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1、黑龙江科技大学课程设计报告项 目 名 称：心率检测装置设计 所 属 课 程：传感器与检测技术 设 计 日 期： 2013.7.1-2013.7.6 班 级 测控10-2班 学 号 19号 姓 名 赵前进 指导教师 王蕴恒 成 绩 电气与控制工程学院课程设计报告说明一、写报告前，请认真阅读课程设计报告说明。二、打印装订要求1、一律用A4纸，双面打印，并左侧装订，一式1份，并同时上交电子版（电子版上传邮箱）。课程设计报告说明页也打印。2、课程设计概述部分占一页；课程设计内容长度根据实际需要填写；结论和指导教师评语及成绩单独占一页。保证打印格式工整。三、报告内容要求1、课程设计目的结合实际自己写，不
2、要雷同2、课程设计要求按下发的设计题目写3、课程设计原理简要说明所完成课程设计项目所涉及的理论知识4、课程设计内容 这是课程设计报告极其重要的内容。概括整个课程设计过程。（最好在上述内容基础上画出相应的流图、设计思路和设计方法，再配以相应的文字进行说明。）一、课程设计概述1、课程设计目的 本设计以单片机为核心设计心率检测装置，用光电传感器采集手指脉搏信号，实现无损检测。心率是人体中一个非常重要的生命信息,而传统的脉诊由于其定性化和主观性影响了心率测试的精度,成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。心率检测装置测试过程简单,能精确测量出心跳次数,实现数据显示和上、下限报警功能，可以实现人体指端
3、的无创测量,实现无损检测。2、课程设计要求1、当心率大于180次/分，或小于45次/分时报警，提醒注意；2、供电电源DC5V；3、课程设计原理 此设计以单片机AT89C2051为核心,由光电传感器采集脉搏信号,经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号,该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算。然后得出每分钟的脉搏搏动次数(即心率) ,并在数码管上显示心率,同时利用软件实现上下限报警功能,在测量数据超过正常范围(如大于180 次/ min 或小于45 次/ min) 时进行报警以提醒医生注意。 二、课程设计内容装置硬件电路设计 1 1.1传感器及信号处理电路
4、 传感器及信号处理电路如图2所示。由于在人体指尖组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位在人体指尖。将一对红外发射与接收探头置于手指两侧,当动脉血管随心脏周期性的收缩和舒张,动脉血管的血液容积随之发生变化时,红外接收探头便接收到随心脏周期性地收缩和舒张的动脉搏动光脉冲信号,从而采集到心脏搏动信号。 检测心率的传感器采用红外对管HR1068C-O5Y2和PT331C 2 。由于从人体手指采集到的生理信号十分微弱,其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围,而且在测试过程中由于肢体动作以及较强的工频干扰而产生大量的噪声3
5、 。同时要将采集到的脉搏信号经过前置级放大电路进行高倍放大4 ,5 ,这就要求电路具有高增益和高共模抑制比,至少在80 dB 以上,即集成运放要有很高的共模抑制比和极低的零漂6 等,所选的电阻参数要尽量精确。 1.2滤波、陷波电路及积分比较电路 由于内外噪声及50 Hz 工频干扰等因素,即使电路具有很高的共模抑制比,但是脉搏信号非常微弱,淹没在干扰信号中,由于脉搏信号主峰频率在1 Hz 左右,能量较强的分量也在20 Hz 以下,所以设计低通滤波器的上限截止频率为40 Hz7 。对于工频干扰,采用对称性双T阻容有源陷波器对其专门滤除。再通过积分、比较电路整形之后便可以得到单片机所需要的标准的05
6、 V 脉冲信号。滤波、陷波电路及积分比较电路如图3 所示。 1.3单片机控制及显示电路 单片机控制及显示电路如图4 所示。采用动态显示方式,利用单片机的P1 口的P1. 0P1. 6 作为数码管七段码的输入8 。利用P3. 0 , P3. 1 ,P3. 2 , P3. 3 作为4 只数码管的选中信号(见图4) 。从光电传感器输出的心率脉冲作为中断信号直接接到单片机89C2051 的9 脚(即T1 端) 。由T0 定时, T1 计数。P1. 7输出心率的上、下限报警信号,经二极管驱动报警器报警。当心率低于下限45 次/ min 时报警发出长音报警。当心率高于上限180 次/ min 时报警器发出
7、短音报警。2 软件设计系统软件流程图如图5 所示。将要显示心率数千位、百位、十位、个位数分别存放在89C2051 单片机内部的41H ,42H ,43H ,44H 单元内。采用动态扫描,每隔5 ms 分别轮流显示千位、百位、十位、个位。当单片机的第9 脚有一上升沿时, T1 脚计数1 次, T0 定时0 ms ,循环定时1 200 次, T1 计数即为心率次数。然后返回主程序继续执行显示程序 9 。 3电路调试及噪声分析电路调试主要是对输入的脉搏信号进行滤波和放大,调试的效果直接关系到数据采集的精确度。通过测试可以得知,脉搏信号中存在严重的噪声干扰,前置级放大电路的设计至关重要。使用宁波中策电
8、子有限公司的DF1405 数字合成信号发生器来模拟脉搏信号,信号频率较高,信号处理电路对于高频信号(106 Hz 左右) 有很好的衰减作用,当信号频率适中的时候,信号可以按照设计的需要进行放大。50 Hz 陷波器对工频干扰起到了很好的抑制作用。通过积分、比较电路对脉搏信号整形可以得到单片机需要的脉冲信号。通过整机调试,系统达到了预期的设计要求。在测量过程中,传感器采集到的脉搏信号十分微弱,容易受到外界环境干扰,因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析10 。光电式脉搏传感器的主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声干扰。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响,同时考虑到传感器使用的方便性,采
9、用密封的指套式的包装方式11 ,整个外壳采用不透光的介质和颜色,尽量减小外界环境光的影响。通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱,容易受到外界电磁信号的干扰,因此对硬件电路进行适当的屏蔽处理。脉搏信号变化缓慢,特别容易受到工频信号的干扰,利用陷波器有效地解决了这一问题。在测量过程当中,让指套和手指更紧的接触减少了他们之间的相对运动,降低了运动噪声。三、结论四、指导教师评语及成绩学生对课程设计以下几个方面综合评定：设计目的及要求： 明确【】 不明确【 】设计涉及基本原理： 完整【 】 不完整【 】 设计方案：设计总体思路： 严谨【 】 存在纰漏 【 】方案内容： 条理清晰正确 【 】 条理一般，论述基本正确【 】条理混论，存在抄袭 【 】还存在其他问题：指导教师签字（盖章）：批阅日期：2012年 月 日