基于單片機的脈搏測量儀設計.doc

河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書摘要本文介紹的是一種基于單片機的脈搏測量儀設計，作為該系統(tǒng)中重要的電路模塊，如心率采集電路、顯示電路和STC89C52單片機之間通過串口實現連接。本次設計運用單片機STC89C52作為中心控制處理單元，通過ST188作為紅外光電傳感器來采集脈搏信號，經過LM358進行運放；再通過前后級濾波、放大、整形，從而得到穩(wěn)定信號；實現了快速檢測心率的功能。還可以通過按鍵來設置脈搏值的上下限范圍；蜂鳴器驅動模塊可以在超出所設置的范圍時進行報警提示，測量結果在液晶上顯示。實驗表明，該設計的測試結果與實際的要求基本一致，STC89C52單片機超強的抗干擾能力和LCD1602顯示屏控制比較方便的優(yōu)點使這些功能能夠順利地完成。該系統(tǒng)的制作成本在百元以內，具有價格低廉、便于操縱、功耗小、可靠性高等優(yōu)點，十分適用于家庭和個人使用。關鍵詞：心率；紅外光電傳感器；STC89C52；LM358；軟件AbstractPresented in this paper is a design of pulse measuring instrument based on MCU, as the circuit module plays an important role in the system, such as heart rate acquisition circuit, display circuit and STC89C52 microcontroller through the serial port to realize the connection. This design with STC89C52 microcontroller as the central control unit, through ST188 as infrared photoelectric sensor to collect the pulse signal, after the lm358 for op amp; again through before and after filtering, magnifying, shaping, and get stable signal; functions to achieve the rapid detection of heart. You can also through the button to set the pulse value scope; buzzer driver module In the range beyond the scope of the alarm prompt, the measurement results in the liquid crystal display.Experimental results show that the test results of the design and practical requirements are basically the same, STC89C52 MCU strong anti-interference ability and LCD1602 display control the advantages of more convenient so that these features can be successfully completed. The production cost less than 100 yuan, with low price, easy manipulation, low power consumption, high reliability, very applicable to families and individuals.Key words: heart rate; infrared photoelectric sensor; STC89C52; LM358; software目錄第1章 引言11.1 選題背景及意義11.2 國內外發(fā)展現狀11.3 課題研究內容2第2章 整體方案設計32.1 核心器件的選型32.1.1 單片機的選型32.1.2傳感器的選型42.1.3 顯示模塊的選型52.2 系統(tǒng)方案設計5第3章 硬件系統(tǒng)設計63.1 單片機最小系統(tǒng)63.1.1 電源電路83.1.2 復位電路83.1.3 時鐘電路93.2 信號變送系統(tǒng)93.2.1 信號采集電路93.2.2 濾波電路113.2.3 信號放大電路123.3 顯示電路133.4 按鍵電路153.5 報警電路163.6 系統(tǒng)硬件電路17第4章 軟件系統(tǒng)設計184.1 軟件編譯環(huán)境184.2 STC-ISP程序下載194.3 程序流程圖194.2.1 主程序流程圖194.2.2 定時器中斷流程圖214.2.3 顯示模塊流程圖224.2.4 心率測量流程圖23第5章 系統(tǒng)調試255.1 硬件調試255.2 軟件調試255.3 設計結果26結 論31致 謝32參考文獻33附錄一：系統(tǒng)原理圖35附錄二：源程序36第1章 引言1.1 選題背景及意義心率(Heart Rate)用專業(yè)術語來說就是用來描述人體心率跳動的周期?，F代漢語中將脈搏值解釋為心臟跳動的頻率；故心率也可以說在一個單位時間內，心臟律動的快慢。每個人的心率信號中大都蘊含著豐富的生理心理信息，這是由于人體內臟器官的健康可以反映在脈搏信息中；這一發(fā)現逐漸引起了眾多臨床醫(yī)生的關注。在我國，脈診一直被視為中華醫(yī)術的精髓；到目前為止進行的臨床實踐大約已有2600多年。然而由于手指經常使用會存在一些汗腺，指脈診斷存在的誤差不容忽視；進而導致測量不準確。這時或許你會說還有耳脈測量呢，不是以前也經常用過嗎？雖說通過測量耳朵脈動來得到脈搏信號相對來說比較干凈，但由于耳朵脈搏信號微弱，特別是當季節(jié)變化時，測量信號容易受到環(huán)境溫度的影響，導致測量值不準確。隨著世界科技與經濟的迅速發(fā)展和進步，珍愛生命、關注健康已經成為全世界人類的共同追求。據衛(wèi)生局統(tǒng)計每年因心腦血管疾病猝死的人數位居人類死亡總數的第一位，不僅醫(yī)療費用居高不下，還給家庭、政府和社會造成巨大負擔。近些年來，由于生活節(jié)奏加快、飲食習慣不合理和眾多垃圾食品的影響等原因，心腦血管的發(fā)病率更是呈現逐年上升的趨勢。如何科學且無害的降低心腦血管疾病的發(fā)病率及死亡率，有效的減輕心腦血管疾病帶來的社會和家庭負擔，已經成為全世界人類所面臨的一個十分嚴峻問題。1.2 國內外發(fā)展現狀世界上第一臺杠桿式脈搏掃描儀是Vierordt于1854年創(chuàng)建的，它是采用杠桿和壓力鼓式描記法來記錄脈搏波形圖的，也是人類第一次通過非侵入性的方式記錄人體脈搏的，當時引起了很大轟動。然而國內的發(fā)展起點相對來說比較低，20世紀50年代初朱顏才將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。近些年來無創(chuàng)傷血管功能檢測漸漸吸引了醫(yī)學人士的目光。大約在1980年以來，無創(chuàng)傷血管功能檢測被小范圍使用，它的原理大致是基于血流動力流變學和彈性腔理論。其特征在于：它由溫度模塊、血壓袖帶模塊、血氧模塊構成的多生理信號采集模塊組合，通過對肱動脈進行阻斷再開放過程中手指指端溫度信號、血氧及脈搏波信號的各參數變化，再根據臨床試驗采集數據，并通過信號處理和統(tǒng)計分析方法，建立血管功能定量評價公式及血管功能評價。它具有無創(chuàng)、操作簡單、結果準確、重復性好及臨床應用方便，并自動生成心血管功能的診斷、健康狀況的分析及給出相關的醫(yī)學解釋。現在脈沖測試不再局限于傳統(tǒng)的手工測試或聽診器測試，僅利用電子儀器就可以測量得出更準確的數據。當今社會，大部分電子測量儀器中已朝向數字化、自動化方向發(fā)展。脈沖測量儀不僅性能好，結構簡單，而且具有很好的應用和推廣價值。在一般情況下，脈沖測量儀器的發(fā)展主要是以下趨勢，第一：在沒有人為的情況下可以自動分析所測得的脈搏值；傳統(tǒng)的脈搏儀器需要經過有經驗的醫(yī)生對其脈搏信號先進行初次分析，然后進行綜合分析后最終能確認結果，這種方法總的說來不僅浪費大量的人力，而且由人為引入的誤差也比較大。第二：數字化技術等先進技術的廣泛應用；脈搏測量儀集成度要想做到更高程度，并且更加便于攜帶必須依靠數字科學技術的迅速發(fā)展；與此同時數字信號處理的運用將使干擾變得更小，測量結果更為準確。第三：多功能化會越來越明顯。第四：價格便宜、方便攜帶，而且應用和推廣價值較好，給廣大民眾帶來便利。1.3 課題研究內容歷來在醫(yī)院進行臨床診斷及治療的依據大都來源于人體脈搏波中提取的生理病理信息。在中國，脈診是老中醫(yī)最常用的診斷疾病的方式，一直沿用至今。人體發(fā)射出來的脈搏信號包含了心率的波速、波形、周期和波幅等全方面、全方位綜合信息，在很大程度上能夠體現出人體身體中的各部分信息（例如血液粘度、血液速度等）。盡管這些生物信號存在于人體自身當中，其信號強度相對來說比較微弱；若是在嘈雜的環(huán)境中效果更不明顯。本次畢業(yè)設計的原理是采用單片機微處理器STC89C52作為中心處理器；通過傳感器采集脈搏信號，通過單片機芯片在內部的系統(tǒng)定時器來設定時間；最后得到的心率跳動數值通過STC89C52單片機對信號進行累加即可。一般正常人的心跳大約是每分鐘60100次左右，電路圖上的按鍵模塊就可以通過按鍵來設置人們的心率范圍；超出或低于所設置范圍可能心臟方面會存在風險，蜂鳴器驅動模塊就會驅動蜂鳴器報警；最終的測量結果會在液晶上顯示。本設計能夠通過查看紅外指示燈是否來回閃動，若穩(wěn)定持續(xù)閃爍，說明檢測結果正確且誤差較?。患僭O顯示結果來回晃動且數值相差較大，有可能存在誤差。通過上述步驟，能夠粗略地判斷人體自身的健康程度，特別適用于個人或家庭使用，有時還被應用在敬老院、保健醫(yī)療中心等。第2章 整體方案設計本章主要寫的是系統(tǒng)整體方案設計，其任務是設計一個以STC89C52單片機控制的脈搏測量儀，目的是為了快速的檢測人的心率。整體方案設計的步驟是：首先要選取合適的核心器件，比如單片機芯片、傳感器、顯示器等；然后確定本次設計的主要模塊，如單片機最小系統(tǒng)、顯示模塊、報警模塊等，將其整合就可以大致得到脈搏測量儀設計的總體框架圖。2.1 核心器件的選型在電路設計之前必須明確方案設計，在本論文中單片機型號、信號采集模塊以及顯示模塊是設計得以成功的關鍵。通過比較器件的優(yōu)缺點來選擇最合適的單元模塊，可以發(fā)揮設備的最大效能。2.1.1 單片機的選型要實現該系統(tǒng)的各個功能，那么單片機的選型非常關鍵。根據本次設計的需要，可從當前市場上比較常用的幾款單片機中選擇一種性價比較高的型號，如MCS-51系列、AT89系列、STC89系列、PIC系列、AVR系列等等。其中PIC系列和AVR系列主要用于大型的辦公自動化產品中，而本次脈搏測量儀控制系統(tǒng)屬于比較小型的系統(tǒng)，選用STC89C52單片機就足以實現其功能，故在本論文中就不再做詳細的介紹PIC系列與AVR系列了。那么下面將會對前三個系列中具有代表性的單片機進行簡單的介紹和比較。方案一： AT89C51與8051的比較AT89C51單片機最基本的功能就是8051系列單片機的功能，從而使8位MCS-51系列單片機可以持續(xù)地發(fā)展，引腳信號、總線、指令、與某些方面兼容。能夠保障兩者間沒有指令的障礙從而維持軟件的可移置性，則成為指令的兼容；為而了保證單片機系統(tǒng)擴展與接口的統(tǒng)一性就需要總線、封裝以及引腳信號的兼容，這對系統(tǒng)的開發(fā)與應用非常有利。630MW與120MW分別是8051與AT89C52單片機的功耗，從這就不難發(fā)現低功耗是AT89C52具有的性能，而低功耗對于單片機在野外儀器設備上的使用和在單片機的手提式與便攜式方面都有巨大的便利。方案二：STC89C52與AT89C52的比較STC89C52單片機和AT89C52單片機相比較區(qū)分并不特別明顯，具體特點如下：STC89C52單片機有8K字節(jié)程序存儲空間；512字節(jié)數據存儲空間；內帶2K字節(jié)EEPROM存儲空間；AT89S52單片機有8K字節(jié)程序存儲空間；256字節(jié)數據存儲空間；沒有內帶EEPROM存儲空間;另外STC89C52單片機直接用串口下載ISP就可以了，而AT89C52單片機要多裝一個驅動，即需要專用的下載器才可以下載ISP；STC89C52單片機比AT89C52單片機具有更強的抗干擾能力。經過以上比較與分析，本次設計選用STC89C52單片機更為適宜。2.1.2傳感器的選型方案一：基于聲電式傳感器的脈搏信號提取聲電式傳感器也可稱之為力學量傳感器，其原理是傳感器為了得到向單片機發(fā)送的電壓信號必須采集固體、液體、或氣體中傳播的機械振動。正常情況下它的構成一般是由不定性無煙煤顆?；驂弘娞沾傻炔牧稀Ｊ褂脡勖L、成本低和容易制作是顆粒式聲電傳感器最大的優(yōu)點；然而顆粒的機械磨損和接觸表面上的瞬間電弧會使顆粒逐漸老化卻是不容忽略的一大缺點；因而在檢測聲音信號時存在著一定的缺陷，從而導致雜音大、性能不穩(wěn)定以及測量結果不精確。方案二：基于紅外光電傳感器的脈搏信號提取對于紅外光電傳感器來說，紅外發(fā)射管和紅外接收管是必不可收的器件。若是采集脈搏時需要經手指肚平緩均勻地放在紅外對管上，其中一個白色的是紅外發(fā)射管，黑色的是紅外接收管，接收管將采集到的光信號轉換成電信號，然后觸發(fā)單片機使之將結果反映在顯示模塊。一般來說，光電二極管和光電三極管是比較常用的光電器件。光電式傳感器測量微小的位移變化有明顯的效果，但是紅外光電傳感器對材料、電路控制和光電管屬性要求較高，其主要特點有：吸收紅外光的能力極強；介電常數小，以便得到大的輸出電壓；介電損耗小。在以上兩種方法中，我認為若是想很好的采集脈搏信息的話第二種方案更易實現，并且紅外也比較常見；比較之下選擇了第二種方案來實現設計。綜上所述，本次設計決定選用ST188作為紅外光電傳感器來采集脈搏信息，然后進行運放，濾波處理，從而得到穩(wěn)定的脈搏波。紅外光電傳感器檢測、濾除高頻脈沖波、運放整形并運送到單片機工作系統(tǒng)的過程見下圖2-1所示：單片機控制傳感器檢測運放整形濾波模塊液晶顯示 圖 2-1信號檢測處理工作流程圖2.1.3 顯示模塊的選型本系統(tǒng)中的顯示模塊可以采用的方案有以下三種：方案一：LED數碼管選用LED數碼管的動態(tài)描述，由于LED數碼管的價格比較適中，最適合與數字顯示，并且占有單片機接口比較少，但是本文設計的顯示為字母與數字相結合，故LED數碼管不是很合適。方案二：點陣式數碼管選用點陣式數碼管，可是因為八行八列發(fā)光二極管是點陣式數碼管的構成形式，很適合顯示文字，要是顯示數字的話就會有點點大材小用，而且性價比不高，所以在此設計中選擇也不是很合適。方案三：LCD1602顯示屏使用LCD1602顯示屏，和其他顯示器相比較，LCD1602液晶顯示屏具有顯示數字、字符、字母的功能，并且顯示方式和控制比較簡單，而且相對于其他的價格低廉，故經過綜合考慮本論文采用LCD1602顯示屏最合適。2.2 系統(tǒng)方案設計本次設計采用常見的單片機STC89C52為控制核心，通過ST188紅外光電傳感器采集脈搏信號，從而實現脈搏測量儀的基本功能。系統(tǒng)設計主要有心率采集模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、晶振模塊、復位模塊、按鍵模塊、報警模塊；其硬件框圖如下圖2-2所示：單片機STC89C52按鍵模塊TC89C52報警模塊STC89C52復位模塊TC89C52波形整形C89C52脈搏采集TC89C52顯示模塊運放模塊圖 2-2 脈搏測量儀的工作原理第3章 硬件系統(tǒng)設計本設計用到了單片機最小系統(tǒng)，故在本章節(jié)中將首先介紹一下單片機最小系統(tǒng)電路，然后再主要對脈搏測量儀的幾個關鍵模塊電路進行簡單的介紹，即：信號采集電路、濾波電路、放大電路、顯示電路、按鍵電路、報警電路等。3.1 單片機最小系統(tǒng)STC89C52最小系統(tǒng)是指其能工作下的最簡單的電路。其中的電源電路、復位電路、時鐘電路是單片機系統(tǒng)可以工作的最基礎的電路，三者缺一不可。具體如圖3-1所示：圖3-1 單片機最小系統(tǒng)由圖3-1可知，在單片機STC89C52芯片內共有40個管腳，其中有32個管腳可作為I/O口用，它們分別為P0口的八個管腳、P1口的八個管腳、P2口的八個管腳和P3口的八個管腳，P3口的八個引腳可以用作串行口、外部中斷、定時器、讀寫控制等特殊用途，當不需要特殊的用途，P3端口可以作為一個I/O端口。單片機中40個引腳的具體功能如表3-1所示：3-1 單片機引腳功能對照表引腳引腳名稱對應功能與作用18P1.0P1.7準雙向的8位普通I/O口，內帶上拉電阻存在。9RST復位輸入引腳，在振蕩器復位是需保持兩個機器周期以上的高電平。10-17P3.0P3.7功能有兩個，第一是作為準雙向的8位普通I/O口，只不過內帶上拉電阻；第二種功能下面有介紹。18XTAL2與晶振相連，是內部時鐘電路的輸入，同時也是反向振蕩器的輸入口。19XTAL1反向振蕩器的輸出20GND單片機電接地引腳2128P2.0P2.7準雙向的8位普通I/O口，有上拉電阻存在。29PSEN本設計中沒有用到，只是外部程序存儲器的一個選通信號口。30ALE本設計沒有使用到不做解釋31EA/VPP我們設計中直接該引腳接至VCC讓其處于一直高電平的狀態(tài)，先執(zhí)行片內4kB ROM，再執(zhí)行片外ROM。3239P0.7P0.0P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，在本設計中與液晶相連的話需要接一個10k的上拉電阻。40VCC單片機電源+5V引腳其中單片機的P3口第一功能是準雙向普通I/O口，內部有上拉電阻存在。各引腳的第二功能作，各引腳的定義如表3-2所示：引腳引腳名稱對應的功能作用10RXD該引腳的特殊功能為串行輸入口。11TXD該引腳的特殊功能為串行輸出口。12INT0該引腳作為單片機外部中斷0觸發(fā)引腳，觸發(fā)方式可以進行配置相對應的寄存器來實現。13INT1該引腳作為單片機外部中斷1觸發(fā)引腳，觸發(fā)方式可以進行配置相對應的寄存器來實現。14T0該引腳可作為單片機外部計數器0觸發(fā)引腳。15T1該引腳可作為單片機外部計數器1觸發(fā)引腳。16WR該引腳可作為單片機外部數據寫選通口。17RD該引腳可作為單片機外部數據讀選通口。3-2 單片機P3口第二引腳功能對照表3.1.1 電源電路任何一個電子產品要想正常工作，必須提供電源。只有電源存在，器件才能得以運行，整個系統(tǒng)才能正常運行。在本次設計中，由于52單片機的工作電壓在3.3V5.5V之間都可以正常工作；所以供電方式可以選擇電池盒或USB電源線。若是選擇電池盒的話可以用3節(jié)5號電池即可解決，不過電池若是放的時間較久電壓會不穩(wěn)定，導致信號測量有誤差。相比之下，選擇USB電源線的話效果更好；可以采取USB電源線連接手機充電器插頭或者5V的移動電源直接給給系統(tǒng)進行供電，誤差會大大減少。電源電路圖如3-2所示：當DC電源接口插上電源線時，打開自鎖開關即可對單片機進行供電。 圖3-4 電源電路3.1.2 復位電路單片機的初始化操作就是復位，只要單片機開始運行，就都應該復位。復位電路包括了上電復位和手動復位兩個部分。圖3-3中所示的復位電路就包括了這兩種復位方式。圖中復位按鍵的3號引腳接電源，2號引腳與單片機的9號引腳RST相連。圖中所示的復位電阻為10k，復位電容一般選擇10uf,這些阻值和容值的選擇在教科書中堪為經典。當電路開關時，電容C1可以保持其兩端電壓不發(fā)生突變，引腳9的電流由電源電流提供，因此引腳9上就會產生高電平，從而使得單片機變?yōu)閺臀粻顟B(tài)，伴隨著電容C1的不斷充電，其兩端的電壓不短上高，從而引腳9的電壓就開始降低，使得單片機最終退出復位狀態(tài)。單片機在正常運行下可以按復位鍵進行復位。復位電路如3-3所示：圖3-3 復位電路3.1.3 時鐘電路 由于系統(tǒng)需要計算精確時間，所以時鐘電路模塊使用了一個12MHz的晶振。單片機工作所需要的時鐘信號就是由時鐘電路發(fā)出的，電路在時鐘信號控制下嚴格依照時序工作的目的是為了保證同步工作方式的完成。 XTAL2是單片機的18 引腳，其功能不僅是內部時鐘電路的輸入，與此同時還是反向振蕩器的輸入口；XTAL1是單片的19引腳，其功能是反向振蕩器的輸出；一般與晶振相連的的電容選取30pF的陶瓷電容。具體的時鐘電路如圖3-4所示：圖3-4 時鐘電路3.2 信號變送系統(tǒng)本次設計的檢測原理是: 首先將手指肚放在ST188傳感器上來采集信號，采集好的信號中由于按下的力度、外部環(huán)境的影響的等原因會導致干擾，必須要濾除相對來說的高頻信號以及干擾信號；由于脈搏信號相對來說比較微弱，緊接著進行運放處理；處理過的信號經過導線與單片機的P3.2口相連使之傳送到單片機內部；當經過單片機處理后顯示在液晶屏上。3.2.1 信號采集電路在信號采集電路中，傳感器的選取至關重要。在第二章的時候已經選過傳感器的型號，ST188無疑是最好的選擇。它由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，紅外接收管的特性是將光信號轉換為電信號。在ST188紅外光電傳感器中A、K是紅外發(fā)射管；C、E是紅外接收管。在圖3-6信號采集電路中，ST188的A極與電源相連，而K極與地相連；因此要想讓紅外發(fā)射管就能發(fā)出紅外線，A極就要接高電平、K極要接低電平。下面大家可以來看一下ST188實物圖，如圖3-5所示：圖3-5 ST188實物圖脈搏采集電路圖如圖3-6所示：在選擇R4的阻值時要求比較高，其原因是：若是紅外發(fā)射二極管中的電流越大，那么發(fā)射角度就會越小，產生的發(fā)射強度就越大，因此考慮R4阻值時要格外慎重。圖中R4選擇220同時也是基于紅外接收管感應紅外光靈敏度考慮的。R4阻值要是過大的話，流經紅外發(fā)射二極管的電流就會偏小，那么紅外接收管就無法區(qū)別是否有脈搏信號產生。反之，R4阻值若是過小，流經紅外發(fā)射二極管的電流就會偏大，紅外接收管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。在實際電路中R4的阻值選擇時可以小范圍的來回調試下，從而可以得到更加精確的阻值。如圖所示，在R4旁邊連接了一個電位器，就是用來調節(jié)紅外光電傳感器靈敏度的。R5阻值是22K，起一個上拉的作用；當紅外接收管導通時就接地，不導通時就與電源相連；具體電路如圖3-6所示：圖3-6 脈搏信號的采集電路在脈搏采集時可能會遇到兩種情況：第一種是是無脈期，第二種是有脈期。當出現第一種情況時，由于紅外接收管中存在暗電流，會造成輸出電壓略低；其主要原因是手指雖然遮擋了紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光，但是透光性卻比較強導致無結果出現。當出現第二種情況時，血脈使手指透光性變差，紅外接收管中的暗電流減小，輸出電壓上升。3.2.2 濾波電路從傳感器中出來的脈搏信號中相對來說含有高頻信號，而希望得到的波形是交流低頻信號因此需要先進行濾波；濾波電路如圖3-7所示。C4選擇10uf的電容進行隔直流，并且濾出相對脈搏信號來說的高頻波或環(huán)境光線的干擾；R11起到了下拉作用，與LM358的同相輸入端3腳相連，當有信號輸入時接通，沒信號輸入時接地；R7、R5、R11組成普通的濾波器濾除高頻信號，加到線性放大輸入端；R8和C6組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，運放LM358將信號放大，放大倍數由R12和R13決定；即LM358的同向輸入端使其信號放大得到顯示出來；具體電路如圖3-7所示：圖3-7 濾波電路3.2.3 信號放大電路由于脈搏信號本身就比較微弱，所以是通過比較靈敏的紅外光電傳感器來采集脈搏信號。因此首先要將濾波處理的波形進行適當的運放；故本次課題的設計最終決定采用的是LM358四運放放大器。 LM358是四運放放大器，由兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器組成。LM358四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。 圖3-8是LM358的引腳及功能介紹，由圖可知，LM358有8個引腳，其中1號引腳是第一個運放器的輸出端；2、3號引腳分別是第一個運放器的反向和同相輸入端；4號引腳接地；7號引腳是第二個運放器的輸出端；6、5號引腳同理分別為為第二個運放器的反向和同相輸入端；8號引腳接電源。LM358的引腳排列及功能詳見圖3-8所示：圖3-8 LM358的引腳排列及功能本次設計的信號放大電路圖如圖3-9所示，濾波過的信號經過3引腳接入LM358的同向輸入端，2引腳的反向輸入端接在R12和R13的電阻分壓處；R13下面是接地的，R12上面與LM358的反饋輸出引腳1相連；同時反饋輸出又與LM358的第二組運放的反向輸入端6引腳相連；也就是說把輸出的數據放在了第二組運放里。在第二組運放的同向輸入端5引腳接入了30k與4.7k的分壓；與之相連的56k電阻同樣把信號反饋到了同向輸入端5引腳，也就是說所有的反饋最后都回到了運放電路中。LM358的8號引腳與電源相連；7號輸出引腳與單片機的P3.2口相連，同時連接了一個1k的電阻與LED指示燈；當有心率時指示燈就會被點亮，沒心率時就會熄滅。在如圖3-9所示，與R6、R10、R9相連的LM358一側共同組成了電壓比較器，使信號進行近一步的整形然后送到單片機內部。圖3-9 信號放大電路3.3 顯示電路在第二章中我們經過對比，選擇了液晶顯示模塊。相比較其他顯示模塊來說，液晶的優(yōu)點有畫面質量高、體積小、重量輕、耗電量相對來說比較低。在本次設計中選取了LCD 1602作為顯示模塊。液晶是一種介于固體和液體之間的有機化合物；通常狀態(tài)下是液態(tài)，然而它的分子排列卻和固體晶體一樣非常規(guī)則。通過利用液晶的物理特性給其通電，在電場的作用下，分子的排列順序會被改變，如果再改變電壓的大小，某一顏色透光量的多少也就會同時改變，從而可以改變透光度，最后顯示在液晶屏上。液晶顯示屏的實物圖如圖3-10、3-11所示：圖3-10 液晶顯示器正面圖圖3-11 液晶顯示器背面圖引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD一般接電源(+5V)3V0液晶的灰度調節(jié)引腳，接在1k和10k的阻值分壓處。4RSRS為寄存器選擇，作為數據寄存器時接高電平、作為選擇指令寄存器時接低電平。5R/W讀寫信號線，進行讀操作時接高電平，進行寫操作接低電平。6EE(或EN)端為使能(enable)端，寫操作時，下降沿使能。讀操作時，E高電平有效7DB0低4位三態(tài)、 雙向數據總線 0位(最低位)8DB1低4位三態(tài)、 雙向數據總線 1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數據總線 2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數據總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數據總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數據總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數據總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數據總線 7位(最高位)(也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負極LCD1602是可以顯示兩行內容，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。其芯片的工作電壓是4.5V-5.5V之間,模塊最佳的工作電壓是5V；工作電流是2.0mA。本設計中液晶顯示器的引腳有16條，各個引腳的功能具體如表3-3所示：表3-3 LCD引腳功能介紹脈搏信號經過上述采集、濾波、放大，通過與單片機的P3.2建立聯(lián)系，進行處理以后送到顯示模塊；最后結果由液晶顯示屏顯示出來；本設計是用液晶顯示器1602作為顯示電路。單片機的P0口分別與液晶的數據口7-14腳相連，不過單片機的P0口是開漏極輸出，不能輸出高電平，故需要接一個10k的上拉排阻，分別與單片機的P0.0P0.7相連由P0口控制來顯示數據。液晶的1、2引腳是電源引腳，液晶的15、16是背光引腳；液晶的引腳3是灰度調節(jié)，在本次設計中液晶的3號引腳接在了1k與10k的電阻分壓處；通過阻值分壓來調節(jié)顯示屏的對比度。電壓越低液晶顯示的越清晰，但是如果太低濃度大反而看不太清，要是電壓高的話字跡較淡也易看不見，故而R2、R1就是來調節(jié)電壓比值的，一般說來R14的阻值在220歐姆到1k左右都可；不過要是R2和R14接反的話液晶就可能顯示不出來數據了。4、5、6接的是單片機的P25、P26、P27，是控制引腳；顯示電路見圖3-13所示：圖3-13 顯示電路3.4 按鍵電路按鍵電路如圖3-14所示，在3.1.2和3.1.3中分別介紹過了復位電路和晶振電路，在這里就不一一介紹了。由圖可知按鍵模塊的三個按鍵的2號引腳均與地相連，而三個按鍵的3號引腳分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2相連。為了便于區(qū)分，分別為這三個按鍵編下序號分別為1、2、3。其中與單片機P1.0相連的1號按鍵是設置脈搏值的大小范圍的，當按第一下的時候，顯示屏上第一行會出現Heart Rate： ；第二行會顯示Warning L： ；而與單片機相連的P1.1是2號數值加鍵，當按下時，數值就會逐漸加1；與單片機P1.2相連的是3號數值減鍵；當按下時，數值就會逐漸減1；當最小值設置好之后再按下第一個鍵第一行會出現Heart Rate： ；第二行會顯示Warning H： ；然后再重新設置脈搏值的最大值，具體步驟同最小值設置一樣，當設置好之后再按下第一個按鍵即為確定最大值最小值。當下次重新充電時，就可以看到脈搏的上下限已經設置好了，若是再想改變上下限，可按著上述步驟重新設置。具體電路圖如3-14所示：圖3-14 按鍵電路3.5 報警電路如圖3-15所示，與蜂鳴器相連的是9012三極管的發(fā)射極，用來驅動蜂鳴器，提高芯片組的性能。與三極管集電極相連的是一個雙擲開關，當想讓蜂鳴器報警時打開，不想報警時可以關閉。為了防止單片機燒毀，故不能與蜂鳴器直接相連，應加一個限流電阻；一般來說串聯(lián)一個2202.2k的電阻均可；經試驗證明串聯(lián)2.2k的電阻效果最好。通過限流電阻R15報警電路和單片機的P2.4口相連，當通上電，打開雙擲開關，若是脈搏值超出所設置的上下限時，蜂鳴器就會報警。只不過數值在程序中已經設置好了，最小值是40，最大值是100，因為人的正常心跳也就是在這個范圍內，如若超出需引起重視，具體電路圖如3-15所示：圖3-15 報警電路3.6 系統(tǒng)硬件電路上面已經介紹了硬件系統(tǒng)模塊的各個組成部分，擁有了各個功能模塊以后，組合到一起，就構成了整個脈搏測量儀的電路圖。電路的原理圖見圖3-16，在電路圖中可以看出，硬件系統(tǒng)由單片機、電源電路、復位電路、晶振電路、信號采集電路、濾波電路、放大電路、顯示電路、按鍵電路、報警電路組成?？梢哉f是由各個部件的相互配合，才能相對準確地檢測出脈搏值的大小。具體硬件電路圖如3-16所示：圖3-16 系統(tǒng)硬件電路第4章 軟件系統(tǒng)設計4.1 軟件編譯環(huán)境在編寫程序時需要用到Keil軟件，軟件編譯環(huán)境為keilVision4，keiluVision4集成開發(fā)環(huán)境、仿真器、調試器等，提供一個單純統(tǒng)一環(huán)境，可以快速的編輯，仿真和調試程序，通過uVision4的工具名，就可以實現絕大多數調試和編輯的功能。進入Keil軟件后，緊接著就會出現編輯界面，打開軟件后要先建立一個項目文件，之后選擇單片機型號；在本次設計中我們選擇Atmel公司AT89C52，這樣項目文件就算建好了。新建一個空白文檔，在這里輸入要編寫的程序；編寫好并檢查無誤后就可以保存剛才編寫的程序文件了，最后還要對程序進行編譯生成HEX文件；編譯好的界面如圖4-1所示：圖4-1 Keil中的程序編譯4.2 STC-ISP程序下載經過Keil編譯后生成的hex文件需要下載到單片機，在這里將用到STC-ISP程序燒錄軟件，同時通過USB接口轉換的下載器與單片機相連接，最終完成程序的下載。如圖4-2所示：圖4-2 STC-ISP下載界面4.3 程序流程圖4.2.1 主程序流程圖系統(tǒng)主程序是單片機系統(tǒng)程序的總框架，控制單片機按照已經設置好的流程進行操作。系統(tǒng)上電后,可以對系統(tǒng)進行初始化設置；通過對單片機內專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)進行設定就是完成了初始化設置。系統(tǒng)初始化之后, 進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序；流程如圖4-3所示：圖4-3 主程序流程圖4.2.2 定時器中斷流程圖計時、按鍵檢測、有無檢測信號判斷等構成了定時器中斷服務程序。首先判斷是否有中斷產生，若有中斷產生的話，判斷此時定時器初始值是否到10ms，計時到之后繼續(xù)檢測下一個10ms，直到40ms到了才判斷是脈搏信號，再停止并計算保存測得的脈搏次數。在判斷中斷產生的同時還需檢測是否有按鍵按下，沒有的話按下復位鍵進行清零，有的話往下執(zhí)行。其目的是實現一分鐘的定時功能和存儲測得的脈搏次數。流程如圖4-4所示：圖4-4 定時器中斷流程圖4.2.3 顯示模塊流程圖顯示模塊的流程圖設置可謂是重中之重。液晶顯示時，需要先對LCD初始化設置，然后清除數據存儲器中的數據，對LCD設置初始值并將其待顯示數據送入緩沖區(qū)；此時數據就會顯示在指定的區(qū)域內，緊接著顯示指針會指向下一行，最后判斷是否結束，若是直接結束；若不是則返回到待顯示數據送入緩沖區(qū)這一步，繼續(xù)循環(huán)下去；具體流程圖如圖4-5所示：圖4-5 顯示模塊流程圖4.2.4 心率測量流程圖測量心率時，首先將定時器初始化，初始值設為10ms,程序如下:void Time1() interrupt 3/定時器1服務函數static uchar Key_Con,Xintiao_Con;TH1=0xd8; /10msTL1=0xf0; /重新賦初值switch(Key_Con) /無按鍵按下時此值為0case 0: /每10ms掃描此處if(P1&0x07)!=0x07)/掃描按鍵是否有按下Key_Con+; /有按下此值加1，值為1break; 當有定時中斷產生時，首先判斷是否有信號輸入，若沒有信號輸入時則返回到上一步中斷產生重新檢測；若有信號輸入時，那么Xintiao_con的值加一，然后判斷Xintiao_con的值是否大于等于4，若Xintiao_con的值小于4仍舊返回到中斷產生那一步；若Xintiao_con的值大于等于4即信號輸入保持了40ms，則說明是心率信號；判斷完是心率信號時，接下來判斷是不是第一個心跳，是的話繼續(xù)檢測第二次心跳，此時仍舊返回到有中斷產生那一步；若不是第一個心跳就可以計算兩次心跳的時間差，從而計算出一分鐘的心率心率測量流程圖具體如圖4-6所示：圖4-6 心率測量流程圖第5章 系統(tǒng)調試寫到這里，本次畢業(yè)設計硬件和軟件部分的設計工作基本已經完成了，而為了讓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行與工作，那么就需要進行后續(xù)的一些檢測與調試工作，根據系統(tǒng)設計方案，本系統(tǒng)的調試可分為兩大部分：硬件調試和軟件調試。5.1 硬件調試在理論基礎上設計電路圖，根據電路圖來制作硬件電路。系統(tǒng)硬件電路的調試主要是檢測電路是否出現漏焊、斷路、虛焊、短路以及開機后能否正常工作等情況。當板子焊好后首先要根據電路圖仔細檢查一下，看看有沒有漏焊的情況，如果發(fā)現及時焊接，不要說我先記下，一會再焊接；此時所要做的就是當發(fā)現一個問題就解決一個，以防后續(xù)工作時遺漏掉；同時要看需要連接的線路有沒有都連上，特別要注意電源線和地線的連接。對于斷路、虛焊、短路這些情況可以用數字萬用表來檢測，檢查的時候需要細心、耐心，不可急躁。在需要檢測的元件或導線的兩端用兩根表筆檢測，如果導通蜂鳴器會鳴叫，如果斷開蜂鳴器不叫。這樣根據我們所需要檢測的情況，在結合檢測的現象就可以測出線路是否有問題。程序下載成功后，給板子通電之后發(fā)現LCD1602液晶顯示器不顯示任何讀數，對著電路圖仔細檢查電路發(fā)現某些元器件的位置焊接錯誤；經過修改之后液晶顯示器可以顯示當前的讀數。5.2 軟件調試在軟件設計前，先把大致的程序流程理清，然后再分模塊調試，將各模塊部分的程序先調試可行后再整合到一起，編寫主程序。系統(tǒng)的軟件程序通過KEIL軟件進行編寫，將編寫好的程序生成.HEX文件后通過單片機實驗板下載口下載到單片機中。通過觀察整個系統(tǒng)運行的狀態(tài)，然后進行反復的修改調試程序，最終得到一個完善的程序。在本次設計中遇到的最大問題就是脈搏值有時會來回跳動，不能穩(wěn)定的顯示心率值。剛開始我一直以為是硬件設計的問題，卻始終找不到問題所在。針對這個問題，我特意用了UTD2102CM(優(yōu)德利數字存儲示波器）來檢測了一下脈搏波是否正常，如圖5-1所示：圖5-1 脈搏波圖像此時每個小方塊的寬度設置的是500ms，由圖可知一個周期內的脈搏寬度為1.5*500ms=750ms,由于1Min=60s=60000ms,故可得此時脈搏值為60000/750=80；也就是說人的心率值為80次/Min。由圖5-1所示，矩形脈沖波大致是呈周期性并且穩(wěn)定變化的，由此可知可知本設計的硬件設備是完全沒問題的，故問題應該是出現在軟件調試上。通過向老師咨詢才知道原來是液晶顯示程序上出了問題，設置的延緩時間太低，導致測量時結果不準確，經調過之后發(fā)現可以正常工作；鑒于數值不穩(wěn)定一直在跳動的問題，老師提議讓在程序中可以加一個平均計算的程序，讓幾次連續(xù)跳動的脈搏值平均一下，也可相對減小誤差的出現；不過本次設計原理是檢測兩次脈沖間隔時間來計算心率的，由于相差時間比較短，誤差容易被放大，故數值不穩(wěn)定也算正?，F象。5.3 設計結果經過這么長時間的堅持與努力，最終實現了該論文應該達到的目的。作品完成的實物圖如5-2所示：圖5-2 制作的實物圖當給系統(tǒng)通上電時顯示狀態(tài)如圖5-3所示：圖5-3 系統(tǒng)通電狀態(tài)本次設計制作出來的脈搏測量儀也基本上能實現一些功能，下面我來介紹一下實現的結果以及存在的一些問題。首先把手指肚平緩的（假若手指按壓太緊或者按壓不到位的話均會影響測量結果，因為傳感器比較靈敏數值會上下浮動較大）放在ST188傳感器上，耐心地等待一下，待指示燈均勻閃爍，比如一秒一秒持續(xù)均勻閃爍時，記下此時的脈搏數值就是你當時的心跳值；（因為我個人的脈搏跳動比較快，所以數值較高，每個人血管、手指薄厚不一樣，又因為存在誤差的原因，顯