沈阳工程学院--传感器课程设计 基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计

1、沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系 别 自动化学院 班级 学生姓名 学号 指导教师 祝尚臻 职称 讲师 起止日期：2016年 1 月 4 日起至 2016年 1 月15 日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系 别 自动化学院 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 祝尚臻 职 称 讲师 课程设计进行地点： F430 任 务 下 达 时 间： 2015 年 1月4日 起止日期：2016 年 1 月4日起至 2016年 1 月15日止教研室主任 年 月 日批准基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计1 设计主

2、要内容及要求1.1 设计目的：（1）了解脉搏检测相关背景知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。    （2）初步掌握常用常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。  （3）通过学习，具体掌握所选择脉搏测量传感器的使用特点、测量电路和使用方法。1.2 基本要求 （1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。 （2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。 （3）设计异常心跳的报警电路。1.3 发挥部分 自由发挥2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥

3、部分可任选；（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；（3）报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12016.1.4

4、讲解主要设计内容，安排学生查阅资料打分22016.1.5检查任务框图的设计情况打分32016.1.6检查整个设计理论方面的准备情况打分42016.1.7指导学生进行传感器的选择打分52016.1.8进程传感器及测量电路的硬件电路设计打分62016.1.11讲解原理图的绘制要求打分72016.1.12检查原理图完成情况，讲解及纠正错误打分82016.1.13检查流程图的绘制及报告的书写要求打分92016.1.14布置答辩打分102016.1.15答辩、写报告打分2016-1-4沈 阳 工 程 学 院 传感器 课程设计成绩评定表系（部）： 自动化学院 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意

5、 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性

6、；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计中 文 摘 要 随着科技水平的提高，医学对人体相关信息的提取技术也不断提高，脉搏信息可以可精确的反映出人体的一些信息。本次设计是基于光电传感器的脉搏信息检测系统。通过型号为HGK_07B的光电脉搏传感器将测试者的脉搏信息提取出来，然后经

7、过放大滤波整形电路转换成单片机可以识别的脉冲信号，然后选用型号为STM8S208R8的单片机进行控制和运算，最终通过显示器将信息显示出来，系统还包含异常心跳报警功能。另外，本系统还通过型号为DS18B20的温度传感器实现人体体温的精确测量。关键词 脉搏测量 单片机 传感器 目 录课程设计（论文）任务书课程设计（论文）成绩评定表中 文 摘 要I1 设计任务描述11.1 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路23 设计方框图34 各部分电路设计及参数计算44.1 信息提取处理电路部分44.1.

8、1 传感器的选择44.1.2 信号处理电路54.2 处理器基本电路部分64.2.1 处理器选择64.2.2 处理器外围电路设计74.3 报警显示电路部分84.3.1 显示电路84.3.2 报警电路104.4 软件设计部分104.4.1 软件选择104.4.2 程序设计105 工作过程分析136 元器件清单14小 结15致 谢16参考文献17附 录 A 逻辑电路图18III1 设计任务描述1.1 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的（1）了解脉搏检测相关背景知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。    （2）初步

9、掌握常用常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。  （3）通过学习，具体掌握所选择脉搏测量传感器的使用特点、测量电路和使用方法。1.2.2 基本要求 （1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。 （2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。 （3）设计异常心跳的报警电路。1.2.3 发挥部分(1)体温测试及其显示。2 设计思路脉搏信息的提取是医学领域的一项重要信息提取手段，研究脉搏信息提取系统具有重要的意义。本文将阐述设计一套基于光电传感器的脉搏信息检测系统。该装置是根据手指毛细血管的血容量随心脏搏动而改变这一生理特点，利

10、用光电转换原理以及单片机计数测量原理完成对心的测量，并且在显示系统上显示出来。另外，本套系统还可以对测试者的体温进行测量，并且显示出来。基于本次设计，该系统主要包括以下几个部分组成：（1） 信息提取处理电路部分：本部分的电路的作用是将需要测量的信息利用传感器提取出来，并且利用相干电路进行放大、滤波、整形等处理，从而形成带有测量信息、处理器可识别的信号。这样，就可以将这个信号输入至处理器，进行后续处理。（2） 处理器基本电路部分：本部分电路的作用是是微处理器可以进行工作的基础电路，其中包括处理器的电源电路、复位电路、振荡电路等电路。这些电路称之为处理器的最小系统电路。（3） 报警显示电路部分：本

11、部分的电路作用是实现本系统的报警都和显示功能。人的脉搏频率频率正常范围是40次/min到200次/min左右，如果测量者的心跳范围不在正常范围内，电路产生报警。另外，系统还需要将测试者的脉搏信息或者温度信息显示出来。当测试完成后，电路显示器件发生作用。（4） 软件设计部分：此部分对处理器编程处理，实现系统总体功能。3 设计方框图 温度传感器 脉搏传感器 脉搏 信 号 处 理温 度 信 号脉 搏 信 号 单 片 机 电 源 显示器 报警器4 各部分电路设计及参数计算 本套脉搏测试系统是基于光电脉搏传感器HKG-07B、单片机STM8S208R8和一些相关电路所构成的。另外，此系统还装有DS18B

12、20温度传感器，可以对测试者的体温进行测量，并显示。以下，将阐述个部分电路组成。4.1 信息提取处理电路部分4.1.1 传感器的选择硬件电路中，关键部分在于脉搏信号的检测。根据需求，本系统选择型号为HKG-07B的光电脉搏传感器。该脉搏传感器是华科电子所发明的脉搏信号传感器。HKG-07B 红外脉搏传感器利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起手指指尖的血容积发生相 应的变化产生的信号 经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。传感器的工作电压为 5V，输出电压约为 0.2V 到 1V 左右。目前，HKG-07B

13、红外脉搏传感器主要用于临床上脉率的计数、监测等。另外，本系统还可以对测试者的体温进行测量，根据需求，本系统选用型号为DS18B20的温度传感器。DS18B20是一种单总线数字温度传感器。测试温度范围-55-125，温度数据位可配置为9、10、11、12位，对应的刻度值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，对应的最长转换时间分别为93.75ms、187.5ms、375ms、750ms。出厂默认配置为12位数据，刻度值为0.0625，最长转换时间为750ms。该传感器与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和可

14、电擦除RAM，可电擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字。当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除RAM中。当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。 图4.1.1.1 DS18B20封装图 图4.1.1.2 HKG-07B输出曲线图4.1.2 信号处理电路当测试的信号经过传感器输出后，信号并不能被单片机识别，所要加以处理。脉搏传感器输出信号如图4.1.1.2所示，根据数据手册，最大值和最小值分别为0.2V和1V左右。这个信号输出后，其

15、本质并不是单片机能识别的信号，所以，要将此信号需要放大整形。信号在传递过程中，由于外界还存在一些高频干扰信号和直流偏置信号，为了去除这些信号，还需要滤波电路。人的心跳频率在1Hz至2Hz范围内，所以本系统需要一个低通滤波电路。经过这几部分电路将信号转换后，单片机就可以处理了。图4.1.2.1 放大滤波电路如图4.1.2.1 所示，该电路的作用是信号放大和滤出高频信号。其中C1作用是除去信号中的直流分量。R5和 C2构成低通滤波器。R3、R4和U2A构成信号放大器，将信号放大，U2A为 LM234放大器。根据需求，将传感器输出信号放大5倍： A=R4/R3+1低通滤波器的截至频率为5Hz： f=

16、1/2R5C2根据计算，各部分元参数在图4.1.2.1 均显示出来。图4.1.2.2 整形电路图图4.1.2.2为整形电路图。该电路的作用是将信号整形为脉冲信号。LM339D为电压比较器，其5脚接前端输出的信号，4脚接比较电压的信号。R1和R2构成分压器，为比较器提供3V的比较电压。另外LED1为信号灯，当检测到一个有效的脉搏信号的时，其发光。整形后的波形如图4.1.2.3 图4.1.2.3 整形后输出波形对于温度测量信号，因为传感器本身内部集成相关电路，可直接与MCU进行通信，这里不作阐述。4.2 处理器基本电路部分4.2.1 处理器选择 本系统采用了意法半导体公司的STM8S208R8作为

17、系统主控制器。STM8S系列MCU基于哈佛结构并带有3级流水线的高级STM8内核；运行主频最高可达24MHz，指令处理速度最高20MIPS；较宽的工作电压范围（2.95-5.5V）；丰富的片上Flash ROM及RAM存储器资源，可供用户实现复杂功能；并且拥有众多的先进外设（集成EEPROM、最多16路10位ADC、2个16位Timer、UART、SPI、IIC、CAN等），非常适合用作嵌入式控制系统开发。利用C语言对单片机STM8S208R8进行编程，使STM8S208R8能够精准的执行系统运行所需的指令。图4.2.1.1 STM8S208R8原理图库文件图4.2.2 处理器外围电路设计 处

18、理器需要稳定的工作，必须在外围设置一些相关电路。其中包括复位电路、振荡电路、和电源电路，具体如下： 图4.2.2.1 复位电路图 如图4.2.2.1所示，该电路为复位信号产生电路图，当按键按下后，电路将产生一个复位信号，使系统复位。图4.2.2.2 时钟振荡电路图4.2.2.2 所示的是单片机的振荡电路。该电路使用的是16M的晶振，与电容并联后可产生振荡信号。该电路具有较高的稳定性。该电路的作用是为单片机提供时钟信号。图4.2.2.3 单片机电源电路 单片机正常工作，必要的就是点源电路，根据数据手册，单片机电源电路接线方式如图4.2.2.3所示。4.3 报警显示电路部分4.3.1 显示电路 这

19、部分的电路是被测信号经过单片机处理后，控制显示出相关信息。这部分电路由移位寄存器74HC595和LED数码管成。74HC595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。它的使用方法很简单，如下面的真值表，在正常使用时ST_CP为低电平， /OE为低电平。从DS每输入一位数据，串行输入时钟SH_CP上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟ST_CP上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。图4.3.1.1 74HC595真值表LED数码管（LED Segment Disp

20、lays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。移位寄存器74HC595和LED数码管成的显示电路如图4.3.1.2所示。 图4.3.1.2 显示器电路图4.3.2 报警电路 报警电路的功能是当测试的脉搏频率高于或低于报警界限的时候，报警电路产生应答，产生报警信号。电路图如图4.3.2.1所示。图4.3.2.1 报警电路图 报警电路的工作原理是当测试者的脉搏不在正常范围内的时候，单片机做出一些动作，从而使PE3

21、引脚输出低电平，报警电路响应，产生报警信号。4.4 软件设计部分4.4.1 软件选择 本次设计选择的制图软件和程序编写软件为Altium Designer 6和IAR。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。本次设计的总原理图请在附录中查看。IAR是专门对ST公司的控制器编程

22、烧录,软件功能强大。4.4.2 程序设计 本系统采用的是型号为STM8S208R8的单片机，为了实现相关功能，需要编程操作。对于程序，我们使用c语言进行编程。主体设计思路是：外部开关选择是测脉搏还是测体温。该开关连接至单片机的PB4引脚。该引脚设置为输入模式。当选择了测体温还是测脉搏使，单片机会执行的相应程序指令，实现相关功能。 图4.4.2.1 模式选择电路在测频率的模式下，经过放大整形滤波的信号脉冲经ITM1_CH1（PC1）输入至单片机，单片机定时器2开始计时，计时时间为1分钟，在这计时时间内，定时器1对输入的脉冲进行计数。定时时间到达后，单片机计数值经过引脚输出至74HC595,数码管

23、显示。如果计数值超出正常的脉搏范围，单片机执行报警使能操作，报警电路报警。在测体温的模式下，温度传感器将信号传送至单片机，单片机执行一系列操作在数码管上显示出来。程序框图如图4.4.2.2所示。图4.4.2.1 程序框图5 工作过程分析 光电脉搏传感器是将光信号转换电信号的器件，在测量的过程中，传感器内部红外LED发出的光线通过人手指照射在光敏二极管VT的感光窗口上，随着微血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏二极管的电流也发生波动性变化，电压发声变化，传感器内部集成了放大和滤波电路，输出信号为0.2v至1v的低频信号，该信号经过外围电路的简单放大滤波整形操作后，经过单片机后，相关功能实现。在制作实体电路的过程中，外围的放大滤波电路的器件应该焊接在单片机附近，尽量减少导线的距离，以便减小误差。 在温度测量的过程中，操作顺序应该是先将开关合上，在将整个电路上点。在问题测量的过程中，由于DS18B20的制作工艺问题。测量时间尽可能的长，增加测量结果