综合电子设计报告模板 - 图文

本科生课程考试成绩单

院 系 学生姓名 课程名称 仪器科学与工程学院 刘英杰 邵闯 王磊 专业 学号 综合电子设计实践 周学时 6 学分 1 测控技术与仪器 22012327 22012325 22012324 授课时间 2014年8月 — 2014年9月 简 要 评 语 考核论题 基于FPGA的日常生活小助手—————健康时钟 成绩 备注 任课教师签名： 日期：

注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简

要评语”栏缺填无效。

2. 任课教师填写后与试卷一起送院系。 3. 总评成绩以百分制计分。

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基于FPGA的日常生活小助手

-------健康时钟

组长：刘英杰 22012327 组员：邵闯 22012325

王磊

22012324

目录

摘要-----------------------------------------------------------------------------------------------------(2)

1.引言--------------------------------------------------------------------------------------------------(3)

2.系统架构--------------------------------------------------------------------------------------------(3)

3.软硬件设计----------------------------------------------------------------------------------------(5) 3.1硬件设计------------------------------------------------------------------------------------(5)

3.1.1 DS18B20硬件电路------------------------------------------------------------------(5) 3.1.2心率血氧模块硬件电路------------------------------------------------------------(6)

3.2软件设计------------------------------------------------------------------------------------(6)

3.2.1时钟和显示模块设计---------------------------------------------------------------(6) 3.2.2温度传感器DS18B20软件算法及数码管显示--------------------------------(7) 3.2.3血氧饱和浓度算法实现------------------------------------------------------------(8)

4 实验或仿真实验-------------------------------------------------------------------------------(11)

4.1 555定时器的Multisim仿真------------------------------------------------------------(11) 4.2 心率血氧模块输入与滤波放大电路仿真---------------------------------------------(12)

5.总结-------------------------------------------------------------------------------------------------(14) 参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------(16)

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摘要： 健康时钟，顾名思义，就是能帮助使用者走向健康的时钟。本健康时钟拟实现如下功能：1、时钟显示及调时；2、闹铃设置；3、室温测量；4、使用者血氧饱和度监测；5、使用者心率监测。本时钟的整体设计包括基本数字逻辑部分和模数混合部分。基本数字逻辑部分主要包括基本时钟功能，调时校时功能和闹铃设置功能。模数混合部分主要包括温度测量，血氧饱和浓度及心率测量部分。整个设计用到了FPGA开发板上的蜂鸣器、红外遥控及红外接收管、数码管这几个现成模块；同时也设计了心率血氧监测电路，并进行了Multisim仿真与PCB的绘制工作。在整个工作学习过程中，小组成员综合使用了Quartus II、Altium Designer、Microsoft Visio和Multisim等软件来完成此设计。

关键字：血氧饱和度监测；Beer-Lambert定律；FPGA；时钟闹铃；温度测试

1 引言

当今社会是一个竞争压力十分巨大的社会，很多人，特别是年轻人面临着高考升学、商务应酬、人际交往、职位竞争等压力。因此，很多年轻人不再注意自己生活节奏的规律和身体的健康，亚健康的状态随之而来[1]。亚健康虽然不是明确的疾病，但却会出现精神活力、适应能力和反应能力的下降，如果这种状态不能得到及时的纠正，非常容易引起身心疾病。一个人的身体和精神状态与他的心率以及血氧浓度有着密切关系，血氧浓度的高低还反映着一个人新陈代谢的快慢，血氧不足会导致注意力不集中、记忆力减退、头晕目眩、焦虑等症状。动脉血氧饱和度作为表征人体呼吸循环系统是否存在障碍的重要生化参数，在疾病的日常预防保健之中有重要作用。[2]综上可见，血氧饱和浓度和人体健康有着密切关系。在日常生活中，时不时监测一下自己的血氧浓度也有利于自己的身体健康。

鉴于当今市场上的血氧仪价格较高，而且单独购买一个血氧仪，用户可能使用几天就失去兴趣不再使用。把它结合到使用者每天都会使用的时钟上面，可以增强用户的自我健康监测意识。因此本课题拟设计一个“健康时钟”，它既有时钟的基本功能，如调时和闹铃，又能进行无穿透的简单心率血氧测量，方便快捷，便于使用者随时监测自己的身体状况。

时钟闹铃部分拟采用现有FPGA开发板[3]进行软件编写；温度测量部分拟采用ds18b20温度传感器和FPGA开发板的通信来完成；血氧饱和浓度监测部分则根据比尔朗伯定律，采用双波长分光光度法，进行外部硬件电路设计[4]。

2 系统架构

如图2-1所示本系统拟采用FPGA开发板辅以适当外围电路进行架构。

整体系统控制采用红外遥控器，原因在于：1、开发板自带的红外遥控已经有了现成的调制解调模块，使用起来十分方便。2、本课题出发点在于日常生活小助手，使用远程控制模块便于将来添加更多功能。

时钟部分完全应用FPGA内部逻辑资源进行开发，用两个寄存器分别存储当前时刻和闹铃时刻的数据，当两个数据一致时，使能蜂鸣器模仿闹钟功能。当前可以多建立几个寄存器作为闹铃，实现多闹铃的功能。

温度传感器采用DS18B20，它体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，而且精度高。它具有独特的单线接口方式，在与FPGA连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯，但是为了提高精度，我们一般会单独给它供电。

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图2-1 系统架构框图

血氧饱和浓度模块则主要由驱动电路、解调器和光传感器、滤波放大电路和AD模块组成。运用双波长法进行测量。解调器、光传感器和AD模块会应用现有模块，我们需要搭建的主要是驱动电路，即555定时器产生方波驱动红灯以及红外的部分和滤波放大电路。

下图2-2所示是小组设计的红外遥控各按键功能：数字键可以用来调整时间或者设置闹铃。如果以后增加更多模块，数字键也可用于功能模式选择。

下图2-3所示是小组完成的FPGA实物部分，包括了温度传感器部分。因为板子上的灯都是复用的，而由于数码管较小，在显示时分的时候不能显示秒，所以在显示时分时，自己搭的LED灯跳动表示秒的跳动。数码管可以用红外遥控自由进行各种数据的切换显示。详见附件视频。

图2-2 红外遥控功能示意图

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图2-3 FPGA实物部分

3 软硬件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 DS18B20硬件电路

DS18B20硬件电路比较简单，因为它只有一个引脚与控制器进行通讯，所以用到的接口也很少。VCC也可以不接，它可以利用输入信号的能量进行供电。但是为了精确测温，我们为VCC单独接5V供电。

硬件电路见图3-1,其中定义pin119为Bidir双向口。

图3-1 温度模块DS18B20电路

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