脉搏心率计.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：8.33M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

1绪论

1.1课题的来源

1.2课题设计的目的及功能实现的方法

1.3论文结构

2总体方案设计

2.1心率计原理

2.2体温计原理

2.3总体电路框图设计

3元器件选择及其功能介绍

3.1 单片机AT89S52

3.2动态微压传感器SC0073

3.3集成运算放大器OP07

3.4电压比较器LM311

3.5数字温度计DS18B20

4. 系统硬件结构设计

4.1 单片机最小系统

4.2 信号采集电路

4.3信号放大电路

（1）电源模块设计

4.4 信号比较电路

4.5 显示电路

4.6系统总体设计原理图

5.、系统软件设计

5.1测量计算原理

5.2脉搏体温计程序

6. 系统硬件调试

6.1 实物图

6.2整机调试

6.2.1 脉搏的测量过程

6.2.3 几种主要系统干扰与影响

6.3 试验结果分析

7、总结和展望

摘要在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。本设计要解决的问题就是可以测量人体心率和温度的数字心率体温计。本设计采用以 AT89S52 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示心率体温计的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、信号采集子程序、信号放大处理子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现心率体温测量的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。该心率体温计的原理是用 SC0073 脉搏传感器接和 DS18B20 数字温度计收到人体信号，因人体信号很微弱，所以在电路中设置了双重放大电路（主要芯片： SC0073、LM324N）。该信号经放大电路放大处理后，传给电压比较电路整形后，再传给单片机 AT89S52 计算，计算完后由 1602 显示屏显示出来。该心率体温计可以简单的测量出人的心跳和人体体温，基本实现了预定的目标，这将大大减少病人测量心跳和体温的时间。关键字：心率；温度；测量；单片机 AT89S52；转换器 I

、目录摘要 ......................................................... I 1 ......................................................... 绪论 1 1.1 课题的来源 ................................................. 1 1.2 课题设计的目的及功能实现的方法 .......................... 1 1.3 论文结构 ................................................... 4 2 总体方案设计 .............................................. 5 2.1 心率计原理···········································5 2. 2 体温计原理·················································· 2.3 总体电路框图设计 .......................................... 5 3 元器件选择及其功能介绍 .................................... 6 3.1 单片机 AT89S52 ............................................. 6 3.2 传感器 SC0073 .................................................9 3.3 集成运算放大器 OP07 ....................................... 8 3.4 电压比较器器 LM311 ....................................... 11 3.5 数字温度计 DS18B20 ···································12 4 系统硬件结构设计 ......................................... 12 4.1 单片机最小系统 ........................................... 12 4.2 信号采集电路 ..............................................13 4.3 信号放大电路 ..............................................13 4.3.1 信号放大电路 .................................. 16 4.3.2 电源模块设计 .................................. 14 4.4 信号比较电路 ..............................................15 4.5 显示电路 .................................................. 16 4.6 系统总体设计原理图 ....................................... 16 5 系统软件设计 ............................................. 17 II

5.1 测量计算原理 ..............................................17 5.2 脉搏技程序 ................................................23 5.3 温度计程序 ................................................ 17 6 系统硬件调试 ............................................. 20 6.1 实物图 .................................................... 26 6.2 整机调试 .................................................. 27 6.2.1 脉搏的测量过程 ................................ 27 6.2.2 体温的测量过程 ................................ 29 6.3 试验结果分析 ..............................................23 7 总结和展望 ............................................... 24 III

1 绪论心率不仅是反映心脏功能强弱的重要标志，也是反映人体运动强度的生理指标，很多情况下我们需要及时知道自己的心率。本文介绍一种基于单片机技术的心率体温计，单片机的可编程性使其具有较大的适应性和灵活性。 1.1 课题的来源在医学上，通过测量人的心率，便可初步判断人的健康状况。随着人们生活水平的提高，地球环境遭到破坏，多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。因此，心率体温计很快产生，并得到发展。随着单片机技术的发展、人们的生活节奏加快，设计一种以使用方便为前提，能够快速测出人心率的心率体温计，不仅是临床者的欲求，也是体育训练者和外出旅游者的需求，因此，单片机快速心率体温计有着广阔的市场前景。人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温在医疗领域中占有十分重要的地位。到目前为止，现有体温计大概分为三种类型：一种是常见的水银体温计；一种则是红外体温计；另一种是电子体温计。水银体温计具有示值准确、稳定性高的特点，价格低廉、不用外接电源的优点，使用广泛，但是有诸多弊端。电子式体温计利用某些物质的物理参数(如电阻、电压、电流等)与温度之问存在的确定关系，利用温度传感器把温度值转换成电信号。通过A／D处理，将体温信号以数字的形式显示出来，读数清晰，携带方便。根据设计任务要求： 1、基本要求（1）能够测量人体 1 分钟的脉搏心率数，并以数字显示；（2）测量脉搏心率范围：50-180 次/分，数据刷新时间〈3 秒；（3）具有体温检测功能，测量体温范围为 350C－450C，并以数字显示，示数分辨率 0.10C。 2、发挥部分（1）设置脉搏心率上下限，具有超限报警功能。 1

（2）增加语音报数功能。（3）测量装置具有抗干扰措施。（4）其他。 1.2 课题设计的目的及功能实现的方法心率计部分：现在经常可以看到在许多小型医院里，对心率的测定仍采用人工听诊器的方式，为了方便心率的采集，决定用 AT89S52 单片机为主芯片制作一个简单易用易携的心率体温计，能自动测量心跳次数并数字化形象直观的表现出来。为此，其中心率体温计特色功能的实现主要靠有效稳定的信号采集模式，可以通过查阅资料发现主要的心率采集有两种方法：通过一对红色发光二极管实现和通过微型动态脉搏微压传感器实现。方案一：检测的基本原理：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变，当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此，本心率体温计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述位置，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转化为电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。方案二：检测的基本原理：随着心脏的搏动，人体手腕的脉搏及颈部的搏动较为明显，我们采用微型动态脉搏微压传感器放在上述位置，把微型动态脉搏微压传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。体温计部分：温度传感器是测量温度的主要器件，下面介绍几种常用的温度传感器： (1)热电阻传感器物质的电阻率随着温度变化而变化的现象称为热电阻效应。根据热电阻效应制成的传感器叫做热电阻传感器。热电阻传感器按电阻，温度特性的不同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。一般把金属热电阻称为热电阻，常用金属材料制成 (如铂、铜、镍等)。热电阻的温度系数一般为正值。 2

温度升高则电阻变大，常用的热电阻为铂电阻。铂电阻测温范围宽，精度高，制作误差小，结构简单而且己有统一的国际标准，但是铂电阻温度传感器成本高，抗机械震动能力差，电阻变化小，引线电阻影响大，为了保证精度需要用四线测量技术，因此需要更多的接线和数据采集通道。 (2)热电偶传感器热电偶测温是基于“热电动势效应”原理来完成的。常见热电偶由两根不同的导线组成，他们的一段焊接在一起，叫做“热端”(通常为测量点)，放入到被测介质中，不连续的两个自由端叫做冷端(通常为参比端)。若热端温度为T，而另一端(冷端)温度为瓦，则热电偶由温度产生的热电势是随介质温度变化而变化的，两接点温差越大，热电势越大。适合制作热电偶的材料很多，如钨徕丝热电偶，可测温度高达24504C；而铜一铜锡热电偶可测量．271～．243。C的低温；镍铬一铁金热电偶在．269～0。C问。热电偶主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测量，具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。热电偶温度传感器缺点是灵敏度低，线性不好，冷端需要温度补偿。 (3)热敏电阻传感器热敏电阻是一种新型半导体感温元件，具有灵敏度高，体积小，质量轻，热惯性小，寿命长以及价格便宜，应用非常广泛。在一定的温度范围内，其温度与阻值近似成线性关系。热敏器件种类繁多，最为常见的有PTC和NTC两种类型的热敏电阻，目前应用最为广泛的属于NTC热敏电阻。 NTC(Negative Temperature Coefficient)热敏电阻是一种氧化物的烧结体，具有负温度系数，电阻温度系数大，灵敏度约为金属热电阻的lO倍，结构简单，电阻率小，适于动态测量，在测试和自动控制领域得到广泛应用。但NTC热敏电阻存在严重的热电非线性，对它的非线性误差进行补偿或线性化处理是扩大其测量范围和提高测量精度的首要问题。通用的NTC热敏电阻由Mn．Co．Ni．Fe．Cu等过渡金属氧化物的2～4种组成，采用陶瓷工艺烧结而成。 (4)集成温度传感器集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此也称为硅传感器。集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，基于P～N结对温度的敏感效应原理，它是将温度传感部分、放大部分、驱动电路、信号处理电路等集成在一个芯片上，可完 3

成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。集成温度传感器具有灵敏度高、线性度好、响应速度快和良好的一致性的特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。 1.3 论文结构本文阐述了基于单片机设计的心率体温计的设计原理与实现方法。以 AT89S52 单片机为基础，实现了心率体温计的各种功能。文中详细地描述了心率体温计的设计过程，包括：取样电路、放大电路、比较电路、A/D 转换电路和单片机处理电路和显示电路，同时还提出了基于单片机的编码、译码程序设计流程图。从整体上实现了心率体温计的功能。第 1 章：对本论文的选题的目的和意义以及论文的结构进行了阐述，并说明了心率体温计的设计思路及课题的设计和要求。第 2 章：介绍了系统整体方案的设计与原理总图，简要的介绍了设计的原理和框图介绍。第 3 章：详细介绍了系统所需的主要元器件单片机 AT89S52、运算放大器 OP07、比较器 LM311、数字温度计 DS18B20 及部分元器件使用说明。第 4 章：详细介绍了单片机最小系统，对取样电路、放大电路、比较电路和单片机处理电路和显示电路进行了设计。第 5 章：在硬件设计的基础上，阐述了对软件的设计并介绍了程序计算方法，给出了程序主程序和子程序。第 6 章：在本章介绍了软硬件调试、焊接及仿真和结果分析第 7 章：总结本文的研究工作，对心率体温计未来的发展方向及需要改进的地方进行了展望。 4

2 总体方案设计 2.1 心率计原理动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。本心率计通过动态微压传感器来检测人体脉搏的跳动，并把它转变为电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。本电路把心跳脉冲输入给计数器之前，作了 100 倍频处理，组成方框图。假设心跳每分钟为 n 次，相当频率 n/60Hz，则 100 倍频后为 5/3nHz，这时，只要计数闸门设置为 0.6 秒，则能准确显示出心率来。如 n=76，100 倍频后频率为 127Hz，通过脉冲为 127×0.6=76，正好与实际心率相符。 2.2 体温计原理由 DALLAS 半导体公司生产的 DS18B20 型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。 2.3 总体电路框图设计心率体温计的总体设计电路框图如图2-1所示，主要包括取样电路、放大电路、比较电路、A/D转换电路和单片机处理电路和显示电路。先用动态微压传感器采集与心跳同频率的信息，输出端为低电平，这样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号，它近似于正弦波形。脉搏为50次，分时，频率是0。78Hz，199次，分时是3.33Hz，从传感器过来的是低频信号。该低频信号首先经RC振荡器滤波以消除高频干扰，经无极性隔直流电容C3、C5加到线性放大器的输入端。放大器将信号放大200倍，并与 R7、c6组成截止频率为10I-Iz左右的低通滤波器以进一步滤除残留的干扰。正弦信号经CIO、R14微分形成尖脉冲信号，单稳态振荡电路将尖脉冲信号转化为同频率的 5

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