参考基于gsm（全球移动通信系统）的无线脉搏测量仪的设计

摘 要脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于全球移动通信系统（GSM）的脉搏测量仪。系统由采集终端和发送终端完成，采集终端以红外对管为传感器对人体的脉搏信号进行采集，调理后输出的信号由单片机 完成数据计算、显示功能。由光敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。根据计算得到的脉搏跳动次数，通过 GTM-900B 模块以短消息的方式向监控终端完成远程报警。实验测试结果表明: 系统运行中能显示脉搏次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。关键词：GTM-900B; 单片机; 远程监控; 光电传感器; Abstract Pulse meter in our daily life have got the very extensive application. In order to improve the simplicity and accuracy of the apparatus used to measure the pulse, this topic has designed a kind of based on global system for mobile communications (GSM) pulse measurement instrument. System consists of acquisition terminal and sending terminal, collection terminal to infrared tube for the sensor to collect the pulse signals of human body, regulate the output signal is completed by single chip microcomputer data after calculation, the display function. Produced by light activated triode induction pulse, microcontroller pulse is obtained by the pulse accumulation number, time by the timer timing. According to calculate the pulse of The Times, by GTM research - 900 - b module in the form of a short message to monitoring terminal complete remote alarm. Test results show that the system can display the pulse frequency and time, the system stops running, can display the total pulse frequency and time. After the test, the system works well, to meet the design requirements.Key words: GTM research - 900 - b; SMS; Remote monitoring; Photoelectric sensor; 目 录第1章 绪论11.1 选题的背景和意义11.2 国内外发展状况与应用11.3主要设计内容及预期目标3第2章 GSM 网络基础知识简介52.1 GSM网络简介52.2 SMS通信原理62.3 AT指令简介72.4 短消息的编码方式92.4.1 AT指令的 text mode92.4.2 PDU 结构92.5 SIM卡102.5.1 SIM卡简介102.5.2 SIM卡电路10第3章 系统硬件电路设计123.1系统硬件电路设计总思路及设计要求123.2设计方案的选定133.2.1系统方案设计133.2.2传感器的选择143.2.3显示器选择153.2.4 GSM模块的选择163.3单片机STC89C52最小系统173.3.1主要特性说明173.3.2引脚功能说明183.3.3复位电路设计223.3.4晶振电路设计223.4脉搏信号采集电路233.4.1光电传感器的原理233.4.2光电传感器的结构243.4.3光电传感器检测原理253.4.4信号采集电路的设计253.5信号放大整形电路263.5.1脉搏信号介绍263.5.2 放大整形电路的设计273.5.3 LM358介绍283.5.4单片机处理电路293.6 显示电路设计303.6.1 1602字符液晶简介303.6.2 1602字符液晶引脚说明313.6.3 1602液晶模块电路设计343.7 GTM900B网络模块电路的设计353.7.1 GTM900B模块简介353.7.2 GTM900B模块电源电路设计363.7.3 GTM900B模块与单片机连接电路设计373.7.4 GTM-900B模块电路38第4章 软件系统394.1 主程序流程394.2 定时器中断程序流程404.3 INT中断程序流程424.4 显示程序流程43第5章 系统测试及抗干扰措施455.1系统调试455.1.1系统硬件调试455.1.2系统软件调试475.2测试结果495.3抗干扰措施505.3.1环境光对脉搏传感器测量的影响505.3.2电磁干扰对脉搏传感器的影响515.3.3 测量过程中运动噪声的影响52总结53参考文献54致谢56附录1 GTM900B电路图57附2 脉搏计的总电路58III第1章 绪论1.1 选题的背景和意义 医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。针对上述的思考，有针对性的提出了本系统的设计方案基于GSM的智能脉搏监测系统。本系统不仅有效地解决了传统脉搏监测的缺点和不足，而且采用了远程报警和实时数据采集的设计理念。1.2 国内外发展状况与应用随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。早在1860年Vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成,脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设计。 过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。1.3主要设计内容及预期目标基于GSM的智能脉搏计设计主要是基于单片机对光电传感器的控制，以及将光电传感器测得的数据用LCD1602液晶显示出来，并且先对人体正常脉搏数据范围进行设置，若超出正常范围，则会报警，继而通过GTM900B网络模块将报警信息发到监测手机上。本系统主要包括主控模块、脉搏数据采集模块、显示模块、报警模块、GSM模块、以及系统软件等部分的设计。本设计所要完成的内容：1、 LCD1602能显示当前脉搏值；2、 LM358能对采集的脉搏计数据值进行放大；3、 超过设定的脉搏值范围能够报警；4、 能够通过GSM模块发送至监测手机。 本设计预期目标为能够实现对脉搏的实时测量并且误差控制在次/min内，灵敏度可通过滑动变阻器调节并能够实现GSM发送短信 第2章 GSM 网络基础知识简介2.1 GSM网络简介GSM全名为：Global System For Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称全球通，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络。众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。GSM系统包括 GSM 900（900MHz）、GSM1800（1800MHz） 及 GSM1900（1900MHz）等几个频段。我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准，此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代GSM技术（2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络）。GSM（全球移动通信系统）是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动电话系统。GSM使用的是时分多址的变体，并且它是目前三种数字无线电话技术（TDMA、GSM和CDMA）中使用最为广泛的一种。GSM将资料数字化，并将数据进行压缩，然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去，另外的两个用户数据流都有各自的时隙。GSM实际上是欧洲的无线电话标准，据GSM MOU联合委员会报道，GSM在全球有15亿的用户，遍布140多个国家和地区。GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。其技术最成熟及先进，并且具有可开通的移动通信业务种类多、手机接续速度快、通话质量好、安全保密性能强、抗干扰能力强、网络覆盖面广、可国际自动漫游等诸多优点。2.2 SMS通信原理GSM的短消息业务SMS(Short Message Service)与话音传输及传真一样同为数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，它通过GSM通信网所特有的无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息量限制为140个八位组(7比特编码为160个字符)。传送短消息业务的控制信道为专用控制信道。它不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发送给最终的用户。这适于把每次采集到的数据随时发送到监控中心。短消息业务可以使网络端知道被叫方是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络一侧（短消息服务中心）会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息能被重发以确保被叫方能收到。因此短消息业务作为GSM网络的一种主要的电信业务，它的信息传递是可靠的。短消息业务分为两种:一种是点对点短消息，在用户之间传送信息;另一种是小区广播短消息，类似于以前的寻呼，定期在一定的区域内重复广播交通流量、天气状况等信息。由于短信的可靠性，即时性以及费用低廉，短消息业务获得了广大用户的青睐，同时也成为了现代个人通信中一种不可缺少的方式。短消息通信仅限于一个消息，换言之，一个消息的传输就构成了一次通信。因此，业务是非对称的，一般认为移动起始短消息传输与移动终接短报文传输是两回事。这并不阻碍实时对话，但系统认为不同的消息彼此独立，消息的传输总是由处于GSM外部的短消息服务中心(SMSC)进行中继，消息有目的地或起源地，但只与用户和SMSC有关，而与其他GSM基础设施无关。短消息提供了一种小数据量、低成本、高可靠性的方便快捷通信方式。它是利用GSM系统通信令信道的空闲带宽，把消息发送到GSM的基站，再由短信中心处理存储发送到接收方。发送方不须等待接收方准备就绪，只要和基站联络好即可发送短信，基站收到后会自动与发送方确认，再发送给接收方确认，发送短消息的费用很低。正常情况下完成一次短信的发送时间大约20秒，但短信中心在向下发送时如遇基站忙，将把短信推后发送，头一次是几分钟，越往后推迟时间越长，因此在利用GSM发信时，要考虑畅通率与移动网业务是否繁忙有关，不过在大多数情况下畅通率可达98%，短消息能否成功发送还与终端所在地信号场强有关。2.3 AT指令简介AT命令集是调制解调器通信接口的工业标准，Al命令是调制解调器可以识别并执行的命令。AT命令简单、容易掌握，使用它可以配置调制解调器，配合通信软件工作，与远端系统通信，发起或答一个呼叫。使用AT命令设置调制解调器时，用户使用的通信软件必须提供一个到调制解调器的直接连接状态，使用户能够从命令行输入所需的命令，如在windows7下的“超级终端”中建立一个与串口的连接便可使用AT命令，也可直接用AT命令设置串口属性，通过串口控制调制解调器。AT命令集从TE或DTE向TA或DCE发送的。通过TA或TE发送AT命令来控制MS的功能，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT命令来进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。 GSM模块的通信全部采用AT+XXX的格式完成。常见的AT指令见表2-1AT指令功能AT握手指令ATI显示GSM模块信息AT+CPIN?检测是否有SIM卡（返回：+CPIN:READY表明正常）AT+CSQ查询信号（返回：+CSQ:26，0表明信号强度是10）AT+COPS?查询SIM卡移动提供商ATE1开回显ATD拨打任意号码ATA接听打入的电话AT+CNMI=2，1短信提示AT+CMGR=3读取指定“3”里的内容AT+CSCS=”GSM”采用GSM格式AT+CMGF=1发送文本短信AT+CMGF=0设置PDU模式，发送中文短信AT+CMGS=发送PDU短信AT+CMGS=”手机号”向输入的号码发短信，回复，收到后才可输入内容abc,再点“手动发送”，再输入“1A”发送，收到：+CMGS:11表示发送成功。 表2-1常见的AT指令。 2.4 短消息的编码方式2.4.1 AT指令的 text modeSMS短信的编码方式主要有三种方式:即block mode(块模式)，text mode(文本模式)和PDU(协议数据单元),模式。Text Mode 是纯文本方式，可使用不同的字符集，从技术上来说也可用于发送中文短信，但国内手机基本上不支持，主要用于欧美地区。Text模式的短信发送和接受实现比较简单,但不适合做自定义的数据传输,而且只能发送工码信息,如不需要传送中文则最好采用模式发送和接收短信息。采用Text模式发送接收短信息的步骤分为初始化模块,发送文本短信息和接收短信。Text模式下在设置了模式后，短消息可以直接发送（对方手机号+内容）而不需要进行编码，相应的程序设计也比较简单。对于GSM/GPRS模块之间的英文短信数据传输，Text模式是一个很好的选择，但缺点是不能处理中文信息,手机的支持范围小。2.4.2 PDU 结构GSM模块采用PDU格式收发和存贮短消息，PDU可理解为对于组成短消息的全部信息的一个数据包。其中包含的信息有：消息源地址、目标地址、发信时间、数据格式、使用的协议类型、正文。短消息中心地址可由各地移动通信公司取得，如中国移动通信哈尔滨分公司应为+86即哈尔滨地区短信息服务中心号码）。目标地址为数据接收端设备(手机或GSM调制解调器)的SIM卡号。源地址为数据发送端设备的SIM卡号，用户数据则为需传送的短消息正文。下面举例说明PDU格式的具体内容：PDU格式编码：手机号码（11位）+估计接入码86（2位）=13位，16进制表示0D，接入码中国地区91表示，短信在服务器存放时间A0。具体发送的PDU内容说明如下：例如，我们要将字符“Hi”(ASCII码为4569)发送到目的地。PDU字符串为：001100 0D 91 68 81525254447F3 0008 A0 4569前序 目的号码长度 国际 目的手机号码（两位一反） 8bit方式 允许时间 短信长度短信内容2.5 SIM卡2.5.1 SIM卡简介SIM卡是（Subscriber Identity Module 客户识别模块）的缩写，也称为智能卡、用户身份识别卡，GSM数字移动电话机必须装上此卡方能使用。它在一电脑芯片上存储了数字移动电话客户的信息，加密的密钥以及用户的电话簿等内容，可供GSM网络客户身份进行鉴别，并对客户通话时的语音信息进行加密。2.5.2 SIM卡电路GTM900B模块的SIM卡座采用的是Molex座，该座有8个管脚，而GTM900模块的SIM管脚只有6个管脚，如下图所示。其中编程端我们不用，其它的接口分别对应于 GTM900的 5 个管脚，SIM上的RESET、IO、CLK、VCC和GND通过SIM卡阅读器与GTM900的同名端直接相连。其接口示意图如下图： 图2-1 SIM卡接口电路图2-2所示为SIM座接口电路图，由图可以看出SIM座直接与GTM900模块的连接电路，在需要的地方加了电容进行滤波处理。 图2-2 SIM卡座接口电路 第3章 系统硬件电路设计3.1系统硬件电路设计总思路及设计要求单片机控制住脉搏信号的采集、脉搏信号的处理、脉搏值的显示以及脉搏值超值报警，通过串口用GSM模块将报警数据发送。主要利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。采集数据，通过液晶显示器显示数据，若超值会触发GSM模块将数据发送至监测手机。设计任务：基于单片机控制GSM模块GTM900B实现对野外温湿度的监测、显示、报警，以及数据的发送等功能。 设计要求：1：利用光电传感器对脉搏数据进行采集； 2：能够通LM358能对采集的脉搏计数据值进行放大。3：上电显示当前脉搏值。能够通过LCD1602显示当前的度，并且能够通过上下限的设置，达到超值报警的目的。 4：数据报警发送。能够实现报警时数据发送至检测手机。3.2设计方案的选定3.2.1系统方案设计按照系统设计功能的要求，确定系统有四个模块组成：主控制器、光电传感器采集电路模块、显示电路模块、以及GSM发送模块。如图3-1所示 图 3-1 总体电路框图 图3-1 系统总框图主控制器的功能由单片机来完成，主要负责处理光电传感器采集并经过LM358放大整形后得到的数据，并把处理好的数据送向显示模块。光电传感器传感器主要用来采集人体脉搏值，并把所采集的数值经过放大整形后送向主控制器。同时GSM模块会向监测手机发送短信，用来判断人体脉搏数值是否超出设定值。显示电路主要用LCD1602液晶显示。 3.2.2传感器的选择传感器是实现测量与控制的首要环节，是监测系统的关键部件。方案一：采用PVDF压电薄膜。PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。PVDF压电薄膜是一种柔软、质轻、高韧度塑料薄膜，可以根据需要制成各种形状，厚度的元件。与微电子技术结合，能制成多功能传感元件PVDF压电薄膜具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等优势。在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。产品主要有金、银、铝三个品种，膜厚30500m，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。机械品质因素低,阻尼小,密度低,具有宽带特性,能满足脉搏信号的频率特性。人体的脉搏频率非常低,约为0.54Hz,一般情况下为1Hz左右。由于PVdF膜的柔性及其厚度方向伸缩振动的谐振频率很高,使得在很宽范围内有平坦的频率响应(响应范围是0.1-100MHz)。因此,从理论上讲,PVdF换能器能检测微弱低频的脉搏信号.但是这种传感器价格昂贵，结构复杂。方案二：采用光电传感器。光电传感器即将非电量(红外光)转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系(通常是线性关系)转换成便于测量的物理量(如电压、电流或频率等)输出。这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。传感器包括一个红外发光二极管和红外接收三极管组成，并与一个高性能8位单片机相连接，因此，该产品具有品质卓越，超快响应，抗干扰能力强、性价比高等优点。综上所述，我们选择方案二作为本系统的传感器。3.2.3显示器选择显示器主要用来显示人体当前脉搏度。方案一：采用LED数码管。系统采用动态显示方式驱动4个数码管工作，其中4个数码管用来显示脉搏值，用两片74LS573锁存器分别控制段码和位码。通过数码管动态扫描，起到实时显示功能。LED数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，从而得到了广泛的应用。方案二：采用1602液晶屏。液晶屏显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形、液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在手提电脑、数字摄像机、PDA移动通信等众多领域。相对而言，液晶显示器显示质量高、体积小、功耗低等特点，而且其电路设计简单，操作更加方便。因此，我们选择方案二。3.2.4 GSM模块的选择GSM模块主要是用来发送温湿度监测的数据。方案一：采用西门子公司生产的TC35iTC35i是德国SIEMENS（西门子）公司的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.34.8V ，电流消耗休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值；可传输语音和数据信号, 功耗在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和1W ，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s115kb/s , 自动波特率为1.2kb/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复.方案二：采用华为公司生产的GTM900BGTM900-B是华为公司的一款双频EGSM900/GSM1800双频的GSM模块，品质卓越的通信模块。接收灵敏度-106dbm，正常工作温度-2070，电源工作电压3.3V4.8V（推荐值3.8V），兼容GSM/GPRS Phase2/2+支持华为GT800协议，支持GSM标准AT指令，以及华为扩展的命令V2.5 AT命令。40PIN FPC连接器UART 接口（最大串口速率可达115200bit/s）UART接口。标准SIM 卡接口（1.8或3V）两路模拟音频接口电源接口GSC射频天线连接器，支持FR、EFR、HR 和AMR 的语音编码支持免提通话，提供回声抑制功能，短消息业务，支持MO 和MT 点对点和小区广播短消息模式支持TEXT 和PDU。GPRS 数据业务，GPRS CLASS 10 编码方式CS1，CS2，CS3，CS4 最高速率可达85.6Kbit/s ，支持PBCCH 内嵌TCP/IP 协议，提供大容量缓存电路型数据业务，支持来电显示、呼叫转移、呼叫保持、呼叫等待、三方通话等集群功能。根据本设计要求，就是将数据发送至检测手机，两种GSM模块都支持文本模式和中文模式，相比较而言，GTM900灵敏度比较高，同时价格较TC35I便宜，因此本设计选择方案二的GTM900模块。3.3单片机STC89C52最小系统STC89C52是一种高性能、低功耗的CMOS八位微控制器，具有8K在系统在线可编程Flash存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品引脚和指令完全兼容。片上Flash允许ROM在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。3.3.1主要特性说明1. 增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051；2. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）； 3. 工作频率范围：040MHz；4. 用户应用程序空间为 8K 字节 ；5. 片上集成 512 字节 RAM ；6. 通用 I/O 口（32 个）复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻； 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序；8. 具有 EEPROM 功能； 9. 具有看门狗功能 ；10. 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2；11. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个 UART； 13. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）； 3.3.2引脚功能说明STC89C52的引脚图如图3-2所示。 图3-2 STC89C52引脚图和实物图VCC（40 引脚）：电源电压 VSS（20 引脚）：接地 P0 端口（P0.0P0.7 ，3932 引脚）：P0 口是一个漏极开路的8位双向 I/O 口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL 负载，对端口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编 在 程时，P0 端口接收指令字节端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节 则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1 端口（P1.0P1.7，18 引脚）：P1 口是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O 口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。作输入口使用时，因内部有上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（i）。 此外，P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器/计数器 2 的外部技术输入（P1.0/T2） 和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体参数见表3-3所示。在对 Flash ROM 编程和程序校验时，P1 接收低 8 位地址。引脚号功能特性P1.0T2 ( 定时器/计数器2外部计数输入 )，时钟输出P1.1T2EX ( 定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制 )表 3-1 P1.0 和 P1.1 引脚复用功能P2 端口（P2.0P2.7，2128 引脚）：P2 口是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O 端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4 个TTL输入。 对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。 P2 作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（i）。 在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如 执行“MOVX R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区 中的 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程和程序校验期间， P2也接收高位地址和一些控制信号。P3 端口（P3.0P3.7，1017 引脚）：P3 是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O 端口。P3 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL 输入。对端 口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3 做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流 在对 Flash ROM 编程或程序校验时，P3 还接收一些控制信号。 P3 口除作为一般 I/O 口外，还有其他一些复用功能如下表3-2所示。引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）表 3-2 P3 口引脚复用功能 复用功能RST（9 引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效， 用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功 能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。 ALE/ PROG（30 引脚）地址锁存控制信号：（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部 定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1” ，ALE操作将无效。这一位置“1” ，ALE仅在执行MOVX 或 MOV 指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN（29引脚）：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 STC89C52RD 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时， PSEN将不被激活。 EA/VPP（31 引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令，A必须接 GND。注意加密方式 1 时，A将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，A应该接 VCC。在Flash编程期间，A也接收12伏VPP电压。 XTAL1（19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2（18 引脚）：振荡器反相放大器的输入端。3.3.3复位电路设计RST引脚是单片机复位端，高电频有效。在引脚端输入至少连续两个单片机周期的高电频，单片机复位。使用时，在引脚与VSS引脚之间接一个10K的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约10F的电解电容，即可保证上电自动复位。本设计采用上点复位方式电路如图3-3所示。 图3-3复位电路3.3.4晶振电路设计单片机晶振的作用是为系统稳定提供周期性的时钟信号，一个晶振通常是一个系统共享，以使系统各部分保持同步，有些通讯系统的射频和基频使用不同的晶振，而是通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。设计中晶振电路如图3-4所示。 图3-4晶振电路 3.4脉搏信号采集电路 3.4.1光电传感器的原理根据朗伯一比尔(LamberBeer)定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此可以认为光透过手指后的变化由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。3.4.2光电传感器的结构传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。结构如图3-5所示。图3-5 透射式光电传感器 3.4.3光电传感器检测原理检测原理是: 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。3.4.4信号采集电路的设计图3-6是脉搏信号的采集电路，U3是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R21阻值的选取要求较高。R21选择270同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R21过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R21过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C8、C9串联组成的双极性耦合电容把它隔断。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为50次/分钟时，只有0.78Hz，200次/分钟时也只有3.33Hz，因此信号首先经R22、C10滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容C8、C9加到线性放大输入端。 图3-6 信号采集电路3.5信号放大整形电路3.5.1脉搏信号介绍由于光电传感器所输出的信号波源强度比较弱，且为类似于正弦波波形，如图3-7所示，所以对信号进行放大整形处理，使其以较强方波形式输出。图3.-7脉搏仿真信号正弦波3.5.2 放大整形电路的设计 图3-8放大整形电路 图3-9整形后的方波图3-10为脉搏信号在放大整形前后的对比。图3-10 脉搏信号对比3.5.3 LM358介绍LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(330V)双电源(1.5 一15V)低功耗电流，适合于电池供电 低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 图3-11 LM358管脚图3.5.4单片机处理电路如图3-12所示，本部分运用了ATMEL公司的89C51单片机作为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以根据实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C51的P3.2引脚，单片机设为下降沿中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行计时，来一个脉冲脉搏次数就加一；定时器中断主要完成十秒钟的定时功能。单片机对十秒钟内的脉冲次数进行累加并进行计算得出所测人一分钟的脉搏次数，通过P0、P1口把测量过程和结果送到液晶显示出来。图3-12单片机处理电路3.6 显示电路设计3.6.1 1602字符液晶简介1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7