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1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 石天卓、孫虎、李其魯摘要:以Mega16芯片為核心,以SMA1602為顯示設(shè)備,以壓電陶瓷片為信號(hào)采集設(shè)備的心率計(jì)關(guān)鍵字:Mega16 SMA1602 壓電陶瓷片一設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的目的、用途、功能我們通??吹皆谠S多小型醫(yī)院,對(duì)心率的測(cè)定仍采用人工聽診器的方式,為了方便心率的采集,我們決定利用Mega16單片機(jī)為主芯片制造一簡(jiǎn)單易用易攜的心率計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)計(jì)錄心跳次數(shù)并數(shù)字化形象直觀的顯示出來。為此,其中心率計(jì)特色功能的實(shí)現(xiàn)主要靠有效穩(wěn)定的信號(hào)采集模式,我們通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方法:通過一對(duì)紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)和通過壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。方案一:檢測(cè)的基本原理:隨著心
2、臟的搏動(dòng),人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí),組織的半透明度減?。划?dāng)血液流回心臟,組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此,本心率計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位,并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比,故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示,就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。方案二:檢測(cè)的基本原理:隨著心臟的搏動(dòng),人體手腕的脈搏和頸部的搏動(dòng)較為明顯,我們采用壓電傳感器放于上述部位,把壓電傳感器測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示,就
3、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。二硬件設(shè)計(jì)思想和電原理圖心率計(jì)精華即有效穩(wěn)定的信號(hào)采集模式,我們通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方案:通過一對(duì)紅色發(fā)光、接受二極管實(shí)現(xiàn)和通過壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。由于壓電陶瓷芯片會(huì)不可避免得產(chǎn)生誤差,有時(shí)是和信號(hào)相似的低頻率波形,即便通過低通濾波電路仍不可完全消除,因而我們首選了紅色發(fā)光、接受二極管作為我們的設(shè)計(jì)方案,檢測(cè)原理如下: 隨著心臟的搏動(dòng),人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí),組織的半透明度減?。划?dāng)血液流回心臟,組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此,將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位,并用裝
4、在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比,故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示,就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。以下是我們的紅外線二極管方案的采集電路部分: 但由于紅外二極管發(fā)射和接受端總是不能有效得檢測(cè)出脈沖波形,我們又缺乏對(duì)紅外二極發(fā)射和接受管的了解,最后不得以放棄原有的設(shè)計(jì)方案,改為選用我們的第二套方案壓電陶瓷傳感器法。以下是我們的實(shí)驗(yàn)原理:隨著心臟的搏動(dòng),人體手腕的脈搏和頸部的搏動(dòng)較為明顯,我們采用壓電傳感器放于上述部位,壓電陶瓷片將脈搏振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),我們將壓電陶瓷片測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整
5、形、計(jì)數(shù)和顯示,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。雖然采取了濾波電路,但人體手腕的運(yùn)動(dòng)或頸部的運(yùn)動(dòng)如說話仍然會(huì)對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生影響,我們?cè)诓杉盘?hào)的過程中仍需小心。三硬件單元的使用說明:功能:選用壓電陶瓷片為我們的傳感器,用LM324芯片IC1a和2個(gè)電阻組成我們的功率放大電路,用LM324芯片IC1b組成我們的低通濾波電路,運(yùn)用mega16作為我們的處理器,選擇LA1602作為我們顯示裝置,選擇普通的5V蜂鳴器作提示使用,電路圖如下: 其中,信號(hào)采集部分的電路圖為:四、軟件設(shè)計(jì)思想:心臟跳動(dòng)時(shí)會(huì)引起脈沖的變化,必然會(huì)產(chǎn)生上升沿與下降沿,因此在這里我們采用T0的下降沿觸發(fā)。但壓電陶瓷受外界的影響較
6、大,電路中還設(shè)計(jì)連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路,以便進(jìn)一步濾除干擾。濾波后的信號(hào)太過微弱,我們需要對(duì)它進(jìn)行信號(hào)放大。放大電路采用LM324放大倍數(shù)A=1+R2/R1。電R1,R2分別為10K,5歐。由于沒有買到5歐的電阻,我們用了兩個(gè)10歐的并聯(lián)代替。放大后的信號(hào)通過T0口進(jìn)入Mega16。當(dāng)有下降沿到來時(shí)TCNT0會(huì)自動(dòng)計(jì)數(shù)。人的心律一般在50150之間,我們不用擔(dān)心TCNT0會(huì)自動(dòng)溢出。另外我們計(jì)時(shí)采用的是CVAVR的延時(shí)程序,有誤差但很小。當(dāng)一分鐘到時(shí)蜂鳴器會(huì)響一聲,提示我們計(jì)數(shù)已經(jīng)結(jié)束。為了方便計(jì)數(shù)我們還用了復(fù)位鍵,當(dāng)Mega16開始計(jì)數(shù)時(shí),蜂
7、鳴器一樣會(huì)響一下。Mega16采集到的信號(hào)我們通過PA口輸出到SMC1602中。SMC1602是一種液晶數(shù)字顯示模塊,可以通過對(duì)其變成來實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容。我們不但通過它顯示出了心率而且能夠分析出被測(cè)者心律的好壞。五、軟件流程圖取結(jié)果顯示脈搏次數(shù)低了高了正 常顯示具體示數(shù)一分 鐘到蜂鳴 器響開 始初始化開始計(jì)數(shù)SMC1602顯示六、系統(tǒng)測(cè)試過程及測(cè)試數(shù)據(jù)我們采用紅外線發(fā)射、接受二極管作為我們的采集裝置時(shí),SMA1602工作正常,但顯示測(cè)得的心率總為0,錯(cuò)誤的可能無非兩種:程序的錯(cuò)誤和硬件采集電路的錯(cuò)誤。為控制單一變量,我們對(duì)單片機(jī)PB0口輸入方波脈沖,實(shí)驗(yàn)LCD屏成功精確顯示出了脈沖個(gè)數(shù),說明程序編
8、寫正確,而硬件采集電路存在錯(cuò)誤。后來,李其魯又多次檢測(cè)電路焊接,石天卓和孫虎多次檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理,均沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。不得以,我們將自己焊接的電路拿到實(shí)驗(yàn)室用示波器進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤出現(xiàn)在右圖所示部分:Q1端沒有電流變化。那么可以確定,問題出在紅外線二極發(fā)射與接受管上,于是,我們查了它們具體的參數(shù),D1的工作電壓為4V,工作電流20mA,Q1的工作電壓為5V,工作電流60mA,在調(diào)試中,我們發(fā)現(xiàn)開始的設(shè)計(jì)R1取值不當(dāng),后改為滑動(dòng)變阻器,在R2下面也串聯(lián)了紅外發(fā)光二極管作為指示燈,Q1導(dǎo)通,但仍然沒有電流變化。直到現(xiàn)在,我們?nèi)匀粵]有放棄此信號(hào)采集電路,又去買了帶增益功能的紅外線接受管(如右圖),后來
9、又一次失望最后,不得以買了壓電陶瓷片作為我們的傳感器來使用。我們先在實(shí)驗(yàn)室通過示波器檢測(cè)了壓電陶瓷片的壓電特性,接著設(shè)計(jì)了相應(yīng)的放大電路和低通濾波電路,連接到Mega16的PB0口并進(jìn)行檢測(cè)后,發(fā)現(xiàn)結(jié)果: Perfect!一切正常,雖然我們沒有得到最想得到的結(jié)果,但我們心中還是充滿了成就感。這次我們還是帶著遺憾完成了這次總結(jié),因?yàn)槲覀冊(cè)诩t外二極發(fā)射、接受管方案上作出了巨大的努力,最后卻以失敗而告終,并且,因?yàn)楦蓴_信號(hào)的因素,壓電陶瓷片作為傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如紅外二極發(fā)射、接受管方案精確,因?yàn)橥ㄟ^兩級(jí)濾波電路,基本可以完全排除雜波干擾,這里我們衷心希望能夠看到下一級(jí)的學(xué)弟學(xué)妹們完成第一種方案的設(shè)計(jì)。七
10、、設(shè)計(jì)所需的全部資源:(一)硬件清單:LM324芯片: Mega16芯片 蜂鳴器一個(gè) 直流電源一個(gè) 電阻若干 電容若干 SMC1602液晶顯示器 1m20列導(dǎo)線一根20cm*10cm電路版一塊八成員分工,工作情況及參考文獻(xiàn)石天卓 負(fù)責(zé)軟件部分LCD顯示的開發(fā)、電路圖的繪制及論文、網(wǎng)頁(yè)、PPT、心得的編寫孫虎 負(fù)責(zé)軟件部分計(jì)數(shù)、定時(shí)、蜂鳴器等功能的開發(fā)及軟件設(shè)計(jì)思想的編寫、電路的調(diào)試、資料查詢等工作李其魯 負(fù)責(zé)硬件焊接、Protel電路圖的繪制、元件的購(gòu)買、電路檢測(cè)等工作 在課題制作過程中,大家優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),齊心協(xié)力,互相幫助,最終共同完成了課程設(shè)計(jì)的制作。我們切實(shí)體會(huì)到了:1.完成項(xiàng)目時(shí)前所未有的
11、快樂。2.Doing hard things is what makes you better!參考文獻(xiàn):1.網(wǎng)站資料 HYPERLINK 2.C語言程序設(shè)計(jì) 譚浩強(qiáng)編 清華大學(xué)出版社3.模擬電路 童詩(shī)白 華成英 主編 高等教育出版社4.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐 馬潮編著 北京航空航天大學(xué)出版社5.單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義 李茂奎著附錄資料:不需要的可以自行刪除 Virtual PC創(chuàng)建虛擬機(jī)+安裝系統(tǒng)+聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建虛擬機(jī) 點(diǎn)擊新建出現(xiàn)一下圖 點(diǎn)擊下一步選擇新建一臺(tái)虛擬機(jī)選擇大一點(diǎn)的磁盤把虛擬機(jī)放在磁盤中根據(jù)需要選擇系統(tǒng)新建虛擬硬盤接著都是按下一步。到這里虛擬系統(tǒng)已經(jīng)配制完成,我們
12、準(zhǔn)備安裝操作系統(tǒng)!安裝操作系統(tǒng)。此時(shí),這虛擬機(jī)相當(dāng)于一部裸機(jī),什么都沒有,沒有操作系統(tǒng)。如果你從沒自己安裝過裸機(jī),虛擬機(jī)將會(huì)成為你的玩具,任你如何對(duì)待都不會(huì)影響你的主機(jī)。雙擊運(yùn)行虛擬機(jī)在菜單欄選擇CD中的載入ISO映像(前提有ISO壓縮系統(tǒng)文件)彈出畫面 選擇6運(yùn)行一鍵將硬盤分四個(gè)區(qū)分區(qū)大小是否正確? 可以選擇按自己的要求分大小。按tab鍵換選項(xiàng),按enter修改與確定。點(diǎn)擊確定后彈出 是否進(jìn)行磁盤還原?目標(biāo)驅(qū)動(dòng)永久地將覆蓋。注意用tab鍵選擇點(diǎn)擊yes 。ok,分區(qū)完成。接下來選擇選擇A 安裝Ghost XP SP3到C盤。如果彈出兩個(gè)對(duì)話框就選擇yes就ok。如果彈出一下畫面,就開心起來吧。正在安裝系統(tǒng),接下來就入漫長(zhǎng)的等待吧。Ghost會(huì)為你自動(dòng)安裝好系統(tǒng)。虛擬機(jī)聯(lián)網(wǎng)。安裝完后,進(jìn)入系統(tǒng)。對(duì)于某些人來說,電腦不能上網(wǎng)還不如不開。所以讓虛擬機(jī)上網(wǎng)是第一要緊的事
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