課程報告-基于單片機脈搏測量儀

課程報告題目：基于單片機脈搏測量儀一、概述脈搏測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應用。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設計了一種基于51單片機的脈搏測量儀。系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，以紅外發(fā)光二極管和光敏二極管為傳感器，并利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光敏二極管感應產(chǎn)生脈沖，單片機通過對脈沖累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由單片機定時器定時而得。系統(tǒng)運行中能顯示脈搏次數(shù)，系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏次數(shù)。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作基本正常。1、設計內(nèi)容脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量比較高，而且指尖厚度相對人體其他組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部分通常在人體指尖，手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織，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有與動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源的照耀下，通過檢測透過手指的光強將可以間接的測量到人體的脈搏信號。2、采取的方法紅外管采集端，對采集到的信號進行處理放大。形成穩(wěn)定的脈沖，傳給單片機處理。在單位時間內(nèi)（一分鐘）進行計數(shù)，并用數(shù)碼管顯示其計數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。具體的設計方案傳感器信號處理傳感器信號處理復位電路復位電路STC89C52STC89C52單片機外部中斷蜂鳴器外部晶振蜂鳴器外部晶振數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路圖1系統(tǒng)框圖(1)傳感器的選擇選擇紅外發(fā)光二極管和光敏二極管為傳感器組成一紅外對管，由光敏二極管感應產(chǎn)生脈沖，單片機通過對脈沖累加得到脈搏跳動次數(shù)。(2)信號處理選用LM324對光敏二極管產(chǎn)生的信號進行放大、濾波、整形再去觸發(fā)單片機。(3)單片機電路利用單片機自身的定時中斷進行計時,利用單片機的外部中斷功能對輸入的脈沖電平進行計數(shù)（包括STC89C52、外部晶振、外部中斷等)。(4)顯示電路把單片機得出的結(jié)果用8位共陽LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示，便于直接讀出數(shù)據(jù)。(5)電源選用LM7805三端穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓得到的電壓提供給整個系統(tǒng)供電(包括傳感器部分、單片機系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示部分）。二、硬件系統(tǒng)1、放大器介紹LM324是四運放集成電路，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算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3.4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3.5。圖2圖3由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。2、STC89C52單片機簡介STC89C52是臺灣STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash

存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復位電路，2個16位

定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。3.1.2STC89C52的特點·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器·1000次擦寫周期·全靜態(tài)操作：OHz--24MHz·三級加密程序存儲器·128*8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個可編程I／O口線·2個16位定時／計數(shù)器·6個中斷源·可編程串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式3、STC89C52的結(jié)構此次設計所使用的STC89C52的封裝形式是DIP40。如圖4所示。圖4STC89C52的封裝形式引腳功能：·Vcc：電源電壓·GND：接地·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用?！l口：P1是—個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌。·P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流?！3口：：①可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設備。②作為第二功能使用，每一位功能定義如表1所示。表1·RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。·ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振器頻率的1／6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的?！SEN：程序存儲允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時．每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)?！A／VPP：EA＝0，單片機只訪問外部程序存儲器。EA＝1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。．XTALI：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。．XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。硬件電路1、系統(tǒng)電源電路如圖5本電源采用LM7805三端穩(wěn)壓器中的電子手冊的典型電路設計，將穩(wěn)壓源提供的7～8V的電源進行穩(wěn)壓成5V左右后提供給整體系統(tǒng)。圖52、傳感器電路圖6是脈搏信號的采集電路，LED1是紅外發(fā)射管、LED2是紅外接收管，將手指放到LED1和LED2之間，會產(chǎn)生電壓的變化，但產(chǎn)生的電壓比較低。所傳入LM324進行放大和整形。圖63、波形放大部分如圖7所示。R1、C1組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R1、C1決定，運放U1A將信號放大，放大倍數(shù)由R1和R10的比值決定。圖7根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：放大倍數(shù)為：A0=1+R1/R10=214截止頻率為：fH=1/(2πR1C1)=3.39Hz按人體的脈搏跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。4、波形整形電路波形整形電路圖8所示，U1B是一個電壓比較器，C5、R8構成一個微分器，U1C和C2、R9組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由C2、R9決定。該比較器的閥值電壓可用R14調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對R14的調(diào)節(jié)要求并不嚴格，因為U1B的輸出信號經(jīng)C11、R29的微分后總是將正、負相間的尖脈沖加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U1C的反向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差。圖85、單片機處理電路如圖9所示，本部分運用了STC公司的STC89C52單片機作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準確地對數(shù)據(jù)進行運算，而且可以根據(jù)實際情況進行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機STC89C52的/INTO腳，單片機設為下降沿中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷并進行計數(shù)，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進行累加，通過P0、P2口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來。圖9顯示電路如圖10本設計的顯示采用8位共陽LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進行動態(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8位口（稱為段碼輸出）共陽極LED數(shù)碼管組成4位顯示，其中0、1、2兩位顯示測量中的脈搏次數(shù)，單片機的P0口控制顯示字型，P2口中的高四位控制顯示段位。圖10整體電路圖11傳感器部分電路圖圖12單片機系統(tǒng)原理圖PCB圖圖13單片機系統(tǒng)PCB圖圖14傳感器PCB圖四、軟件系統(tǒng)1、程序說明本程序采用C語言，程序的可讀性非常好。程序中對測量的脈搏數(shù)據(jù)進行了計算，并且用數(shù)碼顯示。2、源程序代碼//*****************脈搏測試儀單片機源程序*****************//#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};ucharCount1,Count2,Sec;sbitBuzzer=P2^0;voiddelay(void)//延時函數(shù)，延時約0.6毫秒{uchari; for(i=0;i<200;i++);}voiddelay_nms(uinti)//函數(shù)功能：nms延時函數(shù){ucharj;for(;i>0;i--){for(j=0;j<120;j--);}}voidBeep(void)//函數(shù)功能：蜂鳴器響函數(shù){Buzzer=0;delay_nms(8);Buzzer=1;}voidDisplay(uinti)//函數(shù)功能：數(shù)碼管顯示函數(shù){uintk=0;P0=table[i%10]; //個位P2=0x7f;//P2.3引腳輸出低電平，DS3點亮delay();k=i/10;P0=table[k%10];//十位P2=0xbf;//P2.2引腳輸出低電平，DS2點亮delay();k=i/100;P0=table[k%10];//百位P2=0xdf;//P2.1引腳輸出低電平，DS1點亮delay();P2=0xef;//P2.0引腳輸出低電平，DS0點亮P0=table[i/1000];//千位delay();P2=0xff;}voidmain(void)//函數(shù)功能：主函數(shù)main{Count1=0;Count2=0;Sec=0;EA=0;ET0=0;TR0=0;TMOD=0x01;TH0=0xD8;TL0=0xF0;PT0=1;IT1=1;EX1=1;EA=1;while(1){Display(Count1); if((Count1==1)||(Sec==60)) { Beep();} }}voidExInt1(void)interrupt2//函數(shù)功能：外部中斷1的中斷服務{(diào)EX1=0;Count1++;if(Count1==1){TR0=1;ET0=1;}EX1=1;}voidEtInt0(void)interrupt1//函數(shù)功能：定時器0中斷的中斷服務{(diào)TR0=0;ET0=0;Count2++;if(Count2==100){Sec++; if(Sec==60) {Sec=0;EX1=0;EA=0;}}TH0=0xD8;TL0=0xF0;TR0=1;ET0=1;} //*****************End*****************//五、總結(jié)本次所設計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次