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1、基于光电传感器脉搏信息检测系统设计课程设计 XX 学 院 课 程 设 计 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系 别 自动化学院 班级 学生姓名 学号 指导老师 职称 讲师 课程设计任务书 课程设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系 别 自动化学院 班 级 学生姓名 学 号 指导老师 职 称 讲师 课程设计进行地点： 任 务 下 达 时 间： 起止日期： 教研室主任 年 月 日批准 基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： （1）了解脉搏检测相关背景学问以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步驾驭常用常用脉搏检测方法
2、的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 （3）通过学习，详细驾驭所选择脉搏测量传感器的运用特点、测量电路和运用方法。 1.2 基本要求 （1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。 （2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。 （3）设计异样心跳的报警电路。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必需完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论
3、文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，全部插图不允许复印。（2）装订依次：封面、任务书、成果评审看法表、中文摘要、关键词、书目、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的具体的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3 时间进度支配 依次 阶段日期 计 划 完 成 内 容 备注 1 2016.1.4 讲解主要设计内容，支配学生查阅资料 打分 2 2016.1.5 检查任务框图的设计状况 打分 3 2016.1.6 检查整个设计理论方面的打算状况 打分 4
4、 2016.1.7 指导学生进行传感器的选择 打分 5 2016.1.8 进程传感器及测量电路的硬件电路设计 打分 6 2016.1.11 讲解原理图的绘制要求 打分 7 2016.1.12 检查原理图完成状况，讲解及订正错误 打分 8 2016.1.13 检查流程图的绘制及报告的书写要求 打分 9 2016.1.14 布置答辩 打分 10 2016.1.15 答辩、写报告 打分 2016-1-4 XX学 院 传感器 课程设计成果评定表 系（部）： 自动化学院 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见 评价 内容 具 体 要 求 权重 评 分 加权分 调研 论证 能独立查阅文献,收集
5、资料；能制定课程设计方案和日程支配。0.1 5 4 3 2 工作实力 看法 工作看法仔细，遵守纪律，出勤状况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.2 5 4 3 2 工作量 按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度相宜。0.2 5 4 3 2 说明书的质量 说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语精确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.5 5 4 3 2 指导老师评审成果 （加权分合计乘以12） 分 加权分合计 指 导 教 师 签 名： 年 月 日 评 阅 教 师 评 审 意 见 评价 内容 具 体 要 求 权重 评 分 加权分 查阅 文献 查阅文献有肯定广
6、泛性；有综合归纳资料的实力 0.2 5 4 3 2 工作量 工作量饱满，难度适中。0.5 5 4 3 2 说明书的质量 说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语精确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.3 5 4 3 2 评阅老师评审成果 （加权分合计乘以8） 分 加权分合计 评 阅 教 师 签 名： 年 月 日 课 程 设 计 总 评 成 绩 分 中 文 摘 要 随着科技水平的提高，医学对人体相关信息的提取技术也不断提高，脉搏信息可以可精确的反映出人体的一些信息。本次设计是基于光电传感器的脉搏信息检测系统。通过型号为HGK_07B的光电脉搏传感器将测试者的脉搏信
7、息提取出来，然后经过放大滤波整形电路转换成单片机可以识别的脉冲信号，然后选用型号为STM8S208R8的单片机进行限制和运算，最终通过显示器将信息显示出来，系统还包含异样心跳报警功能。另外，本系统还通过型号为DS18B20的温度传感器实现人体体温的精确测量。 关键词 脉搏测量 单片机 传感器 目 录 课程设计（论文）任务书 课程设计（论文）成果评定表 中 文 摘 要 I 1 设计任务描述 1 1.1 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 1 1.2 设计要求 1 1.2.1 设计目的 1 1.2.2 基本要求 1 1.2.3 发挥部分 1 2 设计思路 2 3 设计方框图 3 4 各
8、部分电路设计及参数计算 4 4.1 信息提取处理电路部分 4 4.1.1 传感器的选择 4 4.1.2 信号处理电路 5 4.2 处理器基本电路部分 6 4.2.1 处理器选择 6 4.2.2 处理器外围电路设计 7 4.3 报警显示电路部分 8 4.3.1 显示电路 8 4.3.2 报警电路 10 4.4 软件设计部分 10 4.4.1 软件选择 10 4.4.2 程序设计 10 5 工作过程分析 13 6 元器件清单 14 小 结 15 致 谢 16 参考文献 17 附 录 A 逻辑电路图 18 1 设计任务描述 1.1 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 1.2 设计要求 1
9、.2.1 设计目的 （1）了解脉搏检测相关背景学问以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步驾驭常用常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 （3）通过学习，详细驾驭所选择脉搏测量传感器的运用特点、测量电路和运用方法。 1.2.2 基本要求 （1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。 （2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。 （3）设计异样心跳的报警电路。 1.2.3 发挥部分 (1)体温测试及其显示。 2 设计思路 脉搏信息的提取是医学领域的一项重要信息提取手段，探讨脉搏信息提取系统具有重要的意义。本文将阐述设计
10、一套基于光电传感器的脉搏信息检测系统。该装置是依据手指毛细血管的血容量随心脏搏动而变更这一生理特点，利用光电转换原理以及单片机计数测量原理完成对心的测量，并且在显示系统上显示出来。另外，本套系统还可以对测试者的体温进行测量，并且显示出来。基于本次设计，该系统主要包括以下几个部分组成： （1） 信息提取处理电路部分：本部分的电路的作用是将须要测量的信息利用传感器提取出来，并且利用相干电路进行放大、滤波、整形等处理，从而形成带有测量信息、处理器可识别的信号。这样，就可以将这个信号输入至处理器，进行后续处理。 （2） 处理器基本电路部分：本部分电路的作用是是微处理器可以进行工作的基础电路，其中包括处
11、理器的电源电路、复位电路、振荡电路等电路。这些电路称之为处理器的最小系统电路。（3） 报警显示电路部分：本部分的电路作用是实现本系统的报警都和显示功能。人的脉搏频率频率正常范围是40次/min到200次/min左右，假如测量者的心跳范围不在正常范围内，电路产生报警。另外，系统还须要将测试者的脉搏信息或者温度信息显示出来。当测试完成后，电路显示器件发生作用。（4） 软件设计部分：此部分对处理器编程处理，实现系统总体功能。 3 设计方框图 温度传感器 脉搏传感器 脉搏 信 号 处 理 温 度 信 号 脉 搏 信 号 单 片 机 电 源 显示器 报警器 4 各部分电路设计及参数计算 本套脉搏测试系统
12、是基于光电脉搏传感器HKG-07B、单片机STM8S208R8和一些相关电路所构成的。另外，此系统还装有DS18B20温度传感器，可以对测试者的体温进行测量，并显示。以下，将阐述个部分电路组成。 4.1 信息提取处理电路部分 4.1.1 传感器的选择 硬件电路中，关键部分在于脉搏信号的检测。依据需求，本系统选择型号为HKG-07B的光电脉搏传感器。该脉搏传感器是华科电子所独创的脉搏信号传感器。HKG-07B 红外脉搏传感器利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积改变的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起手指指尖的血容积发生相 应的改变产生的信号 经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏
13、跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。传感器的工作电压为 5V，输出电压约为 0.2V 到 1V 左右。目前，HKG-07B 红外脉搏传感器主要用于临床上脉率的计数、监测等。 另外，本系统还可以对测试者的体温进行测量，依据需求，本系统选用型号为DS18B20 的温度传感器。DS18B20是一种单总线数字温度传感器。测试温度范围-55-125，温度数据位可配置为9、10、11、12位，对应的刻度值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，对应的最长转换时间分别为93.75ms、187.5ms、375ms、750ms。出厂默认配置为12位数据，刻度值为0.0625，最长转换时间为750ms。该传
14、感器与微处理器连接时仅须要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和可电擦除RAM，可电擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字起先用写寄存器的吩咐写进寄存器，接着也可以用读寄存器的吩咐来确认这些数字。当确认以后就可以用复制寄存器的吩咐来将这些数字转移到可电擦除RAM中。当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。 图4.1.1.1 DS18B20封装图 图4.1.1.2 HKG-07B输出曲线图 4.1.2 信号处理电路 当测试的信号经过传感器输出后，信号并不能被单片机识别，
15、所要加以处理。脉搏传感器输出信号如图4.1.1.2所示，依据数据手册，最大值和最小值分别为0.2V和1V左右。这个信号输出后，其本质并不是单片机能识别的信号，所以，要将此信号须要放大整形。信号在传递过程中，由于外界还存在一些高频干扰信号和直流偏置信号，为了去除这些信号，还须要滤波电路。人的心跳频率在1Hz至2Hz范围内，所以本系统须要一个低通滤波电路。经过这几部分电路将信号转换后，单片机就可以处理了。 图4.1.2.1 放大滤波电路 如图4.1.2.1 所示，该电路的作用是信号放大和滤出高频信号。其中C1作用是除去信号中的直流重量。R5和 C2构成低通滤波器。R3、R4和U2A构成信号放大器，
16、将信号放大，U2A为 LM234放大器。依据需求，将传感器输出信号放大5倍： A=R4/R3+1 低通滤波器的截至频率为5Hz： f=1/2R5C2 依据计算，各部分元参数在图4.1.2.1 均显示出来。 图4.1.2.2 整形电路图 图4.1.2.2为整形电路图。该电路的作用是将信号整形为脉冲信号。LM339D为电压比较器，其5脚接前端输出的信号，4脚接比较电压的信号。R1和R2构成分压器，为比较器供应3V的比较电压。另外LED1为信号灯，当检测到一个有效的脉搏信号的时，其发光。整形后的波形如图4.1.2.3 图4.1.2.3 整形后输出波形 对于温度测量信号，因为传感器本身内部集成相关电路
17、，可干脆与MCU进行通信，这里不作阐述。 4.2 处理器基本电路部分 4.2.1 处理器选择 本系统采纳了意法半导体公司的STM8S208R8作为系统主限制器。STM8S系列MCU基于哈佛结构并带有3级流水线的高级STM8内核；运行主频最高可达24MHz，指令处理速度最高20MIPS；较宽的工作电压范围（2.95-5.5V）；丰富的片上Flash ROM及RAM存储器资源，可供用户实现困难功能；并且拥有众多的先进外设（集成EEPROM、最多16路10位ADC、2个16位Timer、UART、SPI、IIC、CAN等），特别适合用作嵌入式限制系统开发。利用C语言对单片机STM8S208R8进行编
18、程，使STM8S208R8能够精准的执行系统运行所需的指令。 图4.2.1.1 STM8S208R8原理图库文件图 4.2.2 处理器外围电路设计 处理器须要稳定的工作，必需在外围设置一些相关电路。其中包括复位电路、振荡电路、和电源电路，详细如下： 图4.2.2.1 复位电路图 如图4.2.2.1所示，该电路为复位信号产生电路图，当按键按下后，电路将产生一个复位信号，使系统复位。 图4.2.2.2 时钟振荡电路 图4.2.2.2 所示的是单片机的振荡电路。该电路运用的是16M的晶振，与电容并联后可产生振荡信号。该电路具有较高的稳定性。该电路的作用是为单片机供应时钟信号。 图4.2.2.3 单片
19、机电源电路 单片机正常工作，必要的就是点源电路，依据数据手册，单片机电源电路接线方式如图4.2.2.3所示。 4.3 报警显示电路部分 4.3.1 显示电路 这部分的电路是被测信号经过单片机处理后，限制显示出相关信息。这部分电路由移位寄存器74HC595和LED数码管成。74HC595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪耀感。它的运用方法很简洁，如下面的真值表，在正常运用时ST_CP为低电平， /OE为低电平。从DS每输入一位数据，串行输入时钟SH_CP上升沿有效一次，直到八位数据输
20、入完毕，输出时钟ST_CP上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。 图4.3.1.1 74HC595真值表 LED数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管事实上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。移位寄存器74HC595和LED数码管成的显示电路如图4.3.1.2所示。 图4.3.1.2 显示器电路图 4.3.2 报警电路 报警电路的功能是当测试的脉搏频率高于或低于报警界限的时候，报警电路产生应
21、答，产生报警信号。电路图如图4.3.2.1所示。 图4.3.2.1 报警电路图 报警电路的工作原理是当测试者的脉搏不在正常范围内的时候，单片机做出一些动作，从而使PE3引脚输出低电平，报警电路响应，产生报警信号。 4.4 软件设计部分 4.4.1 软件选择 本次设计选择的制图软件和程序编写软件为Altium Designer 6和IAR。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完备融合，为设计者
22、供应了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，娴熟运用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。本次设计的总原理图请在附录中查看。IAR是特地对ST公司的限制器编程烧录,软件功能强大。 4.4.2 程序设计 本系统采纳的是型号为STM8S208R8的单片机，为了实现相关功能，须要编程操作。对于程序，我们运用c语言进行编程。主体设计思路是：外部开关选择是测脉搏还是测体温。该开关连接至单片机的PB4引脚。该引脚设置为输入模式。当选择了测体温还是测脉搏使，单片机会执行的相应程序指令，实现相关功能。 图4.4.2.1 模式选择电路 在测频率的模式下，经过放大整形滤波的信号脉冲经ITM1_CH1
23、（PC1）输入至单片机，单片机定时器2起先计时，计时时间为1分钟，在这计时时间内，定时器1对输入的脉冲进行计数。定时时间到达后，单片机计数值经过引脚输出至74HC595,数码管显示。假如计数值超出正常的脉搏范围，单片机执行报警使能操作，报警电路报警。 在测体温的模式下，温度传感器将信号传送至单片机，单片机执行一系列操作在数码管上显示出来。 程序框图如图4.4.2.2所示。 图4.4.2.1 程序框图 5 工作过程分析 光电脉搏传感器是将光信号转换电信号的器件，在测量的过程中，传感器内部红外LED发出的光线通过人手指照耀在光敏二极管VT的感光窗口上，随着微血管脉压波动的改变，其透光度也随其改变，
24、这样光敏二极管的电流也发生波动性改变，电压发声改变，传感器内部集成了放大和滤波电路，输出信号为0.2v至1v的低频信号，该信号经过外围电路的简洁放大滤波整形操作后，经过单片机后，相关功能实现。在制作实体电路的过程中，外围的放大滤波电路的器件应当焊接在单片机旁边，尽量削减导线的距离，以便减小误差。 在温度测量的过程中，操作依次应当是先将开关合上，在将整个电路上点。在问题测量的过程中，由于DS18B20的制作工艺问题。测量时间尽可能的长，增加测量结果的精确性。 6 元器件清单 小 结 光电传感器的脉搏信息检测系统是传感器技术的一种综合应用，是采纳光电传感器进行对信号的采集，并经过数字电路的处理实现
25、脉搏信号到脉冲信号的转换，并由单片机进行计数显示的装置。由于运用单片机作为中心限制器和计算器件，所以系统电路简洁，设计便利，基本完成了脉搏次数的计数与显示。另外，本次设计中还为本系统增加了体温测量的功能，完善了整个测试系统。 通过本次设计，了解了光电传感器和温度传感器的基本原理，同时也很好的驾驭了移位寄存器、放大器、显示译码器等数字系统的实现方法。在设计的过程中，融入了自己的创新想法，增加了设计的爱好。另外，通过本次设计，还巩固了对画图工具和C语言编译器的运用和理解，领悟到很多的相关功能实现方法。这些对于以后的学习工作有着重要的意义。 致 谢 本次设计经过两周圆满完成，在设计的过程中，遇到了很
26、多困难。有一些是通过自己的努力得到了解决，但是还有一些在别人的帮助下圆满的解决了。在此，首先，向我们的课设指导老师-祝尚臻老师表示感谢。在课设过程中，祝老师，不辞辛苦，每天监督我们完成任务。另外，在设计过程中，祝老师还对电路设计的合理性提出了重要的建议。同时，对雷彦华老师也表示感谢。雷老师虽然不是本次课设的负责人，但是，他还是亲善可亲的为设计解决了很多问题。 参考文献 1吕俊方。传感器接口以检测仪器电路。北京：北京航空航天高校出版社，1994.6. 廖先芸。电子技术时间与训练。北京：高等教化出版社，2000.8. 孙梅生。电子技术课程设计。北京：高等教化出版社，1995，165-167. C程序设计/孙连科等编著。北京：清华高校出版社，2014. 范红刚。STM8S单片机自学笔记。北京：北京航空航天高校出版社，2014.1. 附 录 A 逻辑电路图