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心率计
课题:
脉搏心率计设计
一、课题设计来源及目的功能
在医学上,通过测量人的心率,便可初步判断人的健康状况。
随着人们生活水平的提高,地球环境遭到破坏,多种疾病威胁着人们的生命;而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。
因此,心率计很快产生,并得到发展。
随着单片机技术的发展、人们的生活节奏加快,设计一种以使用方便为前提,能够快速测出人心率的心率计,不仅是临床者的欲求,也是体育训练者和外出旅游者的需求,因此,单片机快速心率计有着广阔的市场前景。
现在经常可以看到在许多小型医院里,对心率的测定仍采用人工听诊器的方式,为了方便心率的采集,决定用AT89S52单片机为主芯片制作一个简单易用易携的心率计,能自动测量心跳次数并数字化形象直观的表现出来。
为此,其中心率计特色功能的实现主要靠有效稳定的信号采集模式,可以通过查阅资料发现主要的心率采集有两种方法:
通过一对红色发光二极管实现和通过压电陶瓷芯片实现。
方案一:
检测的基本原理:
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。
因此,本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述位置,并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转化为电信号。
由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比,故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示,就能实现实时检测脉搏次数的目的。
方案二:
检测的基本原理:
随着心脏的搏动,人体手腕的脉搏及颈部的搏动较为明显,我们采用压电传感器放在上述位置,把压电传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示,就能实现实时检测脉搏次数的目的。
二、心率监测仪工作原理
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。
因此,本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位,并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。
由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比,故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示,就能实现实时检测脉搏次数的目的。
本电路把心跳脉冲输入给计数器之前,作了100倍频处理,组成方框图。
假设心跳每分钟为n次,相当频率n/60Hz,则100倍频后为5/3nHz,这时,只要计数闸门设置为0.6秒,则能准确显示出心率来。
如n=76,100倍频后频率为127Hz,通过脉冲为127×0.6=76,正好与实际心率相符。
三、心率监测仪系统总体设计
心率监测仪的总体设计电路框图如图1-1所示,主要包括单片机AT89S52、复位电路、时钟电路、传感器与信号处理电路、显示电路和报警电路。
先用红外光电传感器采集与心跳同频率的信息,当人体组织半透明度的数值较大时,红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度很弱,光敏三极管无法导通,所以输出端为高电平;当人体组织半透明度的数值较小时,红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度较强,光敏三极管导通,输出端为低电平,这样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号,它近似于正弦波形.脉搏为50次,分时,频率是0.78Hz,199次,分时是3.33Hz,从传感器过来的是低频信号.该低频信号首先经RC振荡器滤波以消除高频干扰,经无极性隔直流电容C6、C7加到线性放大器的输入端,经运放IC1A将信号放大10倍,C1直流耦合滤波,运放IC1B将信号放大0~50倍,IC1C与R9、R10、C2、C3组成截止频率为10Hz左右的二阶低通滤波器以进一步滤除残留的干扰,然后IC1D将信号放大10倍输出,形成尖脉冲信号,最后555施密特触发器电路将尖脉冲信号转化为同频率的长脉冲信号,该脉冲信号通过555输出端送到单片机后,软件对信号进行处理,最后在数码管上显示数值。
显示电路
AT89S52
单片机
传感器与信号处理电路
复位电路
时钟电路
报警电路
图1-1心率监测仪系统总框图
1、硬件设计
1.1主要芯片介绍
1.1.1单片机AT89S52
主要性能:
(1)与MCS-51单片机产品兼容
(2)8K字节在系统可编程Flash存储器
(3)1000次擦写周期
(4)全静态操作:
0Hz~33Hz
(5)三级加密程序存储器
(6)32个可编程I/O口线
(7)三个16位定时器/计数器
(8)八个中断源
(9)全双工UART串行通道
(10)低功耗空闲和掉电模式
(11)掉电后中断可唤醒
(12)看门狗定时器
(13)双数据指针
(14)掉电标识符
功能特性描述:
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止.AT89S52的引脚结构如图1-1-1所示。
图1-1-1AT89S52的引脚结构
1.1.2LM324的功能
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中,引脚如图1-1-2所示。
图1-1-2LM324引脚图
1.1.3555定时器
555定时器是一种兼容模拟和数字电路于同一硅片的混合中规模集成电路。
各管脚功能:
1-接地端,GND;
2-低电平触发端,TR;
3-输出端,OUTPUT,输出电流可达200mA;
4-复位端,RD;
5-压控端,CO;
6-高电平触发端,TH;
7-放电端,DIS;
8-电源端,VCC,
范围为4.5~18V;
555定时器的应用十分广泛,
由它可构成施密特触发器、单稳
态触发器和多谐振荡器等脉冲单
元电路。
555定时器管脚图
555定时器内部电路555定时器功能表
1.2传感器与信号处理电路
1.2.1光电式脉搏波传感器
本次设计选用透射型光电式脉搏波传感器,其电路如图下图1-2-1所示
图1-2-1透射型光电式脉搏波传感器电路图
因为传感器输出信号的频率很低,如当脉搏为50次/分钟时,只有0.78Hz,200次/分钟时也只有3.33Hz,因此信号首先经R14、C8组成的低通滤波器滤除高频干扰,当传感器与手指断开或检测到较强的干扰光线时,输出端的直流电压会出现很大变化,用C6、C7背靠背串联组成的双极性耦合电容把它隔断,滤除直流成分。
1.2.2放大与滤波电路
运放IC1A将信号放大10倍,C1直流耦合滤波,运放IC1B将信号放大0~50倍,IC1C与R9、R10、C2、C3组成截止频率为10Hz左右的二阶低通滤波器以进一步滤除残留的干扰,最后IC1D将信号放大10倍输出。
其电路如图1-2-2所示。
图1-2-2放大与滤波电路
1.2.3施密特触发器整形电路
图1-2-3555整形电路输出波形图
用555定时器构成的施密特触发器整形电路如图1-2-3所示。
构成:
①2脚和6脚连一起接输入信号vI;
②4脚和8脚连一起接电源电压VCC;
③5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地;
④7脚悬空,3脚输出。
1.3单片机处理及显示电路
选用七段共阳数码管作为数据显示器,单片机AT89C52的P1口接数码管的a、b、c、d、e、f、g和dp引脚。
从P3.2输入脉冲信号,P2.4-P2.7口控制数码管的位选,输出经过单片机处理后的数据数码管就可以显示心率的次数(每分钟送一次数据),其中P3.4是对脉冲计数的。
8个1k的电阻接P1口,作限流用,维持数码管正常显示,当单片机复位时,使P1口电平全为高电平。
P2.0口接蜂鸣器。
其电路如图1-3-1所示。
图1-3-1显示电路
2、软件设计
2.1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
(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
(2)
把
(2)带入
(1)得到:
n=60k/0.001N=60000K/N(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).
2.2程序流程图
2.2.1主程序流程图
图2-2-1主程序流程图
2.2.2INT中断程序流程图2.2.3显示程序流程图
图2-2-2INT中断程序流程图
图2-2-3显示程序流程图
一、课题来源、国内外
四、调试与仿真
在ProteusISIS中,
Yu
2.3源程序代码
#include
(1){a[0]=Num/100;a[1]=Num%100/10;a[2]=Num%100%10;display();delay(5);}}voiddisplay(void){uchari;for(i=0;i<3;i++){P0=duan[a[i]];P2=we[i];delay(5);}}/*功能:
定时器初始化以及中断服务程序*/#ifndef__INIT_H__#define__INIT_H__#include"reg52.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuintK=0,N=0,Num=0;//sbitant=P3^4;/*内部定时器T0的初始化*/voidtimer0_init(void){//while(ant);TMOD=0x01;TH0=0xfc;TL0=0x66;ET0=1;EA=1;}/*外部中断0初始化*/voidint0_init(void){IT0=1;EX0=1;EA=1;}/*系统外部中断0服务*/voidexter0()interrupt0{TR0=1;K++;if(K==2){TR0=0;Num=(60000*(K-1))/N;K=0;N=0;}}/*系统定时中断服务*/voidtimer0()interrupt1{TH0=0xfc;TL0=0x66;N++;}voiddelay(uintz){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}#endif
四、调试与仿真
选中AT89S52并单击鼠标左键,打开“EditComponent对话窗口,设置单片机晶振频率为12MHZ,在此窗口中的“ProgramFile”栏中,选择先前用Keil生成的.HEX文件。
在ProteusISIS的菜单栏中选择“File”/“SaveDesign”保存设计。
打开“Debug”/UseRemoteDebugMonitor以支持与Keil的联合调试。
调试电路
555输出波形
结论
从硬件设计到软件设计,再到电路的调试与仿真,这样的过程让我懂得一个电子工程师在设计中的基本工作流程。
体会到单片机在智能仪器设计中的强大作用,能熟练使用Protel99SE、KeiluVision3和Proteus7.12软件。
但在设计过程中明显感觉到用汇编语言编写程序还没有论、模拟达到熟练程度,在以后的学习中还需要加强程序的编写,尤其是单片机C语言。
硬件方面对电路理电子技术和数字电子技术要求很高,因此在后期学习及以后的工作过程中还学要把这三门课加强。
主要参考文献:
[1]廖惜春.模拟电子技术基础.华中科技大学出版社.2008.1.第一版[2]刘焕成.工程背景下的单片机原理及系统设计.清华大学出版社.2008.4[3]何桥.单片机原理及应用.中国铁道出版社.2008.1.第一版[4]蔡启明.便携式自动心率检测仪设计.数据采集与处理第10卷第2期[5]林志琦.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真.北京航空航天大学出版社.2006.9
附录
PCB图:
单片机及显示部分电路
信号采集及放大整形电路
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 心率
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