便携式脉搏测试仪毕业设计改.docx
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便携式脉搏测试仪毕业设计改
重申明
本人呈交的毕业实习报告（设计），是在导师的指导下，独立进行实习和研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的容外，本毕业实习报告（设计）的成果不包含他人享有著作权的容。
对本毕业实习报告（设计）所涉及的实习和研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本毕业实习报告（设计）的知识产权归属于作者与培养单位。
学生签名
日期2012.12
摘要
本作品根据题目要求指示，以精准脉搏测量电路为核心，以TI公司提供的LaunchPadMSP430（G2553）单片机开发板为核心控制。
应用单片机部集成的10位8通道多路ADC做模数转换，与外部电路构成测试系统。
本作品根据题目要求使用+3.6V电源供电，测试仪在测量状态时，能在光电探头达到合适测试部位时自动启动测量，1分钟完成测量后自动待机，直至撤离探头并再次达到测试部位时自动启动下一次测量。
同时具有脉搏上下门限警报、监护状态和回放状态，并可在128×64点阵屏幕上动态显示光电脉搏信号波形等功能。
本题目来自“2012年全国大学生电子设计大赛TI杯赛区”
关键词：
自动测量；上下限报警；回放；监测；光电探头
1选题意义……………………………………………………………………………1
2系统方案
2.1方案比较……………………………………………………………………2
2.2系统描述……………………………………………………………………2
2.2.1芯片基本工作原理…………………………………………………3
2.2.2整体描述……………………………………………………………3
3脉搏测量原理……………………………………………………………………4
4电路分析
4.1CPU控制电路………………………………………………………………5
4.2信号采集和信号处理电路…………………………………………………6
4.3键盘电路……………………………………………………………………7
4.4显示电路……………………………………………………………………8
4.5报警电路……………………………………………………………………8
5程序分析
5.1程序总体流程图……………………………………………………………9
5.2核心程序流程图…………………………………………………………10
5.3开发环境介绍……………………………………………………………10
5.4脉搏计数算法……………………………………………………………11
5.5程序节选…………………………………………………………………12
6系统测试
6.1测试结果及分析…………………………………………………………14
6.2作品展示…………………………………………………………………15
结论………………………………………………………………………………16
参考文献…………………………………………………………………………17
1选题意义
从近代医学的角度来看人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代输送氧气、营养物质运走代废物等重要的工作还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。
从整体的角度对疾病进行综合分析显然循环系统的信息将占很重要的比重因此脉诊的临床意义很大它的机理是急待于我们进行研究的。
本设计中所介绍的脉搏测量仪运用了单片机技术它使用方便只需将手指端轻轻放在传感器上摒弃了不便于运动状态下测量脉搏的听诊器和吸附在人体的电极等老式测量方法利用光电信号来测量脉搏容量的变化有鉴于此,根据目前的微电子、单片机和计算机技术,我们通过对现有脉搏仪器的应用状况进行了调查,利用单片机研制成功一种便携式脉搏仪。
2系统方案
2.1方案比较
方案一:
采用红外对管进行检测。
其效力比（采用光电对管）后者底。
精度较高，抗干扰能力强，但其信号不是很好处理。
偏移较大。
方案二：
采用光电对管检测人体手指间的血液的半透明度。
其检测的基本原理是：
随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。
当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大，这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。
利用波长600-1000nm的红光二极管产生的光线照射到人体的手指尖、耳垂等部位，用装在该部位另一侧或同侧旁边的光电接收管来检测机体组织的透明程度，即可将搏动信息转换成电信号将脉动信息转换成电信号。
优点:
精度较高，电路结构简单，成本低。
本次采用此方案，
缺点:
抗抖动干扰能力不是很强，但能克服。
2.2系统描述
2.2.1芯片基本工作原理
MSP430系列超低功率微控制器包含几个器件，这些器件特有针对多种应用的不同的外设集。
这种架构与5种低功耗模式相组合，专为在便携式测量应用中延长电池的使用寿命而优化。
该器件具有一个强大的16位RISCCPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器。
数字控制振荡器（DCO）可在不到1µs的时间里完成从低功耗模式至运行模式的唤醒。
MSP430G2x53系列是超低功耗混合信号微控制器，具有置的16位定时器、多达24个支持触摸感测的I/O引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的置通信能力。
此外，MSP430G2x53系列成员还具有一个10位模数（A/D）转换器。
典型应用包括低成本传感器系统，此类系统负责捕获模拟信号、将之转换为数字值、随后对数据进行处理以进行显示或传送至主机系统。
2.2.2整体描述
该脉搏测试仪以msp430g2553单片机（设8通道10位ADC）为核心控制电路，实现如下功能：
解析按键功能，驱动12864LCD显示测量结果，通过检测脉搏波形，实现脉搏计数，从而实现了高精度的脉搏测量。
本设计的控制电路主要包括：
单片机msp430g2553核心电路、脉搏信号采集电路、脉搏信号处理电路、按键电路和12864液晶显示模块。
以单片机作为核心电路，对脉搏进行计数及波形处理，通过LCD显示出实验结果，以达到题目的各部分要求。
3脉搏测量原理
血液是一种高度不透明的液体。
近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液几十倍。
皮肤的血液容积在心脏作用下呈波动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，而心脏舒时则外周血容量减小。
血容积搏动使组织中血液透光率随之变化，当光源和光敏元件置于被测部位（如手指）的同一侧（或两侧），光源发出的光照射在组织上，经反射（或透射）后被光敏元件接收，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。
在检测系统中将变化量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波。
在本设计采用IR333型红外发射二极管作为光源，BPW83型红外接收二极管作为光电转换器件，两种二极管的峰值波长都在900nm附近，在指夹中，红外发射二极管和红外接收二极管并排摆放由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为毫伏量级，所以要求前置放大电路满足下述要求:
（1）高输入阻抗。
光电信号是不稳定的阻变化的微弱信号，为了减少信号源阻的影响，必须提高放大器输入阻抗，所以要求放大器具有高的输入阻抗。
（2）低噪声、低漂移。
可以减小信号源的影响，增强信号的拾取能力，使输出稳定。
脉搏测量属于检测有无脉搏的测量，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。
用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。
这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。
但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确
4电路设计
4.1CPU控制电路
LaunchPad的MSP-EXP430G2低成本试验板是一款适用于TI最新MSP430G2xx系列产品的完整开发解决方案。
其基于USB的集成型仿真器可提供为全系列MSP430G2xx器件开发应用所必需的所有软、硬件。
LaunchPad具有集成的DIP目标插座，可支持多达20个引脚，从而使MSP430ValueLine器件能够简便地插入LaunchPad电路板中。
此外，其还可提供板上Flash仿真工具，以直接连接至PC轻松进行编程、调试和评估。
此外，它还提供了从MSP430G2xx器件到主机PC或相连目标板的9600波特UART串行连接。
MSP-EXP430G2LaunchPad特性:
•USB调试与编程接口无需驱动即可安装使用，且具备高达9600波特的UART串行通信速度
•支持所有采用PDIP14或PDIP20封装的MSP430G2xx和MSP430F20xx器件
•分别连接至绿光和红光LED的两个通用数字I/O引脚可提供视觉反馈
•两个按钮可实现用户反馈和芯片复位
•器件引脚可通过插座引出，既可以方便的用于调试，也可用来添加定制的扩展板
•高质量的20引脚DIP插座，可轻松简便地插入目标器件或将其移除
4.2信号采集电路
通过光发射电路采集到信号，之后经过电压比较器过滤掉不符合要求的电平信号，最终通过滤波放大把微笑的信号放大到可以用单片机检测到的信号。
此时传输到主机，主机对信号可以正常计数。
4.3键盘电路
74HC165是一款高速CMOS器件，74HC165遵循JEDEC标准no.7A。
74HC165引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC165是8位并行输入串行输出移位寄存器，可在末级得到互斥的串行输出（Q0和Q7），当并行读取（PL）输入为低时，从D0到D7口输入的并行数据将被异步地读取进寄存器。
而当PL为高时，数据将从DS输入端串行进入寄存器，在每个时钟脉冲的上升沿向右移动一位（Q0→Q1→Q2，等等）。
利用这种特性，只要把Q7输出绑定到下一级的DS输入，即可实现并转串扩展。
74HC165的时钟输入是一个“门控或”结构，允许其中一个输入端作为低有效时钟使能（CE）输入。
CP和CE的引脚分配是独立的并且在必要时，为了布线的方便可以互换。
只有在CP为高时，才允许CE由低转高。
在PL上升沿来临之前，不论是CP还是CE，都应当置高，以防止数据在PL的活动状态发生位移。
键盘电路采用74HC165的并行输入串行输出的方式，在节约I/O口的前提上尽可能多的提供按键的个数。
4.4显示电路
液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：
8-位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能：
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
4.4报警电路
通过三极管2N9304对b级和e级的比较控制实现蜂鸣器的报警。
5程序设计
5.1程序总体流程图
YYYY
YYY
YY
5.2核心程序流程图
Y
N
5.3开发环境介绍
MSP430开发工具分为IAR和CCS。
IARsystem是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。
公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及 到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：
带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE）、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。
国普及的MSP430开发软件种不多，主要有IAR公司的Embedded WorkbenchforMSP430（简称EW430）和AQ430。
目前IAR的用户居多。
IAREW430软件提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。
并且软件界面和操作方法与IAREWforARM等开发软件一致。
CCS的全称是CodeComposerStudio，它是美国仪器公司（TexasInstrument,TI）出品的代码开发和调试套件。
TI公司的产品线中有一大块业务是数字信号处理器（DSP）和微处理器（MCU），CCS便是供用户开发和调试DSP和MCU程序的集成开发软件。
CodeComposerStudioIDE提供强健、成熟的核心功能与简便易用的配置和图形可视化工具，使系统设计更快。
开发周期中的功能：
应用设计-包括DSPBIOS、参考框架和更新顾问
编码与编译-包括C/C++和汇编语言以及CodeWright集成编辑器
调试-RTDX快速模拟和连接/断开连接
分析与调优-包括实时分析、编译器分析和回卷
5.4脉搏计数算法
计数方法采用的是滑动平均的方法，这样有利于准确，快速的测量出脉搏的数值。
动态测试数据y（t）由确定性成分，f（t）和随机性成分x（t）组成，且前者为所需的测量结果或有效信号，后者即随机起伏的测试误差或噪声，即x（t）=e（t），经离散化采样后，可相应地将动态测试数据写成
yi=fi+eii=1,2,3…,N
（1）
为了更精确地表示测量结果，抑制随机误差{ei}的影响，常对动态测试数据{yi}作平滑和滤波处理。
具体地说，就是对非平稳的数据{yi}，在适当的小区间上视为接近平稳的，而作某种局部平均，以减小{ei}所造成的随机起伏。
这样沿全长N个数据逐一小区问上进行不断的局部平均，即可得出较平滑的测量结果{fi}，而滤掉频繁起伏的随机误差。
例如，对于N个非平稳数据{yi}，视之为每m个相邻数据的小区间是接近平稳的，即其均值接近于常量。
于是可取每m个相邻数据的平均值，来表示该m个数据中任一个的取值，并视其为抑制了随机误差的测量结果或消除了噪声的信号。
通常多用该均值来表示其中点数据或端点数据的测量结果或信号。
例如取m等于5，并用均值代替这5个点最中间的一个就有下式
y3=1／5（yl+y2+y3+y4+y5）
同理，y4=1／5（y2+y3+y4+y5+y6），即f4=y4。
依此类推，可得一般表达式为fk=yk=
k=n+1,n+2,…,N-n
（2）
式中，2n+1=m，显然，这样所得到的{fk≈yk}，其随机起伏因平均作用而比原来数据{yk}减小了，即更加平滑了，故称之为平滑数据。
5.5程序节选
#include"msp430g2553.h"
/********************************1Mclock**************************************/
voidBCSplus_init_1M（void）
{
BCSCTL2=SELM_0+DIVM_0+DIVS_0;
if（CALBC1_1MHZ!
=0xFF）{
DCOCTL=0x00;
BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;/*SetDCOto1MHz*/
DCOCTL=CALDCO_1MHZ;
}
BCSCTL1|=XT2OFF+DIVA_0;
BCSCTL3=XT2S_0+LFXT1S_0+XCAP_1;
}
/********************************8Mclock**************************************/
voidBCSplus_init_8M（void）
{
BCSCTL2=SELM_0+DIVM_0+DIVS_0;
if（CALBC1_8MHZ!
=0xFF）{
__delay_cycles（100000）;
DCOCTL=0x00;
BCSCTL1=CALBC1_8MHZ;/*SetDCOto8MHz*/
DCOCTL=CALDCO_8MHZ;
}
BCSCTL1|=XT2OFF+DIVA_0;
BCSCTL3=XT2S_0+LFXT1S_0+XCAP_1;
}
/*******************************12Mclock**************************************/
voidBCSplus_init_12M（void）
{
BCSCTL2=SELM_0+DIVM_0+DIVS_0;
if（CALBC1_12MHZ!
=0xFF）{
__delay_cycles（100000）;
DCOCTL=0x00;
BCSCTL1=CALBC1_12MHZ;/*SetDCOto12MHz*/
DCOCTL=CALDCO_12MHZ;
}
BCSCTL1|=XT2OFF+DIVA_0;
BCSCTL3=XT2S_0+LFXT1S_0+XCAP_1;
}
/*******************************16Mclock**************************************/
voidBCSplus_init_16M（void）
{
BCSCTL2=SELM_0+DIVM_0+DIVS_0;
if（CALBC1_16MHZ!
=0xFF）{
__delay_cycles（100000）;
DCOCTL=0x00;
BCSCTL1=CALBC1_16MHZ;/*SetDCOto16MHz*/
DCOCTL=CALDCO_16MHZ;
}
BCSCTL1|=XT2OFF+DIVA_0;
BCSCTL3=XT2S_0+LFXT1S_0+XCAP_1;
}
/******************************主程序**************************************/
intmain（void）
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
BCSplus_init_1M（）;
init_io（）;
init_lcd（）;
init_time（）;
clrram（）;
delay_ms
（1）;
_EINT（）;
while
（1）
{
if（flag_key==0）
key_scan（）;
GUI（）;
}
}
6系统测试
6.1测试结果
6.1.1A点测试结果
A点用示波器显示的波形是经过采集电路处理后的模拟信号，信号符合题目要求
6.1.2B点测试结果
B点用示波器显示的波形是经过采集电路处理后的最终信号，信号符合题目要求
6.2作品展示
结论
脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题,本文设计的脉搏波检测系统以光电检测技术为基础，并采用了脉冲振幅光调制技术消除周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。
本系统模拟电路简单，此外，测量通道需要一个开关电路，当指夹悬空时，这个开关电路关闭单稳态电路，切断信号通路，防止乱计。
通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。
我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如12864串行显示的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
作为毕业的学生，能够搞这样的关于单片机技术的设计，确实从中学到了很多的知识。
在项目设计方面，打破了以往单纯为解决问题的观念，树立了良好的项目设计思想。
在容设计方面，比较深入的学习了单片机方面的知识，补充了自己知识上的不足，更重要的是给自己找到了一个发展的方向。
在这个过程中，受到了我们老师和同学的热切关注和耐心辅导，特别王林泓老师对我进行了系统的讲解和指导，对设计提出了很多建设性的意见及建议，对我的设计起到了指导性和决定性的作用，使我深刻的体会到了良师益友给我带来的帮助，在此表示深深的感！
感王老师给了我们这个机会去更深层次的学习对于单片机的理解能力和分析设计能力，感这次毕业设计带给我的丰收的硕果，感觉系统的总结了3年来所学的专业知识很有用途，同时激发了我对于单片机这个领域的极大兴趣，我将以此为起点，去更加努力的学习深造争做单片机领域的专业人才，为自己争光，为母校添彩！
参考文献
[1]永.模拟电子技术设计、仿真与制作.电子工业
[2]黄纸伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计（第二版）.航空航天
[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.理工大学
[4]建忠.MSP430单片机原理及应用.电子科技大学
[5]康华林.电子技术基础.高等教育
[6]洪利MSP430单片机原理与应用实例详解航空航天
[7]王庆友.光电传感器应用技术.机械工业
升级会员 