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1、中北大学基于单片机的心率计设计课 程 设 计 说 明 书2017 年 6 月 30 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1、通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；2、熟练使用示波器、信号源、万用表、等仪器设备；3、了解传感器的工作原理及其相应的调理电路；4、通过该课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法和基本开发过程。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：、确定系统设计方案，包括传感器的选择、主控芯片的选择、控制电路设计；、针对部分核心电路进行仿真，优化电路设计；、根据设计电
2、路完成 PCB 制版，最终完成电路的研制；、完成系统程序设计，并绘制程序流程图；3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文) 、图纸、实物样品等：、确定系统设计方案，包括传感器的选择、主控芯片的选择、信号调理电路电路设计，控制电路设计；、针对特定电路进行仿真，优化电路设计；、根据设计电路完成 PCB 制版，最终完成电路的研制；、完成系统程序设计，并绘制程序流程图。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1陈春晓.无仓，血管功能测试诊断仪的研究.生物医学工程学，2003，1(15)，332周学军，韩香娥.心电信号数字滤波器的设计.应用光学，2009,3(30)，30-313何希才
3、，薛永毅.传感器及其应用实力.北京:机械工业出版社，2004:52-534李刚，林凌.生物医学电子学.北京：北京航空航天大学出版社，2004:320-3235设计成果形式及要求：（1）课程设计说明书（2）基于单片机的心率计系统仿真和 PCB 图6工作计划及进度：2017 年 6 月 5 日-2017 年 6 月 16 日6 月 5 日-9 日：6 月 10 日-12 日：6 月 13 日-14 日：6 月 15 日-16 日：学科部副主任审查意见：签字： 年 月 日目录第一章 心率计设计整体构思 .1第二章 单片机芯片介绍 .2第三章 电路原理及仿真电路 .33.1 光电式传感器 .33.2
4、前置放大器 .43.3 滤波电路 .53.4 后置放大电路 .6第四章 单片机程序设计 .74.1 设计原理 .74.2 软件设计的流程图 .84.3 LED 显示电路 .10第五章 结果分析 .11第六章 心得感悟 .12第七章 参考文献 .13附录 .140第 1 章 心率计设计整体构思基于单片机的心率计既能发挥单片机快速处理数据的能力，同时伴随着集成化技术的逐渐提升，提携、快速准确、方便实用的心率计将不失为一个更好的选择，真正做到走入家庭、方便个人。人体的各种生理参数如心电、脑电等生物信号都属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，心率是指单位时间内内心脏搏
5、动的次数，与脉搏跳动频率基本一致，脉搏信号比较容易测得，因此本设计利用脉搏信号进行心率计数。经过光电式传感器后输出的幅值都在几毫伏左右。心率计设计步骤如下：1、心率计设计的第一步就是要获得原始的脉搏信号，本设计采用光电式传感器通过手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号进行心率计数。2、由于信号是在强噪声背景下微弱的低频信号，在进行滤波处理前，应该先进行信号的前置放大，由于夹杂干扰信号和噪声，所以放大倍数要较小。3、对经过前置放大的信号进行滤波处理，去噪声和干扰信号。4、由于前置放大电路放大倍数较小，仍需外加一个后置放大电路，此时的脉搏信号已经滤波去噪，所以可以放大较大倍数方便后续步骤。5、将近似
6、正弦的脉搏信号变换成方波信号。6、由于单片机的中断分为低电平和下降沿两种触发方式，因此在进行波形变换后，要进行关键的定时计数处理以及计数显示。 前置放大电路 滤波电路单片机定时光电式传感器波形变换电路 后置放大电路1图 1.1 系统总体流程图第 2 章 单片机芯片介绍本次设计采用 AT89C51。它的引脚图如下图 2.3 AT89C51 引脚图1. RST 复位引脚，用于电路初始化操作，有自动上电复位和人工上电复位两种。2.XTAL1 和 XTAL2片内震荡电路引脚。这两个端口外接晶体和电容，链接 8051 片内 OSC 的定时反馈回路。3.VCC 电源引脚，一般+5V。4. GND接地引脚2
7、5.P0.0-P0.7这 8 个引脚可以单独使用。P0 内部没有上拉电阻，在使用时需外接上拉电阻，常作为通用 I/O 口使用，输入输出数据。6.P1.0-P1.7与 P0.0-P0.7 类似，但是该口有上拉电阻，无需外接上拉电阻。7.P3.0-P3.7这组引脚第一功能作为通用 I/O 使用，无需外接上拉电阻。第二功能位控制功能，每个引脚功能不完全相同，如下：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器
8、写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。第 3 章 电路原理及仿真电路3.1 光电式传感器本设计采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号。所采用的只要元器件有光电三极管和光敏二极管。在测量时注意，保证手指末端的血液循环良好，并且让手指与光电三极管和光敏二极管紧密接触，但不要有压迫感，以免妨碍血液循环。在取景方面尽量选择背景较暗的环境，在测量时保持手指位置稳定。电路仿真图如下：3图 3.1 光电式传感器仿真电路3.2 前置放大器前置放大器仿真电路如下：图 3.2 前置放大电路电路采用相同比例放大器：R1 = R2= 1K
9、, R2 = 200K,R3 = 10K4前置放大电路的放大倍数： 1)1(32341 RAu3.3 滤波电路脉搏信号属于强噪声背景下微弱的低频信号，在对信号进行前置放大后需要对信号进行滤波处理，滤波处理主要滤除的是基线漂移、工频干扰等等。理论上当脉搏为 60 次/分钟为 1Hz，90 次/分钟为 1.5Hz,100 次/分为 1.66Hz,120次/分为 2.0Hz，因此，滤波电路采用二阶压控有源低通滤波器 16，同时滤除50Hz 工频干扰。滤波电路如下：图 3.3 二阶压控有源低通滤波器传递函数为：(4-2)21131RsCASVAVFIO放大倍数：(4-3)2342VF, , 。 ，KR
10、1021 KR304 uC1021 01VFA满足滤波器稳定工作的条件。低通滤波器的截止频率：(4-4)HzCRf5914.21设定的截止频率，可以满足大多数人的心率检测。同时由于该低通滤波器5的截止频率较低，可以滤除 50Hz 的工频干扰以及其他的电磁波。3.4 后置放大电路滤波处理后的信号尽管已经去除了噪声等外部干扰，但是信号仍旧比较微弱，需要进行后置放大处理。后置放大电路如下图所示：图 3.4 后置放大电路后置放大电路仍然采用同相比例放大器， ， ，KR13120， 。KR504uFC10后置放大倍数：(4-5)51)1(32343 RAu则总的放大倍数为：(4-6)1321总则信号的最
11、大值在 4V-5V 左右，以便利用 555 定时器实现波形变换。6第 4 章 单片机程序设计4.1 设计原理4.1.1 定时原理本设计利用单片机的外部中断和内部定时功能实现对心率的计数功能。单片机的外部中断由外部中断 0 和 1，分别由引脚 (P3.2)和 (P3.3),；INT0I1定时器/计数器由定时器/计数器 0 和 1，工作方式有以下四种：1、方式 0：方式 0 共有 13 位计数位数，2、方式 1：16 位的定时器/计数器,由 TH0 的 8 位和 TL0 的 8 位组成。作为计数器使用时，最大计数 ；作为定时器使用时，定时时间为：65321(4-1)cpdTcountT12)(1为
12、定时时长，count 为定时器的初值设置。 为时钟周期，为时钟脉冲dT频率（ ）的倒数，是计算机中最基本、最小的时间单位。oscf3、方式 2：8 位可自动装载的定时器/计数器。此方式下 16 位计数器被分为两个 8 位寄存器 TH0 和 TL0；TL0 为计数器，TH0 作为计数器 TL0 的初值预置寄存器，并始终保持为初值常数。作为计数器时，最大计数值 =256；作为定82时器使用时，定时时间为：(4-2)cpdTcountT12)2(8为定时时长，count 为定时器的初值设置， 为时钟周期。dT4、方式 3：在该工作方式下，TH0 和 TL0 作为两个独立的 8 位计数器，分别构成了一
13、个定时器/计数器和一个定时器。这种工作方式比较复杂，一般不用。本设计采用的外部中断 0，定时器/计数器 0，工作方式 1。4.1.2 计数原理设检测到K个连续的脉冲所用时间为t(秒)，则在时间t内平均值为(N次/分)，则：(4-3)tKN07本设计利用单片机的定时器/计数器实现定时120s记一次数，当检测到1个脉冲时关闭所有中断，记录下50ms的定时次数M计算出一个周期的所用的时间，则一分钟内心率值为：K=1，(4-4)MN1205.64.2 软件设计的流程图图 4.1 主程序流程图用 C 语言编程 18实现定时器/计数器 0 定时 120s，然后中断计数，当检测到第一个脉冲式，说明产生了一个
14、心率周期，由于人的心率是有规律的跳动，因此。可以利用公式很容易的算出一分钟的心率次数。软件设计的重点便是中开始初始化设置N 到 1？ N定时器初值设置定时开始，开外部中断利用公式，得出 1 分钟心率LED 显示屏显示结束计数 NY8断定时计数，因此先要了解中断以及定时计数。图 4.2 中断服务流程图中断系统由中断源、中断标识、中断允许控制、中断优先级控制、中断查询硬件及相应的特殊寄存器组成，相应的特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 用来存储来自中断源的中断请求标识，IE 为中断允许控制寄存器，IP 为中断优先级控制寄存器。该系统有 5 个中断源、2 个中断优先级，能够实现 2 级中断嵌套，通过 IP 控制中断响应的先后顺序，每个中断响应都有各自的中断入口地址(向量地址)。中断的相关数据如下：表 4.1 80C51 中断号、中断源、中
