电子心率计设计与制作开题报告.docx
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电子心率计设计与制作开题报告
天津理工大学本科毕业设计选题审批表
届：
2016学院（系）：
理学院专业：
应用物理年11月12日
学生姓名
学号
指导教师
职称
所选题目
电子心率计设计与制作
题目来源
自拟
选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等）：
心率计是医学中用来测量人体心率的装置,心率是人体的一项重要生理参数,在现代医学中,心率对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。
本设计以ATMEL公司的AT89C52单片机为核心器件，实现一个红外线心率计的设计与制作。
该心率计采用红外光电传感器进行心率信号的采集，其工作原理为手指血管中血液的流量会随着心脏的跳动发生变化，将手指放在光电传感器光的传递路径中，血管中血液饱和度的变化将引起光的传递强度变化，此变化和心跳的节拍相对应，因此光电传感器中红外接收管的电流也会随着心跳节拍而改变，使得红外接收管输出与心跳节拍相对应的脉冲信号，该脉冲信号经放大、滤波、整形后送入单片机进行处理，其计算结果即心率值（单位是心跳次数/分钟）由7段数码显示管显示。
本设计包括硬件电路的设计制作及相关控制软件的编写，可以使学生对软、硬件的综合设计有一个全面地了解与提升。
签字：
年月日
指导教师意见
院（系）专家组意见
教研室（研究所）意见
签字：
年月日
签字：
年月日
签字：
年月日
注：
（1）“选题理由”由拟题人填写。
（2）本表一式二份，一份院系留存，一份发给学生，最后装订在毕业设计说明书（毕业论文）中。
天津理工大学教务处制表
天津理工大学
本科毕业设计任务书
题目：
电子心率计设计与制作
学生姓名届2016
学院（系）专业应用物理
指导教师职称副教授
下达任务日期2015.11.17
天津理工大学教务处制
一、毕业论文内容及要求
心率计是医学中用来测量人体心率的装置,心率是人体的一项重要生理参数,在现代医学中,心率对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。
本设计以ATMEL公司的AT89C52单片机为核心器件，实现一个红外线心率计的设计与制作。
该心率计采用红外光电传感器实现心率信号的采集，其工作原理为手指血管中血液的流量会随着心脏的跳动发生变化，将手指放在光电传感器光的传递路径中，血管中血液饱和度的变化将引起光的传递强度变化，此变化和心跳的节拍相对应，因此光电传感器中红外接收管的电流也会随着心跳节拍而改变，使得红外接收管输出与心跳节拍相对应的脉冲信号，该脉冲信号经放大、滤波、整形后送入单片机进行处理，其计算结果即心率值（单位是心跳次数/分钟）由7段数码显示管显示输出。
在毕业设计期间，学生应完成如下内容：
●仔细阅读老师提供的资料，熟悉课题内容与要求。
●自行查找与课题相关的辅助资料，加深对课题的认识。
●在熟悉课题要求后，撰写开题报告。
●查找相关芯片的数据手册，熟悉各芯片的功能。
●完成硬件电路原理图设计，包括如下模块：
●时钟电路
●复位电路
●7段数码管显示电路
●红外光电传感器采集电路
●完成软件代码设计。
●完成仿真调试，对测试中发现的BUG进行修改。
●完善程序后，编写程序文档。
●撰写毕业设计说明书。
设计毕业答辩用幻灯片并准备答辩。
二、毕业设计进度计划及检查情况记录
序号
起止日期
计划完成内容
实际完成内容
检查日期
检查人签名
1
2015.11.16——2016.3.4
前期准备工作，收集、阅读相关资料，查找相关芯片的数据手册，熟悉各芯片的功能，完成开题报告。
2
2016.3.4——2016.3.18
完成硬件各模块设计。
3
2016.3.18——2016.3.25
完成整体硬件电路原理图设计。
4
2016.3.25——2016.4.8
完成软件各模块设计。
5
2016.4.8——2016.4.22
完成整体软件代码设计。
6
2016.4.22——2016.4.29
完成仿真调试并除错。
完善程序后，编写程序文档。
7
2016.4.29——2016.5.13
撰写毕业设计说明书。
8
2016.5.13——2016.6.7
制作幻灯片，准备毕业答辩。
注：
（1）表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。
（2）毕业设计任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕业设计说明书内。
天津理工大学本科毕业设计开题报告
届：
2016学院（系）：
理学院专业：
应用物理2016年3月5日
毕业设计
题目
电子心率计设计与制作
学生姓名
白鑫宝
学号
20123627
指导教师
赵洪英
职称
副教授
一、课题的意义
当今人们的物质生活得到了极大的提高，但是健康问题却愈加明显，重大疾病致人死亡的概率越来越高，心脏病也成为了人们的头号杀手，为了提高人们对心脏病的认识和对心脏疾病的预防，人们设计出了心率计，它能实时检验人们的心脏健康。
该课题以单片机作为控制器，设计制作一个电子心率计，这一课题不仅与实际生活相关，又可以巩固我们的基础知识、锻炼我们的动手能力，从而提高我们的整体综合技能。
二、国内外发展状况
随着时间的推进，心率计的种类越来越多，从过去的听诊器到现在的红外心率计，这是一个质的飞跃。
顾名思义，红外心率计的由来是是由红外技术的发展而演变出来的。
在60年代，红外技术飞速发展，推动红外计数的研究和更广泛的应用开发，而且现在集成电路处理技术也飞速发展，随着红外物理与技术不断发展，红外探测技术已经广泛用于工业自动化，信息处理采集，通信，红外制导，环境监测，以及日常生活。
目前我国在红外检测/感应多年，取得了很大成就，总结了很大经验，在红外检测项目开发方面，大部分仍是由高校完成的。
相对而言，在这个方面沿海地区由于来自工业自动化的要求，以及与公司的合作更加方便，相对而言开发与研究工作多一点，而在理论方面，内陆的高校则有很大优势。
天津理工大学教务处制表
三、研究内容
本设计是以ATMEL公司的AT89C52单片机为核心器件，完成红外线心率计的设计与制作。
该心率计采用红外光电传感器实现心率信号的采集，其工作原理为手指血管中血液的流量会随着心脏的跳动发生变化，将手指放在光电传感器光的传递路径中，血管中血液饱和度的变化将引起光的传递强度变化，此变化和心跳的节拍相对应，因此光电传感器中红外接收管的电流也会随着心跳节拍而改变，使得红外接收管输出与心跳节拍相对应的脉冲信号，该脉冲信号经放大、滤波、整形后送入单片机进行处理，其计算结果即心率值（单位是心跳次数/分钟）由7段数码显示管显示输出。
四、研究方法和研究手段
（1）了解单片机工作原理；
（2）了解AT89C52原理和相应结构设置；
（3）了解AT89C52的使用方法；
（4）掌握KEILC与PROTEUS的联调及相应编程语言；
（5）利用AT89C52和实现电子心率计的设计。
五、研究步骤
（1）了解课题的相关知识；
（2）调研、比较国内外相关方面的课题；
（3）按要求完成硬件电路的设计；
（4）按要求完成控制软件的设计；
（5）按要求完成系统的调试。
天津理工大学教务处制表
六、参考文献
[1]童诗白、徐振英编.现代电子学及应用.高等教育出版社，1994年
[2]陈明义、宋孝瑞等编.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社，2002年
[3]陈晓文主编.电子线路课程设计.电子工业出版社，2004年
[4]杨素行主编，清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，2002年
[5]阎石主编，清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础.高等教育出版社，1985年
[6]张国雄、金篆芷主编.测控电路.机械工业出版社，2001年
[7]卿太全、李萧、 郭明琼等编. 常用数字集成电路与原理.人民邮电出版社,2006年. [4]臧春华、邵杰、魏小龙等编. 综合电子系统设计与实践.北京航空航天大学出版社，2009年. [5]赵家贵主编. 电子电路设计.中国计量出版社，2005年
指导教师意见
本设计以Atmel半导体公司的AT89C52单片机为核心器件，实现一个电子心率计的设计与制作，有一定难度。
该设计有利于提高学生的综合能力。
如果该生学习态度端正，在老师的指导下，能够按时完成。
同意开题。
签字：
年月日
天津理工大学教务处制表
电子心率计的设计与制作
摘要
大家都知道中医享誉世界，而在古代有悬丝诊脉这一高超的中医技术，其中高超之处就是医生能根据诊丝振动频率判断心跳的频率从而判断人们的身体状况。
但随着时代的变迁和科技的不断进步，心脑血管疾病也变得多发和复杂起来，于是人们发明了心率计这一装置。
它的出现使人们能更加准确高效的预防和治疗心脑血管疾病，心率计是医学中用来测量人体心率的装置,心率是人体的一项重要生理参数,在现代医学中,心率对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。
这次的电子心率计的设计的核心工具为ATMEL公司的AT89C52，实现心率计的设计与制作。
该心率计采用光电传感器实现心率信号的采集，其过程是将手指放在光电传感器光的传递路径中，血管中血液饱和度随时间的变化会引起光的强度变化，这种变化与心脏的变化几乎相同，所以光电传感器中接收管的电流强度会随着心跳节拍而改变，使得接收管输出与心跳频率相同值的脉冲信号，该脉冲信号经放大、滤波、整形后送入单片机进行处理，其计算结果即心率值（单位是心跳times/min）由七段数码管显示并输出。
关键词：
心率计、光电传感器、单片机、脉冲信号
Thedesignandproductionofcardiotachomete
ABSTRACT
AllofthepeopleknowthattraditionChinesemedicalsciencesharedthegoodreputationallovertheworld.Butthereisatechnologycalledsuspensionwirepulse.Themostofvaluestepisthatcanhandlepulsewhopatientbyindirectcontaction.Withtheincreasingdevelomentoftechnology,cadiovasculardiseaseshasbecamecomlicatedandfrequently,socardiotachometeinvented.
∙Becauseofcardiotachometearised,thediseasehasbeeneffectivetreatandprecaution.Cardiotachhasbeenusedonmeasuringheartrate.Inmodernmedicine,cardiotachplaysimportantroleinresearchthatbloodcirculationandheartfunction.ThecoreofdesignthisexperimentisAT89C51thatmadebyATMELsemiconductorfirm,whichachievethedesigningandmanufactureofcardiotach.ThisCardiotachadoptsthephotoeletricitysensortoachievecollectionofthesignofheartrate,thefirststepisusedfingerputonthephotoeletricitysensor，Thepowerlevelarisedthechangebydegreeofsaturationinvesselbytime,madethesamesignbetweeninputofrecivingtubeandfrequencyofheart，afteramplification、filtration、transformationthathandleinsingleship.Theresultisheartrateandinputbysevenpartsof TubeNixie.
Keywords:
CardiotachometePhotoelectricsenso
∙Singlechip Pulsesignal
第一章绪论
1.1课题的意义
随着社会的发展，人们从古代进入了电气时代从而发展为现在的高科技时代，人们的生活方式便有了翻天覆地的变化，不仅白天的生活丰富多彩起来，晚上的生活也变的别具一格。
可是人们的身体素质却没有像科技一样发展的蓬勃有力，各种导致人们失去健康的疾病纷至而来，其中心脏病，高血压等各种心脑血管疾病成为人们失去健康甚至性命的冷血杀手。
社会节奏的变快使心脑血管疾病发病率呈指数上升，而我国古代的诊脉这一技术虽然是我国医术的瑰宝，但其操作的难度和误差显然无法满足当前社会的需要。
于是世界各国分别发明了不同种类的心率计，其中电子心率计尤为大众化，简单明了的操作方法和相对准确的测量值深受医院和民众喜爱，它的出现也大大缩减了突发性心脑血管疾病的发病率和对心脑血管疾病起到了预防作用。
我在这个课题里主要讲解的是其发展现况，工作原理，内部结构，软件与硬件的设计，我会分别以不同板块向大家介绍以上内容，以便让大家对心率计从内到外起到更深刻的了解，从而达到保证学到知识和身体健康的双重效果
1.2国内外发展现状
我国针对心脑血管疾病最早的治疗方式就是诊脉，通过诊脉和对患者面部以及询问到的相关信息，进行诊断从而开药治疗。
心脏，脉搏的本源，我国的中医解释道脉搏能反映百病的存在，气血的变化，探测到病理的起因，预防疾病。
那么就我们所知在国外，是如何有效的预防心脑血管疾病呢，在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏扫描仪，从而开创了心率计使用的电子化时代，我国在20世50年代渐渐地运用电子脉搏扫描仪与中医诊脉相结合的方法诊断疾病，随着科技的飞速进步和人们对心率测量仪器的依赖和重视，心率测量仪器的精确度越来越高，国内各大重点医学院纷纷组件自己的团队对心脏脉搏进行研究，多层次跨学科的研究团队使我国对脉搏心率的研究提升到新的境界。
说到心率计的精确度，那么最核心的部件就是脉搏测量仪其中的脉搏传感器，现在国内外最受欢迎且公认准确率最高的就是红外传感器。
顾名思义，红外心率计出现是由红外技术的发展而演变出来的。
在60年代，红外技术飞速发展，并推动红外探测技术的研究和更广泛的应用开发，而且现在集成电路处理技术也飞速发展，使红外探测器元件更加精密准确。
随着红外物理与技术不断发展，红外探测技术已经广泛用于信息处理器采集，通信，红外制导，工业自动化，环境监测，以及日常生活等。
目前我国在红外检测感应技术研究多年，取得了很大成就，总结了很大经验，在红外检测项目开发方面，大部分仍然由国内知名高校完成的。
相对而言，在这个方面，由于沿海地区对工业自动化的需求较高，所以开发与研究工作就相对多一点，但在理论方面，内陆的高校则有较大的优势。
1.3研究内容
关于电子心率计的设计，我们首先要明白其核心是单片机，虽然电子心率计的设计有所不同，但是殊途同归，我们接下来要研究的大体步骤为：
1.光电信号的转换（心率计的不可或缺的一个环节，也是测量的起始点，核心技术为光电转换，将光信号转换为电信号进行下一步处理）
2.电信号的整形和滤波（首先我们要清楚光电耦合器接收的信号可能包含其他不需要的信号，还有电信号可能数值较小，为了消除一切误差，必须用放大和滤波电路进行清除，得到接近完美的信号）
3.电信号转换为脉冲信号（为了让单片机识别并处理，采用了脉冲计时器）
4.单片机处理信息将显示在七段数码显示屏显示
第二章系统总体设计方案
2.1硬件部分选择
图2.1红外传感器
Fig。
2.1.1Infraredsensor
红外技术在最近几十年发展最迅猛的技术之一，在农业国防科技方面都有着广泛的应用，例如军用红外制导、红外遥感、红外呈像。
红外传感器是红外辐射技术的核心。
U3原件的名称为红外传感器，为反射型红外光电传感器，反射型红外光电传感器的作用大致上是用来实现心率信号的收集，工作原理是手指血液的流动效果会随着心脏的跳动而发生相对应的变化，使用方法是将手指放在光电传感器血液流动信号的接收处，血液的饱和度会发生与之相呼应，饱和度的变化和心跳的节奏相匹配，所以光电传感器的红外接收部分也会随着心率而改变电流强度，将电流输入到后续的流程中，最终由单片机处理。
图2.2LM358放大器
Fig.2.1.2Amplifier
2.1.2双运算放大器LM358内部结构中包含了两个独立，高效益，频率补偿的双运算放大器。
这种放大器适用于传感放大器，直流增益，和所有单电源模式元算放大器的地方。
在心率计的仿真图中这一部分将其用于电信号的放大。
图2.1.3AT89C52
Fig.2.1.3AT89C52
2.1.3是芯片AT89C52。
它是一种CMOS八位单片机，片内的结构有8K可反复擦写的只读存储器和256位随机存储器，ATMEL为提升性能采用高密度的模式，兼容使用MCS-51指令系统，片内置有Flash存储单元和通用8位处理器，AT89C52系列单片机性能的优势使其在电子行业使用非常广泛。
包含有40个引脚，32个双向外向输出输入端口的的AT89C52是有两个外部中断口，3个16位编程计数定时器，2个读写端线，AT89C52既可以在线编程也可以常规方法编程。
若要大大降低开发成本，可将将微处理器和反复可擦写的flash存储器合并起来。
图2.1.4七段数码显示器
Fig.2.1.4Sevensegmentdigitaldispaly
上图为红外心率计显示器，本实验应用了七段数码管显示器。
图2.1.5脉冲转换器
Fig2.1.5Impulsetransferor
D2原件我们称它为脉冲信号转换器，它将前面经过一些列处理的电信号转换为脉冲信号，然后把信号输入到单片机P3.2/INTO的引脚进行处理。
2.2系统最终整合
第三章仿真电路各个部分
3.1单片机复位电路
图3.1.1单片机复位电路
Fig3.1.1Single-chipmicrocomputersresetcircuit
大家都知道单片机启东时需要使用复位电路，确保CPU和系统的各个部分处于初始安全状态，并开始工作。
当系统正常运转，整体电路的振荡器稳定时，如果RET引脚出有高电平信号并且维持两个周期以上，CPU响应信号并且立即复位，这种电路起到了开端与结尾的作用。
3.2时钟电路
图3.2.1时钟电路
Fig3.2.1Clockcircuit
单片机每执行一条指令，就必须经过十二个时钟周期。
没有时钟电路的单片机不叫做单片机。
单片机在某种意义上可以认为是被时钟电路控制的多种电路组合，每当执行一套指令，CPU都会发出特定的控制信号。
3.3信号采集电路
图3.3.1信号采集电路
Fig3.3.1 Signalcollectioncircuit
首先我们从图中找出C和D原件，C原件将初步的红外信号传递到D原件上，D原件接受相对应的半透明度，将红外信号转换为电信号，众所周知，电信号大概在50T/min—200T/min之间，所以大概对应的频率在0.78HZ—3.33HZ之间，所以接下来检测到的电信号会非常低。
3.4信号放大电路
图3.4.1信号放大电路
Fig3.1.4Signalamplificationcircuit
为了防止外界信号或大或小的干扰，信号就必须要进行低通滤波，将绝大部分干扰高频电波过滤掉。
首先电路通过R2和C4进行高频滤波。
为防止R2和C4高频滤波不够彻底，设计ICA、R4、C5组成的截止频率大约在10HZ的二次低通滤波电路，同时这也是一个放大电路，将前面的信号大概放大200倍。
第四章系统设计时考虑的问题
4.1光强对电子心率计测试的干扰
在红外脉搏传感器的测试中，光敏器件不仅接受了关于脉搏信息的信号，同时也接收了测试环境的背景光信号，很显然背景光光强的变化远大于关于脉搏的光信号，因此测量时我们要尽量保持背景光的稳定，减少其对测试的干扰。
测试中考虑带来的干扰包括自然光和二次反射光，我们在应付自然光带来的干扰时，我们应该将用手套式的包装方式和外壳采用不透光的介质，减少自然光带来的干扰。
应对二次反射光时将传感器内部涂上吸光材料，避免发生二次反射。
4.2电磁干扰
通过电路转换的电磁信号比较弱，很容易在转换成脉冲信号前受到干扰，在一般电子心率计中一级放大电路和光敏器件分开，所以我们采用电磁屏蔽的方法减少电磁干扰，目前新型的光敏器件中包含了一级放大电路，对较少干扰有极好的作用
4.3运动噪声的影响
测试过程中手指和红外传感器有相互运动，这样多少会产生些误差，由此可以通过两个方面减少这样的误差。
第一点，设计套环将手指固定在传感器上面。
第二点，通过脉搏处理器内部算法解决。
通常情况下采用第一种途径。
4.4电源不稳定造成供电波动
我们在进行仿真电路运行的时候采用的是恒流电源，可现实生活中却不存在，因为普通直流电源因为电磁干扰会产生或大或小的误差，所以可专门为光电传感器设计恒流电路，电流恒定，不会随负载变换，降低了电源的不稳定性给测试带来的结果。
第五章系统软件部分设计
5.1系统工作软件环境介绍
心率计的设计不仅仅需要硬件的设计还需要软件的设计，这样才能进行调试，检验仿真图的正确与否。
KEIL是当今世界上最流行的开发51单片机的软件，并支持C语言,汇编语言。
KEILC51包括了宏汇编、连接器、C语言编译器、和功能全面的的仿真调试器的完整开发方案。
运行它需要的系统包括Windows系列，精通C语言的人们基本会选用其作为编译软件，同时也支持汇编语言，我们采用的就是汇编语言。
如何使用这个软件呢，我们可以看以下的步骤。
STEP1：
首先打开KEIL软件
图5.1流程
Fig5.1Process
STEP2:
图5.2过程
Fig5.2Process
STEP3：
图5.3过程
Fig5.3Process
STEP4：
选用本次模拟电路芯片AT89C52
图5.4过程
Fig5.4Process
STEP5：
图5.1.5过程
Fig5.1.5process
接下里我们就可以编译所需要的C语言了。
5.2总体软件流程图
否
是
其中的脉搏
升级会员 