【基于單片機(jī)的心率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（論文）14000字】

第第頁(yè)3系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)為了提高心率測(cè)量硬件系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、低成本、可拓展性需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：如何提高可靠性：硬件結(jié)構(gòu)由一系列元器件組成，元器件是產(chǎn)品的核心，元器件的性能與產(chǎn)品的可靠性不可分割，產(chǎn)品關(guān)鍵器件的選型尤其重要，需要考慮產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能、使用環(huán)境以及產(chǎn)品使用周期對(duì)關(guān)鍵器件選取[14]；如何降低成本：如今國(guó)家提倡本創(chuàng)新，但是要在滿足產(chǎn)品的性能時(shí)如何降低成本是產(chǎn)品在研發(fā)器件需要重點(diǎn)考慮的方面，目前很多國(guó)產(chǎn)電子元器件性能快速發(fā)展，有些國(guó)產(chǎn)電子元器件經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、性能還比國(guó)外的好，因此在選擇元器件優(yōu)先選擇國(guó)產(chǎn)，第二在關(guān)鍵器件上建立多個(gè)供應(yīng)方，第三產(chǎn)品的性能不要過(guò)剩設(shè)計(jì)，在這三個(gè)基礎(chǔ)本可以滿足產(chǎn)品的性能上極大降低成本[15]。如何穩(wěn)定運(yùn)行：產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行主要體現(xiàn)在故障率與性能上，這兩個(gè)方面直接關(guān)聯(lián)的是硬件與軟件模塊上，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮后期軟件是否簡(jiǎn)易就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，從而提高產(chǎn)品的性能，故障率一般指硬件故障，因此在選擇硬件元器件重點(diǎn)關(guān)注可靠性，另外硬件電路設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)易不要過(guò)度復(fù)雜，最好先通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)基本功能[10]；如何提高可擴(kuò)展性：硬件與軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件上預(yù)留一些普通I/O、AD、PWM口，這些不用的口進(jìn)行上拉或者下拉來(lái)固定電平。若后期擴(kuò)展功能可以直接調(diào)用使用，從而提高產(chǎn)品的可擴(kuò)展性能。3.1單片機(jī)技術(shù)介紹運(yùn)用外圍設(shè)備采集系統(tǒng)需要給定的條件，其中給定的條件可以是環(huán)境參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、人類五官輸出參數(shù)等都可以作為系統(tǒng)輸入信息；單片機(jī)操作系統(tǒng)由四層組成，系統(tǒng)框架底層（一般MCU廠家提供）、網(wǎng)絡(luò)層（提供層與層通訊方式）、物理層、應(yīng)用層（客戶層），前三層所有系列的MCU基本上都相似，產(chǎn)品出廠前都固話在芯片內(nèi)部，應(yīng)用層是客戶根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能與完成的指令進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中設(shè)計(jì)的軟件部分就是應(yīng)用軟件；單片機(jī)硬件由最小系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換部分組成，其中最小系統(tǒng)（晶振電路：提供時(shí)間參數(shù)、復(fù)位電路：初始化系統(tǒng)運(yùn)行、程序燒寫電路），電源轉(zhuǎn)換是把輸入的固定電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各個(gè)部分所需的電壓值。下圖是單片機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖。圖3-1單片機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖3.2控制中樞模塊與外電源轉(zhuǎn)換電路3.2.1控制中樞模塊介紹在心率測(cè)量系統(tǒng)控制中樞核心是ST公司型號(hào)52單片機(jī)芯片，本次選用的是STC89C52芯片，保持I/O兼容性，但是運(yùn)行速度更快、內(nèi)存較豐富，價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。ST公司型號(hào)52單片機(jī)芯片由定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷處理器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)處理器等四個(gè)部分組成。定時(shí)計(jì)數(shù)器是硬件上由觸發(fā)芯片和定時(shí)晶元組成，在系統(tǒng)主要作為定時(shí)器與計(jì)數(shù)器使用，52芯片有2個(gè)定時(shí)器與1個(gè)計(jì)數(shù)器，運(yùn)用一定軟件配置，定時(shí)器與計(jì)數(shù)器可以相互轉(zhuǎn)換；中斷處理器在硬件上由SIC片和晶元組成，52芯片一共有5個(gè)中斷處理器，其中中斷0優(yōu)先級(jí)最高，中斷4優(yōu)先級(jí)最低，中斷0一般用在復(fù)位信號(hào)中，可以無(wú)條件響應(yīng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在硬件由磁頭、磁芯和磁盤組成，由內(nèi)到外像渦流狀，上面有上億個(gè)存儲(chǔ)小單元空間，每個(gè)小空間都有獨(dú)立的地址，每個(gè)小空間可以存儲(chǔ)8個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)處理器一般有軟件配置而且，當(dāng)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器調(diào)用出來(lái)后會(huì)進(jìn)入處理器進(jìn)行處理，處理的后結(jié)果再次存入存儲(chǔ)器，然后由輸出模塊調(diào)用處理后的數(shù)據(jù)送入顯示模塊[7]。ST公司的52系列單片機(jī)芯片與51系列芯片供電范圍一樣，為5V±0.5V，芯片內(nèi)部的通流能力固定，當(dāng)供電電壓低于4.5V時(shí)，電源的供電功率達(dá)不到單片機(jī)芯片最小啟動(dòng)功率，會(huì)造成單片機(jī)芯片無(wú)法正常工作，很多字模塊無(wú)法運(yùn)行；當(dāng)供電電壓超過(guò)5.5V時(shí)，電源的供電功率超過(guò)單片機(jī)芯片最大的啟動(dòng)功率會(huì)造成單片機(jī)芯片直接燒毀。ST公司的52系列單片機(jī)芯片內(nèi)部嵌入16Kb的隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM），因此不用外部額外擴(kuò)展隨機(jī)存儲(chǔ)器，使用52芯片的系統(tǒng)在運(yùn)行速度相比于其它內(nèi)部不嵌入SARM會(huì)更快。另外ST公司的52系列單片機(jī)芯片很多GPIO具有復(fù)合功能，比如P30與P31通過(guò)軟件可以配置成普通GPIO口或者串口，作為普通GPIO可以作為輸入輸出口，當(dāng)作為串口時(shí)，可以為程序下載口或者通信口。下圖是ST公司的52系列單片機(jī)管腳功能圖。圖3-2：ST公司的52系列單片機(jī)管腳功能圖3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換電路ST公司的52系列單片機(jī)芯片與51系列芯片供電范圍一樣，為5V±0.5V，額定電壓是DC5V。一般設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入電壓為市電AC220V，利用LM393進(jìn)行整流降壓與濾波穩(wěn)壓使輸入電壓AC220V轉(zhuǎn)化問(wèn)輸出DC5V。操作操作步驟如下電源轉(zhuǎn)換示意圖：圖3-3電源轉(zhuǎn)換示意圖3.3主要輸入與輸出信號(hào)電路設(shè)計(jì)3.3.1LCD1602液晶屏顯示電路設(shè)計(jì)在心率測(cè)量系統(tǒng)中需要顯示系統(tǒng)輸出的參數(shù)，目前常用的顯示模塊有OLED顯示屏、TFT顯示屏與LCD1206。OLED液晶屏有一些列發(fā)光燈珠組成，發(fā)光燈珠是冷光電子管，具有顯示清晰，功耗低同時(shí)顯示中英文字符，目前廣泛使用在手機(jī)、電腦等電子設(shè)備上，但是控制方式復(fù)雜并且成本很高。TFT顯示屏又稱PN結(jié)屏，是由高度集成PN結(jié)發(fā)光二極管組成，二極管具有正向?qū)ㄐ?，通過(guò)電平控制二極管的導(dǎo)通與關(guān)閉顯示不同的圖形，控制簡(jiǎn)單容易操作，但是發(fā)光二極管由于高度集成長(zhǎng)期使用容易損壞，不能連續(xù)工作否則會(huì)因過(guò)度發(fā)熱燒毀。LCD12864與LCD1206液晶屏組成成分相同，都是由點(diǎn)陣屏排列而成，具有控制方式簡(jiǎn)單、顯示清晰、成本較低可以長(zhǎng)期使用等特點(diǎn)，目前廣泛使用在工業(yè)產(chǎn)品上，LCD12864可以顯示中英文字符，顯示中文時(shí)需要軟件對(duì)進(jìn)行字符，由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)只需要顯示英文，因此選用成本較低的LCD1602液晶屏。LCD1602液晶屏是在HD44780液晶屏的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)而成，主要區(qū)別是HD44780是由物理信號(hào)控制的，而LCD1602由數(shù)字量控制，因此控制準(zhǔn)確度更高。LCD1602主要有顯示晶元、處理單元和存儲(chǔ)器組成。顯示晶元是對(duì)外設(shè)備，人機(jī)交互界面；LCD1602由DDRAM、CGRAM與CDROM三類存儲(chǔ)組成，分別存儲(chǔ)不同的內(nèi)容，其中DDRAM存儲(chǔ)控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，CGROM存儲(chǔ)處理單元輸出數(shù)據(jù)，CDROM存儲(chǔ)液晶屏底層顯示程序。LCD1602液晶屏的管腳功能如下表所示：表3-1LCD1602液晶屏的管腳功能LCD1602液晶屏供電電壓范圍5V±0.5V，額定電壓是5V，本系統(tǒng)輸入電壓為5V，因此不需要額外增加電源轉(zhuǎn)換電本系統(tǒng)使用的是5V電壓。該液晶顯示模塊采用雙電源供電，一路是系統(tǒng)硬件單元供電另一路是背光電源，背光電源電路由電位器控制，通過(guò)調(diào)整電位器阻值控制背光亮度，從而使控制液晶屏的清晰度。LCD1602共有8根數(shù)據(jù)線，總共可以顯示28種類字符，液晶屏處理單元收到控制中心發(fā)來(lái)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)字符變量對(duì)比輸出需要顯示的內(nèi)容。3.3.2心率信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)心率信號(hào)采集是采用光電傳感器。使用光電傳感器將采集到的人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別電信號(hào)。因?yàn)槿梭w指尖皮膚厚度較薄，透夠厚度小，能夠檢測(cè)的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此裝置做成指套用在指尖上。本模塊的工作原理是當(dāng)光電傳感器一側(cè)的發(fā)光二極管放射紅外光，把指尖放在紅外光上，光源發(fā)出的光一部分被指尖組織吸收，一部分被血液漫反射返回，其余光透射出來(lái)。當(dāng)脈搏發(fā)生波動(dòng)時(shí)，血液中血紅蛋白含量變化及濃度使得發(fā)光二極管放射紅外光線發(fā)生改變。此時(shí)另一邊的光電三極管接收到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，因此就把心率強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此外光電傳感器接收到的脈搏信號(hào)非常小，采集到電信號(hào)只有幾十毫伏，需要把采集到的電信號(hào)放大。與此同時(shí)，為了使單片機(jī)更好地識(shí)別，加入了比較器使輸出信號(hào)為方波。此心率采集模塊工作電壓是3.3V，而系統(tǒng)供電電壓是5V，采用AMS1117-3.3降壓模塊，直接把5V電壓降為3.3V供心率模塊工作。如下圖所示。圖3-4心率信號(hào)采集模塊電路圖本次設(shè)計(jì)中選擇pulsesensor光電傳感器作為心率的檢測(cè)器件，其工作原理是：當(dāng)沒(méi)有物體反射紅外線時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)沒(méi)有物體遮擋時(shí)，傳感器輸出高電平。當(dāng)心率傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，LM393比較器上面的LED指示燈會(huì)進(jìn)行閃爍，每閃爍一次代表采集到一次信號(hào)，可以通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)靈敏度。3.4系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能與元器件選型確定后就進(jìn)入原理圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，原理圖把系統(tǒng)需要的元器件按照功能電路進(jìn)行電氣連接，目前常用的原理圖繪制軟件有Protel、AltiumDesigner、Candence等工程軟件，這些電子線路設(shè)計(jì)軟件都是在TANGO軟件包開(kāi)發(fā)的，Protel是TANGO升級(jí)版，集成了印制電路板設(shè)計(jì)與仿真功能，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度與增加快捷鍵，AltiumDesigner是Protel衍生版本，后來(lái)Protel逐漸被AltiumDesigner所替代，目前常用的AltiumDesigner版本為AltiumDesigner10與AltiumDesigner15。Candence主要用在高速電路板設(shè)計(jì)上，集成了強(qiáng)大高度電路仿真能力，一般用在手機(jī)主控板、電腦主板等方面上。心率測(cè)量原理圖與PCB采用AltiumDesigner10軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)模塊電路圖，具體繪制步驟如下：列出本系統(tǒng)使用的元器件，根據(jù)元器件尺寸圖在AltiumDesigner10軟件中繪制封裝圖，若之前所用過(guò)的器件則不需要再繪制封裝圖；建立心率測(cè)量工程文件與PCB文件，在原理圖繪制界面調(diào)出本系統(tǒng)需要的元器件；原理圖設(shè)計(jì)完成后，對(duì)所有的原理圖進(jìn)行檢查，若檢查無(wú)問(wèn)題導(dǎo)入到PCB工作簿中；根據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)繪制印制電路板的尺寸，確定功能模塊布局，并進(jìn)行走線繪制與輔銅；走線繪制與輔銅完成后進(jìn)行DRC（電氣關(guān)系）檢查，若沒(méi)有問(wèn)題，在接口或者關(guān)鍵部分標(biāo)出絲印。下圖是原理圖設(shè)計(jì)流程圖。圖3-5原理圖設(shè)計(jì)流程理圖3.5系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境搭建在軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，可以先用萬(wàn)用板焊接出實(shí)物，確定系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求后根據(jù)設(shè)計(jì)好的PCB利用導(dǎo)線進(jìn)行連接與焊接，調(diào)試環(huán)境主要包括焊接實(shí)物、供電電源、示波器和萬(wàn)用表等工具。其中實(shí)物焊接主要分為以下步驟：把元器件進(jìn)行功能模塊分類，如單片機(jī)最小系統(tǒng)、信號(hào)采集電路、電源轉(zhuǎn)換電路、和放在一起，并且用萬(wàn)用表測(cè)量電阻阻值、電容容值、二極管極性是否在正常范圍內(nèi)；在萬(wàn)用板上確定結(jié)構(gòu)布局，縱向一般采用輸入信號(hào)靠近板子下端，板子中間為單片機(jī)最小系統(tǒng)，最上端為輸出信號(hào)端；橫向一般采用左側(cè)信號(hào)輸入端，中間為信號(hào)處理端，右側(cè)為信號(hào)輸出端，所以本系統(tǒng)布局為：下方為電源輸入接口，中間為單片機(jī)控制中心；心率測(cè)量系統(tǒng)布局完成后，把各個(gè)功能模塊元器件依次插入到在面包板上；元器件放置在面包板上后用電烙鐵進(jìn)行焊接，首先把元器件固定在面包板上，然后用斜口鉗剪去元器件多余的管腳，最后根據(jù)電氣關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)線路焊接；最后一步檢查，主要包括虛焊、漏焊接不良檢查、短路檢查、功能模塊電路檢查、電氣關(guān)系檢查等。如下圖為焊接的硬件實(shí)物圖。圖3-6焊接硬件實(shí)物圖3.6本章總結(jié)本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)由單片機(jī)芯片、LCD1602液晶顯示電路、心率采集電路組成。介紹了控制中心中最小系統(tǒng)電路與電路設(shè)計(jì)思路與硬件電路設(shè)計(jì)思路，對(duì)從功能上介紹了系統(tǒng)外圍電路組成硬件電路部分。再再對(duì)原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成PCB圖將其連接，最后根據(jù)PCB圖的設(shè)計(jì)利用導(dǎo)線將所有元器件連接，完成系統(tǒng)搭建。4系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)為了提高心率測(cè)量軟件系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：（1）如何提高可靠性：軟件結(jié)構(gòu)由一系列功能模塊程序與底層模塊程序組成，底層程序是產(chǎn)品的“大腦”，功能模塊程序是產(chǎn)品的“四肢”。模塊程序的性能與產(chǎn)品的可靠性不可分割，底層模塊程序一般MCU在出廠時(shí)已經(jīng)固化在芯片內(nèi)部，產(chǎn)品的規(guī)劃時(shí)功能模塊程序的確定尤其重要，需要考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能、使用環(huán)境以及產(chǎn)品使用周期對(duì)功能模塊程序的確定；（2）如何穩(wěn)定運(yùn)行：產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行主要體現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行效率與性能上，影響這兩個(gè)方面主要是軟件結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮是否簡(jiǎn)易就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，從而提高產(chǎn)品的統(tǒng)運(yùn)行效率；（3）如何提高可擴(kuò)展性：硬件與軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件上預(yù)留一些普通I/O、AD、PWM口，這些不用的口進(jìn)行上拉或者下拉來(lái)固定電平。若后期擴(kuò)展功能可以直接調(diào)用使用，從而提高產(chǎn)品的可擴(kuò)展性能。4.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)好后進(jìn)入軟件設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用Keil為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件結(jié)構(gòu)由一系列功能模塊程序與底層模塊程序組成，底層模塊程序一般MCU在出廠時(shí)已經(jīng)固化在芯片內(nèi)部，軟件設(shè)計(jì)時(shí)直接調(diào)用即可，在底層程序基本上進(jìn)行應(yīng)用程序和通訊程序設(shè)計(jì)。4.1.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境ST公司51/52和STM32單片機(jī)芯片開(kāi)發(fā)軟件都可以用Keil軟件，51系列使用的KeilC51版本，STM32使用的是KeiluVision版本，Keil軟件是德國(guó)KeilSoftware推出的，目前意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單片機(jī)芯片都可以使用Keil軟件作為編譯環(huán)境。Keil軟件是圖形化界面，快捷方式便利并且可以自定義快捷鍵，結(jié)合仿真器可以對(duì)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行在線編譯、仿真與修改。Keil軟件層次結(jié)構(gòu)明了，芯片的底層程序已經(jīng)嵌入到軟件中，只要確定芯片種類，底層程序就自動(dòng)被調(diào)用。其中Keil有以下特點(diǎn)：Keil軟件可以在多種操作系統(tǒng)中使用，如WINXP、Linux、Ubuntu等多種操作系統(tǒng)；Keil軟件結(jié)合仿真器支持在線調(diào)試與仿真實(shí)驗(yàn)，可以使得軟件單點(diǎn)或者多點(diǎn)運(yùn)行；Keil有多種快捷方式并且可以自定義，極大促進(jìn)了軟件發(fā)開(kāi)效率，常用程序編寫錯(cuò)誤可以實(shí)時(shí)提示，當(dāng)在軟件編譯出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)可以快速定位錯(cuò)誤位置，增強(qiáng)軟件運(yùn)行速度。4.1.2軟件開(kāi)發(fā)工具在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若需要實(shí)現(xiàn)軟件在線編譯、修改與仿真，則需要仿真器工具，其中仿真器相當(dāng)于虛擬硬件，可以軟件進(jìn)行“跑”，在軟件開(kāi)發(fā)初期充當(dāng)硬件實(shí)物使用，另外使用仿真器給系統(tǒng)燒寫軟件速度很快。4.2軟件框架和工作流程4.2.1軟件框架介紹軟件框架主要包含底層軟件架構(gòu)與應(yīng)用軟件框架，底層模塊程序一般MCU在出廠時(shí)已經(jīng)固化在芯片內(nèi)部，產(chǎn)品的規(guī)劃時(shí)功能模塊程序的確定尤其重要，應(yīng)用軟件是系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行撰寫，下圖是軟件架構(gòu)。圖4-1軟件架構(gòu)圖4.2.2軟件工作流程軟件啟動(dòng)后，首先系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位一次，對(duì)變量進(jìn)行清零，然后進(jìn)入初始化模塊程序，然后控制中下發(fā)指令到系統(tǒng)輸入模塊，把傳感器采集到的數(shù)據(jù)送入控制單元，控制中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一些列處理后，處理后的數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)器，當(dāng)需要數(shù)據(jù)輸出后，控制中心下發(fā)輸出指令到輸出模塊，最后數(shù)據(jù)模塊調(diào)用剛才存儲(chǔ)器里面數(shù)據(jù)。下圖為軟件工作流程圖。圖4-2軟件工作流程圖4.3主要系統(tǒng)信號(hào)采集與處理程序設(shè)計(jì)4.3.1LCD1602程序設(shè)計(jì)LCD1602使用LCD畫面作為顯示模塊，在系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)和指令之前，LCD1602模塊查詢運(yùn)行狀態(tài)。只有當(dāng)LCD1602模塊在休閑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)才能對(duì)它傳輸信號(hào)，否則傳輸?shù)男盘?hào)不會(huì)被執(zhí)行。其操作時(shí)序包括讀操作時(shí)序和寫操作時(shí)序。具體流程圖如下圖所示。圖4-3LCD1602顯示流程圖4.3.2心率信號(hào)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)心率檢測(cè)模塊在檢測(cè)輸出后能設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間，在這時(shí)間段中無(wú)法接收到新的檢測(cè)信號(hào)。因?yàn)樾穆蕚鞲衅鳈z測(cè)到心率信號(hào)輸出低電平，檢測(cè)不到心率信號(hào)輸出高低平。當(dāng)檢測(cè)到心率信號(hào)時(shí)，三極管的基極輸入是低電平，此時(shí)輸出電路會(huì)導(dǎo)通，單片機(jī)接入的引腳P32輸入低電平，否則單片機(jī)接入的引腳輸入高電平。通過(guò)檢測(cè)單片機(jī)引腳的電平信號(hào)來(lái)判斷是否有心率信號(hào)。其具體程序運(yùn)行流程圖如下圖所示。圖4-4心率信號(hào)檢測(cè)程序運(yùn)行流程圖4.4本章小結(jié)本章前面主要對(duì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)框架與軟件開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行定性描述，然后軟件結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行說(shuō)明，最后對(duì)各個(gè)功能模塊軟件運(yùn)行流程圖進(jìn)行說(shuō)明，從功能上介紹了各個(gè)子控模塊（信號(hào)采集、信號(hào)處理與信號(hào)輸出等）軟件運(yùn)行流程圖。

5系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析5.1心率測(cè)量系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試主要分為軟件調(diào)試、關(guān)鍵器件調(diào)試與硬件調(diào)試，其中軟件測(cè)試包括系統(tǒng)在線仿真（運(yùn)用仿真器）、功能模塊運(yùn)行參數(shù)確定和中斷優(yōu)先級(jí)判斷等方面；關(guān)鍵器件調(diào)試包括電源轉(zhuǎn)換芯片參數(shù)調(diào)試、輸入與輸出信號(hào)靈敏度調(diào)試；硬件調(diào)試主要包括系統(tǒng)功能性驗(yàn)證。5.1.1系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件編譯沒(méi)有問(wèn)題后，進(jìn)入在線仿真后，首先單步運(yùn)行查看系統(tǒng)流程是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足則需要調(diào)整軟件結(jié)構(gòu)，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求后，判斷各個(gè)功能模塊默認(rèn)參數(shù)是否正確，子函數(shù)定義是否合理，最后給程序打不同的斷點(diǎn)確認(rèn)中斷優(yōu)先級(jí)是否正確。經(jīng)實(shí)際調(diào)試后系統(tǒng)能滿足對(duì)心率的實(shí)時(shí)測(cè)量。單片機(jī)芯片驗(yàn)證：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)電源，測(cè)量系統(tǒng)各處電壓是否正常，實(shí)際測(cè)試所有電壓都正常，按鍵復(fù)位按鍵，讓系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)位一次。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，單片機(jī)芯片可以正常工作。5.1.2系統(tǒng)硬件調(diào)試在本次撰寫的軟件編譯無(wú)Bug后，用下載器或者放置器燒寫到單片機(jī)芯片中，開(kāi)始進(jìn)行功能與性能驗(yàn)證，主要從以下三個(gè)方面調(diào)試。（1）控制中樞驗(yàn)證：系統(tǒng)啟動(dòng)之前一定檢查整個(gè)系統(tǒng)的供電電源正否正常，去掉單片機(jī)芯片，把系統(tǒng)接入電源，用萬(wàn)用表測(cè)量電源端口輸入電壓是否為5V。使用萬(wàn)用表測(cè)量端口電壓為工作電壓范圍后，啟動(dòng)系統(tǒng)電源，再次測(cè)量系統(tǒng)各處電壓是否正常，實(shí)際測(cè)試所有電壓都正常，按鍵復(fù)位按鍵，讓系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)位一次。（2）功能驗(yàn)證：經(jīng)過(guò)上步驗(yàn)證沒(méi)有問(wèn)題后，進(jìn)入功能驗(yàn)證，對(duì)著系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，逐一驗(yàn)證所有所有功能，經(jīng)過(guò)實(shí)際功能驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)需求；（3）可靠性驗(yàn)證：為了驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性，把產(chǎn)品實(shí)物放在高溫環(huán)境中運(yùn)行十小時(shí)，經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠在高溫環(huán)節(jié)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。5.2系統(tǒng)整體調(diào)試結(jié)果分析5.2.1測(cè)試問(wèn)題定位與解決LCD顯示屏閃動(dòng)：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)顯示屏處于閃動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法穩(wěn)定顯示心率。進(jìn)入軟件程序部分，對(duì)程序進(jìn)行檢查，對(duì)調(diào)用的延時(shí)進(jìn)行修改，解決顯示閃動(dòng)問(wèn)題。（2）系統(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)死機(jī)：系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輸入連續(xù)采集信號(hào)，極易造成系統(tǒng)死機(jī)，而且系統(tǒng)也不會(huì)啟動(dòng)自復(fù)位程序。經(jīng)過(guò)程序在線仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)給定兩次輸入采集信號(hào)，造成軟件在兩種中斷出不來(lái)，進(jìn)行反復(fù)循環(huán)運(yùn)行。造成此種Bug是因?yàn)閮煞N中斷采用同一定時(shí)器原因，當(dāng)把中斷1采用定時(shí)器0，中斷2采用定時(shí)器1，此種問(wèn)題就可以解決。（3）復(fù)位按鍵失效：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，按下按鍵有發(fā)現(xiàn)指令沒(méi)有反應(yīng)，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)按鍵2腳與1腳發(fā)生連錫現(xiàn)象，一直處在導(dǎo)通過(guò)程中，致使軟件判斷為無(wú)效輸入。5.2.2調(diào)試數(shù)據(jù)分析心率測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境運(yùn)行時(shí)，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境系數(shù)（溫濕度、照明度等）參數(shù)或者人為操作不當(dāng)帶人的動(dòng)作誤差或者系統(tǒng)本身特性會(huì)影響系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行，在測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法上造成一定的干擾因素從而影響系統(tǒng)的輸出結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，從而在某一當(dāng)面會(huì)干擾到系統(tǒng)采集到的輸入?yún)?shù)與實(shí)際輸入的參數(shù)有差距。心率測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)采集端到數(shù)據(jù)處理中心由于系統(tǒng)自身原因有一定時(shí)間的延時(shí)，從而造成系統(tǒng)處理的參數(shù)不精確產(chǎn)生一定量的誤差。由于誤差量的存在使得系統(tǒng)輸出結(jié)果不是真實(shí)值，因此需要去除誤差，在現(xiàn)代系統(tǒng)控制中主要運(yùn)用修正的策略來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的誤差，因此需要找出適合本系統(tǒng)的修正值，修正值的確定有以下幾種方案。查找書籍、影像資料或者相關(guān)手冊(cè)資料，看之前相關(guān)方面數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差是如何修改得到準(zhǔn)確的修正值；經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)模擬分析，尋找一條適合本系統(tǒng)的修正系數(shù)，然后使用該修正系數(shù)反推原始值，看原始值與系統(tǒng)輸入信號(hào)值是否相近，反復(fù)進(jìn)行迭代直到找到本系統(tǒng)的修正系數(shù)；選取多個(gè)測(cè)試樣本，在不同的環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)，看得出的結(jié)果是否一致，若不一致則系統(tǒng)屬于離散系統(tǒng)，否則屬于線性系統(tǒng)。在離散系統(tǒng)需要采用動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行修正，在線性系統(tǒng)中可以采用固定系統(tǒng)進(jìn)行修正，從而保證測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果。本系統(tǒng)屬于智能控制簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，對(duì)控制要求不高，因此采用方案一就能得適合系統(tǒng)的修正值，從而確定系統(tǒng)的輸出結(jié)果滿足要求。5.3本章總結(jié)本章詳細(xì)闡述了對(duì)心率測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程包括對(duì)軟件系統(tǒng)調(diào)試、硬件系統(tǒng)調(diào)試。在硬件系統(tǒng)中對(duì)控制中樞、功能驗(yàn)證、可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)測(cè)試出現(xiàn)電源異常、系統(tǒng)頻繁死機(jī)、復(fù)位按鍵失靈的問(wèn)題提出了分析與解決方案。以及對(duì)影響心率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析與提出解決方案。6總結(jié)本文主要闡述心率測(cè)量系統(tǒng)研究背景與意義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案、硬件與軟件設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試與功能性驗(yàn)證，再到系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境搭建、軟硬件調(diào)試、關(guān)鍵器件測(cè)試、測(cè)試數(shù)據(jù)與問(wèn)題分析方面。智能控制器STC89C52單片機(jī)為系統(tǒng)控制中樞開(kāi)發(fā)的心率測(cè)量產(chǎn)品主要包括系統(tǒng)硬件模塊部分和軟件部分組成。硬件由STC89C52系列MCU最小組成架構(gòu)、和電源電路等組成。通過(guò)外部電路采集到的信息傳輸?shù)娇刂浦袠校?jīng)過(guò)MCU處理后把處理后的結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而執(zhí)行結(jié)構(gòu)執(zhí)行系統(tǒng)輸出的結(jié)果。軟件主要包括總系統(tǒng)運(yùn)行流程，總流程里面嵌入各個(gè)子控模塊運(yùn)行流程圖。心率可以體現(xiàn)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的真實(shí)信息，客觀地反應(yīng)出我們的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。在疾病方面，通過(guò)監(jiān)測(cè)靜息心率是否在正常范圍、日?；顒?dòng)中監(jiān)測(cè)心臟停搏、心率異常增高等現(xiàn)象可起到及時(shí)預(yù)防疾病的作用。通過(guò)監(jiān)測(cè)心率是否異常、脈搏波變化，可以分析血氧濃度、糖尿病患者的微循環(huán)外周血管狀態(tài)。因此，測(cè)量心率具有重要的醫(yī)學(xué)意義。參考文獻(xiàn)[1]馬鈞元.基于ZigBee技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶郵電大學(xué),2012.[2]吳必造.基于Linux的智能家居控制終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2013.[3]張祥忠.礦井WLAN終端設(shè)計(jì)及其漫游切換技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2015.[4]陳海川.基于小型無(wú)人機(jī)的GPS數(shù)據(jù)及圖像采集系統(tǒng)[D].電子科技大學(xué),2009.[5]周浩.軟件測(cè)試的研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué),2009.[6]張獻(xiàn)忠.操作系統(tǒng)實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.[7]胡志剛,譚長(zhǎng)庚.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)[M].湖南:中南大學(xué)出版社,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#include<intrins.h>#include"1602.h"#include"18b20.h"#include"delay.h"unsignedchari_i=0,timecount=0,displayOK=0,rate=0,aa=0;unsignedinttime[6]={0};unsignedchartab_sk[16]="WODEBISHE"; unsignedchartab_ht[16]="000/min00.0C";unsignedlongtime_50ms=0xaaaaaaaa; unsignedcharsys_times=0;voidtime_init(void); voidinit_int0(void);voidSendStr(unsignedchar*s,unsignedcharlength);voidSendByte(unsignedchardat);voidUART_Init(void);voidmain(){ inttemp; floattemperature; UART_Init(); time_init(); init_int0(); LCD_Init(); DelayMs(20); LCD_Clear(); DelayMs(10); LCD_Write_String(0,0,tab_sk); LCD_Write_String(0,1,tab_ht); while(1) { if(displayOK==0) { rate=0; } else { rate=60000/(time[1]/5+time[2]/5+time[3]/5+time[4]/5+time[5]/5); } if(sys_times>=15) { sys_times=0; temp=ReadTemperature(); temperature=(float)temp*0.0625; tab_ht[10]=((unsignedint)(temperature*10)/100)+0x30; tab_ht[11]=((unsignedint)(temperature*10)/10%10)+0x30; tab_ht[13]=((unsignedint)(temperature*10)%10)+0x30; tab_ht[1]=rate/100+'0'; 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