基于STM32的脈搏測量儀設(shè)計

1、安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 論 文基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計系 別 電氣工程系 專 業(yè) xxxxxxxxxxxxx 班 級 xxxxxxxxxxx 姓 名 xxxxxxxxx 學(xué) 號 xxxxxxxxxxx 指導(dǎo)教師 xxxxxx 2014 2015 學(xué)年第 一 學(xué)期安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015屆畢業(yè)生畢業(yè)論文成績評定單姓名xxx專業(yè)xx班級xxxx課題基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計評分標準分值得分指導(dǎo)教師評語（40分）設(shè)計方案合理、實用、經(jīng)濟、原理分析正確、嚴密，內(nèi)容完整。10計算方法正確，計算結(jié)果準確，程序設(shè)計正確簡潔，工藝合理。5元器件（材料）選擇合理，明細表規(guī)范。5圖面清晰完整，布

2、局、線條粗細合理，符合國家標準。5文字敘述簡明扼要，書寫規(guī)范。5按時獨立完成，同學(xué)相互關(guān)心，遵守制度，認真負責(zé)。10合計得分： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日評閱教師評分（30分）內(nèi)容充實，有階段性成果，有應(yīng)用價值。10圖紙、論文如實反映設(shè)計成果，有理論分析，又有實踐過程。10語句通順，思路清晰，符合邏輯。5圖標清晰，文字工整，字符和曲線標準化。5合計得分： 評閱教師簽名： 日期： 年 月 日答辯評分（30分）自述條理明確，重點突出。5基本概念清楚，回答問題正確。15專業(yè)知識運用靈活，解決問題技術(shù)措施合理。10合計得分： 答辯組長簽名： 日期： 年 月 日總得分：等級系主任簽名：日期： 年

3、 月 日指導(dǎo)教師評語等級簽名日期安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)過程記錄表題目基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計學(xué)生姓名x學(xué) 號x指導(dǎo)教師xx系 部電氣工程系班 級x順序號第 1次學(xué)生完成畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容情況第一周: 指導(dǎo)老師布置畢業(yè)設(shè)計課題，要求學(xué)生查閱有關(guān)畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)資料； 學(xué)生簽名： 時間： 年 月 日教師指導(dǎo)內(nèi)容記錄 教師簽名： 時間： 年 月 日安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)過程記錄表題目基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計學(xué)生姓名x學(xué) 號x指導(dǎo)教師xx系 部電氣工程系班 級x順序號第 2次學(xué)生完成畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容情況 第二周：主要是把畢業(yè)設(shè)計方案要確定下來。和同學(xué)們熟悉實驗室相關(guān)

4、設(shè)備并掌握單片機結(jié)構(gòu)原理。 學(xué)生簽名： 時間： 年 月 日教師指導(dǎo)內(nèi)容記錄 教師簽名： 時間： 年 月 日安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)過程記錄表題目基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計學(xué)生姓名x學(xué) 號x指導(dǎo)教師xx系 部電氣工程系班 級x順序號第 3次學(xué)生完成畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容情況第三周：在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，完成畢業(yè)設(shè)計并焊出實物得出相關(guān)結(jié)論并寫報告； 學(xué)生簽名： 時間： 年 月 日教師指導(dǎo)內(nèi)容記錄 教師簽名： 時間： 年 月 日安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)過程記錄表題目基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計學(xué)生姓名x學(xué) 號x指導(dǎo)教師xx系 部電氣工程系班 級xx順序號第 4次學(xué)生完成畢業(yè)論文（設(shè)

5、計）內(nèi)容情況第四周:完成基于基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計得出結(jié)論并總結(jié)，把論文的內(nèi)容主體寫好。通過查閱資料和討論確定了正確的書寫內(nèi)容和重點； 學(xué)生簽名： 時間： 年 月 日教師指導(dǎo)內(nèi)容記錄 教師簽名： 時間： 年 月 日安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)過程記錄表題目基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計學(xué)生姓名x學(xué) 號x指導(dǎo)教師xx系 部電氣工程系班 級x順序號第 5次學(xué)生完成畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容情況第五周: 主要是把整篇文章進行了糾錯和改正，對不足和錯誤的地方進行修改。也參考了同學(xué)們的論文和資料對章節(jié)的局部內(nèi)容進行了修改。 學(xué)生簽名： 時間： 年 月 日教師指導(dǎo)內(nèi)容記錄 教師簽名： 時間： 年 月

6、 日安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)過程記錄表題目基于stm32的脈搏測量儀設(shè)計學(xué)生姓名x學(xué) 號x指導(dǎo)教師xx系 部電氣工程系班 級x順序號第 6次學(xué)生完成畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容情況第六周：主要是對整片論文進行了最終的確審，排版并打印。并對這段時間的學(xué)習(xí)做出總結(jié)。 學(xué)生簽名： 時間： 年 月 日教師指導(dǎo)內(nèi)容記錄 教師簽名： 時間： 年 月 日摘 要人們測量脈搏的傳統(tǒng)方法是使用測量脈搏的聽診器，或者使用吸附在人體上的電極等。這些老式的方法有其自身的局限性，不便于室外場所使用?；诖耍菊撐脑O(shè)計了一種基于stm32f103vet6主控芯片的脈搏測量儀，體積小，精度高，使用方便。在采集脈搏使用的介質(zhì)，

7、測量的部位和測量的方式有了重大改變。它采用紅外對管tcrt5000來進行人體的脈搏測量，檢測的部位為被檢測人的任意一個手指，耳垂等組織較薄的部分。其原理是根據(jù)血液舒張和收縮血液濃度的不同，紅外線傳感器的紅外信號透過血液的強度不同，因此可以測量并計算每分鐘其血液收縮擴張的次數(shù)，通過示波器能夠很直觀的觀察出來，并且該測量儀能夠?qū)崿F(xiàn)保存測量的數(shù)據(jù)，在回放狀態(tài)時，能回放所保存的測量數(shù)據(jù)，如波形等。通過液晶屏實現(xiàn)光電脈搏信號波形動態(tài)顯示，其設(shè)計理念新穎，可實現(xiàn)性好。關(guān)鍵詞：主控芯片stm32f103vet6 紅外對管tcrt5000 液晶屏目 錄第一章 緒論4第二章 脈搏測量儀現(xiàn)狀及意義52.1 脈搏測

8、量儀現(xiàn)狀52.2 意義6第三章 方案論證73.1 方案選擇73.2 系統(tǒng)框圖8第四章 stm32處理器概述94.1 stm32簡介94.2stm32的引腳圖94.3stm32的內(nèi)部資源104.4cortex-m3內(nèi)核簡介10第五章 基本結(jié)構(gòu)模塊125.1 脈搏信號采集模塊及原理125.2 脈搏信號放大和整形模塊135.3 顯示模塊及stm32最小板175.4測量儀整體電路圖195.5 測量儀實物圖20第六章 軟件設(shè)計216.1 stm32開發(fā)環(huán)境216.2 mdk370簡介216.3 jtag仿真器介紹22第七章 功能測試236.1 脈搏波形測試236.2 脈搏數(shù)測試256.3 液晶顯示及波形

9、回放功能測試266.4 脈搏上下限報警測試27結(jié)束語28致謝29參考文獻30第一章 緒論脈搏，臨床科學(xué)的說法為心率，是病理研究中非常重要的參數(shù)之一?，F(xiàn)在醫(yī)療監(jiān)測儀器的基本功能中，就包含心率的測量。及時迅速準確的對心率進行測量和評估，是對個人的生命體征的一種檢查與監(jiān)測。隨著科學(xué)的發(fā)展，電子技術(shù)的進步，脈搏測量儀的形態(tài)有了很大的變化，逐步向體積小，操作靈活的方向發(fā)展。目前，用于脈搏監(jiān)測的儀器為傳統(tǒng)的大型機。其體型碩大，操作不便。本次設(shè)計的目標，是要通過紅外傳感器，將信號傳輸至主控芯片，并由主控芯片計算脈搏信號。其間的測試參數(shù)，全部顯示于液晶顯示屏上。當(dāng)前市場上的脈搏測量儀器基本上采用的有傳統(tǒng)的聽診

10、器，大型的生命體征儀。聽診器由于是依靠人體感官進行測量，其精度較低、可靠性差、功能也比較單一、受外界影響很大，而生命體征儀由于測量的精度高，成本非常高，并且體積較大。第二章 脈搏測量儀現(xiàn)狀及意義2.1 脈搏測量儀現(xiàn)狀進入到科技迅猛發(fā)展的21世紀，科學(xué)技術(shù)不斷地被應(yīng)用于實際的產(chǎn)品生產(chǎn)和生活消費中，人們的生活日新月異蒸蒸日上。與此同時，迅猛的科技發(fā)展、崛起的工業(yè)生產(chǎn)，也造成了許許多多的生活問題煩擾著人們?？萍紭O大地促進了社會的發(fā)展變化，使人們的生活節(jié)奏加快，生活環(huán)境不再舒適優(yōu)雅，生活習(xí)慣隨之也發(fā)生了劇烈的變動，生活質(zhì)量因此而下降，人體的健康也受到了嚴重的干擾與破壞。在眾多的危害人類健康的疾病當(dāng)中，

11、各色各樣的心血管疾病成為其中的一種。這種疾病的發(fā)病率在逐年提高，發(fā)病群體也在不斷擴大，并呈年輕化趨勢，而且經(jīng)常引起極為嚴重的病危后果。這種疾病長期困擾著眾多的患者，市場上也迫切需要解決如此種類疾病的解決方案和治療方法。早期的預(yù)防與及早的發(fā)現(xiàn)病情就顯得極為的重要，這促使了很多的此種醫(yī)療儀器產(chǎn)品的研發(fā)與誕生。在當(dāng)今的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，通過使用測量脈搏跳動以獲取病人的身體健康狀況信息的電子醫(yī)療產(chǎn)品，愈來愈受到人們的歡迎。脈搏作為了解個人身體活動狀況的重要窗口，測量脈搏信號的電子醫(yī)療產(chǎn)品顯示了它的優(yōu)勢之處。這種測試脈搏信號的研發(fā)引起了眾多專家教授的普遍關(guān)注，受到了研發(fā)探究者的青睞。除了這些還帶來了其他利益和

12、好處，此類醫(yī)療儀器的研發(fā)與生產(chǎn)，商家可以賺到更多的錢，產(chǎn)品更加熱賣，人們的身體健康水準也隨之提高。在當(dāng)前的國際醫(yī)療研發(fā)領(lǐng)域中，有許多國家的醫(yī)生學(xué)者針對脈搏信號的采集提出了很多的設(shè)計思路與研究方法，其中不乏非常高效而精確的測量儀器及裝置，但由于他們的裝置和儀器都存在這樣或者那樣的缺陷，最終并未把原來的設(shè)計思路和解決方案應(yīng)用于大規(guī)模的產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)中去，也沒有應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測。比如，有的醫(yī)學(xué)測量儀器雖然高效而精確，但價格過于昂貴，不在普通消費者所能承受的范圍內(nèi)。或者有的電子醫(yī)學(xué)測量產(chǎn)品由于測量需要比較精確的固定之后，才能采集到準確的脈搏信號，操作環(huán)境要求過于理想，無法在通常中的條件正確測量。此外有的

13、儀器裝置由于操作過程過于復(fù)雜，本身不具備廣泛推廣的條件，因而無法推廣成為產(chǎn)品銷售。還有很多的醫(yī)療儀器由于這樣或者那樣的原因，僅僅只存在于理論設(shè)計和實驗研究當(dāng)中。在當(dāng)前的市場上，也存在相當(dāng)多的心血管的醫(yī)療測量儀器，它們各有優(yōu)缺點，但是有的測量不是相當(dāng)準確，有的測量過程有些繁瑣，有的價格可能比較昂貴，有的在診斷過程中可能會冒有不小的風(fēng)險，根據(jù)不同的人群和消費者，人們也可以各取所需。于是市場上迫切需要一種操作過程簡單化、測量比較準確有效、價格合適可以推廣、診斷過程安全高效、操作環(huán)境最普遍常見的智能脈搏測量的電子醫(yī)學(xué)測量儀器。2.2 意義脈搏信號是人體生理活動狀況最重要的信號之一，能夠反映人體生理活動

14、的基本信息，從而反映人體的生理甚至心理健康狀況。脈搏信號信息的獲取，也為人體其他方面的檢查提供了各種數(shù)據(jù)信息的參考。“望、聞、問、切”是我國古代中醫(yī)的行醫(yī)方法，“把脈”成為了解患者身體狀況的重要途徑，脈搏信號蘊含的豐富的信息為醫(yī)生為患者的診斷和開藥提供了重要依據(jù)。通過采集和獲取人體準確的脈搏信號，得到大量的身體狀況信息，我們一般采用市場上已有的各色各樣的傳感器。利用傳感器獲得患者的脈搏信號和信息，一般對個人的身體都不會造成危害，都是極為安全的。其次在于它操作過程和步驟的簡單化，使用起來會非常方便，非常受到消費者和各位醫(yī)學(xué)專家教授的歡迎。通過脈搏信號采集，獲取人體的身體健康信息逐漸成為一種趨勢，

15、由于脈搏信號的種種優(yōu)勢，它的市場應(yīng)用前景非常廣泛，應(yīng)用和使用價值也極為巨大，在未來的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，它也必定是研究探索的熱門話題。利用當(dāng)今迅速發(fā)展的電子技術(shù)應(yīng)用于脈搏的醫(yī)學(xué)測量，極大地促進了醫(yī)學(xué)醫(yī)療儀器的發(fā)展與生產(chǎn)，隨之而帶動的智能脈搏電子測量儀也會在醫(yī)療產(chǎn)品市場上具有一席之地，消費者和市場空間大門會為之而打開。本次設(shè)計所采用的大致方法如下，整個系統(tǒng)控制將由stm32f103vet6主控芯片構(gòu)成。選用tcrt5000作為紅外線測試元件，液晶作為顯示器件,各個檢測信號、顯示信號可由芯片的i/o口進行。血液是一種高度不透明液體, 血液中含有大量的血紅細胞, 這種細胞具有很強的吸收紅外線的功能。因此,

16、 紅外線在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。當(dāng)人體動脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張, 動脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時, 動脈所在部分的人體組織對于紅外光的透射性就會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯, 因而取手指尖或耳垂作為信號采集部位，從而更好的實現(xiàn)測量功能。第三章 方案論證3.1 方案選擇在本次的方案設(shè)計當(dāng)中，脈搏信號的采集和獲取是整個脈搏測量儀設(shè)計中的重中之重。只有準確、高效、可靠地采集到個人的脈搏信號，整個設(shè)計才有成功的可能，整個設(shè)計才會有實在的意義。由于脈搏的信號極弱，振動幅度非常有限，不易于進行采集和獲取，會給收集脈搏信號者帶來不小的麻煩。在脈搏信

17、號本身極弱的同時，它還很容易收到其他生理信號的干擾，對于每一個生物體來說，其各個部分的生理信號都是相互干擾、相互影響的。再者，每個生物體的情緒的不同，喜怒哀樂的變化，也會造成生理信號的改變，在這種情況下，脈搏信號就會受到噪聲的干擾，只有選擇一個恰當(dāng)?shù)拿}搏測量傳感器，才能夠獲得準確、高效、可靠的脈搏信號。脈搏信號的頻率是很低的，1分鐘的次數(shù)大致如下，且對于不同的個體也是有差別的：男性的是60到100次，女性的是70到90次，小孩的大概是90次。在本設(shè)計中我選用了光電傳感器。光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進行測量。在脈搏測量中，我們可以通過紅外線照射人體時由于脈搏的跳動，透光度不同而產(chǎn)生不同的電

18、流，而獲取脈搏跳動的信號。用光電傳感器測量時，我就可以不用考慮脈搏的振動幅度過小，而且受到的干擾也較小。一般光電傳感器的應(yīng)用也有兩種，耳脈測量和指脈測量。耳脈的特點是光電信號較弱，并且在不同的溫度、不同的季節(jié)中，測量結(jié)果也不相同，因此會造成測量的數(shù)據(jù)不準確，但測量環(huán)境較為清潔。而指脈測量由于汗腺發(fā)汗會使測量儀器變臟，致使測量不準確，需要經(jīng)常清洗。從整體上來考慮，指脈的光電信號較強，且操作簡單易行，所以選擇使用指脈測量。指脈光電傳感器也分為兩種，分為透射型的和反射性的兩種：（1）透射型：圖3-1透射型光電傳感器如圖3-1是透射型光電傳感器，透射型指脈光電傳感器是由上端的發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，紅外

19、線通射過手指，手指內(nèi)的血液濃度由于脈搏的跳動而發(fā)生變化，投射過的紅外線強度發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光電信號。（2）反射型： 圖3-2 反射型光電傳感器如圖3-2是反射型光電傳感器，反射型是指發(fā)光二極管和光敏三極管在同一水平端上，發(fā)光二極管發(fā)射出紅外線，由于脈搏跳動而使血液濃度發(fā)生變化，由于血液可以選擇性吸收紅外光致使光敏三極管接受率發(fā)生變化，由于血液循環(huán)流動，脈搏周期跳動，所以其變化也呈周期性，所以本次設(shè)計我采用反射式。3.2系統(tǒng)框圖整個電路的各個部分框圖如下圖所示： 圖 3-3 脈搏測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第四章 stm32處理器概述4.1 stm32簡介stm32f103xx增強型系列使用高性能的a

20、rm/cortex-m3/32位的risc內(nèi)核，工作頻率為72mhz，內(nèi)置高速存儲器(高達128k字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的sram)，豐富的增強i/o端口和聯(lián)接到兩條apb總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的adc 、3個通用16位定時器和一個pwm定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個i2c和spi、3個usart、一個usb和一個can。 stm32f103xx增強型系列工作于-40至+105 的溫度范圍，供電電壓2.0v至3.6v，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。 完整的stm32f103xx增強型系列產(chǎn)品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，

21、器件中的外設(shè)配置不盡相同。這些豐富的外設(shè)配置，使得stm32f103xx增強型微控制器適合于多種應(yīng)用場合： 電機驅(qū)動和應(yīng)用控制 ； 醫(yī)療和手持設(shè)備 ； pc外設(shè)和gps平臺； 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機和掃描儀 ； 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) ；4.2 stm32的引腳圖圖4-1 stm32f103xx增強型管腳圖4.3 stm32的內(nèi)部資源stm32有豐富的內(nèi)部資源，如下所示：realview mdk（miertocontroller development kit）基于arm微控制器的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具；內(nèi)置閃存存儲器；內(nèi)置sram； 嵌套的向量式中斷控制器(nvi

22、c)；外部中斷/事件控制器(exti)； 時鐘和啟動； 自舉模式； dma ；rtc(實時時鐘)和后備寄存器 ；窗口看門狗； i2c總線 ；通用同步/異步接受發(fā)送器(usart)； 串行外設(shè)接口(spi)； 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(can) ；通用串行總線(usb)； 通用輸入輸出接口(gpio)； adc(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器) ；溫度傳感器； 串行線jtag調(diào)試口(swj-dp)。4.4 cortex-m3內(nèi)核簡介cortex-m3內(nèi)核包含一個適用于傳統(tǒng)thumb和新型thumb-2指令的譯碼器、一個支持硬件乘法和硬件除法的先進alu、控制邏輯和用于連接處理器其他部件的接口。cortex-m3處理器是

23、首款基于armv7-m架構(gòu)的arm處理器。中央cortex-m3內(nèi)核使用3級流水線哈佛架構(gòu)，運用分支預(yù)測、單周期乘法和硬件除法功能實現(xiàn)了出色的效率（1.25dmips/mhz）。cortex-m3處理器是一個32位處理器，帶有32位寬的數(shù)據(jù)路徑、寄存器庫和基于傳統(tǒng)arm7處理器的系統(tǒng)只支持訪問對齊的數(shù)據(jù)，沿著對齊的字邊界即可對數(shù)據(jù)進行訪問和存儲。cortex-m3處理器采用非對齊數(shù)據(jù)訪問方式，使非對齊數(shù)據(jù)可以在單核訪問中進行傳輸。cortex-m3處理器是專為那些對成本和功耗非常敏感但同時對性能要求又相當(dāng)高的應(yīng)用而設(shè)計的。憑借縮小的內(nèi)核尺寸和出色的中斷延遲性能、集成的系統(tǒng)部件、靈活的配置、簡單

24、的高級編程和強大的軟件系統(tǒng)，cortex-m3處理器將成為從復(fù)雜的芯片系統(tǒng)到低端微控制器等各種系統(tǒng)的理想解決方案。圖4-2 cortex-m3處理器與arm7作比較。圖4-2 cortex-m3與arm7相比較第五章 基本結(jié)構(gòu)模塊5.1 脈搏信號采集模塊及原理信號采集模塊會用到tcrt5000光電傳感器兩個，一個作為發(fā)射端，一個作為接收端。tcrt5000傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣,一傳一感.tcrt5000具有一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管。當(dāng)發(fā)射管的紅外信號經(jīng)反射被接收管接收后,接收管的電阻會發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來。圖為tcrt5000外形圖。圖5-1

25、tcrt5000外形圖下圖為脈搏信號采集模塊的電路原理圖圖5-2 脈搏信號采集模塊電路脈搏信號采集電路中，如圖5-2所示，u1為紅外信號發(fā)射端，u2為紅外顯示接收端。同時，u2在接收紅外信號的時候，并將紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號。其過程如下：u1發(fā)射紅外信號，在u1和u2之間，為測量物體（手指，耳垂等）。當(dāng)紅外線穿過未充血的測量物體時，穿透的紅外信號強，u2能夠接收信號。當(dāng)測量物體充血，穿透的紅外信號弱，u2無法接收到足夠強的信號。在u2的引腳上方的電壓不為0。正電源會在引腳處產(chǎn)生電壓，電信號會產(chǎn)生，進入下一模塊。5.2 脈搏信號放大和整形模塊由于人體的脈搏通常為50200次/分鐘，對應(yīng)的頻率范圍在

26、0.83hz3.33hz之間，因此經(jīng)紅外檢測采集到并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結(jié)果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。而且脈搏儀所使用的地點不能保證是陰暗的室內(nèi)，所以要考慮到強光對其測量的干擾。此外，低頻信號需要經(jīng)過多倍放大和整形，才能被主控模塊所接受和處理。信號轉(zhuǎn)換模塊會使用到lm741，lm358運算放大器。主要參數(shù)和特性如下：lm358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器

27、、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。特性(features): 內(nèi)部頻率補償 直流電壓增益高(約100db) 單位增益頻帶寬(約1mhz) 電源電壓范圍寬：單電源(330v) 雙電源(1.5 15v) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0 至vcc-1.5v)圖5-3 lm358引腳功能說明lm741（單運放）是高增益運算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低

28、失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢弧m741芯片引腳和工作說明：1和5為偏置(調(diào)零端)2為正向輸入端3為反向輸入端4接地6輸出7接電源8空腳信號采集模塊產(chǎn)生的電信號，傳輸?shù)叫盘柗糯笳文K，其放大整形過程如下：如圖5-4，電信號經(jīng)過lm741的放大，放大倍數(shù)為r5/r3=100。但在放大的過程中，必然會有低頻干擾信號，需要去除低頻信號，由6號引腳輸出后，經(jīng)過整形的信號進入二級放大電路，如圖5-5所示，經(jīng)過c4的整形，電信號的低頻干擾基本上已經(jīng)去除完畢，可以通過示波器觀察可知，已經(jīng)達到了預(yù)期設(shè)計效果。圖5-4 第一級放大整形電路圖5-5 第二級放大整形電路在信號放大整形電路中，信號已經(jīng)放大。但是

29、考慮到高頻信號干擾的問題，因此需要設(shè)計一個高頻濾波電路。其電路圖如下：圖5-6 高頻濾波電路在此電路中，c7，c8為0.47uf的瓷片電容。并聯(lián)電容的特性就是通低頻，阻高頻。經(jīng)過這兩個瓷片電容的過濾，高頻干擾將會被濾除。這樣就保證了在電信號的小干擾。對于最后測量脈搏的結(jié)果準確，起到了重要的作用。在此電路中，r14為lm358的反饋電阻。通過調(diào)整電位器r14，可以改變輸出電壓的大小，改變信號的放大倍數(shù)，這也是設(shè)計最后調(diào)試的階段的重要器件。 信號從lm358的1引腳輸出后，即將進入主控模塊，如圖5-7所示：圖5-7 信號倒向及指示電路由于采集模塊中，當(dāng)紅外線無法透過被測物體時，信號經(jīng)過放大整理至l

30、m358中，會有一個高電平。因為此過程非常迅速，對于主控模塊來說，更適合于捕捉低電平信號。因此需要進行電平的倒向處理，經(jīng)過q1（即三極管）將電平倒向。在設(shè)計中我在主控模塊和電平之間放置一個發(fā)光二極管，這樣做的目的是有利于每次低電平信號進入時，發(fā)光二極管就會發(fā)光，表示已經(jīng)檢測到有脈搏的變化，在視覺上顯得更加直觀人性化，方便觀察。同時，將此信號輸入主控模塊，引入到下一個模塊中去。5.3顯示模塊及stm32最小板由于本次設(shè)計初衷是要把此脈搏儀制作的更加人性化，操作簡單，控制界面友好。因此我選用了野火開發(fā)板自帶的液晶屏來做顯示，該液晶可以很方便的實現(xiàn)實驗中數(shù)據(jù)記錄的顯示和所需要的光電脈搏信號波形動態(tài)顯

31、示和波形的回放功能，顯示的內(nèi)容可以通過按鍵來切換包括，模式選擇界面，測量界面。這樣就做到了儀器操作起來更加的簡易化，更加的人性化，如圖5-8所示： 圖5-8 液晶實物圖 圖5-9 stm32最小板實物圖5.4 測量儀整體電路圖圖5-10 設(shè)計原理圖5.5 測量儀實物圖圖5-11 實物圖第六章 軟件設(shè)計6.1 stm32開發(fā)環(huán)境stm32自問世至今，采用過如下軟件，皆有利弊。iariar是stm32開發(fā)使用最多的軟件平臺。iar官方提供iarforarm兩種類型的版本供免費評估： 32k學(xué)習(xí)版，只能支持編譯32k目標代碼，等效無時間限制 ；30天評估版，無編譯代碼限制。mdk自從keil被arm

32、公司收購以后，它在keil中集成了arm自己的編譯器，改名為mdk。ride該軟件支持gcc編譯器開發(fā)stm32產(chǎn)品。該套開發(fā)板使用keilmdk370開發(fā)軟件，該軟件使用簡單，keil是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯編譯仿真于一體，支持匯編，plm語言和c語言的程序設(shè)計，界面清晰，易學(xué)易懂，我在這里選用的是keilmdk370，6.2節(jié)著重介紹。6.2 mdk370簡介real view mdk（miertocontroller development kit）是arm公司最先推出的基于arm微控制器的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具。它采用了arm的最新技術(shù)編工具rvct，集成了享譽全球的

33、vision ide，因此特別易于使用，同時具備非常高的性能。它適合不同層次的開發(fā)者使用，包括專業(yè)的應(yīng)用程序開發(fā)工程師和嵌入式軟件開發(fā)的入門者。mdk包括符合工業(yè)標準的real view編譯工具、測試器以及實時內(nèi)核等組件，支持所有基于arm的設(shè)備，能幫助工程師按照計劃完成項目。mdk提供啟動代碼生成向?qū)岣唛_發(fā)效率；mdk提供強大的設(shè)備模擬器縮短開發(fā)周期：目標設(shè)備的所有組件都可仿真，代碼可在整個設(shè)備上運行。完全的目標硬件仿真，完整的目標，高效指令集仿真，中斷仿真，片內(nèi)外圍設(shè)備有adc, dac, ebi, timers ，uart,can，i2c,包含外部信號和i/o。充足的仿真信息，包含在設(shè)

34、備數(shù)據(jù)庫里。mdk提供高效的性能開發(fā)工具；mdk支持最新的cortex-m3處理器： cortex-m3處理器是arm公司推出的最新的針對微控制應(yīng)用的內(nèi)核，提供業(yè)界領(lǐng)先的高性能和低成本解決方案，將成為mcu應(yīng)用的熱點和主流。但是目前能支持cortex-m3構(gòu)架的開發(fā)工具很少，包括sdt，ads1.2等多數(shù)開發(fā)工具都不支持。mdk是目前性價比最高的支持cortex-m3處理器的開發(fā)工具。mdk集成了flash編程模塊；mdk提供業(yè)界最好的 vision ide易學(xué)易懂。6.3 jtag仿真器介紹j-link是支持仿真arm內(nèi)核芯片的jtag仿真器。配合iar ewarm，ads，keil，win

35、arm，realview等集成開發(fā)環(huán)境支持所有arm7/arm9內(nèi)核芯片的仿真，通過rdi接口和各集成開發(fā)環(huán)境無縫連接，操作方便、連接方便、簡單易學(xué)，是學(xué)習(xí)開發(fā)arm最好最實用的開發(fā)工具。dq電子推出的j-linkv7仿真器采用原版固件，參照原版原理圖，經(jīng)過dq團隊的長時間精工制作，板型合理，元件布局美觀大方，走線嚴謹精致，并且每一個產(chǎn)品都經(jīng)過功能和老化測試，功能完全與原版一致，支持在線升級。j-link arm主要特點：iar ewarm集成開發(fā)環(huán)境無縫連接的jtag仿真器。 支持所有arm7/arm9內(nèi)核的芯片，以及cortexm3，包括thumb模式。支持ads,iar,keil,win

36、arm,realview等幾乎所有的開發(fā)環(huán)境。下載速度高達arm7:600kb/s，arm9:550kb/s，通過 dcc 最高可達 800 kb/s*最高jtag速度 12mhz。目標板電壓范圍1.2v3.3v。 自動速度識別功能。監(jiān)測所有jtag信號和目標板電壓。 完全即插即用。 使用usb電源（可接通j12跳線給目標板供電，出廠時未接通）。 帶usb連接線和20芯jtag連接排線。 支持多jtag器件串行連接。 標準20芯jtag仿真插頭。 帶j-link tcp/ip server，允許通過tcp/ip網(wǎng)絡(luò)使用j-link 支持的內(nèi)核： arm7tdmi（rev 1）； arm7tdm

37、i（rev 3）； arm7tdmi-s（rev 4）； arm720t ； cortexm3。第六章 功能測試6.1 脈搏波形測試打開示波器電源，同時接通電腦的usb接口給stm32最小板和脈搏測量儀上電，將j-link仿真器插在stm32最小板上，編譯下載程序，檢查無誤后將測量儀的管腳用杜邦線連接固定到最小板上。把手指放入封閉的指套中，用示波器的探頭檢測測試點1，調(diào)節(jié)并觀察示波器，發(fā)現(xiàn)波形十分雜亂伴有大量的雜波，不符合要求。再用示波器的探頭檢測測試點2，調(diào)節(jié)并觀察示波器，發(fā)現(xiàn)測得的波形十分完，符合預(yù)期的要求，如圖6-1所示：圖6-1 脈搏波形圖用示波器的探頭檢測測試點3，觀察并調(diào)節(jié)示波器，

38、發(fā)現(xiàn)示波器上出現(xiàn)了經(jīng)過整形后的脈搏波形，波形隨著脈搏的跳動而發(fā)生周期性的變化，符合預(yù)期的設(shè)計要求，如圖6-2所示：圖6-2 整形后的脈搏波形6.2 脈搏數(shù)測試將手指放入封閉指套中，調(diào)節(jié)并觀察示波器是否有波形出現(xiàn)，同時觀察液晶屏顯示的脈搏數(shù)在一分鐘內(nèi)的次數(shù)，如圖6-3所示：圖6-3 脈搏數(shù)顯示6.3 液晶顯示及波形回放功能測試將手指放入封閉指套中，觀察示波器是否有波形出現(xiàn)，同時觀察液晶屏的脈搏波形顯示，可看到波形會隨著脈搏的跳動而不斷被刷新而跳動，確認無誤后，按下最小板上的按鈕切換到波形回放界面，觀察波形可知，在液晶屏上顯示的波形和用示波器測出的波形是近似一樣的，符合預(yù)期的設(shè)計要求，如圖6-4所

39、示：圖6-4 波形顯示及回放顯示6.4 脈搏上下限報警測試此部分的電路設(shè)計為報警電路，其設(shè)計目的主要在于能夠作為個人身體狀況的指示信號，引起人們對于自身測量健康結(jié)果的關(guān)注。根據(jù)健康知識的常識能夠知道，人體的正常脈搏跳動在每分鐘六十次到一百二十次之間。當(dāng)經(jīng)過測量之后，若人體的脈搏頻率在每分鐘超過一百二十次時，液晶屏上會給予相應(yīng)的顯示，在程序中設(shè)定的脈搏上限為150，下限為50，當(dāng)脈搏跳動的過快或者過慢，就會觸發(fā)報警功能，指示燈變亮，當(dāng)脈搏恢復(fù)正常時燈就會熄滅，如圖6-5所示：圖6-5 報警功能測試結(jié)束語通過這一暑假的努力，基于stm32的脈搏測量儀終于是出爐了，期間我查閱了大量的資料，也從中掌握了不少的知識點。脈搏測量儀的設(shè)計方案多種多樣，本次的設(shè)計思路是經(jīng)過各種方案的優(yōu)劣對比，進行了認真的分析與思考，并且考慮到在實際中的應(yīng)用問題，選擇了一種相對比較合理的設(shè)計方案。在本次設(shè)計中最關(guān)鍵的問題是傳感器的選擇與傳感器輸出的微弱信號提取問題, 在剛開始做的時候，由于傳感器選擇的不對，測試的脈搏波形出不來，后來經(jīng)過查找相關(guān)資料和在實驗室老師的指導(dǎo)提示下，進過多次的實驗，最終選擇了型號為tcrt5000的紅外傳感器。在調(diào)試過程中我發(fā)現(xiàn)手指的放置位置也有講究，最初是將手指放在傳感器的中間，