安徽新華學(xué)院2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）IIPAGE0目錄1緒論 11.1課題背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3國內(nèi)現(xiàn)狀的問題 31.4研究的主要內(nèi)容 32要求及原理框圖 42.1要求 42.2原理框圖 43方案及模塊選擇 53.1電源模塊 53.2傳感器模塊 73.3語音模塊 84工作原理 134.1電源模塊 134.2傳感器模塊 134.3語音模塊 154.3.1Syn6288介紹194.3.2Syn6288工作原理與功能特性及IC引腳功能194.4單片機(jī)模塊 164.4.1單片機(jī)介紹194.4.2STC12C5A60S2引腳功能195總體電路 175.1總電路原理圖 175.2單片機(jī)供電電路設(shè)計 175.3復(fù)位電路設(shè)計 185.4時鐘晶振電路設(shè)計 195.5數(shù)碼管電路設(shè)計195.6晶振電路設(shè)計195.7心率電路設(shè)計195.8語音電路設(shè)計196開發(fā)工具介紹196.1Syn6288的元件規(guī)劃圖196.2總體電路的PCB排版圖197實物198結(jié)論19參考文獻(xiàn) 20致謝 21附錄 221緒論1.1課題背景及意義背景:隨著人類進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)、科技、醫(yī)療、文化、交通得到了飛速發(fā)展。隨著社會的發(fā)展和我們生活水平的不斷提高，高強(qiáng)度的腦力勞動使健康成為我們關(guān)注的焦點。心臟是人體最重要的器官。心臟的功能是為血液循環(huán)提供足夠的能量，并將血液輸送到人體的各個器官，心臟問題將直接影響人們的生命安全。不同類型的心跳異常是心臟病死亡的主要原因。這種全身性疾病已成為人類健康和生命的頭號殺手。意義:本課題研究的心率監(jiān)測器具有體積小，測量準(zhǔn)確，成本低的特點，非常適合家庭醫(yī)療。將一段時間內(nèi)收集到的心率數(shù)據(jù)上傳到智能機(jī)器上，可以更好地觀察到心率數(shù)據(jù)的整體情況。一般能更有效地檢測出人體心率的具體情況，對家庭保健起到很大幫助。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2013年3月17日，外國醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)美國心臟協(xié)會公布《中國成人的心血管健康情況調(diào)查報告》。該報告以9萬名成年人的心血管測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。本研究主要采用美國心臟協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)分為身體健康和行為健康。行為健康主要包括不吸煙，不喝酒，體重標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)?shù)捏w力活動強(qiáng)度，科學(xué)飲食。身體健康主要是不吸煙，不喝酒，血壓正常，血糖正常，血糖正常。1.3國內(nèi)現(xiàn)狀的問題研究結(jié)果顯示，我國約13%符合身體健康指標(biāo)，約7%符合行為健康指標(biāo)，約2%同時符合。研究組將上述健康指標(biāo)分為異常、中等、較低的部分，但四分之三的人心血管健康狀態(tài)不好，四分之一的人心血管健康狀態(tài)中等，幾乎沒有人處于理想狀態(tài)。研究報告指出,中國成年人理想的心血管健康率非常低,所有公民都應(yīng)該專注于心血管疾病的風(fēng)險因素和實施有效的應(yīng)對策略,促進(jìn)中國成年人和老年人的心血管健康。心臟搏動率和心臟搏動率的變異性是臨床心血管疾病診斷所必需的重要生理值，因此心臟搏動率和心臟搏動率計的研究是醫(yī)學(xué)，電子和工程研究的重要重點。2006年底，國外開發(fā)出便攜式心率儀并植入人體，成功測定心率等生理值。當(dāng)時，由于相關(guān)科學(xué)水平和生產(chǎn)設(shè)備的限制，中國的心率監(jiān)測產(chǎn)品功能和集成度遠(yuǎn)低于國外。1.4研究的主要內(nèi)容要直接測定心率有很大難度，不僅難以直接測定一個人的心率，而且準(zhǔn)確度不高。我們通常測量脈搏。人類組織的指尖的動脈內(nèi)容相對較高,與其他組織相比,在人類的身體,手指的尖端的厚度相對較薄。由于通過手指探測光的強(qiáng)度相對較高,通常將人類指尖作為光電脈搏傳感器測量位置,即指尖的脈沖與心臟搏動率一致，儀器可以通過測量指尖的脈沖來測量人體的心率。這種方法已被證明是科學(xué)可行的。心率測定儀基本功能的第一部分是心率信號從傳感器模塊中提取，在系統(tǒng)中放大。系統(tǒng)集成后得到0到5v的脈沖信號。心率測量器第二部分的基本功能是用單片機(jī)測量心率，被測者的心率也可以顯示在數(shù)碼管中?？蛇x擇的可編程設(shè)備仿真也可用于心臟搏動率的測量和顯示。2要求和原理框圖2.1要求1.手動實時播報心率。2.心率穩(wěn)定誤差≤±10。2.2原理框圖微控制器模塊本系統(tǒng)的整體設(shè)計原理框圖如下：微控制器模塊電源模塊電源模塊語音模塊心率采集心率采集3方案及模塊選擇3.1電源模塊LM2596：3.3V,5V,輸出電壓12V及調(diào)制輸出版本可調(diào)節(jié)范圍,高壓版本在2~37V或者2~57V，3A輸出負(fù)載電流,確保輸入電壓范圍可達(dá)約40V,外部元件4個,出色的線路和負(fù)荷控制規(guī)格,150khz內(nèi)部固定頻率振蕩器,TTL停止能力、低消耗待機(jī)能力，IQ一般是80μA，具有較高的效率。使用標(biāo)準(zhǔn)檢測，熱關(guān)鍵和限電流保護(hù)能力。ASM1117:輸出電流包括1A，低壓差電壓(1A輸出電流1.2V)，三級調(diào)節(jié)器(ADJ)或固定1.2V，1.5V等。線路調(diào)節(jié)一般最多0.1%。負(fù)荷控制通常是0.2%。內(nèi)部電流和端口保護(hù)，最大輸入電壓20V，表面安裝SOT-223,to-252,SOT-89,100%熱極限老化，三級濕度敏感性。3.2傳感器模塊使用的傳感器是Pulsesensor心率脈搏傳感器，最新的硬件版本放大了以前的脈沖傳感器的原始信號，并規(guī)范了在V/2左右的脈搏波。脈沖傳感器安培響應(yīng)光強(qiáng)度的相對變化。光線越強(qiáng)，信號就越強(qiáng)。光線越少，情況就越相反。在每個脈沖期間，從綠色發(fā)光二極管反射回傳感器的光發(fā)生變化。查找即時心跳的連續(xù)時刻并測量它們之間的時間，稱為國際心跳間隔，即IBI。圖1心率脈搏傳感器實物圖3.3語音模塊2010年初，北京宇音天下科技有限公司推出Syn6288中文語音合成芯片，這款芯片比之前的語音芯片更經(jīng)濟(jì)，更自然。該芯片是中高端語音合成芯片。Syn6288智能語音合成芯片通過異步串行通信接收并合成文本數(shù)據(jù)，并將文本轉(zhuǎn)換為TTS語音。最新的Syn6288語音合成芯片繼承了OSyn06188語音芯片的優(yōu)秀特性。最小的ssop28l芯片封印，簡單的硬件接口，低損耗，清晰圓潤的聲音和高價格。語音合成在字符串方面更智能、更準(zhǔn)確，更自然、更容易理解。Syn6288的語音合成效果和智力水平有了很大的提高。這是真正面向中高技術(shù)工業(yè)的中文語音合成芯片。Syn6288智能語音合成芯片的誕生，也將推動TTS語音合成技術(shù)在業(yè)界的應(yīng)用向更深更廣的方向發(fā)展。4工作原理4.1電源模塊鑒于系統(tǒng)使用的單片機(jī)STC12C5A60S2和各芯片，我們選擇了與檢測系統(tǒng)匹配的規(guī)格的鋰電池給單片機(jī)和各芯片供電。4.2傳感器模塊為本項目選擇的傳感器芯片是脈沖傳感器，它是一種用于測量心率的模擬光電反射傳感器芯片，通常戴在手指，耳垂，手腕等上。它采集到的模擬信號可以通過導(dǎo)線連接傳輸?shù)紸rduino，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，可以通過Arduino等微控制器的簡單計算獲得心率的特定值。此外，還可以通過串口將脈沖波形加載到電腦上顯示波形。脈沖傳感器是開源硬件。對應(yīng)的Arduino開源軟件和上位機(jī)處理軟件目前在國外的官網(wǎng)都有。包括適合心率教學(xué)的科研及其演示，也非常適合二次開發(fā)利用。傳統(tǒng)意義上測定心率的方法主要有三種:一是直接從心電信號中提取。第二是壓力傳感器在測量血壓時，用測量的波動來計算脈搏，得到心率值。第三是光電容積法。前兩種信號提取方法是限制患者的活動，長時間使用會增加患者的身心不便。光電容積法的脈沖測量是最常用的測量和測量方法之一。它具有方法相對簡單，操作相對方便，可靠性相對高的特點。光電容積法的基本原理是利用人體組織中血管脈動引起的光傳輸差異來測定脈搏。使用的傳感器由光源和光電傳感器組成，一般用皮帶或鑷子固定在患者手指或耳垂上測量。光源通常用于動脈血氧和血紅蛋白選擇性特定波長(通常為500nm至700nm)的發(fā)光二極管。當(dāng)光束通過人體血管時，脈沖的數(shù)量會堵塞，影響光的傳輸質(zhì)量。光電轉(zhuǎn)換器接收光的反射時，光束將其轉(zhuǎn)換成電信號，將其放大并輸出。因為脈搏是隨心跳而周期性變化的信號，動脈血管的體積也是周期性進(jìn)行變化的，所以光電換能器的電信號變化的周期就是脈搏的頻率，即為心率。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實驗結(jié)果，波長為560nm左右的波長可以反映皮膚淺表小動脈的變化信息，適合用來提取脈搏的信號，進(jìn)而測量出個體的心率。4.3語音模塊4.3.1Syn6288介紹2010年初，北京宇音天下科技有限公司推出了Syn6288中文\t"/lengyuefeng212/article/details/_blank"語音的合成芯片。是一款性價比更高，效果更自然的一款中高端智能語音合成芯片。Syn6288智能語音合成芯片通過異步串口通信接收文本數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，并將文本轉(zhuǎn)換為TTS語音。4.3.2Syn6288工作原理與功能特性及IC引腳結(jié)構(gòu)圖1Syn6288芯片原理圖最小系統(tǒng)主要為：Syn6288智能語音合成芯片，控制器模塊，揚(yáng)聲器，功放模塊Syn6288智能語音合成芯片通過UART接口與主控制器相連?？刂破骺梢酝ㄟ^接口向Syn6288智能語音合成芯片發(fā)送相應(yīng)的控制命令和控制文本。語音合成信號被放大到功放中，然后輸出到揚(yáng)聲器。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如下：圖2Syn6288最小系統(tǒng)構(gòu)成框圖功能特性如下：Syn6288語音模塊的功能繁多支持GB2312、GBK等格式文本，每一次合成的文本最多可達(dá)到200字節(jié)支持多種的控制命令，包括：合成，停止，改變波特率可進(jìn)行休眠功能，在休眠的狀態(tài)下降低功率的消耗支持串口數(shù)據(jù)通訊接口模式支持9600,19200以及38400bps三種波特率可進(jìn)行16級的音量調(diào)整，播放文本前景和背景音樂的音量可以分開控制?？衫猛ㄟ^發(fā)送控制標(biāo)志來調(diào)節(jié)語速。內(nèi)部有19首提示音，15首音樂以及23首和弦提示音，內(nèi)置功放，進(jìn)行數(shù)模DAC輸出。Syn6288引腳視圖引腳定義如下：引腳序號引腳名稱I/O說明1,3VSSIO0I總線模塊0電源負(fù)2VDDIO0I總線模塊0電源正4Ready/BusyO低電平空閑，高電平忙5Res.-Res引腳6VDDIO1I總線模塊1電源負(fù)7VSSIO1I總線模塊1電源正8,12VSSPPI語音輸出模塊電源負(fù)10VDDPPI語音輸出模塊電源正9BP0O推送DAC語音輸出111BN0O推送DAC語音輸出228RXDI串口數(shù)據(jù)接收27TXDO串口數(shù)據(jù)發(fā)送26VDDAI內(nèi)部穩(wěn)壓電源正23VSSAI內(nèi)部穩(wěn)壓電源負(fù)25XOUTO高速晶振輸出24XINI高速晶振輸入22REGOUTO電壓自動調(diào)節(jié)輸出21CVDDI處理器電源正18CVSSI處理器電源負(fù)20VDDIO2I總線模塊2電源正17VSSIO2I總線模塊2電源負(fù)19RSTI芯片復(fù)位，低電平觸發(fā)有效16VSSI電源負(fù)極，必須與PCB布線的GND或VSS相連接4.4單片機(jī)模塊4.4.1單片機(jī)介紹圖2STC12C5A60S2單片機(jī)本次設(shè)計的基于單片機(jī)的垃圾箱自動分類設(shè)計[10]以STC89C52單片機(jī)為主控核心，STC12C5A60S2單片機(jī)包括CPU、ROM、I/O接口、看門狗、RAM、定時器、計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等。STC12C5A60S2單片機(jī)具有以下功能：（1）STC12C5A60S2是單時鐘周期的單片機(jī)。（2）是新一代的8051系列單片機(jī)，兼容傳統(tǒng)的8051，速度是8051的9-13倍（3）工作頻率通常在0-35MHz，這相比于普通8051來說約為0-420MHz（4）該單片機(jī)具有EEPROM,但同系列芯片STC12C5A62S2中沒有EEPROM功能（5）具有數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能（6）10位精度ADC（7）轉(zhuǎn)換速率約為250K/s（8）全雙工異步串行接口（UART）4.4.2STC12C5A60S2單片機(jī)引腳功能VCC供電端GND接地端P3.0串行輸入口RXDP3.1串行輸出口TXDP3.2外部中斷INT0P3.3外部中斷INT1P3.4外部輸入計時器T0P3.5外部輸入計時器T1P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通RST復(fù)位XTAL1反向振蕩器及內(nèi)部時鐘電路輸入端口XTAL2反向振蕩器輸出端口5總體電路5.1總電路原理圖整體電路由STC12C5A60S2單片機(jī)、復(fù)位電路、時鐘晶振電路、數(shù)碼管、單片機(jī)供電電路、心率部分電路和語音部分電路組成。單片機(jī)又稱微處理器。這種類型的芯片存在有只讀存儲器和可擦除存儲器。就最小系統(tǒng)而言，最基本的一種是由單片機(jī)跟時鐘電路以及復(fù)位電路具體連接而成，時鐘電路的個數(shù)是一個，復(fù)位電路也是一個，具體制作的過程極其簡單。如上圖所示，它顯示了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。其核心是STC12C5A60S2單片機(jī)。時鐘電路和復(fù)位電路是系統(tǒng)的重要組成部分，其I/O口承載著輸入輸出的重要作用。5.2單片機(jī)供電電路設(shè)計ASM1117在1A電流下壓降為1.2V，是一個正向低壓降的穩(wěn)壓器，ASM1117有兩個版本：固定輸出版本以及可調(diào)版本，固定輸出電壓為1.5V、1.8V等，具有1％的精度；固定輸出電壓為1.2V的精度為2%。ASM1117內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是電池供電以及便攜式計算機(jī)的最佳供電選擇。5.3復(fù)位電路設(shè)計為保證單片機(jī)系統(tǒng)中的元件工作正常，復(fù)位電路是系統(tǒng)中必不可少的一部分電路，它的功能是上電以及復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位功能跟電腦重啟基本上是類似的，如果電腦在具體使用期間死機(jī)了或是卡頓了，按重啟鍵即可重啟，相對應(yīng)的是，整個計算機(jī)系統(tǒng)里面的程序也會重新開始，進(jìn)行重啟操作。單片機(jī)的復(fù)位功能其實也一樣，倘若在具體使用期間出現(xiàn)了故障，只要按下單片機(jī)板其上的復(fù)位鍵，它就能夠重新運(yùn)行。5.4時鐘晶振電路設(shè)計XTAL1和XTAL22可外接外部晶體振蕩器和微調(diào)電容器。振蕩電路所具有的頻率即晶體自身的固有頻率。單片機(jī)自身的時鐘頻率是由兩部分組合而成的，一個是晶振電路，一個是單片機(jī)所具有的內(nèi)部電路。微控制器自身的工作速度與晶體振蕩器的頻率呈正相干。就微控制器而言，其所有指令的整體執(zhí)行必須基于晶體振蕩器的時鐘頻率。5.5數(shù)碼管電路設(shè)計5.6心率電路設(shè)計食指端部的血流變化與心臟跳動同步，通過測量其變化，可以測量出個體的心率，測量的原理圖如上圖所示。5.7語音電路設(shè)計6開發(fā)工具介紹除了硬件的調(diào)試，運(yùn)用單片機(jī)還需要對軟件實行調(diào)試，我們有兩種手段來組裝CPU可以執(zhí)行的機(jī)器代碼：一個是手動匯編，另一個是機(jī)器匯編。機(jī)器匯編是用機(jī)器代碼編譯的一種方式。早期的51單片機(jī)開發(fā)方法是從使用普通匯編語言到不斷地開發(fā)高級語言，Keil是目前最流行的單片機(jī)開發(fā)軟件。KeilC51組裝了友好的C語言編程接口。Keil是一個52系列兼容的微控制器C語言開發(fā)系統(tǒng)，由美國keil軟件公司生產(chǎn)。keilC51軟件提供的復(fù)雜的庫和匯編器,與C語言相比,功能結(jié)構(gòu)的可讀性和可維護(hù)性上具有顯著的優(yōu)點,所以功能強(qiáng)的整合開發(fā)和調(diào)試工具可以很容易學(xué)習(xí)和使用,有完整的windows界面。該設(shè)計使用了C51、Arm和ArduinoIDE平臺。大部分句子生成的匯編代碼結(jié)構(gòu)緊湊，易于理解，在開發(fā)大型軟件時可以顯示高級語言的優(yōu)點。6.1Syn6288的元件規(guī)劃圖6.2總體電路的PCB排版圖設(shè)計7實物預(yù)期功能：實現(xiàn)心率的測量以及語音的播報。實際功能：當(dāng)程序下載之后運(yùn)行，當(dāng)程序可以正常運(yùn)行后，需要進(jìn)行完整的測試過程，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行出現(xiàn)的問題，還需要進(jìn)行一系列的調(diào)試。首先需要進(jìn)行心率檢測的測試。如隔一段時間模擬手指按在心率監(jiān)測儀上的場景，并且在操作過程中，實時觀察數(shù)碼管的顯示狀態(tài)，及時聽取當(dāng)前的語音播報，以此來測試驗證當(dāng)前的程序設(shè)計結(jié)果。并將實驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的心率儀結(jié)果進(jìn)行比較，探究實物心率檢測的準(zhǔn)確性。成功實現(xiàn)對個體心率的測量并將其通過語音播報出來。8結(jié)論本課題設(shè)計的是一種便攜式語音智能心率儀，采用單片機(jī)與語音技術(shù)，實現(xiàn)心率測量及智能語音提示、心率科普知識普及等功能，語音采用了Syn6288智能語音合成芯片，它能夠真實、自