南華大學單片機課程設計論文 - 圖文-

1、引言脈搏測量在有脈搏時遮擋光線,無脈搏時透光強,所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。通過觀測脈搏信號,可以對人體的健康進行檢查,通常被用于保健中心和醫(yī)院。系統(tǒng)可以供用戶測量當時的脈搏次數(shù),同時還可以設定上限次數(shù)和下限次數(shù),當測量的范圍超過設定的范圍則驅(qū)動蜂鳴器報警提醒,除此外用戶還可以設定每天鬧鐘提醒測量,時間可以自行設定1。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),歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心,以光電傳感器利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間,由光電傳感器感應產(chǎn)生信號,單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù),時間由定時器定時而得。系統(tǒng)

2、運行中可以通過觀察指示燈閃爍,若均勻閃爍說明測量值準確。幾乎世界上所有的民族都用過“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,但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號, 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。1 概述1.1 選題的背景和意義脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息,自公元三世紀我國最早的脈學專著脈經(jīng)問世以來,脈學理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診(望、聞、問、切中,脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學中最具

3、特色的一項診斷方法,其歷史悠久,內(nèi)容豐富,是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應用。脈診作為“綠色無創(chuàng)”診斷的手段和方法,得到了中外人士的關注。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息,雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點易為患者接受,然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。首先,切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征,受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制,并且難免存在許多主觀臆斷因素,影響了對脈象判斷的規(guī)范化;其次,這種用手指切脈的技巧很難掌握;再則,感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。脈診的這種定性化和主觀性,大大影響了其精度與可行性,成為中醫(yī)脈診應用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的

4、中醫(yī)藥學發(fā)揚光大,促進脈診的應用和發(fā)展,必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合,實現(xiàn)更科學、客觀的診斷1。醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù),方法是用手按在病人腕部的動脈上,根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間,一般不會作1分鐘的測量,通常是測量10秒鐘時間內(nèi)心跳的數(shù),再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù),即使這樣做還是比較費時,而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度,多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學上來,從而開辟了一條全新的醫(yī)學診斷方法。1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應用隨著科學技術(shù)的發(fā)展,脈搏測量技術(shù)也越來越先進,對脈搏的測量精度也越來越高,國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀,而其中關鍵是對

5、脈搏傳感器的研究。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究,利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、簡單,但因為手指上的汗腺較多,指夾常年使用,污染可能會使測量靈敏度下降:耳脈測量比較干凈,傳感器使用環(huán)境污染少,容易維護。但因耳脈較弱,尤其是當季節(jié)變化時,所測信號受環(huán)境溫度影響明顯,造成測量結(jié)果不準確。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器,如便攜式電子血壓計,可以完成脈搏的測量,但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊,每次測量都需要一個加壓和減壓的過程,存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。近年來國內(nèi)

6、外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器,這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體,不造成機體創(chuàng)傷,能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差,測量精度高,通常在體外,尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器,通過對手指末端透光度的監(jiān)測,間接檢測出脈搏信號。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應用到臨床醫(yī)學等各個方面并收到了理想效果。人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張,是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播,這種波成為脈搏波。從脈搏波中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷

7、和治療的依據(jù),歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形、強度(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,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。2總體方案的論證與設計2.1主控模塊的選型和論證總體方案的論證與設計方案一:采用MSP430系列單片機,該單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。其內(nèi)部集成了很多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器,提供強

8、大的功能。不過該芯片昂貴不適合一般的設計開發(fā)3。方案二采用51系列的單片機,該單片機是一個高可靠性,超低價,無法解密,高性能的8位單片機,32個IO口,且STC系列的單片機可以在線編程、調(diào)試,方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。因此選用方案二中的51系列單片機作為主控芯片。2.2顯示模塊的選型和論證方案一:采用點陣式數(shù)碼管顯示,點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成,對于顯示文字比較合適,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費,且價格也相對較高,所以不用此種作為顯示。方案二:采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價格雖適中,對于顯示數(shù)字也最合適,而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時,占用單片機口線少。但是由于

9、數(shù)碼管動態(tài)掃描需要借助74LS164移位寄存器進行移位,該芯片在電路調(diào)試時往往有很多障礙,所以不采用LED數(shù)碼管作為顯示。方案三:采用LCD液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強大,可顯示大量文字,圖形,顯示多樣,清晰可見,對于本設計而言一個LCD1602的液晶屏即可,價格也還能接受,需要的借口線較多,但會給調(diào)試帶來諸多方便。所以本設計中方案三中的LCD1602液顯示屏作為顯示模塊。2.3傳感器的選型和論證方案一:采用壓電傳感器用來提取人的脈搏信號,壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變(包括彎曲和伸縮形變時,由于內(nèi)

10、部電荷的極化現(xiàn)象,會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。通過此現(xiàn)象可以提取出人的脈搏信號。方案二:采用光電傳感器提取人體脈搏信號,授予手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織,其中非血液組織的光吸收量是恒定的,而在血液中,靜脈血的搏動相對動脈血是十分微弱的,可以忽略,因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起,那么在恒定波長的光源的照射下,通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號4。由于光電傳感器較壓電傳感器容易在一般的地方可以買得到,因此這里選用光電傳感器來提取人體脈搏信號。2.4系統(tǒng)整體設計概述系統(tǒng)總體設計由STC89C52、按鍵、LCD1602、光電傳感器、時鐘模

11、塊、運放等構(gòu)成,系統(tǒng)設有四個按鍵,可以設置上下限脈搏數(shù),當超過范圍的時候單片機會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)響,脈搏測量的時候需要人把手輕輕的按在光電傳感器上面,由于人脈搏跳動的時候,血液的透光性不一樣會導致接收器那邊接收的信號強弱不一樣,間接的把人脈搏信號傳回,通過運放對其進行放大、整形后連接到單片機的IO口,單片機利用外部中斷對其進行計數(shù),最終換算成人一分鐘脈搏的跳動次數(shù),最終顯示在液晶屏上。3 系統(tǒng)硬件電路設計3.1主控模塊主控模塊模塊在整個系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用,需要檢測鍵盤等各種參數(shù),同時驅(qū)動液晶顯示相關參數(shù),在這里我們選用了51系列單片機中的STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。51系列單片機最

12、初是由Intel 公司開發(fā)設計的,但后來Intel 公司把51 核的設計方案賣給了幾家大的電子設計生產(chǎn)商,譬如SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出現(xiàn)了各式各樣的均以51 為內(nèi)核的單片機6。這些各大電子生產(chǎn)商推出的單片機都兼容51 指令、并在51 的基礎上擴展一些功能而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是與51一致的。STC89C52有40個引腳,4個8位并行I/O口,1個全雙工異步串行口,同時內(nèi)含5個中斷源,2個優(yōu)先級,2個16位定時/計數(shù)器。STC89C52的存儲器系統(tǒng)由4K的程序存儲器(掩膜ROM,和128B的數(shù)據(jù)存儲器(RAM組成。STC89C52單片機的基本組成框圖見圖3.1所示。 圖3.1

13、 STC89C52單片機結(jié)構(gòu)圖1. 一個8 位的微處理器(CPU。2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM(128B,用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù),如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等,SST89 系列單片機最多提供1K 的RAM。3. 片內(nèi)程序存儲器ROM(4KB,用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機內(nèi)部不帶ROM/EPROM,如8031,8032,80C31 等。目前單片機的發(fā)展趨勢是將RAM 和ROM 都集成在單片機里面,這樣既方便了用戶進行設計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。SST 公司推出的89 系列單片機分別集成了16K、32K、64K Flash 存儲器,可供用戶根據(jù)需要選用。4.

14、四個8 位并行I/O 接口P0P3,每個口既可以用作輸入,也可以用作輸出。5. 兩個定時器/計數(shù)器,每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式,用以對外部事件進行計數(shù),也可以設置成定時方式,并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。為方便設計串行通信,目前的52 系列單片機都會提供3 個16 位定時器/計數(shù)器。6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在新推出的單片機都不只5 個中斷源,例如SST89E58RD 就有9 個中斷源。7. 一個全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器的串行I/O 口,用于實現(xiàn)單片機之間或單機與微機之間的串行通信。8. 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路,但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許

15、振蕩頻率為12MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達40MHz,因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 圖3.2 STC89C52單片機管腳圖STC89C52單片機管腳如圖3.2所示,部分引腳說明:1.時鐘電路引腳XTAL1 和XTAL2:XTAL2(18 腳:接外部晶體和微調(diào)電容的一端;片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端,振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時,該引腳輸入外部時鐘脈沖。要檢查振蕩電路是否正常工作,可用示波器查看XTAL2 端是否有脈沖信號輸出。XTAL1(19 腳:接外部晶體和微調(diào)電容的另一端;在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時,該引腳

16、必須接地7。2.控制信號引腳RST,ALE,PSEN 和EA:RST/VPD(9 腳:RST 是復位信號輸入端,高電平有效。當此輸入端保持備用電源的輸入端。當主電源Vcc 發(fā)生故障,降低到低電平規(guī)定值時,將+5V 電源自動兩個機器周期(24個時鐘振蕩周期的高電平時,就可以完成復位操作。RST 引腳的第二功能是VPD,即接入RST 端,為RAM 提供備用電源,以保證存儲在RAM 中的信息不丟失,從而合復位后能繼續(xù)正常運行。ALE/PROG(30 腳:地址鎖存允許信號端。當8051 上電正常工作后,ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率fOSC 的1/6。CPU 訪問片外存儲器時,

17、ALE 輸出信號作為鎖存低8 位地址的控制信號。平時不訪問片外存儲器時,ALE 端也以振蕩頻率的1/6 固定輸出正脈沖,因而ALE 信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果想確定8051/8031 芯片的好壞,可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出。如有脈沖信號輸出,則8051/8031 基本上是好的。ALE 端的負載驅(qū)動能力為8 個LS 型TTL(低功耗甚高速TTL負載。此引腳的第二功能PROG 在對片內(nèi)帶有4KB EPROM 的8751 編程寫入(固化程序時,作為編程脈沖輸入端。PSEN(29 腳:程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時,此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信

18、號。此引肢接EPROM 的OE 端(見后面幾章任何一個小系統(tǒng)硬件圖。PSEN 端有效,即允許讀出EPROM/ROM 中的指令碼。PSEN 端同樣可驅(qū)動8 個LS 型TTL 負載。要檢查一個8051/8031 小系統(tǒng)上電后CPU 能否正常到EPROM/ROM 中讀取指令碼,也可用示波器看PSEN 端有無脈沖輸出。如有則說明基本上工作正常。EA/Vpp(31 腳:外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA 引腳接高電平時,CPU只訪問片內(nèi)EPROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令,但當PC(程序計數(shù)器的值超過0FFFH(對8751/8051 為4K時,將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器

19、內(nèi)的程序。當輸入信號EA 引腳接低電平(接地時,CPU 只訪問外部EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令,而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無片內(nèi)ROM 的8031 或8032,需外擴EPROM,此時必須將EA 引腳接地。此引腳的第二功能是Vpp 是對8751 片內(nèi)EPROM固化編程時,作為施加較高編程電壓(一般12V21V的輸入端8。3.輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3:P0口(P0.0P0.7,3932 腳:P0口是一個漏極開路的8 位準雙向I/O口。作為漏極開路的輸出端口,每位能驅(qū)動8 個LS 型TTL 負載。當P0 口作為輸入口使用時,應先向口鎖存器(地址80H寫入全1,此

20、時P0 口的全部引腳浮空,可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫1,這就是準雙向口的含義。在CPU 訪問片外存儲器時,P0口分時提供低8 位地址和8 位數(shù)據(jù)的復用總線。在此期間, P0口內(nèi)部上拉電阻有效。P1口(P1.0P1.7,18 腳:P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O口。P1口每位能驅(qū)動4 個LS 型TTL 負載。在P1口作為輸入口使用時,應先向P1口鎖存地址(90H寫入全1,此時P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。P2口(P2.0P2.7,2128 腳:P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O 口。P口每位能驅(qū)動4個LS 型TTL 負載。在訪問片外EPROM/RAM

21、時,它輸出高8 位地址。P3口(P3.0P3.7,1017 腳:P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O 口。P3口每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。P3口與其它I/O 端口有很大的區(qū)別,它的每個引腳都有第二功能,如下:P3.0:(RXD串行數(shù)據(jù)接收。P3.1:(RXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送。P3.2:(INT0#外部中斷0輸入。P3.3:(INT1#外部中斷1輸入。P3.4:(T0定時/計數(shù)器0的外部計數(shù)輸入。P3.5:(T1定時/計數(shù)器1的外部計數(shù)輸入。P3.6:(WR#外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通。P3.7:(RD#外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。STC89C52系列單片機的中斷系統(tǒng)有5個中斷源,2個優(yōu)先級,可

22、以實現(xiàn)二級中斷服務嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器IE控制CPU是否響應中斷請求;由中斷優(yōu)先級寄存器IP安排各中斷源的優(yōu)先級;同一優(yōu)先級內(nèi)各中斷同時提出中斷請求時,由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應次序。在單片機應用系統(tǒng)中,常常會有定時控制需求,如定時輸出、定時檢測、定時掃描等;也經(jīng)常要對外部事件進行計數(shù)。STC89C52單片機內(nèi)集成有兩個可編程的定時/計數(shù)器:T0和T1,它們既可以工作于定時模式,也可以工作于外部事件計數(shù)模式,此外,T1還可以作為串行口的波特率發(fā)生器9。 圖3.3 單片機最小系統(tǒng)電路圖圖3.3為單片機最小系統(tǒng)電路圖,單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、復位電路組成,時鐘電路

23、選用了12MHZ的晶振提供時鐘,作用為給單片機提供一個時間基準,其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期,單片機的復位電路,按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。圖中10K排阻為P0口的上拉電阻,由于P0口跟其他IO結(jié)構(gòu)不一樣為漏極開路的結(jié)構(gòu),因此要加上拉電阻才能正常使用。3.2 LCD液晶顯示器簡介由于本設計中要求顯示界面顯示一些參數(shù),因此這里選用了LCD1602作為界面顯示,可以把一些相關的參數(shù)進行顯示。液晶顯示器(LCD英文全稱為Liquid Crystal Display,它一種是采用了液晶控制透光度技術(shù)來實現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比,LCD的優(yōu)點是很明顯的。由

24、于通過控制是否透光來控制亮和暗,當色彩不變時,液晶也保持不變,這樣就無須考慮刷新率的問題。顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài),命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)顯示部分用的是LCD液晶模塊,采用一個16×2的字符型液晶顯示模塊。LCD1602液晶模塊采用HD44780控制器,hd44780具有簡單而功能較強的指令集,可以實現(xiàn)字符移動,閃爍等功能,LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式,hd44780控制器由兩個8位寄存器,指令寄存器(IR和數(shù)據(jù)寄存器(DR忙標志(BF,顯示數(shù)RAM(DDRAM,字符發(fā)生器ROMA(CGOROM字符發(fā)生器RAM(CGRAM,地址計數(shù)器RAM(

25、AC。IR用于寄存指令碼,只能寫入不能讀出,DR用于寄存數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入DDRAM和CGRAM,或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù),BF為1時,液晶模塊處于內(nèi)部模式,不響應外部操作指令和接受數(shù)據(jù),DDTAM用來存儲顯示的字符,能存儲80個字符碼,CGROM由8位字符碼生成5*7點陣字符160中和5*10點陣字符32種.8位字符編碼和字符的對應關系,CGRAM 是為用戶編寫特殊字符留用的,它的容量僅64字節(jié),可以自定義8個5*7點陣字符或者4個5*10點陣字符,AC可以存儲DDRAM和CGRAM的地址,如果地址碼隨指令寫入IR,則IR自動把地址碼裝入AC,同時選擇DDRAM或

26、CGRAM,LCD1602液晶模塊的引腳圖如圖3.4所示。 圖3.4 LCD1602引腳圖液晶寄存器選擇控制如表3.1。 如圖3.5所示。用STC89C52的P0口作為數(shù)據(jù)線,用P1.2、P1.1、P1.0分別作為LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿觸發(fā)的片選信號,R/W是讀寫信號,RS是寄存器選擇信號本模塊設計要點如下:顯示模塊初始化:首先清屏,再設置接口數(shù)據(jù)位為8位,顯示行數(shù)為1行,字型為5×7點陣,然后設置為整體顯示,取消光標和字體閃爍,最后設置為正向增量方式且不移位10。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符,程序中采用2個字符數(shù)組,一個顯示字符,另一個顯示電壓數(shù)據(jù),要顯示的字

27、符或數(shù)據(jù)被送到相應的數(shù)組中,完成后再統(tǒng)一顯示.首先取一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū),程序延時2.5ms,判斷是否夠顯示的個數(shù),不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)。 圖3.5 LCD1602與STC89C52的引腳連接圖3.3信號采集電路設計此部分電路的功能是由傳感器將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號,一般為幾十毫伏,必須加以放大,以達到整形電路所需的電壓,一般為幾伏。放大后的信號波形是不規(guī)則的脈沖信號,因此必須加以濾波整形,整形電路的輸出電壓應滿足計數(shù)器的要求。選擇電路:所選放大整形電路框圖如圖3.8所示。 圖3.8放大整形電路框圖傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換器,作用是通過紅外光照射人的手

28、指的血脈流動情況,把脈搏跳動轉(zhuǎn)換為電信號,其原理電路如圖3.9所示。 圖3.9傳感器信號調(diào)節(jié)原理電路如圖3.9中,紅外管VD采用ST188。用+5V電源供電,R1取150,R2取33k,當人把手指放在發(fā)光二極管和光電二極管之間的時候,光電二極管接收到的信號會隨人脈搏強度的變化而變化11。 圖3.10放大濾波電路圖3.10為脈搏計的放大濾波信號,由于脈搏信號輸出的信號十分微弱,一般在uV級別,除此外輸出的信號一般會伴隨很大的噪聲干擾,因此在這里用LM358搭建起一個放大和濾波電路。經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號仍是不規(guī)則的脈沖信號,且有低頻干擾,仍不滿足計數(shù)器的要求,必須采用整形電路,這里選用了滯回電

29、壓比較器,如圖 3.11所示,其目的是為了提高抗干擾能力。集成運放采用了LM358,除此外LM358還接上了一個LED用作指示脈搏跳動的狀態(tài)。 圖3.11波形整形電路4 系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)軟件總體設計 圖4.1系統(tǒng)流程圖主程序流程圖如圖4.1所示,單片機上電后先進行初始化,清楚一些參數(shù)的初值,然后等待用戶按下對應的按鍵并進入對應的功能,當用戶按下測量按鍵的時候流程如圖 4.1(c所示,單片機通過定時15s測量人體的脈搏次數(shù)流程如圖4.1(b所示,然后再換算出對應的真實的脈搏次數(shù)再在液晶屏幕上顯示流程如圖4.1(a所示,當用戶按下設置脈搏范圍設定按鍵后,單片機根據(jù)用戶按下的按鍵進行增加或減少

30、范圍。首先先調(diào)用液晶自定義的字庫,設置好DDRAM地址后在第一行顯示,根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設置顯示數(shù)據(jù)的首地址并設置循環(huán)量,在循環(huán)過程中不斷的取字符代碼直到終止,第二行的顯示過程同一行的顯示過程一樣,兩行顯示完畢后便結(jié)束子程序,如圖4.2所示15。 圖4.2 LCD1602初始化子函數(shù)流程圖4.2程序設計原理軟件任務分析和硬件電路設計結(jié)合進行,哪些功能由硬件完成,哪些任務由軟件完成,在硬件電路設計基本定型后,也就基本上決定下來了。軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類:一類是執(zhí)行軟件,它能完成各種實質(zhì)性的功能,如測量,計算,顯示,打印,輸出控制和通信等,另一類是監(jiān)

31、控軟件,它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系,在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色,執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率,與硬件關系密切,千變?nèi)f化。軟件任務分析時,應將各執(zhí)行模塊一一列出,并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義(輸入輸出定義。在各執(zhí)行模塊進行定義時,將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。軟件任務分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序(背景程序和前臺程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序,這類程序?qū)崟r性要求不是太高,故通常將監(jiān)控程序,顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行;而前臺程序安排一

32、些實時性要求較高的內(nèi)容,如定時系統(tǒng)和外部中斷(如掉電中斷。也可以將全部程序均安排在前臺,后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”,以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。5 系統(tǒng)調(diào)試5.1軟件調(diào)試基于單片機的脈搏計系統(tǒng)是多功能的數(shù)字型設計,所以對于它的程序也較為復雜,所以在編寫程序和調(diào)試時出現(xiàn)了相對較多的問題。最后經(jīng)過多次的模塊子程序的修改,一步一步的完成,最終解決了軟件。在軟件的調(diào)試過程中主要遇到的問題如下:問題1:燒入程序后,LCD液晶顯示閃動,而且亮度不均勻。解決:首先對調(diào)用的延時進行逐漸修改,可以解決顯示閃動問題。其次,由于本作品使作動態(tài)掃描方式顯示的數(shù)字,動態(tài)掃描很快,人的肉眼是無法看出,但是調(diào)用的顯示程序

33、時,如果不在反回時屏蔽掉最后的附值,則會出現(xiàn)很亮的現(xiàn)象,所以在顯示的后面加了屏蔽子令,最后解決了此問題。問題2:當用戶按下按鍵的時候,單片機讀取的數(shù)值跟設定的數(shù)值不對。解決:重新檢查矩陣鍵盤電路的連接,重新建立一個新的對應關系。5.2硬件調(diào)試基于單片機的脈搏計系統(tǒng)的電路較大,對于焊接方面更是不可輕視,龐大的電路系統(tǒng)中只要出于一處的錯誤,則會對檢測造成很大的不便,而且電路的交線較多,對于各種鋒利的引腳要注意處理,否則會刺破帶有包皮的導線,則會對電路造成短路現(xiàn)象14。在本脈搏計的設計調(diào)試中遇到了很多的問題。回想這些問題只要認真多思考都是可以避免的,以下為主要的問題:問題1:最開始的時候以為單片機I

34、O口直接可以驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲,后來調(diào)試的時候久久不能出聲音(見附錄C。解決:經(jīng)過查找相關資料,知道揚聲器需要三極管來驅(qū)動,后來把三極管放大器加上系統(tǒng)便可以正常工作。問題2:開始的時候由于沒想到脈搏信號十分微弱大概在uV級別,因此沒有放大足夠的倍數(shù),單片機最后沒有檢測到脈搏的信號(見附錄C。解決:經(jīng)過查找相關資料,確定脈搏信號的幅值范圍后,增加放大器的放大倍數(shù)就解決問題。5.3調(diào)試結(jié)果1.放大倍數(shù)的增加傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波,但經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱,在確定電路沒有問題的情況下,加強信號的放大倍數(shù),調(diào)整電阻R23和R27的阻值。2.時鐘的調(diào)試根據(jù)晶體振蕩頻率計算出內(nèi)

35、部定時器的基本參數(shù),通過運行一段時間可通過秒表來校正后,看時間誤差的量,以這個量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時器基本參數(shù),就可使時鐘調(diào)準確。3.開機后無顯示首先檢查交流電源部分,有無交流,若無則可能保險管或變壓器燒壞,如有繼續(xù)查直流有無,如無則電源已燒壞,可更換解決。4.顯示正常但經(jīng)適當運動后測量,脈搏次數(shù)沒有增加可能是前置放大級有問題,可采用更換的辦法判斷并排除。5.進人測量狀態(tài), 但測量值不穩(wěn)定主要是光電傳感器受到電磁波等干擾,其次是損壞或有虛焊。6.開機后顯示不正常或按鍵失靈可查手指擺放的位置或按鍵電路,若無故障則是硬件損壞。經(jīng)過一系列的問題查找后系統(tǒng)最終能正常工作,并完成所有的功能。5.4

36、誤差分析 注:實際的脈搏次數(shù)以聽診器測出的脈搏次數(shù)為參考值。表3.1列出了測量值,但存在誤差,由于傳感器和其他器件本身并非理想線性,實測數(shù)據(jù)進行了線性補償。 由均方差公式得:2(1(n S sqr n n X X =-=0.59 誤差分析:經(jīng)校準,非線性補償后,誤差以基本達到要求。我的綜合設計主要涉及硬件和軟件兩方面的內(nèi)容,通過這些我的硬件和軟件開發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面,基本了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程和所要做的工作?；菊莆樟水嬙韴D的方法,并設計了一個單片機最小系統(tǒng)。通過開發(fā)板的設計和硬件搭建的過程,使我對51系單片機的接口有了更深層次的理解,熟悉了一些單片機常用的外圍電路引腳和連接

37、方法,如LCD液晶,鍵盤等。并且我學會了分析問題解決問題的能力,加深了對所學理論知識的理解和運用。我的動手能力得到了很大的提高,創(chuàng)新意識得到了鍛煉。2李慶亮.C語言程序設計實用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.3.3楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2003.12.4及力.Protel 99 SE原理圖與PCB設計教程M.北京:電子工業(yè)出版社,2007.8.5徐江海.單片機實用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2006.126胡宴如.模擬電子技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2008.6.7劉寧.單片機多功能時鐘的設計M.浙江:浙江海洋學院,2009.9康華光.電子技術(shù)基礎數(shù)字部分M

38、.北京:高等教育出版社,2008.10鄧奕、馬雙寶、謝龍漢,PROTEL 99 SE原理圖與PCB設計M,北京:人民郵電出版社,2010.11金偉正,單線數(shù)字溫度傳感器的原理及應用J,電子技術(shù)應用,2000.12華成英、童詩白,模擬電子技術(shù)基礎(第四版M,北京:高等教育出版社,2006.13陳凱,液晶顯示萬年歷、時間、星期及溫度D,湖南:湖南理工學院,2009.14張軍,A VR單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例M,北京:中國電力出版社,2005.15王新穎,單片機原理及應用M,北京:北京大學出版社,2008.16李華,MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)M,北京:北京航空航天大學出版社,1993.17趙廣林,新型語音芯片應用手冊M,北京:電子工業(yè)出版社,2008.18吳建平,傳感器原理及應用M,北京:機械工業(yè)出版社,2009.在這次課程設計的過程中,我的指導老師許祖華老師給予了我很大的幫助,提供了相關的資料,對我的課程設計作品給予了指導和支持。使我順利圓滿的完成了此次課程設計。在此,向許祖華1老師表示衷心的感謝!古人云:預則立,不預則廢。祖先曾經(jīng)教導我