心率檢測儀設(shè)計

0.前言近年來，隨著生活的進步，人們不僅僅是在衣食住行追求著生活，大家開始在精神生活領(lǐng)域及更深層次健康都有著更高的要求。大家也不再是等待疾病來臨時再去尋醫(yī)，更多的是提前預(yù)防健康問題，尤其是中老年人，他們越來越注重養(yǎng)生了，隨之帶來的就是保健品及簡單醫(yī)療機械行業(yè)的發(fā)展。而老年人比較容易引發(fā)心腦血管疾病，心率在一定程度上能反映人的心腦血管生理指數(shù)，而心率測試儀又可以檢測心率變化，從而有效的防范心腦血管疾病。隨著生物醫(yī)學(xué)與電子科技的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)測量儀在這兩個專業(yè)飛速發(fā)展的加持下，不斷研發(fā)新產(chǎn)品。通過對人體的脈搏信息的檢測，不僅可以科學(xué)地檢測人體的生理特征指數(shù)，還能在一定程度上反應(yīng)人體健康狀況信息變化。脈診技術(shù)應(yīng)該常態(tài)化、定量化。早期使用電荷放大器采集脈搏信號時，會產(chǎn)生較大的噪音，而且工作特性不是特別良好。而現(xiàn)在基于單片機小電路設(shè)計，采用濾波電路等處理脈搏信號，讓其工作較穩(wěn)定，且抗干擾，性價比高、功耗低。所以，本文設(shè)計一種基于51系列的心率測試儀，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)心率的測量、顯示、播報，并能依據(jù)不同人群的體質(zhì)狀況設(shè)定心率上下限，超過上下限啟動蜂鳴器報警功能，達到監(jiān)測心率的功能。1.緒論1.1研究背景進入二十一世紀，心血管疾病越過其他種類疾病成為世界上又一大嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)《2017世界衛(wèi)生報告》調(diào)查，每年全球有5600萬人死亡，因為患慢性疾病死亡的人大約占百分之七十，其首要病因為心血管病，并占到總體死亡率45%左右，讓人不得不重視預(yù)防心血管疾病的重要性[]。心血管疾病的死亡率與人均GDP呈線性關(guān)系，人均收入越高，死于心血管疾病的人越多。中國作為世界上發(fā)展速度最快的國家之一，關(guān)注心血管病是保護人類健康的重要一項。人類關(guān)注心血管疾病，主要是預(yù)防心血管疾病的發(fā)生及有效治療心血管疾病，預(yù)防心血管疾病要從生活中的習(xí)慣中做起，造成心血管疾病的主要原因有高血壓、膽固醇血癥、抽煙。所以，關(guān)注心血管疾病不僅僅是社會中的問題，更是全人類應(yīng)該關(guān)注的，關(guān)注心血管健康問題，要從生活中的小事做起，平常管理自己的習(xí)慣，還要關(guān)注自己的心率狀況。心率的變化在一定程度上能反應(yīng)人體健康，從古人所著的《黃帝內(nèi)經(jīng)》中開始，脈搏就成了診斷人體健康的重要依據(jù)，“望聞問切”中的“切”即是切脈又叫診脈，脈搏是表征人體心臟功能及血液循環(huán)系統(tǒng)生理狀態(tài)的重要信號[]。脈搏的跳動的頻率以及所顯示出的規(guī)律，都能在一定程度上反映出人體的各種信息。醫(yī)療發(fā)展至今，西醫(yī)發(fā)展之勢明顯超越中醫(yī)，但西醫(yī)中依然采用心電圖來作為診斷疾病的重要依據(jù)。1.2選題的意義和目的隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，國民生活水平的不斷提高，人們開始關(guān)注基本生活之外的東西，更多的關(guān)注娛樂生活和健康生活。尤其是現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展飛速，讓各種信息交流變快，大家開始在網(wǎng)上交流健康問題及健身等等。一些關(guān)乎運動及健康的產(chǎn)品在一點一點飛速崛起，尤其是關(guān)于心率方面的，大家對于心率越來越重視，心率可以一定程度上反映人體心臟是否在正常工作，也能預(yù)防突發(fā)疾病的發(fā)生。相應(yīng)地，出現(xiàn)了運動手環(huán)，運動手環(huán)越來越常見，但是由于價格問題，有好多人都沒辦法隨時隨地測量心率，基于以上原因，本文設(shè)計了一款心率測試儀，設(shè)計的測試儀功能更豐富，精確度更高，使用也更加人性化。整個設(shè)計過程既能應(yīng)用自己學(xué)到的知識，做到學(xué)以致用，又可以鍛煉自己的動手能力。1.3發(fā)展現(xiàn)狀進入二十一世紀，科技發(fā)展越來越迅速，關(guān)于心率測試方面發(fā)展也越來越快，在發(fā)展之初，只有去醫(yī)院才可以測量心率。而且，無特殊形況下，一般不會有醫(yī)生去建議測量心率，這樣有些隱形心臟疾病患者就不能提早發(fā)現(xiàn)，來預(yù)防和診治疾病。雖然醫(yī)院的監(jiān)護儀不僅能監(jiān)測心率方面的參數(shù)，還可以檢測病人其他方面的生理指數(shù)，但是費用高昂，使用不方便。人們的要求也不再局限于只有去醫(yī)院才可以測心率，大家開始希望時時刻刻可以關(guān)注自己的心率，尤其是有氧運動的人及有病情需要的病患，年齡較大的老人。心率測試儀主要依據(jù)測量脈搏次數(shù)來反映心率狀況。在醫(yī)院里面，醫(yī)生護士有時也會通過手指來測量病人的脈搏數(shù)來反映病人的身體狀況。由于醫(yī)學(xué)發(fā)展速度較快，有越來越多的心血管疾病名詞被發(fā)現(xiàn)，所以脈搏測量需要更高的精度。據(jù)此，許多國家也研制了不同類型的心率測試儀，與人們生活相關(guān)的就是脈搏傳感器的研究，包括測量部位的選擇，以及傳感器類型的選擇。接觸式傳感器是最先被運用的，利用這種傳感器研制的有指脈、耳脈等測量儀。指脈雖然使用比較方便，但容易被人的汗水污染，導(dǎo)致傳感器靈敏度不好，長期使用比較容易損壞器件；耳脈受人體本身的干擾比較少，但是人的耳朵脈搏信號比較弱，容易受外界環(huán)境噪音的影響，所以這兩種心率測試儀不適于日常生活中的使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們開始致力于非接觸式傳感器的研究，非接觸式傳感器是一種不必深入探到身體中的傳感器，相對來說測量本身不會對待測對象造成不適。而接觸式傳感器需要探到身體里面去，不被大眾喜歡，既然有可以代替的傳感器，所以不選擇這類傳感器。1.4論文的主要內(nèi)容：設(shè)計內(nèi)容是一種新型測試儀，整個論文主要分為以下七個部分：第一部分為引言，主要介紹了設(shè)計背景和選題的目的和意義。第二部分對整體方案進行了分析。明確本次設(shè)計的任務(wù)與要求，并對整個方案進行了詳細的分析，并確定最終方案。列舉設(shè)計中需用到的器件，闡述工作原理、工作參數(shù)及工作環(huán)境。第三部分列舉設(shè)計中需用到的器件，闡述工作原理、工作參數(shù)及工作環(huán)境。第四部分為設(shè)計的核心內(nèi)容。設(shè)計的整體思路，并將整體設(shè)計分成幾個部分，找出各個部分的聯(lián)系，依次對各個部分進行設(shè)計，畫出整體設(shè)計電路圖。第五部分為根據(jù)設(shè)計功能與要求，再依據(jù)電路圖及引腳圖，寫出程序的框架結(jié)構(gòu)圖，再依據(jù)框圖，編寫程序。第六部分測試并調(diào)試電路，分析出現(xiàn)的問題，并解析出現(xiàn)的原因，總結(jié)整個設(shè)計。第七部分分析誤差產(chǎn)生的原因系統(tǒng)的總體方案2.1設(shè)計目標本次設(shè)計的心率檢測儀，主要完成心率的檢測，顯示和警報功能，具體目標要求為：脈搏檢測電路，脈搏檢測主要是通過傳感器感知脈搏跳動來采集脈搏信號，通過LED燈的閃爍顯示，證明脈搏檢測電路是否在工作。把心率傳感器放在待測人員的待測部位，測量心率。按鍵電路，通過按鍵電路來設(shè)置心率測試儀報警值的上下限。3.LCD顯示電路，顯示電路主要有液晶顯示器組成，當測量脈搏信號時，液晶顯示屏顯示出“heartrate:xxx/min”，顯示出測量對象的心跳。按鍵電路設(shè)置報警值上下限時，顯示屏右上角有標識“H”“L”。4.語音播報電路，播報心率次數(shù)，播放內(nèi)容為“您的心率是：”5.報警電路，當心率超過正常心率范圍，報警器報警。2.2系統(tǒng)的總體設(shè)計本次的課題設(shè)計主要是依據(jù)現(xiàn)在醫(yī)療生活的需求，設(shè)計一款方便攜帶、計數(shù)準確、價格實惠，使用方便的心率測試儀。根據(jù)設(shè)計目標，設(shè)計的心率檢測儀原理圖如圖2-1所示。設(shè)計的控制器采用單片機，選擇一個合適的傳感器檢測脈搏，再選擇一個相應(yīng)的數(shù)碼顯示電路達到顯示的目的，再加一個報警裝置，加上提醒功能。系統(tǒng)的總框圖如下，設(shè)計中主要分為以下幾步設(shè)計，首先是脈搏檢測電路，對于脈搏檢測這一部分設(shè)計主要考慮選擇哪種傳感器，再設(shè)計具體的電路設(shè)計，怎么傳感器收集的信號轉(zhuǎn)換成主控系統(tǒng)可以處理的信號，再考慮脈搏信號相對于環(huán)境比較微弱，怎樣將信號整形、放大、送給單片機。數(shù)碼顯示電路要確定選擇哪種顯示器，既適于顯示，又能比以前的優(yōu)化。復(fù)位電路復(fù)位電路數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路脈搏檢測電路電路脈搏檢測電路電路單片機單片機信號整形、放大電路信號整形、放大電路蜂鳴器報警電路路蜂鳴器報警電路路按鍵電路震蕩電路按鍵電路震蕩電路圖2-1心率測量儀工作原理圖Fig.2-1Workingprinciplediagramofheartratemeasuringinstrument2.3設(shè)計方案分析2.3.1傳感器的選擇目前對脈搏采集主要有三種方法。首先談及第一種方法，這種方法用到了某種傳感器，而這種器件的呈現(xiàn)形式是壓電式的。也將這種器件俗稱為“壓電傳感器”，它可以感受到各種壓力，同時它還是有源的。它用到的材料主要是陶瓷片，這種材料是壓電式的，可以稱作是“壓電陶瓷片”。當脈搏開始跳動的時候，這種材料將會感知。這時會形成一種信號，俗稱“跳動信號”，它將被上述材料接收，并進行采集。此外，當脈搏開始進行跳動的時候，就會有一定的壓力產(chǎn)生。而這種壓力將會傳到晶體上，產(chǎn)生一定程度的作用。這種作用會工作在晶體本身的相對的兩個表面上。最后會在被作用的地方產(chǎn)生電荷Q，并且Q是相反的。通常情況下，是將這種方法所用到的元器件放在最容易感受到脈搏在跳動的地方。這些地方可以是手腕處，或者是脖子上的血管大動脈的地方等脈搏感比較強烈的地方。將采集到的待測對象的脈搏信號即光信號，轉(zhuǎn)換成電信號，再將其進行濾波、整形、計數(shù)、顯示。第二種是光電式傳感器，光電式傳感器一般選用光敏電阻接收信號，一種是借用外界光源，一種待測物體發(fā)出的光源，心率測試儀待測物體是身體部位，不能發(fā)光，選用發(fā)光二極管作為發(fā)射光源。通過接收透過組織的光信號，再將其轉(zhuǎn)換成電信號，進行處理，最后顯示。第三種是集成式傳感器，又叫硅傳感器，集成式傳感器主要是將傳感器設(shè)計電路中重要電路結(jié)構(gòu)集成在器。2.3.2單片機的選擇單片機的種類有很多，一般需要從程序存儲器的類型、存儲空間、應(yīng)用范圍、運算速度、系統(tǒng)架構(gòu)等方面考慮選擇單片機選擇一CC2530單片機CC2530是將8051微處理器與高頻線路結(jié)合在一起，內(nèi)部除了無線射頻電路外，還有許多其他IO電路。在具體的應(yīng)用中，它除了用作無線通信之外，還可用作數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的控制。具有強大處理能力的選擇二MSP430單片機MSP430系列單片機，是一種16位并能有效降低噪聲的單片機[]。超低功耗則是它另一特點。擁有足夠多的I/O引腳，片內(nèi)串行通信接口。采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成模擬電路、數(shù)字電路和微處理器。選擇三采用51系列的單片機單片機發(fā)展至今，51系列的單片機在單片機產(chǎn)品方面有著十分重要的地位，許多單片機初學(xué)者都是從51單片機學(xué)起，51系列單片機作為應(yīng)用最廣泛的單片機地位不可忽視。51單片機它是8位的，它速度非?？?，消耗的功率非常低，它還可以進行位處理、傳送、置位、清零、測試及邏輯計算[]。高速、低功耗、抗干擾的2.3.3顯示器的選擇：點陣式數(shù)碼管顯示點陣式數(shù)碼管由若干個發(fā)光二極管組成。二極管排列形式常用的為8×8，點陣式數(shù)碼管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要考慮灰度調(diào)節(jié)、高壓背光的配合，電路的連接及程序操作都比較繁瑣。使用點陣式數(shù)碼管最好采用內(nèi)置控制器的模塊形式。采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描LED的顯示形式有兩種。一種是靜態(tài)顯示，靜態(tài)顯示只能恒定的保持屏幕的亮和暗，不能顯示有變化的數(shù)值，工作原理是組成字形的LED在顯示期間，就保持發(fā)光二極管電流的導(dǎo)通；不需要發(fā)亮?xí)r，二極管電流不流通。動態(tài)顯示是指形成在顯示期間的字形的LED的實間歇或交替（多字符顯示）亮起。靜態(tài)顯示程序容易操作，并且CPU可以發(fā)送字體代碼后不再管理。動態(tài)顯示最小化顯示的功耗，但需要的CPU執(zhí)行時間。靜態(tài)顯示很明顯不適用于本次設(shè)計中，動態(tài)顯示是采用多位LED數(shù)碼管顯示時，可以逐位點亮數(shù)碼管雖然在顯示過程中有些數(shù)碼管有熄滅時間，人類的眼睛在觀察對象時，在這里觀察的對象就是二極管，從二極管發(fā)出的光信號，再傳給大腦需要一個時間。再利用LED發(fā)光二極管的余暉，只要點亮與熄滅時間分配適當。動態(tài)顯示時CPU需要經(jīng)常執(zhí)行相關(guān)程序進行顯示刷新，這樣可能占用較多的CPU執(zhí)行時間，對需要快速運算或?qū)崟r控制的用途會增加編程難度。LCD液晶顯示LCD液晶顯示是需要借助其他外界的顯示器件，不能主動顯示，是被動顯示器件。當光線照射到LCD中的液晶材料，液晶材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，來顯示需要顯示的內(nèi)容。液晶材料是一種特殊材料，既不屬于固態(tài)，也不屬于液態(tài)，它處于兩者之間相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在適宜的溫度范圍，可以表現(xiàn)出液體的流動性，結(jié)合了固體和液體的優(yōu)點。LCD顯示器的顯示能力在LED顯示之上，LED主要通過按鍵掃描來實現(xiàn)顯示，LCD顯示器有好幾種顯示形式，例如筆畫分段、字符點陣顯示和圖形點陣等等，在不同的顯示電路中需要不同的顯示形式。為使其電路結(jié)構(gòu)及控制方式簡單、便于使用，LCD顯示器一般使用液晶顯示模塊，一個模塊中包括顯示器、驅(qū)動電路、控制電路、背光調(diào)節(jié)電路等等，這樣可以節(jié)省設(shè)計一個顯示器所需要的電路設(shè)計，方便我們進行課題設(shè)計。2.4最終方案的確定2.4.1傳感器壓電式傳感器主要是通過與人體表皮的接觸而產(chǎn)生壓電效應(yīng)實現(xiàn)采集脈搏信號，但是在人體皮膚表面并不僅僅有脈搏跳動的壓力，還有人體不受控制的肌肉抖動的壓力，這種肌肉抖動不可避免。壓力傳感器采集信號時受到干擾，最后的測量結(jié)果也容易不準確，壓電傳感器的壓電傳感材料還需要做防潮措施，所以不選擇壓力傳感器。集成傳感器最重要的就是集成，一般傳感器電路里，只有傳感器器件，是不能正確的把信號傳給控制系統(tǒng)的，還需要濾波電路和信號處理電路。而集成就是將這些放在一個芯片上，靈敏性相較于其他傳感器更好，可以直接輸出消除干擾后的波形，波形經(jīng)過放大電路后可以直接送給單片機處理。缺點是價格較貴，不適合本科生研究使用。光電式傳感器一般是采用光敏二極管，光敏二極管不僅組成結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度相較于其他傳感器比較快，在接收光信號并感應(yīng)的靈敏度也高，抵抗電磁干擾、運動噪聲等干擾源的抗干擾能力比較強，不受不可抗力的干擾，測量結(jié)果準確。所以選擇光電傳感器。2.4.2單片機CC2530單片機，本次課題設(shè)計并不需要通信模塊，所以不選用CC2530單片機。MSP430系列單片機價格昂貴，并不適合于本次的課題研究。而51系列單片機優(yōu)點相較于其他兩款更多，更符合這次課題設(shè)計。2.4.3顯示器點陣式數(shù)碼管在顯示時，顏色均勻性不好，有色斑，雖然價格可以比起表貼的顯示屏來穩(wěn)定性差，維修困難，這樣相對來說顯示器的長久使用不太可能，需要經(jīng)常更換，明顯不符合本次設(shè)計的測試儀，測試儀使用具有一定的持久性，故不選用。就LED數(shù)碼管的應(yīng)用途徑來說，好多需要顯示數(shù)字內(nèi)容的，例如搶答器都選用LED數(shù)碼管來顯示。但是這種數(shù)碼管在使用時，如動態(tài)掃描，要想移位就需要借助移位寄存器才可以進行移位。這樣就會在電路仿真時，出現(xiàn)很多障礙，為了后期的設(shè)計順利進行，就不選用它了。液晶顯示器一般可以采用液晶顯示模塊，顯示模塊中直接封裝了電路設(shè)計中所需要的驅(qū)動電路、控制電路、背光調(diào)節(jié)電路。這樣就可以為設(shè)計電路減少難度，而且在實物焊接過程中降低了難度，在仿真調(diào)試中也方便了不少。而且液晶顯示器功耗低、體積小、沒有輻射、顯示內(nèi)容豐富[]。這些優(yōu)點都表明液晶顯示在生產(chǎn)生活中有實用性，價格比較適中，對于本次設(shè)計，屬于經(jīng)費允許范圍內(nèi)。所以選擇液晶顯示模塊。1602液晶可以顯示兩行內(nèi)容，而這次設(shè)計顯示內(nèi)容正好為兩行，它的每行之間正好間隔，顯示數(shù)字和字母比較方便清晰，正合適于本次課題設(shè)計。3.器件選擇及工作原理3.1光電式傳感器首先介紹一種傳感器，它是以光電的形式呈現(xiàn)的，俗稱“光電式傳感器”。它是將某一種信號變成另外一種信號，即光到電的轉(zhuǎn)變。他是按照某種原理進行工作的，這種原理被稱作“光電效應(yīng)”。這種器件主要的工作是識別光的信號是否有所改變，除此之外，它還可以識別其他的一些變量，并且這類變量可以進行光的轉(zhuǎn)化。光電式傳感器的主要部件就是轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換器件通常由光敏電阻、光敏晶體管。光是電磁波譜中的重要一員，不同波長的光如圖3-1所示。光電傳感器的敏感波長在可見光（0.38～0.76um）附近，包括紅外線（0.76～1000um）和紫外線波長（0.005～0.4um）[]。圖3-1各種光的波長圖Fig.3-1Wavelengthdiagramofvariouslight3.1.1光電式傳感器的工作原理光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)，光電效應(yīng)主要是當外界光線照射待測物體時，物體中的粒子受到另一種粒子的轟擊，而另外一種粒子就是外界光線在傳播光時傳遞的一種帶有能量的光子[]。待測物體中被轟擊的粒子吸收能量而產(chǎn)生電效應(yīng)。這樣的電效應(yīng)主要分為三種，第一種效應(yīng)為外光電效應(yīng)，當環(huán)境中光線照射到待測物體時，物體中的粒子由于受到光子的撞擊，而從表面溢出粒子，這種粒子就是吸收能量出逃的電子。第二種是內(nèi)光電效應(yīng)，當由外界光線照射到物體時，由于物體本身的材料特性受到光線照射時，改變物體的物理特性，改變其電阻率，例如光感應(yīng)燈。第三種是光生伏特效應(yīng)，被照射物體多為半導(dǎo)體材料，當光照射到半導(dǎo)體材料上時，產(chǎn)生電動勢，光生伏特效應(yīng)最應(yīng)常用的就是光電池。在本次設(shè)計中，采集脈搏信號所用到的傳感器為紅外對管，紅外對管即紅外發(fā)送管及接收管都為二極管。這里使用的是F5紅外對管，就是5mm二極管。紅外對管的工作原理依照的是光敏二極管，光敏二極管在工作時，一般需要光敏電路中接入一個電阻，與二極管串聯(lián)。當有外界光線射入時，光敏二極管中的粒子由于受到光子的沖擊，會產(chǎn)生載流子，在外部電路中由于有外電場，形成一定方向的電流，載流子形成的電流即為反電流，這種電流可以使電阻阻值發(fā)生變化，并且電流大小與光強變化呈線性關(guān)系。脈搏采集電路中，對于光信號通過手指時的處理，需要基于一個關(guān)于光的定律，這個定律一般會被稱作是Lambert-Beer定律。這個定律主要是闡述光通過不同物質(zhì)時，由于物質(zhì)的物理特性不同，所通過的光會有不同。當一適當波長的單色光通過溶液時，若溶液厚度一定，吸光度與溶液厚度成正比[]。當一恒定波長的單色光通過人體組織時，由于人體組織可以對一部分光吸收、透射、反射，此時測得的光強會由于身體組織的差異性，在一定程度上反映結(jié)構(gòu)情況。血液的透明度與身體其他組織有差別，光照在血液中的穿透性比較差，部分光會被反射，一部分會成為透射光。3.1.2光電傳感器的檢測原理光電傳感器提取脈搏信號從而達到測量心率的目的，光電傳感器主要是利用外來光源發(fā)出的光穿過手指，基于手指部分有血液和一些非血液的一些生理組織組成，接收管接到的信號會因為心臟跳動、脈搏搏動而產(chǎn)生相應(yīng)的的信號變化，最后轉(zhuǎn)換成電信號。心臟跳動時，人的血流速度會有變化，血液從心臟流向人體的各個部位時，測量部位血液多的時候人體組織厚度增加，透射而出的光信號強度降低，組織透明度就會變大[]。反之，組織的透明度會減小。心臟地跳動是周期性跳動，取一段時間，來監(jiān)測脈搏的這種變化，進一步實現(xiàn)對脈搏信號的收集。手指處采集脈搏信號的原理圖如下圖3-2手指檢測原理圖Fig.3-2schematicdiagramoffingerdetection3.2LCD顯示器3.2.1LCD原理結(jié)構(gòu)LCD本身是不能發(fā)光的，需要借助光線，光線照到液晶材料，液晶材料扭曲，進而達到發(fā)光的目的。液晶材料是一種獨特的材料，排列方式與晶體的相似，但是又具有液體的流動性。所以在使用液晶材料時，要注意液晶的流動性問題，在LCD中液晶材料一般被封裝在兩個電極板之間。LCD的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，LCD由兩個偏振片、一個反射板、上下電極基板組成。夾在兩片導(dǎo)電電極間的液晶排列在液晶板上，排列方式呈水平排列。液晶經(jīng)過一定處理后，使其內(nèi)部的分子連續(xù)扭轉(zhuǎn)，直到形成90度的偏振方向，當入射光線進來時，其偏振面旋轉(zhuǎn)90度，這時形成偏振光，偏振光由于液晶分子的扭曲而被偏轉(zhuǎn)90度，通過下偏振片時，由于與其方向一致，所以全部偏振光都可以通過[]。偏振光來到反射板，這時就可以顯示數(shù)字、字母、符號等等。當在玻璃電極上加上一定的電壓由于電場作用，電極中被封裝的液晶分子不再是水平排列，而是呈垂直排列，不再旋轉(zhuǎn)。光線從上偏振片傳來的光線，方向并沒有被改變，到達下偏振片時，全被被吸收。這樣反射板無光線到達，不能顯示內(nèi)容。圖3-3LCD顯示結(jié)構(gòu)與原理Fig.3-3structureandprincipleofLCDdisplay驅(qū)動方式第一種驅(qū)動方式是直接驅(qū)動，大家在實際應(yīng)用又常稱作靜態(tài)驅(qū)動，在直接驅(qū)動電路中只需要一個背板顯示器件，驅(qū)動電路如圖3-4所示，異或門的輸入X接公共COM，字段是否顯示主要由Y控制，工作時COM接入頻率恒定的突變方波信號。圖3-4驅(qū)動電路Fig.3-4drivingcircuit當Y=0時，無論X端輸入高電平還是低電平，輸出端Z端都為低電平，不能顯示字形。當Y=1時，輸出端Z與輸入端X端電平保持一致，真值表如圖3-5所示。圖3-5真值表Fig.3-5truthtable驅(qū)動波形如下圖所示。圖3-6單個字段的驅(qū)動波形Fig.3-6drivingwaveformforasinglefield3.2.2LCD1602的基本參數(shù)及引腳基本參數(shù)如下：表3-1LCD1602的基本參數(shù)Table3-1basicparametersofLCD1602參數(shù)說明參數(shù)說明驅(qū)動芯片KS0066（兼容HD44780）顯示容量16×2字符背光黑色/白色工作電流2.0mA（5.0V）字色80//字符ASCⅡ碼字庫（英文、數(shù)字、基本符號）模塊最佳工作電壓5.0V液晶模塊尺寸mm）80*36*13.5字符尺寸2.95×4.35（mm）類型STN引腳功能VSS腳接地電源；VDD腳接5V正電源，和單片機用同一個電源供電[]。D0－D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，lcd1602液晶顯示模塊可以只用D4-D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送，從而達到節(jié)省串口資源；4腳是寄存器選擇，當電平處于高1則是關(guān)于數(shù)據(jù)。當電平處于低0則是關(guān)于指令5號腳為讀寫信號線，當電平位于高1的時候，是讀，當電平位于低0的時候，是寫;E是使能端，當電平位于高1的時候，要讀取消息，否則要運行命令。圖3-7引腳圖Fig.3-7pindiagram3.3單片機3.3.1STC89C51RC單片機的簡介STC89C51RC的介紹如下圖圖3-8STC89C51RC的基本介紹Fig.3-8stc89c51rcbasicintroductionRC系列是真正的6T的單片機，兼容普通的12時鐘/機器周期，一般選用LQFP封裝形式。3.3.2STC89C51RC單片機的工作特性工作特性如下表:表3-2STC89C51RC工作特性表[]Table3-2STC89C51RCworkcharacteristicstable參數(shù)說明參數(shù)說明工作電壓5.5V－3.3V(5V單片機)工作頻率范圍0～40Hz應(yīng)用程序空間4k/8k/16k/32k/64k工作溫度－40度～+75度3.3.3STC89C51RC單片機的結(jié)構(gòu)圖3-1所示是STC89C51RC的基本結(jié)構(gòu)圖，主要是CPU加上外圍芯片，再通過總線相連的結(jié)構(gòu)，功能單元單元上采用集中控制法。圖3-8STC89C51RC基本結(jié)構(gòu)圖Fig.3-8STC89C51RCbasicstructurediagram圖3-2所示的單片機是采用PDIP封裝形式的STC89C51RC的引腳圖，一共有40條引腳,32條I/O引腳，4條控制用的引腳，2條電源使用的引腳，2條外接晶體引腳，引腳排布左側(cè)（1-20）20個引腳，右側(cè)20（20-40）個引腳，兩側(cè)對稱排布[]。上面的缺口位上標志，按交叉式排列（除特殊引腳），Vcc腳即40號腳為電源腳，一般接+5V電源；Vss為接地端。圖3-9STC89C51RC的引腳圖Fig.3-9pindiagramofSTC89C51RC其引腳功能如下圖所示：圖3-10引腳功能圖Fig.3-10pinfunctiondiagram4.系統(tǒng)電路設(shè)計4.1單片機主控電路4.1.1單片機時鐘電路STC89C51RC內(nèi)部雖然有震蕩電路，但是單片機想要執(zhí)行各種操作時，就需要給單片機提供一個周期，也就是時鐘電路。時鐘電路沒有什么具體的設(shè)計意義，它只是單片機工作的一個輔助電路。時鐘電路有兩種，一種是內(nèi)部，一種是外部，電路結(jié)構(gòu)如圖3-10、圖3-11所示。51系列的單片機，引腳中就有XTAL1和XTAL2，它們是一個反向增益放大器的輸入端和輸出端[]。單片機的基本電路中就包括這種內(nèi)部時鐘電路，一般接入兩個微調(diào)電容和一個電阻。而外部時鐘電路需要一個外界的時鐘輸入。圖4-1內(nèi)部方式時鐘電路圖4-2外部時鐘電路Fig.4-1internalmodeclockcircuitFig.4-2externalclockcircuit4.1.2單片機復(fù)位電路單片機的基本電路必須有復(fù)位電路，復(fù)位電路是控制CPU的復(fù)位狀態(tài)的[]。如果要進行復(fù)位的話，可以說有兩種，其一是上電，其二是按鍵。按鍵復(fù)位的電路結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，主要有一個+5V電源、按鈕、電阻、電容組成。N為一個手動按鈕，按鈕是自動跳動的按鈕。當手指按下N時，RST的電平處于高，按一下，又會恢復(fù)原位，這樣就能達到復(fù)位的要求了。圖4-3手動按鈕復(fù)位電路Figure4-3manualbuttonresetcircuit上電復(fù)位電路的電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，它一般由電阻R和電容C組成，R連接GND，C連接Vcc。圖4-4上復(fù)位電路Fig.4-4upperresetcircuit4.2信號采集電路測量心率需要采集脈搏信號，對于人的整個身體中，手指作為比較纖薄且脈搏信號較為強烈的地方，所以手指作為采集信號的測量點。手指的組織可以分為血液組織和非血液組織，不同的組織對于光的吸收是不同的，非血液的組織可以看作是固態(tài)、半固態(tài)的組織，而且是均勻的、非散射的，根據(jù)郎伯-比耳定律，其對光的吸收量應(yīng)該是恒定的。通過檢測紅外線接收管接收的光強來達到檢測心率。信號接收電路需要將從紅外線接手的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后放大、濾波、整形。首先選擇一光源，普通光源會有因外界環(huán)境及呼吸等造成的干擾，采集的信號有脈搏曲線的漂移。所以選用發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，發(fā)光二極管發(fā)色的光信號穿過手指，部分光能量被吸收、反射。紅外LED感應(yīng)到通過手指的光信號，信號將從光形式變?yōu)殡娦问健Ｍ高^手指的光信號被紅外接收管接收，由光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這就是信號采集電路部分的設(shè)計思想。本次課題設(shè)計中采用的紅外對管即5mm的紅外對管，結(jié)構(gòu)如下圖所示，U2是紅外對管。因為心率測量儀的測量環(huán)境需要應(yīng)對各種環(huán)境的測試，所以干擾比較多，其中一個最大的就是噪聲干擾，所以需要濾波電路，所以設(shè)計中用一個電阻和一個電容組成如圖所示的低通濾波電路，來濾除噪聲帶來的高頻干擾。脈搏信號是在一種強干擾下的微弱信號，需要經(jīng)過放大才可以。圖4-5信號采集電路Fig.4-5signalacquisitioncircuit4.3信號放大電路從光電傳感器受采集到的電信號比較微弱，只有幾毫伏，而且干擾特別大，不能直接輸入單片機，單片機處理不了特別小的信號輸入，所以需要來放大信號，放大至單片機可以接收的信號。經(jīng)查閱，人的脈搏信號頻率在1.33赫茲左右，為了過濾掉脈搏曲線帶來的漂移，所以選用常見的運放LM358。LM358是一個電路且是雙運放的，它有以下特點：它是獨立的，且產(chǎn)生2個增益，其低漂移特性是為了補償內(nèi)部電路當中的頻率，同時輸入阻抗較大。圖中8腳進行Vcc供電輸入，IN1-端與IN1+端進行電壓對比，2N+端與2N-端進行電壓對比，1OUT與2OUT分別對應(yīng)兩個獨立的輸出。當1IN-小于1N+且2N-小于2N-時，1OUT與2OUT輸出高電平；當1IN-大于1N+且2N-大于2N+時，1OUT與2OUT輸出低電平。經(jīng)過濾波電路處處理的信號再經(jīng)過放大后，然后再用信號比較電路，得到接近于心跳波形的一種可處理的波，這種波就是我們常見的正弦波，再轉(zhuǎn)換成周期相同的方波。電壓比較器主要時判斷接口兩個電壓的大小，然后輸出方波。圖4-6LM358原理圖Fig.4-6schematicdiagramofLM3584.3.1反饋放大電路信號放大電路分為兩部分，一部分是反饋放大電路，一部分是電壓比較器電路。反饋放大電路如下圖所示，由U2A、C2、R4等構(gòu)成，C2、R4組成低通濾波器，來濾除上一步中信號采集電路剩余干擾部分，使測量結(jié)果更準確，抗干擾能力更強。放大倍數(shù)則由R3、R5來決定，C2、R4又決定著低通截止頻率。根據(jù)模電中有源電路濾波電路的相關(guān)函數(shù)可以求得其放大倍數(shù)及截止頻率：(1)(2)(3)人體的脈搏信號為0.5赫茲到3.3赫茲，所以低頻特性結(jié)果是符合設(shè)計思路的，說明參數(shù)設(shè)置比較合理。圖4-7反饋放大電路Fig.4-7feedbackamplifiercircuit4.3.2電壓比較器電路電壓比較器電路如圖4-6所示，由U2B、R6、滑動變阻器組成。經(jīng)放大電路放大后，放大的不僅是我們需要的脈搏信號，還有其他的一些干擾信號，這樣，誤差就會大，會降低心率測試儀的檢測結(jié)果的準確性，偏離了設(shè)計本意?？梢詫⒎糯箅娐返玫降恼倚盘柼幚沓烧`差較小的矩形波信號。而電壓比較器電路正是根據(jù)“+”“－”兩端電壓的比較得到矩形波信號。當“+”端電壓高于“－”端電壓，則為“1”，否則為“0”。圖4-8電壓比較器電路Fig.4-8voltagecomparatorcircuit4.4顯示電路脈搏信號通過單片機處理后，計數(shù)通過顯示器顯示出來，LCD液晶顯示電路以及顯示信息豐富、功耗低、體積小、無輻射等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。本篇設(shè)計中采用的是LCD1602，顯示電路的連接電路圖如4-1所示，1腳為GND，2腳為Vcc，7腳～14腳接單片機P0口，由單片機P0口控制輸出數(shù)據(jù)。圖4-9顯示電路Fig.4-9displaycircuit4.5報警電路報警電路如圖所示，主要由一個蜂鳴器B1、一個npn三極管、一個電阻組成。蜂鳴器作為常見的報警電路中的電子訊響器，通常被選用作為單片機小型系統(tǒng)中的發(fā)聲器件。一般接單片機的P1.0口，當單片機的P1.0口輸出的電平為高1時，電壓V通過電阻R02位于PNP的e和b之間，e是發(fā)射極，b是基極，蜂鳴器buzzer的負極接GND。所以通電之后，buzzer開始工作，發(fā)出響聲。反之三極管不能導(dǎo)通，buzzer開路。因此蜂鳴器不工作。圖4-10報警電路Fig.4-10alarmcircuit4.6系統(tǒng)原理圖將各個部分的電路設(shè)計好，結(jié)合電路功能及單片機串口功能，組合成一個完整的電路圖，如圖4-9所示，是一個完整的心率測試儀的電路設(shè)計。電路主要由主控電路、采集電路和放大電路、顯示電路、報警電路組成。圖4-11原理圖Fig.4-11schematicdiagram5.系統(tǒng)軟件設(shè)計整個心率測試設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需求分成兩大設(shè)計部分，其一是軟件部分，其二是硬件部分。在設(shè)計硬件電路中，需同時考慮軟件部分是否能實現(xiàn)功能，以及在軟件程序編寫中是否會有困難，對于整篇設(shè)計有沒有設(shè)計的意義性。在前面的設(shè)計中，硬件電路設(shè)計部分已基本完成?，F(xiàn)根據(jù)電路設(shè)計部分，相應(yīng)地來設(shè)計軟件部分。本次系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要運用模塊化的設(shè)計思想。將系統(tǒng)的軟件設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，再將各個模塊單獨設(shè)計、編寫、調(diào)試、分析。然后再進行整體上的聯(lián)調(diào)。而軟件所需要實現(xiàn)的功能也需要根據(jù)設(shè)計任務(wù)來設(shè)計。對設(shè)計任務(wù)的分析就顯得尤為重要了，本次設(shè)計的心率測試儀主要實現(xiàn)采集脈搏信號、轉(zhuǎn)換信號、計數(shù)、顯示、語音播報、報警功能。根據(jù)功能可以分為兩大類的設(shè)計，一類是執(zhí)行部分的設(shè)計，一類是監(jiān)控部分的設(shè)計。執(zhí)行部分呢主要是來實現(xiàn)脈搏信號的檢測，計算，顯示，語音播報等等。而監(jiān)控部分有著協(xié)調(diào)的作用，它可以處理某些模塊之間的關(guān)系，例如執(zhí)行模塊、單片機等。在進行軟件分析的過程中，應(yīng)將所有模塊單獨提列出來。并為每一個模塊進行接口定義和功能定義，相應(yīng)的設(shè)置參數(shù)變量，根據(jù)定義的需求，設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序、系統(tǒng)初始化程序、語音播報程序、定時器中斷程序、LCD顯示程序、蜂鳴器報警程序。5.1系統(tǒng)主程序系統(tǒng)的主程序作為全篇程序設(shè)計中的掌門人，對于整個設(shè)計是重中之重。系統(tǒng)的主程序控制著單片機的總體思路，給單片機一個整體的程序框架，讓其按著主程序的控制思想來運行。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)進行初始化，定義參數(shù)的名稱，設(shè)定一些參數(shù)的初始值。定義參數(shù)的名稱，并設(shè)置一些參數(shù)的初始值。初始化程序主要完成特殊寄存器中的微控制器的設(shè)置，定時器的工作模式，每個端口的工作狀態(tài)。在系統(tǒng)初始化之后，定時器中斷，外部中斷，顯示數(shù)據(jù)等被執(zhí)行，并且不同的外部硬件控制不同的子程序[]。圖5-1主程序流程圖Fig.5-1mainprogramflowchart5.2定時器中斷服務(wù)程序流程本次設(shè)計中需要用到兩個定時器中斷，由于需要對脈搏次數(shù)進行計數(shù)，所以需要一個定時器對其進行計數(shù)，選擇定時器0，報警裝置中的蜂鳴器，需要在P1.0產(chǎn)生矩形波來驅(qū)動報警電路，讓蜂鳴器在低于某限值或干預(yù)某限值時，蜂鳴器發(fā)聲，警示人們。5.2.1定時器0程序流程定時器0中斷主要是對脈搏脈沖進行計數(shù)，每輸入一個脈沖時，心率就加1。定時器0既有定時功能、又有計數(shù)功能，當定時器0中斷進來，首先開始初始化設(shè)置，開始檢測是否到1s,到1s后檢測下1s的脈沖波次數(shù)，再判斷是否到1分鐘，一分鐘到了結(jié)束計數(shù)，保存脈搏數(shù)。圖5-2程序流程圖Fig.5-2programflowchart5.2.2定時器1程序流程定時器1主要是給報警電路提供矩形波，當定時器1開始執(zhí)行工作后，定時器初始化設(shè)置，判斷定時時間是否達到，未達到時，計數(shù)計時，執(zhí)行T0，定時時間達到時，P1.0腳由低電平變成高電平，產(chǎn)生矩形波，蜂鳴器得電工作，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。圖5-3程序流程圖Fig.5-3programflowchart5.3按鍵子模塊流程圖按鍵子模塊主要是用來設(shè)定報警上下限，按鍵1是用來選擇是設(shè)置心率上限還是下限，對應(yīng)選擇，按下按鍵2和按鍵3增加或減少上下限值。圖5-4按鍵子模塊流程圖Fig.5-4keysub-moduleflowchart5.4液晶顯示流程圖系統(tǒng)中的液晶顯示屏之于單片機主要有兩個作用，一個是顯示單片機的輸出情況，一個是監(jiān)視單片機的運行情況。在測量心率的這個系統(tǒng)中，液晶顯示是其中一個重要的環(huán)節(jié)，顯示量儀測得的心率次數(shù)。從單片機的中斷程序中取得測量結(jié)果，顯示上一次的心率測量結(jié)果，經(jīng)過延時時間后，再顯示測試的心率測試中的脈搏數(shù)。圖5-5液晶顯示流程圖Fig.5-5liquidcrystaldisplayflowchart6.系統(tǒng)調(diào)試與仿真整個設(shè)計采用KeilC編譯、調(diào)試程序部分，用Proteus設(shè)計電路圖，并仿真模擬調(diào)試。6.1KeilCKeil軟件是美國KeilSoftware公司出品的兼容單片機C語言軟件的開發(fā)系統(tǒng)，是當今單片機發(fā)展中比較好的開發(fā)工具[]。它擁有很多的庫函數(shù)，還有功能及其強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以提供C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理、仿真調(diào)試器[]?；九cc語言編譯軟件環(huán)境一樣，對于熟悉C語言編程的人來說，使用起來比較容易，設(shè)計編寫程序方便也比較容易。6.1.1KeilC的使用流程圖流程圖如下圖6-1所示。使用KeilC51軟件的第一步是建立一個工程。建立工程時還要選擇CPU，并不只有一個源程序就行了，在這里我們選擇AT89C52來代替STC89C51，在庫里面并沒有STC89C51，而STC89C51的程序完全兼容AT89C52新建一個文件，在文件里編譯需要的程序，保存時，要注意文件格式。前面建立好的工程和文件是兩個獨立的，需要把他們調(diào)用到一起，手動把文件加到工程中，即選中其中的“AddfiletoGroup”?SourceGroup1工程建立好。對其進行一些設(shè)置，為下一步輸出作準備，如晶振改成12MHz。編譯、連接、生成目標文件，在編譯時可以檢驗程序編寫是否有錯誤，語法是否有錯誤，如果在這一步出現(xiàn)錯誤就沒有找出來，對后面的仿真調(diào)試都有不良后果。圖6-1流程圖Fig.6-1flowchart6.2系統(tǒng)仿真Proteus是一個有原理布圖、人工布線用于單片機仿真的軟件。當仿真電路圖畫完之后，就可以把把keilC生成的.hex文件加載到仿真的單片機中，然后進行整體的聯(lián)合調(diào)試。由于仿真系統(tǒng)中無法將手指處的脈搏模擬出來，故將脈搏檢測電路單列出來，脈搏電路檢測出來的是一個正弦波，根據(jù)我們以前學(xué)過的內(nèi)容，找到一個Proteus器件庫中可以輸出波形的器件，這個器件就是示波器。通過按鍵調(diào)節(jié)心率上下限值，把心率上限調(diào)在程序中心率值之下，檢驗報警電路是否好用。觀察液晶顯示器是否可以完全按設(shè)計要求顯示。先將所需的器件從Proteus的器件庫中找出來，列在電路旁，再根據(jù)自己的設(shè)計內(nèi)容，將電路圖展現(xiàn)在Proteus上，然后雙擊芯片，加入keilC中導(dǎo)出.hex文件，然后點及左下方的運行鍵，然后進行仿真，如圖6-2所示是未測量的狀態(tài)圖6-2未測量時的仿真圖Fig.6-2simulationdiagramwithoutmeasurement用信號發(fā)聲器代替從光電傳感器傳來的脈搏信號，按下按鍵時，信號接入電路，如圖6-3所示。圖6-3測量狀態(tài)下的仿真圖Fig.6-3simulationdiagramundermeasurementstate6.3實物制作元件清單：表6-1器件清單Table6-1devicelist器件名稱數(shù)量器件名稱數(shù)量器件名稱數(shù)量STC89C51RC1個紅外對管1個晶振1個LCD16021個蜂鳴器1個發(fā)光二極管2個WT588D1個按鍵4個喇叭1個精密電阻20k(2),10k(3),1k(2),100k(1),200(2),30k(1),56k(1),4.7k(1)電位器2個電容10uf（2個）1uf（2個）30pf（2個）三極管1個6.4實物焊接與安裝焊接主要是根據(jù)原理圖焊接器件，在焊接過程中首先要注意檢查器件是否完好且性能良好，還有要注意正負極問題。例如光敏二極管，首先判斷光敏二極管的那一腳是正極，那一腳是負極。第一步觀察法，先觀察引腳，長的那個是正的，短的那個是負的。但是有時，實驗室里面的器件都是用過很多次的，外表可能有損耗，器件的長短腳可能會改變。這時，可以借助萬用表來測量其正負極。測完正負極，要檢測性能是否良好，即光敏電阻是否靈敏性好，可以用遮光板遮住其接收光線的地方，然后測量電阻，通過測量正反兩次電阻的差值域度來證明二極管本身的阻值性能。普遍情況下反向電阻應(yīng)該為，正向電阻～。然后去掉遮光板，讓光敏二極管暴露在有光線的地方，然后觀察萬用表表針的偏程度，向右偏轉(zhuǎn)的程度大小說明其靈敏度高低，其越大，靈敏度越高[]。其次是器件在板子上的擺放問題，要設(shè)想好，在有限的板子空間上，將所有器件全部安置，并且要提前考慮到布線的問題，布線要避免交叉，焊接時才能美觀一些，焊接時要注意漏焊、過焊、缺焊等問題。6.5實物測試1.實物焊接完成后的成品圖，芯片在液晶顯示屏下面，由于板上空間有限，為了節(jié)省空間，經(jīng)設(shè)計考慮后，把芯片放在顯示器下面，液晶顯示屏下面還有一個電位器，和一個排阻。圖6-4實物圖Fig.6-4objectdrawing2.系統(tǒng)上電后等待測試狀態(tài)，當插上電源后，可以看到綠色的LED保持亮，顯示屏顯示的上一行是英文heartrate，下一行則是000/min，當有測量結(jié)果后，會顯示具體一分鐘多少心跳。圖6-5上電后實物圖Fig.6-5physicalpictureafterpowersupply3.調(diào)節(jié)心率測試儀報警