基于单片机的数字心率计设计_黄川

为 了 提 高 心 率 测 量 的 精 确 与 速 度 ,多 种心率测量仪被运用到医学上来。 心率计 很 快 产 生 ,并 得 到 发 展 。 随着人们的生活 节奏加快、 单 片 机 技 术 的 发 展 ,设 计 一 种 以 使 用 方 便 为 前 提 ,能 够 快 速 测 出 人 心 率 的 心 率 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 ,心 率计有着广阔的市场前景。 它的设计为现 代 社 会 人 们 的 生 活 带 来 了 诸 多 便 利 ,在 提 高人们的生活质量、 防治疾病的产生有一 定的作用。
测量得出脉搏次数 ４ ６５ ６９ ７４ ８１ ８２
测量得出脉搏次数 ５ ６３ ７０ ７３ ８０ ８４
注 :实 际 的 脉 搏 次 数 以 听 诊 器 测 出 的 脉 搏 次 数 为 参 考 值 。 ( 下转 1 6 页 )
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科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
参数 Ｓ１１ Ｓ３１ Ｓ４１
９ＧＨｚ ２８． ４ｄＢ ２８． ７ｄＢ １７． ３ｄＢ
９． ５ＧＨｚ ３６． １ｄＢ ３８． ３ｄＢ １７． ４ｄＢ
输 入 的 信 号 分 两 路 耦 合 到 副 波 导 中 ,与主 波 导 同 方 向 的 端 口 ,因 电 磁 波 传 播 路 程 相 等 ,同 相 叠 加 有 输 出 ,另 一 个 端 口 ,电 磁 波 传 输 的 路 程 相 差 1/2 导 波 长 , 反 相 抵 消 没 有 输出。 有 输 出 端 称 为 耦 合 端 ,无 输 出 端 称 为 隔离端。 理想情况下隔离端是没有功率输 出 的 ,但 是 小 孔 的 尺 寸 并 非 远 小 于 波 长 ,由 于孔的尺寸造成电磁场传输路径差有偏 差,在 隔 离 端 不 是 理 想 的 反 相 而 有 信 号 输 出 ,显 然 ,隔 离 输 出 的 功 率 期 望 小 一 点 。
2 软件的设计与实现
系 统 的 运 行 程 序 采 用 C语 言 编 写 ,采 用 模 块 化 设 计 ,整 体 程 序 由 主 程 序 、 定时中断 流程、 INT 中 断 、 液晶显示以及电机控制等 子程序模块组成。 主 程 序 流 程 图 如 图 2所 示。
3 软件测试
软 件 的 测 试 结 合 P rot eus 仿 真 软 件 完 成 ,根 据 之 前 的 各 模 块 进 行 初 始 化 设 置 ,在 编 写 程 序 前,要 先 对 各 个 模 块 分 别 进 行 调 试 ,并 编 写 各 部 分 的 子 程 序 。 测 心 率 时 ,用 了给定的信号进行模拟心率传感器采集的 信 号 , 由 P3.2 口 输 入 单 片 机 , 通 过 改 变 输 入 信 号 的 频 率 , 看 LDC1602 的 显 示 。 然后观察 采 到 的 数 据 是 否 正 常 ,黑 线 是 否 稳 定,以 及 发光二级管是否正常发光。
验 表 明 ,圆 形 的 耦 合 孔 在 加 工 上 比 较 方 便, 易 于 实 现 ,且 性 能 也 比 较 好 。 其测量结果见 表 1。 比 较 仿 真 结 果 与 测 量 结 果 :耦 合 度 两 者 均 为 17 dB 左 右 , 稍 有 一 点 偏 差 , 方 向 性 和 端 口 的 驻 波 系 数 有 一 定 的 差 别 ,但 总 体 趋 势 相 同 ,其 测 量 结 构 与 理 论 分 析 的 结 果 基本吻合。 本 文 介 绍 了 X波 段 波 导 窄 边 定 向 耦 合 器 ,在 两 种 形 状 耦 合 孔 之 间 进 行 比 较 ,最 终 选 择 了 圆 形 的 耦 合 孔,通 过 机 械 加 工 完 成 定 向 耦 合 器 的 功 能 ,经 过 实 际 测 量 并 且 与 仿 真 结 果 比 较,测 量 结 构 与 仿 真 结 果 基 本 相同。 充分证明了该设计方法的正确性和 可 行 性,具 有 十 分 重 大 的 工 程 使 用 价 值 。
1 硬件设计与实现
数字心率计主要是通过光电传感器采 集外界人体心率后经信号的滤波放大比较 处 理 再 单 片 机 控 制 液 晶 显 示 屏 显 示 ,达到 理想测心率和显示输出效果。 数字心率计 的 总 体 设 计 电 路 框 图 如 图 1所 示 ,主 要 包 括 取样电路、 放大滤波电路、 整形电路、 单片 机处理电路和显示电路。 先用红外光电传 感 器 采 集 与 心 跳 同 频 率 的 信 息 ,当 人 体 组 织 半 透 明 度 的 数 值 较 大 时 ,红 外 光 电 二 极 管发射出的透过人体组织的光强度很弱, 光 敏 三 极 管 无 法 导 通,所 以 输 出 端 为 高 电 平;当 人 体 组 织 半 透 明 度 的 数 值 较 小 时,红 外光电二极管发射出的透过人体组织的光 强 度 较 强 ,光 敏 三 极 管 导 通,输 出 端 为 低 电
科技资讯
2013 NO.26 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
信 息 技 术
基于单片机的数字心率计设计
黄川 ( 乐山师范学院物理与电子工程学院 四川乐山 614000) 摘 要 :本论文中的心率计采用光电传感和放大滤波技术制作出一个光电脉搏探头, 然后经过A/D转化把信号传送给主芯片STC89S52单 片机作信息处理后送 LCD液晶显示屏显示 ,LED发光二级管发光报警指示。 该电路能够有效地抑制干扰、 提高精度, 得到较理想的脉搏波 信号 , 具有低功耗低成本的特点。 关键词 : 单片机 STC89S52 光电传感器 LCD 液晶显示屏 LED 发光二极管 中 图 分 类 号 :TP2 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672-3791(2013)09(b)-0014-02
平,这 样 就 形 成 了 频 率 与 心 率 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 . 7 8 Hz,1 99 次 / 分 时 , 频 率 是 3.3 3 Hz, 从 传 感 器 过 来 的 是 低 频 信 号。 该低频信号首先经滤波电路以消除高 频 干 扰 ,再 经 过 二 级 线 性 放 大 器 ,放 大 器 将 信 号 放 大 后,再 进 行 比 较 得 到 脉 冲 信 号 ,该 脉 冲 信 号 通 过 P3.2 口 送 到 单 片 机 后 , 软 件 对 信 号 进 行 处 理 ,最 后 在 液 晶 显 示 屏 上 显 示数值。 数 字 心 率 计 是 以 单 片 机 STC89C52 来 作为最小系统的控制器。 采集电路用红外 发射和接收装置来采集人体的心率。 按人 体 心 率 在 运 动 后 跳 动 次 数 达 200 次 / 分 钟 的 计算来设计低通放大器作为放大电路。 比 较电路是利用电压比较器和电容的充放 电来实现的。 单片机处理电路运用了 ATMEL 公 司 的 89 C5 1 单 片 机 作 为 核 心 元 件 ,在 这 里 运 用 单 片 机 能 更 快 更 准 确 地 对 数 据 进 行 运 算 ,而 且 可 以 根 据 实 际 情 况 进 行 编 程 ,所 用 外 围 元 件 少 ,轻 巧 省 电 ,故 障 率低。 显示模块电路运用的是工业字符型 液 晶 LCD1602, 它 能 够 同 时 显 示 16 × 2 即 32 个 字 符 ( 如 图 1) 。
科技资讯
2013 NO.26 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
信 息 技 术
表 1 定向耦合器的测量结果 １０ＧＨｚ ４６． ３ｄＢ ４９． ９ｄＢ １７． ６ｄＢ １０． ５ＧＨｚ ３８． ６ｄＢ ３８． ８ｄＢ １７． ８ｄＢ １１ＧＨｚ ３６． ２ｄＢ ３６． ３ｄＢ １８ｄＢ 来自4 抗干扰措施及使用方法
4 . 1 抗干扰措施 为 了 提 高 测 量 仪 的 精 确 度 ,系 统 首 先 要解决的是硬件方面的干扰问题。 光电式 心 率 测 量 仪 的 测 量 过 程 中 ,前 端 测 量 到 的 心 率 信 号 十 分 微 弱 ,容 易 受 到 外 界 环 境 干 扰,其 中 主 要 的 干 扰 源 有 测 量 环 境 光 干 扰 、 电磁干扰、 测量运动噪声。 4 . 2 测量仪使用方法 测 量 仪 通 电 后 ,默 认 状 态 下 是 “普通人 测试模式” ,接 上 传 感 器 和 电 源 ,界 面 显 示 “ Young man 000 ” , 第二行显示 “ normal ” 表 示当前状态是初始状态。 需 要 测 试 ,直 接 将 手 指 头 至 于 传 感 器 中 间 , 等 待 约 20 秒 即 可 得到测试结果次数并对测试结果做判断。 此 模 式 下 可 以 按 K2进 入 到 “儿童测试模 式” ;K3 进 入 到 “老年人测试模式” ,测 试 方
2 定向耦合器的设计
波导定向耦合器采用窄边的小孔耦 合 ,耦 合 孔 可 以 看 成 小 天 线 ,在 副 波 导 内 形 成 近 场,受 到 复 杂 边 界 条 件 的 影 响 ,数 学 上 是 很 难 得 到 精 确 地 解,可 以 将 耦 合 孔 等 效 为 电 偶 极 子 和 磁 偶 极 子 的 组 合 体 ,可 以 视 为 小 天 线 ,在 副 波 导 中 产 生 近 区 场 ,多 个 小 天 线 产 生 的 场 互 相 叠 加 ,同 相 增 强 反 相 抵 消,耦 合 孔 的 间 距 决 定 了 相 邻 场 的 相 位 差 。 耦 合 孔 的 间 距 可 以 采 取 等 间 距 的 方 式 ,耦 合孔间距的确定是波导定向耦合器的重要 设计内容。 本 设 计 的 波 导 为 X波 段 ,其 中 心 频 率 为 10 GHz, 选 用 标 准 矩 形 波 导 , 其 主 模 的 波 导 波长及高次模的波导波长可以计算得到。 在 孔 等 间 距 分 布 条 件 下 ,根 据 小 孔 耦 合 理 论可以得到耦合孔的直径。 波导定向耦合 器 大 多 采 用 宽 边 孔 耦 合 的 方 式 ,窄 边 耦 合 的方式比较少。 在本设计中两个平行的 X 波 导 ,两 波 导 窄 边 相 连,波 导 之 间 分 隔 的 金 属 壁 为 1 mm, 在 金 属 壁 上 设 计 了 6 个 耦 合 孔 , 耦 合 孔 的 形 式 有 两 种 :一 种 为 方 孔 ;另 一 种 为圆孔。 耦 合 孔 的 间 距 为 9.94 mm, 方 孔 的 尺 寸 为 4 × 4,4 × 6,4 × 8 三 种 情 况 , 圆 孔 的 ( 上接 1 4 页 ) 法和前面相同。 当 测 试 满 足 要 求 时 ,液 晶 第 二行显示 “ normal ” ; 当高于或低于上限时或 显示 “ abnormal ” ; 当 测 试 次 数 小 于 40 次 时 , 表 示 脉 搏 采 集 失 败 ,显 示 “ error 。 ”
图 1 系统结构框图
图 2 主程序流程图 表 1 实际的脉搏次数及五次测量数据
实际的脉搏次数 ６５ ７２ ７６ ８１ ８５
测量得出脉搏次数 １ ６４ ７０ ７６ ８０ ８３
测量得出脉搏次数 ２ ６４ ７１ ７５ ８０ ８３
测量得出脉搏次数 ３ ６３ ６９ ７５ ７９ ８５
半 径 为 3、 3.5 、 4, 单 位 长 度 均 为 mm 。 然后对 数 据 进 行 比 较 ,在 参 考 较 好 的 技 术 指 标 ,对 其尺寸进行适当的修改。 耦合孔的尺寸应 该 不 在 小 孔 的 范 畴 ,但 现 有 的 理 论 已 经 对 大孔耦合做了详细的分析。 对于微波器件普遍存在着理论计算与 实际结果之间的误差。 即时理论结果非常 精确,但 实 际 生 产 制 造 过 程 中 有 众 多 的 影 响 因 素 ,很 难 实 现 理 论 分 析 的 结 果 。 通过实 际 的 研 究 调 试 过 程 中,需 要 对 器 件 的 尺 寸 进 行 反 复 的 修 改 ,同 时 可 以 采 用 电 磁 场 仿 真 软 件,对 设 计 的 定 向 耦 合 器 的 理 论 数 值 进 行 仿 真 ,在 仿 真 过 程 中 进 行 验 证 。 在 软 件 中 建 立 定 向 耦 合 器 的 腔 体 ,将 腔 体 的 内 表 面 定 义 为 理 想 的 导 体 面 ,两个 波 导 均 为 标 准 X 波 导 , 长 度 为 100 mm, 公 共 壁 为 波 导 的 窄 边 ,设 计 的 尺 寸 经 过 仿 真 得 到 其 耦 合 结 果,耦 合 孔 的 大 小 对 耦 合 度 影 响 比 较 大 ,耦 合 孔 的 间 距 会 影 响 到 隔 离 度 。