游泳運動員心率監(jiān)測儀設(shè)計--醫(yī)學(xué)儀器綜合課程設(shè)計.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除河南科技大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書課程設(shè)計名稱 醫(yī)學(xué)儀器綜合課程設(shè)計 題 目 游泳運動員心率監(jiān)測儀設(shè)計 學(xué) 院 醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院 班 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計名稱 醫(yī)學(xué)儀器綜合課程設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 設(shè)計題目 游泳運動員心率監(jiān)測儀設(shè)計 一、 課程設(shè)計目的1、利用所學(xué)的專業(yè)課知識，綜合應(yīng)用醫(yī)學(xué)傳感器、醫(yī)學(xué)電子學(xué)、醫(yī)學(xué)儀器原理和接口技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)等多方面的知識，設(shè)計簡單的醫(yī)學(xué)儀器。2、掌握醫(yī)學(xué)儀器的一般結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。3、掌握電子電路設(shè)計工具軟件的使用、掌握電子電路設(shè)計技術(shù)與方法。4、掌握電子器件、電路的測試技術(shù)及實驗測試儀器的使用。二、 設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)條件和要求1、設(shè)計游泳運動員心率監(jiān)測儀總體設(shè)計，實現(xiàn)心率檢測電路的設(shè)計。2、寫出游泳運動員心率監(jiān)測儀設(shè)計的意義和背景。3、給出兩種設(shè)計方案并進行方案選擇、實現(xiàn)優(yōu)選方案的儀器設(shè)計。4、使用計算機輔助設(shè)計并繪制出系統(tǒng)電路圖、根據(jù)電路圖進行電路連接與調(diào)試，并顯示結(jié)果。設(shè)計任務(wù)劃分：你的主要設(shè)計任務(wù)是（ 1 ）任務(wù)序號任務(wù)1系統(tǒng)硬件設(shè)計（電路原理圖）及實驗2總體方案比較及選擇（擬解決的關(guān)鍵問題和措施、設(shè)計的特點和難點）三、 時間進度安排（第一周） 1、根據(jù)題目查找、收集和整理所需資料，制定設(shè)計方案和實施辦法 （第二周周一至周三） 2、設(shè)計并繪出系統(tǒng)電路原理圖（用PROTEL或MULTISIM進行電路仿真與設(shè)計）（第二周周四至第三周周一） 3、根據(jù)設(shè)計電路圖進行電路連接、制作與調(diào)試（第三周周二至周三） 4、整理設(shè)計資料，提交設(shè)計報告（第三周周四、周五） 5、課程設(shè)計情況報告及現(xiàn)場操作演示（答辯）四、 主要參考文獻醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計 余學(xué)飛主編，華南理工大學(xué)出版社醫(yī)用檢驗儀器原理、構(gòu)造與維修劉鳳軍主編，中國醫(yī)藥科技出版社生物醫(yī)學(xué)傳感器和檢測技術(shù)楊玉星主編，華中科技大學(xué)出版社生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 張唯真主編，清華大學(xué)出版社電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光主編，高等教育出版社醫(yī)學(xué)儀器齊頒揚主編，高等教育出版社生物醫(yī)學(xué)測量與儀器王保華主編，復(fù)旦大學(xué)出版社指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要心率是指人體心臟每分鐘搏動的次數(shù)，它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數(shù)，同時心率值又是衡量體力勞動強度和腦力勞動強度的重要指標(biāo)。目前心率監(jiān)測系統(tǒng)在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。本課題設(shè)計完成了一個基于51單片機的心率監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，以紅外發(fā)光二極管和光敏三極管為傳感器，利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，光敏三極管感應(yīng)心跳脈沖，單片機通過脈沖累加計算心臟跳動次數(shù)，在數(shù)碼管上顯示心跳次數(shù)和時間。實現(xiàn)了心率的實時監(jiān)測與顯示、定時測量以及報警提醒等功能。關(guān)鍵詞：心率監(jiān)測；AT89C51單片機；光電傳感器此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流目 錄（指導(dǎo)教師填寫）II摘 要III第1章 概述11、心率監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用1第2章 心率監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理22.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理22.2 工作原理2第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計43.1 控制器43.1.1 AT89C51 簡介43.1.2 AT89C51 的特點43.1.3 AT89C51 的結(jié)構(gòu)43.2 心率信號采樣63.2.1 光電傳感器的原理63.2.2 光電傳感器的結(jié)構(gòu)73.2.3 光電傳感器檢測原理73.2.4 信號采樣電路83.3 信號放大電路93.3.1 LM324放大器93.3.2 低通放大電路93.4 波形整形電路113.5 單片機控制電路133.6 LED顯示電路133.6.1 LED的結(jié)構(gòu)及其工作原理143.6.2 LED數(shù)碼管的顯示方式153.7 報警電路153.8 硬件系統(tǒng)原理16第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計174.1 主程序流程174.2 中斷程序流程174.3 顯示程序流程18參考文獻19附 錄20 第1章 概述1、心率監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用心率不但能夠反映心臟的工作狀態(tài)是否正常，也可以用來衡量腦力勞動和體力勞動的強度。健康成年人安靜時，心率的個體差異比較顯著，大概范圍在60150次/分之間，平均為75次/分左右。根據(jù)被測人的年齡、性別以及其他生理情況，心率會有所不同。初生兒的心率很快，可達130次/分以上。在健康的成年人中，一般男性的心率比女性較慢。人體運動的時候，心率會隨機體代謝的強度增加而增加，在一定范圍內(nèi)心率可以作為運動強度和機體的代謝水平的參考指標(biāo)，因此，心率常被用于有氧運動中對運動強度的控制。運動結(jié)束后，心率恢復(fù)時間的長短又可用作評定運動負荷是否適宜以及心臟機能狀態(tài)是否正常的依據(jù)和指標(biāo)。因此心率測試有很大的臨床意義，它的機理急待于我們進行研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心率測試技術(shù)越來越先進，消費者對心率測試儀精度的要求也越來越高。國內(nèi)外科學(xué)家先后研制了不同類型的心率測試儀，而設(shè)計關(guān)鍵是對高精確度高靈敏度傳感器的開發(fā)。本設(shè)計采用反射式光電傳感器來采集人體的脈搏信號，檢測的部位為被測者手指指尖或者耳垂。隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，智能傳感器也逐步應(yīng)用到多個領(lǐng)域。醫(yī)用領(lǐng)域?qū)鞲衅髋c信號采集、放大濾波裝置、計算機等相結(jié)合構(gòu)成新型智能測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以單方面測量心率、血壓等，也可進行對人體的多點測量，完整檢測脈搏的波動狀態(tài)，能夠更加科學(xué)的反映心率的變化，從而為醫(yī)生的診斷提供詳細參考依據(jù)。人體心室周期性的收縮和舒張引起主動脈的收縮和舒張，是血壓以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為心率波4。從心率波中提取人體的病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到了中外醫(yī)學(xué)界的重視。心率波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多病理的血流特征，因此對心率波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景5。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號，心率波信號更是低頻微弱的非電生理信號，因此必需經(jīng)過放大和濾波以滿足采集的要求。第2章 心率監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理光電式心率監(jiān)測系統(tǒng)是利用光電傳感器作為變換原件，將采集到的用于檢測心臟跳動的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號，用電子儀表進行顯和示測量的裝置。該系統(tǒng)的組成包括信號處理電路、光電傳感器、單片機電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。光電傳感器是將非電量(紅外光)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量(如電壓、電流或頻率等)輸出。信號處理電路主要處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路(包括放大、濾波、整形等)。單片機電路利用單片機自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的脈沖電平進行運算得出心率(包括AT89C51、外部晶振、外部中斷等)。電源電路向光電傳感器、信號處理、單片機提供的電源，可以是5V-9V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。2.2 工作原理本設(shè)計采用單片機AT89C51為控制核心，實現(xiàn)心率監(jiān)測系統(tǒng)的基本測量功能。該系統(tǒng)的硬件框圖如下圖2.1 所示：外部中斷信號光電傳感器低通放大器比較器/振蕩器單片機AT89C51數(shù)碼顯示電路外部晶振報警電路圖2.1 心率監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理當(dāng)手指放在紅外發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和度的變化會引起光的強度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就使紅外接收三極管輸出脈沖信號。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機外部中斷信號。單片機電路對輸入的脈沖信號進行計算處理之后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 控制器本系統(tǒng)基于51系列單片機來實現(xiàn)功能，因為系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了比較普遍的AT89C51單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。3.1.1 AT89C51 簡介AT89C5l是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128 bytes隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大。3.1.2 AT89C51 的特點與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：OHz-24MHz三級加密程序存儲器128*8字節(jié)的內(nèi)部RAM32個可編程IO口線2個16位定時計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道3.1.3 AT89C51 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計所使用的AT89C51 的封裝形式是DIP40。如圖3.1 所示。圖3.1 AT89C51的封裝形式引腳功能：Vcc：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也是地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。Pl口：P1是個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；作為第二功能使用。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳會出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍能以時鐘振器頻率的16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN：程序存儲允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EAVPP：EA 0，單片機只訪問外部程序存儲器。EA 1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 心率信號采樣目前心率監(jiān)測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：液體耦合腔心率傳感器、光電容積脈搏波法、壓阻式心率傳感器以及應(yīng)變式心率傳感器。近年來，光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快,主要由于光能避開強烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性,可非侵入地檢測病人各種癥狀信息，具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)等優(yōu)點6。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作專家和學(xué)者的重視。3.2.1 光電傳感器的原理根據(jù)朗伯一比爾(LamberBeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和其濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織的吸收、反射衰減后，測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。心率主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織光的吸收量是恒定的。在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血來說十分微弱，可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的搏動引起，那么在恒定波長的光照下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的心率信號7。3.2.2 光電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由紅外發(fā)光二級管和接收三極管組成。選用紅外發(fā)光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的心率波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在本設(shè)計中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除了被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來。光電式心率傳感器8按照光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用了指套式的透射型光電傳感器, 實現(xiàn)了光電隔離,減少了對后級模擬電路的干擾。結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2 透射式光電傳感器3.2.3 光電傳感器檢測原理隨著心臟的跳動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最明顯9。因此本設(shè)計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并轉(zhuǎn)換成電信號。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動, 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示10，即可實時的測出心臟跳動的次數(shù)。3.2.4 信號采樣電路硬件電路中，關(guān)鍵部分在于心率信號的檢測。系統(tǒng)采用紅色發(fā)光二極管和硫化鎘光敏電阻組成透射遮光指套式光電傳感器。紅色發(fā)光二極管穩(wěn)定性好，遮光指套式的裝置減少了外界光的干擾，只需將待測手指插入，便可進行測量測試時，被測手指正好處在發(fā)光二極管和光敏電阻之間，這樣一來，光敏電阻的阻值便將隨著手指的血容量的變化而變化。心率信號采樣電路如圖3.3所示，U4是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大，所以對R17阻值的選取要求較高。R17選擇270同時也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R17過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有心跳和無心跳時的信號。反之，R17過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有心跳和無心跳時的信號。硬件系統(tǒng)是通過檢測指尖來采取脈搏信號，從而得到心率信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U3A輸入端而造成錯誤指示，用C8、C10串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷11。圖3.3 信號采集電路3.3 信號放大電路3.3.1 LM324放大器LM324 是四運放集成電路，它采用14 腳雙列直插塑料封裝.它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3.4所示符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖3.5。 圖3.4 運算放大器 圖3.5 引腳排列由于LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小， 價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在各種電路中。3.3.2 低通放大電路因為通過光電傳感器接收到的信號極其微弱，容易被其外圍電路所干擾， 因此系統(tǒng)必須為信號處理電路提供電源。檢測到的信號經(jīng)過LM324放大器放大后仍存在較大的偏置電壓，因此必須在信號輸入端加濾波電容，將電路中的直流成份濾掉并保證不影響交流信號的傳遞。該系統(tǒng)按人體心率在運動后跳動次數(shù)達200次/分鐘的計算來設(shè)計低通放大器。如圖3.6所示，R24、C6組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R24、C6決定，運放U3A將信號放大，放大倍數(shù)由R22和R24的比值決定。經(jīng)過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波12。圖3.6 信號低通放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得： (3.1)放大倍數(shù)為： () (3.2) 截止頻率為： (3.3)按人體心率跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波，波形如圖3.7所示。圖3.7 脈動正弦波3.4 波形整形電路本電路的功能是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為高低電平信號輸出到單片機系統(tǒng)，采用反向滯回電壓比較器進一步提高電路抗干擾能力。通過對強弱心率信號的測試和統(tǒng)計分析可以將其閾值確定，整形電路如圖3.8所示，U3B是一個電壓比較器，C7、R27構(gòu)成一個微分器，U3C和C15、R31組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由C15、R31決定。U3B的輸出信號(波形如圖3.9)經(jīng)C7、R27的微分后總是將正、負相間的尖脈沖(波形如圖3.10)加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U3C的反向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差，因此稍微調(diào)節(jié)下R28即可將該比較器的閥值電壓控制在正弦波的幅值范圍內(nèi)。當(dāng)檢測到輸入信號時，U3B在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平，使C15通過R31充電。大約持續(xù)20ms之后，因C15充電電流減小而使U3B同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位，于是U3B改變狀態(tài)并再次輸出低電平。脈沖高電平與心跳同步，并由紅色發(fā)光二極管DS3的閃亮指示出來，即發(fā)光二極管作心跳狀態(tài)顯示，心臟每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平通過R29送到單片機/INTO腳，進行對心率的計算和顯示，輸出波形如圖3.11所示。圖3.8 波形整形電路經(jīng)過比較器U3C產(chǎn)生的輸出波形：圖3.9 輸出波形經(jīng)過微分器產(chǎn)生的輸出波形：圖3.10 比較后的輸出波形單片機接收到的信號：圖3.11 接收信號3.5 單片機控制電路該設(shè)計采用單片機最小系統(tǒng)作為信號的處理電路，如圖3.12所示，來自取樣和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機AT89C51的/INTO腳，單片機設(shè)為負跳變中斷觸發(fā)模式，每次脈沖下降沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷并進行計時，來一個脈沖心跳次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能 13。圖3.12 單片機處理電路3.6 LED顯示電路該設(shè)計采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示數(shù)據(jù)，兩個4位的共陽極LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測量中的時間，3、4兩位顯示測量中的心跳次數(shù)，6、7兩位用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)，如圖3.13所示。單片機P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。圖3.13 單片機處理電路3.6.1 LED的結(jié)構(gòu)及其工作原理LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管顯示字段組成的。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段LED數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。共陰極LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。共陽極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。本設(shè)計中采用的是4位七段共陽極數(shù)碼管顯示器，一共具有12個引腳，4個位選端，8個字選端。圖3.14中所示，1、2、3、4是位選端；ag、Dp是字選端。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。圖3.14 4位數(shù)碼管引腳分布圖圖3.15 4位共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.6.2 LED數(shù)碼管的顯示方式LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)碼管的顯示方式可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩類。靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個LED數(shù)碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進行控制。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，缺點在于占用硬件資源較多，每個LED數(shù)碼管需要獨占8條輸出線。動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器(稱為掃描)，即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進行動態(tài)掃描(稱為掃描口)，控制每位顯示器所顯示的字形也需一個8位口(稱為段碼輸出)。通過比較，可以發(fā)現(xiàn)LED動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以采用此方法。3.7 報警電路報警電路部分如圖3.16所示，它使用的是一個蜂鳴器，一端接P1.1，另外一端接地。當(dāng)P1.1為高電平是就發(fā)出嘟的聲音，為報警提示音。在系統(tǒng)初始化完成時會“嘟、嘟、嘟”連響三聲，系統(tǒng)正常運行后在出現(xiàn)生理參數(shù)超出正常閾值時，報警電路會嘟嘟嘟的報警到生理參數(shù)回到正常閾值內(nèi)或重啟監(jiān)測儀才能解除報警。圖3.16 報警電路3.8 硬件系統(tǒng)原理該硬件電路系統(tǒng)由信號取樣、信號放大、波形整流、數(shù)碼管顯示以及報警等以上幾部分電路組成，心率信號通過采樣電路的傳感器檢測，再經(jīng)過信號放大，濾波，整流后，由單片機內(nèi)部進行處理，最后將檢測到的信號通過顯示電路顯示出來，其硬件原理圖如圖3.17所示。圖3.17 電路原理圖第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1 主程序流程該系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行, 它是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)通上電后，對系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內(nèi)的專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后， 進行定時器中斷、外部中斷、顯示數(shù)據(jù)等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序15流程如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程圖4.2 中斷程序流程定時器中斷服務(wù)程序是由一分鐘計時、有無測試信號判斷等部分組成。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時，到60s再停止并保存測得的心跳次數(shù)。同時對按鍵進行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。完成一分鐘的定時功能和保存測得的心跳次數(shù)。外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候，每來一個脈沖心跳次數(shù)就加一，由單片機內(nèi)部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，其流程如圖4.2所示。圖4.2 中斷程序流程圖4.3 顯示程序流程顯示程序包括顯示上次心跳次數(shù)、本次測量中的心跳次數(shù)和時間。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的心跳次數(shù)，經(jīng)過10ms的延時后再顯示測試中的心跳次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時顯示測試中的時間，其流程如圖4.3所示。圖4.3 顯示程序流程圖參考文獻1 歐陽俊，謝定基于BL-410的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究J實用預(yù)防醫(yī)學(xué)報，2004，第11卷，第2期，2-42 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Init_System(void);void Display(uint8 chose_dat, uint8 dat);void ShowDisp(uint8 tPulsenum, uint8 tPulsecnt, uint8 tcnt1s);void DelayMs(uint8 Ms);void main()Init_System();/初始化while(1)ShowDisp(Pulsenum, Pulsecnt, cnt1s);/顯示/* 函 數(shù) 名: Exti0_interrupt* 函數(shù)功能: /INT0引腳下降沿進入中斷* 入口參數(shù): 無* 返 回: 無*/void Ext0_interrupt(void) interrup