一種心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 醫(yī)學(xué)專業(yè)

摘要

心率測(cè)量?jī)x在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用,通過觀測(cè)心率信號(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。為了提高心率測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)便性和精確度，本課題設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的心率測(cè)量?jī)x。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，以光電傳感器利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，由光電傳感器感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，單片機(jī)通過對(duì)信號(hào)累加得到心臟跳動(dòng)的次數(shù)，時(shí)間由定時(shí)器定時(shí)而得。系統(tǒng)運(yùn)行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測(cè)量值準(zhǔn)確。系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)利用紅外光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形后，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)的心臟跳動(dòng)的次數(shù)，快捷方便。系統(tǒng)可以供用戶測(cè)量當(dāng)時(shí)的心臟跳動(dòng)的次數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當(dāng)測(cè)量的范圍超過設(shè)定的范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提醒，除此外用戶還可以設(shè)定每天鬧鐘提醒測(cè)量，時(shí)間可以自行設(shè)定，結(jié)果最終可以把采集到的心率信號(hào)顯示在數(shù)碼管上。

關(guān)鍵詞：STC89C52；光電傳感器；數(shù)碼管；心率測(cè)量?jī)x

Abstract

Heartratemeterhasbeenwidelyusedinourdailylife.Byobservingtheheartratesignal,wecancheckthehealthofhumanbody.Itisusuallyusedinhealthcentersandhospitals.Inordertoimprovethesimplicityandaccuracyofheartratemeasuringinstrument,aheartratemeasuringinstrumentbasedon51singlechipcomputerisdesignedinthispaper.ThesystemisbasedonSTC89C52singlechipcomputer.Thephotoelectricsensorcalculatesthetimebyusingthetimerinsidethesinglechipcomputersystem.Thesignalisinducedbythephotoelectricsensor.Thenumberofbeatingheartsisobtainedbyaddingupthesignals.Thetimeisdeterminedbythetimer.Intheoperationofthesystem,theindicatorcanbeobservedtoflicker.Iftheuniformflickerindicatesthatthemeasuredvalueisaccurate.Whenthesystemstopsrunning,itcandisplaythetotalpulsenumberandtime.Aftertesting,thesystemworksnormallyandmeetsthedesignrequirements.

Thisdesignusesinfraredphotoelectricsensortogeneratepulsesignal.Afteramplificationandshaping,thepulsesignalisinputintotheMCUforcorrespondingcontrol,soastomeasurethenumberofheartbeatinginoneminute,whichisfastandconvenient.Thesystemcanbeusedtomeasurethenumberofheartbeatsatthattime,atthesametime,theupperandlowerlimitscanbeset.Whentherangeofmeasurementexceedsthesetrange,thebuzzercandrivethealarmreminder.Inaddition,theusercansetthealarmclocktoremindthemeasurementeveryday.Thetimecanbesetbyhimself.Theresultcanfinallydisplaythecollectedheartratesignalonthedigitaltube.

Keywords:STC89C52;PhotoelectricSensor;Digitaltube;InstantHeartRate

目錄

1066_WPSOffice_Level1

第一章緒論 5

17819_WPSOffice_Level2

1.1心率計(jì)的研究背景 5

21263_WPSOffice_Level2

1.2課題設(shè)計(jì)的目的及意義 5

4094_WPSOffice_Level2

1.3心率計(jì)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 6

17819_WPSOffice_Level3

（1）51單片機(jī)心率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案； 6

21263_WPSOffice_Level3

（2）光電傳感器的設(shè)計(jì)方案； 6

4094_WPSOffice_Level3

（3）硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)； 6

15487_WPSOffice_Level3

（4）硬件電路實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試。 6

17819_WPSOffice_Level1

第二章基于51單片機(jī)心率計(jì)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案 6

15487_WPSOffice_Level2

2.1基于51單片機(jī)心率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案 6

4992_WPSOffice_Level2

2.2傳感器的設(shè)計(jì)方案 6

4992_WPSOffice_Level3

2.2.1傳感器的介紹 6

9633_WPSOffice_Level3

2.2.2傳感器的電路圖設(shè)計(jì) 7

21263_WPSOffice_Level1

第三章主控模塊設(shè)計(jì)及信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)方案 7

9633_WPSOffice_Level2

3.1主控模塊設(shè)計(jì)方案 7

25534_WPSOffice_Level3

3.1.151單片機(jī)的選擇及介紹 8

24091_WPSOffice_Level3

3.1.2STC89C52單片機(jī)的主要特性 8

23130_WPSOffice_Level3

P3.0RXD：串行數(shù)據(jù)接收 10

18252_WPSOffice_Level3

P3.1RXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送 10

12372_WPSOffice_Level3

P3.2INT0#：外部中斷0輸入 10

9938_WPSOffice_Level3

P3.3INT1#：外部中斷1輸入 10

11017_WPSOffice_Level3

P3.4T0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部計(jì)數(shù)輸入 10

12795_WPSOffice_Level3

P3.5T1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部計(jì)數(shù)輸入 10

16976_WPSOffice_Level3

P3.6WR#：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 10

16899_WPSOffice_Level3

P3.7RD#：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 10

4168_WPSOffice_Level3

3.1.3STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10

25534_WPSOffice_Level2

3.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)方案 10

24338_WPSOffice_Level3

3.2.1顯示模塊電路設(shè)計(jì) 10

8406_WPSOffice_Level3

3.2.2放大濾波電路設(shè)計(jì) 11

85_WPSOffice_Level3

3.2.3放大整形電路設(shè)計(jì) 11

24091_WPSOffice_Level2

3.3運(yùn)算放大器LM358的介紹 11

9706_WPSOffice_Level3

（1）內(nèi)部頻率補(bǔ)償； 11

4516_WPSOffice_Level3

（2）低輸入偏流； 11

32508_WPSOffice_Level3

（3）低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流； 11

5010_WPSOffice_Level3

（4）共模輸入電壓范圍寬，包括接地； 11

13666_WPSOffice_Level3

（5）差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍； 11

4325_WPSOffice_Level3

（6）直流電壓增益高(約100dB)； 11

23667_WPSOffice_Level3

（7）單位增益頻帶寬(約1MHz)； 12

15545_WPSOffice_Level3

（8）電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)； 12

31625_WPSOffice_Level3

（9）雙電源(±1.5一±15V)； 12

26338_WPSOffice_Level3

（10）低功耗電流，適合于電池供電[8]。 12

4094_WPSOffice_Level1

第四章軟件設(shè)計(jì)方案 12

23130_WPSOffice_Level2

4.1系統(tǒng)軟設(shè)計(jì)方案 12

18252_WPSOffice_Level2

4.2C語言設(shè)計(jì)方案 12

15487_WPSOffice_Level1

第五章系統(tǒng)調(diào)試及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 14

12372_WPSOffice_Level2

5.1系統(tǒng)調(diào)試 14

9938_WPSOffice_Level2

5.2調(diào)試結(jié)果 14

4992_WPSOffice_Level1

第六章總結(jié)與展望 15

11017_WPSOffice_Level2

6.1總結(jié) 15

28567_WPSOffice_Level2

6.2展望 16

第一章緒論

1.1心率計(jì)的研究背景

隨著時(shí)間的推移，我們已經(jīng)步入了21世紀(jì)。我們見證了經(jīng)濟(jì)、科技、醫(yī)療等等飛速的發(fā)展。伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，使我們的生活水平被不斷被的提高，高強(qiáng)度的腦力以及體力的工作讓健康成為了我們大家所關(guān)注的焦點(diǎn)。心臟是人體最重要的器官之一，主要功能是為血液流動(dòng)提供動(dòng)力，把血液運(yùn)行至身體的各個(gè)部分，同時(shí)也被稱為人體中血液循環(huán)的動(dòng)力泵。如果心臟發(fā)生問題會(huì)直接影響人的生命安全，各種類型的心率失常是引起心臟相關(guān)疾病死亡的首要因素，此系統(tǒng)疾病已經(jīng)成為損害人類健康和生命的一大殺手。

2013年3月17日，權(quán)威醫(yī)學(xué)雜志《美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)》刊登了一篇名為《中國(guó)成人的心血管健康狀況》（StatusofCardiovascularHealthinChineseAdults）的研究報(bào)告，基于9.6萬多名年滿20周歲的中國(guó)普通民眾心血管健康數(shù)據(jù)。該研究采用的是美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，將心血管的健康分為行為健康和身體健康。行為健康包括不吸煙、體重指數(shù)正常、體育鍛煉達(dá)標(biāo)及飲食健康，身體健康的指標(biāo)則有不吸煙、血脂正常、血壓正常和血糖正常。最終數(shù)據(jù)顯示，在中國(guó)，身體健康四個(gè)指標(biāo)都占全的人占13.5％，四項(xiàng)行為健康占全的人僅為7‰，而上述七項(xiàng)健康指標(biāo)全部滿足的人更為跌至2‰。研究者還將七項(xiàng)健康指標(biāo)均分為理想、中等和低等三個(gè)等級(jí)，其中心血管健康狀態(tài)較差者達(dá)到了3/4，中等心血管健康者占不到1/4，至于理想的則更可忽略不計(jì)了。報(bào)告中指出，在中國(guó)成年人中理想的心血管健康比例非常低，應(yīng)針對(duì)全體公民和心血管病高危因素兩方面努力實(shí)施有效的應(yīng)對(duì)策略，以促進(jìn)中國(guó)人心血管健康（JournaloftheAmericanCollegeofCardiology,2015,65(10):1013-1025）[1]。

2015年1月5日，世界醫(yī)學(xué)權(quán)威雜志《柳葉刀》（Lancet）發(fā)布了《全球疾病負(fù)擔(dān)報(bào)告2013》，該研究評(píng)估了1990年~2013年間188個(gè)國(guó)家的死亡情況，由華盛頓大學(xué)健康指標(biāo)和評(píng)估研究所（IHME）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究人員聯(lián)盟指導(dǎo)進(jìn)行。報(bào)告顯示，在中國(guó)，最致命的三種疾病是腦卒中、冠心病一級(jí)慢性阻塞性肺病，這三種疾病造成的死亡人數(shù)占2013年全部死亡人數(shù)的46％。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的定義，心血管疾病是心臟和血管疾患引起的，包括冠心病、腦卒中、高血壓、心衰等。中國(guó)最致命的三大健康殺手，心血管疾病占去兩個(gè)[2]。

由上述兩篇研究報(bào)告可以清楚的發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)人所患疾病都是由于心臟出現(xiàn)了問題所導(dǎo)致的。這使我們更加注意到了對(duì)于心臟保護(hù)的重要性。不僅僅是老年人，青少年以及成年人更應(yīng)該關(guān)注對(duì)于心臟的保養(yǎng)以及監(jiān)測(cè)。

1.2課題設(shè)計(jì)的目的及意義

因?yàn)槿藗冏⒁獾搅吮Ｗo(hù)心臟的重要性，所以研究了一種可以檢測(cè)心率的裝置。這里我們需要了解到幾個(gè)名詞的具體含義。

心跳（heartbeat）：心臟的跳動(dòng)。

心率（heartrate）：正常人安靜狀態(tài)下每分鐘心跳的次數(shù)。

脈搏（pulse）：人體表可觸摸到的動(dòng)脈搏動(dòng)。

在非專業(yè)的方面來講，心跳和心率是一樣的。正常人心率和脈搏是一致的，脈搏是80次，心率也就是80次/分鐘。因?yàn)樾呐K每跳動(dòng)一下，血液向外推出，在動(dòng)脈內(nèi)就像波浪一樣，一下一下向前推進(jìn)，也就可以感覺到跳動(dòng)。當(dāng)我們理解到了這幾個(gè)名詞所代表的含義，從而引出了我們本次課題的目的。

心率不僅是反映了心臟功能強(qiáng)弱的重要標(biāo)志，也是反映人體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的生理指標(biāo)，在大多數(shù)情況下我們需要即使知道自己的心率。因此，心率計(jì)就很快的出現(xiàn)了，并隨著科技、醫(yī)療的進(jìn)步得到了很快的發(fā)展。但是在如今的醫(yī)院中，我們依然能看到很多醫(yī)生仍然采用人工聽診器的方式來對(duì)于心率的測(cè)定。

為了方便心率的采集，本課題所研究的心率計(jì)具有體積小、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低等特點(diǎn)，非常適合家庭醫(yī)療保健。還可以把一段時(shí)間所采集到心率的數(shù)據(jù)上傳到智能設(shè)備上，以便更好的觀察心率數(shù)據(jù)的整體情況。總體來說，它可以更有效的檢測(cè)到人體心率的具體情況，為家庭醫(yī)療保健提供了很好的幫助。

1.3心率計(jì)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

本論文設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)并利用光電傳感器及硬件檢測(cè)電路的心率計(jì)，并通過嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心率的準(zhǔn)確測(cè)量。并討論心率變異性以及開展心率數(shù)據(jù)在睡眠領(lǐng)域的相關(guān)探索研究。

主要內(nèi)容如下：

（1）51單片機(jī)心率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案；

（2）光電傳感器的設(shè)計(jì)方案；

（3）硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)；

（4）硬件電路實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試。

第二章基于51單片機(jī)心率計(jì)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

2.1基于51單片機(jī)心率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由51系列單片機(jī)的STC89C52單片機(jī)、光電傳感器、LED4位數(shù)碼管、蜂鳴器、按鍵、運(yùn)算放大等構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)有四個(gè)按鍵，可以設(shè)置上下限脈搏數(shù)，當(dāng)超過范圍的時(shí)候單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)響。心率測(cè)量的時(shí)候需要人把手輕輕的按在光電傳感器上面，由于人體脈搏跳動(dòng)的時(shí)候，血液的透光性不一樣會(huì)導(dǎo)致接收器那邊接收的信號(hào)強(qiáng)弱不一樣，間接的把人脈搏信號(hào)傳回，通過運(yùn)算放大對(duì)其進(jìn)行放大、整形后連接到單片機(jī)的IO口。單片機(jī)利用外部中斷對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終換算成人一分鐘脈搏的跳動(dòng)次數(shù)，最終顯示在數(shù)碼管上。

2.2傳感器的設(shè)計(jì)方案

采用光電傳感器提取人體脈搏信號(hào)，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(dòng)相對(duì)動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起，那么在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下，通過檢測(cè)透過手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)[3]。

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(hào)。

2.2.1傳感器的介紹

本設(shè)計(jì)所用的光電傳感器采用的是反射式紅外光電傳感器ST188。反射式光電傳感器是把發(fā)射器和接收器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在其前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的光電傳感器?？梢杂脕頇z測(cè)地面明暗和顏色的變化，也可以探測(cè)有無接近的物體。ST188反射式紅外線光電傳感器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成；

（2）檢測(cè)距離可調(diào)整范圍大，4-13毫米可用；

（3）采用非接觸檢測(cè)方式。

應(yīng)用范圍如下：

（1）IC卡電度表脈沖數(shù)據(jù)采樣；

（2）集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣；

（3）傳真機(jī)紙張檢測(cè)；

（4）與方向判別電路ST288A結(jié)合使用可判別被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)方向及正反轉(zhuǎn)速測(cè)量、行程測(cè)量等。

ST188反射式紅外線光電傳感器的極限參數(shù)如表2-1所示。

表2-1極限參數(shù)（Ta=25℃）

項(xiàng)目 符號(hào) 數(shù)值 單位

輸

入 正向電流 I 50 mA

反項(xiàng)電壓 V 6 V

耗散功率 P 75 mW

輸

出 集-射電壓 Vceo 25 V

射-集電壓 Veco 6 V

集電極功率消耗 Pc 50 mW

工作溫度 Topr －20~＋65 ℃

儲(chǔ)存溫度 Tstg －30~＋75 ℃

ST188反射式紅外線光電傳感器的引腳圖如圖2-1、2-2所示，內(nèi)部電路圖如圖2-3所示。

圖2-1ST188引腳圖

圖2-2ST188引腳圖

圖2-3ST188內(nèi)部電路圖

由圖2-3所示，A-K相當(dāng)于二極管，E-C相當(dāng)于三極管的發(fā)射極和集電極。

2.2.2傳感器的電路圖設(shè)計(jì)

ST188反射式紅外光線光電傳感器是通過紅外光照射人的手指的血脈流動(dòng)情況，把脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其原理電路圖如圖2-4所示。

圖2-4ST188原理電路圖

第三章主控模塊設(shè)計(jì)及信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)方案

3.1主控模塊設(shè)計(jì)方案

主控模塊模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測(cè)鍵盤等各種參數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示相關(guān)參數(shù)，本論文設(shè)計(jì)的心率計(jì)檢測(cè)裝置采用的是51系列的單片機(jī)。

3.1.151單片機(jī)的選擇及介紹

51單片機(jī)是對(duì)所有兼容lntel8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的總稱。51系列單片機(jī)最初是由Intel公司開發(fā)設(shè)計(jì)的，但后來Intel公司把核的設(shè)計(jì)方案賣給了幾家大的電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)商，譬如SST、Philip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(jī)[4]。以下是51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器。

（2）不但能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算。

（3）乘法和除法指令，給編程帶來了很大的便利。

本課題采用的是51系列單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。STC89C52是STC（國(guó)產(chǎn)宏晶）單片機(jī)其中的一個(gè)品牌，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52單片機(jī)具有40個(gè)引腳，32位I/O口線，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），1個(gè)全雙工異步串行口，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。STC89C52內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路。STC89C52單片機(jī)的實(shí)物圖見圖3-1所示。

圖3-1STC89C52單片實(shí)物圖

STC89C52單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)圖見圖3-1所示。

圖3-2STC89C52單片機(jī)基本組成結(jié)構(gòu)圖

3.1.2STC89C52單片機(jī)的主要特性

STC89C52RC單片機(jī)是國(guó)產(chǎn)宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，其主要特性如下：

（1）增強(qiáng)型?8051?單片機(jī)，6?時(shí)鐘/機(jī)器周期和?12?時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任?意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)?8051；

（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V?單片機(jī)）、3.8V～2.0V（3V?單片機(jī)）；

（3）工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工?作頻率可達(dá)48MHz；

（4）擁有8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間；

（5）片上集成512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；

（6）可直接使用串口下載；

（7）四個(gè)8位并行I／O接口P0~P3，每個(gè)口既可以用作輸入，也可以用作輸出；

（8）兩個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制；

（9）一個(gè)全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行I／O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；

（10）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為12MHz；

（11）可直接使用串口下載。

STC89C52單片機(jī)管腳如圖3-3所示：

圖3-3STC89C52引腳圖

STC89C52單片機(jī)各部分引腳說明如下：

（1）VCC（40引腳）：電源電壓

（2）VSS（40引腳）：電源電壓

（3）時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2：

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(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。

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(shí)鐘電路時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)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(hào)輸出[5];

（4）控制信號(hào)引腳RST,ALE/PSEN和EA：

RST/VPD(9腳)：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持備用電源的輸入端。當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，將＋5V電源自動(dòng)兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)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(chǔ)在RAM中的信息不丟失，從而合復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。

ALE/PROG(30腳)：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)8051上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器

時(shí)，ALE端也以振蕩頻率的1/6固定輸出正脈沖，因而ALE信號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。此引腳的第二功能PROG在對(duì)片內(nèi)帶有4KBEPROM的8751編程寫入(固化程序)時(shí)，作為編程脈沖輸入端。

PSEN(29腳)：程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端。在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引肢接EPROM的OE端(見后面幾章任何一個(gè)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(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。要檢查一個(gè)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(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)EA引腳接高電平時(shí)，CPU只訪問片內(nèi)EPROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令，但當(dāng)PC(程序計(jì)數(shù)器)的值超過0FFFH(對(duì)8751/8051為4K)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)輸入信號(hào)EA引腳接低電平(接地)時(shí)，CPU只訪問外部EPROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對(duì)于無片內(nèi)ROM的8031或8032,需外擴(kuò)EPROM，此時(shí)必須將EA引腳接地。此引腳的第二功能是Vpp是對(duì)8751片內(nèi)EPROM固化編程時(shí)，作為施加較高編程電壓(一般12V～21V)的輸入端[6]。

（5）輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3：

P0口(P0.0～P0.7，39~32腳)：P0口是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。當(dāng)P0口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器(地址80H)寫入全1,此時(shí)P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時(shí)要先寫1,這就是準(zhǔn)雙向口的含義。在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，P0口分時(shí)提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。在此期間，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。

P1口(P1.0～P1.7，1~8腳)：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P1口每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。在P1口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向P1口鎖存地址(90H)寫入全1,此時(shí)P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。

P2口(P2.0～P2.7，21~28腳)：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P口每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。在訪問片外EPROM/RAM時(shí)，它輸出高8位地址。

P3口(P3.0～P3.7，10~17腳)：P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向

I/O口。P3口每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P3口與其它I/O端口有很大的區(qū)別，它的每個(gè)引腳都有第二功能，如下表所示。

表3-1p3口引腳第二功能

引腳號(hào) 第二功能

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(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部計(jì)數(shù)輸入

P3.5 T1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部計(jì)數(shù)輸入

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

STC89C52單片機(jī)的中斷系統(tǒng)：STC89C52系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷服務(wù)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(yīng)中斷請(qǐng)求；由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP安排各中斷源的優(yōu)先級(jí)；同一優(yōu)先級(jí)內(nèi)各中斷同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應(yīng)次序。

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常會(huì)有定時(shí)控制需求，如定時(shí)輸出、定時(shí)檢測(cè)、定時(shí)掃描等；也經(jīng)常要對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。STC89C52單片機(jī)內(nèi)集成有兩個(gè)可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器：T0和T1，它們既可以工作于定時(shí)模式，也可以工作于外部事件計(jì)數(shù)模式，此外，T1還可以作為串行口的波特率發(fā)生器[7]。

3.1.3STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)有單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成，時(shí)鐘電路選用了12MHZ的晶振提供時(shí)鐘，作用為給單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時(shí)間為一個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)的復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機(jī)進(jìn)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。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路見圖3-4所示。

圖3-4STC89C52最小系統(tǒng)電路

3.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)方案

信號(hào)采集電路的功能是由傳感器將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般為幾十毫伏，所以必須加以放大，以達(dá)到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號(hào)波形是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，因此必須加以放大濾波電路、放大整形電路。整形電路的輸出電壓應(yīng)滿足計(jì)數(shù)器的要求。

3.2.1顯示模塊電路設(shè)計(jì)

顯示模塊選用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描。因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)碼管價(jià)格適中，對(duì)于顯示數(shù)字合適，而且采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí)，占用單片機(jī)口線少，所以選用LED數(shù)碼管顯示屏，并采用四位數(shù)碼管顯示。LED4位數(shù)碼管實(shí)物圖見圖3-5所示。

圖3-5LED4位數(shù)碼管

當(dāng)位選打開時(shí)，送入相應(yīng)的段碼，則相應(yīng)的數(shù)碼管打開，關(guān)掉位選，打開另一個(gè)位選，送入相應(yīng)的段碼，則數(shù)碼管打開，而每次打開關(guān)掉相應(yīng)的位選時(shí)，時(shí)間間隔低于20ms，則看到的幾乎與數(shù)碼管顯示的一樣。顯示電路圖見3-6所示。

圖3-6LED4位數(shù)碼管連接電路圖

3.2.2放大濾波電路設(shè)計(jì)

圖3-7放大濾波電路圖

圖3-7為心率計(jì)的放大濾波信號(hào)，由于脈搏信號(hào)輸出的信號(hào)十分微弱，一般在UV級(jí)別，輸出的信號(hào)一般會(huì)伴隨很大的噪聲干擾，因此在這里用LM358搭建起一個(gè)放大濾波電路。

3.2.3放大整形電路設(shè)計(jì)

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

經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號(hào)仍是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，且有低頻干擾，仍不滿足計(jì)數(shù)器的要求，必須采用整形電路，所以選用了滯回電壓比較器，目的是為了提高抗干擾能力。集成運(yùn)放采用了LM358，除此外LM358還接上了一個(gè)LED用作指示脈搏跳動(dòng)的狀態(tài)。放大整形電路如圖3-9所示。

圖3-9放大整形電路

3.3運(yùn)算放大器LM358的介紹

LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。以下是LM358的特點(diǎn)：

（1）內(nèi)部頻率補(bǔ)償；

（2）低輸入偏流；

（3）低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；

（4）共模輸入電壓范圍寬，包括接地；

（5）差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；

（6）直流電壓增益高(約100dB)；

（7）單位增益頻帶寬(約1MHz)；

（8）電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)；

（9）雙電源(±1.5一±15V)；

（10）低功耗電流，適合于電池供電[8]。

LM358引腳圖及內(nèi)部電路原理圖見3-10、3-11所示。

圖3-10LM358引腳圖

圖3-11LM358內(nèi)部電路原理圖

第四章軟件設(shè)計(jì)方案

4.1系統(tǒng)軟設(shè)計(jì)方案

主程序流程圖如圖4-1所示。

圖4-1主程序流程圖

單片機(jī)上電后先進(jìn)行初始化，清楚一些參數(shù)的初值，然后等待用戶按下對(duì)應(yīng)的按鍵并進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能，當(dāng)用戶按下測(cè)量按鍵的時(shí)候流程如圖4-1(c)所示，單片機(jī)通過定時(shí)5s測(cè)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(duì)應(yīng)的真實(shí)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(dāng)用戶按下設(shè)置脈搏范圍設(shè)定按鍵后，單片機(jī)根據(jù)用戶按下的按鍵進(jìn)行增加或減少范圍。

首先先調(diào)用液晶自定義的字庫，設(shè)置好DDRAM地址后在第一行顯示，根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設(shè)置顯示數(shù)據(jù)的首地址并設(shè)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[9]。

圖4-2數(shù)碼管初始化子函數(shù)流程圖

4.2C語言設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)所運(yùn)用的匯編語言是C語言，用軟件KeiluVision4來完成編程和運(yùn)算。因?yàn)榇诵穆视?jì)所用到的是51單片機(jī)系列中的STC89C52，所以在運(yùn)行Keil4時(shí)，第一步要先選擇此單片機(jī)。因?yàn)樗\(yùn)用到的匯編語言是C語言，所以要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)以“.c”結(jié)尾的文件用于保存。然后接下來對(duì)心率計(jì)上的每一個(gè)硬件來進(jìn)行程序編寫。以下是主函數(shù)，定義了從開機(jī)開始，初始化定時(shí)器、按鍵程序、時(shí)間間隔以及主控的一些程序。

voidmain()

{

staticuintvalue;

beep=0; //開機(jī)叫一聲

delay_1ms(150);

P0=P1=P2=P3=0xff;

time_init();//初始化定時(shí)器

init_int0(); //外部中斷0初始化程序

init_eeprom();//開始初始化保存的數(shù)據(jù)

while(1)

{

key(); //獨(dú)立按鍵程序

if(key_can<10)

{

key_with();

}

value++;

if(value>=300)//300ms

{

value=0;

if(displayOK==0)//如果顯示關(guān)

{

rate=0;

}

else//如果顯示開

{

rate=60000/(time[1]+time[2]+time[3]+time[4]+time[5])/5;

}

dis_smg[0]=smg_du[rate%10]; //顯示

dis_smg[1]=smg_du[rate/10%10];

dis_smg[2]=smg_du[rate/100%10];

if(rate!=0)

clock_h_l();//報(bào)警函數(shù)

else

beep=1;

}

display();//數(shù)碼管顯示函數(shù)

delay_1ms(1);

}

}

voidint0()interrupt0

{

EX0=0;//暫時(shí)關(guān)外部中斷

if(timecount<8)//當(dāng)連續(xù)兩次檢測(cè)時(shí)間間隔小于8*50ms=400ms不處理

{

TR0=1;