基于單片機(jī)的數(shù)字人體心率計的設(shè)計與實現(xiàn)

1、摘 要生物醫(yī)學(xué)信號指標(biāo)與人體的健康息息相關(guān)，只有掌握其中規(guī)律才能更好的解決人體的健康問題。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，人們對高精度便捷式生物醫(yī)學(xué)信號電子檢測設(shè)備的需求越來越高。心率和體溫是人體的兩個重要指標(biāo)，根據(jù)所學(xué)知識制作了此心率計。設(shè)計是基于單片機(jī)的數(shù)字人體心率計，從可實現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，決定采用51單片機(jī)作為設(shè)計的主控芯片，使用紅外光電傳感器作為心率的采集模塊，而體溫的采集則使用18b20溫度傳感器，外加顯示模塊和功能選擇模塊。心率和體溫的采集部位均為指尖，采集信號經(jīng)單片機(jī)處理后輸出給顯示模塊顯示最終的結(jié)果。從硬件電路到程序設(shè)計，主要解決了如下的幾個問題： 1、心率信號由

2、紅外光電傳感器采集，經(jīng)過兩級放大將原信號放大后，再由比較電路進(jìn)行整形，輸出能使單片機(jī)更好識別的脈沖波信號； 2、體溫信號由單線溫度傳感器18b20采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算后變?yōu)闇囟龋詈髥纹瑱C(jī)輸出體溫測量結(jié)果；3、測量的結(jié)果都是以數(shù)字形式輸出，3位一體數(shù)碼管顯示結(jié)果，使測量結(jié)果的讀取簡單精確化；4、按鍵和程序的結(jié)合運(yùn)用，使得心率計和體溫計功能切換更加方便快捷。關(guān)鍵詞：心率；體溫；單片機(jī)；紅外傳感器；溫度傳感器AbstractBiomedical signal indexes and human health are closely related, only to master the la

3、w can better solve the health problems of the human body. With the development of electronic information technology and the development of medicine, the demand for high precision portable biomedical signal electronic testing equipment is more and more high. Heart rate and body temperature are two im

4、portant indicators of the human body, based on the knowledge to make the heart rate meter. The design of digital human body heart rate meter based on SCM, from realization and economic considerations, decided to adopt the 51 microcontroller as the main control chip, the use of infrared photoelectric

5、 sensor as the acquisition module, heart rate, and body temperature acquisition using 18B20 temperature sensor is simple, and the display module and the function module. The sampling position of heart rate and body temperature were the fingertips, signal acquisition and processing by the MCU output

6、to the display module to display the final results.The hardware circuit design procedures, mainly solves several problems as follows:1, the heart rate signal by infrared photoelectric sensor acquisition, after two grade general raw signal amplification, shaping by comparison circuit, output the puls

7、e wave signal microcontroller better recognition;2, the temperature signal by a single temperature sensor 18B20 acquisition, acquisition data through the conversion into a temperature measurement results at last, microcontroller output temperature;3, the measurement results are output in digital for

8、m, one of 3 digital tube display results, read the measurement results of simple accurate;Combining the 4, keys and program, the heart rate meter and thermometer function switching more convenient.Keywords:heartrate, body temperature,single chip,infrared sensor,temperature sensor目 錄摘 要IAbstractII目 錄

9、IV1 緒 論11.1 選題背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢21.3 論文結(jié)構(gòu)概括32 設(shè)計方案及論證42.1 方案一42.2 方案二52.3 方案論證63 硬件電路概述及元器件介紹63.1 硬件電路總方框圖63.2 單片機(jī)模塊73.3 心率信號采集模塊103.4 體溫信號采集模塊153.5 顯示模塊183.6 功能選擇模塊234 程序設(shè)計244.1 主程序設(shè)計244.2 心率測試程序設(shè)計294.3 體溫測試程序設(shè)計345 設(shè)計完成及整體調(diào)試415.1 硬件電路的焊接及調(diào)試415.2 程序的下載及調(diào)試435.3 調(diào)試中的干擾456 總結(jié)和展望466.1 總 結(jié)466.2 展 望47

10、參考文獻(xiàn)48致 謝50附 錄1 設(shè)計總電路圖51附 錄2 設(shè)計實物圖52附 錄3 程序清單54附 錄4 外文文獻(xiàn)及翻譯691 緒 論1.1選題背景及意義心率（Heart Rate）是用來描述心動周期的專業(yè)術(shù)語，是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)。 心率，現(xiàn)代漢語將心率解釋為“心臟跳動的頻率”。頻率就是在單位時間內(nèi)，某件事情發(fā)生的次數(shù)。兩種解釋合起來就是，心臟在一定時間內(nèi)跳動的次數(shù)，也就是在一定時間內(nèi)，心臟跳動快慢的意思。健康成人的心率為60100次/分，大多數(shù)為6080次/分，女性稍快；3歲以下的小兒常在100次/分以上；老年人偏慢。成人每分鐘心率超過100次（一般不超過 160次/分）

11、或嬰幼兒超過 150次/分者，稱為竇性心動過速。常見于正常人運(yùn)動、興奮、激動、吸煙、飲酒和喝濃茶后。也可見于發(fā)熱、休克、貧血、甲亢、心力衰竭及應(yīng)用阿托品、腎上腺素、麻黃素等。如果心率在 160220次/分，常稱為陣發(fā)性心動過速。心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），稱為竇性心動過緩?？梢娪陂L期從事重體力勞動和運(yùn)動員；病理性的見于甲狀腺機(jī)能低下、顱內(nèi)壓增高、阻塞性黃疸、以及洋地黃、奎尼丁或心得安類藥物過量或中毒。如心率低于40次/分，應(yīng)考慮有房室傳導(dǎo)阻滯。心率過快超過160次/分，或低于40次/分，大多見于心臟病病人，病人常有心悸、胸悶、心前區(qū)不適，應(yīng)及早進(jìn)行詳細(xì)檢查，以便針對病因進(jìn)行治

12、療。體溫是指機(jī)體內(nèi)部的溫度。人體的溫度是相對恒定的，正常人在24小時內(nèi)體溫略有波動，一般相差不超過1度。生理狀態(tài)下，早晨體溫略低，下午略高。運(yùn)動、進(jìn)食后、婦女月經(jīng)期前或妊娠期體溫稍高，而老年人體溫偏低。體溫高于正常稱為發(fā)熱，37.338攝氏度為低熱，38.139攝氏度為中度發(fā)熱，39.141攝氏度為高熱，41攝氏度以上為超高熱。人體溫度相對恒定是維持人體正常生命活動的重要條件之一，如體溫高于41攝氏度或低于25攝氏度時將嚴(yán)重影響各系統(tǒng)（特別是神經(jīng)系統(tǒng)）的機(jī)能活動，甚至危害生命。機(jī)體的產(chǎn)熱和散熱，是受神經(jīng)中樞調(diào)節(jié)的，很多疾病都可使體溫正常調(diào)節(jié)機(jī)能發(fā)生障礙而使體溫發(fā)生變化?？梢?，心率和體溫是人體中

13、非常重要的生命信息，與人體的健康問題息息相關(guān)，及時檢測人體的心率及體溫狀況，觀察其變化對診斷疾病或預(yù)防疾病有重要意義。鑒于此，特選擇了基于單片機(jī)的數(shù)字人體心率計作為畢業(yè)設(shè)計。本設(shè)計是以51單片機(jī)作為主控制芯片，用于實現(xiàn)驅(qū)動傳感器、信息加工計算和驅(qū)動數(shù)碼管顯示結(jié)果等功能，而心率信號和體溫信號分別由紅外光電傳感器和18b20溫度傳感器采集，由數(shù)碼管顯現(xiàn)最終結(jié)果，是集心率測量和體溫測量與于一體的數(shù)字式電子設(shè)備。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢近年來，全球醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，貿(mào)易往來活躍，平均增速達(dá)7%左右，是同期國民經(jīng)濟(jì)增長速度的兩倍左右。醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)作為全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭的焦點領(lǐng)域，其競爭正在向

14、技術(shù)、人才、管理、服務(wù)、資本、標(biāo)準(zhǔn)等多維度、全方位拓展。與發(fā)達(dá)國家相比，我國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)鏈條不完整，整體競爭力弱，基礎(chǔ)產(chǎn)品綜合性能和可靠性存在一定差距，部分核心關(guān)鍵技術(shù)尚未掌握，在產(chǎn)業(yè)競爭中處于不利地位。醫(yī)療器械是典型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有高新技術(shù)應(yīng)用密集、學(xué)科交叉廣泛、技術(shù)集成融合等顯著特點，是一個國家前沿技術(shù)發(fā)展水平和技術(shù)集成應(yīng)用能力的集中體現(xiàn)，是帶動和引領(lǐng)多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的重要引擎。當(dāng)前，國際醫(yī)療器械領(lǐng)域的科技創(chuàng)新高度活躍，電子、信息、網(wǎng)絡(luò)、材料、制造、納米等先進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新成果向醫(yī)療器械領(lǐng)域的滲透日益加快，創(chuàng)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。但是，由于創(chuàng)新能力薄弱，創(chuàng)新體系不完善，產(chǎn)學(xué)研醫(yī)結(jié)合不

15、緊密，我國醫(yī)療器械科技發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家存在較大差距。提高自主創(chuàng)新能力、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要階段，也是進(jìn)一步深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革的攻堅時期。醫(yī)療器械是醫(yī)療衛(wèi)生體系建設(shè)的重要基礎(chǔ)，具有高度的戰(zhàn)略性、帶動性和成長性，其戰(zhàn)略地位受到了世界各國的普遍重視，已成為一個國家科技進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。單從心率計方面來講，一般屬于心電機(jī)的一部分，且常用于醫(yī)院等一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)，專門測量心率的儀器并不多，但隨著時代的進(jìn)步和社會的發(fā)展，心率計的應(yīng)用也越來越廣泛，在病人監(jiān)控、臨床治療及體育競賽等方面都有著廣泛的應(yīng)用。在未來的應(yīng)用中，心率計也將朝著精度高、輕型化、一體化、可視化、可控化等

16、適合在家庭和社區(qū)條件下使用的方向發(fā)展。目前的應(yīng)用最為廣泛的體溫計就是大家所熟知的水銀體溫計，具有精度高、使用簡單、價格低廉等優(yōu)點，但同時也具有水銀污染嚴(yán)重、監(jiān)測不方便等缺點，故在研究人員不斷研究下產(chǎn)生了電子體溫計，且迅速得到認(rèn)可，正在向著數(shù)字化和一體化方向發(fā)展。1.3論文結(jié)構(gòu)概括從提出問題到解決方案，再到最終完成，論文對設(shè)計的硬件電路、程序設(shè)計和調(diào)試等方面進(jìn)行了詳盡的敘述，大體的結(jié)構(gòu)安排如下：第1章介紹了選題的背景及意義，提到了心率和體溫是人體中非常重要的生命信息，與人體的健康問題息息相關(guān)，及時檢測人體的心率及體溫狀況，觀察其變化對診斷疾病或預(yù)防疾病有重要意義。第2章根據(jù)問題提出了兩個設(shè)計方案

17、，經(jīng)過論證之后，決定采用紅外光電傳感器采集心率信號、DS18B20溫度傳感器采集體溫信號、3位一體數(shù)碼管顯示最終測試結(jié)果的方案。第3章重點介紹和分析了設(shè)計的硬件電路，整個設(shè)計分為五大模塊：單片機(jī)模塊、功能選擇模塊、心率信號采集模塊、體溫信號采集模塊和顯示模塊，各個元器件的選擇和使用情況都有詳盡的說明。第4章運(yùn)用流程圖和部分代碼，介紹了設(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn)過程，包括主程序的實現(xiàn)流程和各分程序的運(yùn)行過程。第5章是對設(shè)計的調(diào)試過程，從硬件電路的焊接及硬件電路的仿真到程序的下載及測試，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中出現(xiàn)的問題并提出解決方案，使設(shè)計更加實用。第6章進(jìn)行了總結(jié)和展望。在生活節(jié)奏快速、心腦疾病多發(fā)的時代下，此

18、設(shè)計對診斷疾病或預(yù)防疾病有著重要意義。同時，提出設(shè)計還有很多需要改進(jìn)的地方，且還有很大的研究空間。2 設(shè)計方案及論證2.1方案一采用壓力傳感器采集心率信號、模擬溫度傳感器AD590J采集體溫信號、LCD1602顯示結(jié)果。2.1.1設(shè)計思路（1）根據(jù)設(shè)計要求，采用89C51單片機(jī)作為主控芯片；（2）心率和體溫的顯示使用LCD1602；（3）采集的心率信號經(jīng)過放大和整形后，送入單片機(jī)；2.1.2硬件設(shè)計方框圖根據(jù)設(shè)計要求與設(shè)計思路，方案一的硬件電路設(shè)計框圖如圖2.1所示。51單片機(jī)模塊模式選擇模塊壓力心率信號采集模塊1602顯示模塊AD590J體溫信號采集模塊圖 2.1 方案一方框圖2.2方案二采

19、用紅外光電傳感器采集心率信號、DS18B20溫度傳感器采集體溫信號、3位一體數(shù)碼管顯示最終測試結(jié)果。2.2.1 設(shè)計思路（1）根據(jù)設(shè)計要求，采用89C51單片機(jī)作為主控芯片；（2）用溫度傳感器DS18B20采集的溫度信號和用紅外對管采集的心電信號直接 送入單片機(jī)處理；（3）心率和體溫的顯示采用數(shù)碼管顯示。2.2.2 硬件設(shè)計框圖方案二的硬件設(shè)計方框圖如下圖所示：51單片機(jī)模塊模式選擇模塊紅外光電心率信號采集模塊數(shù)碼管顯示模塊DS18B20體溫信號采集模塊圖 2.2 方案二方框圖2.3 方案論證方案一采用壓力傳感器采集心率信號傳出的電信號比較微弱，測量難度大，且容易受外界干擾；顯示模塊采用160

20、2顯示，從價格方面考慮，不是理想選擇。相對于方案一，方案二采用紅外光電對管采集心率信號抗干擾能力較強(qiáng)，測量到的心率波形比較穩(wěn)定，波形也很好；DS18B20溫度傳感器使用比較簡單普遍；同時數(shù)碼管的確是價格便宜實用性較強(qiáng)。綜上所述，本設(shè)計采用方案二。3 硬件電路概述及元器件介紹3.1 硬件電路總方框圖硬件電路總方框圖如下所示，整個設(shè)計分為五大模塊：單片機(jī)模塊、功能選擇模塊、心率信號采集模塊、體溫信號采集模塊和顯示模塊。其中，功能選擇模塊用于心率測量和體溫測量的選擇。電源模塊復(fù)位電路晶振電路單片機(jī)模塊功能選擇模塊心率信號采集模塊顯示模塊體溫信號采集模塊圖 3.1 硬件電路總方框圖3.2單片機(jī)模塊3.

21、2.1單片機(jī)模塊方框圖及電路圖單片機(jī)模塊主要由三部分組成，即STC89C51單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路為單片機(jī)提供合格的時鐘信號，在該設(shè)計中使用的晶振頻率為12M；復(fù)位電路分為上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種，功能是是單片機(jī)恢復(fù)到最初的狀態(tài)。STC89C51單片機(jī)晶振電路復(fù)位電路 圖 3.2 單片機(jī)模塊方框圖及電路圖3.2.2 STC89C51單片機(jī)簡介51單片機(jī)是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公

22、司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。圖 3.3 51單片機(jī)引腳圖51單片機(jī)的功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)8位CPU4kbytes程序存儲器（ROM） （52為8K）128bytes的數(shù)據(jù)存儲器（RAM） （52有256bytes的RAM）32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個專用寄存器2個可編程定時/計數(shù)器5個中斷源，2個優(yōu)先級（52有6個）一個全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB外部程序存儲器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40

23、PinDIP封裝單一+5V電源供電 圖 3.4 51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最佳振蕩頻率為6M12M。3.

24、3 心率信號采集模塊3.3.1 心率傳感器分類及紅外脈搏傳感器原理心率傳感器就是能感受外周血管搏動并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，心率傳感器分為：紅外脈搏傳感器、心率脈搏傳感器、光電脈搏傳感器、腕部脈搏傳感器、數(shù)字脈搏傳感器、心音脈搏傳感器、及集成化脈搏傳感器等等。其中應(yīng)用比較廣泛的是紅外脈搏傳感器，其工作原理是利用特定波長紅外線對血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積的變化的敏感特性，檢測由于心臟的跳動，引起指尖的血液變化，經(jīng)過信號放大、調(diào)整等電路處理。主要應(yīng)用于臨床上脈率的測量、監(jiān)測和脈搏波的病理分析。3.3.2 心率采集模塊電路圖在此設(shè)計中，使用光電傳感器將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，此裝置做成指套用

25、在指尖上。光電傳感器一側(cè)的發(fā)光二極管放射紅外光，當(dāng)脈搏跳動時，指尖的動脈血管血容量發(fā)生周期性變化，透過指尖的紅外光強(qiáng)度同時發(fā)生變化。另一側(cè)的光電三極管將接收到的紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號。但由于光電傳感器接收到的脈搏信號極其微弱，僅有幾個毫伏，需要進(jìn)行放大。同時，為了使單片機(jī)更好地識別，加入了比較器使輸出信號為方波。具體如下圖所示。圖 3.5 心率信號采集模塊電路圖3.3.3 關(guān)于放大及整形在電路的設(shè)計中采用運(yùn)算放大器進(jìn)行了兩級放大處理。如下圖所示，對于第二級放大器，采用同相負(fù)反饋的接法，單電源供電，放大光電三極管中的微弱交流小信號，需要加的偏置電壓由R9提供，同時還起到了分流的作用。電壓的放大倍

26、數(shù)最終由R10和R11的比例來決定。圖 3.6 二級放大電路圖由于V- = V+，V+=Vin，V-= R11/(R10+R11)Vout （電阻分壓），故：Vin= R11/(R10+R11)Vout，Vout/Vin=AV （放大倍數(shù)），AV= （R10+R11）/R11= 50，即放大的倍數(shù)為50倍。第一級的放大倍數(shù)與第二級一樣，也為50倍。同時，電壓信號在輸入兩級放大器之前都加了一個4.7uF的濾波電容，其目的是濾去外界對干擾信號，兩級放大器之間采用電耦合，隔離兩級放大器直流工作點的相互影響，并減少零點漂移。當(dāng)然，為了使輸出的電壓信號更加的穩(wěn)定，在兩級放大電路之后又增加了如下的電路。圖

27、 3.7 穩(wěn)定電路圖經(jīng)過上述的電路放大之后，其輸出的波形如下圖所示，是相對穩(wěn)定的鋸齒波。圖 3.8 波形圖但為了使單片機(jī)更加準(zhǔn)確的識別電壓信號，需要將其進(jìn)行整形處理成脈沖方波形式，故增加了一個比較器，如下圖所示：圖 3.9 比較電路3.3.4 低功率運(yùn)算放大器MCP6004MCP6004運(yùn)算放大器是專門為各種通用應(yīng)用設(shè)計的，且在設(shè)計中采用了Microchip先進(jìn)的CMOS工藝。具有的特征：1MHz增益帶寬積；軌到軌輸入/輸出；提供電壓1.8V至5.5V；供電電流100A;90度相位容限等。其引腳及封裝圖如下所示。圖 3.10 MCP6004引腳圖其具體的引腳功能表如下：表 3.1 MCP600

28、4引腳功能表在設(shè)計中的應(yīng)用主要涉及范圍有：汽車、便攜式設(shè)備、光電二極管放大器、模擬濾波器、電池供電系統(tǒng)等。典型應(yīng)用如下圖：圖 3.11 典型應(yīng)用圖3.4 體溫信號采集模塊3.4.1體溫信號采集模塊電路圖 體溫信號采集模塊主要由一個上拉電阻和溫度傳感器DS18B20構(gòu)成，其中，上拉電阻的目的是使DS18B20更加穩(wěn)定的工作。圖3.12 溫度采集模塊電路圖3.4.2 DS18B20溫度傳感器介紹1、DS18B20基本知識 DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字

29、溫度計，十分方便。2、DS18B20產(chǎn)品的特點 （1）、只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 （2）、在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。 （3）、實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。 （4）、測量溫度范圍在55。C到125。C之間。 （5）、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。 （6）、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 3、DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.13所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2所示，DQ為數(shù)字信號輸入輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源

30、輸入端（在寄生電源接線方式時接地，見圖4）。 ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8X5X41）。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。64位ROM和一線端口存儲和控制邏輯高速暫存器8位CRC生成器溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器供 電選擇方式DQVDDINTERNAL VDD 圖3.13 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.14 DS18B20的管腳排列DS18B20中的溫度傳感器完成對

31、溫度的測量，用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。例如125的數(shù)字輸出為07D0H，25.0625的數(shù)字輸出為0191H，25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，55的數(shù)字輸出為FC90H。 高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的EEPROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下： R1、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為37

32、5ms；R1R0=“11”，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為750ms；未編程時默認(rèn)為12位精度。 高速暫存器是一個9字節(jié)的存儲器。開始兩個字節(jié)包含被測溫度的數(shù)字量信息；第3、4、5字節(jié)分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝，每一次上電復(fù)位時被刷新；第6、7、8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。3.5 顯示模塊3.5.1 顯示模塊的電路圖顯示模塊由三部分組成，數(shù)碼管、74LS573鎖存器、74LS138譯碼器。其中，譯碼器用于數(shù)碼管的位選擇。圖3.15 顯示模塊電路圖3.5.2 元器件簡介1、74LS573鎖存器74LS573是8位鎖存器，三態(tài)

33、總線驅(qū)動輸出：置數(shù)全并行存取，緩沖控制輸入，使能輸入有改善抗擾度的滯后作用。其原理如下：74LS573 的八個鎖存器都是透明的D型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。 圖3.16 74LS573引腳圖輸出enableLatch ENABLE啟用D輸出OLHHHLHLLLLXQ0HXXZ H

34、=高電平 L=低電平 =不定 Z=高阻態(tài) QO=建立穩(wěn)態(tài)輸入條件前Q的電平 表3.2 74LS573真值表管腳號功能D0D7數(shù)據(jù)輸入LE鎖存使能輸入（高電平有效）OE3態(tài)輸出使能輸入（低電平有效）O0O73態(tài)鎖存輸出表3.3 74LS573引腳功能表2、74LS138譯碼器（1）74HC138基本功能74LS138 為3 線8 線譯碼器，共有 54/74S138和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其74LS138工作原理如下： 當(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。（2）7

35、4LS138的作用:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器 圖 3.17 74LS138引腳圖 圖 3.18 74LS138譯碼器內(nèi)部電路（3）3線-8線譯碼器74LS138的功能表表 3.4 74LS138功能表 （4）74LS138邏輯圖無論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到74LS138的八個輸出管腳，任何時刻要么全為高電平1芯片處于不工作狀態(tài)，要么只有一個為低電平0，其余7個輸出管腳全為高電平1。如果出現(xiàn)兩個輸出管腳在同一個時間為0的情況，說明

36、該芯片已經(jīng)損壞。當(dāng)附加控制門的輸出為高電平（S1）時，可由邏輯圖寫出 圖 3.19 74LS138邏輯圖由上式可以看出，在同一個時間又是這三個變量的全部最小項的譯碼輸出，所以也把這種譯碼器叫做最小項譯碼器。71LS138有三個附加的控制端、和。當(dāng)、時，輸出為高電平（S1），譯碼器處于工作狀態(tài)。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，這三個控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起來以擴(kuò)展譯碼器的功能。3、LED數(shù)碼管數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）

37、；按能顯示多少個（8）可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數(shù)碼管。按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極（COM）的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極（COM）的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。圖 3.20 數(shù)碼

38、管引腳圖數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要58=40根I/O端口來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯

39、示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同

40、時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。3.6 功能選擇模塊功能選擇模塊的設(shè)置是為了更好地使設(shè)計在功能之間更好地互相切換，而不必不斷地初始化。功能選擇模塊實際為兩個共陰極的按鍵，電路圖如下所示。其中S2用于選擇心率測量模式還是體溫測量模式，S3是開始與結(jié)束功能鍵。圖 3.21 功能選擇模塊電路圖4 程序設(shè)計4.1 主程序設(shè)計 4.1.1 主程序流程圖首先單片機(jī)進(jìn)行初始化后，執(zhí)行的功能是由功能選擇模塊完成的，模式0為心率計，模式1為體溫計。在相應(yīng)的模式下選擇開始或結(jié)束，將執(zhí)行相應(yīng)的功

41、能。具體流程如下圖所示： 圖4.1 主程序流程圖4.1.2主程序測試程序主程序中模式選擇的測試程序如下：#include sbit key1=P10; sbit key2=P11; sbit led1=P20; sbit led2=P21; unsigned char mode; unsigned char begin; void choosemode() if(mode=0) if(key1=0) mode=1;while(key1=0); if(mode=1) if(key1=0) mode=0;while(key1=0); void main() mode=0; while(1) cho

42、osemode();switch(mode) case 0: if(begin=0) if(key2=0) begin=1; while(key2=0); led1=1; if(begin=1) if(key2=0) begin=0; while(key2=0); led1=0; break; case 1: if(key2=0) begin=1; while(key2=0); break; 4.2心率測試程序設(shè)計4.2.1 心率測試程序流程圖由于心率信號采集模塊的最終信號為方形波，即脈沖形式，則只需利用單片機(jī)的定時器功能進(jìn)行定時累計計數(shù)，定時時間為1分鐘，在此時間內(nèi)的計數(shù)結(jié)果就為所測心率。心

43、率測試程序流程圖如下所示：開始初始化時間小于1分鐘？有心率信號？累加計數(shù)顯示結(jié)果結(jié)束YNYN 圖4.2 心率測試程序流程圖4.2.2 心率信息采集模塊測試程序心率的測量只需檢測出心臟在一分鐘內(nèi)跳動的次數(shù)即可，所以需要使用單片機(jī)的定時器功能。由于在單片機(jī)的晶振電路中使用的晶振震蕩頻率為12MHz，一分鐘可以為60ms1000，使用定時器0方式1時，初值可以設(shè)為：TH0=(65536-60000)/256; TL0=(65536-60000)%256。具體測試程序程序如下所示。#includesbit key1 = P10; sbit en_smg1 = P22;sbit en_smg2 = P2

44、3;sbit en_smg3 = P24;unsigned char table = 0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F; /*數(shù)碼管的數(shù)字顯示*/unsigned char number;unsigned short int kk;void delay_50us(unsigned int t) unsigned int j; for(;t0;t-) for(j=19;j0;j-); void display_smg() en_smg3 = 1; en_smg2 = 1; en_smg1 = 1; P0 = table(numbe

45、r%100)%10; delay_50us(20); en_smg2 = 1; en_smg1 = 0; P0 = table(number%100)/10; delay_50us(20); en_smg2 = 0; en_smg1 = 1; P0 = tablenumber/100; delay_50us(20); void main() P1 = 0xff; TMOD=0x01; TH0=(65536-60000)/256; TL0=(65536-60000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1) display_smg(); if(kk=1000) if(key1=0) delay_50u