單片機課程設計報告-AVR與虛擬儀器

1、單片機課程設計報告 石天卓、孫虎、李其魯摘要：以Mega16芯片為核心，以SMA1602為顯示設備，以壓電陶瓷片為信號采集設備的心率計關鍵字：Mega16 SMA1602 壓電陶瓷片一設計的系統(tǒng)的目的、用途、功能我們通?？吹皆谠S多小型醫(yī)院，對心率的測定仍采用人工聽診器的方式，為了方便心率的采集，我們決定利用Mega16單片機為主芯片制造一簡單易用易攜的心率計，能夠實現(xiàn)自動計錄心跳次數(shù)并數(shù)字化形象直觀的顯示出來。為此，其中心率計特色功能的實現(xiàn)主要靠有效穩(wěn)定的信號采集模式，我們通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方法：通過一對紅色發(fā)光二極管實現(xiàn)和通過壓電陶瓷芯片實現(xiàn)。方案一：檢測的基本原理：隨著心

2、臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減??；當血液流回心臟，組織的半透明度增大。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。因此，本心率計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。方案二：檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏和頸部的搏動較為明顯，我們采用壓電傳感器放于上述部位，把壓電傳感器測得的信號轉換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就

3、能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。二硬件設計思想和電原理圖心率計精華即有效穩(wěn)定的信號采集模式，我們通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方案：通過一對紅色發(fā)光、接受二極管實現(xiàn)和通過壓電陶瓷芯片實現(xiàn)。由于壓電陶瓷芯片會不可避免得產(chǎn)生誤差，有時是和信號相似的低頻率波形，即便通過低通濾波電路仍不可完全消除，因而我們首選了紅色發(fā)光、接受二極管作為我們的設計方案，檢測原理如下： 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減??；當血液流回心臟，組織的半透明度增大。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。因此，將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝

4、在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。以下是我們的紅外線二極管方案的采集電路部分： 但由于紅外二極管發(fā)射和接受端總是不能有效得檢測出脈沖波形，我們又缺乏對紅外二極發(fā)射和接受管的了解，最后不得以放棄原有的設計方案，改為選用我們的第二套方案壓電陶瓷傳感器法。以下是我們的實驗原理：隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏和頸部的搏動較為明顯，我們采用壓電傳感器放于上述部位，壓電陶瓷片將脈搏振動轉化為電壓信號，我們將壓電陶瓷片測得的信號轉換成脈沖并進行整

5、形、計數(shù)和顯示，從而實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。雖然采取了濾波電路，但人體手腕的運動或頸部的運動如說話仍然會對信號采集產(chǎn)生影響，我們在采集信號的過程中仍需小心。三硬件單元的使用說明：功能：選用壓電陶瓷片為我們的傳感器，用LM324芯片IC1a和2個電阻組成我們的功率放大電路，用LM324芯片IC1b組成我們的低通濾波電路，運用mega16作為我們的處理器，選擇LA1602作為我們顯示裝置，選擇普通的5V蜂鳴器作提示使用，電路圖如下： 其中，信號采集部分的電路圖為：四、軟件設計思想：心臟跳動時會引起脈沖的變化，必然會產(chǎn)生上升沿與下降沿，因此在這里我們采用T0的下降沿觸發(fā)。但壓電陶瓷受外界的影響較

6、大，電路中還設計連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進一步濾除干擾。濾波后的信號太過微弱，我們需要對它進行信號放大。放大電路采用LM324放大倍數(shù)A=1+R2/R1。電R1,R2分別為10K，5歐。由于沒有買到5歐的電阻，我們用了兩個10歐的并聯(lián)代替。放大后的信號通過T0口進入Mega16。當有下降沿到來時TCNT0會自動計數(shù)。人的心律一般在50150之間，我們不用擔心TCNT0會自動溢出。另外我們計時采用的是CVAVR的延時程序，有誤差但很小。當一分鐘到時蜂鳴器會響一聲，提示我們計數(shù)已經(jīng)結束。為了方便計數(shù)我們還用了復位鍵，當Mega16開始計數(shù)時，蜂

7、鳴器一樣會響一下。Mega16采集到的信號我們通過PA口輸出到SMC1602中。SMC1602是一種液晶數(shù)字顯示模塊，可以通過對其變成來實現(xiàn)顯示內容。我們不但通過它顯示出了心率而且能夠分析出被測者心律的好壞。五、軟件流程圖取結果顯示脈搏次數(shù)低了高了正 常顯示具體示數(shù)一分 鐘到蜂鳴 器響開 始初始化開始計數(shù)SMC1602顯示六、系統(tǒng)測試過程及測試數(shù)據(jù)我們采用紅外線發(fā)射、接受二極管作為我們的采集裝置時，SMA1602工作正常，但顯示測得的心率總為0，錯誤的可能無非兩種：程序的錯誤和硬件采集電路的錯誤。為控制單一變量，我們對單片機PB0口輸入方波脈沖，實驗LCD屏成功精確顯示出了脈沖個數(shù)，說明程序編

8、寫正確，而硬件采集電路存在錯誤。后來，李其魯又多次檢測電路焊接，石天卓和孫虎多次檢測電路設計原理，均沒有發(fā)現(xiàn)錯誤。不得以，我們將自己焊接的電路拿到實驗室用示波器進行檢測，發(fā)現(xiàn)錯誤出現(xiàn)在右圖所示部分：Q1端沒有電流變化。那么可以確定，問題出在紅外線二極發(fā)射與接受管上，于是，我們查了它們具體的參數(shù)，D1的工作電壓為4V，工作電流20mA,Q1的工作電壓為5V，工作電流60mA,在調試中，我們發(fā)現(xiàn)開始的設計R1取值不當，后改為滑動變阻器，在R2下面也串聯(lián)了紅外發(fā)光二極管作為指示燈，Q1導通，但仍然沒有電流變化。直到現(xiàn)在，我們仍然沒有放棄此信號采集電路，又去買了帶增益功能的紅外線接受管（如右圖），后來

9、又一次失望最后，不得以買了壓電陶瓷片作為我們的傳感器來使用。我們先在實驗室通過示波器檢測了壓電陶瓷片的壓電特性，接著設計了相應的放大電路和低通濾波電路，連接到Mega16的PB0口并進行檢測后，發(fā)現(xiàn)結果: Perfect!一切正常，雖然我們沒有得到最想得到的結果，但我們心中還是充滿了成就感。這次我們還是帶著遺憾完成了這次總結，因為我們在紅外二極發(fā)射、接受管方案上作出了巨大的努力，最后卻以失敗而告終，并且，因為干擾信號的因素，壓電陶瓷片作為傳感器遠遠不如紅外二極發(fā)射、接受管方案精確，因為通過兩級濾波電路，基本可以完全排除雜波干擾，這里我們衷心希望能夠看到下一級的學弟學妹們完成第一種方案的設計。七

10、、設計所需的全部資源：（一）硬件清單：LM324芯片： Mega16芯片 蜂鳴器一個 直流電源一個 電阻若干 電容若干 SMC1602液晶顯示器 1m20列導線一根20cm*10cm電路版一塊八成員分工，工作情況及參考文獻石天卓 負責軟件部分LCD顯示的開發(fā)、電路圖的繪制及論文、網(wǎng)頁、PPT、心得的編寫孫虎 負責軟件部分計數(shù)、定時、蜂鳴器等功能的開發(fā)及軟件設計思想的編寫、電路的調試、資料查詢等工作李其魯 負責硬件焊接、Protel電路圖的繪制、元件的購買、電路檢測等工作 在課題制作過程中，大家優(yōu)勢互補，齊心協(xié)力，互相幫助，最終共同完成了課程設計的制作。我們切實體會到了：1.完成項目時前所未有的快樂。2.D