基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設計

基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設計系（部）信息工程系專業(yè)電子信息工程PAGEIII摘要脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(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)學上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是價格都比較昂貴，本文擬設計一款適合家庭使用的簡易的脈搏測試儀。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。本文的設計使用光電傳感器來獲得人體的脈搏信息，通過信息處理，單片機的控制將脈搏信息傳遞到LCD顯示屏上，從而可以直觀清晰的獲得人體脈搏跳動的頻率等信息，自此構成了我們設計的脈搏測試系統(tǒng)。從中可以得知脈搏跳動是否正常以及每分鐘跳動的次數(shù)。最后，本文對脈搏測試系統(tǒng)的進一步發(fā)展提出了自己的看法。關鍵字：指脈檢測、光電傳感器、單片機、LCD顯示Microcontroller-based

design

refersto

the

pulse

detectionsystemAbstractPulsetestinstrumentwasusedtomeasureanindividualpulsenumberofelectronicinstruments,andelectrocardiogramofmaincomponent,therefore,inthemodernmedicinehasanimportantrolein.Thedetectionofpulseinstrumentalthoughmany,butthepriceisrelativelyexpensive,thispaperisintendedtodesignasuitableforhouseholduserecommendedpulsetester.Pulsewavebyshowingthemorphology(waveform),strength(amplitude),velocity(velocity)andrhythm(cycle)andotheraspectsofthecomprehensiveinformation,largelyreflectthehumancardiovascularsysteminmanyphysiologicalandpathologicalbloodflowcharacteristics,sothepulsewaveacquisitionandprocessinghavehighmedicalvalueandapplicationprospect.Butthehumanbiologicalsignalsbelongingtostrongnoisebackgroundandlowfrequencyweaksignal,pulsewavesignalislowfrequencyweaknon-electrophysiologicsignals,requiredafteramplificationandfilteringtomeetaftertheacquisitionrequest.Inthispaper,thedesignofphotoelectricsensorisusedtoobtainthepulseinformation,theinformationprocessingofsingle-chipcontrolofthepulseinformationispassedtotheLCDdisplayscreen,whichcanbeintuitivelyclearaccesstohumanpulsefrequencyandotherinformation,sincecomposeourdesignpulsetestsystem.Fromthatthepulseisnormalandthenumberofbeatsperminute.Finally,thisarticleonpulsetestsystemfurtherdevelopmenttoproposeownview.Keywords:Fingerpulsedetection、Photoelectricsensor、Singlechipmicrocomputer、LCDDisplay目錄TOC\o"1-3"\h\z1緒論 11.1本文的研究現(xiàn)狀 11.2本文的研究目的 31.3本文的研究內(nèi)容 32本系統(tǒng)的整體設計方案 42.1系統(tǒng)的整體框圖 42.2系統(tǒng)的主要組成部分 42.2.1光電脈搏傳感器 42.2.2信號采集系統(tǒng) 52.2.3放大電路 52.2.4濾波電路 52.2.5數(shù)據(jù)采集電路 62.2.6AT89S51單片機 62.2.7顯示電路 63指脈檢測電路的設計 73.1指脈傳感器的基本原理 73.2檢測電路的設計 74單片機控制電路的設計 94.1單片機的選擇 94.2指脈信息的檢測與控制 114.2.1硬件設計 114.2.2軟件設計 124.3顯示電路的設計 185總結與展望 20參考文獻 21致謝 22基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設計PAGE12基于單片機的指脈檢測系統(tǒng)的設計1緒論脈診是中醫(yī)傳統(tǒng)診斷中最主要的一個診斷方法，已有近千年的歷史，它是種無創(chuàng)傷的檢測方法，簡便易行。但是，傳統(tǒng)的診斷方法屬于主觀診斷，其結果容易受到生理、心理等變化的影響，使臨床處理的有效性降低。如果采用電子測量技術，就能夠精確測量，還可以借助現(xiàn)代化的工具進行更高效、合理的判斷和分析。隨著集成電路的發(fā)展，脈搏測量計必然向微型化、大眾化、智能化發(fā)展。脈搏測試系統(tǒng)可以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。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。1.1本文的研究現(xiàn)狀中醫(yī)脈診具有歷史悠久，內(nèi)容豐富的特點，將中醫(yī)“整體觀念，辨證論治"的思想得到了很好的體現(xiàn)和應用。早在秦漢時期的黃帝內(nèi)經(jīng)的《靈樞》和《素問》中曾提到過：從《靈樞》的記載中可知秦代以前的醫(yī)師通常用人迎、寸口對比的診脈方法來對疾病部位進行診察。而《素問》中又指出：“五臟相音，可以意識，五色微診，可以目察，能合色脈，可以萬全。"明確記錄了古人脈診使用了通過對顏面、手腕和足踩3部的血管脈搏搏動進行比較來診斷病癥。到了漢代，《難經(jīng)》又進一步確立寸口部位的寸關尺脈與其浮、中、沉診法為定為三部九候的診脈方法。東漢末年，中醫(yī)鼻祖張仲景在總結前人的成果后開創(chuàng)了病、脈、診綜合治病的先河。三國時期，我國第一部脈學專著《脈經(jīng)》由王叔和撰寫成功。其主要內(nèi)容是：闡述了近于完善和成熟在脈理、脈名、脈形和脈法以及診斷等多方面的理論，為脈診成為一門獨立的學科創(chuàng)造了基本條件。所以，當前我們普遍認為它是標志著脈學的形成。明代，李時珍以六朝時期的高陽生所撰《脈決》一書中的理論為基礎，并兼顧各家所長再加上自己的研究心得，于1564年撰寫完成了《瀕山東大湖脈學》一書，該書中詳細定義和描述了浮、沉、遲、數(shù)、滑、澀等27種脈象的形態(tài)、對應病癥及相似脈之間的鑒別15J。而對于脈診客觀化的研究，可以追溯到宋代，宋代的許叔微繪有仲景脈法圖，而明代沈際飛則編著有《人元脈影歸指圖說》，其中記載有七表、八里、十六怪脈等的脈搏圖形。他們都試圖利用圖形來描繪脈搏從而使脈診能夠更加具體化，但由于其均帶有較強的個人主觀性強，缺乏必要的客觀基礎。近年來隨著電子技術的快速發(fā)展，脈診客觀化的研究也得到了很快的進步。20世紀50年代末期設計出的利用酒石酸鉀鈉壓電晶片作為傳感器件的脈搏儀，其主要原理為：將中醫(yī)寸、關、尺3處的脈搏信息，通過換能器采集并轉(zhuǎn)換電信號，再加以放大等處理再進行描述并記錄，初步確定了中醫(yī)弦脈、滑脈、平脈等主要的脈象圖形；60年代初研制出的三線脈象儀，首先實現(xiàn)完成了對寸、關、尺3部位的切脈壓力進行任意調(diào)節(jié)和客觀定量的測定，并進而完成了對壓力脈搏波圖形的描述與記錄。隨后，全國各地陸續(xù)研制出采用各種不同材料的換能器(如半導體硅應變片換能器，電感式壓力換能器，電阻抗式換能器)為基礎設計的脈搏儀，其目的均是為了不斷提高換能器件的靈敏度，精確度，并對探頭的形狀進行改造。在脈診客觀化的研究中，脈搏信息的獲取是脈搏采集裝置中最為重要的一環(huán)，脈搏信息的獲取必須要用到脈搏傳感器來檢測，所以脈搏采集系統(tǒng)的發(fā)展與脈搏傳感器的發(fā)展密切相關，最早的脈搏傳感器為機械式傳感器，后來逐漸開發(fā)了壓電式傳感器，光電式傳感器，液態(tài)傳感器，PVDF(壓電薄膜)傳感器等一系列多種傳感器。而其信號的轉(zhuǎn)換方式分為固體、氣壓、液壓等方式，其材料可以采用壓電晶體、半導體應變片、PVDF壓電薄膜和液態(tài)可變電阻等多種材料。國外研究狀況，公元前四世紀，希臘的Herophilus就曾重點注意到了脈搏的節(jié)律、速率、強度和形狀，他還認為認為脈搏的搏動可以通過音樂的形式來進行表達。隨后，Calen成為國外第一個采用檢查手腕處脈搏來對疾病進行診斷的方法的醫(yī)學家。國外在關于脈診理論方面也出現(xiàn)過不少相關的著作，總結了許多與脈診有關的臨床經(jīng)驗，其中波蘭Struthius于1540年撰寫的《脈診的藝術》一書，占有比較重要的地位，書中描繪出了脈搏圖形，是西方最早的脈搏圖解。1700年著名的物理學家牛頓對動脈彈性腔的意義進行了論證，1733年生理學家斯蒂文?哈爾斯提出動脈管的系統(tǒng)模型。1741年愛爾蘭的Niheu發(fā)表了“從脈搏觀察各種疾病變化的新方法"的文章。到了近代，英國人Marye最早研制出采用彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并使用其對撓動脈脈搏波形圖進行了記錄。近年來日本、美國等國家的醫(yī)生、學者在對醫(yī)學與針灸研究中設計出了一些對脈象進行客觀化描述的描記儀器和裝置。其主要功能是描記脈象波形圖，在臨床上，也可用作觀察脈象變化的工具。但這些儀器裝置大多數(shù)沒有形成產(chǎn)品，沒有得到市場化，當然在臨床上也沒有見到廣泛應用的報道。這其中較有代表性的儀器如：美國醫(yī)學博士John．H．Laub研制的一種針灸臨床用的新型無創(chuàng)脈搏波記錄儀、日本的田口賢輝設計的一種“壓力、脈搏測定裝置"和代用文彥設計的一種“局部加壓型可償還脈裝置”以及日本Sony公司曾經(jīng)推出的一種采用三個駐體微音器作為脈搏波轉(zhuǎn)換元件的脈搏波形儀器141。1.2本文的研究目的我們的目的很明確，可以了解單片機的發(fā)展歷史以及最新的發(fā)展動態(tài)，脈搏測試的發(fā)展現(xiàn)狀，可以從研究中得到設計系統(tǒng)的經(jīng)驗，了解了人體脈搏的一些知識，為發(fā)展我國的中醫(yī)事業(yè)做貢獻，中醫(yī)就是靠把脈得知患者的病情，我們可以作出一個儀器，這個儀器就能夠把脈而且準確度很高。更加深層次的加深了對單片機控制電路的理解，切實結合實際經(jīng)驗來設計，認真務實，鍛煉我們的動手能力。3本文的研究內(nèi)容根據(jù)脈搏信號的特點，利用單片機設計和實現(xiàn)脈搏信號的實時采集系統(tǒng)，并將采集的信號放大以便于能夠清晰的在顯示屏上顯示，從而得到脈搏跳動的一些信心，如每次跳動的快慢，每分鐘跳動的次數(shù)等等信息。內(nèi)容涉及到傳感器的選擇，有光電脈搏傳感器，壓力測試脈搏傳感器，還有光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器，而我們此次研究選擇的是光電脈搏傳感器，這是由于近年來光電檢測技術在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。還有單片機的選擇在后文中會介紹到。2本系統(tǒng)的整體設計方案2.1系統(tǒng)的整體框圖光電脈搏傳感器光電脈搏傳感器濾波放大積分比較器單片機電源按鍵LCD圖2.1系統(tǒng)整體框圖本系統(tǒng)采用光電式傳感器獲得指脈的信息，由于指脈信號的特點，需對原始的指脈信號進行濾波、放大和積分等處理，然后傳入單片機，通過按鍵，利用單片機對指脈信息進行處理和控制，并將最終的指脈信息通過LCD顯示。2.2系統(tǒng)的主要組成部分2.2.1光電脈搏傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度。因此其選型對整個設計具有決定性的作用。目前，脈搏信號的測量方式主要有：1）光電脈搏波傳感器。血管不受壓力時，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無脈搏信號輸出；當血管受壓血液不流動時，傳感器也無輸出信號；只有當血管受到擠壓，血管中的血液斷續(xù)流動時，反射光也隨之變化，這時傳感器輸出脈搏信號，達到了測量脈搏的作用。這種傳感器的特點是結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強，主要用于測量脈搏的跳動次數(shù)。人體不同部位的脈搏波波形存在差異，光電脈搏波傳感器不適合用于提取不同部位的脈搏波信號。2）力傳感器測量。其測量原理是，將測力傳感器的受力端壓在人體橈動脈處，模仿人的指頭。這種方式通常采用壓阻式傳感器，它具有抗干擾能力強的特點，但由于動脈血管產(chǎn)生的力很小，故量程小，抗沖擊力不強。3）脈搏信號還表現(xiàn)為皮膚振動，因此可以用加速度傳感器進行檢測，其特點是結構簡單、體積小、波形測量精度較高。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變式脈搏傳感器。近年來光電檢測技術在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學儀器工作的專家和學者的重視。本系統(tǒng)設計了指套式的透射型光電傳感器，實現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾?？紤]到各種脈搏傳感器的特點，本文采用的是光電脈搏傳感器。2.2.2信號采集系統(tǒng)由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設計思路導致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運動干擾時，將導致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當于用高分辨率的ADC對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理(放大和濾波)電路。2.2.3放大電路脈搏信號的基本特征是：穩(wěn)定性不高并且具有隨機性，還是一種典型的極微弱生理信號。凡是生理信號大都具有強干擾與的噪聲強的特點，因此，要想感測到信號就必須對噪聲進行抑制，還要求所采用的放大電路必須具有高增益、高輸入阻抗和低噪聲等特點。脈搏傳感器的輸出信號大致在0--5mV的毫伏級電壓信號，所以需要放大的倍率在1000以上。本系統(tǒng)設計了前置放大電路和主放大電路組成的多級放大電路對其進行放大處理，可以使得放大后的信號滿足系統(tǒng)分析的要求。2.2.4濾波電路濾波電路就是對信號波形進行一種類似過濾處理的電路，具體來說是讓某些頻率范圍內(nèi)的信號通過，而其它頻率信號不能通過的電路單元。即對有些頻率信號波形具有抑制功能。信號處理系統(tǒng)中濾波電路得到了非常廣泛的應用，其種類繁多。具體分類如下：既可以分為低通濾波電路(LPF)，高通濾波電路(HPF)，帶通濾波電路(BPF)和帶阻濾波電路(BEF)等；也可看其內(nèi)部是否含有有源器件(通常是運放)分為無源濾波電路和有源濾波電路，除此之外，濾波電路還可分為一階、二階和高階濾波電路，而高階濾波電路可通過低階濾波電路進行級聯(lián)而組成。2.2.5數(shù)據(jù)采集電路由光電傳感器感測的脈搏信號經(jīng)前電路一系列處理后，還需要進行A/D轉(zhuǎn)換后才可以送到單片機進行邏輯與數(shù)據(jù)傳輸控制等處理。2.2.6AT89S51單片機AT89S51單片機是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。2.2.7顯示電路本文設計的顯示電路是將脈搏信息顯示在LCD屏上，以助于更加生動形象的觀察脈搏信息的變化。3指脈檢測電路的設計3.1指脈傳感器的基本原理本研究所用的傳感器是光電傳感器，其基本原理是血液的流動會導致血管內(nèi)的血容量的發(fā)生改變，而血容量的多少會影響血液對光線的吸收量，從而導致透過組織的光線強度也將隨血流的變化而發(fā)生變化，光電傳感器就是將接收透射后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而來獲取脈搏信息的。3.2檢測電路的設計系統(tǒng)以AT89S51單片機為核心，由光電脈搏傳感器采集脈搏信號，經(jīng)濾波、放大、積分、比較后得到與脈搏相關的脈沖信號，該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈沖周期的計算，然后得出每分鐘的脈搏搏動次數(shù)，并在顯示屏上顯示。利用一個運放作為恒流源電路向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電流，此外，電容C12能濾除高頻信號，使發(fā)光二極管的工作更為穩(wěn)定。電阻R2為光敏電阻提供工作電壓，電阻R5和電容C2組成無緣低通濾波器，能對進入檢測電路的高頻噪聲進行濾波。由于經(jīng)過濾波后的脈搏信號幅度較小，且脈搏信號并不是標準的脈沖信號，不能直接作為單片機的中斷信號，于是通過放大和積分將每一個脈搏搏動信號變換成脈沖信號。我們可以使用一個有源積分器，這樣同時完成了放大與積分的處理。最后再用一個電壓比較器，生成標準的脈沖信號.脈搏脈沖脈搏脈沖脈搏波圖3.1脈搏信號的交換圖3.2脈搏信號變換電路4單片機控制電路的設計4.1單片機的選擇單片機有很多種，我們的設計采用的是AT89S51.單片機其他還有以下幾種類型：Motorola單片機:Motorola是世界上最大的單片機廠商。從M6800開始,開發(fā)了廣泛的品種,4位,8位,16位32位的單片機都能生產(chǎn),其中典型的代表有:8位機M6805,M68HC05系列,8位增強型M68HC11,M68HC12,16位機M68HC16,32位機M683XX.Motorola單片機的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多,因而使得高頻噪聲低,抗干擾能力強,更適合于工控領域及惡劣的環(huán)境。MicroChip單片機:MicroChip單片機的主要產(chǎn)品是PIC16C系列和17C系列8位單片機,CPU采用RISC結構,分別僅有33,35,58條指令,采用Harvard雙總線結構,運行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動能力,價格低,一次性編程,小體積。適用于用量大,檔次低,價格敏感的產(chǎn)品.在辦公自動化設備,消費電子產(chǎn)品,電訊通信,智能儀器儀表,汽車電子,金融電子,工業(yè)控制不同領域都有廣泛的應用,PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高.發(fā)展非常迅速。MDT20XX系列單片機:工業(yè)級OTP單片機,Micon公司生產(chǎn),與PIC單片機管腳完全一致,海爾集團的電冰箱控制器,TCL通信產(chǎn)品,長安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機。EM78系列OTP型單片機:臺灣義隆電子股份有限公司,直接替代PIC16CXX,管腳兼容,軟件可轉(zhuǎn)換。cenix單片機:Scenix公司推出的8位RISC結構SX系列單片機與Intel的PentiumII等一起被<<ElectronicIndustryYearbook1998>>評選為1998年世界十大處理器。在技術上有其獨到之處:SX系列雙時鐘設置,指令運行速度可達50/75/100MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令,XXXMInstructionPerSecond);具有虛擬外設功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可單獨編程設定,公司提供各種I/O的庫函數(shù),用于實現(xiàn)各種I/O模塊的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驅(qū)動等等。采用EEPROM/FLASH程序存儲器,可以實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程。通過計算機RS232C接口,采用專用串行電纜即可對目標系統(tǒng)進行在線實時仿真。8051單片機最早由Intel公司推出,其后,多家公司購買了8051的內(nèi)核,使得以8051為內(nèi)核的MCU系列單片機在世界上產(chǎn)量最大,應用也最廣泛,有人推測8051可能最終形成事實上的標準MCU芯片。LG公司生產(chǎn)的GMS90系列單片機,與IntelMCS-51系列,Atmel89C51/52,89C2051等單片機兼容,CMOS技術,高達40MHZ的時鐘頻率,應用于:多功能電話,智能傳感器,電度表,工業(yè)控制,防盜報警裝置,各種計費器,各種IC卡裝置,DVD,VCD,CD-ROM。華邦單片機:華邦公司的W77,W78系列8位單片機的腳位和指令集與8051兼容,但每個指令周期只需要4個時鐘周期,速度提高了三倍,工作頻率最高可達40MHz.同時增加了WatchDogTimer,6組外部中斷源,2組UART,2組Datapointer及Waitstatecontrolpin.W741系列的4位單片機帶液晶驅(qū)動,在線燒錄,保密性高,低操作電壓(1.2V~1.8V)。Zilog單片機:Z8單片機是Zilog公司的產(chǎn)品,采用多累加器結構,有較強的中斷處理能力,開發(fā)工具價廉物美.Z8單片機以低價位面向低端應用。我想很多人都知道Z80單板機,直到90年代后期,很多大學的微機原理還是講述Z80。NS單片機:COP8單片機是NS(美國國家半導體公司)的產(chǎn)品,內(nèi)部集成了16位A/D,這是不多見的,在看門狗多路及STOP方式下單片機的喚醒方式上都有獨到之處.此外,COP8的程序加密也做得比較好。我們之所以選用AT89S51單片機是因為：AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。其主要性能特點：1、4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器；2、128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；3、32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；4、5個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；5、6個中斷源；6、2個16位可編程定時器/計數(shù)器；7、2個全雙工串行通信口；8、看門狗（WDT）電路；9、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；10、與MCS-51兼容；11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；12、三級程序存儲器保密鎖定；13、可編程串行通道；14、低功耗的閑置和掉電模式。AT89S51單片機管腳如圖4.1所示。圖4.1AT89S51管腳圖4.2指脈信息的檢測與控制4.2.1硬件設計AT89S51作為本系統(tǒng)的核心控制、處理器件，其管腳的使用情況見下表。其中，P1口作為LCD的數(shù)據(jù)總線使用，P3.0~P3.2為LCD的控制信號線，P3.4(T0)為脈搏信號脈沖的輸入端。其余端口的使用情況如表4.1所示。表4.1單片機端口使用情況表端口引腳功能描述RST系統(tǒng)復位端P3.0(RXD)LCD的RS端P3.1(TXD)LCD的RW端P3.2(INT0)LCD的E端P3.3(INT0)按鍵P3.4(T0)脈搏脈沖輸入端P3.5(T1)電池電量檢測端P3.7脈搏指示Vcc電源正極GND地XTAL1,2系統(tǒng)時鐘P1.0~P1.7LCD數(shù)據(jù)總線除了利用P3.4口進行中斷計時的方法測量脈搏外，還可以采用脈沖查詢的方式。具體做法是每當在P3.4口查詢到一個脈沖后開始計時，以0.05s為單位對這個持續(xù)的高電平和隨后的低電平進行計時，當下一個脈沖到來的時候，將計時得到的結果存儲在一個地址空間中，作為一個脈搏周期。以同樣的方法再得到再次脈搏周期，將這三個周期做一平均，得到一段時間內(nèi)的平均周期，進而得到每分鐘的脈搏數(shù)。同時，在程序中需要判斷信號是否為隨機噪聲，方法是判斷脈沖信號的電平持續(xù)時間，一般的噪聲持續(xù)時間不長，在做脈搏周期檢測時可對這些信號忽略。4.2.2軟件設計單片機控制的軟件設計包括初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、串口發(fā)送子程序三大部分。主程序流程圖： 開始開始初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用串口發(fā)送子程序圖4.2主程序流程圖控制程序的主要代碼為：ORG0000HLJMPSTARTORG0013HAJMPINT_1ORG0100HSTART:MOVSP,#60HSETBEASETBIT1；外部中斷發(fā)生負跳變時激活IE1外部中斷請求標志位SETBEX1；外部中斷INT1響應允許位MOVTMOD,#00100000H；定時器工作模式2MOVSCON,#01000000H；串口工作在方式1MOVPCON,#00000000H；SMOD為0，波特率不翻倍MOVTH1,#0E8H；通信波特率為1200MOVTL1,#0E8HSETBTR1SETBEASETBESMOVR3,#00HMOVR1,#00HCLRP2.6MOVDPTR,#0030HSTART1:CLRP2.5CLRP2.7；使得A/D的ALE和START均為正脈沖MOV@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換LOOP1:SJMP$INT_1:MOVXA,@DPTR；讀取轉(zhuǎn)換結果，并存入外存MOVA,P1MOVX@DPTR,AINCDPTRINCR1CJNER1,#4BH,LOOP2JBP2.6,LOOP8SJMPLOOP9LOOP8:CPLP2.6MOVR1,#00HLCALLLOOP3MOVDPTR,#0030HMOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換SJMPLOOP2LOOP9:CPLP2.6MOVR1,#00HLCALLLOOP4MOVDPTR,#0130HMOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換SJMPLOOP2LOOP2:RETILOOP3:MOVR3,#00HMOVDPTR,#0130HSJMPLOOP5LOOP4:MOVR3,#0030HMOVDPTR,#0030HLOOP5:MOVTMOD,#20H；定時器工作模式2MOVSCON,#40H；串口工作在方式1MOVPCON,#00H；SMOD為0，波特率不翻倍SETBEASETBESMOVTH1,#0E8H；通信波特率為1200MOVTL1,0E8HSETBTR1LOOP6:MOVXA,@DPTRMOVSBUF,AJNBTI,$CLRTINOPNOPINCDPTRINCR3CJNER3,#4BH,LOOP6RETENDA/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4.3所示：開始開始中斷向量設置選擇通道0，外存存放地址設為0030H，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換個數(shù)清零，啟動轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)換結束中斷結束中斷處理讀取轉(zhuǎn)換結果外存數(shù)據(jù)存放地址加1轉(zhuǎn)換次數(shù)加1轉(zhuǎn)換75次選中通道號為0，為1切換到通道1，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換個數(shù)清零，外存存放起始地址為0130，啟動轉(zhuǎn)換切換到通道0，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換個數(shù)清零，外存存放起始地址為0030，啟動轉(zhuǎn)換中斷返回圖4.3AD轉(zhuǎn)換程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換主要程序代碼：START:MOVSP,#60HSETBEASETBIT1；外部中斷發(fā)生負跳變時激活IE1外部中斷請求標志位SETBEX1；外部中斷INT1響應允許位MOVR1,#00HCLRP2.6；使ADDA為0，選擇通道0MOVDPTR,#0030HSTART1:CLRP2.5；外部存儲器6246的片選信號有效CLRP2.7；使得A/D的ALE和START均為正脈沖MOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換LOOP1:SJMP$INT_1:MOVXA,@DPTR；讀取轉(zhuǎn)換結果，并存入外存MOVA,P1MOVX@DPTR,AINCDPTRINCR1CJNER1,#4BH,LOOP2；采樣數(shù)據(jù)個數(shù)為75個JBP2.6,LOOP8SJMPLOOP9LOOP8:CPLP2.6MOVR1,#00HMOVDPTR,#0030HMOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換SJMPLOOP2LOOP9:CPLP2.6MOVR1,#00HMOVDPTR,#0130HMOVX@DPTR,ASJMPLOOP2LOOP2:RETI串口通信主程序流程圖如圖4.4所示：開始開始外存起始地址設置為0030H或0130，發(fā)送數(shù)據(jù)計時器清零外存起始地址設置為0030H或0130，發(fā)送數(shù)據(jù)計時器清零設定數(shù)據(jù)傳輸率為1200設定數(shù)據(jù)傳輸率為1200設定串行口方式1讀取外存內(nèi)容到A讀取外存內(nèi)容到AA放入SUBFA放入SUBFTI=1? NoTI=1? Yes發(fā)送標志位清零發(fā)送標志位清零外村地址加1外村地址加1發(fā)送數(shù)據(jù)計數(shù)器加1發(fā)送數(shù)據(jù)計數(shù)器加1發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)為75發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)為75返回返回 No Yes圖4.4串行通信程序流程圖串口通信主程序代碼：LOOP3:MOVR3,#00HMOVDPTR,#0130HSJMPFSLOOP4:MOVR3,#00HMOVDPTR,#0030HFS:MOVTMOD,#20H；定時器工作模式2MOVSCON,#40H；串口工作在方式1MOVPCON,#00H；SMOD為0，波特率不翻倍SETBEASETBESMOVTH1,#0E8H；通信波特率為1200MOVTL1,#0E8HSETBTR1LOOP6:MOVXA,@DPTRMOVSBUF,AJNBTI,$CLRTINOPNOPINCDPTRINCR3CJNER3,#4BH,LOOP6RET4.3顯示電路的設計液晶屏與單片機接口，LCD作為顯示器具有直觀、信息量大的特點。液晶屏與單片機直接訪問方式接口如圖4.5所示：圖4.5單片機與LCD接口連接圖5總結與展望研究中的很多電路都比較簡單，但是必須保持清醒的頭腦和一絲不茍的精神，否則稍不留神就會有錯誤，一點的錯誤都會導致整個設計的失??！此次研究通過小組人員之間的互相溝通學習得到了很大的成功，我們都倍感欣慰，并通過這次的研究得到了很多的知識經(jīng)驗，利用到了平時學習中的很多知識，這不僅增加了我們的知識更通過實際行動來獲得了極大的自信和動手經(jīng)驗。展望未來，我們可以從這個小