精品基于单片机控制的人体健康监测系统设计论文

I 摘 要 本系统设计的是基于单片机控制的人体健康监测系统，本系统需要检测人体的三个健康体征：心跳、体温、血压。由硬件和软件两部分组成。首先是心跳检测，利用压电传感器将检测到的心跳信号转换为电信号再通过集成运放转换成单片机可以接收的信号。其次是温度检测，利用一线口温度传感器 行温度检测，由于该芯片采用单总线模式，在编程过程中严格按照该芯片的读写时序进行温度检测。再次是血压检测，利用压力传感器 血压转换成为电信号，通过 数转换器转化为数字信号通过单片机处理显示出来。 另外还包括单片机电源电路、超限报警电路、复位电路以及键盘电路。 本系统的研究于开发有利于人体健康检测的需要，对日常生活的改善有很多好处，具有很高的实用价值。 关键词 单片机 8051； A/D 转换 is on to by is to be is to on on in to Is as as is to to to ey 051; A/D 业 (论 文 ) 目录 录 中文摘要及关键字 . 文摘要及关键字 . 论 . - 1 - 1. 总体方案 . - 2 - 1 1 方案论证及系统工作原理 . - 2 - 1 2 总体方案图 . - 2 - 2 硬件设计 . - 3 - 2 1 主控芯片 1 介绍 . - 3 - 2 2 介绍 . - 8 - 2 3 心跳检测原理设计 . - 10 - 2 4 温度检测的原理及设计 . - 11 - 2 5 血压检测电路原理及设计 . - 15 - 2 6 其他电路设计 . - 17 - 2 7 硬件总电路图 . - 17 - 3 软件设 计 . - 18 - 3 1 主程序流程图 . - 18 - 3 2 子程序流程图 . - 19 - 3 2 1 心跳检测流程 . - 19 - 3 2 2 温度检测流程图 . - 20 - 3 2 3 血压检测流程图 . - 21 - 3 3 主程序清单 . - 22 - 3 4 子程序清单 . - 25 - 3 4 1 心跳子程序： . - 25 - 3 4 2 温度检测子程序： . - 27 - 3 4 3 血压检测子程序： . - 31 - 结论 . - 33 - 致 谢 . - 35 - 参考文献 . - 36 - 附录一 . - 37 - 附录二 . 错误 !未定义书签。 毕业 (论 文 ) 绪论 - 1 - 绪论 当今社会，随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，同时计算机也越来越广泛的被应用到人们的生活、工作领域的各个方面。单片微型计算机以其其体积小、功能强、速度快、价格低等优点，在数据处理和实时控制等应用中有着无以伦比的优越性，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪 器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中。随着微控制技术（以软件代硬件的高性能控制技术）的日益完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大的变化。单片微型计算机的应用广度和深度，已经成为一个国家科技水平的一项重要标志。 为了进一步加深对单片机及其接口的理解， 掌握一般的软硬件的设计方法，巩固大学四年之所学，也给自己一个实践 锻炼的机会，几个月以来，我们全心投入本次毕业设计 本系统用于实时监测人体的基本生命体征：心跳、体温、血 压。传统测量方法尤其是血压的测量，即使用血压计的测量，操作过程比较复杂需要有专业人士完成，不能完全满足对人体基本健康动态的一个随时掌握的要求。而人体基本健康监测器集测量心跳、体温、血压、为一体，并用单片机加以处理控制，普通人群都可以方便使用，而不需要具备专业的医疗知识，相信这一点肯定倍受广大群众的青睐。 在不断的发现问题，思考问题，解决问题之后，我们基本完成了毕业设计任务 。但由于时间以及经验有限加之缺乏实际的检验，我们的设计肯定有许多不足之处，望老师能给予进一步指正及帮助。 在本次设计中我与张锡阳同学一组，完 成这个课题，他主要负责硬件部分设计，我本人主要负责软件部分的编写。所以本论文在介绍硬件部分的基础上将重点介绍软件部分的编写。 毕业 (论 文 ) 总体方案 - 2 - 1. 总体方案 案论证及系统工作原理 本系统通过键盘设定三种工作方式：心跳检测，人体体温检测，血压检测。 心跳检测采用传感器将心跳转换成单片机可以接受的信号，每跳动一次就产生一个脉冲，让单片机产生一个中断，每中断一次就进行一次计数，每分钟进行一次采样进行统计心跳数。人体体温检测利用芯片 个数字温度传感器进行温度测量。测的数据通过 行译码，输入数码管进行显示。测的数据如果超限 则 进行报警。 血压检测利用 压力传感器将压力信号转化为电信号经过运放由 化为数字量送入单片机处理。如果血压超限则报警。 该方案可以有效、实时的测量心跳、体温、血压这些要求监测参数，能够达到系统设计的各项指标，设计方案是切实可行的。 体方案图 显示心跳，温度电路 温度，心跳的超限报警电路 键盘 单 片 机 心跳的检测电路 温度传感器电路 血压传感器 毕业 (论 文 ) 总体方案 - 3 - 2 硬件设计 控芯片 51 介绍 主要功能 诺伊曼提出的经典计算机体系结构框 架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备共五个基本部分组成。时器 /计数器和多功能 I/所示。 图 由图可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件： 8 位 片内带震荡器，震荡频率 12有时钟输出 128个字节的片内数据存储器 4 程序存储器的寻址范围为 64 片外数据存储器的寻址范围为 64 4个 8 位并行 I/业 (论 文 ) 总体方案 - 4 - 2个 16 位定时器 /计数器 中断系统有 5个中断源 51单片机内部结构 51单片机芯片内部结构框图如图 2所示。 图 2 51单片机芯片内部结构 中央处理器 (整个单片机的核心部件，是 8位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据 或代码， 挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 由运算器和控制器两部分电路组成。 运算器电路 毕业 (论 文 ) 总体方案 - 5 - 运算器电路包括 术逻辑单元）、 加器）、 态寄存器、暂存器 1和暂存器 2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。运算电路以 以完成半字节、单字节以及多字节数据的运算操作，其中包括加、减、乘、除、十进制调整等算术运算以及与、或、异或、求补和循环等逻辑操作，运算结果的状态由状态寄存器保存。 控制 器电路 控制器电路包括程序计数器 寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针 栈指针 冲器以及定时与控制电路等 。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。 定时器 /计数器 51单片机片内有两个 16位的定时 /计数器，即定时器 0和定时器 1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。 （此次设计是通过定时器 /计数器对编码器输入的脉冲进行计数）。 存储器 51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据 存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。对 51系列（ 8031除外）而言，有 4个物理上相互独立的存储器空间：即内、外程序存储器和内、外数据存储器。对于 8051 其芯片中共有 256个 元，其中后 128个单元被专用寄存器占用，只有前 128个单元供用户使用。 并行 I/O 口 51单片机共有 4个 8位的 I/3），每一条 I/带 8个 电路， 2和 载能力为 4个 电路。 中断控制系统 51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。 8051 共有 5个中断源，即外中断 2 个，定时 /计数中断 2个，串行中断 1个。所有中断分为高级和低级两个中断优先级。 毕业 (论 文 ) 总体方案 - 6 - 引脚信号 图 3为 51 系列单片机引脚图及逻辑符号，它们为标准的 40脚 些引脚的功能描述如下： 图 3 8051单片机引脚图 电源引脚 源端，接 5V。 地端。 输出引脚 (I/O 接口 ) 8位双向 I/占 3932脚 则 口作为数据总线和低 8 位地址各引脚功能简要说明如下 : 总线 ,通过分时操作达到复用的目的 外部存储器操作时 ,口先用作地址总线 ,在 号的作用下将地址锁存 ,然后再将 口转作为数据总线使 用 ,口能驱动 8 个 载 . 口 (8 位准双向 I/O 接口 ,占 18 脚 能驱动 4 个 功耗肖脱基晶体管逻辑电路 )负载 口一般作通用 I/O 接口线使用 . 毕业 (论 文 ) 总体方案 - 7 - 控制信号引脚线 a. 9 脚 );外部程序存储器读选通信号 低电平有效 )高电平 ) b. 0 脚 );地址锁存允许 /编程信号 该引脚是地址锁存信号，而对 8751 内部 程时 ,该信号作为编程脉冲输入端。 8051 单片机可寻址 64有 16 根地址线 ,其中低 8 位地址线与数据共用 口 ,在作低 8 位的地址信号使用时 ,效 ,用以控制锁存器锁存 口的低 8位地址 ;发出数据时 ,效 ,口输出数据 ,正常操作时 ,又因 按主振频率的 1/6 发出固定频率 ,所以有时可以加以利用。 c. 9 脚）：复位信号 /备用电源输入端。当振荡器工作时，若此引脚保持两个周期的高电平，就能使单片机复位。此引脚也可作为备用电源的输入端，当单片机电源失电期间，由 片内数据器提供电源，以保护其中的内容。 时钟电路引脚 外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部 钟时，该引脚必须接地。 接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部 钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 第二功能 行口输入端 行口输入端 部中断 O 请求输入端 部中断 1 请求输入端 时 /计数器 0 外部计数信号输入端 时 /计数器 1 外部计数信号输入端 部数据存储器写选通输出信号 部数据存储器读选通输出信号 毕业 (论 文 ) 总体方案 - 8 - 2. 2 介绍 本系统使用 压力传感器 压检测部分。 位 A/8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 件。它是逐次逼近式 A/以和单片机直接接口。 图 4 由上图 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/多路开关可选通 8个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/ 可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。毕业 (论 文 ) 总体方案 - 9 - 引脚结构 图 5 脚图 8条模拟量输入通道 号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；输 入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线： 4条 电平有效。当 址锁存与译码器将 A， B， 译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， 为地址输入线，用于选通 道选择表如下表所示。 C B A 选择的通道 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 业 (论 文 ) 总体方案 - 10 - 有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/转换期间， 明转换结束；否则，表明正在进行 A/于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 1，输出转换得到的数据； 0，输出数据线呈高阻状态。 需时钟信号必须由外界提 供，通常使用频率为 500 ）， ）为参考电压输入。 初始化时，使 E 信号全为低电平。 送要转换的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上。（此次设计只选用第一通道 在 给出一个至少有 100 s 宽的正脉冲信号。 是否转换完毕，我们根据 号来判断。 当 为高电平时，这时给 换的数据就输出给单片机了 。 2 3 心跳检测原理设计 检测心率脉冲信号 的传感器采用压电陶瓷（在压电陶瓷片上安装一海面垫以传递脉冲信号）；将采集到的心率信号经过由 3 个非门组成 3 级放大电路进行放大，然后通过由 一系列电阻电容 构成的 2 级梯形滤波电路进行滤波处理，即可获得人体心率范围的信号（约在 间）；再通过由二极管构成的检测电路以及由 3 个非门构成的整形电路处理后，就可得到单片机所需要的标准的 0冲信号。 将它接到单片机的外部中断，每一个中断进行一次计数。每一分钟进行一次显示这一分钟的心跳。 毕业 (论 文 ) 硬件设计 - 11 - 2 4 温度检测的原理及设计 介 绍： 美国 导体公司继 后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9 12 位的数字值读数方式。可以分别在 750 完成 9 位和 12 位的数字量，并且从 出的信息或写入 信息仅需要一根口线（单线接口）读写 ,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 电，而无需额外电源。因而使用 使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在 测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 用 3 脚 装或 8 脚 装，如图 6 所视 图 6 64位光刻 度传感器、非挥发的温度报警触发器 L、配置寄存器。 的 64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 个 4位序列号均不相同。 64位 排的循环冗余校验码（ 8 1）。 各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个内部结构 2如图 1 2 3D A L L A 8 B 20G N D D 2 3 8 B 20 92 封装底视图8 B 20 z 8 脚 S O I C 封装1 82 73 64 5 (论 文 ) 硬件设计 - 12 - 的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例 :用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ，其中 S 为符号位。见表 1： 表 1 温度的二进制补码形式 Ls 2 2 12 02 12 22 32 42 5 4 3 2 1 0 Ms S S S S 62 52 42 这是 12位转化后得到的 12位数据，存储在 18比特的 进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 例如 +125的数字输出为 07+数字输出为 0191H，数字输出为 数字输出为 3见表 2： 表 2 温度的转化 125 0000 0111 1101 0000 075 0000 0101 0101 0000 0550H 0000 0001 1001 0001 0191H 毕业 (论 文 ) 硬件设计 - 13 - 写 “ 0 ” 时间片60 0 ” 120 1 ” 1 “ 时间片8 B 20 采样M I N T Y P M A 5 0 8 B 20 采样M I N T Y P M A 5 0 1 0000 0000 1010 0010 00 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 55 1111 1100 1001 0000 始化 作指令 存储器操作指令 数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序， 它的读写分 4种类型： 分别是写 1、写 0、读 1、读 0。 对 1始化过程由主机的复位脉冲和 1 1主机通过拉低总线 480线上 17如图 3所示： 图 8 写时序 写时序起始于单片机拉低总线。产生写 1时序的方式：单片机在拉低总线后，毕业 (论 文 ) 硬件设计 - 14 - 主机发复位脉冲480 0 ” 960 80 60 8 B 20 发脉冲60 - 240 c 5 5产生写 0时序的方式：在单片机拉低总线后，只需在整个时序期间保持低电平即可（至少60在写时序起始后 15，单总线器件采样总线电平状态。如果在此期间采样为高电平，则逻辑 1被写入该器件；如果为 0则写入逻辑 0。具体情况如图 9 所示 ： 图 9 单总线器件仅在单片机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要 60在两次独立的读时序之间至少需要 1个读时序都由主机发起至少拉低总线 1主机发起读时序之后，单总线器件才开始在总线上发送 0或 1。若从机发送 1，则保持总线为高电平；若发送 0，则拉低总线。当发送 0时，从机在该时序结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。从机发出的数据在起始时序之后，保持有效时间 15而，主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15如图 10所示 ： 图 10 用中注意事项 温精度高、连接方便、占用口线少等优主机读 “ 0 ” 时间片 主机读 “ 1 ” 时间片1 u s 总线采样 总线采样15 5 5 u s V c W i r eB u (论 文 ) 硬件设计 - 15 - 点，但在实际应用中也应注意以下的问题： 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 此，在对 须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。 压检测电路原理及设计 压力传感器是为监测血压而专门设计的，主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装，具有高线性、低噪声和外界应力小的特点；采用内部标定和温度补偿方式，从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性，在全量程范围内，精度为 1 ，零点失调不大于 300V 。 表 1 所列为 电源电压 5 0V、环境温度 25 时的主要性能参数 毕业 (论 文 ) 硬件设计 - 16 - 限参数如下 ： 最大工作电压： 20 最大耐压： 1500 工作温度范围： 0 70 ；引 脚焊接温度（最大值）： 250 （ 2 4秒） 用 偏置电源电路 、前置处理电路、显示电路 和压力传感器（ 成，该血压计的血压测量范围为 0 200辨率为 0 1作电源为一节 9 a偏置电源电路 电源电路由带有内置参考电压的双运放 2构成跟随器，它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感器 值由下式决定： 1 式中： 内置参考电压。其值为 200此值连同电路中的 3的值代入上式即可求得偏置电压 V。 b前置处理电路 前置处理电路由 中 于对压力传感器 输出信号进行隔离缓冲； 增益 1（ 若忽略失调，前置处理电 路的输出电压 2（ 1 中： 压力传感器 调试方法 毕业 (论 文 ) 硬件设计 - 17 - a零压输出调整 在零压输出时，调整失调电位器 血压计的显示值为 000 0时，即可认为完成了零压输出调整。 b前置电路增益的调整 压力传感器 满量程输出与偏置电压有一定的关系，当 5V 偏置时，在2000对应的显示驱动电路的输入为 200此前置电路的增益 0010样，利用前面 若选取电阻 0则增益电阻 1调试时可先用电位器调整输出值，再用万用表测出该电位器的阻值，最后再换成固定电阻。 c满量程调整 满量程调整时，先在显示电路的输入端加上 200后调整电位器 其读数为 199 9 上调整完成之后，一般应多重复几次，以使显示值可靠地符合精度要求。 为保证测量精度，上述电路的外围元器件的选择也是一个不容忽视的重要环节。此属于 硬件设计范畴在此不再鏊述。 2 6 其他电路设计 包括电源电路设计、复位电路设计、显示电路设计、报警电路设计、键盘电路设计。因为本人设计以软件部分为主，在此便不一一列出。 2 7 硬件总电路图 详见附录 二 毕业 (论 文 ) 软件设计 - 18 - 3软件设计 3 1 主程序流程图 主程序的设计有上图可以看出，首先对系统和外接芯片进行初始化，然后程序反复对键盘进行读取，如果有键按下，则转入相应的处理程序。按下 时，转入对心跳的检测并显示，按下 时，转入对人体温度的检测并显示 。按下 时，转入对血压的检测并将其值显示出来。按下 时，所有程序结束。当心跳，血压，温度检测完了之后，重新返回读键盘程序，读取键盘并执行相应的程序，直到有结束键按下，则主程序结束。重新运行时，要等到下次开机。 开始 初始化 读键盘 心跳检测 温度检测 血压检测 结束 吗 毕业 (论 文 ) 软件设计 - 19 - 3 2 子程序流程图 3 2 1 心跳检测流程 中断流程图 心跳程序流程图如上图，检测心跳采用中断完成，每次中断对心跳数进行加 1，完成对心跳数的计数。心跳检测子程序，利用单片机中的两个定时计数器进行 1分钟延时，检查心跳数为多少，如果超限则报警，提醒医生注意病人的心跳数。没有超限的话，通过单片机内部的处理程序将心跳数转换成 ，在通过码通过 8 段 码管进行心跳数的显示，并将心 跳数清 0。这时判断有没有 按下，如果有，则结束子程序，返回子程序，如果没有，则继续对心跳数的测量。 开始 1 分钟延时 检查心跳数 心跳值超限报警 显示心跳 报警 返回 有 按下吗？ 开始 返回 心跳数加