基于單片機(jī)的心率測(cè)試儀(共68頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要專心-專注-專業(yè)摘 要隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展, 醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量?jī)x器日新月異。生物醫(yī)學(xué)測(cè)量 與臨床醫(yī)學(xué)和保健醫(yī)療的聯(lián)系日益緊密。通過(guò)對(duì)人體各種生理信號(hào)的檢測(cè)，能更 好的認(rèn)識(shí)人體的生命現(xiàn)象。脈象包含豐富的人體健康狀況信息, 脈診技術(shù)應(yīng)客觀 化、定量化。本設(shè)計(jì)利用光電式傳感器, 設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)獲取的方法。本設(shè)計(jì)主要 是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)試儀的具體實(shí)現(xiàn)方法，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信 號(hào)，經(jīng)過(guò)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)的脈 搏跳動(dòng)次數(shù)，快捷方便。通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常 被用于保健

2、中心和醫(yī)院。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀對(duì)推進(jìn) 脈診技術(shù)客觀化的實(shí)現(xiàn)具有積極的促進(jìn)作用。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢 測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏 相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然 后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)還設(shè)置了 脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。關(guān)鍵詞：脈搏信號(hào)，單片機(jī)，光電傳感器，脈沖信號(hào)，便攜式心率測(cè)試儀I河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AbstractAbstractWith the development of the biomedical engine

3、ering technology, the medical signal measuring instrument is changing everyday. Biomedical measurement and clinical medicine and health care increasingly close ties. We could better understand the phenomenon of human. life through various physiological signal detection of the human body. Pulse inclu

4、sions rich state of the health information, By using optical sensors, With the high development of electronics and computer nowadays, the pulse diagnosing technology should be objective and quantitive. this text access to the pulse signal design methods. This paper mainly introduces the concrete rea

5、lization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. The pulse signal is amplified and regenerated to input into MCU to carry out corresponding control, as a result the pulse number per a minute is measured. The use of the pulse counter is quick and c

6、onvenient. Through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the hospitals. In my design, Portable heart rate measuring instrument based on MCU has a positive role in promoting the objective of the pulse technology.Key words: Pulse，MCU，P

7、hotoelectric Sensor，Pulse Signal，PortableII河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄目錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題設(shè)計(jì)背景11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容32 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案42.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)42.2 方案的對(duì)比和論證42.2.1 脈搏檢測(cè)傳感器的選擇42.2.2 單片機(jī)的選擇62.2.3 顯示部分的選擇62.3 系統(tǒng)各部分的最終方案73 系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析83.1 單片機(jī)控制器83.1.1 單片機(jī) stc89c52 介紹83.1.2 單片機(jī)復(fù)位電路113.1.3 單片機(jī)時(shí)鐘電路123.1.4 數(shù)碼管顯

8、示電路123.1.5 報(bào)警電路133.2 脈搏信號(hào)采集143.2.1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理143.2.2 信號(hào)采集電路153.3 信號(hào)放大電路163.4 波形整形電路173.5 單片機(jī)處理電路173.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題193.6.1 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響193.6.2 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響193.6.3 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響203.6.4 電源不穩(wěn)定導(dǎo)致光源供電波動(dòng)帶來(lái)影響204 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)214.1 設(shè)計(jì)思想214.1.1 主程序流程圖224.2 定時(shí)器中斷程序流程234.3 INT 中斷程序流程234.4 顯示程序流程244.5 蜂鳴器報(bào)警流程245 系統(tǒng)仿真

9、與調(diào)試26III河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄5.1程序設(shè)計(jì).265.2程序調(diào)試.266 總結(jié)與展望.29結(jié)束語(yǔ).30參考文獻(xiàn).31致謝.33附錄 A.整體硬件電路圖34附錄 B .程序35IV河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）緒論1 緒論1.1 課題設(shè)計(jì)背景多年來(lái)，心率測(cè)試儀在心腦血管疾病的研究和診斷方面發(fā)揮出顯著的作用， 它記錄的心臟活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。臨床上使用的 心電監(jiān)護(hù)儀雖然功能強(qiáng)大，測(cè)量精度高，但因?yàn)閮r(jià)格高昂，不利于家庭的普及。 就算是在醫(yī)院，護(hù)士每天監(jiān)控病人病情而進(jìn)行的心率測(cè)試也是常用手測(cè)。因?yàn)檎?常人的心率和脈搏跳動(dòng)的次數(shù)是一樣的，所以可以用測(cè)量脈

10、搏的方法來(lái)測(cè)心率。 因此，本設(shè)計(jì)采用的是設(shè)計(jì)一種脈搏測(cè)試儀測(cè)量脈搏數(shù)從而實(shí)現(xiàn)心率的測(cè)量的方 法。脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人脈搏跳動(dòng)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(xué)上具有重要的作用。目前檢測(cè)脈搏的儀器雖然很多，但 是能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、精確顯示且計(jì)時(shí)功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測(cè) 量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生 活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我 國(guó)的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢(shì)。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是 人類死亡的主要原因之一。因此，認(rèn)識(shí)、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。

11、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(lái)都受 到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過(guò)"摸脈"作為診斷疾病的手段。 脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)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(duì)脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。采用脈搏檢測(cè)傳感器對(duì)人體的脈搏進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。得到的信號(hào)送入進(jìn)行濾波、放大、整形等處理之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏數(shù)在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示 出來(lái)，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量

12、儀的上下限報(bào)警電路。本設(shè)計(jì)首先描述本設(shè)計(jì)的整 體思路，然后介紹各個(gè)部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改進(jìn) 意見(jiàn)。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀，系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 性價(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適合大眾化。適合家庭進(jìn)行自我檢測(cè)以及醫(yī)院護(hù) 士進(jìn)行每日的臨床記錄。這使我們?cè)诩抑芯涂梢詼y(cè)試心率從而能檢測(cè)是否患有一 些心血管疾病，做到早發(fā)現(xiàn)。1河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）緒論1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問(wèn)、切”是最基本的四個(gè)方面。而在其 中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過(guò)脈診，醫(yī)生可以對(duì)患者的身體 狀況有一個(gè)大概的了解，進(jìn)而對(duì)癥下

13、藥。脈搏信號(hào)可以直接反應(yīng)出患者心臟的部 分狀況，我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，通過(guò)脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以 探測(cè)到病因，病位，預(yù)測(cè)療效等。鑒于脈診的重要性，人們對(duì)于脈搏測(cè)量一直非常關(guān)注，早在1860 年Vierordt 創(chuàng) 建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀，國(guó)內(nèi) 20 世紀(jì) 50 年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī) 脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在研制中醫(yī)脈 象儀方面進(jìn)展很快，尤其是 70 年代中期，國(guó)內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地相繼 成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了 一個(gè)新的境界。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)脈搏的

14、測(cè)量精度也越 來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測(cè)量?jī)x，而其中關(guān)鍵是對(duì)脈搏傳感器 的研究。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)今市場(chǎng)上的脈搏測(cè)試儀的脈率采集主要有 三種方法：采用一對(duì)紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)、采用反射式的紅外管實(shí)現(xiàn)和采用壓電 陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的 重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng)消除儀表自 身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和 生化參數(shù)。脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)： 1、自動(dòng)測(cè)量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析目前很多脈搏測(cè)量?jī)x都具有檢測(cè)血氧等其他的功能，但是對(duì)這些信號(hào)

15、的分析 和診斷還需要一些有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費(fèi)大量的人 力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來(lái)脈搏自動(dòng)檢測(cè)的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自 動(dòng)分析診斷功能也更強(qiáng)大。2、數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用 隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)用將使干擾更小，測(cè)量更為準(zhǔn)確。 3、多功能化越來(lái)越明顯目前的脈搏測(cè)量?jī)x，一般都具有測(cè)試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測(cè) 量?jī)x已經(jīng)很少見(jiàn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。2河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）緒論1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大

16、電 路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信 號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率）， 并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。本設(shè)計(jì)的工作是圍繞著脈搏檢測(cè)傳感器檢測(cè)脈搏波而單片機(jī)進(jìn)行控制進(jìn)行 的。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容安排如下：第一章為引言。簡(jiǎn)要介紹了心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)的目的和意義，并對(duì)基于單機(jī)的 便攜式心率測(cè)試儀的現(xiàn)狀和應(yīng)用以及未來(lái)的發(fā)轉(zhuǎn)走勢(shì)做了簡(jiǎn)單的闡述，指出了本 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)內(nèi)容，即心率的測(cè)試。第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是對(duì)整個(gè)方案的詳細(xì)的對(duì)比與選 擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設(shè)計(jì)

17、的任務(wù)與要求，之后是 各個(gè)部分的對(duì)比選擇。第三章是本設(shè)計(jì)的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路 的各個(gè)部分進(jìn)行分析與解釋。第四章敘述程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)， 而且對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了展望。3河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、單片機(jī)處理電路部分、 顯示電路部分和報(bào)警電路部分。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)量?jī)x將利用脈搏檢測(cè)傳感器采集 脈搏信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的， 再通過(guò)報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功

18、能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)硬件框圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 方案的對(duì)比和論證基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由光電傳 感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈 搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。 然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示，并且在超出設(shè)定 的正常脈搏跳動(dòng)范圍時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。2.2.1 脈搏檢測(cè)傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分。 1、光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十

19、倍， 據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來(lái)拾取脈搏信號(hào)。反向偏壓的光敏二極4河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案管，它的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍 內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨心搏 改變時(shí)，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相 應(yīng)變化。常用檢測(cè)脈搏的光電傳感器一般是紅外對(duì)管。紅外對(duì)管將對(duì)管夾于手指端部，通過(guò)手指的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生 變化，紅外對(duì)管對(duì)應(yīng)的信號(hào)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波， 比較等處理便可以得到理想的信號(hào)。紅外對(duì)管對(duì)脈搏的檢測(cè)的基本原理：隨著

20、心 臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明 度減小；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手 指尖、耳垂等部位最為明顯。光電式傳感器具有靈敏度高，易于操作，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。雖 然外部光源的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大，但我們進(jìn)行測(cè)量的地方一般都是在室 內(nèi)，有穩(wěn)定的光源，所以在正常的操作過(guò)程中只要稍微注意下光源的問(wèn)題就可以了。 2、壓電式傳感器目前常用的是一次性心電電極，它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。這種 傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法，能明顯的減少由于人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。 電極的好壞對(duì)采集到的心電信號(hào)質(zhì)量起著至關(guān)

21、重要的作用，采用的電極應(yīng)有貼力 強(qiáng)，能緊附在人體表面，柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。當(dāng)選用 電極傳感器時(shí)，需要 3 個(gè)電極分別置于左右手和左腿，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。臨床上為 了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號(hào)，在檢測(cè)脈搏信號(hào)時(shí)，對(duì)電極的位置，引線 與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。目前市場(chǎng)上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器， 其靈敏度高,頻帶范圍好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí)，5河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案可以感覺(jué)到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺(jué)，將這個(gè)信號(hào)用傳感器提 取出來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)指脈的波形檢測(cè)，就可

22、以獲得人體的脈搏信號(hào)。壓電式傳感器有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等諸多 優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的 顫動(dòng)等而產(chǎn)生干擾。而肌肉的顫動(dòng)不是人能主動(dòng)控制的，所以說(shuō)這部分的誤差很難控制。并且使用壓電式傳感器測(cè)脈搏還容易受到外界其他信號(hào)的干擾。 3、集成傳感器當(dāng)前，市面上有很多類型的集成心電傳感器，其靈敏度高，集成度高，直接 就可以反映出心率的變化，且已包含了濾波等抗干擾電路，波形經(jīng)過(guò)放大可以直 接處理使用。缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，考 慮到經(jīng)費(fèi)以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜合考慮種種情況，結(jié)合本系

23、統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，本設(shè)計(jì)采用光 電式傳感器。2.2.2 單片機(jī)的選擇對(duì)于單片機(jī)型號(hào)，最熟悉的就是 C51 系列，其中包括 AT89C51，AT89C52 在 AT89C51 的基礎(chǔ)上有些改進(jìn)，但是聽(tīng)有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)說(shuō)以型號(hào) AT 開(kāi)頭的的單片機(jī)在 燒寫(xiě)程序時(shí)不容易進(jìn)行燒寫(xiě)，于是考慮采用以型號(hào)是以 STC 為開(kāi)頭的單片機(jī)，通 過(guò)查資料了解發(fā)現(xiàn) STC89C52 在功能上與 AT89C52 相似，為此，本設(shè)計(jì)單片機(jī)采用STC89C52 型號(hào)單片機(jī)。2.2.3 顯示部分的選擇根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)警的范圍的。在單片機(jī)的應(yīng)用 系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常

24、需要用顯示器顯示運(yùn) 行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器 的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到 CRT 顯示器，都可以與微機(jī)配接。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡(jiǎn)稱 LED 顯示 器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽 命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但與 LCD 相比顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。 LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最 多的就是七段 LED 數(shù)碼管，有共陰極和共陽(yáng)極兩種。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 86河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

25、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案?jìng)€(gè)發(fā)光二極管，其中從 ag 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符，Dp 顯 示小數(shù)點(diǎn)。共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng) 發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽(yáng)極的 LED 數(shù)碼管顯示器的 公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接+5V 電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。通過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。2.3 系統(tǒng)各部分的最終方案本章主要介紹了常見(jiàn)的用于脈搏檢測(cè)的三種傳感器，并對(duì)這三種感器的優(yōu)缺 點(diǎn)進(jìn)行了比較。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)芯片的型號(hào)是 STC89C52，在本章主要介紹了 它

26、的一些特點(diǎn)。最后，給出了最終的設(shè)計(jì)方案和硬件框圖。數(shù)碼管脈搏傳感STC89C52顯示電器電路路單片機(jī)處震蕩電路理電路蜂鳴器復(fù)位電路報(bào)警電路圖 2.3 設(shè)計(jì)框圖7河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析3 系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析3.1 單片機(jī)控制器經(jīng)過(guò)第 2 章的敘述已經(jīng)確定了完成本設(shè)計(jì)所需要的主要元器件，所以本章開(kāi) 始講述基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)的硬件電路的設(shè)計(jì)。在這里，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的處理。在檢測(cè)到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開(kāi) 啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所 需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。3.1.1 單片機(jī)

27、stc89c52 介紹STC89C52 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 在系統(tǒng)可編程 Flash STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS-51 內(nèi)核，但做了很多的改 進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，內(nèi)置 4KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路，3 個(gè) 16 器/計(jì)數(shù)器，4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7

28、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)），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/計(jì)數(shù)器、 串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率 35MHz，6T/12T 可選。STC89C52 單片機(jī)引腳圖如下圖 2.2 所示。8河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析圖 2.2STC89C52RC引腳功能說(shuō)明 引腳按其功能可分為如下3類：1、電源及時(shí)鐘引腳VCC、VS

29、S；XTAL1、XTAL2； 2、控制引腳 RST / VPD 、 ALE / PROG 、PSEN 、和EA / VPP ；3、I/O 口引腳P0、P1、P2、P3，為 4 個(gè) 8 位 I/O 口。1、電源及時(shí)鐘引腳(1)電源引腳VCC：5V 電壓。GND：接地。(2)外接晶體引腳XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接石 英晶體振蕩器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，此引腳接地； 對(duì)于 CMOS 單片機(jī)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接 石英晶體振蕩器和微調(diào)電容。當(dāng)使用

30、外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，此引腳接 外部振蕩源；對(duì)于 CMOS 單片機(jī)，此引腳懸空不接。AT89S52 晶體振蕩器頻率可在 6MHz 40MHz 之間選擇，常選 6MHz 或 12MHz的石英晶體。電容的值沒(méi)有嚴(yán)格要求，但其取值對(duì)振蕩器的頻率輸出的穩(wěn)定性、 大小、振蕩電路起振速度稍有影響，C1、C2 可在 20pF100pF 之間選擇。當(dāng)外接晶 體振蕩器時(shí)，電容可選 30pF±10pF；外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容可選 40pF±10pF。9河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析2、控制引腳RST / VPD ：復(fù)位端。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)持續(xù) 2 個(gè)以上機(jī)

31、器周期(個(gè)晶體振蕩周 期）高電平即為有效，用于完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。正常工作時(shí)，此腳電平應(yīng) 0.5V。在 VCC 發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源 VPD（電 源范圍 5V±0.5V），由 VPD 向內(nèi)部 RAM 供電，以保持內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)。ALE / PROG ：地址鎖存使能。ALE（Address Latch Enable）；PROG（Program）ALE / PROG 為 CPU 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供地址鎖存信號(hào)，將低 8 位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。ALE / PROG 引腳第二功能，對(duì)片 內(nèi) Flash 編程，為編

32、程脈沖輸入端。PSEN ：（Programmer Saving ENable），外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器單元的讀操作。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)PSEN 無(wú)效。EA / VPP ：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming），訪問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)EA / VPP “0”時(shí)，表示讀外部程序存儲(chǔ)器。只讀取外部的程序存儲(chǔ)器 中的內(nèi)容，讀取的地址范圍為 0000H FFFFH（64KB），片內(nèi)的 8KB Flash 程序存儲(chǔ)器不起作用。當(dāng)“1”時(shí)，表示對(duì)程序存儲(chǔ)器的讀操作是從內(nèi)部

33、程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片內(nèi) 4KB Flash 存儲(chǔ)器的地址范圍）時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（4KB）中的程序，但當(dāng) PC 值超出 0FFFH （即超出片內(nèi) 4KB Flash 地址范圍）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外 60KB（1000H-FFFFH）程序存儲(chǔ)器空間中的程序。對(duì)于 EPROM（或 FLASH）型單片機(jī)， 在 EPROM 編程期間，此引腳需加 12.75V 或 21V 的編程電壓。3、I/O 口引腳P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8

34、個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1” 可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。Pl 口：P1 是個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸 收或輸出電流)4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口 拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引 腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P2 口：P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū) 動(dòng)（吸收或輸出電流)4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻 把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻， 某個(gè)引腳

35、被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。10河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用， 每一位功能定義如表3.1所示。表2.1P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0(外中斷 0)P3.3INT1（外中斷 1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)3.1.2 單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)， 并從初態(tài)開(kāi)始工作。

36、89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密 特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上 有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期)以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將 系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路如圖 3.3 所示C3RST10uFR15220R12k圖 3.3 按鍵復(fù)位電路11河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析3.1.3 單片機(jī)時(shí)鐘電路單片機(jī)可以看成是在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的時(shí)序邏輯電路。MCS-51 單片機(jī)為 12 個(gè)時(shí)鐘 周期執(zhí)行一條指令。也就是說(shuō)單片機(jī)運(yùn)行一條指令，必須要用 12 時(shí)鐘周期。沒(méi)有 這個(gè)時(shí)鐘，單片機(jī)就跑不

37、起來(lái)了，也沒(méi)有辦法定時(shí)和進(jìn)行和時(shí)間有關(guān)的操作。單 片機(jī)可以看成是在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的時(shí)序邏輯電路,單片機(jī)在工作過(guò)程中,所有工作都 是在時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)行的,每執(zhí)行一條指令,CPU 的控制器都要發(fā)出一系列特定 的控制信號(hào)。單片機(jī)時(shí)鐘電路如下圖 3.4 所示C1X130pF12MC2X21nF圖 3.4 時(shí)鐘電路3.1.4 數(shù)碼管顯示電路LED 數(shù)碼管是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在 內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。數(shù)碼管顯示電路如圖 3.9 所示12河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析U11RP119392XTAL1P0.0/AD0P0.1/

38、AD1383P0.2/AD237418XTAL2P0.3/AD3365P0.4/AD4356P0.5/AD5347P0.6/AD63389RSTP0.7/AD7329P2.0/A821RESPACK-8P2.1/A922P2.2/A1023292430PSENP2.3/A112531ALEP2.4/A1226EAP2.5/A1327P2.6/A1428P2.7/A15110P1.0P3.0/RXD2113P1.1P3.1/TXD124P1.2P3.2/INT0135P1.3P3.3/INT1146P1.4P3.4/T0157P1.5P3.5/T1168P1.6P3.6/WR17P1.7P3.7

39、/RDAT89C51圖 3.8 數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)用 LED 數(shù)碼管段數(shù)一般為 7 段另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。LED 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類，了解 LED 的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因 為不同類型的碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的設(shè)計(jì)采 用 4 位共陰數(shù)碼管某段數(shù)碼管陽(yáng)極為高電平時(shí)該數(shù)碼管被點(diǎn)亮。3.1.5 報(bào)警電路根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于 120 或小于 60 時(shí)，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)小于 120 時(shí)大于 60 時(shí)，蜂鳴器不響。因 為單片機(jī)的端口輸出電流能力低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極管

40、加大功 率 ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。報(bào)警電路如圖 3.9 所示。13河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析+5VQ1R8PN425010kLS1SPEAKER圖 3.9 報(bào)警電路3.2 脈搏信號(hào)采集目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔 脈搏傳感器、壓阻式傳感器以及應(yīng)變式傳感器。3.2.1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理近年來(lái)，光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開(kāi) 強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)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(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管

41、組成。采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管 作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管 在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中， 紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部 分透射出來(lái)。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2 種。 其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置，接收的是透射 光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用了指套式的透射 型光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光電隔離，減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。透射式光電

42、傳 感器結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示。14河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)分析圖 3.1 式光電傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2.2 信號(hào)采集電路圖 3.2 脈搏信號(hào)的采集電路，U3 是紅外發(fā)射接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管 中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì) R21 阻值的選取 要求較高。R21 選擇 270同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。 R21 過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú) 脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R21 過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地 辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期。雖然手指遮擋了紅 外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸 出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接 收三極管中的暗電