畢業設計（論文）任務書學生姓名：專業班級：設計（論文）題目：基于51單片機的心率計設計要求在社會飛速發展的今天，人們的物質文化生活得到了極大的提高，但同時多種疾病威脅著人們的生命；而心臟病又是人們難以預防的突發致命疾病，所以健康也被越來越多的人所重視。本設計要解決的問題就是可以測量心率、預防心臟病等心臟方面疾病的數字心率計。便攜式數字人體心率計運用STC89C51單片機作為核心控制處理單元，采用紅外傳感器作為傳感器，運用軟件和硬件雙重濾波技術實現了對人體心率信號的準確檢測。測量范圍限可以用按鍵調節，并進行聲音報警，傳感器可以放在身體脈搏明顯的任何部位，測量結果以數字方式方式顯示，測量精確到2次/分。經過大量實驗，本心率計已經基本達到題目要求部分的全部指標。研究內容：便攜式數字人體心率計運用STC89C51單片機作為核心控制處理單元，采用紅外傳感器作為傳感器，運用軟件和硬件雙重濾波技術實現了對人體心率信號的準確檢測，最終以數值形式顯示在LCD上。本課題開發一款低功耗、便攜式數字心率計，具體要求如下：(1)實時顯示被測者心率值，并顯示；(2)可用按鍵設置正常心率的范圍，超過這個范圍，進行報警提示。方案設計與論證：3.1傳感器的選擇與論證(1)壓電式壓電式傳感器的檢測方法是利用壓力傳感器或振動傳感器將人體脈搏振動轉換成電信號。常見的壓力傳感器可用現有的壓電陶瓷代替。壓電式元件的內阻極高，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電極。這樣，中央電極處于全空狀態，可以用具有良好絕緣性的導線引出。此種方法的優點是傳感器種類多，一般的傳感器輸出信號也比較大，對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。(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械振動轉換成電信號。因此，它也屬于力學量傳感器。它的制作材料一般由不定性無煙煤顆?；驂弘娞沾蓸嫵?。顆粒式聲電傳感器的優點是耐用、成本低和容易制作，缺點是顆粒的機械磨損和接觸表面上的瞬間電弧會使顆粒逐漸老化，從而導致雜音大、性能不穩定和非線性；而壓電陶瓷式的聲電傳感器在檢測聲音信號時卻存在著一定的缺陷。聲電式檢測方法是利用微音傳感器將人體的振動的聲音轉換成電信號。此種方法的優點是作為傳感器的微音傳感器可利用現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境的聲音干擾信號濾去。(3)光電式光電系統通常是指能敏感由紫外光到紅外光的光能量，并將光能量轉換成電信號的器件。通常用的光電器件有光電二極管和光電三極管。光電式傳感器測量微小的位移變化有明顯的效果，但是光電傳感器對材料、電路控制和光電管屬性要求較高：1）吸收紅外光的能力極強2）介電常數小，以便得到大的輸出電壓。3）介電損耗小。光電式檢測方法是利用光電傳感器檢測人體內血液流動時對光的透過率或反射率不同而將其轉換成電信號的方法。此種方法有兩種方式：一種是對射式，另一種是反射式。對射式是在一個大小合適的環的兩側各放一個發射管和一個接收管，測量時將人的手指伸到環中，由于手指中的血流量的變化而使光電接收管的光電流也隨之變化，反射式是光電發射與光電接收都指向一個方向，當人體內的血流發生變化時其對光的反射率也隨之變化，從而檢測出心率。這種方法的優點是外界干擾信號小，但其最大的難點是傳感器輸出信號小，對后面的放大電路要求較高。此外，對于干擾變化強烈的信號，回路不宜調制，可視光電管的定向角不同，光軸也不宜把握。綜上所述，從傳感器的制作工藝、材料的選取、受外界的干擾信號的干擾程度和制作過程中前級電路的處理難易程度上考慮，就選用一對紅外對射二極管實現。紅外傳感器的檢測、放大、濾波和整型并傳到單片機工作系統的過程見下圖3-1所示：圖3-1信號檢測處理工作流程圖3.2信號處理方案選擇和論證(1)小規模數字電路：采用小規模數字電路也可完成此方案的基本功能，電路框圖如圖3-2所示。圖3-2小規模數字電路心率計這種方案是采用一個二進制計數器，將處理后的脈波信號進行計數，在1分鐘內將計數值顯示。此方案的不足是電路結構復雜，實現一個相對簡單一些的過程控制功能都要用好多片電路，且數字電路器件功能單一，一旦硬件電路定型就難以改動，尤其在題目要求中，要實現心率測量并顯示，還要超限報警等等，則顯得力不從心。(2)PLD：可編程邏輯器件(PLD)突破了小規模數字電路功能單一的缺點，可以按照設計者設計分析出來的邏輯要求去編程定義，應用起來確實方便，設計也比較靈活。針對題目要求，該方案應該至少由傳感器電路、閘門電路、計數器電路、數字鎖存電路、顯示電路、數據存儲電路、PC接口電路七部分構成，在閘門信號允許時間內對被測信號計數，閘門寬度為單位時間。顯然電路復雜，一旦涉及到數據處理、數據分析、數據記憶、數據通信等功能要求時，其實現難度可想而知。(3)單片機：單片機的發展和應用大家有目共睹，其體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優點已經被默認。在科學計算、數據處理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、過程控制和儀表智能化、軍事領域、多媒體系統和信息高速公路甚至家用電器和家庭自動化等方面都可以看到單片機的影子，可謂立下了汗馬功勞。單片機內部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、總線甚至A/D及D/A轉換電路，功能十分強大。許多在數字電路、模擬電路中的難題都在單片機的程序設計中得到了出乎意料的解決效果，通過對程序和外部少許電路的修改即可以改變整個設計系統的功能。可移植性和可維護性得到極大的改善。在數據分析、處理、記憶、通訊等方面表現相當出色。根據題目提出的要求，單片機控制當為首選。以單片機為主外設顯示器、鍵盤、通訊、打印接口等硬件電路，完成脈波計數、數據運算、顯示、通訊、記憶等功能。根據以上方案比較，本課題決定采用以紅外傳感器為傳感器，以單片機為主控芯片外輔少量硬件電路完成數據處理、記憶、顯示、通訊等功能。硬件框圖如圖2-3所示。圖3-3單片機心率計3.3單片機系統選擇AT89C2051、STC89C51單片機是最常用的單片機，是一種高性能、低損耗、CMOS八位微處理器。AT89C2051與MCS-51系列的單片機在指令系統和引腳上完全兼容，而且能使系統具有許多新的功能，功能強、靈活性高而且價格低廉。AT89S52可構成真正的單片機最小應用系統，增加系統可靠性，縮小系統體積，降低了系統成本。程序長度只要不大于4K，四個I/O口全部提供給用戶。系統運行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴充外部RAM。采用STC89C51單片機，其內部有4KB單元的程序存儲器。而且具有兩個定時器，正好滿足系統多機通信時所用。比較以上方案，綜合考慮單片機的各部分資源，因此此次設計選用STC89C51。3.4顯示模塊選擇和論證(1)液晶顯示液晶單元是容性負載，液晶的電阻在大多數情況下可以忽略不計，是無極性的，即正壓和負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發生電解作用，故必須用交流驅動，并且限定交流成分中的直流分量不大于幾十mv；由于液晶在電場作用下光學性能的改變是依靠液晶作為彈性連續體的彈性變形，響應時間長，所以交變驅動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有效值相關。液晶顯示信息量大、長壽命、低壓驅動等優點。(2)LED動態顯示數碼管是一類顯示屏通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發亮，從而顯示出數字能夠顯示時間、日期、溫度等所有可用數字表示的參數。由于它的價格便宜使用簡單在電器特別是家電領域應用極為廣泛，空調、熱水器、冰箱等等。絕大多數熱水器用的都是數碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。數碼管動態顯示接口是單片機中應用最廣泛的顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的八個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連起來，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機有字形碼輸出時，所有數碼管都接收到相同的字形碼。通過分時輪流控制各個數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在動態顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由于發光二極管的余輝效應及人的視覺暫留現象，實際上盡管數碼管不是同時點亮，但只要掃描的速度很快，給人的印象就是穩定的顯示數據，不會有感覺到閃爍，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。根據以上兩種方案比較，液晶顯示具有其獨特的優越性，顯示效果好，控制簡單等優點。所以就選擇液晶來實現顯示功能。參考文獻：[1]陳文彬,王友赤.診斷學[M].人民衛生出版社,2002.45-90.

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