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基于单片机的心率计设计
学院：_______________
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学号：_______________
2013年月日
目录
摘要 (3)
第一章引言 (4)
1.1 心率计的研究背景和意义 (4)
1.2 心率计的研究现状及发展动态 (4)
第二章方案论证及元器件选择 (5)
2.1 研究内容及设计指标 (5)
2.2 方案设计与论证 (5)
2.2.1 传感器的选择与论证 (5)
2.2.2 信号处理方案选择和论证 (7)
2.2.3 单片机系统选择和论证 (8)
2.2.4 显示模块选择和论证 (9)
2.3元器件选择及其功能介绍 (9)
2.3.1单片机AT89S52 (9)
2.3.2红外传感器 (11)
2.3.3双运算放大器LM358N (11)
2.3.4 LCD1602 (12)
第三章硬件系统设计 (13)
3.1 系统设计框图 (13)
3.2 信号采集电路 (14)
3.3 信号放大电路 (15)
3.4 信号比较电路 (17)
3.5 LCD显示电路 (18)
3.7 键盘电路 (19)
第四章软件系统设计 (19)
4.1 测量计算原理 (20)
4.2 主程序流程图 (20)
4.3 中断程序流程图 (21)
4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 (21)
第五章系统测试与结果分析 (22)
5.1 测试方法和仪器 (22)
5.2 仿真与焊接阶段 (23)
5.2.1 仿真阶段 (23)
5.2.2 焊接与完成阶段 (23)
5.3 测试数据与结果分析 (25)
5.3.1测量结果与分析 (25)
5.3.2几种主要系统干扰和影响 (27)
结束语 (28)
参考文献 (29)
附录一：系统仿真图
附录二：系统原理图和PCB
附录三：源程序
基于单片机的心率计设计
摘要：在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。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。
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。测量范围限可以用按键调节，并进行声音报警，传感器可以放在身体脉搏明显的任何部位，测量结果以数字方式方式显示，测量精确到2次/分。经过大量实验，本心率计已经基本达到题目要求部分的全部指标。
关键字：心率计，红外传感器，单片机AT89S52，LM358
第一章引言
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。心脑血管疾病是危害人类生命和健康的最主要的疾病。每年因心脑血管疾病致死的人数位居人类死亡总数的首位，耗费的医疗费用居高不下，给家庭和社会造成巨大负担[1]。近年来，由于饮食习惯不合理、生活节奏加快等原因，心脑血管疾病的发病率更是呈逐年上升的趋势。如何科学的降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担，已经成为全社会所面临的一个十分严峻问题。
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，国内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。
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、陶瓷应变片、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。
到目前，用于评价大动脉的结构和方法已有很多。血管造影和其他造影技术等有创方法可精确评价动脉管腔或分心动脉壁结构。但是这些方法操作复杂，费用高昂，需要非常精密的技术设备，限制了其只能在大型临床研究中应用，另外，还有一些其他的无创方法，这些主要根据超声技术和计算机分析图像和超声信号，来研究某些动脉轴和位点的功能和结构，这些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，脉搏波速度的检测已经在较长时间内广泛应用于评价动脉壁扩张性和硬度。该方法无创伤，操作简单、结果准确、重复性好，因此被广泛应用于大型治疗和流行病学研究当中，并且，该方法非常适合于向家庭和社区医疗服务推广。国外，诸如法国研制生产的康普乐仪、日本科林公司的动脉硬化检测仪等就是利用此种方法，并在欧美国家得到广泛的普及，国内也有医院引进了这种设备，但是价格昂贵[7][8]。国内也有多家单位开始了此类设备的研究，在2007年，也有类似的产品相继上市。但是，这些仪器均被应用在大型医疗机构中，成本高，检测费用高，功能局限于检测，不能满足患者随时随地的检测的需要。
第二章方案论证及元器件选择
2.1 研究内容及设计指标
研究内容：
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范围，超过这个范围，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陶瓷代替。压电式元件的内阻极高，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。压电陶瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特点。
(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陶瓷构成。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；而压电陶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。
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。
光电式检测方法是利用光电传感器检测人体内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，当人体内的血流发生
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。
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。
图2-2小规模数字电路心率计
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分钟内将计数值显示。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内对被测信号计数，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。
单片机内部包含了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，其内部有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
液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十mv；由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外电压的有效值相关。液晶显示信息量大、长寿命、低压
驱动等优点。
(2)LED动态显示
数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。
数码管动态显示接口是单片机中应用最广泛的显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的八个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连起来，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机有字形码输出时，所有数码管都接收到相同的字形码。通过分时轮流控制各个数码管的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在动态显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象，实际上尽管数码管不是同时点亮，但只要扫描的速度很快，给人的印象就是稳定的显示数据，不会有感觉到闪烁，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
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
·三级程序存储器保密
·128×8字节内部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
·片内时钟振荡器
(2)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2-4所示。
图2-4 AT89S52的引脚结构
2.3.2红外传感器
红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它在科技，国防，和工农业生产等领域得到广泛的应用，特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如在红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。而红外辐射技术的重要工具就红外传感器，红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用。尤其是在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求，因而在产品传感器大显身手的地方。因此红外传感器的发展前景也是不可估量的。本设计的心率计的传感器采用一对5MM的红外对管外辅少许电路所组成的红外传感器，红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备，875NM主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备。EG：红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。
光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏三极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时,饱和反向漏电流马上增加，形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。
2.3.3双运算放大器LM358N
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范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。它的使用范围包括传感放大器、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。
特性:
●低输入偏流
●内部频率补偿
●直流电压增益高(约100dB)
●单位增益频带宽(约1MHz)
●电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5 一±15V)
●低功耗电流，适合于电池供电
●低输入失调电压和失调电流
●共模输入电压范围宽，包括接地
●差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
●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2-5 LM358的引脚结构
2.3.4 LCD1602显示模块
1602 LCD是指显示的内容为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）。
管脚功能
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：VSS为电源地
第2脚：VCC接5V电源正极
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。
第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
第三章硬件系统设计
3.1 系统设计框图
心率计的总体设计电路框图如图3-1所示，主要包括信号采集电路、放大电路、比较电路和单片机信号处理电路和液晶显示电路。先用红外传感器采集与心跳同频率的信号，当人体组织半透明度的数值较大时，红外发射管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，输出高电平；当人体组织半透明度的数值较小时，红外发射管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，它是近似于正弦的波形。
当脉搏为40次/分时，检测到的频率是0.78Hz，当脉搏为40次/分时，检测到的频率是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C3、C5加到线性放大器的输入端。运算放大器将
此信号放大100倍，并与R3、R4、C6组成的低通T型滤波器滤除残留的干扰。正弦信号经微分形成尖脉冲信号，单稳态振荡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R12送到单片机后，经过软件对信号的处理，最后在以数值形式显示在液晶上。
图 3-1 系统设计原理框图
3.2 信号采集电路
信号采集电路如图3-2所示。5MM红外对管D1与D3组成红外传感器。因红外传感器输出的脉冲信号是非常微弱的信号，而且频率很低（如脉搏50次/分钟为0.78Hz，200次/分钟为3.33Hz），并且还伴有各种噪声干扰，故该信号要经过R7、C5低通滤波，去除高频干扰。当传感器检测到较强的干扰噪音时，其输出端的直流电压信号会有很大变化。
图3-2 信号采集电路
3.3信号放大电路
如图3-3所示，R3与R8的电阻之比为放大器的放大倍数，经过计算所得该放大器的理论值为200倍，但由于8号接口上5V供压不足再加上材料限制和人为的因素，该放大倍数只有20倍左右。
图中C7为耦合电容，作用为隔直流通交流，之所以使用1uF的电容，是为了让所有的信号通过。信号放大电路仿真图如图3-4所示。
图3-3 信号放大电路
3.4信号比较电路
电压比较器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F 变换电路、A/D 变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。我们主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小并判断出其中哪一个电压高，接到的信号电压小于该值时显示0V，当大于该值时显示5V，这就形成了0和5V的方波。如图3-7 所示。
图3-7 电压比较器
3.5 LCD1602显示电路
LCD1602与单片机接口电路如下：
3.6 键盘电路
因为I/O口足够用，键盘设计采用线性键盘。三个引脚通过按键接地。有程序控制扫描。3个按键分别接到CPU的P30、P31、P32上，正常心率范围的设置，以便在超出限制时报警提示。
图3-10键盘电路
第四章系统软件设计
基于单片机心率计的软件设计主要由主程序流程图、中断程序流程图及显示子程序组成。C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而心率计的程序既有较复杂的计算（时间t内的平均值），又要求精细计算程序运行时间（动脉搏动时间），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
4.1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 (4-1) 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 (4-2) 把(2)带入(1)得到：
n = 60k/0.001N =60000K/N (4-3) 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）。
4.2主程序流程图
程序流程图如图4-1所示。程序初始化是单片机程序必需的，它的主要任务是确定中断入口地址和程序入口。然后显示全零，目的是为了区分是否有信号送入，当没有信号送入时，显示全零，则说明心率计没有正常工作，反之，则正常工作。
设计中比较重要的一部分是定时l00ms，它主要是为采样6s建立基础。系统运用定时器T1定时来实现100ms的定时，中断等待占用程序执行的绝大部分时间，是一个死循环语句，只有当中断满足条件时，才执行中断服务子程序，进行累加计数的结果，累加之后，判断采样的次数，如果采样未满60次，说明不到6 s，返回继续采样、等待中断，直到采样60次为止，之后把6s内采样得到的次数由二进制数转化为十进制数，送到液晶进行显示。
目录 摘要 (3) 英文摘要 (3) 1 引言 (4) 1.1 心率计的研究背景和意义 (4) 1.2 心率计的研究现状及发展动态 (4) 2 方案论证及元器件选择 (5) 2.1 研究内容及设计指标 (5) 2.2 方案设计与论证 (5) 2.2.1 传感器的选择与论证 (5) 2.2.2 信号处理方案选择和论证 (7) 2.2.3 单片机系统选择和论证 (8) 2.2.4 显示模块选择和论证 (9) 2.3元器件选择及其功能介绍 (9) 2.3.1单片机AT89S52 (9) 2.3.2红外传感器 (11) 2.3.3双运算放大器LM358N (11) 2.3.4 LCD12864 (12) 3 硬件系统设计 (13) 3.1 系统设计框图 (13) 3.2 信号采集电路 (14) 3.3 信号放大电路 (15) 3.3.1一级信号放大电路 (15) 3.3.2 电源模块设计 (16) 3.4 信号比较电路 (17) 3.5 LCD显示电路 (18) 3.6 记忆电路 (18) 3.7 键盘电路 (19) 4 软件设计 (19) 4.1 测量计算原理 (20) 4.2 主程序流程图 (20)
4.3 中断程序流程图 (21) 4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 (21) 5 系统测试与结果分析 (22) 5.1 测试方法和仪器 (22) 5.2 仿真与焊接阶段 (23) 5.2.1 仿真阶段 (23) 5.2.2 焊接与完成阶段 (23) 5.3 测试数据与结果分析 (25) 5.3.1测量结果与分析 (25) 5.3.2几种主要系统干扰和影响 (27) 结束语 (28) 参考文献 (29) 附录一：心率计电路图 附录二：部分程序
摘要 接口实验报告 题目：脉搏波体温自动采集系统院（系）：电子工程与自动化学院 专业：仪器仪表工程 学生姓名： 学号： 指导老师：李智 职称：教授 20 年8月28日 I
摘要 本文介绍了一种基于51单片机的心率体温采集系统。首先介绍了51系列单片机的内部相关配置、工作原理以及编程方法，其次介绍了温度传感器PT100的相关测温方法以及通过红外光电传感器TCRT5000对射的方法来抓取人体脉搏信号。此次设计的电路部分主要包括：传感测量电路、放大电路、滤波整形电路、AD转换电路、控制电路、电源供电电路等。上位机为通过VC编程界面。通过上位机按键控制，将PT100及TCRT5000输入的微弱信号进行放大整形，最后AD采集转换传送给单片机，在上位机界面上显示相关体温及心率信息。 本次硬件设计基于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且详细分析了红外传感器TCRT5000应用于心率测量上以及PT100应用于温度测量上的原理及优点，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点，并且通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计，使得本次课题的预期结果得以实现。 关键词：51单片机；传感器；仿真；AD转换
Abstract Abstract This paper introduced a heart rate and body temperature acquisition system that based on 51 single chip microcomputer. First the internal configurations of 51 single chip microcomputer are introduced. And the paper also tell how 51 single chip microcomputer works and how can we program on it. Then the method of using temperature sensor PT100 to get body temperature is introduced, and we use infrared photoelectric sensor TCRT5000 to get the pulse signal of human body.The design of the circuit mainly comprises sensing circuit, amplifying circuit, filtering and shaping circuit, AD converting circuit, counting and displaying circuit, controlling circuit, power supplying circuit and so on. When the keyboard is pressed, the system starts to get signal. The small signal from PT100 and TCRT5000 will be amplified and shaped. Then ad converter will change the analog signal into digital signal and send to 51 single chip microcomputer. At last LCD1602 will display the information of body temperature and heart rate. Keywords: Piezoelectric sensors；control circuit；counters；Multisim2001 simulation software control circuit. III
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据 库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名：日期： 指导教师签名：日期：
本科毕业设计 （ 论文） 开题报告 题目： 基于单片机的脉搏测量仪 的设计 课 题 类 型：设计丁实验研究□论文口 学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 学 院： 信息工程学院 指 导 教 师： 开 题 时 间 年月日 开题报告内容与要求 一、毕业设计（论文）内容及研究意义（价值） 随着科技发展的不断提高， 生命科学和信息科学的结合越来越紧密， 出现了各种新 颖 的脉搏测量仪器，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。 脉诊在我 国已具有
2600 多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。科技的创新，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确的测量脉搏的目的。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值。 脉搏测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏变化，最后要得出每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化。本系统的组成包括传感器、信号处理、单片机电路、显示电路、键盘输入等部分。 二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述） 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确在测量脉搏的目的。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值。而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。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。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。 脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： （1）自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。目前很多脉搏测量仪都具有检测
选题的目的和意义： 在中医四诊(望、闻、问、切)中，脉诊具有非常重要的位置。它是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”基本精神的体现与应用。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟心跳数，方法是用听诊器放在胸口处，根据心脏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒内的心跳数，再把结果乘以6得到每分钟的心跳数，这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了更方便以及更精确地反应出心率地正常与否，人类发明出了脉搏计。大大的翻遍了人类对于心脏类疾病的预防和治疗。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。 国内外对本课题涉及问题的研究现状： 脉搏测量仪日常生活中已经得到了非常广泛的应用。早在1860年Vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，五十年代末，有人研制出以酒石酸钾钠压电晶片为换能器的脉搏描在我们的记器，将中医寸、关、尺的脉搏，通过换能器转换为电能加以放大描记，初步确定了中医弦脉、滑脉、平脉等的特征图形，1959年，进行高血压弦脉及其机制的研究。 六十年代初研制的“20型三线脉象仪”，首次实现了寸、关、尺三部切脉国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水等多种形式。目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。压力的任意调节和客观定量测定，以及与指感基本一致的压力脉象波型的描记。该仪器在临床试用取得大量的实验数据。之后，全国各地陆续研制出各种不同换能器（如半导体硅应变片换能器，电感式压力换能器，电阻抗式换能器）的脉象仪，不断提高换能器的灵敏度，精确度，并改进探头的造型。近年来有些单位还将声像图仪、频谱分析应用于中医脉象研究。七十年代初，中国医学科学院分院利用电子学的新进展，研制出性能较好的脉搏图机，所描记的脉搏图能反映出十余种脉象。为用脉搏图形识别这些脉搏打下了初步基础。七十年代末北京中医学院采用测量脉搏图参数，进行系统分析，来描述弦、滑、细、平等脉象的脉搏图特征，从定性推进到定量。八十年代初魏韧提出多因素脉图识别法，将切脉时医师的应指感觉分解为八种成分，其不同组合构成各种脉象。还研制出MTY-A型脉图仪，在传统的波形图外尚可描记各种取脉压力下的脉搏幅度趋势图及脉管粗细图，认为可综合上述八种指感成分，因而能反映出所有各种脉象。几乎世界上所有的民族都用过"摸脉"作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波
目录 1.引言 (2) 2.系统基本方案 (2) 2.1.系统总结构 (3) 2.2.各个部分电路的方案选择及分析 (3) 2.2.1.脉搏传感器部分 (3) 2.2.2.单片机选择 (3) 2.2.3.显示部分 (4) 2.3.系统各模块的最终方案 (4) 3.系统硬件设计 (5) 3.1.单片机处理电路 (5) 3.1.1.STC89C51系列单片机的主要性能特点： (5) 3.1.2 .C51系列单片机的基本组成： (6) 3.2.复位电路 (9) 3.2.1.单片机复位电路 (9) 3.3.振荡电路 (10) 3.4.脉搏传感器部分 (10) 3.4.1.HK-2000A 集成化脉搏传感器 (10) 3.4.2.脉搏传感器接收电路 (12) 3.4.3 .电源电路 (12) 3.5显示报警部分 (13) 3.5.1.数码管显示电路 (13) 4.系统软件设计 (14) 4.1 主程序流程的设计 (14) 4.2 定时器/计数器中断程序流程的设计 (15) 4.3 显示程序流程的设计 (16) 5.总结 (18) 参考文献 (19)
1.引言 心率是最为常见的临床检查与生理研究的生理现象,且包含两个人类生命的重要信息，那就是血管和心脏的生理状态。人体各器官的健康状况、疾病等信息将以某种方式出现在脉冲的脉冲条件。许多有诊断价值的信息，比如有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测脉冲图包含大量的诊断价值信息,也可以用来预测一些身体器官结构和功能的转变趋势, 通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号[1]。 在医院临床护理和日常的中老年保健中,脉搏是一个基本的生活指数,因此脉搏测量是最常见的生活特征提取。近年来在日常监护测仪器,如便携式电子血压计,可以完成脉冲测量。但是这种便携式电子血压计利用微型气泵压力橡胶气球,每次测量都需要一个压缩和解压缩的过程,有体积庞大、脉搏检测的精确度低、加减压过程会有不适等等的不足。 人类心室周期性的收缩和舒张，导致主动脉收缩压和舒张压，使血流压力可以能够以波的形式从主动脉根部，就开始沿着人体整个动脉系统流动，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的不同强度、各种形态、速率不一和跳动节律等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统血液流动在许多生理和病理特点。 本设计使用系统使用HK - 2000集成传感器转换电压脉冲信号,脉冲信号调节使用后AT89S51单片机对信号采集和处理,在很短的时间内,测量人体每分钟的脉搏数,和心率实时显示,便于携带。达到的目的, 快速、方便、准确地测量心率。脉搏测量系统性能好,结构简单,性价比高,稳定的输出显示,更适应流行,适合家庭每天自我反省和医院护士的临床记录。 2.系统基本方案 心率检测系统的设计，一定要通过收集脉搏的跳动变化反映出人体的生物的信号，然后生物信号转变成物理的信号，能使物理信号表达人体的心率变化，最后要的出每分钟的心跳频率，就一定需要相应的硬件电路及芯片来处理物理变化
摘要 本文介绍了一种基于51单片机的心率体温采集系统。首先介绍了51系列单片机的内部相关配置、工作原理以及编程方法，其次介绍了温度传感器PT100的相关测温方法以及通过红外光电传感器TCRT5000对射的方法来抓取人体脉搏信号。此次设计的电路部分主要包括：传感测量电路、放大电路、滤波整形电路、AD转换电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路等。通过按键开始测试，将PT100及TCRT5000输入的微弱信号进行放大整形，最后AD采集转换传送给单片机，在LCD1602上显示相关体温及心率信息。 本次硬件设计基于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且详细分析了红外传感器TCRT5000应用于心率测量上以及PT100应用于温度测量上的原理及优点，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点，并且通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计，使得本次课题的预期结果得以实现。 关键词：51单片机；传感器；仿真；AD转换 -I
Abstract This paper introduced a heart rate and body temperature acquisition system that based on 51 single chip microcomputer. First the internal configurations of 51 single chip microcomputer are introduced. And the paper also tell how 51 single chip microcomputer works and how can we program on it. Then the method of using temperature sensor PT100 to get body temperature is introduced, and we use infrared photoelectric sensor TCRT5000 to get the pulse signal of human body.The design of the circuit mainly comprises sensing circuit , amplifying circuit, filtering and shaping circuit, AD converting circuit, counting and displaying circuit, controlling circuit, power supplying circuit and so on. When the keyboard is pressed, the system starts to get signal. The small signal from PT100 and TCRT5000 will be amplified and shaped. Then ad converter will change the analog signal into digital signal and send to 51 single chip microcomputer . At last LCD1602 will display the information of body temperature and heart rate. Keywords: Piezoelectric sensors；control circuit；counters；Multisim2001 simulation software control circuit. -II
#include "STC12C5A.h" #include "SMG.h" #define FSOC 24000000L #define T1MS (65536-FSOC/12/1000) sbit LED0 = P0^0; unsigned int count=0;计时标志数 unsigned int xinlv=0;心率计算器 unsigned char seg[10] = {0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6}; sbit HC595_RST = P0^6; sbit HC595_SCK = P0^4; sbit HC595_RCK = P0^5; sbit HC595_DAT = P0^7;
外部中断代码void Exti0_Init() { IT0 = 1; //下降沿触发 TCON.0=1 EX0 = 1; //开外部中断0 IE.0=1 EA = 1; //开总中断 } void Exit0_ISR() interrupt 0 { Xinlv++; LED0=0; delay_ms(2); LED0=1; } 定时器代码void Timer0_Init() { TMOD = 0x01; TR0 = 1; //16位定时器工作方式 TH0 = T1MS>>8; TL0 = T1MS; ET0 = 1; //打开定时器0中断 EA = 1; //打开总中断 } void Timer0_ISR() interrupt 1 { unsigned int temp; count++; TH0 = T1MS>>8; TL0 = T1MS; if(count=5000) temp=Xinlv; for{} SMG_Display(temp); }
基于51单片机的数字频率计 目录 第1节引言 (2) 1.1数字频率计概述 (2) 1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算 (2) 1.3基本设计原理 (3) 第2节数字频率计（低频）的硬件结构设计 (4) 2.1系统硬件的构成 (4) 2.2系统工作原理图 (4) 2.3AT89C51单片机及其引脚说明 (5) 2.4信号调理及放大整形模块 (7) 2.5时基信号产生电路 (7) 2.6显示模块 (8) 第3节软件设计 (12) 3.1 定时计数 (12) 3.2 量程转换 (12) 3.3 BCD转换 (12) 3.4 LCD显示 (12) 第4节结束语 (13) 参考文献 (14) 附录汇编源程序代码 (15)
基于51单片机的数字频率计 第1节引言 本应用系统设计的目的是通过在“单片机原理及应用”课堂上学习的知识，以及查阅资料，培养一种自学的能力。并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。 1.1数字频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。 本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个1602A LCD显示器动态显示6位数。测量围从1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，时基宽度为1us,10us,100us,1ms。用单片机实现自动测量功能。 基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。 1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算 频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小，其原理如右图1所示。 1 图可知： T=NT o 为标准信号的周期，所以T为分频后信号的周期，则可以算出被测量信（注：T o
基于单片机的心率设计设计
毕业设计（论文）题目心率监测系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：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。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。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谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
基于单片机的心率计设计 摘要 心率是指单位时间内心脏搏动的次数，包含了许多重要的生理、病理信息，特别是与心脑血管相关的信息，是生物医学检测中一个重要的生理指标，也是临床常规诊断的生理指标；因此迅速准确地测量心率便显得尤为重要。随着医疗水平和人们生活水平的提高，快速、准确、便携式心率计便成为一种新的发展趋势，同时伴随着单片机技术的发展，基于单片机的便携式心率计便不失为一个好的选择。 本心率计共有三大部分，分别为：传感器部分、信号处理部分、单片机控制部分。传感器部分采用光电式传感器实现对信号采集；信号处理部分则采用放大、滤波、波形变换等方法实现信号的有效处理；而单片机部分则实现对心率的计数和显示功能。通过这三部分的有效组合初步实现对人体心率的一个有效计数。 信号采集采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，实现信号的采集；信号放大则采用四运放运算放大器LM324，波形变换采用555定时器构成反向施密特触发器；单片机控制模块则采用AT89C51微处理器和相关元器件通过C语言编程实现计数和显示功能。 关键词：心率，光电式传感器，信号处理，AT89C51
DESIGN OF HEART RATE METER BASED ON MCU ABSTRACT Heart rate is refering to the number in unit time of the heart beating, contains many important physiological and pathological information, especially information associated with cardiovascular, biomedical detection an important physiological indexes, and routine clinical diagnosis of physiological indexes; so quickly and accurately measuring heart rate appears to be particularly important. With the improvement of medical level and people's living standards, rapid, accurate and portable heart rate meter has become a new trend, accompanied by the development of SCM technology, will not be regarded as a good choice of meter based on microcontroller portable heart rate. Heart rate meter consists of three parts, respectively: sensor part, signal processing part, MCU control part. Part of the sensor using photoelectric sensor achieved the signal of the signal acquisition; signal processing part uses the amplification, filtering, waveform transform method to effectively d eal with; and part of SCM is to achieve counting on heart rate and display function. Through the effective combination of these three parts, an effective count of human heart rate is realized.. Signals were collected using photoelectric sensor through the monitoring of the degree of light at the end of a finger, to realize the signal acquisition; signal amplification four operational amplifier LM324 operational amplifier is used, the waveform transform the 555 timer constitute reverse Schmitt trigger; MCU control module is used AT89C51 microprocessor and related components by C language programming counting and display function. KEY WORDS: heart rate, sensor photoelectric, signal processing, AT89C51
1 前言 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。 1.1频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。 1.2频率计发展与应用 在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以AT89S52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。
2 系统总体设计 2.1测频的原理 测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号， 通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累 计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式： N fx= T 频率计数器严格地按照 N f= T 公式进行测频。由于数字测量的离散性，被测频率在计数 器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的1 ±量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为： 1 () fA N δ= 应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。 上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。 2.2总体思路 频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机AT89S52 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计实现10HZ~2MHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能，四位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。 2.3具体模块 根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。各模块作用如下：
目录 摘要 (3) 英文摘要 (3) 1 引言 (4) 1.1 心率计的研究背景和意义 (4) 1.2 心率计的研究现状及发展动态 (4) 2 方案论证及元器件选择 (5) 2.1 研究内容及设计指标 (5) 2.2 方案设计与论证 (5) 2.2.1 传感器的选择与论证 (5) 2.2.2 信号处理方案选择和论证 (7) 2.2.3 单片机系统选择和论证 (8) 2.2.4 显示模块选择和论证 (9) 2.3元器件选择及其功能介绍 (9) 2.3.1单片机AT89S52 (9) 2.3.2红外传感器 (11) 2.3.3双运算放大器LM358N (11) 2.3.4 LCD12864 (12) 3 硬件系统设计 (13) 3.1 系统设计框图 (13) 3.2 信号采集电路 (14) 3.3 信号放大电路 (15) 3.3.1一级信号放大电路 (15) 3.3.2 电源模块设计 (16) 3.4 信号比较电路 (17) 3.5 LCD显示电路 (18) 3.6 记忆电路 (18) 3.7 键盘电路 (19) 4 软件设计 (19) 4.1 测量计算原理 (20) 4.2 主程序流程图 (20)
4.3 中断程序流程图 (21) 4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 (21) 5 系统测试与结果分析 (22) 5.1 测试方法和仪器 (22) 5.2 仿真与焊接阶段 (23) 5.2.1 仿真阶段 (23) 5.2.2 焊接与完成阶段 (23) 5.3 测试数据与结果分析 (25) 5.3.1测量结果与分析 (25) 5.3.2几种主要系统干扰和影响 (27) 结束语 (28) 参考文献 (29) 附录一：心率计电路图 附录二：部分程序
基于51单片机的脉搏测量仪 摘要：脉搏心率测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏心率测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏心率测量仪。系统以STC89C51单片机为核心，以红外反射式传感器ST188为检测原件，并利用单片机系统部定时器来计算时间，由红外反射式传感器 ST188感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏心率跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中能显示脉搏心率次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏心率次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。 关键词：脉搏心率测量仪；STC89C51单片机；红外反射式传感器 一脉搏心率测量仪系统结构 脉搏心率测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏心率变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏心率变化，最后要得出每分钟的脉搏心率次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏心率次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化。 1.1 光电脉搏心率测量仪的结构 光电脉搏心率测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏心率跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码管显示电路、电源等部
分。 1．光电传感器 即将非电量(红外光)转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和红外接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系(通常是线性关系)转换成便于测量的物理量(如电压、电流或频率等)输出。 2．信号处理 即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路(包括放大、滤波、整形等)。 3. 单片机电路 即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括STC89C51、外部晶振、外部中断等）。 4．数码管显示电路 即把单片机计算得出的结果用四位一体数码管显示出来。 5. 电源 即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，采用直流5V电源供电。 1.2工作原理 本设计采用单片机STC89C51为控制核心，实现脉搏心率测量仪的基本测量功能。脉搏心率测量仪硬件框图如下图2.1 所示：
电子产品设计与开发 结课论文 题目：其于51单片机的频率计设计与仿真 班级：电子1104班 姓名：陈** （组员）学号：03 电话：1376****** 成员：曾* （组长）学号：29 电话：13726****** 成员：孙* （组员）学号：21 电话：137*******
目录 一、需求分析 二、方案设计 1设计基本原理 (4) 1.1测量频率的原理 (4) 1.2系统设计框图 (4) 三、软件设计 (5) 1资源分配表 (5) 2程序流程框图 (6) 四、系统硬件线路设计图 (7) 1 单片机最小系统设计 (7) 2 液晶LCD1602显示电路 (8) 3 频率测量电路 (11) 五.系统仿真、测试结果及性能分析 (12) 1系统仿真、测试结果 (12) 2性能分析 (13) 六、心得与体会 (14) 七、参考文献 (14)
摘要 本设计提出了一种基于AT89C51单片机开发的数字频率测量仪的设计。系统以单片机AT89C51为核心，构成完备的测量系统。可以对信号进行频率的精确测量，测频在1Hz至10kHZ。采用液晶LCD1602显示被测信号的频率。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高、硬件结构简单的优点。 关键词：单片机；低频；绝对误差
一、需求分析 频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路 和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号 时不宜直接使用。频率信号抗干扰性强、易于传输,可以获得较高的测量精度。同时,频率 测量方法的优化也越来越受到重视.并采用AT89C51 单片机和相关硬软件实现。MCS—51 系列单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和 智能化仪器，仪表等领域。我们研制的频率计以89c51单片机为核心，具有性能优良，精 度高，可靠性好等特点。 二、设计方案 此次课程设计采用间接测量法来测量。要用到GATE信号，GATE=1时，TR0=1，INTO=1 才能启动计数器，而计数器0是通过外部中断INTO的下降沿开始触发的，计时器从0开 始计时，计数器只能测高电平，因此测得的时间为半个周期。当计数器0计时溢出，执行 m加1的操作。则测量时间为：t1=TH0*256+TL0+m*65536 ，所求频率F=1000000/(2*t1) 1设计基本原理 1.1测量频率的原理 定时/计数器工作在方式1，每产生一次定时器0中断，计数65536个脉冲，此时的 脉冲来自振荡器的12分频后的脉冲，其周期为1uS。根据产生外部中断0时，定时器0中 断的次数u，以及此时定时/计数器0计数寄存器的数值X，即可求得待测方波的周期为： T=(65536*u+X)us ，取其倒数即可求得待测方波的频率，小数点后保留两位，即可使得频 率精度为0.1HZ。 1.2系统设计框图 经过方案论证和比较后,最终确定的系统框图如图1所示,主要由AT89C51单片机、异或 器件、LCD1602、电源等组成。