光电系统课程设计报告.docx

1光电系统课程设计报告设计题目：光电心率计指导老师： 吴 xx班级： 10XX设计者： XXX 设计者学号： *************同组者姓名： *********************************************************************************************设计者联系： ******************2目 录一． 摘要……………………………………………………………………4二． 技术指标………………………………………………………………4三． 设计原理………………………………………………………………53.1、光电探测电路 ………………………………………………………53.2、电源电路 ……………………………………………………………63.3、滤波放大电路及虚拟地电路…………………………………………63.4、单片机电路 …………………………………………………………73.5、显示电路………………………………………………………………83.6、蜂鸣器电路……………………………………………………………9四．设计方案论证………………………………………………………………94.1、心率计的软件实现方法 ………………………………………………94.2、滤波放大电路的实现 …………………………………………………94.3、光电探测电路的实现…………………………………………………104.4、 心率值的显示方法 …………………………………………………10五. 硬件电路设计……………………………………………………………115.1、电源电路设计 ………………………………………………………115.2、光电探测电路…………………………………………………………125.3、 “虚拟地”电路 ………………………………………………………1235.4、滤波放大电路…………………………………………………………125.5、单片机电路……………………………………………………………135.6、译码显示电路…………………………………………………………155.7、 蜂鸣器电路 …………………………………………………………16六． 软件设计 ………………………………………………………………166.1 总流程图……………………………………………………………176.2 主函数流程图………………………………………………………186.3 采样比较程序………………………………………………………196.4 心率计算与显示警报模块 …………………………………………20七． 结论……………………………………………………………………21八． 课程设计的心得体会…………………………………………………21参考文献………………………………………………………………22附录 …………………………………………………………………………23附录一、 程序代码 …………………………………………………………23附录二、 原理图……………………………………………………………28附录三、 PCB 所有层图………………………………………………………29附录四、 顶层 PCB 图 ………………………………………………………30附录五、 底层 PCB 图 ………………………………………………………304附录六、 元件清单……………………………………………………………31一． 摘要随着现代社会，人们对自己的健康越来越关心，因此对各种医疗设备的需要也越来越大。

其中心率测量仪是最常见的医疗设备之一，它能应用于医疗、健康、体育以及我们生活中的方方面面，因此一个简单便宜而又有较高精度的心率测量仪是很有市场的我们无法通过直接测量来获取人的心率，但是由于人的脉搏是与心跳直接相关的因此，我们可以通过测量脉搏来间接测量人的心率我们小组的光电系统课程设计制作的光电心率测量仪是用光电传感器测量经手指尖反射的信号，然后经过滤波放大后送到 51 单片机进行信号处理并将计算所得到的心率值通过动态扫描的方式显示出来关键词：51 单片机；光电测量； A/D 采样；动态扫描显示；响铃提醒二． 技术指标利用光电方法测量人体心率，并通过显示器显示出来，具体要求如下：51、采用 51 系列单片机2、制作光电测量头3、通过 A/D 采样方式测定人体心率（不能整形成方波计数）4、用 LED 数码管显示心率5、具有相关的控制键和声音提示功能6、外接直流供电，+5V 单电源工作三、设计原理我们采用反射式光电传感器在手指上采集心率，将信号滤波、放大后引导到单片机内部 A/D 转换电路的输入脚上，模拟信号经采样生成数字信号，经数据处理后得到心率值并通过数码管显示出来光电探测电路滤波放大电路A / D 转换模块数据处理模块译码显示电路蜂鸣器电路复位电路单片机核心电路程序写入电路电源电路虚拟地电路图 1.光电心率计模块图3.1、光电探测电路随着血液在人体的流动，人体组织对光信号的吸收作用会发生改变。

当有血液流动到某一组织时，吸收作用增强；当血液经组织流回心脏时，吸收作用减弱所以如果用一光信号打在某一部位，测量经过人体组织反射或透射的信6号，进行一定的处理后，即可获得精确度较高的心率值由于人的手指血管较多，而且测量方便，所以我们设计的心率计是通过采集手指尖的脉搏信号作为心率测量的依据我们使用的光电测量探头是由反射式光电传感器 ST168（如图 2所示）以及外围的电阻和三极管以及稳压管构成ST168是由一个红外发光二极管和一个红外光电晶体管组成，测量经过手指尖的反射信号检测距离焦点为 3.5mm采用非接触检测方式最大输出电压为 0.4V3.2、电源电路由于本实验只提供+5V 的直流供电，这只能给模拟电路供电而我们所使用的单片机 C8051F310使用的是+3.3V 的直流供电，因此我们需要通过一个变压电路将 5.5V的直流供电转化成 3.3V的直流供电我们用 LM1117-3.3（如图 3）来完成这一转化LM1117-3.3 接入 5V电压，固定输出 3.3V的电压，最大输出电流可达 800mA 为了改善 LM1117-3.3的瞬态响应和稳定性，输入端和输出端都需要外接若干个电容 图 2.ST168 图 3、LM1117-3.3 图 4、LM324 73.3、滤波放大电路及虚拟地电路通过光电探头所采集到的信号通常含有各种噪声信号，特别是直流信号和 50Hz工频信号。

而且这些噪声的幅度很大，甚至有可能完全淹没我们所需要的脉搏信号我们采用一个高通和低通滤波电路来分别滤除高频的噪声信号和低频的噪声信号另外，为了使微弱的脉搏信号最后能够被很好的发现，低通和高通滤波电路都兼具有放大功能为了保证滤波放大电路能够很好地工作性区而不使信号因放大而产生变形或者失真，我们需要一个虚拟地电路上述电路主要通过 LM324 芯片（如图 4所示）完成LM324系列器件带有四个差动输入的运算放大器与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点该放大器可以工作在低到 3.0伏或者高到 32伏的电源下，静态电流为 MC1741的静态电流的五分之一共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性每一组运算放大器有 5个引出脚，其中“+” 、 “-”为两个信号输入端， “V+”、“V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同3.4、单片机电路通过滤波放大电路后最终输出的是模拟信号，需要先通过单片机的 A/D转换模块进行转换成数字信号才能进行下一步的数据处理。

通过软件程序将这些8数字信号进行处理并最终形成稳定的心率数输出由于光电心率计的精度要求不是很高，单片机的时钟采用内部晶振我们设计的光电心率计是通过测试 5S内的脉搏次数进而计算出相应的心率值，然后通过译码显示电路将心率值显示在数码管上本实验所使用的单片机是 C8051F310单机片（如图 5） 该单片机属于Silicon Labs的小外型微控制器系列，与 8051单片机完全兼容C8051F310在极小的封装中集成了高速 8051 CPU、Flash 存储器和高性能模拟电路，允许设计者在提高系统性能的同时，大大减少所需元件的数目相比于 8051单片机，C8051F310 只有 32个引脚，使用交叉配置开关，指令处理采用流水线结构，机器周期由标准的 12个系统时钟周期降为 1个系统时钟周期，指令处理能力比 MCS51大大提高此外，C8051F310 增加了复位源，增加了中断源，还集成了一个 A/D转换模块图 5、C8051F310 图 6、74HC5733.5、显示电路正常人的心跳数一般在 50~150之间，在不考虑小数的情况下用三个数码9管就可以显示人的心率值。

由于 C8051F310的 I/O口的输出电流只有几毫安，并不足以驱动八段数码管，因此需要用锁存器来为八段共阴极数码管提供大的驱动电流同时用三极管来放大数码管的位电流，以实现 3个数码管的动态扫描显示为了防止通过数码管的电流过大，需要给数码管的每一个阳极引脚串联一个电阻我们采用的锁存器是 74HC573，它的输入电流很小，但输出电流可以达到±35mA，远大于单片机的输出电流，可以实现对八段数码管的驱动3.6、蜂鸣器电路当测得的心率值小于 30或者大于 15时，蜂鸣器就会报警，提示心率不正常若心率值在 30~150之间，则不会报警四、设计方案论证4.1、 心率计的软件实现方法我想过两种方法，一种是测量一定时间内的心率数进而得到一分钟的心率数，另外一种是通过测量若干次心跳，同时进行计时，然后得到一分钟的心率数第一种方法需要通过定时器定时一个时间，同时在采样心率的同时对心跳次数进行计数当定时时间到了之后，即可通过计算得到一分钟内的心跳次数这种方法的优点是实行起来较为方便，但是由于心率数不容易得到，有比10较大的误差（最大为 6次每分钟） 第二种方法要先设定好一个计数值 a，同时对中断次数进行计数。

当所测得心率数为 a时，停止测量通过中断次数可以求得计数时间，然后就可以计算得到心率值这种方法比第一种方法的测量要准确一些，实行起来比较方便；但是因为最初没有想到得到计数时间的比较好的方法，所以没有用这种方案4.2滤波放大电路的实现滤波放大电路的有两种，即无源滤波电路和有源滤波电路，此外又有一阶二阶之分考虑到探测到的信号后会比较大的噪声，而且即使很小的噪声对于心率的测量也会有很大的影响所以我最后选用了曲线衰减更快且兼具有放大作用的二阶有源滤电路这一电路的性能相对要优越的多，器件的数量也并没有增加太多4.3、光电探测电路的实现光电探测可以采用透射式光电传感器，也可以用到反射式光电传感器这两种芯片的原理基本相同，唯一的区别就是透射式芯片测量的是经过手指透射的红外光，而反射式芯片探测的是经过手指尖反射的红外光采用透射式芯片的优点是测量会比较稳定，但是器件的安装难度比较大，由于人的指尖还是有一定厚度，透射光的功率相对会比较小采用反射式芯片的优点是器件安装容易，反射光的功率也足够大，测量也比较容易，但它的测量不是太稳定考虑到本次设计的要求的精度并不是太高，我们最终采用了反射式芯片ST168114.4、心率值的显示方法心率的显示方法有静态显示和动态显示两种。

静态显示就是由单片机一次性输出数码。