基于Atmega64L的心率监测系统中MCU的设计

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摘要:一种基于Atmel公司AVR系列单片机Atmega64L,用于心率监测系统中MCU的设计。简述了单片机的特性,以及外围接口电路和软件设计。该系统应用于单兵训练强度的心率监测系统,提高了系统的实时性和运算能力。

1 引言

根据运动心率可准确划分运动强度等级,通过单片机对监测心率按照划分等级的智能判断,可以实时监测训练强度,进行显示报警,从而掌握科学的训练强度。通过对便携式心率监测系统的特点研究分析,针对如何提高系统实时性、可靠性和抗干扰能力的问题,我们要求对该系统微控制处理模块(MCU)进行了基于 Atmega64L的设计。

2 单片机Atmega64L

Atmega64L是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进指令集以及单时钟周期指令执行时间,数据吞吐率高达1MIPS/MHz,有6种睡眠模式,功耗较低,适合于便携式产品应用。

3 Atmega64L外围电路设计

Atmega64L的外围电路主要包括:电源模块、键盘控制模块、液晶显示和语音报警系统接口、心率采集信号输入接口,见图1。

MCU结构图

电路设计在ProtelDXP的开发软件中完成,包括:原理图和PCB图的设计。元器件的选择和封装设计都采用标准规定,但为满足小型化,其中某些元件考虑其贴片式或其它因素,采用了实物测量的方法自己加载元件库。模块电路设计均采用典型电路。

4 软件设计

WINAVR是为AVR系列单片机提供的Windows平台下的开发程序集,它使用C语言编程,简化了软件结构,提高了编程效率。系统软件设计主要包括:A/D转换模块、键盘输入模块、阈值比较判断模块、显示和报警系统。

(1)A/D转换模块:心律采集电路采用差分电路和滤波电路后,输出1个模拟信号,单片机Atmega64L通过自带的ADC转换器,把模拟信号转换为可处理的数字信号。此时的心率信号以离散信号的形式,通过计算单位时间R波之间的时间来换算心率值;

(2)键盘输入模块:在预先测量之前可手动输入被测者年龄参数,以备阈值比较判断使用,主要是心率值;

(3)阈值比较判断模块:经阈值判断后,单片机将判断结果发送给液晶显示予以显示。

若被测者结果超出阈值范围时,系统启动报警系统,分别进行分频闪烁和蜂鸣报警。同时,对测量结果进行储存,为了避免存储冗余,系统只保留近期测量的数据;(4)异步串行通信模块:系统开启时,会初始化液晶芯片,出现开机画面。然后,当正常工作时,实时显示心率测量值。在心率信号监测过程中,若被测信号大于阈值,系统会发送报警信号,触发报警功能。否则,正常工作。

5 讨论

采用 Atmega64L设计单兵心率监测系统,由于单片机及其外围功能电路,配合在WINAVR环境下的C语言软件设计,实现了系统实时性、灵敏性、小型化,以便单兵携带的要求。但系统智能软件设计方面尚未成熟,比如:阈值输入和键盘功能较为单一,数据传输和数据存储扩展有限。

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