《医电产品设计与制作综合实训》模板Word文档格式.docx

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系统硬件电路设计

成绩：

指导教师：

提交日期：

2020年11月22日

脉搏计设计

摘要

在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时多种疾病威胁着人们的生命；

而心脏病又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。

本设计要解决的问题就是可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计。

系统以STC89C52单片机为核心，以光电传感器利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号，单片机通过对信号累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。

系统运行中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。

系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。

经测试，系统工作正常，达到设计要求。

便携式数字人体心率计运用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测。

测量范围限可以用按键调节，并进行声音报警，传感器可以放在身体脉搏明显的任何部位，测量结果以数字方式方式显示，测量精确到2次/分。

除此外用户还可以设定每天闹钟提醒测量时间，可以自行设定，结果最终可以把采集到的脉搏信号显示在LCD1602上。

经过大量实验，本心率计已经基本达到题目要求部分的全部指标。

关键词：

STC89C52；

脉搏测量仪；

LCD显示器；

光电传感器

引言

脉搏测量在有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。

通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。

系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒，除此外用户还可以设定每天闹钟提醒测量，时间可以自行设定[1]。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

系统以STC89C52单片机为核心，以光电传感器利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号，单片机通过对信号累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。

几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。

脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 

脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 

必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

1．设计任务

1.1设计任务

本次课程设计的任务是设计一款便携式心率计，性能要求如下：

（1）采用AT89S51单片机为主控芯片、以LCD1602液晶屏为显示器件；

（2）采用红外传感器作为传感器；

（3）2秒内读出被测心率值并实时显示；

（4）可用按键设置正常心率的范围，一旦超过这个范围，蜂鸣器将进行报警。

1.2工作内容

本次课程设计的具体工作内容如下：

（1）围绕题目收集相关专业资料；

（2）设计采用89S51芯片实现对信号的处理、显示、报警等功能；

（3）规划电路原理图，运用proteus进行仿真（心率用脉冲模拟，液晶屏显示心率）；

（4）依据需求可扩展实现按键可以设置报警上下限功能。

（5）制作电路板、购买元器件、焊接元器件；

（6）运用C语言编写和调试程序并加载，系统应能够准确读出心率并快速显示；

（7）撰写规范的设计报告并打印提交。

2．设计方案及论证

2.1脉搏计组成结构

本设计采用单片机AT89C51为控制核心，实现心率监测系统的基本测量功能。

该系统的硬件框图如下图2.1所示。

图2.1脉搏计组成结构方框图

当手指放在红外发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。

由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和度的变化会引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就使红外接收三极管输出脉冲信号。

该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机外部中断信号。

单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理之后把结果送到数码管显示。

2.2单片机系统选择

AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种高性能、低损耗、CMOS八位微处理器。

AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多新的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。

AT89S52可构成真正的单片机最小应用系统，增加系统可靠性，缩小系统体积，降低了系统成本。

程序长度只要不大于4K，四个I/O口全部提供给用户。

系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。

采用AT89S52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。

而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。

比较以上方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用AT89S52。

2.3显示模块选择和论证

（1）液晶显示

液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。

液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十mv；

由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外电压的有效值相关。

液晶显示信息量大、长寿命、低压驱动等优点。

（2）LED动态显示

数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。

由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。

绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。

数码管动态显示接口是单片机中应用最广泛的显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的八个显示笔划"

a,b,c,d,e,f,g,dp"

的同名端连起来，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机有字形码输出时，所有数码管都接收到相同的字形码。

通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在动态显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象，实际上尽管数码管不是同时点亮，但只要扫描的速度很快，给人的印象就是稳定的显示数据，不会有感觉到闪烁，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

根据以上两种方案比较，液晶显示具有其独特的优越性，显示效果好，控制简单等优点。

所以就选择液晶来实现显示功能。

3.系统硬件电路设计

系统硬件电路设计部分，主要包括仿真电路设计，经仿真验证无误后，才可以绘制电路原理图、PCB及进行电路焊接调试。

3.1仿真电路

系统仿真电路图如图3.1所示。

因为Proteus软件的元件库中没有脉搏传感器，所以，进行了部分电路的仿真。

图3.1脉搏计单片机系统仿真

由于仿真中没有红外，手指也模拟不了，其实就是单片机的IO口检测脉冲信号，那样用个方波信号模拟就可以。

3.2硬件电路原理图设计

设计好的硬件电路原理图如图3.2所示。

图3.2脉搏计电路原理图

3.3电路印制板设计

设计好的电路印制板如图3.3所示。

图3.3脉搏计印制板

4.程序设计

基于单片机心率计的软件设计主要由主程序流程图、中断程序流程图及显示子程序组成。

C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而心率计的程序既有较复杂的计算（时间t内的平均值），又要求精细计算程序运行时间（动脉搏动时间），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。

4.1程序设计原理

软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。

软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。

从软件的功能来看可分为两大类：

一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。

这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。

软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义）。

在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。

各执行模块规划好后，就可以监控程序了。

首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。

相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。

这如同当一名操作工人比较容易，而当一个厂长就比较难了。

软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。

整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。

后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；

而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。

也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。

4.2测量计算原理

设K个连续的动脉搏动所用时间为t（秒），在时间t内心率的平均值为n（次/分），则：

n=60K/t（4-1）

为了能够控制用单片机计算机测定t值，我们利用脉动信号控制（在K个连续的脉搏周期内）单片机的定时/计数器T0定时（定时1ms中断一次），工作寄存器对中断次数进行计数，然后读取计数值。

设该计数值为N，于是有：

t=0.001N（4-2）

把

（2）带入

（1）得到：

n=60k/0.001N=60000K/N（4-3）

式（3）就是利用单片计算机测定心率值的数学模型（误差小于0.4%）。

在该单片机系统中，K=1~~9（用户可通过按键自行设置）。

可测心率范围20次/分~~200次/分（N的范围：

300~~30000）。

4.3主程序流程图

程序流程图如图4-1所示。

程序初始化是单片机程序必需的，它的主要任务是确定中断入口地址和程序入口。

然后显示全零，目的是为了区分是否有信号送入，当没有信号送入时，显示全零，则说明心率计没有正常工作，反之，则正常工作。

设计中比较重要的一部分是定时l00ms，它主要是为采样6s建立基础。

系统运用定时器T1定时来实现100ms的定时，中断等待占用程序执行的绝大部分时间，是一个死循环语句，只有当中断满足条件时，才执行中断服务子程序，进行累加计数的结果，累加之后，判断采样的次数，如果采样未满60次，说明不到6s，返回继续采样、等待中断，直到采样60次为止，之后把6s内采样得到的次数由二进制数转化为十进制数，送到液晶进行显示。

图4.1程序流程图

图4.2中断程序流程图

4.4中断程序流程图

心率的有效测量范围为40次—120次/分钟，为了消除外界信号的干扰，在定时器中断程序中加入了对频率大小的判断，滤除掉小于40次/分钟和大于120次/分钟的脉冲信号，中断程序如图4-2所示。