单片机课程设计报告-AVR与虚拟仪器.docx

单片机课程设计报告 石天卓、孙虎、李其鲁摘要：以Mega16芯片为核心，以SMA1602为显示设备，以压电陶瓷片为信号采集设备的心率计关键字：Mega16 SMA1602 压电陶瓷片一设计的系统的目的、用途、功能我们通常看到在许多小型医院，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，我们决定利用Mega16单片机为主芯片制造一简单易用易携的心率计，能够实现自动计录心跳次数并数字化形象直观的显示出来。为此，其中心率计特色功能的实现主要靠有效稳定的信号采集模式，我们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压电陶瓷芯片实现。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，本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，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换成电信号。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，人体手腕的脉搏和颈部的搏动较为明显，我们采用压电传感器放于上述部位，把压电传感器测得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。二硬件设计思想和电原理图心率计精华即有效稳定的信号采集模式，我们通过查阅资料发现主要的心率采集有两种方案：通过一对红色发光、接受二极管实现和通过压电陶瓷芯片实现。由于压电陶瓷芯片会不可避免得产生误差，有时是和信号相似的低频率波形，即便通过低通滤波电路仍不可完全消除，因而我们首选了红色发光、接受二极管作为我们的设计方案，检测原理如下： 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，将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，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换成电信号。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。以下是我们的红外线二极管方案的采集电路部分： 但由于红外二极管发射和接受端总是不能有效得检测出脉冲波形，我们又缺乏对红外二极发射和接受管的了解，最后不得以放弃原有的设计方案，改为选用我们的第二套方案压电陶瓷传感器法。以下是我们的实验原理：随着心脏的搏动，人体手腕的脉搏和颈部的搏动较为明显，我们采用压电传感器放于上述部位，压电陶瓷片将脉搏振动转化为电压信号，我们将压电陶瓷片测得的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，从而实现实时检测脉搏次数的目的。虽然采取了滤波电路，但人体手腕的运动或颈部的运动如说话仍然会对信号采集产生影响，我们在采集信号的过程中仍需小心。三硬件单元的使用说明：功能：选用压电陶瓷片为我们的传感器，用LM324芯片IC1a和2个电阻组成我们的功率放大电路，用LM324芯片IC1b组成我们的低通滤波电路，运用mega16作为我们的处理器，选择LA1602作为我们显示装置，选择普通的5V蜂鸣器作提示使用，电路图如下： 其中，信号采集部分的电路图为：四、软件设计思想：心脏跳动时会引起脉冲的变化，必然会产生上升沿与下降沿，因此在这里我们采用T0的下降沿触发。但压电陶瓷受外界的影响较大，电路中还设计连接了由IC1a、R4、C4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除干扰。滤波后的信号太过微弱，我们需要对它进行信号放大。放大电路采用LM324放大倍数A=1+R2/R1。电R1,R2分别为10K，5欧。由于没有买到5欧的电阻，我们用了两个10欧的并联代替。放大后的信号通过T0口进入Mega16。当有下降沿到来时TCNT0会自动计数。人的心律一般在50150之间，我们不用担心TCNT0会自动溢出。另外我们计时采用的是CVAVR的延时程序，有误差但很小。当一分钟到时蜂鸣器会响一声，提示我们计数已经结束。为了方便计数我们还用了复位键，当Mega16开始计数时，蜂鸣器一样会响一下。Mega16采集到的信号我们通过PA口输出到SMC1602中。SMC1602是一种液晶数字显示模块，可以通过对其变成来实现显示内容。我们不但通过它显示出了心率而且能够分析出被测者心律的好坏。五、软件流程图取结果显示脉搏次数低了高了正 常显示具体示数一分 钟到蜂鸣 器响开 始初始化开始计数SMC1602显示六、系统测试过程及测试数据我们采用红外线发射、接受二极管作为我们的采集装置时，SMA1602工作正常，但显示测得的心率总为0，错误的可能无非两种：程序的错误和硬件采集电路的错误。为控制单一变量，我们对单片机PB0口输入方波脉冲，实验LCD屏成功精确显示出了脉冲个数，说明程序编写正确，而硬件采集电路存在错误。后来，李其鲁又多次检测电路焊接，石天卓和孙虎多次检测电路设计原理，均没有发现错误。不得以，我们将自己焊接的电路拿到实验室用示波器进行检测，发现错误出现在右图所示部分：Q1端没有电流变化。那么可以确定，问题出在红外线二极发射与接受管上，于是，我们查了它们具体的参数，D1的工作电压为4V，工作电流20mA,Q1的工作电压为5V，工作电流60mA,在调试中，我们发现开始的设计R1取值不当，后改为滑动变阻器，在R2下面也串联了红外发光二极管作为指示灯，Q1导通，但仍然没有电流变化。直到现在，我们仍然没有放弃此信号采集电路，又去买了带增益功能的红外线接受管（如右图），后来又一次失望最后，不得以买了压电陶瓷片作为我们的传感器来使用。我们先在实验室通过示波器检测了压电陶瓷片的压电特性，接着设计了相应的放大电路和低通滤波电路，连接到Mega16的PB0口并进行检测后，发现结果: Perfect!一切正常，虽然我们没有得到最想得到的结果，但我们心中还是充满了成就感。这次我们还是带着遗憾完成了这次总结，因为我们在红外二极发射、接受管方案上作出了巨大的努力，最后却以失败而告终，并且，因为干扰信号的因素，压电陶瓷片作为传感器远远不如红外二极发射、接受管方案精确，因为通过两级滤波电路，基本可以完全排除杂波干扰，这里我们衷心希望能够看到下一级的学弟学妹们完成第一种方案的设计。七、设计所需的全部资源：（一）硬件清单：LM324芯片： Mega16芯片 蜂鸣器一个 直流电源一个 电阻若干 电容若干 SMC1602液晶显示器 1m20列导线一根20cm*10cm电路版一块八成员分工，工作情况及参考文献石天卓 负责软件部分LCD显示的开发、电路图的绘制及论文、网页、PPT、心得的编写孙虎 负责软件部分计数、定时、蜂鸣器等功能的开发及软件设计思想的编写、电路的调试、资料查询等工作李其鲁 负责硬件焊接、Protel电路图的绘制、元件的购买、电路检测等工作 在课题制作过程中，大家优势互补，齐心协力，互相帮助，最终共同完成了课程设计的制作。我们切实体会到了：1.完成项目时前所未有的快乐。2.Doing hard things is what makes you better!参考文献：1.网站资料2.C语言程序设计 谭浩强编 清华大学出版社3.模拟电路 童诗白 华成英 主编 高等教育出版社4.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践 马潮编著 北京航空航天大学出版社5.单片机原理及接口技术实验讲义 李茂奎著