基于單片機的脈搏測量器設(shè)計說明

1、 PAGE17 / NUMPAGES23 東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 單片機的控制系統(tǒng)課程設(shè)計 題 目 基于單片機的脈搏測量器設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動化2010級 1 班 學(xué)生XX 學(xué)生學(xué)號 1006011401 指導(dǎo)教師 李艷輝 邵克勇 2013年 7 月7日東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程： 單片機的控制系統(tǒng)課程設(shè)計題目： 基于單片機的脈搏測量器設(shè)計 專業(yè)： 自動化 ：學(xué)號： 1006011401 主要容、基本要求、主要參考資料等主要容：基于單片機的脈搏測量器設(shè)計，主要容如下： 1、要求通過手指測量脈搏跳動； 2、準(zhǔn)確測量出1分鐘脈搏跳動的次數(shù)；3、通過

2、數(shù)碼管顯示出1分鐘脈搏跳動的次數(shù)；4、通過發(fā)光二極管顯示脈搏的跳動?；疽螅?、熟悉51系列單片機系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理。 2、設(shè)計并實現(xiàn)具有復(fù)位功能的單片機最小系統(tǒng)。 3、掌握51系列單片機I/O、定時器等操作方法。 4、掌握單片機的一般編程技巧。 參考資料：1、毅剛單片機原理與應(yīng)用M.：高等教育,2010.2、蔡美琴MCS-51系列單片機系統(tǒng)與其應(yīng)用M.：高等教育,2004.3、朱國富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測量儀J.電子技術(shù)應(yīng)用.1998年.第1期. 4、云麗，徐可欣等.微功耗光電式脈搏測量儀J.電子測量技術(shù).2005年.第2期.5、程詠梅，夏雅琴，尚嵐.人體脈搏波信號檢測系統(tǒng)

3、J.生物醫(yī)學(xué)工程.2006年.第25卷完成期限 2013-7-7 指導(dǎo)教師專業(yè)負責(zé)人2013年6月28日目 錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc6697 第1章 緒論 PAGEREF _Toc6697 1 HYPERLINK l _Toc31871 第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要元器件 PAGEREF _Toc31871 2 HYPERLINK l _Toc25053 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc25053 2 HYPERLINK l _Toc4563 2.2 元器件清單 PAGEREF _Toc4563 3 HYPERLINK l _Toc4655 2.3 單

4、片機AT89S52功能介紹 PAGEREF _Toc4655 4 HYPERLINK l _Toc3862 2.4 半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性與應(yīng)用 PAGEREF _Toc3862 6 HYPERLINK l _Toc21085 第3章 硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc21085 8 HYPERLINK l _Toc32454 3.1 單片機復(fù)位電路設(shè)計 PAGEREF _Toc32454 8 HYPERLINK l _Toc27199 3.2 單片機晶振電路設(shè)計 PAGEREF _Toc27199 8 HYPERLINK l _Toc7011 3.3 紅外發(fā)射和接收電路的設(shè)計 PAG

5、EREF _Toc7011 9 HYPERLINK l _Toc7228 3.4 7SEG-MPX4-CC與單片機接口電路 PAGEREF _Toc7228 11 HYPERLINK l _Toc20503 3.5 電路原理圖 PAGEREF _Toc20503 12 HYPERLINK l _Toc30658 第4章 軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc30658 13 HYPERLINK l _Toc17343 4.1 程序流程圖 PAGEREF _Toc17343 13 HYPERLINK l _Toc12478 4.2 程序清單 PAGEREF _Toc12478 13 HYPERLIN

6、K l _Toc26893 第5章 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 PAGEREF _Toc26893 16 HYPERLINK l _Toc11180 5.1系統(tǒng)Proteus仿真圖 PAGEREF _Toc11180 16 HYPERLINK l _Toc9431 結(jié) 論 PAGEREF _Toc9431 18 HYPERLINK l _Toc11054 參考文獻 PAGEREF _Toc11054 19第1章 緒論脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀我國最早的脈學(xué)專著脈經(jīng)問世以來，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特

7、色的一項診斷方法，其歷史悠久，容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚光大，促進脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷。醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法

8、是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作1分鐘的測量，通常是測量10秒鐘時間心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。本設(shè)計是一種用AT89S52單片機制作的脈搏測量儀，只要人把手指放在傳感器2秒鐘就可以精確測量出每分鐘脈搏數(shù)，測量結(jié)果用三位數(shù)字顯示。第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要元器件2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于AT89S52單片機的脈搏測量器由電源模塊、復(fù)位電路、晶振電路、AT89S52單片機、脈搏感應(yīng)電路、脈搏處理電路、脈搏次數(shù)顯

9、示電路以與脈搏顯示發(fā)光二極管等組成。系統(tǒng)設(shè)計框圖如下所示。電源電路脈搏感應(yīng)電路復(fù)位電路信號處理電路S2單片機脈搏顯示電路脈搏跳動電路晶振電路圖2-1 基于AT89S52單片機脈搏測量器系統(tǒng)框圖2.2 元器件清單 基于AT89S52單片機的脈搏測量器的清單如下表所示： 表2-1 基于AT89S52單片機的脈搏測量器設(shè)計原件清單表 原件名稱型號數(shù)量(個)用途單片機AT89S521控制核心晶振12MHz1晶振電路電容30pF2按鍵1復(fù)位電路電解電容10uF/10V1電阻10K1電源+5V/0.5A1電源電路紅外發(fā)射頭PH3031脈搏信號檢測電路紅外接收頭PH3021電阻1001電阻22K1電阻500

10、1脈搏顯示發(fā)光二極管1集成塊CD40691脈搏信號放大和濾波電路電容1uF1電解電容100uF/10V1電解電容22uF/10V1電解電容47uF/10V1電解電容47K1脈搏計數(shù)顯示電路電阻10K2電阻1M1電阻22K1電阻470K1電阻100K1電阻5008數(shù)碼管共陽極3位集成塊74LS041集成塊74LS24512.3 單片機AT89S52功能介紹 單片機AT89S52為 ATMEL 所生產(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。2.3.1 AT89S52主要功能列舉如下1、部程序存儲器（ROM）為8KB2、部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為 256字節(jié)3、

11、全雙工UART串行通道4、擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash5、32個可編程I/O口線6、8個中斷向量源7、三個16位定時器/計數(shù)器8、三級加密程序存儲器9、晶片部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至12MHz）2.3.2 AT89S52各引腳功能介紹圖2-2 AT89S52引腳圖 VCC：AT89S52電源正端輸入，接+5V。VSS：電源地端。XTAL1：單片機芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2：單片機芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端。RESET：單片機AT89S52的重置引腳，復(fù)位輸入，高電平有效。EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時，使用外部程序存儲器。 當(dāng)EA保持高電平時，則

12、使用部程序存儲器。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時用來鎖存地址的地位字節(jié)。 PSEN：是外部程序存儲器的選通信號。 PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。 PORT1（P1.0P1.7）：端口1是具有部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動 4個LS TTL負載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。 PORT2（P2.0P2.7）：端口2也是具有部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時

13、，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。 PORT3（P3.0P3.7）：端口3管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。其各個管腳功能分配如下：P3.0：RXD（串行通信輸入口）；P3.1：TXD（串行通信輸出口）；P3.2：INT0（外部中斷0輸入）；P3.3：INT1（外部中斷1輸入）；P3.4：T0（計時器0外部輸入）；P3.5：T1（計時器1外部輸入）；P3.6：WR(外部數(shù)據(jù)存儲器的輸入信號）；P3.7：RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號）；RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。2.3.3 AT89S52結(jié)構(gòu)框圖圖2-3 AT89

14、S52結(jié)構(gòu)框圖2.4 半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性與應(yīng)用發(fā)光二極管通常稱為LED，是一種容易裝配到電子電路中的微型燈泡，但它們并不是普通的白熾燈，它們沒有燈絲，也不會發(fā)燙。它們之所以能夠發(fā)光，是由于半導(dǎo)體材料部電子運動造成。發(fā)光二極管的核心是PN結(jié)，因此它同樣具有一般PN結(jié)的特性，包括正向?qū)ā⒎聪蚪刂?、擊穿和發(fā)光特性。 目前，發(fā)光二極管用途廣泛，能完成數(shù)十種不同的工作，而且，在各種設(shè)備中都能找到他們的身影。本設(shè)計中主要用到了它的發(fā)光特性，其原理是：在正向電壓下電子由N區(qū)流入P區(qū)，空穴由P區(qū)流入N區(qū)。導(dǎo)致進入對方去的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。原理如圖：圖2-4 半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原

15、理圖第3章 硬件設(shè)計3.1 單片機復(fù)位電路設(shè)計在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動的時候復(fù)位一次，當(dāng)按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復(fù)位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會復(fù)位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。時鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個機器周期的高電平，芯片部開始進行初始復(fù)位。下圖為復(fù)位電路圖：圖3-1 復(fù)位電路3.2 單片機晶振電路設(shè)計單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在數(shù)字電路中，晶振的作用

16、是為一個時序控制提供一個標(biāo)準(zhǔn)時刻。數(shù)字電路是根據(jù)具體電路來設(shè)計的，其能在某個時刻完成某項特定的任務(wù)，假如沒有一個標(biāo)準(zhǔn)時刻來控制時序的話，那么整個數(shù)字電路就不知道在什么時刻該做什么，也就處于癱瘓狀態(tài)。在本單片機系統(tǒng)中，晶振的作用便是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，來保證系統(tǒng)各個部分保持同步。下圖為晶振電路圖：圖3-2 晶振電路圖3.3 紅外發(fā)射和接收電路的設(shè)計3.3.1 紅外通信原理紅外通信技術(shù)是一種無線連接技術(shù)，目前在世界圍被硬件和軟件平臺所支持。紅外通信技術(shù)是通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的，其目的主要是為了取代點對點的線纜連接。簡而言之，紅外通信的實質(zhì)也就是對二進制的數(shù)字

17、信號進行調(diào)制與解調(diào)，從而達到對數(shù)字信號的傳輸。其基本原理圖如下所示：紅外接收電路單片機紅外發(fā)射電路單片機輸出調(diào)制 發(fā)送解碼接收解調(diào) 圖3-3 紅外發(fā)射接收原理圖3.3.2 紅外發(fā)射接收電路圖紅外發(fā)射電路主要是接收單片機輸出的調(diào)制信號，并將其發(fā)送到紅外接收電路。紅外發(fā)射電路主要由發(fā)光二極管組成，常用的發(fā)光二極管發(fā)射的波長在940nm左右，其發(fā)出的是紅外線，而不是可見光。圖3-4 紅外發(fā)射電路 紅外接收電路主要是接收紅外發(fā)射電路發(fā)射的調(diào)制信號，并將調(diào)制信號發(fā)送到單片機進行解調(diào)。接收電路主要由光敏二極管組成，工作時需要給光敏二極管加反向偏轉(zhuǎn)電壓，保證其獲得較高的靈敏度正常工作。圖3-5 紅外接收電路

18、3.4 7SEG-MPX4-CC與單片機接口電路7SEG-MPX4-CC 四個共陰二極管顯示器 1234 是陰公共端，其管腳圖如下所示：圖3-6 7SEG-MPX4-CC管腳圖這種類型的顯示器，在它的部中，除各個公共端外，是把各個顯示器的同名端并聯(lián)起來的。比如說，四位一體的LED顯示器，是每個腳的同名端并接，所以仍是有8個引腳，再加上4個公共端，就是有12個引腳，同理，八位一體顯示器就是8個同名引腳加8個公共端，就是16個引腳。若想數(shù)碼管正常顯示，需要通過驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而正常顯示出需要的數(shù)據(jù)。數(shù)碼管有兩種不同的驅(qū)動方式，分別為靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動，其優(yōu)點

19、是編程簡單，顯示亮度高。動態(tài)驅(qū)動是指通過分時輪流控制各個數(shù)碼管輪流顯示。 其與單片機的接口電路圖如下： 圖3-7 7SEG-MPX4-CC與單片機接口電路圖3.5 電路原理圖工作原理：電源電路為單片機以與其他模塊提供標(biāo)準(zhǔn)5V電源；復(fù)位電路模塊為單片機系統(tǒng)提供復(fù)位功能；晶振模塊為單片機提供時鐘標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)各部分能協(xié)調(diào)工作；單片機作為主制約器，根據(jù)輸入信號對系統(tǒng)進行相應(yīng)的制約；紅外發(fā)射和接收模塊用來檢測脈搏信號；信號變換模塊用來把紅外接收頭接收的脈搏信號進行放大和濾波，以便單片機進行處理；顯示模塊用來顯示具體的脈搏測量結(jié)果，它會記錄脈搏一分鐘跳動的次數(shù)；發(fā)光二極管可以通過發(fā)光的形式顯示脈搏的跳動。

20、綜合上述分析，設(shè)計出基于AT89S52單片機的脈搏測量器，其原理圖如下：圖3-8 脈搏測量器設(shè)計圖傳感器由脈沖發(fā)生器組成，測量原理如下：將手指放在脈沖發(fā)生器之間，血管中血液的流量隨著心臟的跳動變化，由于人體脈搏跳動并且用脈沖發(fā)生器接受靜脈血管強度變化，此變化和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，因此脈沖電流也跟著心跳的節(jié)拍改變，使得脈沖發(fā)生器輸出與心跳節(jié)拍相對應(yīng)的脈沖信號。第4章 軟件設(shè)計4.1 程序流程圖基于AT89S52單片機脈搏測量器的程序流程圖如下。其中初始化包含了對定時器的選用、優(yōu)先級的設(shè)定和初始值的設(shè)置。系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行, 它是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對系統(tǒng)進行

21、初始化。初始化程序主要完成對單片機專用寄存器、定時器工作方式與各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后, 進行對脈搏信號的檢測，判斷是否有脈搏信號，如果有，則將脈搏計數(shù)器加1，如果沒有則返回重新判斷。具體流程圖如下所示：開始初始化有脈搏？否是脈搏計數(shù)加1圖4-1 基于AT89S52單片機脈搏測量器的設(shè)計程序流程圖4.2 程序清單該程序用匯編語言編寫，主要有四個模塊組成，分別為主程序模塊、外部中斷服務(wù)程序模塊、定時器T0中斷服務(wù)程序模塊、延時子程序模塊等。主程序模塊主要完成程序的初始化。外部中斷服務(wù)程序模塊由信號判斷、計算、合理近似、顯示輸出等部分組成。定時中斷服務(wù)程序模塊由計時、計數(shù)、無效測試信

22、號判斷等部分組成。程序中用變量n對脈搏脈沖信號個數(shù)計數(shù)。程序源代碼如下：#include unsigned char i,j,t,m,YSHSHJIAN,YSHHVHONG3；unsigned int n,MBO；unsigned char codeWXUAN3=0 xf7,0 xef,0 xdf； unsigned char codeXSHB10=0 x81,0 xcf,0 x92,0 x86,0 xcc,0 xa4,0 xa0,0 x8f,0 x80,0 x84 sbit SHRU=P30；void YSHI(YSHSHJIAN)；main() TMOD=0 x01；TH0=0 xec；T

23、L0=0 x78；IE=0X83；IT0=1； TR0=1； for(； ) if(SHRU=0)YSHI(200);SHRU=1;external0() interrupt 0SHRU=0； if(n=0)MBO=0；elseMBO=12000/n； YSHHVHONG2=MBO%10； MBO=MBO/10;YSHHVHONG1=MBO%10；YSHHVHONG0=MBO/10； n=0；Timer0() interrupt 1TH0=0 xec；TL0=0 x78；t=WXUANj； P3=P3|0 x38；P3=P3&t； t=YSHHVHONGj； t=YSHHVHONGt； P1=

24、t； j+； if(j=3)j=0；n+；if(n=2000) n=0；void YSHI(YSHSHJIAN)for(；YSHSHJIAN0；YSHSHJIAN-)for(i=0；i250；i+)；第5章 系統(tǒng)仿真與調(diào)試5.1系統(tǒng)Proteus仿真圖5.1.1 顯示初始頁面圖5-1 電路圖仿真初始狀態(tài)5.1.2 一分鐘脈搏跳動顯示圖5-2 一分鐘后脈搏跳動顯示結(jié) 論單片機近20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。另一方面，單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法

25、來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制 技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。而51單片機作為單片機的主流，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，51系列單片機繼承和發(fā)展了MCS-51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢。 本設(shè)計主要是51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點介紹了單片機的最 小系統(tǒng)，通過單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏的測量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測量的次數(shù)，還能自動儲存這個數(shù)據(jù)。 本次所設(shè)計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具 有實際意義。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，電路板不夠美觀，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時此次設(shè)計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計過程中使用的運放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。然而科技的進步勢必會使測量儀的功能日益強大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，將會給我們的生活