.20(1).[8]陳春曉等．無倉(cāng)Ⅱ，血管功能測(cè)試診斷儀的研究[J]．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2003.1.15(33).[9]［日］.西山一郎,兆十編著.耿連發(fā),潘維林譯.自律型機(jī)器人制作[J].科學(xué)出版社OHM社2002.3.8-102.[10][德]WOLFGANGKLOSTERHALFENUniversityofDusseldorf,4000Dusseldorf,FederalRepublicofGermany.