单片机原理及接口技术课程设计-电子血压计设计.doc

辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 电子血压计设计 院（系）： 新能源学院 专业班级： 电气141 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.06.22-2015.7.05 本科生课程设计（论文）vi课程设计（论文）任务及评语院（系）：新能源学院 教研室：电气教研室学 号学生姓名专业班级电气141课程设计（论文）题目电子血压计设计课程设计（论文）任务该电子血压计能够快速简便地测量并显示血压值和脉搏，测量范围： 压力（20mmhg300mmhg） 脉搏数：30200）次/分。设计任务：1. cpu最小系统设计（包括cpu选择，晶振电路，复位电路）2. 压力传感器选择及接口电路设计3. 显示电路设计4 . 程序流程图及程序清单编写技术参数：1压力测量范围（20mmhg300mmhg），脉搏数：30200）次/分2工作电源5v设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，度检测电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 cpu最小系统设计第5天 压力传感器选择及接口电路设计第6天显示电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要血压是极为重要的健康指标，血压测量的准确与否直接关系到人们的健康。现代人患心血管疾病呈低龄化趋势，随时关注我们的血压状况对我们百利无害。因此开发设计一种价格低廉、功耗低的电子测压计显得尤为必要，单片机以其卓越的性能，得到广泛的应用，以深入到各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，在医学方面更是得到了较好的应用。本论文讨论了以at89c51单片机为核心的电子血压计测量原理。气泵给气囊充气后通过感器传的电压经放大、滤波得到脉搏信号，然后再计算出收缩压和次数，并通过单片机接口显示出来。首先理论设计了血压测量系统的总体设计方案,该方案硬件电路以at89c51单片机为核心，包括信号采集处理电路，控制按钮电路和显示电路等几大部分。本文对以上几个部分的软硬件设计作了详细的阐述，介绍了核心芯片的选型，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件程序。讨论说明了各部分电路点的工作原理，以及其软硬件的具体设计。关键词：单片机；血压计；传感器；软硬件目 录第1章 绪论11.1 血压计的研究现状11.2 本文研究内容1第2章 cpu最小系统设计22.1 电子血压计的总体设计方案22.2 cpu的选择22.3 复位电路设计42.4 时钟电路设计42.5 cpu最小系统图5第3章 系统输入输出接口电路设计63.1 压力传感器的选择63.2 压力检测接口电路设计63.2.1 a/d转换器选择63.2.2 压力传感器检测接口电路图73.3充气pump控制电路73.4人机对话接口电路设计8第4章 系统软件设计104.1 软件实现功能综述104.1.1 主程序流程图设计104.1.2 数据显示流程图设计11第5章 系统设计与分析125.1 系统硬件原理图125.2 系统原理综述12第6章 课程设计总结13参考文献14ii第1章 绪论1.1 血压计的研究现状测量血压的仪器称为血压计。血压计可分为直接式和间接式两种。两种血压计的工作原理是不相同的，直接式是用压力传感器直接测量压力变化；间接式的工作原理则是控制从外部施加到被测部位上的压强，并将控制的结果与其相关的柯氏音的产生和消失的信息加以判断。前者不管对动脉或静脉都可连续测试，而后者只能测量动脉的收缩压和舒张压。 目前，市场上的使用的血压计大部分仍是水银血压计，也有一些动态血压记录仪。水银血压计每次测量必须由医生戴上听诊器进行测量，测量过程复杂；而且对不同的医生，测量结果可能不同：对同一个人来说，影响血压因素非常多，由于每次测量的时间不可能很长，测得结果在某些情况就不能真实的反映被测对象的血压值。在动态血压检测中干扰和伪差是不可避免的。目前市场上的大部分动态血压记录仪，只记录每次测量的结果，医生面对的是一批真伪难辩的数字。1.2 本文研究内容本设计为了能够实现对血压的测量，设计了基于单片机的电子血压控制系统，系统以at89c51单片机为核心，外接辅助电路，通过实现压力传感器的采集和显示，设计了便携式的电子血压计。本文通过重点研究以下内容来实现系统的设计：(1)对系统的总体方案进行了设计，包括单片机最小系统、压力传感器选择及接口电路设计以及显示电路设计等。(2)通过学习protel绘图软件，完成系统硬件电路接口图的设计。(3)最后完成设计文档的编写和设计总结。第2章 cpu最小系统设计2.1 电子血压计的总体设计方案电子血压计需满足以下要求：（1) 压力测量范围（20mmhg300mmhg），脉搏数：30200）次/分；（2)压力传感器检测得到的数据可以通过显示模块显示；（3)有按键设计，启动和关闭血压计工作。硬件设计不仅要满足系统需求，还要满足功能和外形尺寸要求。本设计的控制系统框图如图2-1所示：图2.1 系统总体框图其中各模块功能如下：(1)压力传感器模块传感器部分是本系统主要外界输入部分，通过传感器将采集的压力数据输入到单片机。(2)按键控制模块按键输入部分能够根据不同的相对要求，分别显示血压值和脉搏值。(3)数据显示部分显示部分，可以通过按键的选择，不仅能够通过led显示血压值，通过数据处理后，显示脉搏值。2.2 cpu的选择根据设计要求以及设计内容，本设计选用at89c5作为控制单元，它是和mcs51单片机相兼容的，高性能的8位cmos微控制芯片，采用40引脚dip封装，片内带有4kb的快闪可编程、擦除只读存储器（fperom）。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与mcs-51指令系统完全兼容 ，片内fperom允许对程序存储器在线重新编程。具有超强的加密功能，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。at89c51的管脚图如图2-2所示。图2.2 at89c51管脚图at89c51的管脚说明如下：p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。2.3 复位电路设计单片机复位通过外部的复位电路实现。复位引脚rst通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的s5p2，施密特触发器输出电平有复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电复位和按键复位两种方式。本设计采用上电复位，上图中c3为22uf，r3取1k。当电源接通时只要vcc的上升时间不超过1ms，就能实现自动上电复位本系统的复位电路为手动复位，复位电路图如2.3所示。图2.3 复位电路原理图2.4 时钟电路设计电路中的电容c1和c2典型值通常选择为30pf左右。对外接电容的值虽没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快。了提高温度稳定性应采用温度稳定性能好的电容。原理图如图2.4所示。图2.4 时钟电路原理图这里我们采用电容为22pf，其晶振频率为11.0592hz，与单片机内部晶振频率基本是保持一致的。2.5 cpu最小系统图根据以上几个小节的描述，cpu最小系统的原理图如图2.5所示。图2.5 单片机最小系统原理图第3章 系统输入输出接口电路设计3.1 压力传感器的选择压力传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类压力传感器的性能参数加以选择。一般要选用有温度补偿作用的压力传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。本设计要实现的数字气压计显示的是绝对气压值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的压力传感器。经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。mpx4115可以产生高精度模拟输出电压。数据采集模块由压力传感器mpx4115构成。其中1脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。数据采集模块的原理如图如图3.1所示。图3.1 mpx4115接口图mpx4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0-85的温度下误差不超过1%，温度补偿是-40-125。3.2 压力检测接口电路设计3.2.1 a/d转换器选择本设计选用adc0832作为a/d转换器，它是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道a/d转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用adc0832 可是使我们了解a/d转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。8位分辨率双通道a/d转换输入输出电平与ttl/cmos相兼容5v电源供电时输入电压在05v之间工作频率为250khz，转换时间为32s，其功能项见官方资料。 3.2.2 压力传感器检测接口电路图本设计中采用mpx4511与adc0832作为转换接口，其与单片机at8c51连接图如下3.2所示。图3.2 adc0832与单片机接口原理图3.3充气pump控制电路pump control讯号控制pump动作，r27为限流电阻。具体工作方式：由ic的4脚输出一个低电平约（0.6v）信号，经q1导通，vbt为q1提供3v的电压，q1导通输出一个3.2v的电压经pump，使pump导通。d1为保护二极管，使pump能稳定工作，当充气到200kpa时，开始漏气，如图3.3所示。图3.3充气pump电路图3.4人机对话接口电路设计本课程设计中，为了实现人机交互，我们设计了按键电路和显示电路。其中按键显示模块为用户提供了人机交互的通道，用户可以通过按键启动测量仪，以及通过按键选择显示血压值还是脉搏数值的显示功能，其电路图如图3.3所示。图3.4按键选择电路图显示模块能够显示血压值和脉搏值，数码管选择共阳极，显示范围为09999。数码管显示分为动态和静态两种方式。动态显示接线较少，但占用cpu资源较多；相反，静态显示程序简单，却占用i/o口多。数码管要不停的刷新显示，故本次设计中采用动态扫描的显示方式。数码管的片选信号接m74hc164的输出口，m74hc164的数据接口a、b接p2.4口，脉冲clk接p2.3口。位选信号由单片机的p1.5、p2.5口来控制。在数码管的共阴极端接三极管将流经数码管的电流引到地，其与单片机的接口图如图3.5所示。图3.4显示电路设计图第4章 系统软件设计4.1 软件实现功能综述系统单片机代码采用c语言进行编程，以keil uv4作为开发和调试环境。系统软件实现的功能：1) a/d压力数据转换功能；2)利用按键开启和关闭血压计；3) 利用按键，通过led显示压力值和脉搏值。4.1.1 主程序流程图设计主程序的流程图如图4.1所示：开始系统初始化压力数据采集处理得到数据和脉搏值送led显示结束图4.1主程序流程图从图4.1知，主要完成系统开机后进行初始化，然后启动压力传感器工作，读取压力传感器数据，根据相关计算公式，分别计算压力值和脉搏数值，通过按键，分别显示压力值和脉搏值。 湿度检测部分主要通过温湿度传感器部分进行，启动加湿器后通过温湿度传感器采集的模拟信号经a/d转换后由单片机输送至显示器。湿度检测流程图如4.2所示：开始初始化函数a/d转换器进行a/d转换转换为压力值，计算响应脉搏数值返回图4.2 a/d转换流程图4.1.2 数据显示流程图设计本设计采用led作为显示单元，主要是显示血压力数据和脉搏数据信息，其显示流程图如4.3所示。开始系统初始化调用压力和脉搏处理子程序调用显示子程序调用扫描按键程序图4.3显示流程图第5章 系统设计与分析5.1 系统硬件原理图根据设计的需求，本设计的硬件原理图如图5.1所示。图5.1 系统原理图5.2 系