基于89S51單片機(jī)簡單絕對能夠?qū)崿F(xiàn)的脈搏次數(shù)檢測器

1、醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計報告書脈搏檢測器設(shè)計與制作摘要： 脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。本系統(tǒng)采用at89s52單片機(jī)為核心而制作的一種實用型脈搏測量儀。采用紅外發(fā)射和接收二極管作為傳感器對人體的脈搏心率警醒數(shù)據(jù)采集。得到的信號經(jīng)過整形和放大后送入at89s52單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏心率在lcd液晶顯示器上實時顯示出來，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報警電路。本文首先描述本設(shè)計的整體思路，然后介紹各個部分設(shè)計中的細(xì)節(jié)問題，最后提出一些完善本設(shè)計的改進(jìn)意見。關(guān)鍵字：脈搏計 單片機(jī) at89s52 人體脈搏信號 實時

2、顯示目錄1.系統(tǒng)方案選擇與論證31.1任務(wù)31.2要求31.3系統(tǒng)基本方案31.3.1各部分電路的方案選擇及論證41.3.2系統(tǒng)各模塊的最終方案52.系統(tǒng)硬件設(shè)計62.1信號采集整形部分設(shè)計62.2 矩陣鍵盤的設(shè)計72.3液晶顯電路83系統(tǒng)軟件設(shè)計83.1系統(tǒng)主程序的設(shè)計83.2脈搏波動頻率測量子程序的設(shè)計93.3鍵盤掃描子程序124.調(diào)試與分析135.收獲與體會13附錄1（硬件電路原理圖）：14附錄2（主要程序）：141.系統(tǒng)方案選擇與論證1.1任務(wù)設(shè)計并制作一個脈搏檢測器1.2要求（1）、通過脈搏傳感器采樣脈搏信號，設(shè)計脈搏波檢測電路，通過示波器顯示出來（2）、將整形后的脈沖波送入單片機(jī)，

3、采用單片機(jī)構(gòu)成脈搏檢測儀，要求實時顯示脈率變化，脈率超限時用蜂鳴器報警，報警范圍可以通過鍵盤設(shè)定。1.3系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目的要求系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、信號放大整形電路部分、單片機(jī)處理電路部分及顯示電路部分。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計方案病進(jìn)行了論證1.3.1各部分電路的方案選擇及論證（1）脈搏傳感器部分傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動脈搏動壓力這樣一些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換成為便于測量的電量。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(shè)計具有決定性的作用

4、。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(dāng)血管受壓血液不流動時，傳感器也無輸出信號；只有當(dāng)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(dá)到了測量脈搏的作用。這種傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，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(qiáng)的特點，但由于動脈血管產(chǎn)

5、生的力很小，故量程小，抗沖擊力不強(qiáng)。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(jìn)行檢測，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、波形測量精度較高。本設(shè)計中，采用第一種脈搏傳感器，即廣電脈搏波傳感器。（2）信號放大整形電路部分脈搏傳感器出來的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要對其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進(jìn)行放大，使之成為一個幅值適當(dāng)?shù)男盘枺阌诤罄m(xù)電路的處理。由于本設(shè)計對于脈搏波的整形要求比較低，只需要將每個脈搏波整形成為一個標(biāo)準(zhǔn)的方波，送入單片機(jī)中進(jìn)行計數(shù)，即可。所以這部分電路采用了比較簡單的方法，只需用6個反向器對從傳感器得到的信號進(jìn)行放大和整形就可以的了。（3）單

6、片機(jī)選擇本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。1、avr單片機(jī)avr單片機(jī)是atmel公司生產(chǎn)的單片機(jī)。高速度(50ns)、低功耗,硬件應(yīng)用harward結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而msc-51要12個時鐘周期執(zhí)行一條指令。avr單片機(jī)如lpc2131等。2、凌陽單片機(jī)凌陽是臺灣凌陽公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價、可靠、實用、體積小、功耗低和簡單易學(xué)等特點，如spce061等。3、51單片機(jī)51單片機(jī)是intel公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于

7、開發(fā)的特點。通用型，有總線擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。本設(shè)計中，單片機(jī)只需要對脈搏信號的波動頻率進(jìn)行測量、計算和顯示，對單片機(jī)的要求不是很高。而對51單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計中選擇51單片機(jī)作為信息處理中心。在51系列單片機(jī)中，at89系列單片機(jī)是美國atmel公司推出的一種新型高性能低價位、低電壓低功耗的8位cmos微型計算機(jī)。at89s52就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計的設(shè)計要求，而且，at89s52的價格較低。（4）鍵盤與顯示部分根據(jù)題目要求，設(shè)計出來的系統(tǒng)是可以設(shè)定報警的范圍的。對鍵盤和顯示部分采

8、用以下方案：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤。液晶顯示屏（lcd）具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng),并可靈活的現(xiàn)實多種狀態(tài)。根據(jù)以上論述，51單片機(jī)資源豐富，根據(jù)需要，我們選用方案一。1.3.2系統(tǒng)各模塊的最終方案根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案： 1. 采用at89s52單片機(jī)作為控制器，分別對輸入、顯示、信號的處理控制。2. 傳感器部分采用光電脈搏傳感器，該器件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 3. 信號的處理采用六個反向器對其進(jìn)行放大和整形4. 顯示用lcd液晶顯示實時脈搏數(shù)和報警上下限數(shù)值。脈搏傳感器信號放

9、大電路鍵盤輸入單片機(jī)處理電路顯示電路報警電路系統(tǒng)的基本框圖如下圖所示。2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1信號采集整形部分設(shè)計本部分由傳感器部分和整形電路部分組成。傳感器由紅外線發(fā)射二極管和接收而以機(jī)關(guān)組成，測量原理如下：由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液的飽和度的變化將引起光的傳遞強(qiáng)度變化，此變化和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，因此紅外接收二極管的電流也跟著心跳的節(jié)拍改變，使得紅外接收二極管輸出與心跳節(jié)拍相對應(yīng)的脈沖信號。該脈沖信號經(jīng)過u7u5，r3r5，c1、c2等組成的低通放大器放大，u4、r6、r7、c3組成的放大器進(jìn)一步放大后，送給由u3、u2、rv1、r8等組成的施密特觸發(fā)器整形后輸出，作為單片機(jī)的外部

10、中斷信號。電路中的可變電阻rv1用來調(diào)整施密特觸發(fā)器的靈敏度，rv1越小，該觸發(fā)器就會越靈敏。2.2 矩陣鍵盤的設(shè)計由于控制鍵位較多，方便程序設(shè)計，硬件安全可靠，我們設(shè)計44矩陣鍵盤，與單片機(jī)p1口相連，電路如圖2.2所示。圖2.2 矩陣鍵盤電路2.3液晶顯電路我們用單片機(jī)p0口作為1602的數(shù)據(jù)傳輸口，p2.0為數(shù)據(jù)命令選擇端、p2.1讀寫、p2.2使能端。硬件電路如圖2.3所示。圖2.3 液晶硬件電路圖3系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1系統(tǒng)主程序的設(shè)計系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行，是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)主程序流程圖如圖：開始系統(tǒng)初始化np3.2是否為上升沿？y脈搏波動頻率測量子程序

11、lcd顯示圖系統(tǒng)主程序流程圖上電后，首先進(jìn)行整機(jī)初始化處理。主程序的初始化模塊主要完成儀器硬件、軟件的初態(tài)設(shè)置，單片機(jī)內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。整機(jī)初始化結(jié)束后，檢測p3.2口的狀態(tài)，如果檢測到上升沿，則進(jìn)入脈搏波動頻率測量子程序，測得脈搏波動頻率之后，送到lcd顯示單元進(jìn)行顯示。3.2脈搏波動頻率測量子程序的設(shè)計本設(shè)計中對脈搏頻率的測量采用周期測量法?？蓪纹瑱C(jī)內(nèi)定時/計數(shù)器t0定為16位定時器，對內(nèi)部機(jī)器周期計數(shù)，即方式控制字為#01h。定時器的開關(guān)由程序根據(jù)p3.2口上的狀態(tài)進(jìn)行控制，檢測到上升沿時開t0計數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個上升沿被檢測到時關(guān)t0計數(shù)。

12、t0中的計數(shù)值為nx，則被測脈搏信號周期tx=nxts（對于12mhz晶振，ts=1s），每分鐘跳動次數(shù)fx=60/tx?？紤]到脈搏的頻率很低，大約為1hz左右，而16 位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535，這樣定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出，且最后脈搏波動頻率的計算涉及到雙字節(jié)除法，編程較復(fù)雜。為此，采用定時器中斷方式，即在一個脈搏周期內(nèi)，隔一段時間t1，t1即為中斷周期，且t165535，就將th0，tl0清零。設(shè) n為每分鐘脈搏跳動次數(shù)，t為脈搏跳動周期，則n=60/t本設(shè)計中，設(shè)定顯示的每分鐘脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，則dn=60t2dt若t=2，dn=604dt=15dt則定時器周期t不

13、超過1/15秒。若t=1，dn=60dt則定時器周期t不超過1/60秒。取t=1，即定時器周期t不超過1/60秒。設(shè)中斷周期為t1，中斷次數(shù)為n，則：n=60t1n為方便計算，?。?t1=2m。由于定時器周期t不超過1/60秒，即t160，故取m=7。即中斷周期為127=1128s=7812us，此時，th0=1eh，tl0=84h。每分鐘脈搏跳動次數(shù)n=6027n，為方便計算，取n=3028n。脈搏波動頻率測量子程序流程圖如下圖所示。0r3ecth0,78tl0tr0置1，開始計數(shù)n是否th0=0，tl0=0？ytr0置1，開始計數(shù) n加1np3.2是否為上跳沿？ytr0置0，定時器停止工作

14、計算1分鐘內(nèi)的脈搏數(shù)結(jié)束脈搏頻率測量中斷服務(wù)程序流程圖3.3鍵盤掃描子程序設(shè)置上下限脈搏次數(shù)開始鍵盤掃描功能鍵是否按下？是主函數(shù)否鍵盤子程序流程圖4.調(diào)試與分析經(jīng)過一番的努力和奮斗后，終于在限定的時間中把程序和硬件部分都完全做出來了。但是做出來了并不代表能夠使用，每一個作品都需要上千次的調(diào)試。第一次調(diào)試的時候，接通電源，lcd液晶顯示屏燈亮了，但是并沒有字體顯示。原因：液晶顯示屏的對比度調(diào)得太高了，以至于全部的字體都無法顯示，經(jīng)過調(diào)整滑動變阻器的阻值大小，終于能夠清晰的顯示出來了。第二次調(diào)試，程序的顯示不正常，經(jīng)常發(fā)生程序跑飛的情況。原因：單片機(jī)主機(jī)部分電路復(fù)位電容沒有接好，以至于出現(xiàn)這樣的問

15、題。經(jīng)過后來重新把電容焊好后，就沒有再出現(xiàn)這樣的情況了。5.收獲與體會本次實驗由我和隊員共同完成，在這個過程中使我受益匪淺。在確定各模塊電路的過程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗我們用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識來判斷電路正確與否的機(jī)會。通過此次課程設(shè)計的鍛煉，自己的動手能力有了很大的提高，查找問題、解決問題的能力也有了相應(yīng)的進(jìn)步。當(dāng)然，這次試驗也讓我看到了我們的很多缺陷。首先就是在畫原理圖的時候沒有看清反向器的管腳，以致差點出現(xiàn)做出了一塊無用的電路板的情況。還有就是在確定方案之前，沒有在實驗板上認(rèn)真搭建電路，事前摸清放大模塊的工作情況?？偟膩碚f，本次設(shè)

16、計有苦也有甜。 設(shè)計思路是最重要的，只要你的設(shè)計思路是成功的，那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半，因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準(zhǔn)備。同時在實踐的過程中，一定不能半途而廢，或者是中途改設(shè)計思路。因為這樣不僅會浪費大量的時間與精力，還會讓你自己沒有了一往直前的勇氣。因此，在做這些設(shè)計的時候一定需要耐心和勇氣去克服在中途遇到的困難和阻力。同時熟練地掌握課本上的知識，這對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決也是相當(dāng)重要的。 這次設(shè)計留給我們印象最深的是要設(shè)計一個成功的電路，必須要有耐心，更要有堅持的毅力。附錄1（硬件電路原理圖）：附錄2（主要程序）：主程序：unsigned char key_value; /存放鍵盤

17、返回unsigned char key_flag=0;/定義有鍵按下的標(biāo)志unsigned char i,j,t,m,dispbuf10=m,a,i,b,o,:,0,0,0,0;unsigned int n,mb,w,f;void display_times();#include reg52.h#include lcd.c#include hardware.c#include user1.h#include key.csbit p3_0=p30;void main() ea=0;sys_init();lcd_initial();delay_20ms(10);lcd_write(0,0x01);

18、 /清屏lcd_print(5,0,welcome!);delay_20ms(10);lcd_print(0,0,maiboceliang);lcd_print(0,1,e control!);delay_20ms(10);lcd_write(0,0x01); /清屏lcd_print(0,0,lstc);lcd_print(0,1,by lwl&mzl);delay_20ms(10);lcd_write(0,0x01); /清屏 lcd_print(0,0,xuanze fanwei:);lcd_print(0,1,morenwei:50120);while(1) unsigned int

19、w=0; key_value=kbscan(); if(key_flag=1) key_command(key_value); w=1; if(w=1) break; lcd_write(0,0x01); /清屏 delay_20ms(10);displayhl();lcd_print(0,1,testing.);delay_20ms(20); lcd_write(0,0x01); /清屏displayhl(); tmod=0x01;/定時器t0工作于方式1th0=0xec;tl0=0x78;/t0定時時間為5msie=0x83; /開中斷it0=1; /外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式tr0=1;

20、/開定時器t0for(;) /脈搏指示燈控制if(p3_0=0)delay_20ms(50);p3_0=1; /useralarm(); external0() interrupt 0/外部中斷服務(wù)程序 p3_0=0; /點亮指示燈if(n=0)mb=0;elsemb=12000/n; /計算每分鐘脈搏數(shù)f=mb; dispbuf8=mb%10+0x30;/取個位數(shù)mb=mb/10;dispbuf7=mb%10+0x30;/取十位數(shù)dispbuf6=mb/10+0x30;/取百位數(shù) lcd_print(3,1,dispbuf);n=0;timer0() interrupt 1/定時中斷服務(wù)程序

21、th0=0xec;tl0=0x78;n+;if(n=2000)/10秒鐘測不到心率,n復(fù)位n=0;鍵盤掃描程序：#include #include unsigned char key_value;unsigned char key_flag; char code tab44=.,1,4,7,/7,8,9, e up 0,2,5,8,/4,5,6, d down f,3,6,9,/1,2,3 , c set b,c,d,e; /0到f的16個鍵植/a .,0,f +/- ,b okvoid delay(unsigned char a)unsigned char i;while(a-)for(i=

22、100;i0;i-);unsigned char kbscan() /鍵盤掃描 unsigned char hang,lie,key;key_flag=0;p1=0x0f;if(p1!=0x0f) delay(10);if(p1!=0x0f)key_flag=1;p1=0x0f;switch(p1&0x0f)case 0x0e:lie=0;break;case 0x0d:lie=1;break;case 0x0b:lie=2;break;case 0x07:lie=3;break;p1=0xf0;switch(p1&0xf0)case 0xe0:hang=0;break;case 0xd0:h

23、ang=1;break;case 0xb0:hang=2;break;case 0x70:hang=3;break;p1=0x0f;while(p1!=0x0f);key=tabhanglie;return (key);else return(key_value);void setmaibo(void) unsigned char i;lcd_write(0,1);gotoxy(0,0);print(h_maibo:);for(i=0;i3;i+)key_flag=0;while(key_flag=0)key_value=kbscan();while(1) if(key_value!=b&ke

24、y_value!=c&key_value!=d&key_value!=e&key_value!=f&key_value!=.) break; else key_value=kbscan(); get_hti=key_value; lcd_write(1,key_value+0x30); gotoxy(0,1);print(l_maibo:);for(i=0;i2;i+)key_flag=0;while(key_flag=0)key_value=kbscan();while(1) if(key_value!=b&key_value!=c&key_value!=d&key_value!=e&key

25、_value!=f&key_value!=.) break; else key_value=kbscan(); get_lti=key_value; lcd_write(1,key_value+0x30); while(1) key_value=kbscan();if(key_value=c) break; mh=get_ht0*100+get_ht1*10+get_ht2;ml=get_lt0*10+get_lt1;lcd_write(0,0x01); gotoxy(0,0);print(set sucess!);delay_20ms(50);lcd_write(0,0x01);void k

26、ey_command(unsigned char key_value) switch (key_value) case c:setmaibo();break; default:break; 液晶顯示程序：#include /port definitions*sbit lcdrs= p20;sbit lcdrw= p21;sbit lcden = p22;sfr dbport = 0x80;/p0=0x80,p1=0x90,p2=0xa0,p3=0xb0.數(shù)據(jù)端口void lcd_delay(unsigned char t) unsigned char i,j;for(i=0;it;i+)for

27、(j=0;j100;j+);/內(nèi)部等待函數(shù)*void lcd_wait(void)/讀忙狀態(tài)lcdrs=0;lcdrw=1;_nop_(); lcden=1;_nop_(); lcden=0; /向lcd寫入命令或數(shù)據(jù)*#define lcd_command0 / command#define lcd_data1 / data#define lcd_clear_screen0x01 / 清屏#define lcd_homing 0x02 / 光標(biāo)返回原點void lcd_write(bit style, unsigned char input) /寫數(shù)據(jù)1/命令0lcden=0; lcdrs=

28、style;lcdrw=0;_nop_();dbport=input;_nop_();lcden=1;_nop_(); lcd_delay(10);lcden=0;_nop_();lcd_wait();/設(shè)置顯示模式*#define lcd_show0x04 /顯示開#define lcd_hide0x00 /顯示關(guān) #define lcd_cursor0x02 /顯示光標(biāo)#define lcd_no_cursor0x00 /無光標(biāo) #define lcd_flash0x01 /光標(biāo)閃動#define lcd_no_flash0x00 /光標(biāo)不閃動void lcd_setdisplay(uns

29、igned char displaymode)lcd_write(lcd_command,0x08|displaymode);/設(shè)置輸入模式*#define lcd_ac_up0x02#define lcd_ac_down0x00 / default#define lcd_move0x01 / 畫面可平移#define lcd_no_move0x00 /defaultvoid lcd_setinput(unsigned char inputmode) lcd_write(lcd_command,0x04|inputmode);/初始化lcd*void lcd_initial(void) /初始化lcdlcd_write(0,0x38); lcd_write(0,0x38);/8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣lcd_delay(300);lcd_setdisplay(