便携式心率测试仪电子系统设计报告

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1、 五邑大学电子系统设计结题报告题 目：便携式心率测试仪院 系 信息工程学院 专 业 电子信息工程 学 号 学生姓名 指导教师 报告日期 2012.12.18 目录1、 摘要.22、课题研究意义.2 2.1.背景.2 2.2 设计任务与要求.2 3、方案设计说明.2 3.1硬件电路原理分析说明.2 3.1.1信号放大电路.2 3.1.2滤波电路.3 3.1.3整形电路.4 3.1.4单片机信号处理电路.4 3.1.5数码管显示电路.5 3.2软件设计.6 3.2.1编程环境与开发工具.6 3.2.2源程序及注解.74、 调试过程遇到的问题与解决的方法.95、 5、设计总结及体会.96、参考文献.

2、97、附录.101、摘要本文设计了一种基于STC89C51单片机实现的便携式心率测试仪.接受心率测试检测模块发送的信号并对信号进行检测分析并显示，从而实现心率测试功能。该系统的硬件单元包括信号放大电路、滤波电路、整形电路、单片机控制电路和数码管显示电路。采用了放大电路后，使得采集的脉搏信号放大到整形电路要求的电压幅度。滤波电路消除了干扰，得到特定频率的低频信号。整形电路把模拟信号转换成单片机能够处理的数字信号。单片机内的处理程序将接收到的信号进行监测分析，得出心率值，经单片机I/O口发送给由数码管组成的显示模块显示。2、课题研究意义 2.1背景1） 健康的重要性不言而喻，越来越多的研究表明心率

3、是健康极其重要的指标。一般人们为了知道自己的运动或者劳动强度是否超负荷，尤其是老年人、运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。为了贯彻党和国家“预防为主”的医疗方针，满足人们能享受基本医疗保健的愿望，便携式心率测试仪应运而生，也极具市场潜力。2） 心脏病人往往需要经常去医院定期心脏检测，此仪器可以随时将病人的心脏情况记录和保存，并发送给医生，从而给病人带来便捷也有助于治疗；当心脏类疾病突发时，也可以提前将心脏情况发送给医生，从而缩短救援时间，提高救援成功率。2.2设计任务与要求 2.2.1设计任务：设计基于C51单片机的便携式心率测试仪。 2.2.2要求：（1）设计脉搏波放大、滤波、整

4、形电路，实现所采集的脉搏信号的放大、滤波、整形。 （2）设计单片机电路及处理程序与数码管显示电路，实现心率信号的处理与正确显示。3、 方案设计说明 3.1硬件电路原理分析说明 3.1.1信号放大电路作用：将采集的幅度值过小的心率信号放大到足够大的幅值。原理：电路如图所示:利用运算放大器实现反向比例放大电路。运算放大器在深度负反馈的条件下工作于线性区，根据“虚短”和“虚断”的概念对以上电路进行分析，可得： 放大器增益Ua=-R17/R16=20 电路采用LM324双极型线性集成放大器，有直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽 等特点，同理再接一级放大器后放大增益为400，电路图如下： 3.

5、1.2滤波电路作用：由于心律值为低频周期信号，需要滤除高频杂波信号得到特定频率的低频信号。原理：电路如图所示。 由于一阶低通滤波器的滤波特性和理想低通滤波器的特性相差较大，为了使实际低通滤波器特性更接近理想特性，电路采用了由一阶滤波器基础上外加RC网络组成的二阶压控有源低通滤波电路，是高频段的衰减斜率更大，滤波效果更好。二阶滤波器截止频率fH=1/2RC 通带电压增益Aup=1+Rf/R1,R=R24=R22=100k,Rf=R19=10k得截止频率为fH=15HZ，放大增益为23.1.3整形电路作用：把模拟信号转换成单片机能够处理的数字信号。原理：电路图如图所示，555定时器是一种模拟和数字

6、功能相结合的中规模集成器件 。设计采用555定时器构成施密特触发器，各引脚功能分别为：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端 ，接经放大、滤波后的心率信号 3脚：输出端Vo ，与单片机输入端相连 4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用所以接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，该端不用，故将该端串入一只10nF电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在此电路不用 8脚：外接电源VCC，一般

7、用5V。 当输入信号V1从零逐渐升高时当V11/3Vcc时，Vo输出高电平；当1/3VccV12/3Vcc时，Vo输出低电平；当输入信号V1从V12/3Vcc逐渐下降时当V12/3Vcc时，Vo输出低电平；当1/3VccV1Vcc时，Vo保持不变，输出低电平；当V11/3Vcc时，Vo输出高电平；3.1.4单片机信号处理电路作用：对方波信号进行处理并输出心率信号到显示模块。原理:电路图如图所示， AT89C51芯片的40个引脚图及其功能为： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时， 被定义为高阻输入

8、。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在本设计中做输出端口，分别接数码管的a,b,c,d,e,f,g,dp.P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口 管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流， 这是由于内部上拉的缘故。P1口在本设计中不用。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管 脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的

9、缘故。P2口在本设计中分别通过PNP三极管接共阳数码管的1，2，3，4脚。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输 出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。电路中由11.0592MHZ晶振Y1、电容C2、C3组成单片机的时钟振荡电路，开关S2、电容C1、R13组成单片机的复位电

10、路。3.1.5数码管显示电路作用：通过数码管显示将心率信号直观地显示。原理：本设计采用四位七段共阳数码管， 从正面看，数码管管脚从左到右，上面管脚分别为：1,a,f,2,3,b，下面管脚分别为：e,d,dp,c,g,41,2,3,4是4个数码管的位选，为位选通管脚，由于是共阳数码管，所以位选要接三极管驱动，分别通过三极管与单片机的P2口连接，a,b,c,d,e,f,g,dp是段码，低电平有效。各管脚与单片机间连接一个1k电阻，起限流作用。数码管的动态扫描单片机通过运算得出心率，并通过P0管脚输出显示。由于四位数码管的段选并联，所以每次只能有一位数码管处于接通状态，在编程时，需要输出段选和位选，

11、位选信号选中一个其中一个数码管，然后输出段码，使数码管显示所需要的内容，延时12ms后，再显示下一个数码管，数码管的动态扫描利用了人眼的暂留效应，通过短时间内的交替显示而使人看到数码管同时显示。3.2软件设计 3.2.1编程环境与开发工具 由Visual C+编写源程序，并通过uvision软件检测无错误后，烧录到单片机内。 程序运行无错误 。 3.2.2源程序及注解#include /包含C51头文件#define uchar unsigned char #define uint unsigned int bit flag=0;uchar num,t,shu,bai,shi,ge; /定义变

12、量sbit ZD=P32;sbit d1=P27;sbit d2=P26;sbit d3=P25;uint xintiao;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80f;uchar code table1=001,010,100; /定义的数据要放在ROM里面void delay(uchar z) /延时函数 延时时间=z*j个机器时间uchar i,j;for(i=z;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void XS(uchar bai,uchar shi,uchar ge) /显示函数d3=tabl

13、e12;P0=tablebai;delay(5); /输出显示一位后延时5个机器周期d2=table11;P0=tableshi;delay(5);d1=table10;P0=tablege;delay(5);void main()TMOD=0x01; /设置定时器0为定时模式在工作方式1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1; /开总中断ET0=1; /允许定时器0开中断EX0=1; /允许外部中断0中断IT0=1; /外部中断0选择电平触发方式t=20; XS(0,0,0); /数码管显示000初值while(!flag);xint

14、iao=shu*3;bai=xintiao/100;shi=(xintiao-bai*100)/10;ge=xintiao%10;while(1)XS(bai,shi,ge); /输出显示分别为百、十、个位void T0_time() interrupt 1 /定时器0中断TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;num+;if(num=20)num=0;t-;if(t=0)TR0=0; /定时器0关闭EX0=0; flag=1; /外部中断0关闭void INT0_ZD() interrupt 0 TR0=1; /定时器0开始工作shu+;4、

15、调试过程遇到的问题与解决的方法1） 在做设计的过程中发现自己对一些专业软件和知识还不够熟悉，比如：设计开始事还没有很多地接触单片机、没用过Proteus软件、仿真软件不熟悉，C+程序设计知识遗忘等等。让设计开始时举步维艰 解决方法：通过跟同学请教、讨论，还有借助网络搜索信息。2） 第一部分刚组装好电路板后出不来方波。 解决方法：用示波器根据电路图，逐个逐个阶段地测量分析，最终找到问题出在哪段放大 电路。5、 设计总结及体会在整个电子系统设计长达十六周的过程中，我感觉自己学到了很多，也发现了自己的很多不足，从刚开始接触这个课程，由于基础太扎实，电路和编程知识都远远不够用，这个问题在后来的实践中也

16、证实了，从电路的设计到PCB排版，我不仅踏踏实实地复习了一遍之前的模电和protel软件知识，我也感受到了要成为一名优秀的技术人员，耐心是必不可少的。不知道数码管怎么与单片机使用，我就上网查询，通过搜索我了解到了各种类型数码管的各种特性和使用方法，不禁感叹网络资源的丰富和善于思考的重要性。在对单片机程序的编写过程中，我犯了很多的错误，经过一次又一次的修改，才一步一步得接近我预想的结果，这过程中我感受到了单片机这块内容的博大精深，自己对它的掌握还是远远不够，需要自己继续加深学习和研究，才能有所突破，同时也激励了我要敢于去实践，去思考解决问题的方法。在设计过程中，我们不仅仅使自身水平得到了检验，更重要的是学到很多课本上没有的知识，使自己得到了进一步的提高。同时也特别感谢各位老师和同学的帮助和支持，使我们这次设计能够顺利完成。6、参考文献 1 模拟电子技术基础. 廖惜春主编 华中科技大学出版社，2008 2 .数字电路与逻辑设计 许秀平主编.2010 3 便携式自动心率检测仪的设计蔡启明 1995 4 工程背景下的单片机原理及系统设计刘焕成 2008 6、 附录完整原理图PCB图