家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì)學(xué)士學(xué)位論文

1、學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì)家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì) 作 者 姓 名： 王禹 學(xué) 科 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 劉繼軍（講師） 完 成 日 期： 2014-5-30 太原工業(yè)學(xué)院 Taiyuan Institute of Technology 誠信申明誠信申明 本人申明： 本人所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì)的所有材料是本人在指 導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立研究、寫作、完成的成果，設(shè)計(jì)（論文）中所引用他人的無論以何 種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在設(shè)計(jì)（論文）中加以說明；有關(guān)教師、同學(xué)和其 他人員對(duì)我的設(shè)計(jì)（論文）的寫作、修訂提出過并為我在設(shè)計(jì)（論文）中加以采

2、納的 意見、建議，均已在我的致謝辭中加以說明并深致謝意。 本設(shè)計(jì)（論文）和資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 特此申明。 本人簽名： 2014年06月15日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì) 系部： 電子工程系 專業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)號(hào)： 學(xué)生： 王禹 指導(dǎo)教師（含職稱）： 劉繼軍（講師 ） 課題意義及目標(biāo) 作為反映人體健康狀況的重要生理信息，脈搏波在臨床診斷和疾病治療中,受到廣 泛重視。目前，“摸脈”方法仍然是醫(yī)生診斷疾病所采用的一種普遍技術(shù)手段。脈搏 波所呈現(xiàn)出的綜合信息，如形態(tài)（波形）、強(qiáng)度（波幅）、速率（波速）和節(jié)律（周 期

3、）等。在很大程度上反映了人體心血管系統(tǒng)中的生理和病理的血流特性，其醫(yī)學(xué)價(jià) 值重大。由于人體的生物信號(hào)處于強(qiáng)噪聲背景下, 脈搏波作為一種低頻微弱的非電生 理信號(hào)，必須經(jīng)過放大和后級(jí)濾波處理，才能滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)人體健康信息進(jìn)行采集 和觀察的要求。 本設(shè)計(jì)是一種以使用方便為特點(diǎn)，能夠快速測(cè)出人體心率的心率計(jì)，心率計(jì)要在 15 秒鐘內(nèi)顯示被測(cè)人的心率參數(shù)，此心率傳感器要求套在手指測(cè)量。該設(shè)計(jì)，從符合操 作簡便、外表美觀、實(shí)用、安全的要求出發(fā)，完成設(shè)計(jì)和調(diào)試的全過程。 2主要任務(wù) （1）查閱資料，了解本次論文題目。 （2）單片機(jī)傳感器的掌握和選擇。 （3）設(shè)計(jì)脈搏波檢測(cè)電路，顯示電路。 （4）軟件編程。

4、 （5）制作實(shí)物，撰寫論文。 3主要參考資料 1 劉云麗,徐可欣等.微功耗光電式脈搏測(cè)量儀J.電子測(cè)量技術(shù). 2005(2):14-15 2 張毅坤.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版. 2013:229-256 3 朱國富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測(cè)量儀J.電子技術(shù)應(yīng)用. 1998(1):5-9 4 喬愛科，動(dòng)脈中的脈搏波理論J，生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2000:120-130 4進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期 1設(shè)計(jì)總體思路，查閱資料，擬定方案3 月 05 日3 月 13 日 2設(shè)計(jì)電路圖，軟件程序3 月 14 日3 月 20 日 3程序調(diào)試，完善設(shè)計(jì)，改進(jìn)不足

5、3 月 21 日4 月 20 日 4制作實(shí)物，焊接，調(diào)試4 月 21 日5 月 29 日 5撰寫論文，答辯5 月 30 日6 月 22 日 家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì)家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì) 摘要摘要 本設(shè)計(jì)主要采用 STM8 單片機(jī)芯片和 Pulse Sensor 集成化光電式脈搏傳感器實(shí)現(xiàn) 心跳信號(hào)采集，信號(hào)處理，脈搏計(jì)數(shù)等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。 整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由傳感器，單片機(jī)，顯示屏，電源等四個(gè)模塊組成。傳感 器的信號(hào)經(jīng)單片機(jī) AD 采集，綜合分析處理，在 Nokia5110 顯示屏上實(shí)現(xiàn)心跳波形顯示、 心率測(cè)量的功能。 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件電路的連

6、接和調(diào)試，軟件的編 寫實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊的正常運(yùn)行，也得以使本家用數(shù)字心率計(jì)完美完成。顯示被測(cè) 人的心跳波形、心率參數(shù)、剩余電量等。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 單片機(jī) , 光電脈搏傳感器 ,心率計(jì) Home Digital Heart Rate Design Abstract This design uses STM8 microcontroller chips and Pulse Sensor integrated photoelectric pulse sensor to achieve the heartbeat signal acquisition, signal processing, pul

7、se counting and other functions, so a small size, low power consumption, high system stability. The entire circuit modular design consists of four modules sensor, microcontroller, display, power supply and other components. Sensor signal by the microcontroller AD acquisition, comprehensive analysis

8、processing, on Nokia5110 heartbeat waveform display, heart rate measurement function. On this basis, the overall design scheme of the system, through the preparation of the final hardware circuit connection and commissioning software to achieve the proper operation of each module, but also to make t

9、he perfect home digital heart rate monitor is completed. Shows the measured waveform human heartbeat, heart rate parameters, the remaining power and so on. Key words：SCM, photoelectric pulse sensor, heart rate meter 目目 錄錄 1 緒論 .1 1.1 研究的背景與意義 .1 1.2 主要實(shí)現(xiàn)的功能 .2 2 系統(tǒng)方案 .3 2.1 心率計(jì)原理 .3 2.2 心率測(cè)試方法 .3 2.

10、3 醫(yī)學(xué)常識(shí) .4 2.4 脈搏波形 .5 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .7 3.1 傳感器 .7 3.1.1 傳感器介紹.7 3.1.2 傳感器的選擇與論證.7 3.1.3 Pulse Seneor 集成化光電式脈搏傳感器.8 3.2 單片機(jī) .10 3.2.1 信號(hào)處理方案選擇和論證.10 3.2.2 單片機(jī)的選擇.11 3.2.3 STM8 單片機(jī) .12 3.3 顯示屏 .14 3.3.1 顯示模塊的選擇和論證.14 3.3.2 顯示電路.15 3.4 按鍵 .16 3.5 鋰電池電路 .16 3.5.1 鋰電池充電電路.17 3.5.2 鋰電池 TP4057 .17 3.6 電源電路 .18

11、4 系統(tǒng)硬件調(diào)試 .20 4.1 幾種主要系統(tǒng)干擾與影響 .20 4.1.1 陽光的干擾 .20 4.1.2 測(cè)量過程中手指的抖動(dòng) .20 4.1.3 呼吸的影響 .20 4.2 測(cè)試過程中的調(diào)試 .21 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .22 5.1 程序流程圖 .22 5.2 記錄心跳次數(shù)程序 .24 5.3 電壓轉(zhuǎn)電量程序 .25 6 總結(jié) .27 參考文獻(xiàn) .28 致謝 .29 附錄 .30 1 1 緒論緒論 1.11.1 研究的背景與意義研究的背景與意義 伴隨著全球科技與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，關(guān)愛生命與健康已成為人類的共同追 求。心腦血管疾病是危害人類生命和健康的最主要疾病。每年因心腦血管疾病致死

12、的 人數(shù)位居死亡總數(shù)的首位，耗費(fèi)的醫(yī)療費(fèi)用居高不下，給家庭和社會(huì)造成巨大負(fù)擔(dān)。 近年來，猶豫飲食不合理、生活節(jié)奏加快等原因，心腦血管疾病的發(fā)病率更是呈逐年 上升的趨勢(shì)。如何科學(xué)的降低心腦血管疾病的發(fā)病率和死亡率，有效的減輕心腦血管 疾病帶來的社會(huì)和家庭負(fù)擔(dān)，已成為全社會(huì)所面臨的一個(gè)十分嚴(yán)峻的問題。 今天，越來越多的人已認(rèn)識(shí)到健康的生活方式和疾病預(yù)防的重要性，對(duì)擁有日常 家庭化和個(gè)性化的健康監(jiān)測(cè)和疾病預(yù)防手段的需求也日益增大。在脈搏波研究方面， 國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了眾多的技術(shù)和理論，基于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)，利用脈搏波對(duì)人體心血管 健康進(jìn)行無創(chuàng)檢測(cè)的方法和儀器不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)在的任務(wù)是要對(duì)脈搏波的檢測(cè)分析及對(duì)

13、心血管健康檢測(cè)應(yīng)用方面做進(jìn)一步研究，研制一種面向家庭和社區(qū)醫(yī)療的服務(wù)的，能 夠?qū)θ梭w動(dòng)脈硬化的程度和其他心血管健康狀況進(jìn)行無創(chuàng)檢測(cè)的儀器，讓更多的人對(duì) 自己的心血管健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的了解，對(duì)心血管疾病能夠及早的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)行預(yù)防。 基于上述的現(xiàn)狀和背景，不難發(fā)現(xiàn)：心血管功能檢測(cè)新技術(shù)、新方法的研究以及 心血管功能監(jiān)測(cè)類家用電子醫(yī)療保健儀器的開發(fā)已刻不容緩。它不僅能滿足當(dāng)前的醫(yī) 療保健急需，也能為維持和發(fā)展我國家用數(shù)字醫(yī)療事業(yè)，為推行實(shí)施國家“家庭醫(yī)療 保健工程”做出積極和長久的貢獻(xiàn)。 自上世紀(jì) 80 年代以來，基于血流動(dòng)力流變學(xué)和彈性腔理論的無創(chuàng)傷血管功能檢測(cè) 方法的研究逐漸受到廣泛的關(guān)注。很多不

14、同學(xué)科的研究員與醫(yī)學(xué)家合作，研究出各種 應(yīng)用型人體心率傳感器，有單部、三部、液態(tài)水、子母式單點(diǎn)，多點(diǎn)，氣壓式、硅杯 式、軟性接觸式、剛性接觸式等，組成脈搏傳感器的主要部件有壓電警惕、單晶硅、 陶瓷應(yīng)變片、光敏組件、pvdf 壓電薄膜等，其中以單部單點(diǎn)應(yīng)變片式應(yīng)用最為廣泛。 到目前，用于評(píng)價(jià)大動(dòng)脈的結(jié)構(gòu)和方法已有很多。血管造影和其他造影技術(shù)等有 創(chuàng)方法可精確評(píng)價(jià)動(dòng)脈管腔或分心動(dòng)脈壁結(jié)構(gòu)。但是這些方法操作復(fù)雜，費(fèi)用高昂， 需要非常精密的技術(shù)設(shè)備，限制了其只能在大型臨床研究中應(yīng)用，另外，還有一些其 他的無創(chuàng)方法，這些主要根據(jù)超聲波技術(shù)和計(jì)算機(jī)分析圖像和超聲信號(hào)，來研究某些 動(dòng)脈軸和位點(diǎn)的功能和結(jié)構(gòu)，

15、這些相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)僅用于某些臨床研究實(shí)驗(yàn)室。在無 創(chuàng)方法中，脈搏波速度的檢測(cè)已經(jīng)在較長時(shí)間內(nèi)廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)動(dòng)脈壁擴(kuò)張性和硬度。 該方法無創(chuàng)傷，操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好，因此被廣泛應(yīng)用于大型治療和流行 病學(xué)研究當(dāng)中，并且，該方法非常適合于向家庭和社區(qū)醫(yī)療服務(wù)推廣。國外，諸如法 國研制生產(chǎn)的康普樂儀、日本科林公司的動(dòng)脈硬化檢測(cè)儀等就是利用此種方法，并在 歐美國家得到廣泛的普及，國內(nèi)也有醫(yī)院引進(jìn)了這種設(shè)備，但是價(jià)格昂貴。國內(nèi)也有 多家單位開始了此類設(shè)備的研究，在 2007 年，也有類似的產(chǎn)品相繼上市。但是，這些 儀器均被應(yīng)用在大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，成本高，檢測(cè)費(fèi)用高，功能局限于檢測(cè)，不能滿足 患者隨時(shí)

16、隨地檢測(cè)的需要。 1.21.2 主要實(shí)現(xiàn)的功能主要實(shí)現(xiàn)的功能 本設(shè)計(jì)是在一種以使用方便為前提，能夠快速測(cè)出人心率的心率計(jì)，主要針對(duì)于 個(gè)人，家用。能夠隨身攜帶，帶有電池，可以充電。心率計(jì)設(shè)有顯示器，會(huì)在 15 秒鐘 內(nèi)顯示被測(cè)人的心率參數(shù)，心率傳感器要求套在手指測(cè)量。 通過開關(guān)按鍵開始，顯示器上出現(xiàn)心律波動(dòng)圖，15 秒后，直接顯示心律數(shù)值。 整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由傳感器，單片機(jī)，顯示屏三個(gè)模塊組成。傳感器的 信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)心率測(cè)量的功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方 案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。 圖 1.1 設(shè)計(jì)框圖 2 2 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案 2.12.1 心

17、率計(jì)原理心率計(jì)原理 脈搏傳感器 電路 單片機(jī)處理 電路 顯示電路 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 半透明度減小;當(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。 2.22.2 心率測(cè)試方法心率測(cè)試方法 基于人體心跳特征的研究，可建立以下兩條基本知識(shí)規(guī)則

18、： （1）每次心跳所需時(shí)間以一定概率形式分布在時(shí)域中，其中包括心率正常者及心率異 常者； （2）在每次心跳過程中，信號(hào)幅度至少會(huì)出現(xiàn)一次較大波峰，心率異常者可能波峰更 多。 測(cè)量心率有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬方法是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算 R 波（或 脈搏波）的脈沖個(gè)數(shù)，然后將脈沖計(jì)數(shù)乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)測(cè)量心率。這種方法的缺 點(diǎn)是測(cè)量誤差較大、元件參數(shù)調(diào)試?yán)щy、可靠性差。數(shù)字方法是先測(cè)量相鄰 R 波之間 的時(shí)間，再將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)測(cè)量心率的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精 度高、可靠性好，并且能同時(shí)測(cè)量瞬時(shí)心率和平均心率。用數(shù)字方法測(cè)量心率的電路 又分為兩種類型：一種是使用一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)

19、器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)除法電路；另一種是通過自 動(dòng)下降的時(shí)鐘頻率測(cè)量相鄰 R 波之間的時(shí)間。 本次設(shè)計(jì)我們采用數(shù)字方法測(cè)量瞬時(shí)心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）時(shí)， 只要測(cè)出兩相鄰 R 波之間的時(shí)間（即心率周期），再將這個(gè)心率周期轉(zhuǎn)換為每分鐘的 心跳數(shù)。設(shè)心率周期為 T 秒，IHR 為心率數(shù)值，所以，得出結(jié)論。 瞬時(shí)心率的計(jì)算公式為： IHR=60/T （式 1.1） 瞬時(shí)心率的計(jì)算應(yīng)以 12MHz 的時(shí)鐘頻率作為時(shí)間基準(zhǔn)，測(cè)量相鄰兩次心跳之間的 時(shí)間，然后做除法運(yùn)算。因此，瞬時(shí)心率計(jì)算電路應(yīng)包括一個(gè) 12 位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 一個(gè) 16 位的二進(jìn)制除法電路。平均心率的計(jì)算應(yīng)根據(jù)

20、測(cè)量結(jié)束前最后測(cè)得的 16 次心 率值求平均，因此心率計(jì)算電路還應(yīng)包括一個(gè)能完成 12 位二時(shí)制數(shù)加法的電路和一個(gè) 能完成 12 位二進(jìn)制數(shù)除法的電路，這個(gè)除法運(yùn)算可通過移位寄存器右移四次來實(shí)現(xiàn)。 計(jì)數(shù)器、加法器和移位寄存器也容易實(shí)現(xiàn)。下面主要討論測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法。 瞬時(shí)心率計(jì)算公式是一個(gè)拋物線函數(shù)，分母中計(jì)數(shù)值 N 是一個(gè)變量，這個(gè)除法運(yùn) 算不能通過簡單的移位寄存器來實(shí)現(xiàn)；而設(shè)計(jì) 16 位二進(jìn)制除法運(yùn)算電路，無論采用組 合電路還是采用時(shí)序電路，都將耗費(fèi)很多的芯片資源。另一方面，人的正常心率為 60120 跳/分鐘，即使心率出現(xiàn)異常，也不會(huì)超過 20200 跳/分鐘，因此所測(cè)量的心 率值只有有限

21、個(gè)數(shù)據(jù)。這樣，可根據(jù)每一個(gè)可能出現(xiàn)的心率值，預(yù)先求出 N 的變化范 圍，制作一張表，存入 ROM 中。實(shí)際測(cè)量時(shí)，再根據(jù)測(cè)到的 N 值，選擇相應(yīng)的心率數(shù) 據(jù)。假設(shè)心率的變化范圍為 20200，則 N 的變化范圍為 3077300。 2.32.3 醫(yī)學(xué)常識(shí)醫(yī)學(xué)常識(shí) 心率(Heart Rate)：用來描述心動(dòng)周期的專業(yè)術(shù)語，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù), 以第一聲音為準(zhǔn)。心電信號(hào)是一種非常弱且頻率較低的信號(hào)，一般幅值在 0.055mV， 頻率在 0.05100Hz。 結(jié)構(gòu)特征： 心臟是一厚壁的肌性器官，由左右 2 心房和左右 2 心室 4 個(gè)心腔組成。心臟的自 動(dòng)節(jié)律性收縮，推動(dòng)血液在循環(huán)系統(tǒng)的各種血

22、管中環(huán)流，使機(jī)體各組織、器官能不斷 地吐故納新、新陳代謝。 2.42.4 脈搏波形脈搏波形 心臟每搏動(dòng) 1 個(gè)周期，動(dòng)脈管內(nèi)的壓力、動(dòng)脈的容積與動(dòng)脈內(nèi)的血液狀態(tài)各有一 系列變化，而且心臟有著節(jié)律及頻率的變化，這種變化可被觸知，故稱為脈搏。醫(yī)生 通過觸覺和壓覺得到患者脈搏的頻率、節(jié)律、形狀、深淺與強(qiáng)弱等變化的綜合形象成 為脈象。脈診所得脈象的各種信息可用儀器放在切脈部位的皮膚上，以不同的壓力取 法畫出脈象曲線，這種脈象曲線稱為脈象圖。脈圖是實(shí)現(xiàn)脈診客觀化的 1 項(xiàng)重要指標(biāo)。 脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,很大程度上反映出人體 心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。正常人脈

23、搏數(shù)為 6080 次/分鐘，嬰兒為 90100 次/分鐘，老人為 100150 次/分鐘。在成年人中，女性的心率一般比男性稍 快。同一個(gè)人，在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運(yùn)動(dòng)時(shí)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快，在某些藥 物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì)使心率發(fā)生加快或減慢。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛 煉的人，平時(shí)心率較慢。脈搏波如下圖所示。 圖 2.1 脈搏波圖 心率與脈搏的聯(lián)系：心率與脈搏在身體正常的時(shí)候是相等的，只有在心臟出現(xiàn)疾 病的時(shí)候出現(xiàn)。因此心率測(cè)量問題可以轉(zhuǎn)化為脈搏的測(cè)量，而脈搏的測(cè)量有更容易實(shí) 現(xiàn)特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用。 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效測(cè)量范圍為 60 次130 次/分鐘。檢測(cè)的基本原理是：隨

24、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 小；當(dāng)血液流回心臟，組織則半透明度增大。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，本心率監(jiān)測(cè)儀將發(fā)光二極管產(chǎn)生的光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，即可實(shí)時(shí)地測(cè)出脈搏的次數(shù)。 3 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.13.1 傳感器傳感器 3.1.1 傳感器介紹傳感器介紹 傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)

25、裝置，能感受到被測(cè)量的信 息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出， 以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自 動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官， 在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況， 就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中，首先要解決 的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與 手段。 3.1.23.1.2 傳感器的

26、選擇傳感器的選擇與論證與論證 （1）壓電式 壓電式傳感器的檢測(cè)方法是利用壓力傳感器或振動(dòng)傳感器將人體脈搏振動(dòng)轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)。常見的壓力傳感器可用現(xiàn)有的壓電陶瓷代替。壓電式元件的內(nèi)阻極高，通常 采用兩片相同的元件，使其極性反向相疊，由夾在中間的銅片作為一個(gè)電極。這樣， 中央電極處于全空狀態(tài)，可以用具有良好絕緣性的導(dǎo)線引出。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感 器種類多，一般的傳感器輸出信號(hào)也比較大，對(duì)后面的放大電路要求不高。壓電陶瓷 具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特點(diǎn)。 （2）聲電式 聲電式傳感器的作用是將氣體、液體或固體中傳播的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因 此，它也屬于力學(xué)量傳感器。它也屬于力學(xué)量傳感器。

27、它的制作材料一般由不定性無 煙煤顆?；驂弘娞沾蓸?gòu)成。顆粒式聲電傳感器的有點(diǎn)是耐用、成本低和容易制作，缺 點(diǎn)是顆粒的機(jī)械磨損和接觸表面上的瞬間電弧會(huì)使顆粒逐漸老化，從而導(dǎo)致雜音大、 性能不穩(wěn)定和非線性；而壓電陶瓷式的聲電傳感器在檢測(cè)聲音信號(hào)時(shí)卻存在著一定的 缺陷。 聲電式檢測(cè)方法是利用微音傳感器將人體的振動(dòng)的聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此種方法 的優(yōu)點(diǎn)是作為傳感器的微音傳感器可利用現(xiàn)有的駐極體或電容式話筒，但其后面的電 路要采取一定的措施將環(huán)境的聲音干擾信號(hào)過濾。 （3）光電式 光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法原理，通過對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，由光 強(qiáng)度變化間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。輸出 05V 的電壓。傳統(tǒng)的

28、傳感器存在著容易受到干 擾而準(zhǔn)確度不高的問題，而且基本上都是通過串口線與上位機(jī)相連的，這樣脈搏采集 系統(tǒng)的使用范圍和靈活性就會(huì)受到限制。 綜上所述，集成化光電式脈搏傳感器輸出的是 05V 電壓，而動(dòng)態(tài)微壓傳感器需 要復(fù)雜的放大和濾波，所以選擇方案二的集成化光電式脈搏傳感器作為本次設(shè)計(jì)的傳 感器使用。 3.1.33.1.3 PulsePulse SeneorSeneor 集成化光電式脈搏傳感器集成化光電式脈搏傳感器 傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法主要有三種：一是從心電信號(hào)中提??；二是從測(cè)量血壓時(shí)壓 力傳感器測(cè)到的波動(dòng)來計(jì)算脈率；三是光電容積法。其中目前市面上的心率帶或者一 些專業(yè)的心電采集設(shè)備應(yīng)該用的第一種

29、方式，從采集到的 ECG 信號(hào)中直接計(jì)算 R-R 間 期的時(shí)間就可以得到心率，不需要額外的硬件設(shè)備。前兩種方法提取信號(hào)都會(huì)限制病 人的活動(dòng)，如果長時(shí)間使用會(huì)增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏 測(cè)量作為監(jiān)護(hù)測(cè)量中最普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特 點(diǎn)。 光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏 測(cè)量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病 人的手指或耳垂上。光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長 （500nm700nm）的發(fā)光二極管。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積 變化導(dǎo)致

30、這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線， 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng) 脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。 由于光電容積法比較容易實(shí)現(xiàn)，所以經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)了一款開源的心率傳感器 pulse sensor（下圖）。該傳感器是可以配套 Arduino 使用的一個(gè)心率傳感器，本質(zhì)是一個(gè) 帶有放大和消噪功能的光學(xué)放大器，通過佩戴在手指末端或者耳垂等毛細(xì)血管末端來 檢測(cè)血液量的變化從而得到人體的實(shí)時(shí)心率。該傳感器只有三根線，電源、地和信號(hào) 線，信號(hào)線輸出模擬信號(hào)，利用相應(yīng)的 Arduino 下位機(jī)程序和

31、 Processing 上位機(jī)程序， 可以方便的顯示脈搏波形，可以直接拿來做演示實(shí)驗(yàn)或 者開發(fā)原型。 圖 3.1 pulsesensor 心率脈搏傳感器 該傳感器是測(cè)試心跳速率的傳感器，傳感器可以戴在手指或者耳垂上，通過互聯(lián) 線可以與 Arduino 相連。它還有一個(gè)開源的 app 程序，可以實(shí)時(shí)的把您的心率用圖線 顯示出來，實(shí)質(zhì)是一款集成了放大電路和噪聲消除電路的光學(xué)心率傳感器。 利用人體在心臟搏動(dòng)前后血液中氧含量的不同，進(jìn)而導(dǎo)致指尖，耳垂等肢端尖端 部位的透光性不同，利用光傳感器轉(zhuǎn)成電信號(hào)。一般選擇指尖和耳垂，其他部位的透 光率變化沒有這些尖端部位明顯。 圖 3.2 心率傳感器 Pulse

32、 Sensor 集成化光電式脈搏傳感器輸出的是 05V 的模擬信號(hào)，因此將其接 入單片機(jī)的模擬輸入口，由單片機(jī)內(nèi)部 AD 測(cè)量波形計(jì)算出脈搏頻率。 圖 3.3 脈搏波形圖 1 2 3 J5 串串串 GND V3.3V ADC2 3.23.2 單片機(jī)單片機(jī) 3.2.1 信號(hào)處理方案選擇和論證信號(hào)處理方案選擇和論證 （1）小規(guī)模數(shù)字電路：采用小規(guī)模數(shù)字電路也可完成此方案的基本功能，電路框圖如 圖 3.4 所示。 圖 3.4 小規(guī)模數(shù)字電路心率計(jì) 這種方案是采用一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將處理后的脈搏波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在一分鐘 內(nèi)將計(jì)數(shù)值顯示。此方案不足是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)簡單一些的過程控制功 能都要

33、用好多片電路，且數(shù)字電路器件功能單一，一旦硬件電路定型就難以改動(dòng)，尤 其在題目要求中，要實(shí)現(xiàn)心率測(cè)量并顯示，還要超限報(bào)警等等，則顯得力不從心。 （2）PLD：可編程邏輯器件（PLD）突破了小規(guī)模數(shù)字電路功能單一的缺點(diǎn)，可以按照 設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)分析出來的邏輯要求去編程定義，應(yīng)用起來確實(shí)方便，設(shè)計(jì)也比較靈活。 針對(duì)題目要求，該方案應(yīng)該至少由傳感器電路、閘門電路、計(jì)數(shù)器電路、數(shù)字鎖存電 路、顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、PC 接口電路七部分構(gòu)成，在閘門信號(hào)允許時(shí)間內(nèi)對(duì)被 測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，閘門寬度為單位時(shí)間。顯然電路復(fù)雜，一旦涉及到數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、 數(shù)據(jù)記憶、數(shù)據(jù)通信等功能要求時(shí)，其實(shí)現(xiàn)難度可想而知。 （3）單

34、片機(jī)：單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大家有目共睹，其體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠 性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被默認(rèn)。在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及信息管理、 CAD、CAM、CAA、CAI、過程控制和儀表智能化、軍事領(lǐng)域、多媒體系統(tǒng)和信息高速公 路甚至家用電器和家庭自動(dòng)化等方面都可以看到單片機(jī)的影子，可謂立下了汗馬功勞。 計(jì) 數(shù) 器 數(shù) 據(jù) 鎖 存 譯碼顯示 時(shí)間閘門 單片機(jī)內(nèi)部包含了 CPU、RAM、ROM、I/O 口、總線甚至 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換電路，功能 十分強(qiáng)大。許多在數(shù)字電路、模擬電路中的難題都在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中得到了出乎意 料的解決效果，通過對(duì)程序和外部少許電路的修改即可以改變整個(gè)設(shè)計(jì)

35、系統(tǒng)的功能。 可移植性和可維護(hù)性得到極大的改善。在數(shù)據(jù)分析、處理、記憶、通訊等方面表現(xiàn)相 當(dāng)出色。根據(jù)題目提出的要求，單片機(jī)控制當(dāng)為首選。以單片機(jī)為主外設(shè)顯示器、鍵 盤、通訊、打印接口等硬件電路，完成脈搏波計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示、通訊、記憶功 能。 3.2.23.2.2 單片機(jī)的選擇單片機(jī)的選擇 方案一：采用 51 單片機(jī) 51 單片機(jī)是 INTEL 公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。 通用型，有總線擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理能力，有全雙工異步串行通信口。但是其功能 相對(duì)較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，工作電壓范圍窄。 方案二：采用 STM8 單片機(jī) ST 的 8 位微控制器平臺(tái)基于高性

36、能 8 位內(nèi)核，配有先進(jìn)的成套外設(shè)。該平臺(tái)采用 ST 的 130nm 嵌入式非易性存儲(chǔ)器專有技術(shù)。STM8 通過增強(qiáng)型堆棧指針運(yùn)算、先進(jìn)的尋 址模式和新指令實(shí)現(xiàn)快速、安全的開發(fā)。此單片機(jī)內(nèi)設(shè)模塊資源豐富，運(yùn)行速度快， 適合大部分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)需要對(duì)脈搏信號(hào)的波動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和顯示，而 STM8 單 片機(jī)內(nèi)部集成了 10 位的 AD，若采用 51 單片機(jī)需另外加 AD 芯片。綜合考慮，選擇 STM8 單片機(jī)。 3.2.3STM8 單片機(jī)單片機(jī) （1）STM8 單片機(jī)簡介 2009 年 3 月 4 日，意法半導(dǎo)體發(fā)布了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子開發(fā)的微控制器 STM8S 系

37、列產(chǎn)品。STM8S 平臺(tái)打造 8 位微控制器的全新世代，高達(dá) 20 MIPS 的 CPU 性能 和 2.95-5.5V 的電壓范圍，有助于現(xiàn)有的 8 位系統(tǒng)向電壓更低的電源過渡。新產(chǎn)品嵌 入的 130nm 非易失性存儲(chǔ)器是當(dāng)前 8 位微控制器中最先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)之一，并提供真 正的 EEPROM 數(shù)據(jù)寫入操作，可達(dá) 30 萬次擦寫極限。在家用電器、加熱通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、 工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)工具、個(gè)人護(hù)理設(shè)備和電源控制管理系統(tǒng)等各種產(chǎn)品設(shè)備中，新產(chǎn) 品配備的豐富外設(shè)可支持精確控制和監(jiān)視功能。功能包括 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多有 16 條通道，轉(zhuǎn)換用時(shí)小于 3 微秒；先進(jìn)的 16 位控制定時(shí)器可用于馬達(dá)控

38、制、捕獲/比較 和 PWM 功能。其它外設(shè)包括一個(gè) CAN2.0B 接口、兩個(gè) U(S)ART 接口、一個(gè) I2C 端口、 一個(gè) SPI 端口。STM8S 平臺(tái)的外設(shè)定義與 STM32 系列 32 位微控制器相同。外設(shè)共用性 有助于提高不同產(chǎn)品間的兼容性，讓設(shè)計(jì)靈活有彈性。應(yīng)用代碼可移植到 STM32 平臺(tái) 上，獲得更高的性能。除設(shè)計(jì)靈活外，STM8S 的組件和封裝在引腳上完全兼容，讓開發(fā) 人員得到更大的自由空間，以便優(yōu)化引腳數(shù)量和外設(shè)性能。引腳兼容還有益于平臺(tái)化 設(shè)計(jì)決策，產(chǎn)品平臺(tái)化可節(jié)省上市時(shí)間，簡化產(chǎn)品升級(jí)過程。 STM8 平臺(tái)支持三種主要產(chǎn)品線： STM8S，通用微控制器 STM8L，

39、超低功耗 EnergyLite 微控制器 STM8A，汽車級(jí)微控制器 2009 年 3 月 4 日，意法半導(dǎo)體發(fā)布了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子開發(fā)的微控制器 STM8S 系列產(chǎn)品。 STM8S 主要特點(diǎn): a. 速度達(dá) 20MIPS 的高性能內(nèi)核 b. 抗干擾能力強(qiáng)，品質(zhì)安全可靠 c. 領(lǐng)先的 130 納米制造工藝，優(yōu)異的性價(jià)比 d. 程序空間從 4K 到 128K, 芯片選擇從 20 腳到 80 腳，寬范圍產(chǎn)品系列 e. 系統(tǒng)成本低，內(nèi)嵌 EEPROM 和高精度 RC 振蕩器 f. 開發(fā)容易，擁有本地化工具支持 STM8S 主要應(yīng)用: 汽車電子：傳感器、致動(dòng)器、安全系統(tǒng)微控制器、DC 馬達(dá)、車身

40、控制、汽車收音機(jī)、 LIN 節(jié)點(diǎn)、加熱/通風(fēng)空調(diào) 工業(yè)應(yīng)用：家電、家庭自動(dòng)化、馬達(dá)控制、空調(diào)、感應(yīng)、計(jì)量儀表、不間斷電源、安 全消費(fèi)電子：電源、小家電、音響、玩具、銷售點(diǎn)終端機(jī)、前面板、電視、監(jiān)視設(shè)備 醫(yī)療設(shè)備：個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、健身器材、便攜護(hù)理設(shè)備、醫(yī)院護(hù)理設(shè)備、血壓測(cè)量、血 糖測(cè)量、監(jiān)控、緊急求助 （2）單片機(jī)最小系統(tǒng) 圖 3.5 單片機(jī)最小系統(tǒng) 采用性價(jià)比高的 STM8S 單片機(jī)，片上集成了 10 位的 AD 轉(zhuǎn)換器，使用單片機(jī)內(nèi)部 RC 晶振，簡化電路設(shè)計(jì)。 各引腳功能： VDD/VSS 引腳：連接到內(nèi)部穩(wěn)壓參考電源 NRST:復(fù)位電路管腳 SWIM：調(diào)試工具通過 SWIM 接口，控制芯

41、片上的調(diào)試模塊與編程模塊。 PD5、6:接收發(fā)送信號(hào)。串行輸出端口，串行輸入端口 GND：地 3.33.3 顯示顯示屏屏 3.3.1 顯示模塊的選擇和論證顯示模塊的選擇和論證 （1） 液晶顯示 液晶單元是容性負(fù)載，液晶的電阻在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)，是無極性的， 即正壓和負(fù)壓的作用效果是一樣的。液晶顯示器件在直流電壓作用下會(huì)發(fā)生電解作用， 故必須用交流驅(qū)動(dòng)，并且限定交流成分中的直流分量不大于幾十 mv；猶豫液晶在電場(chǎng) 作用下光學(xué)性能的改變是依靠液晶作為彈性連續(xù)體的彈性變形，響應(yīng)時(shí)間長，所以交 變驅(qū)動(dòng)電壓的作用效果不取決于其峰值，在頻率小于 1000Hz 情況下，液晶透光率的改 變只與外電壓的

42、有效值相關(guān)。液晶顯示信息量大、長壽命、低電壓驅(qū)動(dòng)，功耗低。 （2） LED 動(dòng)態(tài)顯示 數(shù)碼管是一類顯示屏，通過對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流，會(huì)使其發(fā)亮，從而 顯示出數(shù)字能夠顯示時(shí)間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。猶豫它的價(jià)格便 宜，使用簡單。在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕 大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最廣泛的顯示方式之一，在動(dòng)態(tài)顯示過程中， 每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 12ms，由于發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)及人的視覺暫留現(xiàn)象， 實(shí)際上盡管數(shù)碼管不是同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度很快，給人的印象就是穩(wěn)定的顯 示

43、數(shù)據(jù)，不會(huì)有感覺的閃爍，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口。 根據(jù)以上兩種方案比較，液晶顯示具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，顯示效果好，控制簡單 等優(yōu)點(diǎn)。所以本世紀(jì)選擇液晶來實(shí)現(xiàn)顯示功能。 3.3.2 顯示電路顯示電路 Nokia/諾基亞 LCD5110 是 NOKIA 公司生產(chǎn)的可用于其 5110、6150、6100 等系列移 動(dòng)電話的液晶顯示模塊，國內(nèi)廠家也生產(chǎn)有類似的兼容產(chǎn)品。該產(chǎn)品除應(yīng)用于移動(dòng)電 話外，也可廣泛應(yīng)用于各類便攜式設(shè)備的顯示系統(tǒng)。 使用 Nokia5110 液晶的四大理由： a. 性價(jià)比高，LCD1602 可以顯示 32 個(gè)字符，而 Nokia5110 可以

44、顯示 15 個(gè)漢字，30 個(gè) 字符。Nokia5110 裸屏僅 8.8 元，LCD1602 一般 15 元左右，LCD12864 一般 5070 元。 b. 接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動(dòng)，LCD1602 需 11 根 I/O 線，LCD12864 需 12 根。 c. 速度快，傳輸速率高達(dá) 4Mbps，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍。 d. Nokia5110 工作電壓 3.3V，正常顯示時(shí)工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合 電池供電的便攜式移動(dòng)設(shè)備。 圖 3.6 顯示電路 液晶屏的 RST 是硬件復(fù)位管腳，低電平有效，SCE 是片選端

45、，低電平有效，D/C 是 指令或數(shù)據(jù)選擇端，高電平選擇數(shù)據(jù)，低電平選擇指令，DIN 是數(shù)據(jù)輸入端，CLK 是同 步時(shí)鐘輸入端，為數(shù)據(jù)或指令的輸入提供同步時(shí)鐘。 3.4 按鍵按鍵 圖 3.7 按鍵電路 將單片機(jī)的 I/O 口配置為上拉輸入，可以省去兩個(gè)上拉電阻，簡化了電路設(shè)計(jì)， 也減小了電流消耗。 3.5 鋰電池鋰電池電路電路 S2 S3 GND BUTTON1 BUTTON2 RST 1 SCE 2 D/C 3 DIN 4 CLK 5 VCC 6 BL 7 GND 8 U1 LCD5110 GND 1 2 3 Q1 8550 R210K LCD_RST LCD_CE LCD_DC LCD_DI

46、N LCD_CLK LCD_BL V3.3V 本設(shè)計(jì)是家用的心率計(jì)，所以要求攜帶方便，因此加入了鋰電池作為系統(tǒng)的電源。 3.5.13.5.1 鋰電池充電電路鋰電池充電電路 圖 3.8 鋰電池充電電路 本電路采用 TP4057 為核心的芯片組成單節(jié)鋰離子電池充電電路，當(dāng)電池電量過低 的時(shí)，使用本電路為鋰電池充電。CHRG 端接的紅色 LED 指示正在充電，STDBY 端接的 綠色 LED 指示充電已完成，方便用戶識(shí)別充電狀態(tài)。R3 為充電電流編程電阻，本電路 選擇 10K 電阻，充電電流設(shè)為 100mA。 3.5.2 鋰電池鋰電池 TP4057 TP4057 是一款完整的單節(jié)鋰離子電池帶電池正負(fù)

47、極反接保護(hù)采用恒定電流/恒定 電壓線性充電器。其 SOT 封裝與較少的外部元件數(shù)目使得 TP4057 成為便攜式應(yīng)用的 理想選擇。TP4057 可以適合 USB 電源和適配器電源工作。 由于采用了內(nèi)部 PMOSFET 架構(gòu)，加上防充電路，所以不需要外部檢測(cè)電阻器和隔 離二極管。熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對(duì) 芯片溫度加以限制。充電電壓固定于 4.2V，而充電電流可通過一個(gè)電阻器進(jìn)行外部設(shè) 置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值 1/10 時(shí)，TP4057 將自動(dòng)終止充 電循環(huán)。 S1 SW-DPDT +C2 10uF +C1 10uF VCC 4 ST

48、DBY 5 CHRG 1 GND 2 BAT 3 PROG 6 U2TP4057 D1 LED R11K R3 10K GND 1 2 J1 串串串 1 2 J2 串串串 CHRG STDBY VCC 當(dāng)輸入電壓（交流適配器或 USB 電源）被拿掉時(shí)，TP4057 自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀 態(tài)，將電池漏電流降至 2uA 以下。也可將 TP4057 置于停機(jī)模式，以而將供電電流降 至 40uA。TP4057 的其他特點(diǎn)包括充電電流監(jiān)控器、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于 指示充電結(jié)束和輸入電壓接入的狀態(tài)引腳。 3.6 電源電路電源電路 圖 3.9 電源電路 電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源，

49、設(shè)計(jì)中，除了要考慮到電壓范 圍和電流負(fù)載能力等基本參數(shù)之外。還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲和防止干擾等方 面進(jìn)行優(yōu)化。可靠的電源方案是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。 常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2940、7805 等）和開關(guān)型穩(wěn)壓電源 （LM2596、LM2575 等）兩大類。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較 低，功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大。本設(shè)計(jì)選用 了串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源中的 LDO。LDO（Low DropOut regulator）意為低壓差線性穩(wěn)壓 器，是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如 78xx 系列的芯片都要

50、求輸入電壓要比輸出電壓高出 2v3V 以上，否則就不能正常工作。本設(shè)計(jì)選擇的是鋰 電池作為電源，鋰電池正常工作電壓為 3.64.2V，普通的串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源不能滿 足本設(shè)計(jì)要求，為了達(dá)到低功耗的要求，本系統(tǒng)選用了 XC6215 低壓差線性穩(wěn)壓芯片。 XC6215 系列是高精度,低噪聲,采用 CMOS 工藝生產(chǎn)的正電壓輸出 LDO 電壓調(diào)整其芯 片。該系列具有相當(dāng)?shù)偷撵o態(tài)電流,0.8A (TYP.),芯片內(nèi)部包括一個(gè)參考電壓源,一 個(gè)誤差放大器,一個(gè)電流 Foldback 電路, 一個(gè)相位補(bǔ)償電路和三極管驅(qū)動(dòng)電路。超小 型的 USP-4/SSOT-24/USP-3/USPN-4 形式的封裝更適

51、合高密度電路板應(yīng)用的要求, 例如 在手機(jī)中的應(yīng)用。每個(gè)電壓調(diào)整器的輸出電壓都由激光微調(diào)單獨(dú)設(shè)定,電壓可在 0.9V5.0V 之間的范圍內(nèi)以 0.1V 的間隔選擇。 XC6215 系列兼容低 ESR 的陶瓷電容。 XC6215 系列的電流限制器 Foldback 電路可為電流限制器和輸出引腳提供短路保護(hù)。 XC6215 具有 CE 控制功能,允許電壓調(diào)整器的輸出被關(guān)斷,可極大的減少功率損耗。 單片機(jī)和傳感器包括系統(tǒng)所有的設(shè)備都使用 3.3V 電源，因此用 XC6215 低壓差穩(wěn)壓芯 片將電池電壓轉(zhuǎn)換成 3.3V 電源，減少功耗。 4 4 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試 在制作實(shí)物之前，首先需要根據(jù)自己

52、制作實(shí)物的思想步驟和實(shí)物所要達(dá)到的功能 繪制出元器件的原理圖，然后把原理圖放到 ISIS 7 protues 中進(jìn)行仿真。因?yàn)樵骷?大小不同，達(dá)到預(yù)期功能的效果也不一樣，在這種情況下，就需要對(duì)硬件電路進(jìn)行變 換和調(diào)試。實(shí)物焊接出來之后，考慮各種干擾和影響因素，還要對(duì)硬件進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。 系統(tǒng)的調(diào)試過程是檢驗(yàn)、修正設(shè)計(jì)方案的實(shí)踐過程，也是應(yīng)用理論知識(shí)來解決實(shí)踐中 各類問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是電路設(shè)計(jì)者必須掌握的基本技能。 4.1 幾種主要系統(tǒng)干擾與影響幾種主要系統(tǒng)干擾與影響 4.1.1 陽光的干擾陽光的干擾 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是通過光線透過手指采集到信號(hào)，進(jìn)而對(duì)信號(hào)處理得到人體的心跳， 光在本設(shè)計(jì)中很重要。

53、而且在各種不同的環(huán)境中，外界光照的強(qiáng)度不一樣，這對(duì)實(shí)驗(yàn) 的干擾就講很明顯。但是外界光照對(duì)于人體是均衡的，即各處光照強(qiáng)度相同，對(duì)人體 內(nèi)變化的影響是相同的，即可以相互抵消。 4.1.2 測(cè)量過程中手指的抖動(dòng)測(cè)量過程中手指的抖動(dòng) 光電傳感器檢測(cè)到的人體信號(hào)很微弱，手指的一點(diǎn)抖動(dòng)都會(huì)引起測(cè)量心跳值的大 幅變化。為了解決這個(gè)問題，在測(cè)量的時(shí)候只要人盡量保持手指不動(dòng)，就可以大大減 小手指抖動(dòng)對(duì)試驗(yàn)的影響。 4.1.3 呼吸的影響呼吸的影響 試驗(yàn)的原理主要是血液中的含氧量的變化進(jìn)而導(dǎo)致人體組織變化而測(cè)量心跳的， 這樣均勻呼吸和急促呼吸就將使得人體內(nèi)的含氧量大大不同。據(jù)試驗(yàn)所得，當(dāng)人運(yùn)動(dòng) 之后呼吸會(huì)比較劇烈

54、，這時(shí)他的心跳值就會(huì)隨之變大。正常情況下 ，心率指的是當(dāng)人 心平氣和的時(shí)候的心跳值。 4.2 測(cè)試過程中的調(diào)試測(cè)試過程中的調(diào)試 本次家用數(shù)字心率計(jì)還有很多改進(jìn)地方，比如 Pulse Sensor 集成化光電式脈搏傳 感器對(duì)微弱跳動(dòng)特別敏感，在測(cè)量時(shí)，手指耳垂等身體移動(dòng)都會(huì)影響測(cè)量，因此在測(cè) 量時(shí)需要防止其他部位移動(dòng)。 顯示器上顯示心率波形圖，還有心率每分鐘次數(shù)，由于傳感器方面不是很穩(wěn)定， 調(diào)試時(shí)候出現(xiàn)很多問題，比如測(cè)量數(shù)字不準(zhǔn)確，在軟件的編程中也出現(xiàn)了屏幕的亂碼， 在后期過程中逐步的改進(jìn)不足，達(dá)到了此次論文題目的要求。算法問題也進(jìn)一步改進(jìn)。 使心率計(jì)能逐步達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，能夠測(cè)出的心率誤差縮小到很小

55、。 5 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把一個(gè)多功能 的復(fù)雜的程序劃分為若干個(gè)簡單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試， 有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了 然。應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個(gè)模塊的主程序和各種子程序組成 。各程序模塊都要完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能，在具體需要時(shí)調(diào) 用相應(yīng)的模塊即可。 5.15.1 程序流程圖程序流程圖 圖 5.1 電量顯示流程 單片機(jī)上電后執(zhí)行初始化程序，初始化 I/O 口狀態(tài)、變量等，然后等待用戶按下 開始測(cè)量按鍵。當(dāng)按下開始測(cè)量按鍵時(shí)，單片將

56、定時(shí)器和 AD 開啟，等待定時(shí)器中斷 執(zhí)行 AD 采集、波形顯示、記錄心跳次數(shù)程序等。當(dāng) 15S 時(shí)間到后，計(jì)算實(shí)際心跳， 并將單片機(jī)狀態(tài)恢復(fù)到初始化后的狀態(tài)。 開始 開始測(cè)試？ N AD采集 結(jié)束 波形上升沿？ 波形下降沿？ 記錄一次心跳 15秒到？ Y Y Y 計(jì)算心跳次數(shù) 顯示 N N Y N 圖 5.2 心率測(cè)試程序流程圖 5.2 記錄心跳次數(shù)程序記錄心跳次數(shù)程序 記錄心跳次數(shù)程序主要在定時(shí)器中斷中完成，考慮到程序執(zhí)行時(shí)間產(chǎn)生的時(shí)間誤 差，設(shè)定定時(shí)器每隔 10mS 產(chǎn)生一次中斷，這樣在 1S 時(shí)間內(nèi)會(huì)執(zhí)行 100 次本程序，由 于正常人心跳次數(shù)不會(huì)過快，因此不會(huì)漏掉 10mS 間隔內(nèi)的

57、心跳。 當(dāng)單片機(jī) AD 采集到的心率幅值，超過設(shè)定值時(shí)，程序記錄一次心跳的上升沿， 低于設(shè)定值時(shí)，程序記錄一次心跳的下降沿。程序檢測(cè)到心跳賦值的上升沿和下降沿 時(shí)，記錄一次心跳。當(dāng)測(cè)量到 15 秒時(shí)，根據(jù)公式（式 1.2）計(jì)算出實(shí)際心跳次數(shù)。記 錄心跳次數(shù)程序主要代碼如下： HertCount = HertCount * 4 （式 5.1） ， if(HertOffset 18)/記錄上升沿 HertCount+;/記錄一次心跳 FlagDown = 0; if(HertTime = 30)/超過 15S FlagStart = 0; HertTime = 0; HertCount = (un

58、signed int)(HertCount * 4);/計(jì)算實(shí)際心跳 LCD_prints(0,5,ptr);/顯示心跳 LCD_printn(0,5,HertCount,3); 5.35.3 電壓轉(zhuǎn)電量程序電壓轉(zhuǎn)電量程序 Time20mS+; if(Time20mS = 25)/500mS Time20mS = 0; HertTime+; Time500mS+; if(FlagStart = 1) if(FlagDisplayHert = 1) FlagDisplayHert = 0; LCD_printcl(0,5,HertCode); else FlagDisplayHert = 1;

59、LCD_prints(0,5,ptr); if(Time500mS = 8)/4S Time500mS = 0; ADC_CHANNEL_4_Init(); ADValue = ADC1_GetConversionValue(); /轉(zhuǎn)換成實(shí)際電壓 ADValue = (unsigned int)(ADValue * 330 * 1.702 / 1023); /轉(zhuǎn)換成電量 ADValue = (unsigned int)(17.393*ADValue - 0.0201*ADValue*ADValue - 3656.5); if(ADValue 100) ADValue = 100; LCD_p

60、rintcl(0,0,BatteryCode); LCD_printn(2,0,(unsigned int)ADValue,2); LCD_printc(4,0,%); ADC_CHANNEL_6_Init(); ADValue = ADC1_GetConversionValue(); HertOffset = ADValue / 32; 6 總結(jié)總結(jié) 3 月初，在與導(dǎo)師的交流討論中我的題目定了下來，是家用數(shù)字心率計(jì)設(shè)計(jì)。當(dāng)選 題報(bào)告、開題報(bào)告定下來的時(shí)候，我當(dāng)時(shí)便立刻著手資料的收集工作中，當(dāng)時(shí)面對(duì)浩 瀚的書海真是有些茫然，不知如何下手。我將這一困難告訴了導(dǎo)師，在導(dǎo)師細(xì)心的指 導(dǎo)下，終于使我對(duì)