心搏跟踪记录仪设计.doc

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1、辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 心搏跟踪记录仪设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.06.24-2013.07.12课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目心搏跟踪记录仪设计课程设计（论文）任务由1只压力（或声音）传感器来记录心脏搏动情况，代替心电图实现对病人病情的分析。每秒采样10次，心搏记录时间达10分钟。设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. 心搏测量传感器选择及信号放大电路设计3. 1

2、0分钟心搏记录RAM选择与设计4. 程序流程图设计及程序编写技术参数：1噪声测量范围：30-130dB2工作电源220V设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、传感器及模拟量输入电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计第5天 心搏测量传感器及信号放大电路设计第6天10分钟心搏记录RAM选择与设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计

3、说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着社会的发展与进步，我们的生活节奏也越来越快，面对每天繁忙的工作生活，我们不一定能像以前那样定期抽出时间去为自己身体做一次体检。而事实上我们身体承受的负荷却越来越大，相比于以前我们需要给自己的身体以更多的关注，甚至是时刻了解它的健康状况。身体的健康与否在很多方面都会有所体现。比如一个人的心率值就基本能反映一个人心脏是否正常工作的。大家都知道心脏是我们人体中最重要的器官之一，使我们生命的源动力。所以我们能时刻了解它的状态

4、是很重要的。由于我们平时不一定总是能抽出时间去做体检，所以我们需要一个简单的，便于操作的，可靠性高的心搏跟踪记录仪来帮助我们在短时间内测到我们的心率值。让我们能及时了解到我们现在心脏以及身体的状态。关键词：心率值，便于操作，可靠性高，心搏跟踪。目 录第1章 绪论11.1 心搏跟踪记录仪概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 心律跟踪记录仪总体设计方案22.2 CPU的选择32.3 数据存储器扩展32.4 复位电路设计42.5 时钟电路设计52.6 CPU最小系统图6第3章 心搏跟踪记录仪输入输出接口电路设计73.1 心搏跟踪记录仪传感器的选择73.2 A/D转换器选择7

5、3.3 信号采集电路83.4 信号比较电路93.5 A/D转换电路93.6 显示电路103.7 系统总体设计原理图11第4章 心搏跟踪记录仪软件设计134.1 主程序与中断程序流程图134.2 测量程序清单144.3 中断服务子程序设计14第5章 课程设计总结17参考文献18第1章 绪论1.1 心搏跟踪记录仪概况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；而心脏病的发作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心搏跟踪记录仪。心搏是人体的一项重要生理参数，在现代医学

6、中，心搏对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。通过测量人的心搏，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，心搏跟踪记录仪很快产生，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，能够快速测出人心搏的心搏跟踪记录仪，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，心搏跟踪记录仪有着广阔的市场前景。心搏跟踪记录仪是医学中用来测量人体心率的装置，高精度心搏跟踪记录仪的研究开发历来是医学仪器领域的一项重要课题。1.2 本文研究内容本文阐述了基于单片

7、机设计的心率计的设计原理与实现方法。以AT89C51单片机为基础，实现了心率计的各种功能。文中详细地描述了心率计的设计过程，包括：取样电路、放大电路、比较电路、A/D转换电路和单片机处理电路和显示电路，同时还提出了基于单片机的编码、译码程序设计流程图。第一步：对本论文的选题的目的和意义以及论文的结构进行了阐述。第二步：介绍了系统整体方案的设计与原理总图，简要的介绍了设计的原理和框图介绍。第三步：详细介绍了系统所需的主要元器件和详细介绍了单片机最小系统，对取样电路、放大电路、比较电路、A/D转换电路和单片机处理电路和显示电路进行了设计。第四步：在硬件设计的基础上，阐述了对软件的设计并介绍了程序计

8、算方法，给出了程序主程序和子程序。第五步：总结本文的研究工作。第2章 CPU最小系统设计2.1 心律跟踪记录仪总体设计方案图2.1过程原理框图各模块功能：要实现对脉搏的测量，首先要用传感器模块测量得到脉搏信号。信号得到后，因为原始信号比较微弱，需要用放大器模块将其放大到一个合适的幅度。放大后的信号中会夹杂有各种噪声，因此需要经过滤波器模块对其进行滤波处理，以消除噪声，提高信号信噪比。为使信号能够在计数器中实现计数，需要对信号进行整形电路模块处理，将信号由一个不规则信号整理为可用于计数的方波或脉冲信号。信号经过整形后，由于设计要求实现在短时间内测量一分钟心率的功能，需要在计数前对信号通过倍频器模

9、块进行倍频处理，以实现上述功能。经过之前一系列处理后，信号将进入计数器模块进行计数，其中计数器需要用相应的定时器模块配合完成该步骤，定时器模块同样要实现短时间内测量一分钟心率的功能。计数器模块输出的信号是可用于显示器模块显示的七位BCD码，将其连入显示器模块显示。同时将该信号送入比较器模块中与预设的数值进行比较，当测量值在预设范围之外时将通过报警模块电路进行LED灯报警，表示所测得的心率超出正常范围。2.2 CPU的选择AT89C51单片机是一种低功耗、高性能、包含4KB的闪速存储器（Flash Memory）的8位CMOS微控制器。这种器件系以ATMEL高密度不挥发的存储技术制造，与工业标准

10、MCS51指令系统和引脚完全兼容。片内闪速存储器的程序代码或数据可在线写入，也看通过常规的编程器编程。图2.2 AT89C51引脚图2.3 数据存储器扩展89C51单片机共有4个8位并行I/O口，这些I/O口一般是不能完全提供给用户使用的，在外部扩展存储器时，提供给用户使用的I/O口只有P1、P3的部分口线。因此在大部分的89C51单片机应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。本设计中我们通过74LS373进行扩展。74LS373是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如下图2.3a所示。其中D0-D7为8个输入端；Q0-Q7为8个输入端；LE为数据打入端：当LE为“1”时，锁存器输出状态

11、同输入状态：当LE“0”时，数据打入端锁存器；为输出允许端：当=0时，三态门打开；=1时，三态门关闭，输出高祖。常用的接口芯片：6116可编程通用并行接口。HM6116有11条地址线（A0-A10）、8条数据线（I/O1-I/O8）、1条电源线、1条接地线GND和3条控制线片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE。这3个控制信号的组合控制HM6116芯片的工作方式。6116的引脚如下图2.3b所示。图2.3a 74LS373引脚图 图2.3b 6116的引脚图2.4 复位电路设计复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作，除了进入系统的正常初

12、始化之外，当由于程序运行出现错误或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需 按复位电路以重新启动。复位电路包括上电复位，按键电平复位，按键脉冲复位。本设计中采用按键电平复位。按键电平复位是通过是复位端经过电阻与VCC电源接通而实现的，如下图：复位信号及其产生：RST引脚是复位信号的输入端，复位信号时高电平有效，其有效时间持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上。图2.4 复位电路2.5 时钟电路设计时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个33pF的瓷片电容组成。时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电

13、路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格工作。振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在二分频的基础上再三分频产生ALE信号，再二分频的的基础上再六分频得到机器周期信号。单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片外部通过两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如图2.5所示。图2.5时钟电路2.6 CPU最小系统图由前几节介绍的基本器件和简单电路，所形成的CPU最小系统如图所示：图2.6 CPU最小系统第3章 心搏跟

14、踪记录仪输入输出接口电路设计3.1 心搏跟踪记录仪传感器的选择通过搜集大量压力传感器信息进行综合比对，飞思卡尔的MPX2050D压阻式硅压力传感器能够满足要求。其主要特点如：压力范围0到50kPa，温度补偿范围0到+85，独有的硅切应力应变片，提供编带式或卷轴式出货封装选项。由于人的血压差范围大致为40mmHg-50mmHg，即5.3kPa-6.7kPa，根据传感器灵敏度为0.8mV/kPa知，输出电压变化范围为4.24mV-5.36mV；再考虑人的最高血压为200mmHg，即26.7kPa，则最大输出电压为21.36mV。各项指标均满足设计要求。图3.1 传感器外形图与示意图3.2 A/D转

15、换器选择ADC0809是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ADC0809具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).ADC0809为DIP28封装,芯片引脚排列如图3.2所示：图3.2 芯片ADC0809引脚图3.3 信号采集电路信号采集电路如图4-2所示

16、。D1与Vb组成压力传感器。因传压力感器输出的点脉冲信号时非常微弱的信号，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R3、C1低通滤波，去除高频干扰。当传感器检测到较强的干扰时，其输出端的直流电压信号会有很大变化。图3.3 信号采集电路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

17、较其大小并判断出其中哪一个电压高，如图3.4 所示。图3.4 电压比较器3.5 A/D转换电路A/D转换电路如图3.5所示。首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图3.5 A/D转换器连线图3.6 显示电路LED采用3位8段加提示符的液晶显示模块LCM046，3-

18、4线串行接口，低功耗特性；显示状态功耗为50Ua;省电模式下1uA;工作电压2.7V5.2V。视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，可加背光。AT89C51通过P0.0P0.7与LED连接.图3.6为显示电路：图3.6 显示电路3.7 系统总体设计原理图心搏跟踪记录仪的总体电路如图3.7所示，主要包括取样整型电路，单片机处理电路和显示电路。图3.7 系统原理总图第4章 心搏跟踪记录仪软件设计4.1 主程序与中断程序流程图心搏跟踪记录仪测量程序设计由两部分构成，前半段实现初始化，包括定时器/计数器的初始化、设置堆栈指针以及开中断等。程序的后半段则是启动两个定时器/计数器以及调用显示子程序和语音播报

19、子程序来完成心率值的显示和语音播报。心搏跟踪记录仪测量的程序设计流程图如图4.1所示：图4.1程序设计流程图4.2 测量程序清单rate： steb et0 ；允许中断 steb ea steb tr0 steb tr1pctc： mov th0，#15h ；定时器/计数器0定时60ms mov tl0，#0a0h mov th1，#00h mov tl1，#00h mov tmod，#51h ；定时器/计数器0定时，工作方式1 ；定时器/计数器1计数工作方式1 mov 7fh，#0ah ；oah=10 10*60ms=0.6s lcall dis_int ；调用显示子程序 lcall pla

20、yl ；调用语音播报子程序 ret4.3 中断服务子程序设计中断服务子程序主要有以下三大功能：1、实现0.6S定时，初始化中设定定时器/计数器0用作定时，定时时间为60ms，同时用内存单元7EH、7FH配合做计数器，设7EH、7FH单元的初始值为0AH（相当于十进制数10），每进入一次中断，将7EH、7FH单元内容减1，减为0时为0.6s到(60ms乘以10=0.6)。 2、满0.6s后，读定时器/计数器1中TL1的值（每分钟脉搏跳动的次数一般不会超过255次），即为每分钟脉搏跳动值。为了提高测量的准确性，本设计中采用测三次求平均的方法来获取心率值。这就需要我们定义一个寄存器R1的值为3，每过

21、一个0.6s，R1的值减1，并将TL1中的值与上一次测量值A中的值相加。当R1的值为0时，A中的值就是三次的测量总值，将其值除以3就得到了心率值。初始化时将定时器/计数器1设置为计数器工作方式。3、将A计得的二进制数转换成十进制数，并将之送至显示缓冲区，其中百位数置60H单元，十位数和个位数置61H单元，以使显示子程序实现每0.6s脉搏跳动次数显示。其中单字节二进制数转换成十进制数的设计思路是：将该二进制数先除以100（64H），后在将余数除以10（0AH），即可依次得十进制数的百位、十位和个位。中断服务子程序的程序流程图如图4.3所示：图4.3 中断服务子程序的程序流程图中断服务子程序：Ct

22、co： push dph push dpl push accmov th0，#15h ; mov tl0，#0a0h dec 7fh mov a，7fh cjne a， #0ffh，ctco1ctco1： mov a，tl1addc a ，r2mon r2，adec r1 mov a,，r1 jnz ctco2 mov b， #03h mov a,，r2 div ab lcall chan mov tl1，#00h pop acc pop dpl pop dphctco2： retichan： mov b，#64h div ab mov 60h，a mov a，#0ah xch ab div

23、ab swap a add a，b mov 61h，a ret第5章 课程设计总结这次课程设计让我学到了很多的东西。刚刚拿到任务的时候，觉得这个设计很简单，很快就应该能做出来，感觉单片机学的还可以，但实际上还差的很多。我这才发现自己的不足，对常用的模拟和数字芯片积累太少，过多的依赖于单片机。而对传感器的理解和应用都不是太容易。这使得我在传感器上浪费了很多时间和精力。这次设计，也让我们初步接触到了工程上的东西，使我意识到教材知识，主要是一些经典的理论知识和学习方法，而不是直接指导实践的应用技术，我们需要对其深入理解。对于某一种陌生的芯片，要想直接在教材上找到使用方法基本上是不可能的。但是，如果理

24、论知识比较扎实，就会知道它应该属于哪一类器件，应该怎样学习使用它。芯片手册是最可靠的应用指导，要学会怎样从芯片手册中得到与应用相关的信息。通过这次设计，我发现了自己的不足，学到了很多实用的工程知识和技术。这是一次对我们之前所学知识的大检验，我在这个过程中收获很大。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.44 童诗白 编 模拟电子技术基础 高等教育出版社 1988.55 何立民 编著 MCS-51系列单片机应用系统设计M 北京航空天大学出版6 何希才 编 传感器及其应用电路 电子工业出版社 2001.37 蒋方君 编著 在论循环时序电路的简便设计J 机电一体化，20058 余锡存 曹国华 编著 单片机原理及接口技术M 陕西：西安电子科技大学出版社，20009 张伟 . 单片机原理及应用M. 北京：工业出版社 2002.7-2