基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

1、 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì) 院部名稱： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講 師 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Portable Heart Rate Measuring Instrument Based on MCU Candidate： Specialty： Class： Supervisor：Lecturer Li Jing Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘

2、 要 隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展, 醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量?jī)x器日新月異。生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與臨床醫(yī)學(xué)和保健醫(yī)療的聯(lián)系日益緊密。通過(guò)對(duì)人體各種生理信號(hào)的檢測(cè)，能更好的認(rèn)識(shí)人體的生命現(xiàn)象。脈象包含豐富的人體健康狀況信息, 脈診技術(shù)應(yīng)客觀化、定量化。本設(shè)計(jì)利用光電式傳感器, 設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)獲取的方法。本設(shè)計(jì)主要是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)試儀的具體實(shí)現(xiàn)方法，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形后，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而測(cè)量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動(dòng)次數(shù)，快捷方便。通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀對(duì)推進(jìn)脈診技術(shù)客觀化的實(shí)現(xiàn)具有積極的促

3、進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：脈搏；單片機(jī)；光電傳感器；脈沖信號(hào)；便攜式黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)IABSTRACT With the development of the biomedical engineering technology, the medical signal measuring instrument is changing everyday. Biomedical measurement and clinical medicine and health care increasingly close ties. We could better understand the pheno

4、menon of human. life through various physiological signal detection of the human body. Pulse inclusions rich state of the health information, By using optical sensors, With the high development of electronics and computer nowadays, the pulse diagnosing technology should be objective and quantitive.

5、this text access to the pulse signal design methods. This paper mainly introduces the concrete realization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. The pulse signal is amplified and regenerated to input into MCU to carry out corresponding control,

6、as a result the pulse number per a minute is measured. The use of the pulse counter is quick and convenient. Through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the hospitals. In my design, Portable heart rate measuring instrument based on

7、 MCU has a positive role in promoting the objective of the pulse technology.Key words: Pulse；MCU；Photoelectric Sensor；Pulse Signal；Portable黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄摘要.IAbstract.II第 1 章 引言.11.1 概述.11.2 基于單片機(jī)的心率測(cè)試儀的發(fā)展與應(yīng)用.21.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.3第 2 章 整體方案分析.42.1 任務(wù).42.2 要求.42.3 系統(tǒng)的整體方案.42.4 方案的對(duì)比和論證.42.4.1 脈搏檢測(cè)傳感器的選擇

8、.42.4.2 單片機(jī)的選擇.62.4.3 顯示部分的選擇.62.5 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題.72.5.1 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響.72.5.2 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響.72.5.3 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響.82.6 本章小結(jié).8第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)分析.93.1 控制器.93.1.1 AT89S52 .93.1.2 AT89S52 的特點(diǎn) .93.1.3 AT89S52 的結(jié)構(gòu) .93.2 脈搏信號(hào)采集.123.2.1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理.123.2.2 信號(hào)采集電路.133.3 信號(hào)放大電路.13黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.4 波形整形電路.153.5 單片機(jī)處理電路

9、.153.6 顯示電路.163.7 報(bào)警電路.173.8 本章小結(jié).17第 4 章 軟件系統(tǒng).184.1 主程序流程.184.2 定時(shí)器中斷程序流程.194.3 INT 中斷程序流程.204.4 顯示程序流程.204.5 蜂鳴器報(bào)警流程.214.6 本章小結(jié).22結(jié)束語(yǔ).23參考文獻(xiàn).25致謝.27附錄.28附錄 A 整體硬件電路圖.28附錄 B 程序.29附錄 C 外文翻譯.35黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 0第 1 章 引 言1.1 概述 多年來(lái)，心率測(cè)試儀在心腦血管疾病的研究和診斷方面發(fā)揮出顯著的作用，它記錄的心臟活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。臨床上使用的心電監(jiān)護(hù)儀雖然功

10、能強(qiáng)大，測(cè)量精度高，但因?yàn)閮r(jià)格高昂，不利于家庭的普及。就算是在醫(yī)院，護(hù)士每天監(jiān)控病人病情而進(jìn)行的心率測(cè)試也是常用手測(cè)。因?yàn)檎Ｈ说男穆屎兔}搏跳動(dòng)的次數(shù)是一樣的，所以可以用測(cè)量脈搏的方法來(lái)測(cè)心率。因此，本設(shè)計(jì)采用的是設(shè)計(jì)一種脈搏測(cè)試儀測(cè)量脈搏數(shù)從而實(shí)現(xiàn)心率的測(cè)量的方法。脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人脈搏跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分,因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上具有重要的作用。目前檢測(cè)脈搏的儀器雖然很多，但是能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、精確顯示且計(jì)時(shí)功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測(cè)量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的

11、變化。但在目前，我國(guó)的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢(shì)。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認(rèn)識(shí)、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過(guò)摸脈作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對(duì)脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。采用脈搏檢測(cè)傳感器對(duì)人體的脈搏進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。得到

12、的信號(hào)送入進(jìn)行濾波、放大、整形等處理之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏數(shù)在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。本設(shè)計(jì)首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個(gè)部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見(jiàn)。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀，系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1單，性價(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適合大眾化。適合家庭進(jìn)行自我檢測(cè)以及醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。這使我們?cè)诩抑芯涂梢詼y(cè)試心率從而能檢測(cè)是否患有一些心血管疾病，做到早發(fā)現(xiàn)。1.2 基于單片機(jī)的心率測(cè)試儀的發(fā)展與應(yīng)用在我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問(wèn)、切”是

13、最基本的四個(gè)方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過(guò)脈診，醫(yī)生可以對(duì)患者的身體狀況有一個(gè)大概的了解，進(jìn)而對(duì)癥下藥。脈搏信號(hào)可以直接反應(yīng)出患者心臟的部分狀況，我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，通過(guò)脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測(cè)到病因，病位，預(yù)測(cè)療效等。鑒于脈診的重要性，人們對(duì)于脈搏測(cè)量一直非常關(guān)注，早在 1860 年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀，國(guó)內(nèi) 20 世紀(jì) 50 年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是 70 年代中期，國(guó)內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)

14、作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個(gè)新的境界。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)脈搏的測(cè)量精度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測(cè)量?jī)x，而其中關(guān)鍵是對(duì)脈搏傳感器的研究。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)今市場(chǎng)上的脈搏測(cè)試儀的脈率采集主要有三種方法：采用一對(duì)紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)、采用反射式的紅外管實(shí)現(xiàn)和采用壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng)消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)：1、自動(dòng)

15、測(cè)量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析目前很多脈搏測(cè)量?jī)x都具有檢測(cè)血氧等其他的功能，但是對(duì)這些信號(hào)的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費(fèi)大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來(lái)脈搏自動(dòng)檢測(cè)的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動(dòng)分析診斷功能也更強(qiáng)大。2、數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)用將使干擾更小，測(cè)量更為準(zhǔn)確。3、多功能化越來(lái)越明顯黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2目前的脈搏測(cè)量?jī)x，一般都具有測(cè)試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)很少見(jiàn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。1.3

16、 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率） ，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。 本設(shè)計(jì)的工作是圍繞著脈搏檢測(cè)傳感器檢測(cè)脈搏波而單片機(jī)進(jìn)行控制進(jìn)行的。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容安排如下： 第一章為引言。簡(jiǎn)要介紹了心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)的目的和意義，并對(duì)基于單機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的現(xiàn)狀和應(yīng)用以及未來(lái)的發(fā)轉(zhuǎn)走勢(shì)做了簡(jiǎn)單的闡述，指出了本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)內(nèi)容，即心率的測(cè)試。 第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是

17、對(duì)整個(gè)方案的詳細(xì)的對(duì)比與選擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，之后是各個(gè)部分的對(duì)比選擇。 第三章是本設(shè)計(jì)的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行分析與解釋。 第四章敘述程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，而且對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了展望。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3第 2 章 整體方案分析2.1 任務(wù)基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由光電傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分

18、鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率） ，并在數(shù)碼管上顯示，并且在超出設(shè)定的正常脈搏跳動(dòng)范圍時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。2.2 要求(1)通過(guò)脈搏傳感器采樣脈搏信號(hào)，設(shè)計(jì)脈搏波檢測(cè)電路，通過(guò)譯碼管來(lái)顯數(shù)脈搏次數(shù)。(2)將脈沖波送入單片機(jī)，采用單片機(jī)構(gòu)成脈搏波檢測(cè)儀，要求實(shí)現(xiàn)脈搏波次數(shù)超出設(shè)定時(shí)限時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。2.3 系統(tǒng)的整體方案本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、單片機(jī)處理電路部分、顯示電路部分和報(bào)警電路部分。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)量?jī)x將利用脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的，再通過(guò)報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)硬件框圖如圖

19、 2.1 所示。脈搏檢測(cè)傳感器低通放大器整形電路單片機(jī)數(shù)碼顯示電路報(bào)警電路 圖 2.1 硬件框圖2.4 方案的對(duì)比和論證2.4.1 脈搏檢測(cè)傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4成部分。1、光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來(lái)拾取脈搏信號(hào)。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時(shí)，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)

20、生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。常用檢測(cè)脈搏的光電傳感器一般是紅外對(duì)管。紅外對(duì)管將對(duì)管夾于手指端部，通過(guò)手指的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生變化，紅外對(duì)管對(duì)應(yīng)的信號(hào)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號(hào)。紅外對(duì)管對(duì)脈搏的檢測(cè)的基本原理：隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減?。划?dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。光電式傳感器具有靈敏度高，易于操作，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。雖然外部光源的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大，但我們進(jìn)行測(cè)量的地方一般都是在室內(nèi)，有穩(wěn)定的光源，所以在

21、正常的操作過(guò)程中只要稍微注意下光源的問(wèn)題就可以了。2、壓電式傳感器目前常用的是一次性心電電極，它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法，能明顯的減少由于人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對(duì)采集到的心電信號(hào)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng)，能緊附在人體表面，柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。當(dāng)選用電極傳感器時(shí)，需要 3 個(gè)電極分別置于左右手和左腿，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號(hào)，在檢測(cè)脈搏信號(hào)時(shí)，對(duì)電極的位置，引線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。目前市場(chǎng)上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感

22、器，其靈敏度高,頻帶范圍好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí)，可以感覺(jué)到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺(jué)，將這個(gè)信號(hào)用傳感器提取出來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)指脈的波形檢測(cè)，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)。壓電式傳感器有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5肉的顫動(dòng)等而產(chǎn)生干擾。而肌肉的顫動(dòng)不是人能主動(dòng)控制的，所以說(shuō)這部分的誤差很難控制。并且使用壓電式傳感器測(cè)脈搏還容易受到外界其他信號(hào)的干擾。3、集成傳感器當(dāng)前，市面上有很多類型的集成心電傳感器，其靈敏度高，集成度高，直接就可

23、以反映出心率的變化，且已包含了濾波等抗干擾電路，波形經(jīng)過(guò)放大可以直接處理使用。缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，考慮到經(jīng)費(fèi)以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜合考慮種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，本設(shè)計(jì)采用光電式傳感器。2.4.2 單片機(jī)的選擇單片機(jī)的選擇主要是在 AT89C2051 和 AT89S52 之間做選擇。1、AT89S52 單片機(jī)AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上

24、的 Flash 允許程序存儲(chǔ)在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。2、AT89C2051 單片機(jī)AT89C2051 是一種低電壓、高性能的 CMOS 8 位微控制器，片內(nèi)含 2K 字節(jié)可反復(fù)擦除的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128B 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)。芯片置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，AT89C2051 在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)比較，本設(shè)計(jì)采用 AT89S

25、52 單片機(jī)。2.4.3 顯示部分的選擇根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)警的范圍的。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到 CRT 顯示器，都可以與微機(jī)配接。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡(jiǎn)稱 LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但與 LCD 相比顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6因而其應(yīng)用有局限性。LED 數(shù)碼管顯示

26、器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段 LED 數(shù)碼管，有共陰極和共陽(yáng)極兩種。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個(gè)發(fā)光二極管，其中從 ag 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符，Dp 顯示小數(shù)點(diǎn)。共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽(yáng)極的 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。通過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。2.5 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題2.5.1 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的

27、影響在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少背景光的干擾。 測(cè)量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測(cè)量過(guò)程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的影響，同時(shí)考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個(gè)外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測(cè)量過(guò)程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測(cè)量到的脈搏波形比較平滑

28、。這是因?yàn)榧又柑资降拿}搏傳感器中環(huán)境光在測(cè)量過(guò)程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長(zhǎng)單一，所以得到的脈搏信號(hào)較為穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 2.5.2 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響通過(guò)光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號(hào)的傳遞過(guò)程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí)放大電路采用電磁屏蔽的方式來(lái)消除電磁干擾。本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級(jí)放大電路，有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)

29、的干擾。 工頻干擾是電路中最常見(jiàn)的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7之一。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在 0.330Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此通過(guò)低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號(hào)調(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)可以在控制電路中對(duì)光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾。2.5.3 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響 測(cè)量過(guò)程中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，這樣

30、會(huì)使脈搏的測(cè)量產(chǎn)生誤差，可以通過(guò)兩個(gè)方面減少運(yùn)動(dòng)噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)性，比如說(shuō)使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動(dòng)；二是從脈搏處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減少誤差。對(duì)于本設(shè)計(jì)的傳感器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用的是第一個(gè)途徑。2.6 本章小結(jié)本章主要介紹了常見(jiàn)的用于脈搏檢測(cè)的三種傳感器，并對(duì)這三種感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)芯片的型號(hào)是 AT89S52，在本章主要介紹了它的一些特點(diǎn)。最后，給出了最終的設(shè)計(jì)方案和硬件框圖。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)分析3.1 控制器經(jīng)過(guò)第 2 章的敘述已經(jīng)確定了完成本設(shè)計(jì)所需要的主要元器件，所以本章開(kāi)始講述基于單片機(jī)

31、的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)的硬件電路的設(shè)計(jì)。在這里，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的處理。在檢測(cè)到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。 。3.1.1 AT89S52AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的 Flash 允許程序存儲(chǔ)在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得

32、 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3.1.2 AT89S52 的特點(diǎn)1、兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)2、8k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器3、128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)4、32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出(I/O)口5、5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、 2 層中斷嵌套中斷6、2 個(gè)全雙工串行通信口7、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路8、2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器9、6 個(gè)中斷源10、看門狗(WDT)電路11、全靜態(tài)工作： 0Hz33MHz12、三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定13、可編程串行通道14、低功耗空閑和掉電模式3.1.3 AT89S52

33、 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計(jì)所使用的 AT89S52 的封裝形式是 PDIP。DIP 管腳圖如圖 3.1 所黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9示。EA/VPP31XTAL119XTAL218R S T/VPD9P3.7/R D17P3.6/W R16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PS

34、 EN29ALE/PR OG30P3.1/TXD11P3.0/R XD10Vcc40Gnd20AT89S52AT89S 5X圖 3.1 DIP 管腳圖AT89S52 與 51 系列中各種型號(hào)芯片的引腳互相兼容。目前多采用 40 只引腳雙列直插，如圖 3.1 所示。引腳按其功能可分為如下 3 類： 1、電源及時(shí)鐘引腳VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；2、控制引腳、和；/RST VPD/ALE PROGPSEN/EA VPP3、I/O 口引腳P0、P1、P2、P3，為 4 個(gè) 8 位 I/O 口。1、電源及時(shí)鐘引腳(1)電源引腳VCC：5V 電壓。GND：接地。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)

35、10(2)外接晶體引腳XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，此引腳接地；對(duì)于 CMOS 單片機(jī)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，此引腳接外部振蕩源；對(duì)于 CMOS 單片機(jī)，此引腳懸空不接。AT89S52 晶體振蕩器頻率可在 6MHz40MHz 之間選擇，常選 6MHz 或12MHz 的石英晶體。電容的值沒(méi)有嚴(yán)格要求，但其取值對(duì)振蕩器的頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、

36、振蕩電路起振速度稍有影響，C1、C2 可在 20pF100pF 之間選擇。當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí)，電容可選 30pF10pF；外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容可選 40pF10pF。2、控制引腳：復(fù)位端。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)持續(xù) 2 個(gè)以上機(jī)器周期(個(gè)晶體振/RST VPD蕩周期）高電平即為有效，用于完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。正常工作時(shí)，此腳電平應(yīng) 0.5V。在 VCC 發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源VPD（電源范圍 5V0.5V） ，由 VPD 向內(nèi)部 RAM 供電，以保持內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)。：地址鎖存使能。ALE（Address Latch Enable） ；/ALE PROG

37、PROG（Program）為 CPU 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供地址鎖存/ALE PROG信號(hào)，將低 8 位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。引腳第二功能，/ALE PROG對(duì)片內(nèi) Flash 編程，為編程脈沖輸入端。：（Programmer Saving ENable） ，外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀PSEN外部程序存儲(chǔ)器時(shí)有效（低電平） ，以實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器單元的讀操作。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)無(wú)效。PSEN：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming） ，訪問(wèn)程序存儲(chǔ)/EA VPP控制信號(hào)。當(dāng)“0”時(shí)，表示讀外部

38、程序存儲(chǔ)器。只讀取外部的程序存/EA VPP儲(chǔ)器中的內(nèi)容，讀取的地址范圍為 0000HFFFFH（64KB） ，片內(nèi)的 8KB Flash 程序存儲(chǔ)器不起作用。當(dāng)“1”時(shí)，表示對(duì)程序存儲(chǔ)器的讀操作是從內(nèi)/EA VPP部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片內(nèi) 4KB Flash 存儲(chǔ)器的地址范圍）時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11（4KB）中的程序，但當(dāng) PC 值超出 0FFFH （即超出片內(nèi) 4KB Flash 地址范圍）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外 60KB（1000H-FFFFH）程序存儲(chǔ)器空間中的程序。對(duì)于 EPROM（或

39、 FLASH）型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳需加12.75V 或 21V 的編程電壓。3、I/O 口引腳P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。Pl 口：P1 是個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P2 口：P2 是

40、一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流)4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1所示。 表3.1 P3口的第二功能端口引腳 第二功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 INT0(外中斷 0)P3.3 INT1（外中斷 1）P3.4 T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0）P3.5 T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1）

41、P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 3.2 脈搏信號(hào)采集目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 123.2.1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理近年來(lái)，光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的

42、脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來(lái)。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用了指套式的透射型光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光電隔離，減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。透射式光電傳感器結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示。圖 3.2 透射式光電傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2.2 信號(hào)采集電路

43、圖 3.3 是脈搏信號(hào)的采集電路，U3 是紅外發(fā)射接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì) R21 阻值的選取要求較高。R21 選擇 270 同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R21 過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R21 過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使

44、手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號(hào)的頻率黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次/分鐘時(shí)，只有 0.78Hz，200 次/分鐘時(shí)也只有3.33Hz，因此信號(hào)首先經(jīng) R22、C10 濾波以濾除高頻干擾。VC CU3Optoisolator1R 21270R 2256KC 10220ufGND圖 3.3 信號(hào)采集電路3.3 信號(hào)放大電路本設(shè)計(jì)采用的放大器是LM324。LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用14 腳雙列直插塑料封裝.它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。由于LM324 四運(yùn)放電路具有

45、電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。由于通過(guò)光電式脈搏傳感器檢測(cè)到的脈搏波的信號(hào)非常微弱，所以在單片機(jī)接受處理前需要進(jìn)行信號(hào)的放大處理。按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá) 200次/分鐘的計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器，放大電路如圖 3.4 所示。R23、C6 組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由 R23、C6 決定，運(yùn)放 U3A 將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由 R23 和 R27 的比值決定。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14R 231MR 2656KR 274.7K564117U3ALM 324VC CGNDGNDC 647nf圖 3.4 放大電路根據(jù)

46、一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得： (3.1)coiOwsAsVsVsA1)()()(放大倍數(shù)為： (3.2)230271112144.7RMARK 截止頻率為： (3.3)023613.392fHzR C按人體的脈搏跳動(dòng)為 200 次/分鐘時(shí)的頻率是 3.3 Hz 考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)過(guò)低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波。3.4 波形整形電路波形整形電路如圖 3.5 所示，U2A 是一個(gè)電壓比較器，C11、R29 構(gòu)成一個(gè)微分器，U1A 和 C7、R32 組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由 C7、R32 決定。該比較器的閥值電壓可用 R31 調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對(duì)

47、R31 的調(diào)節(jié)要求并不嚴(yán)格，因?yàn)?U2A 的輸出信號(hào)經(jīng) C11、R29 的微分后總是將尖脈沖送到單片機(jī)腳，進(jìn)行對(duì)心率的計(jì)算和顯示。0INT黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15C 11nfR 291MR 20220KR 2510KR 2822KR 3110K1094118U2ALM 324VC CVC CGND圖 3.5 整形電路3.5 單片機(jī)處理電路單片機(jī)處理電路如圖 3.6 所示，本部分運(yùn)用了 ATMEL 公司的 89S52 單片機(jī)作為核心元件，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。單片機(jī)外圍電路包括復(fù)位電路和振蕩電路。

48、本設(shè)計(jì)采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。石英晶振選擇頻率為11.0592MHz，電容選擇 30pf。如圖 3.6 中振蕩電路所示。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作機(jī)器周期為：。時(shí)鐘電路工作后，在 REST 管腳上usM1)0592.111 (0592.11加兩個(gè)機(jī)器周期（12 個(gè)晶振周期）以上的高電平，芯片內(nèi)部開(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位。來(lái)自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī) 89S52 的腳，單片機(jī)0INT設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)，來(lái)一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時(shí)器中斷主要完成一分鐘的定時(shí)功能。單片機(jī)對(duì)一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過(guò)

49、 P0、P2 口把測(cè)量過(guò)程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16GNDVC CR 1010kS 1S W -PB 1+C 310uVC CGNDC 430pC 530pY1110592MR 1110kVC C234567891R 910kVC CEA/VPP31XTAL119XTAL218R S T/VPD9P3.7/R D17P3.6/W R16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435

50、P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PS EN29ALE/PR OG30P3.1/TXD11P3.0/R XD10Vcc40Gnd20AT89S52AT89S 52GND 圖 3.6 單片機(jī)處理電路3.6 顯示電路顯示電路如圖 3.7 所示。R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7220R 8Q29012Q39012Q49012Q59012Q69012Q19012VC CR 12220R 13220R 15220R 16220R 18220R 19220a11b7c4d2e1f10g5dp39ab

51、fcgdW486abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112a11b7c4d2e1f10g5dp39abfcgdW486abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112圖 3.7 顯示電路本設(shè)計(jì)的顯示采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描來(lái)顯示。動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描） ，即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。對(duì)于每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過(guò)調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的

52、位數(shù)不大于 8 位，則顯示器的公共端只需一個(gè) 8 位 I/O口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描（稱為掃描口） ，控制每位顯示器所顯示的字形也需一個(gè) 8 位口（稱為段碼輸出） 。本設(shè)計(jì)采用的 LED 是兩個(gè) 3 位的共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管組成 8位顯示，其中 0、1 兩位顯示測(cè)量中的時(shí)間，3、4 兩位顯示測(cè)量中的脈搏次數(shù)，6、7 兩位用來(lái)顯示上次測(cè)量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)的 P0 口控制顯示字型，P2 控制顯示字位。3.7 報(bào)警電路根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于 120 或小于 60 時(shí)，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)小于 120 時(shí)大于 60 時(shí)，蜂鳴器不響。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流

53、能力低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極管加大功率 ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。報(bào)警電路如圖 3.8 所示。Q12N3904R ?R es2LS 1S peak erVC CGNDP1.6 圖 3.8 報(bào)警電路3.8 本章小結(jié)本章是本設(shè)計(jì)的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行分析與解釋。主要介紹了 AT89S52 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與引腳功能、光電傳感器采集脈搏波原理和 LED 等的原理。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18第 4 章 軟件系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)完成以后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開(kāi)的。4

54、.1 主程序流程主流程如圖4.1所示。開(kāi)始系統(tǒng)初始化P3.2是否為下降沿？脈搏測(cè)量子程序LED顯示NY顯示結(jié)果是否大于120或小于60？LED顯示驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警NY圖4.1 主程序流程圖在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19一個(gè)多功能的復(fù)雜的程序劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個(gè)模塊的主程序和各種子程序組成。各程序模塊都要完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能，在具體需要時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。系統(tǒng)主程序控

55、制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行,它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后,進(jìn)行定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。4.2 定時(shí)器中斷程序流程定時(shí)器中斷程序流程如圖 4.2 所示。保存脈搏數(shù)繼續(xù)計(jì)時(shí)YYY到1S?到60S?處于檢測(cè)？返回NN按鍵檢測(cè)定時(shí)器初值設(shè)定 圖 4.2 定時(shí)器中斷程序流程定時(shí)器中斷服務(wù)程序由一分鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測(cè)、有無(wú)測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開(kāi)始執(zhí)行后，對(duì)一分鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)，1s 計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢測(cè)下 1s，直到 60s 到了再

56、停止并保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20只要復(fù)位測(cè)試值就可以重新開(kāi)始測(cè)試。主要完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。4.3 INT 中斷程序流程INT 中斷程序流程如圖 4.3 所示。外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)外部信號(hào)的測(cè)量和計(jì)算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，來(lái)一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。沒(méi)有處于檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，按下按鍵檢測(cè)開(kāi)始，進(jìn)行脈搏數(shù)的累加。定時(shí)器中斷0進(jìn)入處于檢測(cè)？脈搏數(shù)+1等待按鍵按下返回NY圖 4.3 INT 中斷程序流程4.4 顯示程序流程在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了

57、便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。本設(shè)計(jì)的顯示采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描來(lái)顯示。動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描） ，即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。兩個(gè)4位的共陽(yáng)極LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測(cè)量中的時(shí)間，3、4兩位顯示測(cè)量中的脈搏次數(shù)，6、7兩位用來(lái)顯示上次測(cè)量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字。顯示程序包括顯示上次的脈搏次數(shù)、本次測(cè)量中的時(shí)間和脈搏的次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈

58、搏次數(shù)，經(jīng)過(guò)10ms的延時(shí)后再顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過(guò)10ms的延時(shí)顯示測(cè)試中的時(shí)間。兩個(gè)4位的共陽(yáng)極LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測(cè)量中的時(shí)間，3、4兩位顯示測(cè)量中的脈搏次數(shù)，6、7兩位用來(lái)顯示上次測(cè)量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P0口控制顯示字型，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21P2口控制顯示字。顯示程序流程如圖4.4所示。取結(jié)果顯示上次脈搏數(shù)延時(shí)顯示測(cè)試中的時(shí)間延時(shí)顯示子程序返回圖4.4 顯示程序流程圖4.5 蜂鳴器報(bào)警流程根據(jù)對(duì)報(bào)警電路的分析，可通過(guò)對(duì) P1.6 的置位來(lái)控制蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。當(dāng) P1.6 管腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電路形成回路，發(fā)出聲音；當(dāng)

59、P1.6 管腳為低電平時(shí)，三極管截止，這樣蜂鳴器中無(wú)法形成電流回路，蜂鳴器不出聲。因此，利用此原理可通過(guò)控制 P1.6 管腳來(lái)控制蜂鳴器是否響應(yīng)報(bào)警。根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于 120 或小于 60 時(shí)，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)大于 120 時(shí)小于 60 時(shí)，蜂鳴器不響。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流能力低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22管加大功率 ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。蜂鳴器報(bào)警流程如圖 4.5 所示。重裝初值掃描數(shù)碼管上顯示的數(shù)值蜂鳴器標(biāo)志位是否置位？拉響蜂鳴器YN定時(shí)器1中斷輸入返回 圖 4.5 蜂鳴器報(bào)警流程圖4

60、.6 本章小結(jié)本章節(jié)主要是程序的編寫，要想系統(tǒng)能正常的工作，除了要有合理的硬件之外還要有一個(gè)合理的軟件系統(tǒng)。軟件應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個(gè)模塊的主程序和各種子程序組成。程序采用 C 語(yǔ)言編寫，可讀性非常好。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)在脈搏測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。而且本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的便攜式心率測(cè)試儀還有報(bào)警功能，在脈搏次數(shù)超出設(shè)定值時(shí)報(bào)警電路會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷