单片机的人体脉搏指示仪设计说明.docx
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单片机的人体脉搏指示仪设计说明
毕业设计
题目单片机的人体脉搏指示仪
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了意。
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图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
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4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
3)其它
摘要
伴随着社会的飞速发展,人们的生活水平得到了质的飞跃,但是各种各样的疾病却一直困扰这我们脉搏能反映出人体心血管系统中很多问题,在脉搏中寻找生理疾病信息一直是中医的根本,即“摸脉”.因此脉搏指示仪具有很高的科学价值。
心脏病就是难以预防的突发性疾病之一。
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。
AT89C51单片机作为核心的便携式人体心率计,采用红外传感器,运用硬件和软件双重滤波技术实现了对人体心脏心率信号的准确检测。
测量围上下限可以用数字方式进行显示,测量精确到2分/分。
经过大量的实验证明,本心率计已经基本达到了课题要求部分的全部指标。
关键字:
心脏病;红外传感器;单片机AT89C51
Abstract
Alongwiththerapiddevelopmentofsociety,people'slivingstandardhaveaqualitativeleap,butvariousdiseasesthatwehadthepulsecanreflectalotofproblemsinthecardiovascularsystem,seekphysicalillnessinthepulseoftraditionalChinesemedicine(TCM)hasbeenthebasicinformation,namelytheveinof"touch".Sothepulseindicatorhastheveryhighscientificvalue.
Heartdiseaseisoneofthedifficulttopreventsuddenillness.Thisdesigntosolvetheproblemiscanmeasureheartrate,thepreventionofheartdiseasesuchasheartdiseasedigitalheartratemeter.
AT89C51asthecoreofportablehumanbodyheartratemeter,usinginfraredsensor,usinghardwareandsoftwareonthehumanbodyofdoublefilteringtechnologytoachievetheaccuratedetectionofheartheartratesignal.Measuringrangeondisplayintheformoffloorcanusedigitalmeasuringaccuracyto2pointsperminute.Throughlotsofexperimentsshowthatthisheartratemeterhasbeenbasicallymeettherequirementsofthesubjectpartofthewholeindex.
Keywords:
psychological;infraredsensor;singlechipmicrocomputerAT89C51Asimprovedofthe
摘要I
1引言1
1.1心率计的研究背景和意义1
1.2心率计的研究现状及发展动态1
2方案论证及元器件选择3
2.1研究容及设计指标3
2.2方案设计与论证3
2.2.1传感器的选择与论证3
2.2.2信号处理方案选择和论证4
2.2.3单片机系统选择6
2.2.4显示模块选择和论证6
2.3元器件选择及功能介绍7
2.3.1单片机AT89S527
2.3.2红外传感器错误!
未定义书签。
2.3.3双运算放大器LM358N8
2.3.4LCD1602显示模块9
3硬件系统设计11
3.1系统设计框图11
3.2信号采集电路11
3.3信号放大电路12
3.4信号比较电路13
3.5LCD1602显示电路13
3.6键盘电路14
4系统软件设计15
4.1测量计算原理15
4.2主程序流程图15
4.3中断程序流程图错误!
未定义书签。
4.4定时器T0和T1的中断服务程序错误!
未定义书签。
5系统测试与结果分析17
5.1测试方法和仪器17
5.2仿真与焊接阶段17
5.2.1仿真阶段17
5.2.2焊接与完成阶段17
5.3测试数据与结果分析20
5.3.1测量结果与分析20
5.3.2几种主要系统干扰与影响23
总结和展望24
结束语错误!
未定义书签。
参考文献26
附录一:
系统仿真图27
附录二:
系统原理图27
附录三:
系统PCB28
附录四:
源程序28
1引言
1.1心率计的研究背景和意义
伴随着全球科技与经济的飞速发展与进步,关爱生命与健康已成为人类的共同追求。
心脑血管疾病一直是危害我们健康最大的“敌人”,全世界每年都会有许多人因为心脑血管疾病而死去。
现在,随着经济的快速发展人们越来越倾向与“快餐”生活,心脑血管疾病的发病率一直居高不下,怎么解决这个问题成为全世界的话题。
今天,越来越多的人已认识到健康生活方式和疾病预防的重要性,对拥有日常家庭化和个性化的健康监测和疾病预防手段的需求也日益增大。
在脉搏波研究方面,国外已经出现了众多的技术和理论,基于现代医学技术,利用脉搏波对人体心血管健康进行无创检测的方法和仪器不断涌现。
现在的任务是既要对脉搏波的检测分析及对心血管健康检测应用方面做进一步研究,研制一种面向家庭和社区医疗服务的,能够对人体动脉硬化的程度和其他心血管健康状况进行无创检测的仪器,让更多的人对自己的心血管健康状态进行及时的了解,对心血管疾病能够及早的发现和进行预防[1]。
基于上述现状和背景,不难发现,心血管功能检测新技术、新方法的研究以及心血管功能监测类家用电子医疗保健仪器的开发已刻不容缓。
它不仅能满足当前的医疗保健急需,也能为维持和发展我国家用数字医疗事业,为推行实施国家“家庭医疗保健工程”做出积极和长久的贡献[2]。
1.2心率计的研究现状及发展动态
自上世纪80年代以来,基于血流动力流变学和弹性腔理论的无创伤血管功能检测方法的研究逐渐受到广泛的关注。
很多不同学科的研究员与医学家合作,研究出各种应用型人体心率传感器,有单部、三部、液态水、子母式单点,多点,气压式、硅杯式、软性接触式、刚性接触式等,组成脉搏传感器的主要部件有压电晶体、单晶硅、瓷应变片、光敏组件、pvdf压电薄膜等,其中以单部单点应变片式应用最为广泛[3]。
到目前为止,存在大量的结构和方法评估动脉。
血管造影和其他成像技术有一个方法可以准确评估动脉腔或分心动脉壁结构[4]。
但这些方法很复杂,成本高,需要非常复杂的技术设备,限制了其应用在大型临床研究,此外,还有一些其他的非侵入性方法,主要根据超声波技术和计算机图像和超声信号的分析,研究功能、结构和某些动脉轴和,相对复杂的技术仅用于某些临床研究实验室。
在无创方法中,脉搏波速度测试已经广泛应用于评估动脉壁的扩和硬度。
没有外伤,方法操作简单、准确、重现性好,因而广泛应用于大型治疗和流行病学研究,这种方法非常适合家庭和社区卫生保健服务。
国外,比如法国科林computalog日本公司开发和生产的仪器,如动脉硬化的探测器在使用这种方法,而在欧洲和美国被广泛传播,家里还有一个医院引进这种设备,但价格昂贵[5]。
也有很多国单位开始研究这样的设备,在2007年,有相似的产品已经上市。
然而,这些工具被应用于大型医疗机构,成本高、测试的成本高、检测功能有限,不能满足病人的需要随时随地进行测试[6]。
2方案论证及元器件选择
2.1研究容及设计指标
研究容:
便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元,采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,最终以数值形式显示在LCD上。
本课题开发一款低功耗、便携式数字心率计,具体要求如下:
(1)实时显示被测者心率值,并显示;
(2)可用按键设置正常心率的围,超过这个围,进行报警提示。
2.2方案设计与论证
2.2.1传感器的选择与论证
(1)压电式
压电式传感器的检测方法是利用压力传感器或振动传感器将人体脉搏振动转换成电信号。
常见的压力传感器可用现有的压电瓷代替。
压电式元件的阻极高,通常采用两片相同的元件,使其极性反向相叠,由夹在中间的铜片作为一个电极。
这样,中央电极处于全空状态,可以用具有良好绝缘性的导线引出。
此种方法的优点是传感器种类多,一般的传感器输出信号也比较大,对后面的放大电路要求不高。
压电瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特点[7]。
(2)声电式
声电式传感器的作用是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号。
因此,它也属于力学量传感器。
它的制作材料一般由不定性无烟煤颗粒或压电瓷构成。
颗粒式声电传感器的优点是耐用、成本低和容易制作,缺点是颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化,从而导致杂音大、性能不稳定和非线性;而压电瓷式的声电传感器在检测声音信号时却存在着一定的缺陷[8]。
声电式检测方法是利用微音传感器将人体的振动的声音转换成电信号。
此种方法的优点是作为传感器的微音传感器可利用现有的驻极体或电容式话筒,但其后面的电路要采取一定的措施将环境的声音干扰信号滤去。
(3)光电式
光电系统通常是指能敏感由紫外光到红外光的光能量,并将光能量转换成电信号的器件。
通常用的光电器件有光电二极管和光电三极管。
光电式传感器测量微小的位移变化有明显的效果,但是光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高:
1)吸收红外光的能力极强2)介电常数小,以便得到大的输出电压。
3)介电损耗小[9]。
光电式检测方法是利用光电传感器检测人体血液流动时对光的透过率或反射率不同而将其转换成电信号的方法。
此种方法有两种方式:
一种是对射式,另一种是反射式。
对射式是在一个大小合适的环的两侧各放一个发射管和一个接收管,测量时将人的手指伸到环中,由于手指中的血流量的变化而使光电接收管的光电流也随之变化,反射式是光电发射与光电接收都指向一个方向,当人体的血流发生变化时其对光的反射率也随之变化,从而检测出心率。
这种方法的优点是外界干扰信号小,但其最大的难点是传感器输出信号小,对后面的放大电路要求较高。
此外,对于干扰变化强烈的信号,回路不宜调制,可视光电管的定向角不同,光轴也不宜把握[10]。
综上所述,从传感器的制作工艺、材料的选取、受外界的干扰信号的干扰程度和制作过程中前级电路的处理难易程度上考虑,就选用一对红外对射二极管实现。
红外传感器的检测、放大、滤波和整型并传到单片机工作系统的过程见下图2-1所示:
图2-1信号检测处理工作流程图
2.2.2信号处理方案选择和论证
(1)小规模数字电路,采用小规模数字电路也可完成此方案的基本功能,电路框图如图2-2所示。
这种方案是采用一个二进制计数器,将处理后的脉波信号进行计数,在1分钟将计数值显示。
此方案的不足是电路结构复杂,实现一个相对简单一些的过程控制功能都要用好多片电路,且数字电路器件功能单一,一旦硬件电路定型就难以改动,尤其在题目要求中,要实现心率测量并显示,还要超限报警等等,则显得力不从心。
(2)PLD:
可编程逻辑器件(PLD)突破了小规模数字电路功能单一的缺点,可以按照设计者设计分析出来的逻辑要求去编程定义,应用起来确实方便,设计也比较灵活。
针对题目要求,该方案应该至少由传感器电路、闸门电路、计数器电路、数字锁存电路、显示电路、数据存储电路、PC接口电路七部分构成,在闸门信号允许时间对被测信号计数,闸门宽度为单位时间。
显然电路复杂,一旦涉及到数据处理、数据分析、数据记忆、数据通信等功能要求时,其实现难度可想而知。
(3)单片机:
单片机的发展和应用大家有目共睹,其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点已经被默认。
在科学计算、数据处理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、过程控制和仪表智能化、军事领域、多媒体系统和信息高速公路甚至家用电器和家庭自动化等方面都可以看到单片机的影子,可谓立下了汗马功劳[11]。
图2-2小规模数字电路心率计
(3)单片机:
单片机的发展和应用大家有目共睹,其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点已经被默认。
在科学计算、数据处理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、过程控制和仪表智能化、军事领域、多媒体系统和信息高速公路甚至家用电器和家庭自动化等方面都可以看到单片机的影子,可谓立下了汗马功劳。
单片机部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、总线甚至A/D及D/A转换电路,功能十分强大。
许多在数字电路、模拟电路中的难题都在单片机的程序设计中得到了出乎意料的解决效果,通过对程序和外部少许电路的修改即可以改变整个设计系统的功能。
可移植性和可维护性得到极大的改善。
在数据分析、处理、记忆、通讯等方面表现相当出色。
根据题目提出的要求,单片机控制当为首选。
以单片机为主外设显示器、键盘、通讯、打印接口等硬件电路,完成脉波计数、数据运算、显示、通讯、记忆等功能。
根据以上方案比较,本课题决定采用以红外传感器为传感器,以单片机为主控芯片外辅少量硬件电路完成数据处理、记忆、显示、通讯等功能。
硬件框图如图2-3所示。
图2-3单片机心率计
2.2.3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。
2.2.4显示模块选择和论证
(1)液晶显示器(LCD)
液晶单元是一个电容性负载,液晶在大多数情况下的阻力可以忽略,非极性,即正压和负压的影响是相同的。
液晶显示装置的作用下会发生电解直流电压,所以必须使用ac驱动器,和有限的直流分量的交流组件不超过几十个mv;由于电场下液晶光学性能的变化取决于液晶作为弹性连续介质的弹性形变,响应时间很长,所以交流驱动电压的影响并不取决于峰值,在低于1000赫兹频率的情况下,液晶透光率的变化只与外部电压有效值。
液晶显示器(LCD)信息量大,寿命长,低电压驱动程序等。
(2)LED动态显示
数码管是一种显示通过不同销输入相对于其电流,将使其发光,从而显示数字可以显示时间、日期、温度等所有可用的数据显示,参数。
因为它的价格便宜易于使用电器特别是在家电领域的应用非常广泛,空调、热水器、冰箱等等。
大部分的热水器用数码管,其他电器液晶显示屏和屏幕。
动态数码管显示界面是最广泛使用的方法之一,在单片机中显示,动态驱动程序将所有8个数码管显示中风“a,b,c,d,e,f,g,dp”相同的名称在一起,除了每个数码管公共大大增加COM门控制电路,一个门是由一个单独的I/O控制线路,当单片机字形代码输出,数码管接收相同的字体大小。
反过来通过分时控制的所有COM端口数码管,数码管使得每个控制,根据这个是一个动态的驱动器。
在每个数码管动态显示的过程,光时间是1-2毫秒,因为发光二极管的余辉效应和视觉暂留现象。
事实上尽管数码管不同时点燃,但只要扫描速度很快,给人的印象是稳定的显示数据,不会有感觉闪烁,动态显示和静态显示的效果是相同的,可以节省大量的I/O端口,以及更低的能耗[12]。
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。
2.3元器件选择及功能介绍
2.3.1单片机AT89S52
(1)主要性能:
·8KB可改编程序Flash存储器(可经受1000次的写入/擦除周期)
·全静态工作:
0Hz~24MHz
·三级程序存储器
·128×8字节部RAM
·32条可编程I/O线
·2个16位定时器/计数器
·6个中断源
·可编程串行通道
·片时钟振荡器
(2)功能特性描述:
AT89C51是一种低功耗,高性能CMOS8单片机,在系统可编程闪存8k。
使用Atmel公司生产高密度非易失性存技术,和行业是与80c51单片机产品说明和销完全兼容。
芯片上的Flash允许应用程序在系统可编程的存,也适合传统的程序员。
在单个芯片上,具有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash,使得以AT89C52为许多嵌入式控制应用程序高灵活和有效的解决方案。
法具有以下功能:
标准8k字节Flash,256字节的存,32个I/O端口线,看门狗定时器,两个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6级向量2中断结构、全双工串口,芯片晶体及时钟电路。
以AT89C52,此外,静态逻辑操作可以减少到0赫兹,支持两种类型的软件可以选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许存,定时器/计数器,一个串行端口,继续工作。
掉电保护,RAM的容保存,振荡器是冻的,单片机停止所有工作,直到下一个中断或硬件复位。
以AT89S52销结构如图2-4所示。
2.3.2红外传感器
红外技术是近几十年来开发的一项新技术。
在科技、国防和工农业生产等领域得到了广泛的应用,特别是在科学研究、军事工程和医学中发挥着极其重要的作用。
例如,在红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。
红外辐射技术的重要工具是红外传感器、红外传感器在现代生产实践起到了很大的作用。
特别是在实现远程温度监测和控制方面,红外温度传感器以其优越的性能,可以满足各种需求,从而发挥突出的作用在产品传感器。
因此红外传感器的发展前景是不可估量的。
心率计的设计传感器使用一对5毫米红外辅助管电路外的红外传感器,红外线是一种红外光敏接收管,光敏接收管或红外接收管,红外线接收头配合一起使用时。
图2-4AT89S52的引脚结构
红外发射管在包装行业,主要有三个常用的乐队850纳米以下,875nm、940nm。
根据波长使用该产品的特征也有很大差异,850nm波长主要用于红外监测设备,875nm主要用于医疗设备、940nm带主要用于红外控制设备。
如:
红外遥控控制器、光电开关、光电设备,如数字的读法。
光敏接收管是一种光敏PN结的特点,属于光敏三极管,单向导电性,因此在工作中需要添加反向电压。
没有光,反向漏电流小,饱和(暗电流)。
光导管不导电。
当光饱和立即反向漏电流增加,形成光电流,在一定的围增加入射光强度的变化。
2.3.3双运算放大器LM358N
LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有使用运算放大器的可用单电源供电的场合。
1低输入偏流
2部频率补偿
3直流电压增益高(约100dB)
4单位增益频带宽(约1MHz)
5电源电压围宽:
单电源(3—30V);双电源(±1.5一±15V)
6低功耗电流,适合于电池供电
7低输入失调电压和失调电流
8共模输入电压围宽,包括接地
9差模输入电压围宽,等于电源电压围
10输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)
LM358的引脚结构如图2-5所示。
图2-5LM358的引脚结构
2.3.4LCD1602显示模块
1602LCD是指显示的容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
图2-6LCD显示模块引脚图
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