stm32f103系列微处理器的动物心率测量新方法
摘 要心率由机体能量代谢需求决定，遵守生物物理学规律，机体能量耗尽，生命也就终结，而心率正是反映机体能量代谢的有效指标。因此，研究动物的心率是很有意义的。但由于鸟类（动物）身体结构的特殊性，鸟类的心率很难用传统的心率或者脉搏传感器来测量。在实验过程中，观察到鸟类在呼吸时，腹部会有规律的上下浮动，产生较规律的压力变化，如果选用适当的薄膜式压力传感器，就可以采集到鸟类的腹部压力变化。运用恰当的算法程序配合STM32F103系列微处理器，可以计算出鸟类的呼吸频率，根据呼吸和心跳的比例关系，就可以得到鸟类的心率。STM32F103系列微处理器具有性价比高，功耗低，外设丰富等优点，特别适合本设计。采用SD卡模块作为数据的存储设备，可以将鸟类腹部压力的数值以及心率记录下来，以此观察出鸟类在不同的生理情况下，心率的变化情况。SD卡具有容量大、体积小、易携带等优点，在SD卡上建立了文件系统，可以方便快捷的将数据拷贝到电脑上，运用软件分析压力数据，画出折形图，结果简洁明了。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 Ⅲ
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.2 论文的研究内容 2
1.2.1 主要工作 2
1.2.2 设计难点 2
1.2.3 论文的具体章节结构安排 2
第2章 硬件电路的设计与实现 4
2.1 总体设计的基本原则 4
2.2压力传感器、微处理器及电源的选择 4
2.2.1 压力传感器选型 4
2.2.2 微处理器选型 5
2.2.3 电源选择 7
2.3动物心率测量系统总体设计方案 8
2.4具体电路设计 9
2.4.1 信号采集电路设计 9
2.4.2 微处理器电路设计 10
2.4.3 SD卡电路方案 11
2.5本章小结 13
第3章 动物心率测量系统软件的设计 14
3.1系统软件的总体流程 14
3.2程序设计语言与开发环境 14
3.2.1 KEIL编程软件 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.3系统程序的编写 16
3.3.1 主程序的开发 16
3.3.2 各个功能模块的初始化 16
3.4本章小结 20
第4章 系统调试及数据分析 21
4.1压力信号采集电路的调试 21
4.2信号处理与存储电路的调试 21
4.3系统的整体调试 22
4.4数据分析 23
4.4.1鸽子腹部压力数据分析 23
4.4.2人体腹部压力数据分析 24
4.5实验结果的总结 27
4.6误差分析 27
第5章 总结与展望 28
5.1本文总结 28
5.2工作展望 29
参考文献 30
致 谢 32
附 录 33
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
心率(Heart Rate)是用来描述心动周期的专业术语，指心脏每分钟跳动的次数。科学家研究发现心率是预测男子寿命的有效指标。在研究动物生理状况与寿命的过程中，得出一个结论——动物的心率越慢则寿命越长。
研究发现，小型哺乳动物如鼠类、兔类等心率很快，每分钟可达数百次，但它们的寿命仅1～3年。相反，大的哺乳动物如鲸体重很大，心率慢，每分钟仅20次左右，其寿命却可达30～40年。科学家们进一步证实，在所有哺乳动物中都可发现这一规律。一种叫格拉帕哥斯的乌龟寿命可长达177年，它的每分钟心跳仅为6次，一生心脏共跳动约5.6亿次。而进一步的研究表明：所有哺乳动物(人除外)一生的心跳次数基本一样，大约是30亿次左右。人类与哺乳动物有很大区别，在相似心率条件下，人的寿命远比动物长，其原因主要是科学发展，医药保健及社会的进步。
大量文献资料表明：心率由机体能量代谢需求决定，遵守生物物理学规律，机体能量耗尽，生命也就终结，而心率正是反映机体能量代谢的有效指标[22]。
因此，研究动物的心率或者呼吸频率情况是很有科技与社会意义的。在当今环境越来越恶劣的情况下，经常发生动物大规模死亡的事件，而大多数动物对人类是有益的，保护动物就是保护人类自身。鸟类与人类的生活息息相关，关注鸟类的生理状况，研究如何测量鸟类的心率变化，后期工作可以拓展到研究整个生物界的心率变化，非常有研究意义。动物的心率与身体状况有着密切的联系，通过观察动物的心率（呼吸频率）变化，就可以了解动物生理状况的好坏。
导师在研究鸽子姿态的检测与鸽子位置定位时发现，鸽子在呼吸时，腹部有明显的起伏，产生较规律的压力变化，但由于鸟类身体结构的特殊性，传统的心率或者脉搏传感器，并不适用于测量鸽子的心率，因此，如何测量鸟类的心率成为一个亟待解决的新课题。
为了监测鸟类腹部压力随其运动状态，活跃程度的变化，获得鸟类的生理状况，采用微型压力传感器能够很好的检测出鸟类这一生理特性。通过软硬件结合，可以测量出鸟类的呼吸频率变化，根据呼吸频率与心率之间的比例关系，就可以较准确的得到心率变化。通过SD卡模块可以将数据记录下来。
1.2 论文的研究内容
目前市场上没有专门设备运用压力传感器来测量动物的心率，基于此本文设计了一种基于STM32F103系列微处理器能够实时采集动物腹部压力数据并进行处理和保存的动物心率测量系统。该系统体积较小，易于带在动物身体上。并且采用SD 卡能够存储大量的数据，适宜长时间工作。在SD卡上建立文件系统，可以将数据方便的拷贝到电脑上，方便对数据的后期处理与分析[1]。
1.2.1 主要工作
本设计的目的是设计一个可以用压力传感器来测量动物心率的系统，主要研究工作如下：
（1）压力传感器的选择与压力信号的检测
（2）动物心率测量系统的硬件设计
采集电路：准确采集压力信号。
处理电路：完成信号的处理，分析，存储等功能[2]。
（3）动物心率测量系统的软件程序设计：
压力信号采集的程序；
各个功能模块初始化程序；
SD 卡数据存储程序；
1.2.2 设计难点
动物腹部产生的压力起伏变化是比较微弱的，为了采集到压力信号，我们需要选用灵敏度较高的压力传感器。同时，整个系统要安装在鸽子的腹部进行实验，所以要求整个系统尽可能的小，要考虑到电池、内存卡的使用时间，对微处理器的功耗也要求尽可能低。压力信号的处理，如何避免误差，采用什么样的算法程序来计算呼吸频率都是需要解决的问题。
1.2.3 论文的具体章节结构安排
本文的主要安排如下所示：
第一章介绍了本课题提出的背景和意义，列出了论文的主要内容和大体框架。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 Ⅲ
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.2 论文的研究内容 2
1.2.1 主要工作 2
1.2.2 设计难点 2
1.2.3 论文的具体章节结构安排 2
第2章 硬件电路的设计与实现 4
2.1 总体设计的基本原则 4
2.2压力传感器、微处理器及电源的选择 4
2.2.1 压力传感器选型 4
2.2.2 微处理器选型 5
2.2.3 电源选择 7
2.3动物心率测量系统总体设计方案 8
2.4具体电路设计 9
2.4.1 信号采集电路设计 9
2.4.2 微处理器电路设计 10
2.4.3 SD卡电路方案 11
2.5本章小结 13
第3章 动物心率测量系统软件的设计 14
3.1系统软件的总体流程 14
3.2程序设计语言与开发环境 14
3.2.1 KEIL编程软件 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.3系统程序的编写 16
3.3.1 主程序的开发 16
3.3.2 各个功能模块的初始化 16
3.4本章小结 20
第4章 系统调试及数据分析 21
4.1压力信号采集电路的调试 21
4.2信号处理与存储电路的调试 21
4.3系统的整体调试 22
4.4数据分析 23
4.4.1鸽子腹部压力数据分析 23
4.4.2人体腹部压力数据分析 24
4.5实验结果的总结 27
4.6误差分析 27
第5章 总结与展望 28
5.1本文总结 28
5.2工作展望 29
参考文献 30
致 谢 32
附 录 33
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
心率(Heart Rate)是用来描述心动周期的专业术语，指心脏每分钟跳动的次数。科学家研究发现心率是预测男子寿命的有效指标。在研究动物生理状况与寿命的过程中，得出一个结论——动物的心率越慢则寿命越长。
研究发现，小型哺乳动物如鼠类、兔类等心率很快，每分钟可达数百次，但它们的寿命仅1～3年。相反，大的哺乳动物如鲸体重很大，心率慢，每分钟仅20次左右，其寿命却可达30～40年。科学家们进一步证实，在所有哺乳动物中都可发现这一规律。一种叫格拉帕哥斯的乌龟寿命可长达177年，它的每分钟心跳仅为6次，一生心脏共跳动约5.6亿次。而进一步的研究表明：所有哺乳动物(人除外)一生的心跳次数基本一样，大约是30亿次左右。人类与哺乳动物有很大区别，在相似心率条件下，人的寿命远比动物长，其原因主要是科学发展，医药保健及社会的进步。
大量文献资料表明：心率由机体能量代谢需求决定，遵守生物物理学规律，机体能量耗尽，生命也就终结，而心率正是反映机体能量代谢的有效指标[22]。
因此，研究动物的心率或者呼吸频率情况是很有科技与社会意义的。在当今环境越来越恶劣的情况下，经常发生动物大规模死亡的事件，而大多数动物对人类是有益的，保护动物就是保护人类自身。鸟类与人类的生活息息相关，关注鸟类的生理状况，研究如何测量鸟类的心率变化，后期工作可以拓展到研究整个生物界的心率变化，非常有研究意义。动物的心率与身体状况有着密切的联系，通过观察动物的心率（呼吸频率）变化，就可以了解动物生理状况的好坏。
导师在研究鸽子姿态的检测与鸽子位置定位时发现，鸽子在呼吸时，腹部有明显的起伏，产生较规律的压力变化，但由于鸟类身体结构的特殊性，传统的心率或者脉搏传感器，并不适用于测量鸽子的心率，因此，如何测量鸟类的心率成为一个亟待解决的新课题。
为了监测鸟类腹部压力随其运动状态，活跃程度的变化，获得鸟类的生理状况，采用微型压力传感器能够很好的检测出鸟类这一生理特性。通过软硬件结合，可以测量出鸟类的呼吸频率变化，根据呼吸频率与心率之间的比例关系，就可以较准确的得到心率变化。通过SD卡模块可以将数据记录下来。
1.2 论文的研究内容
目前市场上没有专门设备运用压力传感器来测量动物的心率，基于此本文设计了一种基于STM32F103系列微处理器能够实时采集动物腹部压力数据并进行处理和保存的动物心率测量系统。该系统体积较小，易于带在动物身体上。并且采用SD 卡能够存储大量的数据，适宜长时间工作。在SD卡上建立文件系统，可以将数据方便的拷贝到电脑上，方便对数据的后期处理与分析[1]。
1.2.1 主要工作
本设计的目的是设计一个可以用压力传感器来测量动物心率的系统，主要研究工作如下：
（1）压力传感器的选择与压力信号的检测
（2）动物心率测量系统的硬件设计
采集电路：准确采集压力信号。
处理电路：完成信号的处理，分析，存储等功能[2]。
（3）动物心率测量系统的软件程序设计：
压力信号采集的程序；
各个功能模块初始化程序；
SD 卡数据存储程序；
1.2.2 设计难点
动物腹部产生的压力起伏变化是比较微弱的，为了采集到压力信号，我们需要选用灵敏度较高的压力传感器。同时，整个系统要安装在鸽子的腹部进行实验，所以要求整个系统尽可能的小，要考虑到电池、内存卡的使用时间，对微处理器的功耗也要求尽可能低。压力信号的处理，如何避免误差，采用什么样的算法程序来计算呼吸频率都是需要解决的问题。
1.2.3 论文的具体章节结构安排
本文的主要安排如下所示：
第一章介绍了本课题提出的背景和意义，列出了论文的主要内容和大体框架。
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