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安安徽徽机机电电职职业业技技术术学学院院毕毕 业业 论论 文文心率计的设计心率计的设计 系 别 电 气 工 程 系 专 业 应用电子技术 班 级 电子 3101 姓 名 张 燕 学 号 1301103021 指导教师 黄 鹏 2012 2013 学年第 一 学期安徽机电职业技术学院毕业论文指导教师评语指导教师评语等级等级签名签名日期日期安徽机电职业技术学院毕业论文摘摘 要要心率一般是指人一分钟心跳的次数，它是反映人体循环系统机能的重要参数，因此，对心率进行测量，在临床上具有重要的意义。论文首先介绍了心率计系统的基本原理，接着确定了设计方案。设计方案以单片机为核心，还包括 led 显示电路模块、传感器整形放大电路。阐述了软硬件方面心率计系统开发的整个过程以及相关的技术问题。本系统硬件部分采用压电陶瓷传感器，将人微弱的脉搏信号转换为电脉冲信号，确定用 at89c51 单片机对电脉冲信号进行计数，用8155 芯片扩展 i/o 口并作为 led 显示接口，并用 74ls244 缓冲器提高驱动能力。软件部分用汇编语言对单片机进行编程，主要实现了定时、计数中断以及字型码转换。软硬件调试成功，系统运行正常，能较准确地测量人的一分钟心率值。关键词关键词：心率 at89c51 单片机 传感器 led 显示器 安徽机电职业技术学院毕业论文the design of heart rate monitor by using microcontrollerabstractthe heart rate generally means peoples heart beating times in one minute. it is the important parameter that reflects the human body circulatory system function, therefore carrying on accurate diagraph to the heart rate has the great significance on the clinic.the thesis introduced the basic principle of the heart rate counts system first, and then has determined the design proposal. the design proposal takes the monolithic integrated circuit as a core, but also includes the led display circuit module, the sensor reshaping enlargement electric circuit. it elaborated the entire development process from the software and hardware aspect of the heart rate counting system, as well as the correlation technical question. this system hardware segment uses the piezoelectricity ceramics sensor which transforms the persons weak pulse signal into the electrical pulse signal. it counts the electrical pulse signal by the at89c51 monolithic integrated circuit. the system uses 8155 chips, the expanding i/o port, as the led display connection port, and the 74ls244 buffer enhances the driving electric voltage. software segment carries on the programming with the assembly language to the monolithic integrated circuit, mainly realized, and has fixed time counted the severance as well as the font code transformation. the software and hardware debugs successfully and the system movement is normal. it can accurately survey a persons minute heart rate value.keywords: heart rate; at89c51 single chip microcomputer; transducer; led display安徽机电职业技术学院毕业论文目录目录摘要.iiabstract.iii第一章 绪论.11.1 本课题的意义.11.2 脉搏波的理论概述.21.3 本课题的主要工作及目标.3第二章 方案设计及论证.42.1 方案设计论证.42.1.1 心率测量方法简介.42.1.2 总体方案设计.42.2 心率计系统硬件框图.52.3 心率计系统工作原理.5第三章 心率计系统硬件设计.63.1 系统硬件组成及原理图.63.2 单片机 at89c51.63.2.1 at89c51 的主要性能.63.2.2 at89c51 的引脚功能.73.2.3 at89c51 的内部结构.93.3 传感器介绍及整形放大电路.113.3.1 传感器简介.113.3.2 整形放大电路的设计.123.4 led 显示接口电路 .133.4.1 led 显示器简介 .143.4.2 8155 芯片介绍.153.4.3 74ls244 缓冲器芯片介绍.20第四章 心率计系统软件设计.224.1 软件设计思路及流程图.22安徽机电职业技术学院毕业论文4.2 at89c51 编程.244.2.1 定时器/计数器工作方式寄存器(tmod).244.2.2 中断允许控制寄存器(ie).244.2.3 定时器控制寄存器(tcon).244.2.4 89c51 定时器计数初值的计算.254.3 8155 的初始化及有关编程.254.3.1 8155 的命令/状态寄存器.254.3.2 8155 初始化.264.4 led 显示电路有关编程 .264.5 存储器及 i/o 口接口地址.27第五章 心率计的调试.285.1 调试方法.285.2 调试仪器.285.3 调试中遇到的问题及调试结果.28结束语.30参考文献.31附录.33致谢.36安徽机电职业技术学院毕业论文0第一章第一章 绪论绪论1.1 本课题的意义本课题的意义现代社会随着人们生活水平的提高，生活方式、膳食结构的改变，高血压、冠心病等心血管疾病已逐步成为医院临床上的常见病和多发病。据统计，目前我国城市人口中每 5 个成年人中就有 1 个人不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心脏与循环系统的不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、猝死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。中国每年有 100 万人死于脑卒中，并且有更多的人致残！特别是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。但是，世界卫生组织总干事曾讲过：“只要采取预防措施，最少有一半人的死亡是可以避免的。 ”医学专家甚至认为：“绝大部分人不是死于疾病，而是死于无知” 。他们再三提出告诫：不要死于愚昧，有很多意外本来是可以不发生的。要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的早期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大医学界专家在共同努力研究的重点。脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源。动脉搏动现象是人体循环系统动态过程中一个可检测的生物信号。测量脉搏即测量心率，心率指人体心脏每分钟搏动的次数，它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。根据心率值可以判断一个人是否患有如早搏、心动过速等几种常见的心脏病，同时心率值又是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。在临床上，心率值可通过普通心电图仪测试获得，但测定劳动强度时，这种心电图则无法应用于作业现场。而评定某岗位劳动强度大小最有效的方法就是测定该岗位操作者作业时的心率值。因此，设计一种简易、可显示心率值，并且有较强抗干扰能力的心率检测仪是十分必要的1。另外，随着我国各项改革的深入，医疗体制改革也在全国范围内逐步展开。对于医院方面来说，医疗市场的竞争和医 药分家的实施将势在必行。将来医院的收入将大部分由医生的诊断服务费和检查治疗费来实现。添置一些先进的、有效的、特有的医疗检查仪器设备，提高医院的竞争能力，将必然是大多数医院的选择。这就意味着是给医疗仪器、医疗器械的开发、研制、生产提供了一个非常广阔的发展空间。另一方面，对于患者来说，公费医疗制度的取消，使人们更加注重就医费用的问题。便宜、有效的检查方法往往是患者最愿意接受的2。心率计的应用非常地广泛，它可以为病人检测心率，医院监护系统中也有心率计的安徽机电职业技术学院毕业论文1广泛引用。由于医院住院病人的增加，医护人员无法对病人进行一对一的照顾。而重病病人在病情不稳定时，需要及时受到救治，否则后果不堪设想。医院住院病人心率检测和监护系统就是一个能及时提供病人健康状况的系统，它可以同时监控多个病人，也可以为需要特别监护的病人提供一对一的特别照顾。该系统是显示每分钟病人的脉搏次数，当心率值超过正常值或是低于正常值时（此时，情况可能危及到病人的生命） ，便发出警报，值班医生和护士能够第一时间看到病人的具体情况，并迅速赶到病房，采取救护措施，以挽救病人的生命。使用了这种监护系统可使一名医务人员无须在病房内，便可同时监测多名病人的病情，节约了大量的人力、物力，并能及时、准确地处理病情。应用的范围还主要包括： (1)各类设有自己医务室或内部医院的大中型企、事业单位。他们一般只做一些常规的身体检查，心率计正好可以满足他们定期职工体检和心脑血管疾病预防的需要。 (2)保健康复部门。本仪器具有的早期诊断，指导用药的功能对这些单位来说是非常有用的。 3)需要特殊环境下人体生命保障的场合。比如高原、高空、高压、高温等恶劣和人体极限的条件，是很容易诱发隐藏的心血管疾病突然发作，而造成严重后果的。可以对特殊环境工作人员进行事前检查或过程中监护，就能起至消除隐患，保障生命安全的作用2。1.2 脉搏波的理论概述脉搏波的理论概述 人体是一个统一的整体，心室周期性地收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式自主动脉根部开始沿整个动脉系统传播。脉搏波波型特征是评价人体心血管系统生理病理状态的重要依据。当脉搏波由心脏开始向动脉系统传播时，不仅要受到心脏本身的影响，同时也会受到流经各级动脉及分支中各种生理因素如血管阻力、血管壁弹性等的影响，因此脉搏波中包含有极丰富的心血管系统生理病理信息。脉搏波所呈现出的形态（波型） 、强度（波幅） 、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，很大程度上反映了人体心血管系统中许多生理病理的血流特性。脉搏波型包括一个升支和降支。升支是左心室射血时使动脉壁突然扩张所引起。在心室快速射血期，动脉血压迅速上升，壁管被扩张，形成脉搏波型中的上升支。上升支的斜率和幅度受射血速度、心输出量以及射血所遇阻力的影响，射血遇到的阻力大，心安徽机电职业技术学院毕业论文2输出量小，射血速度慢，则脉搏波型中上升支的斜率小，幅度也低；反之，射血所遇的阻力小，心输出量大，射血速度快，则上升支较陡，幅度也较大。大动脉的可扩张性减小时，弹性贮器作用减弱，动脉血压的波动幅度增大，脉搏波上升支的斜率和幅度也加大。主动脉瓣狭窄时，射血阻力高，脉搏波上升支的斜率和幅度都较小3。1.3 本课题的主要工作及目标本课题的主要工作及目标现有市场上的医用心率检测仪的价格都较贵，难以完全满足家庭社区保健监护的需要，因此，本设计主要目标在于设计一种价格较便宜功能较好的心率检测仪。本课题主要工作包括以下三个部分:1. 硬件电路设计根据心率计电路原理设计硬件电路，设计以 at89c51 芯片为核心处理单元的心率计的硬件电路，并完成硬件系统的调试。2. 软件设计软件设计分为三部分：第一部分为主程序，主要完成对堆栈的设置，计数和定时的设置，等待中断；第二部分为定时中断子程序；第三部分为显示子程序部分。3. 目标将人跳动的脉搏信号转换为数字信号，送入单片机进行处理，接着进行软件设计，使显示单元能够直观的显示出被测的心率。安徽机电职业技术学院毕业论文3第二章第二章 方案设计及论证方案设计及论证2.1 方案设计论证方案设计论证2.1.1 心率测量方法简介心率计首先是一种医用诊疗设备。心脏每收缩和舒张一次，心脏就跳动一次。单位时间内心跳的次数，称为心率。心脏一张一缩的搏动，像波浪一样沿着动脉壁管向远处传播，称为脉搏。正常人每分钟脉搏的次数跟心跳的次数一样。人的心跳速率，在安静时成人为 60100 次/分，运动或发烧时可增至 200 次/分。心率值检测方法常规方法是测量一分钟心跳的次数。心率测量方法大体上可以用两种方法实现：一种是以模拟电子电路来实现，包括脉冲信号取样电路、放大电路、整形电路、定时电路、计数译码驱动电路和显示电路4六个部分；一种是以单片机为核心的硬件电路来实现，本设计采用的是方案二。但是由于效率不高，所以越来越多的快速心率计被广泛使用。快速心率法的原理有两种：方案一是以基准时间为单位，并通过基准时间内测得的脉搏跳动次数和相关倍数，计算出每分钟的脉搏次数。这种方法存在测量时间长、误差较大，并不能观察短时间内的脉搏变化情况。若测量时间短，就会出现较大的误差，且时间越短，误差越大；方案二是采用采用一种以心跳间隔时间为基准的瞬时心率值法，结合先进的单片机测频技术，从而可以保证在几秒内得到精确的每分钟心率值。快速心率值的测量方法主要有两种，可以测量心电，即根据心电图上相邻两次波形之间的间隔时间来计算心率值，只要测出相邻两个心电波之间的时间间隔 t 就可以计算出瞬时心率值为 60/t；还可以选择脉搏测量。通常心脏的跳动与脉搏是同步的。因此，只需测出脉搏跳动次数就知道心率值。测量脉搏是通过记录处理脉搏传感器发出的指脉电信号来实现的。本设计心率计的设计采用的是测量脉搏1。2.1.2 总体方案设计本论文试从基于单片机软、硬件技术领域论述心率计系统开发研制的整个过程以及相关的技术问题和技术创新发展的方向。本设计采用的是测量脉搏的方案，是以单片机为核心处理器的系统模块，还包括传感器，led 显示接口模块。原理是将人跳动的脉搏信号转换为数字信号，送入单片机进行数据处理，接着进行对单片机以及其他电路模块进行软件设计，使 led 显示单元能够直观的显示出被测的心率。安徽机电职业技术学院毕业论文4此心率检测仪结构简单，使用方便，数字显示准确直观，应用比较广泛，是了解人体健康状况的重要参数之一，对检查和预防一些疾病起着一定的作用。2.22.2 心率计系统硬件框图心率计系统硬件框图该心率检测仪整体上有以下部分组成：传感器、整形放大电路、单片机和显示电路。如图 2-1 所示:led显示电源晶振传感器放大整形电路单片机图 2-1 系统硬件组成总框图2.32.3 心率计系统工作原理心率计系统工作原理本系统是由传感器将人的脉搏信号转换为电脉冲信号，通过前置电路对电脉冲信号整形、放大、滤波以后送入单片机。单片机对送来的电脉冲进行计数和定时，具体为：单片机以 t0 方式 1 计数，t1 方式 1 定时，定时 125ms 中断一次，循环 8 次就为 1s，再到一分钟计数结束。显示模块用 8155 扩展 i/o 并作为 led 显示接口，通过 74ls244 提高驱动能力，最后将信号送至七段数码管显示。安徽机电职业技术学院毕业论文5第三章第三章 心率计系统硬件设计心率计系统硬件设计3.13.1 系统硬件组成及原理图系统硬件组成及原理图经过比较，我选择了压电陶瓷传感器将人的脉搏信号转换为电脉冲信号，并且通过整形放大电路将电脉冲信号整形放大，选用 at89c51 单片机对传送来的脉冲进行计数和定时，用 8155 扩展 i/o 口作为 led 显示接口，通过 74ls244 缓冲器与数码管相连。硬件原理图如图 3-1:图 3-1 心率计系统硬件原理图3.23.2 单片机单片机 at89c51at89c51 at89c51 是美国 atmel 公司生产的低电压、高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器(ram)，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器(cpu)和 flash 存储单元，功能强大5。at89c51 单片机性价比高，可灵活应用于各种控制领域，所以我选用 at89c51 作为本设计的主芯片。3.2.1 at89c51 的主要性能8 位微处理器和控制器。内含一个布尔运算器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控制。内含 4kb 可重擦写的程序 e2prom。内含 128b 的数据 ram。4 个 8 位(32 根)双向且可独立寻址的 i/o 口线。2 个 16 位的计数/定时器。内部时钟振荡器。安徽机电职业技术学院毕业论文6全双工方式的串行接口(uart)。两级中断优先权的 6 个中断源/5 个中断矢量的中断逻辑。哈佛结构的存储器组织，支持 4kb 的程序及数据存储地址空间。指令集有 111 条指令，其中 64 条为单周期指令，支持 6 种寻址方式。最高时钟振荡频率可达 12mhz，大部分指令执行时间为 1us，乘、除指令为 4us。3.2.2 at89c51 的引脚功能 89c51 单片机为 40 脚双列直插式封装结构。其引脚排列顺序及引脚符号参看图 3-2。图 3-2 89c51 单片机引脚图 各引脚功能如下: 电源及地 vss:源接地端。vcc:正常运行和编程校验时为+5v 电源(士 10%)。 时钟及复位信号 xtal1:是片内振荡器反相放大器的输入端。当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必须接地。 xtal2:是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。使用外部振荡器时，可由此脚引入外部时钟信号。 rst:复位输入信号，高电平有效。若此脚出现 2 个机器周期以上的高电平，即将89c51 复位。此外，该引脚也可作为掉电保护后备电源引脚。安徽机电职业技术学院毕业论文7 i/o 引脚p0 口:p0 口是一组 8 位漏极开路型双向 i/o 口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路，对端口 p0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。p1口:p1是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲极可驱动4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。p2 口:p2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p2 的输出缓冲极可驱动 4 个ttl 逻辑门电路。对端口 p2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。p3 口:p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口输出缓冲极可驱动 4个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口写“1”时，通过内部的上拉电阻拉高并作为输入口。此时被外部拉低的 p3 口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3 口除了作为一般的 i/o 口线外，更重要的用途是它的第二功能，详见表 3-1：表 3-1 p3 口第二功能口线第二功能信号名称p3.0rxd串行数据接受p3.1txd串行数据发送p3.2int0外中断 0 申请p3.3int1外中断 1 申请p3.4t0定时器/计数器 0 计数输入p3.5t1定时器/计数器 1 计数输入p3.6wr外部数据存储器写选通p3.7rd外部数据存储器读选通 控制信号ale/prog:地址锁存允许/编程信号。当访问外部存储器时，此信号可用来锁存地址安徽机电职业技术学院毕业论文8总线的低 8 位，ale 输出脉冲频率为振荡频率的 1/6。因此即使当不用外部存储器时，也可用做外部电路的时钟或定时信号。当对 eprom 编程时，此管脚输入编程脉冲信号。psen:外部程序存储器使能信号。为读取外部程序存储器的选通信号。当 cpu 访问外部程序存储器时，在每一个机器周期内，psen 会跳变两次。当 cpu 访问内部程序存储器时，psen 又不跳变。ea/vpp:访问内部程序存储器控制信号。当 ea 端接高电平时，cpu 访问内部程序存储器。(除非程序存储器值超过 0fffh)，当 ea 接低电平时，则强调 cpu 访问外部存储器，而不管程序计数器的内容是多少。此外，该引脚还用做 eprom 编程电压的输入端。3.2.3 at89c51 的内部结构89c51 单片机内部主要由运算器和控制器(cpu)，内部程序 eeprom，内部数据ram，i/o 接口，计时/定时器，中断等几部分组成。运算器和控制器89c51 的运算器和控制器功能类似于一般微机中的微处理器(cpu)，它完成逻辑算术运算并协调单片机其它各部分的工作。各种算术、逻辑运算所涉及到的寄存器包括:累加器 a，寄存器 b，暂存器 1(temp1)和暂存器 2(temp2)，程序状态寄存器 psw，程序计数器 pc，堆栈指针 sp，数据指针寄存器 dptr 等。它们位于 cpu 内部，又称 cpu 专用寄存器，以区别于 i/o 接口专用寄存器。存储器:mcs-51 系列单片机存储器组成是所谓的哈佛结构，即程序存储器与数据存储器分别寻址，而不是程序存储器与数据存储器统一编址。在 89c51 单片机中，程序存储器采用eeprom，而数据存储器采用 ram。它们又可以进一步分成内部或外部两类。程序存储器 程序存储器内部和外部是统一连续编址的，内部占用地址空间的低4kb，地址 0000h0fffh，外部地址范围 1000hffffh，共 60kb。程序存储器主要用来存放程序和常数。当程序计数器 pc 由内部 rom 开始执行到外部 rom 时，会自动寻址外接程序存储器。数据存储器 mcs-51 系列单片机数据存储器也有内部、外部之分。但与程序存储器不同，片内、片外存储器是分别独立编址的，片内地址为 00hffh，共 256b;外部ram 地址范围 0000hffffh，共 64kb。内部存储器可直接寻址。尽管片内、片外地址空间的低 256b 有重叠，但寻址并不会造成混乱。这是因为片内、片外存储器使用不同安徽机电职业技术学院毕业论文9的指令(mov 和 movx)。扩展的 i/o 地址也占用数据存储器空间。对 i/o 端口操作无须特殊指令。寄存器区 内部数据存储器分为 4 个区域，数据 ram 用于存放临时变量，下面介绍其他三个寄存器区：a) 工作寄存器区 它占用地址 00ffh 的 32 个内存单元，又分成 4 个区。每个区有 r0r7 共 8 个工作寄存器。工作寄存器区的选择又由程序状态寄存器 psw 的第 4 位和第 3 位(rs1 和 rs0)共同指定。单片机复位时，rs1 和 rs0 为零，故指向 0 区。通过位操作改变 rs1 和 rs0 的值，可以方便地指向任一个区间。b) 位寻址区 每位都有一个独立的 8 位地址(占据空间 007f)，共 128 位。此外，在专用寄存器 sfr 中还有一部分是可以位寻址的(有些位可能无定义)。位寻址区的字节地址与位地址的对应关系请参看有关书籍。 c) 专用寄存器区 共有 21 个专用寄存器 sfr，位于 80ffh 地址空间。这些寄存器又可以分为 cpu 专用寄存器和接口专用寄存器。cpu 专用寄存器前面己经提过，而接口专用寄存器包括两部分。一部分就是单片机的 i/o 端口 p0p3，分别编址为80h、90h、a0h、b0h，共 4 个单元，32 位，每一位都可以独立寻址。另一部分为定时/计数器，串行口、中断的一些控制寄存器。具体可参见有关书籍。定时/计数器89c51 有两个 16 位定时/计数器(t0，t1)。在定时功能中，每个机器周期定时器加1，由于 l 个机器周期包含 12 个振荡周期，因而它的计数频率为 1/12，即由定时器计数到的脉冲为振荡周期频率的 1/12。在计数器功能中，在外部事件相应输入脚(t0 或 t1)产生负跳变.时，计数器加 1。由于计数器的计数过程需要 2 个机器周期(24 个振荡周期)，所以，最高的计数频率为振荡频率的 1/24。这两个定时/计数器的工作状态(定时/计数)及工作方式(方式 0方式 3)的选择是由定时/计数器方式寄存器(tmod)中的每位值所决定的。定时/计数器的控制由控制寄存器(tcon)完成。具体可参见 mcs-51 单片机的有关书籍。i/o 口 89c51 不仅有 4 个 8 位并行口，供单片机和外部 ram、eeprom 等扩展连接用或与其它设备交换信息用，它还有一个全双工串行口，能同时发送和接收数据。在前面的引脚功能中已对并行口作了简要介绍，在此就主要介绍一下串行口。安徽机电职业技术学院毕业论文10 串行口也就是 p3.0 和 p3.1 的第二功能。它既能工作在异步方式，又能工作在同步方式。该串行口是全双工的，它在物理上分为两个独立的发送缓冲器和接收缓冲器 sbuf，但它们占用一个特殊功能寄存器的地址 99h，只需对 sbuf 进行写或读的操作，就可以同时发送和接收了。串行口的工作方式选择、波特率选择、串行通信协议的完成，由两个特殊功能寄存器，即串行口控制寄存器 scon 和功耗控制寄存器 pcon 完成。在这里就不详述了。中断 89c51 单片机提供了 5 个中断源，而每一个中断源都能被程控为高优先级或低优先级。这 5 个中断源包括 2 个外部中断和 3 个内部中断。两个外部中断源为 int0 和int1，外部设备的中断请求信号、掉电等故障信号都可以从 int0 而和 int1 引脚输入，向 cpu 提出中断申请，int0 和 int1 的中断请求标志 ie0、ie1 分别设在 tcon 寄存器的 tcon.1、tcon.3。3 个内部中断源为 t0、tl 溢出中断源及片内串行发送或接收中断源，t0、tl 中断请求标志 tf0 和 tf1 分别设在 tcon 寄存器的 tcon.5、tcon.7，串行发送或接收中断标志 ti 或 ri 设在 scon 寄存器的第 scon.0、scon.1。5 个中断源中的一个、几个或全部中断源的开、关由中断允许寄存器(ie)完成，而每个中断源的优先级别的高低由中断优先级控制寄存器(ip)完成。89c51 单片机中断源简要特性见表 3-2。表 3-2 中断源特性表名称符号标志符号标志符号位置矢量地址优先级别外部中断int0ie0tcon.10003h定时器 0 溢出中断tf0tf0tcon.5000bh外部中断 1int1ie1tcon.30013h定时器 1 溢出中断tf1tf1tcon.7001bhr1scon.0串行口中断r1+t1t1scon.10023h最高最低3.33.3 传感器介绍及整形放大电路传感器介绍及整形放大电路3.3.1 传感器简介 心率检测仪使用的传感器有很多种，经过对成本和性能等各方面的考虑，我选用了压电陶瓷传感器，其作用是将人微弱的脉搏跳动信号转换成电脉冲信号。它的优点是烧制方便，易于成型，耐湿，耐高温等。几十安徽机电职业技术学院毕业论文11年以来，压电陶瓷材料发展极为迅速，应用日渐广泛，从日常生活用的压电式电子打火机到压电扬声器，乃至飞船、导弹中的振动测量传感器，都要用到压电陶瓷材料6。传感器制作的好坏将直接影响仪器的灵敏度，所以传感器的制作是很重要的一环。如图 3-3(a)所示，压电陶瓷片有陶瓷的一面焊在铜环这边(在圆周上均匀焊三个点)，用一根细屏蔽线作引出线，外皮与铜环相接，芯线穿过铜环缺口焊在陶瓷面上。再将一个铜片焊在铜环的下面，如图 3-3(b)所示。图 3-3 传感器结构图3.3.2 整形放大电路的设计此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，因传感器输出的电脉冲信号是微弱的信号，而且频率很低（如脉搏 50 次/分钟为 0.78hz，200 次/分钟为 3.33hz） ，并且还伴有各种噪声干扰7。整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。所选放大整形电路框图如图 3-4 所示8。传感器放大电路有源滤波电路整形电路电平转换电路图 3-4 整形放大电路框图 放大电路由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，运放采用了 lm324，放大电路的电压放大倍数为 10 倍左右，电路参数如下：r4=100k，r5=910 k，r3 为安徽机电职业技术学院毕业论文1210 k 电位器，c1=100 uf。 有源滤波电路采用了二阶压控有源低通滤波电路，作用是把脉搏信号中的高频抗干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为 1khz 左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用 1.6 倍左右。集成运放采用 lm324。整形电路经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，其目的是为了提高抗干扰能力，集成运放采用了 lm339，其电路参数如下：r10=5.1k，r11=100 k，r12=5.1 k。电平转换电路 由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不满足计数器要求的脉冲信号，故采用电平转换电路。 根据以上设计好的单元电路，可画出本设计整形放大电路的总体电路，如图 3-5 所示：图 3-5 整形放大总体电路图本设计中用了集成脉搏传感器 hk-2000。该产品采用高度集成化工艺将力敏元件、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品用于脉率检测，主要用于运动、健身器材中的心率测试。其主要特点：灵敏度高，抗干扰性能强，过载能力大，安徽机电职业技术学院毕业论文13一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 技术指标： 电源电压：312vdc 压力量程：-50+300mmhg 过载：100 倍 。输出高电平：大于 vcc-1.5v 。输出低电平：小于0.2v 。图3-6 hk-2000a型脉搏传感器输出波形:图 3-6 hk-2000a 脉搏传感器输出波形3.43.4 ledled 显示接口电路显示接口电路led 显示接口硬件电路由 8155 可编程并行接口芯片、74ls244 缓冲器、led 显示器组成。如图 3-7 所示。其中，8155 作为单片机与 led 显示器的接口芯片，74ls244 用来提高驱动能力。图 3-7 led 显示接口电路led（light emitting diode）是发光二极管的缩写。led 显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“led”。led 显示器在单片机中的应用非常普遍。3.4.1 led 显示器简介安徽机电职业技术学院毕业论文14通常所说的 led 显示器由 7 个发光二极管组成因此也称之为七段 led 显示器，其排列形状如图 3-8 所示9。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管( 在图中以 dp 表示)，图 3-8 led 显示器结构图用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。led 显示器中的发光二极管共有两种连接方法：共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5v。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。使用 led 显示器时要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为led 显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给 led 显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如表 3-3。表 3-3 代码对应关系表代码位d7d6d5d4d3d2d1d0显示段dpgfedcba3.4.2 8155 芯片介绍18155 基本结构及工作方式 8155 芯片为 40 引脚双列直插封装，单一的+5v 电源，其引脚排列如图 3-9。其逻辑安徽机电职业技术学院毕业论文15框图如图 3-10 所示9。图 3-9 8155 引脚图 8155 具有 3 个可编程 i/o 口，其中 2 个口（a 和 b）为 8 位口，1 个口（c）为 6 位口。此外还有 256 单元的 ram 和 1 个 14 位计数结构的定时器/计数器。在与单片机接口的方向，8155 提供如下信号:ad7ad0:地址数据复用线。ale:地址锁存信号。除进行 ad7ad0的地址锁存控制外，还用于把片选信号ce 和 io/m 等信号进行锁存。rd:读选通信号。wr:写选通信号。ce:片选信号。io/m:i/o 与 ram 选择信号。8155 内部的 i/o 口与 ram 是分开编址的，因此要使用控制信号进行区分。io/m=0，对 ram 进行读写；io/m=1，对 i/o 进行读写。该信号是一个特殊信号，对它的使用要格外注意。256字节静态ram14位定时计数器abcad7ad0pa7pa0pc5pc0io/mcealerdreset vcc（+5v）wrtimer inpb7pb0vsstimer out 图 3-10 8155 逻辑框图安徽机电职业技术学院毕业论文16reset:复位信号。8155 以 600ns 的正脉冲进行复位，复位后 a、b、c 口均置位输入方式。i/o 口及其工作方式:8155 的 3 个 i/o 口，分别以 pa、pb 和 pc 称呼，其中 pa 和 pb 都是 8 位通用输入/输出口，主要用于数据的 i/o 传送，他们都是数据口，因此只有输入/输出两种工作方式。而 pc 口则为 6 位口，它既可以作为数据口用于数据的 i/o 传送，也可以作为控制口，用于传送控制信号和状态信号，对 pa 和 pb 的 i/o 操作进行控制。因此 pc 口共具有 4 种工作方式，即：输入方式（alt1） ，输出方式（alt2） ，pa 口控制端口方式（alt3）以及 pa 和 pb 口控制端口方式（alt4） 。当以无条件方式进行数据输入/输出传送时，由于不需要任何联络信号，因此这时 pa、pb 及 pc 都可以进行数据的输入/输出操作。当 pa 或 pb 以中断方式进行数据传送时，所需的联络信号由 pc 提供，其中pc2pc0是为 pa 提供，pc5pc3是为 pb 提供。各联络信号的定义如表 3-4 所示。联络信号共有 3 个，其中： intr:中断请求信号（输出） ，高电平有效。送给 mcs-51 单片机的外中断请求。bf:缓冲器满状态信号（输出） ，高电平有效。stb:选通信号（输入） ，低电平有效。数据输入操作时，stb 是外设送来的选通信号；数据输出时，stb 是外设送来的应答信号。表 3-4 pc 口线联络信号定义作 pa 控制端口作 pa 和 pb 控制口pc0intraintrapc1abfabfpc2astbastbpc3输出intrbpc4输出bbfpc5输出bstb ram 单元及 i/o 口编址:表 3-5 8155 的可编程端口安徽机电职业技术学院毕业论文17ad7ad6ad5ad4ad3ad2ad1ad0选择000命令/状态寄存器001pa 口010pb 口011pc 口100定时器/计数器低 8 位101定时器/计数器高 8 位 8155 共有 256 个 ram 单元，加上 6 个可编址的端口，这 6 个端口是: 命令/状态寄存器、pa 口、pb 口、pc 口、定时器/计数器低 8 位以及定时器/计数器高 8 位。为此8155 引进了 8 位地址 ad7ad0，无论是 ram 还是可编址口都使用这 8 位地址进行编址。对它们只需要使用 ad2ad0即可实现编址，如表 3-5 所示。2 8155 与 mcs-51 单片机的连接8155 与 mcs-51 的连接有简单的一面，因为 8155 的许多信号与 mcs-51 兼容，可以直接连接，表 3-6 列出了这些信号的对应关系。表 3-6 8155 与 mcs-51 的兼容信号8155mcs-518155mcs-51ad7ad0p0口rdrd续表 3-6alealewrwrresetrstad7ad0是数据地址复合线，之所以能与 p0口线直接相连而不需要地址锁存，是由于 8155 内部已有锁存器，可进行地址锁存，因此连接时不需再加锁存器。然而 8155与 mcs-51 的连接也有复杂的一面，其表现就在 io/m 信号上。因为 io/m 是 8155 特有的信号，mcs-51 中没有相应的信号。因此要设法形成这个信号，提供给 8155 使用。io/m信号的形成有多种方法，不同的形成方法对应着不同的编址方式。下面介绍比较常用的也是本设计中用到的方法:用高位地址作 io/m 信号（图 3-11） 。安徽机电职业技术学院毕业论文18这种方法实际上就是编址技术中的线选方法。 例如以 p2.0接 io/m，则 8155 与80c51 的连接如图 3-11。在这种 io/m 信号产生方法中，对 8155 需使用 16 位地址进行编址。这种方法使用于有多片 i/o 扩展及存储器扩展的较大单片机系统中，因此要使用片选信号，例如图中使用 p2.1作片选信号与 ce 直接相连。假定把没用到的地址位以“0”表示。则 io/m=0 时，8155 内部 ram 地址范围是 0000h00ffh；io/m=1 时，端口地址范围是 0100h0105h。80c51 alep2.7 p2.0 p0rdwrrst8155aleceio/m ad rdwr rst pa pb pc pa7pa0pb7pb0pc5pc0图 3-11 高位地址作 io/m 信号38155 的定时器/计数器8155 的定时器/计数器是一个 14 位的减法计数器，由两个 8 位寄存器构成，以其中的低 14 位组成计数器，剩下的两个高位（m2，m1）用于定义计数器输出的信号形式。8155 定时器/计数器的计数结构如表 3-7，3-8 所示：表 3-7 8155 定时器/计数器低位的计数结构d7d6d5d4d3d2d1d0m2m1t13t12t11t10t9t8表 3-8 8155 定时器/计数器低位的计数结构 8155 定时器/计数器的工作方式由命令字的高两位 d6d7进行控制。d7d6d5d4d3d2d1d0t7t6t5t4t3t2t1t0安徽机电职业技术学院毕业论文19具体说明如下:d7d6=00 不影响计数器工作。 =01 停止计数。如计数器未启动则无操作，如计数器正运行在则停止计数。 =10 达到计数值（计数器减为 0）后停止。 =11 启动。如计数器没运行，则在装入计数值后开始计数；如计数器已运行，则在当前计数值计满后，再以新的计数值进行计数。在实际应用中使用较为普遍的是以软件来代替硬件译码，这样只需要一个接口芯片就可以实现多位 led 显示器的显示，例如以 8155 作接口电路。本设计采用 8155 作 led显示器接口。用 8155 作接口电路的连接: 实际使用的 led 显示器都是多位的。对多位 led 显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。为了显示 led 显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段（字形代码）的输入之外，还要对显示器加位的控制，这就是通常所说的段控和位控。因此多位 led 显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出 8 条段控线（有小数点显示） ；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。显示缓冲器：为了存放显示的数字或字符，通常在内部 ram 中设置显示缓冲器，其单元个数与led 显示器位数相同。3.4.3 74ls244 缓冲器芯片介绍74ls244 是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器，该芯片的引脚图如图 3-12 所示。图 3-12 74ls244 引脚图安徽机电职业技术学院毕业论文20 从图可见，该缓冲器有 8 个输入端，分为两路1a11a4，2a12a4，同时 8 个输出端，也分为两路1y11y4，2y12y4，分别由 2 个门控信号 1g 和 2g 控制，当记为低电平时，1y11y4 的电平与 1a11a4 的电平相同，即输出反映输入电平的高低；同样，当 2g 为低电平时，1y11y4 的电平与 2a12a4 的电平和同。而当 1g（或2g）为高电平时，输出 1a11a4（或 2a12a4）为高阻态。经 74ls244 缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。74ls244 缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。安徽机电职业技术学院毕业论文21第四章第四章 心率计系统软件设计心率计系统软件设计4.14.1 软件软件设计思路及流程图设计思路及流程图本设计软件思路为：程序先是完成对堆栈的设置，设 t0 方式 1 计数，t1 方式 1 定时，定时器溢出产生中断，每次中断间隔 125 ms，每 8 个 125ms 为 1s，每 1s 使 32h 内容加1，当其内容为 60 时，即表示已到 60s，为 1 分钟定时。定时/计数器 0 计数值实时刷新，转换为相应的 bcd 码，送显示部分显示，显示采用逐位延时点亮，led 显示无闪烁。流程图共分为四部分，分别为主程序流程图，定时子程序流程图，显示子程序流程图和bcd 子程序流程图。具体见下图： main完成堆栈区 设t0方式1计数,t1方式1定时tl1#0dch，th1#0ch循环次数8次，30h#08存放单元清零32h#00hth0#00h tl0#00h允许t0中断，et1=1，ea=1，tr1=1，tr0=1调用显示子程序等待中断保护现场入口赋计数初值tl1#0dch th1#0ch到1s？30h #08h（32h）+132h =60s?32h0恢复现场返回nnyy图 4-1 主程序流程图 图 4-2 定时子程序流程图安徽机电职业技术学院毕业论文22 开始调用bcd码子程序字型码pb口延时1 ms4位显示完成?返回n y 8155初始化查表得字型码开始取数aa-100c=1?c清零r2+1a+100a-10ync清零c=1?r7+1na+10ya7ahr77bhr27ch返回图 4-3 显示子程序流程图 图 4-4 bcd 子程序流程图安徽机电职业技术学院毕业论文234.24.2 at89c51at89c51 编程编