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1、石家庄铁道大学毕业设计人体心电信号检测电路的设计Design of Human ECG Detection Circuit 2015届 电气与电子工程 学院专 业 电气工程及其自动化 学 号 20112701 学生姓名 贾一超 指导教师 王小平 完成日期 2015 年6 月10日毕业设计成绩单学生姓名贾一超学号20112701班级电1101-4专业 电气工程及其自动化毕业设计题目人体心电信号检测电路的设计指导教师姓名王小平指导教师职称教 授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书题目人体心电信号检测电路的设计学生姓名贾一超学号20112701
2、班级电1101-4专业电气工程及其自动化承担指导任务单位 电气与电子工程学院导师姓名王小平导师职称教授一、主要内容通过Multisim仿真软件设计心电信号调理电路，通过Protues设计数码管显示电路，显示心率。二、基本要求1、掌握Multisim、Protues仿真软件2、掌握模拟电子技术，数字电子技术基本知识3、设计心电信号调理电路，并显示心率4、设计说明书字数：1万字以上5、外文翻译：汉字3000字以上三、主要的参考文献1、童诗白，华成英. 模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，20012、阎石.数字电子技术基础M北京：高等教育出版社，2001四、进度计划第1周第4周 搜集资料，明确设
3、计思路和方法，撰写开题报告。第5周第8周 进行相关设计，方案比较，系统设计，中期报告。第9周第12周 撰写论文第13周第15周 修改论文，提请初审，准备答辩。教研室主任签字时间年 月 日毕业设计开题报告题目人体心电信号检测电路的设计学生姓名贾一超学号20112701班级电1101-4专业电气工程及其自动化一、研究背景心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动是生命存在的重要标志，心脏搏动的节律也是人体生理状态的重要标志之一。心电信号是心脏电活动的一种客观表示方式，它从不同方面和层次上反映了心脏的工作状态。研究心电信号对心脏疾病的临床诊断和治疗具有非常重要的实用价值。心电信号源于人体的一种低频率的微弱
4、信号，信号的采集和分析一直是生物医学工程领域的一个研究热点，其本身也是一项复杂的工程。涉及到降低噪声和抗干扰技术，信号分析和处理技术等不同领域。自1903年心电图引入医学以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。当前，心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。二、国内外现状如今，电子技术与信息技术不断深入发展，研究成果在医疗系统中深入应用。欧美等国家率先提出心电检测设备小型化，家用化和远程监护系统的设想。目前市场上常见的有便携式心电监护仪和心电远程监护系统。便携式心电图仪的设计主要向智能化、系统化和
5、集成化方向发展，心电远程监护系统则沿着网络化和无线移动监护两个方向发展。我国在这方面的研究晚于西方国家，其特点是起步晚，起点高。三、所要进行的主要工作本课题主要工作是针对人体心电信号微弱、低频、易受干扰、不稳定等特点，结合设计要求，设计电路包括三个部分，即心电信号拾取部分，心电信号调理部分和单片机处理部分。其中心电信号调理部分分为信号的放大，滤波和整形。四、预期达到的结果通过示波器显示心电信号的波形。此外将心电信号经过单片机处理能够实现对心率的显示。指导教师签字时 间 年 月 日摘要心血管类疾病已经成为危害人类健康的主要疾病之一，其发作具有突发性，难以预测性，致残致死高度危险性等特点。目前来说
6、依靠人体心电信号是发现心血管类疾病的主要手段。因此，心电信息连续、准确、实时的采集，可以为心血管类疾病的临床诊断提供重要依据。本文首先分析体表心电信号的特征。人体心电信号十分微弱，心电信号的频率范围为，幅度约为，此外心电信号中通常还混杂其他生物电信号，以及工频干扰引起的共模信号。心电仪器的重要功能之一是去除心电检测过程的干扰和噪声，心电信号的放大质量影响对人体心脏疾病的诊断。本文针对心电信号的特点，在此基础上提出了心电信号采集系统的总体方案。本系统前端使用差动放大电路进行心电信号高质量提取。系统中间部分为信号调理电路，实现了信号的滤波、降噪、整形，并且利用Multisim软件对硬件电路仿真，仿
7、真结果表明电路的放大滤波特性满足课题要求。系统的末端是以51单片机为主控芯片，实现了心率的计数与显示。关键词：心电信号；调理电路；51单片机；心率AbstractFit of cardiovascular diseases expresses outburst, difficult to predictive, high risk of death and disability and cardiovascular diseases have become one of the major diseases that threaten human health. But the discove
8、ry means of cardiovascular diseases mainly depends on electro cardiac signal (ECG signal) now. Therefore, acquisition of ECG information continuously, accurately and real time can provide a significant basis for the clinical diagnosis of cardiovascular diseases.This paper first analyses the properti
9、es of ECG signal. The ECG signal is the weak signal. The amplitude of the ECG signal is fromto,The frequency changes fromto.The ECG signal is inundated with 50 electric frequency signal. The amplifying quality of ECG signal directly influences the function of the instrument and the diagnosis of the
10、heart diseasesThe full attention is paid to the properties of ECG signal and an ECG signal amplifying circuit is designed in this paper. A differential amplifier circuit is designed in the front end to extract high-quality ECG. The signal conditioning circuit is designed in the middle part of the sy
11、stem to filtering, noise reduction and shaping and use Multisim to simulator relevant circuit, the result of Simulator shows that the function of amplifying circuit and filter are very well and it can accomplish the task of the ECG signal amplifying well. At the end of the system , 51 microcontrolle
12、r as the main chip to count and display the heart rate.Key words: ECG signal；Signal treatment；51 microcontroller；Heart rate目录第1章 绪论11.1心电信号采集的发展历史11.2心电信号采集的现状21.3课题研究的意义3第2章 研究基础42.1人体心电信号42.1.1心电信号的产生42.1.2体表心电图52.1.3心电信号的特征62.2心电信号的噪声来源62.3心电导联6第3章 心电信号检测电路硬件设计83.1 心电信号检测电路的设计要求83.2 心电信号检测电路总体框架8
13、3.3检测电路设计93.3.1芯片选型93.3.2前置放大电路设计103.3.3右腿驱动电路113.3.4带通滤波电路123.3.5陷波电路143.3.6电平抬升电路153.3.7心电信号整形电路16第4章 控制、显示电路设计184.1 中央处理器及其外围模块184.1.1AT89C51单片机概述184.1.2AT89C51单片机辅助电路194.2 显示模块及其电路设计204.2.1数码管显示模块204.2.2显示模块电路连接214.3 软件部分设计224.3.1 keil开发软件简介224.3.2软件设计框图234.3.3显示程序23第5章 总结与展望265.1 总结265.2 展望与未来2
14、6参考文献28致谢29附录A 外文资料翻译30A.1 英文30A.2 译文40附录B 整体图47B.1 整体硬件电路图47B.1 心率显示仿真图47石家庄铁道大学毕业设计第1章 绪论1.1心电信号采集的发展历史心电信号具有振幅、相位、频率等特征，能够应用于临床医疗的生物电信号。因为心脏的生命特征能够通过生物电信号反映出来，所以患有心血管疾病的患者在临床监护和治疗过程中，检测心电信号具有非常重要的作用。近年来，生物医学工程领域一直重视对心电信号的研究，研究的重点是心电信号的检测与分析。心电信号检测要涉到很多学科，它是众多学科的交叉部分。其主要涉及到信号的滤波、信号处理等，同时它与电子信息技术的发
15、展也密不可分。1797年Luigi Galvani在一次偶然的实验中发现受到电刺激蛙的肌肉能够收缩。他选择在雷雨的天气里，使用一个导体雷电通过导体刺激肌肉，并以此证实动物组织产生电流。Matteucci和Koalliker分别在1842年、1856年将Luigi Galvani方法应用于研究心脏的电现象。他们采用的具体方法是：肌肉组织通过神经同心脏连接，当心脏跳动时，与心脏连接的腓肠肌也发生收缩。他们采用的方法是人类历史上第一次通过电极来检测心电信号。可惜的是，他们所记录的图形是心脏导致其他器官活动所引起的肌肉收缩，并非是真正意义上心脏电动势产生的图形。他们使用电装置测量心电信号，这是一种间接
16、测量的方法。此后，Sanderson于1878年通过毛细管电流测量仪设备测的动物心肌的电流。1887年Waller为了测的动物的心脏电流，他采用了表面电极的方法。他之后将这一方法推广到人体的心电图研究，可是通过这一方法得出心电图的图形扭曲，不能应用于临床研究。Einthoven在1901年首次通过实验的方法获得PQRST波群。Einthoven教授用这台心电图机所记录出的周期性的心脏电势变化曲线命名为心电图，成为心电图的首创者。此后，Einthoven教授提出三个标准导联(、导联)即 Einthoven三角。心电图正式应用与临床医疗监护是在1905年。1932年零电位中心电端理论的提出具有很重
17、大的意义。Wilson等学者做出不可磨灭的贡献。零电位中心电端理论的核心思想就是：为了能够使的心电图标准化，如何选择合适的导联方式。正是零电位中心电端理论的提出，加快了心电图学的发展。20世纪前期心电学发展迅猛。1898年Wenkebach在脉搏心律失常的实验中提出 “文氏现象”，即房室间传导时阻滞的现象。 心电图发之后，Wenkebach所取得如此重大的研究成果使他将心电图推广应用到心律失常的研究中，并且取得很大的效果。Wenkebach深入地研究心脏的传导系统，并发现了结间束的存在。与此同时，Lewis对心律失常现象也做了很多研究，他还提出了肌原学说、差异性传导、心房颤动机制等概念，可以说
18、Lewis的研究成果达到新的水平。20世纪中期以后，心电图机的工业产品质量的得到很大的提供。同时心电图在临床医疗上的应用越来越广泛。起初的心电图机分为：电子管式和交流电式。这种心电图机的工作原理是：用感光材料记录心电信号，之后后发展用特殊的图纸直接记录心电信号，这种方法不但使得操作大大简便，并且节省了宝贵的医疗时间。利用阴极射线管原理制成的心电图机解决的不能长时间观察心电图形的问题。心电图学在我国可远溯到魏晋时代。脉经被公认为是世界上心脏病学的重要的著作之一，可惜由于各种历史原因这本著作没有能够向外传播。直到20世纪40年代，协和医院有我国唯一一台弦线型心电机，心电学者只有这一台弦线型心电机进
19、行工作及研究。我国心电图研究的科研在解放后从无到有开始逐渐发展起来。黄宛教授不断贡献，勇于攀峰的精神克服资源奇缺的条件，取得令人瞩目的研究成果，成为我国心电事业的奠基人。20世纪中后期，我国的心电图事业有所发展，专业研究队伍不断扩大，城乡医疗队伍都能够普遍配备了心电图机。1.2心电信号采集的现状医疗系统中的设备更新换代的速度很快，其主要得益于现代电子信息技术的不断发展和现代工业水平的不断提高。欧美国家在医疗设备构想方面走在前列，他们最先提出医疗设备的的小型化、家用化和建立远程医疗的构想。21世纪以后，欧美国家继续投入大量人力和资金用于远程医疗的研究工作。与此同时，国外的医疗设备产品公司也投入大
20、量的人力物力到研究医疗监护产品中。日本的心电监护产品主要由东芝，SONY研制，并且各大公司在这医疗监护设备方面投入很大的资金，其中已经上市的监护产品都价格不菲。我国研发心电监护产品的时间远远晚于西方国家，并且研发的起点远远高于西方国家。中国经济实力不断增强，人民的生活水平日益提高，居民的健康问题成为当今社会最主要的话题。心电监护产品的使用范围从病危患者发展到普通患者的监护，甚至居民日常生活的监护。综上所述，心电监护产品的需求量在我国相当广阔的，同时还要求产品研发者对心电监护产品质量严格把关。1.3课题研究的意义心血管类疾病是国民日常生活中应当重点预防，因为这类疾病具有突发性，难以预测性，高度危
21、险性，如果不能及时发现并加以治疗很有可能导致患者死亡。 据有关资料统计，心血管类疾病给人类带来很大的健康威胁，其导致的死亡率远远大于其他疾病所带来的死亡率。因此，心电监护产品准确并且实时的采集心血管疾病患者的心电信息，医生能够在第一时间对患者的病因做出最准确的判断。现代医疗监护系统中，心电图机具有操作简单、出图快、无创伤等特点，是心血管类疾病重要的发现手段之一。第2章 研究基础2.1人体心电信号2.1.1心电信号的产生心脏通过节律性的舒张和收缩从而实现向全身输送血液。心肌细胞是帮助心脏完成这一功能的基础。心肌细胞可以分为普通心肌细胞和特殊心肌细胞。普通工作心肌细胞是最终执行者，它使得能够心脏实
22、现舒张和收缩。其内部排列有序的肌原纤维使得普通工作心肌细胞在兴奋和传导之外还具有较强的收缩性。特殊心肌细胞能够控制心脏的节律，即心脏收缩和舒张。它能够在没有外部环境刺激的情况下自动产生节律性兴奋活动。窦房结产生心脏的脉动，由此依次经过右心房、左心房、左心室和右心室，通过兴奋普通工作心肌细胞，最终导致心房和心室先后次序的节律性兴奋，即心脏的节律性舒张和收缩。体表心电信号产生的基础是细胞膜外出现负电位，细胞膜外负电位是特殊心肌细胞和普通工作心肌细胞在兴奋过程中产生的，心肌细胞在电活动过程中产生的细胞膜外负电位，其在人体体表的反映就是人体心电图。极化状态是心肌细胞细胞膜内带有负电荷，细胞膜外带有同等
23、数量的正电荷。心肌细胞在极化状态下细胞膜内外电位差称为静息电位，其值在静息状态下保持相对的恒定。心肌细胞一端的细胞膜内外钾、钠、氯、钙等离子的通透性因为受到一定程度的刺激时使得发生改变，从而引起细胞膜内外的阴阳离子流动，这个过程称为心肌细胞除极化和复极化。处于极化和复极化的心肌细胞除与处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电偶，置于体表心电检测设备能够将极化复极化变化过程测出来。心肌细胞除极化复极化使得心脏内部产生周期性的电脉冲。由此产生的电刺激脉冲使心肌细胞兴奋并使之有规律地收缩和舒张，从而实现心脏向外输血的功能，维持血液循环，保证人体正常运转。图2-1兴奋与心电信号的对应关系2.1.2体表心电图
24、心脏节律性的活动所产生的电信号在人体体表综合表现即为心电图。心脏活动时，引起心肌细胞除极和复极，使得电信号向各方面传导，电信号到达体表时形成的电位差即为心电信号，如图2-2所示。图2-2 心电图波形心电波由QRS波群组成：P波主要是由左、右心房的除极所引起的，他的波宽，幅值。超过数值范围为P波过宽或过高，属于异常现象。心房除极开始至心室除极这段过程主要形成P-R波，即从P波开始处到QRS波群的开始处，成人一般在之间。QRS波群其最大振幅不超过，宽度。QRS波群终点到T波开始的一段是S-T波。在正常心电中，这段波形可能较等电位线稍高或略低，不应超过。心室复肌波即为T波，它的波形特点是宽。T波不应
25、低于R波的1/10。2.1.3心电信号的特征心电信号的频率范围在, 其频率主要集中在。并且心电信号是低频弱信号， 以上的信号在整个频谱分布占有的比例很小。此外由于环境和检测设备的影响，不可避免地伴随有噪声。 人体可以产生众多的生物电信号，临床医疗中最常使用的生物信号有：心电、 脑电、和视网膜电等生物电信号。人体生物信号主要有如下的特征。(1)信号的频率低：其主要为低频段频率，并且集中在100Hz以下。(2)信号微弱：心电QRS波幅度最大，其波幅度在左右。(3)电极电位影响：生物信号检测设备检测是通过电极来测量生物电信号。电极电位产生的原因在于电极与人体体表的组织表面相接触，这样使得电极和体表之
26、间出现半电池电动势。电极材料、电极安放、电极面积、电流密度等都会影响电极电位的大小。(4)强噪声影响：心电检测设备在工作时不可避免的会受到其他干扰信号的影响。常见的干扰源有很多，比如在日常工作中的工频干扰、人体呼吸干扰以及人体肌肉收缩引起的干扰。正是这些干扰信号的存在，使得检测设备必须对上述干扰信号做出处理，所以心电信号检测对去除噪声有很高的要求。2.2心电信号的噪声来源(1) 工频干扰：主要是及其谐波构成，其成因在于用电设备形成的工程电磁场影响。(2) 基线漂移:人体呼吸，人体的运动是引起基线漂移的主要原因。(3) 肌电干扰：人体运动和肌肉收缩而引起的干扰信号，频率在之间。2.3心电导联用电
27、极将生物体电信号传输到生物电信号检测设备的方式即为导联。在长期应用临床诊断过程中，由Wilson氏创设的标准被大多数心电图工作者所采纳。12导联系统也称为国际通用导联体系。肢体导联主要双极肢体导联、和加压肢体导联aVI、aVL、aVF两种导连方式。其电极主要安放于三个部位：右臂，左臂，左腿，由这三个电极组成所谓Einthoven三角，如图2-3。图2-3 Einthoven三角左手和右手上的心电信号电位差是通过第导联检测的。右手和左脚之间的电位差是通过第导联检测的，左手和左脚之间的心电信号电位差是通过第导联检测的。第3章 心电信号检测电路硬件设计3.1 心电信号检测电路的设计要求人体心电信号十
28、分微弱，心电信号的频率范围为，幅度约为，此外心电信号中通常还混杂其他生物电信号，以及工频干扰引起的共模信号。因此系统设计的关键在于信号的放大和信号的处理。心电信号的微弱、干扰大、低频等特性，所以检测电路的设计有如下要求：(1) 前置放大电路的输入阻抗应当很高，并且对共模信号具有很强的抑制作用，此外还要具备低温漂的特点。(2) 有源滤波器电路的合理设计能够进行的带通滤波，此外还能够抑制的工频干扰。(3) 心电信号的整形。3.2 心电信号检测电路总体框架心电信号前置放大电路带通滤波50HZ陷波后置放大电路示波器整形电路89C51单片机LCD显示心率图3-1 心电检测电路总体框图3.3检测电路设计3
29、.3.1芯片选型由心电信号的特点，前置放大电路的输入阻抗应当很高，并且对共模信号具有很强的抑制作用，此外还要具备低温漂的特点。本文选择AD公司的AD620A作为心电信号检测电路的前置放大器。其引脚分部如图3-2所示。具体规格如下：(1)供电电压，最大允许输出电压范围。(2) 最大输入失调电压为，最大非线性度，最大供电电流为。(3) AD620A的增益范围之间，可以用一个外部电阻来控制其增益。其方程式为：，通过调节来调节增益。图3-2 AD620引脚AD公司的OP07在心电信号处理方面具有很大的特色，它是一款低噪声的单运算放大器集成电路。本文中采用OP07运算放大器作为右腿驱动电路、带通滤波电路
30、、以及整形电路中的运算放大器。OP07具有开环增益高和输入偏置电流低的特点。OP07这种低失调、高开环增益的特性使其特别适用微弱心电信号的处理。其引脚分部如图3-3所示。图3-3 OP07引脚3.3.2前置放大电路设计心电检测设备中的前置放大器主要作用是将微弱的生理信号加以放大，以便后面的调理电路对生理信号进一步加工和处理，同时它也是测量仪器的重要组成部分。本文在设计心电检测设备时选择的是双电极差动放大器。差动放大器的优点是当输入信号为差动方式时，其对输入信号没有抑制作用，当输入信号为共模信号时，其具有很强的抑制作用。对于心电干扰信号来说，其为大小相等，极性相同的共模信号。医疗器械中最常用的前
31、置放大器件就是三运放仪用放大器。三运放仪用放大器的优点是高输入阻抗，并且还具备高共模抑制比。具备上述特点的三运放仪用放大器可以有效地抑制工频干扰等共模噪声。共模抑制比为前置放大电路最重要参数。共模抑制比的大小主要取决于电路设计是否具有对称性，本文所设计前置放大级为典型的差分放大电路，可以有效地提高共模抑制比的大小。AD620A采用经典的三运放改进设计，是一款高输入阻抗，高共模抑制比的放大器。内部增益电阻已调至绝对值，通过调整一个电阻便可实现对增益的控制。图3-4 前置放大电路前置放大器的增益不能过大，选择前置放大器的增益，由AD620A增益控制方程式：，调节。图3-5中波形低的为心电信号输入波
32、形，波形高的为前置放大电路放大后的波形。图3-5 前置放大电路仿真波形3.3.3右腿驱动电路心电检测设备在使用过程中常常会出现位移电流，其主要由电极与电力线之间的电容耦合而产生的。位移电流通常会对人体造成很大的伤害，其会通过人体流经地。人体与地之间建立接地阻抗，位移电流通过接地阻抗建立共模电压，对微弱的心电信号检测影响很大。采用右腿驱动法能够有效的降低位移电流干扰。图3-6为右腿驱动的具体连接电路，右腿接到辅助运算放大器的输出端口。图3-6 右腿驱动电路右腿驱动电路能够从前置运算放大器检测共模电压，然后通过电阻反馈到右腿。人体的位移电流这时候通过右腿驱动电路流入后经过辅助放大器的输出，而不再直
33、接流入地。当患者和地之间出现很高的共模电压时，右腿驱动电路中的放大器饱和，此时右腿驱动不起作用。这时候电阻起到限流保护的作用，限流电阻通常在以上。3.3.4带通滤波电路由于心脏电信号的特点和外界干扰的因素，心电信号频带主要集中在，所以带通滤波器的频带设计在，目的在于滤除心电信号以外的干扰信号。有源二阶低通滤波器如图3-7。低通滤波电路的功能在于它能够将滤除心电信号的高频干扰成分，保留频率在以下的信号。图3-7 二阶低通滤波器图3-7中，电阻选取相同的电阻值，电容选取相同的电容值。由滤波理论可知电路的特征频率：。选取电容为，可知电阻且阻值附近。通过Multisim软件仿真后可得：电阻。低通滤波器
34、仿真波特图如图3-8。图3-8 低通滤波器仿真波形有源二阶高通滤波器如图3-9。心电信号的频率在以上，所以通过高通滤波电路把低频干扰信号滤掉。图3-9 二阶高通滤波器高通滤波电路滤除直流和低频信号，电阻选取相同值，电容选取相同值由由滤波理论可知电路的特征频率：。选取电容为，可知电阻且阻值附近。通过Multisim软件仿真后可得：电阻。高通滤波器仿真波特图如图3-10所示。图3-10 高通滤波器仿真波形3.3.5陷波电路虽然三运放仪用前置放大电路对50Hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅依靠前置放大电路的共模抑制是不够的。本文专门设计模拟带阻滤波器来滤除工频干扰信号，俗称陷波器。无源双T网络所构
35、成的网络是最常使用的陷波电路。双T网络构成原理是：用高通滤波器和低通滤波器并联搭建成带阻滤波器，其中高通和低通滤波器的运算放大器处于跟随状态，如图3-11所示。图3-11 50Hz陷波电路 双T网络构成的带阻滤波器高低截至频率相等，都为，取电容为，可知电阻约为。图3-12 50Hz陷波器仿真波形3.3.6电平抬升电路模拟电路滤波放大后的心电信号是交流信号，为了便于心电信号的整形和单片机对信号的处理，系统设计电平抬升电路，使得交流信号转变为脉动的直流信号，如图3-13所示。电平抬升电路为同向加法电路，为直流电源，将交流心电信号抬升直流电源设定的数值。图3-13 电平抬升电路3.3.7心电信号整形
36、电路整形电路的作用是将脉动的直流信号转成方波信号，便于单片机对信号的处理，即心率的计算。将555定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器，利用施密特触发特性将正弦信号转成方波信号。555定时器是最常使用的数字模拟转换电路。为了方便，本文使用的施密特触发器由555定时器搭建而成。由于555定时器高性价比的特点，使其在波形的产生与变换使用广泛。其电路结构如图3-14所示。图3-14 555电路结构图THR是比较器的输入端（也称为阀值端），TRI为比较器的输入端。和的参考电压和由经过三个的精密电阻分压给出。CON 为电压控制端口。当控制电压输入端悬空时，。如果电压控制端外接固定
37、电压，则，。RST为复位端。RST端口当被置为低电位时，输出端立即被置成低电平，电路此时不受输入信号的影响。正常工作时必须使RST处于高电平。由555定时器构成的整形电路如图3-15所示。图3-16中的正弦波形为后置放大电路放大后的波形，方波信号为经过施密特触发器整形后的波形。图3-15 施密特触发器图3-16 整形电路仿真波形第4章 控制、显示电路设计4.1 中央处理器及其外围模块4.1.1AT89C51单片机概述AT89C51高性能8位CMOS单片机，。片内采用高密度、非易失性存储技术，片内含4k 比特的可以复写只读程序存储器和128 比特的随机存取器，兼容标准MCS-51指令系统。AT8
38、9C51功能强大、高性价比，其可以满足用户各种要求，并且灵活应用于各种控制领域。AT89C51的封装如图4-1所示：图4-1 AT89C51封装图（1）管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：当P0口的管脚被挂接高电位时则为高阻输入。P0同时还能够被定义为数据/地址的第八位够，主要作用是作为外部数据存储器。用户在FIASH编程时P0 口可以充当原码输入口，当FIASH进行校验时P0作为输出原码，但是此时P0口必须被挂接高电位。P1口：当P1口作为输入口使用时，其必须被挂接高电位。当P1口外部被下拉为低电平时，它能够为负载提供电流输出。用户在FLASH编程和校验时，P1口可以作为地址接
39、收位。P2口：P2口为8位双向I/O口。同时P2口内部上拉电阻，所以P2口可以作为缓冲接收器，她能够向外输出4个TTL门电流。当P2口被置为高电位时，它可以作为输入端口。当P2口的管脚置为低电位时，它将输出电流。P3口：P3口管脚是双向I/O口，它可以输入4个TTL门电流。当P3口被置为高电位时，其内部被上拉为高电平。当P3口作为输入端口时，其外部引脚被置为低电平P3口将输出电流。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时
40、器1外部输入）用户在使用P3口也可以将其作为校验控制信号端口。RST：复位输入。当用户要将振荡器复位时，要保持RST引脚保持至少两个机器周期的高电位时间。（2）振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。AT89C51的时钟电路可以采用石晶振荡电路也可以采用陶瓷振荡电路，本文采用的石晶振荡电路。当用户选择外部外部时钟源器件时，XTAL2端口应当悬空。AT89C51的一个有点是其对外部额外接入的时钟信号的脉宽没有特别限制，但是外部接入的时钟信号其脉冲电平必须高于单片机所要求的幅度，原因是输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器。（3）芯片擦除AT89C51芯片擦除的原理是：
41、ALE引脚保持10ms的低电平，用户通过控制信号电擦除整个PEROM阵列和三个锁定位来完成。此外在芯片擦操作中，在任何已经被写入的存储字节被重复编写之前代码全部被置为高电平。AT89C51可以为用户提供两种可选的掉电模式，其目的主要是为了保护用户数据安全。闲时模式下，CPU停止工作，但其他的单元仍在工作，如：RAM、定时器、中断系统。掉电模式下，芯片禁止其他单元工作，并且芯片自行保存RAM的数据并且使得时钟电路停止工作。 4.1.2 AT89C51单片机辅助电路复位电路：由 1uF的电容、10K欧的电阻、5V的电源和开关组成一个复位电路。如图4-2所示：图4-2 AT89C51复位电路原理图时
42、钟电路：12MHz的石英晶振和两个20pF的无极性容构成时钟振荡电路，将其接到第18脚和第19脚间。如图4-3所示：图4-3 AT89C51时钟电路原理图4.2 显示模块及其电路设计4.2.1数码管显示模块LED数码管有4个8字形放光管组成，每个发光管有8段。这些断分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当用户编辑不同的逻辑电压加到控制端口，这些特定的段就按照用户的要求形成我们要求的字符。7SEG-MPX4-CA中 1234端口是位选端口。本文中，P0端口接段码，P2的4位用于I/0位选。7SEG-MPX4-CA工作原理是：采用动态显示的方式。单片机的输出端口输出字形码，LED数码管
43、的接收端口都能接收到字形码，但是只有被位选的段才能被点亮。主要原因在于用户通过位选控制字段的选通，只有将需要显示的数码管的选通控制打开，就能够显示出字符，没有选通的数码管则不会被点亮。控制数码管公共的COM端，就能够使得各个字段轮流显示字符。轮流显示过程中的时间是极为短暂的，由于人的视觉暂留现象以及发光二极管的余辉效应，各个字段采用轮流显示，但是只要轮流显示的间隔足够短暂，人感受到就是稳定的显示数据。此外采用动态显示还能够节省大量的I/O端口，而且功耗低，其显示的效果同静态显示相同。图4-4 7SEG-MPX4-CA4.2.2显示模块电路连接LED数码管的1234端口为位选端口，通过控制123
44、4的高低电平就能控制数码管显示。本文中将1234端口与单片机P2口低四位连接，单片机P0口与显示端口连接。本文选用的7SEG-MPX4-CA是共阳极数码管，上拉排阻的目的在于增强单片机驱动负载。如图4-5所示：图4-5 液晶显示电路4.3 软件部分设计4.3.1 keil开发软件简介Keil C51软件是美国Keil公司的产品。这款编程软件能够支持多种系列单片机C语言软件开发。此外使用该软件编程时，用户可以用C语言编程。相比于汇编语言，C语言具有明显的优势，其语言结构明确、因而易学易用。用户用过汇编语言编程后再使用Keil开发，上手很快。 Keil C51软件是Windows用户界面，符合用户
45、的日常使用习惯，十分适合用户的日常使用。另外Keil C51软件编译后生成的汇编代码简洁、紧凑，很容易被用户理解，它是一款功能强大的集成开发调试工具。Keil C51编译时是使用C语言进行编译的。其生成的目标代码效率很高，在开发大型软件时更能体现使用高级语言的优势。4.3.2软件设计框图整形方波信号51单片机的外部中断INT0定时器定时1分钟记录脉冲数数码管显示心率图4-6 软件设计框图4.3.3显示程序#include sbit P2_0=P20;/数码管选定位sbit P2_1=P21;sbit P2_2=P22;sbit P2_3=P23;unsigned char code table
46、=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;unsigned int ECG;unsigned char GE,SHI,BAI,QIAN;unsigned int counter=0;/脉冲数unsigned int calsp;/设定多长时间计算一次void display(); /数码管显示void delay();/延迟函数void calspeed();void main()EA=1;/开启总中断EX0=1;/开启外部中断0IT0=1;/设置成下降沿触发方式TMOD=0x01; /