毕业设计（论文）-电子脉搏计设计.doc

分类号分类号 TM93 学号学号 2010023021 学校代码学校代码 13535 密级密级 内部内部 毕毕业业设设计计说说明明书书 电子脉搏计设计电子脉搏计设计 学位申请人学位申请人： 学科专业学科专业：电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导教师指导教师： 答辩日期答辩日期：二二一四年五月二十五日一四年五月二十五日 独独创创性性声声明明 本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文版权使用授权书毕业论文版权使用授权书 本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用毕业论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权山西农业大学信息学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打 “” ） 毕业论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 I 摘摘 要要 中医神奇的地方在于望闻问切，而切正是指对脉搏的诊断，脉搏跳动主要是动 脉内的血液按照周期循环流经整个身体产生的波动，人体的脉象中包含有关心 脏、神经和内外循环等系统相关的动态信息，与此同时脉搏的测量还为血流测 量、血压测量及其它一些生理检测技术，提供了一种重要的生理参考信号。然 而培养中医耗费的精力和年限是十分巨大的，西医使用装置测量脉搏跳动次数， 再结合其他医疗设备检测也不失为一种办法，因此电子脉搏计在医学的进步中 扮演着重要的角色。 电子脉搏计的设计分为两部分：硬件设计和软件设计，设计的内容要根据 设计物品的作用和需求，进一步按照各个不同的功能模块分工进行，于是本文 将硬件的模块分为主控模块、信号采集模块、显示模块、蜂鸣器模块和键盘模 块。脉搏计利用红外传感器，来采集脉搏信号，经过放大、滤波和整形后，得 到的结果输入单片机内进行相应的控制，从而测量出规定时间内脉搏跳动的次 数，测量起来快捷方便。系统主控的芯片使用 STC89C52，可以把采集到的脉 搏信号，显示在 LCD1602 上。 在电子脉搏计的设计过程中，我查阅了大量相关资料，对以前的科技成果 和现今的核心元件进行比对，确定了每一模块的选型方案，最后把相应模块组 合起来，构成一个完整的电子脉搏计。我在分类、比对和设计的过程中，重新 系统的温习了大学学习的各种专业知识，并且将很多学科综合起来，灵活应用。 最后，我动手亲自制作了电子脉搏计，当自己设计的电子脉搏计最后实物做出 来，准确测出来自己的脉搏跳动次数的时候，一种喜悦感让我内心激动，我知 道这将成为我生命中的一块踏脚石，让我自信地走的更远。 关键词：关键词：电子脉搏计； 51 单片机；硬件设计；软件设计 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 II Abstract Magical place of Traditional Chinese Medicine is inspection,auscultation and olfaction,inquiry and palpation,the palpation means that pulse beat diagnosis,the pulse wave is largely vibration which for the blood of artery flowing through the body according to periodicity cycle.Human pulse wave consist a large of dynamic information about the heart and the system of inside and outside circulation and nerve.At the same time pulse measurement provides a physiological reference signal for blood flow measurement ,blood pressure measurement and some other physiological detection technology. However, the energy and fixed number of years for cultivate doctor of Traditional Chinese Medicine is very huge,the doctor of Western medicine using the device for measuring pulse beat frequency, combined with other medical equipment monitoring is a way, so the electronic pulsometer plays an important role in the progress of medicine. Design of electronic pulsometer is divided into two parts: software design and hardware design, the design of the content need consider function and demand of the design object,then division conduct according to the module of each different function, therefore the module of hardware in this paper is divided into main control module,signal acquisition module, display module, buzzer module, keyboard module. Pulse meter using infrared sensors to collect the pulse signal, after shaping and amplifying,enter the signal to the single chip microcomputer to corresponding control, which measured within the pulse beat frequency in a minute, convenient and fast. System main control chip use STC89C52, the pulse signal acquisition to display on the LCD1602. I in electronic pulse meter design, step by step in different functional modules of study, to the core of the scientific and technological achievements of the study before and now better components, compare, and finally to every part of the final choice together, form a complete excellent electronic pulse meter, so we can understand the specific component model and the function, not only in theory of textbooks. I am in the process of classification, comparison and design, system review again the university to study a variety of professional knowledge, and to many disciplines together, flexible application. In the end, I start to make the electronic pulse meter, when their own design electronic pulse meter physical done finally, accurate 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 III measured their pulse of The Times, a kind of happiness to let my heart excited, I know it will be a stepping stone in my life, let me confidence further. Keywords: electronic pulse meter 51 single chip microcomputer hardware design software design 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 I 目目 录录 1 序 言1 1.1 课题的来源及意义1 1.2 电子脉搏计发展现状2 1.3 本论文的研究工作安排2 2 系统方案的论证与选型3 2.1 系统整体设计3 2.2 信号采集电路论证与选型3 2.3 主控模块论证与选型4 2.4 显示模块论证与选型5 3 系统硬件电路设计6 3.1 信号采集电路设计6 3.1.1 红外光电传感器6 3.1.2 放大滤波电路7 3.1.3 整形电路7 3.2 主控模块8 3.2.1 STC89C52 芯片的特点8 3.2.2 STC89C52 芯片的中断系统9 3.3 LCD 液晶显示器简介.10 3.3.1 液晶原理介绍10 3.3.2 液晶模块简介10 3.3.3 液晶显示部分与 STC89C52 的接口12 3.4 键盘模块设计13 3.5 蜂鸣器模块设计13 4 系统软件设计15 4.1 系统软件流程15 4.2 程序设计原理16 5 总结展望18 致 谢19 参考文献20 附 录21 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 II 附录 I 系统整体原理图.21 附录 II PCB 图.22 附录 III 系统仿真图22 附录 IV 系统源程序23 附录 V 实物图.38 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 1 1 序序 言言 1.1 课题的来源及意义课题的来源及意义 人脉搏的跳动情况，一直是中外医学诊断、治疗的一个重要依据。脉搏跳 动的情况能够反映出人的健康程度，测试病人的脉搏跳动也是监测病情的必要 项目之一，尤其是生活富裕以后随之而来的冠心病和心脑血管等等疾病。以往 普遍脉搏跳动的情况，都是医生或者病人的手放到手腕动脉血管，通过手感觉 到的压力次数来测试脉搏跳动的次数，时间大约是一分钟，这样既不精准，也 不能够保证实时地、持续性地监测病情。 随着这些年科学、技术的不断发展，大规模的集成电路、计算机技术的更 新和换代，现在的很多电子设备都已经实现自动化的检测和控制，这些自动化 设备能够为人们的生活，带来方便以及快捷，它们能够高效地完成繁琐重复的 工作，提高生活节奏，给整个人类社会带来巨大的收益。大规模集成电路的不 断发展，使得单片机这项技术得以问世。单片机就是这样通过在一块板子上制 作大规模集成电路的技术，在一片半导体硅片上集成了存储器（RAM、ROM） 、 中央处理单元（CPU） 、并行 I/O 口、中断系统、定时器/计数器、系统总线和系 统时钟电路的微型计算机。然而单片机这种嵌入式控制器也分为通用型和专用 型两种，通用型适合大批量生产，在市场上也容易买到，但是专用型却是需要 特别设计，不适合大批量、大范围的应用1。计算机技术的更新，正解决了这 一难题，在实现了固定元器件大批量统一型号生产的条件下，通过程序的设计 和更改，实现各种不同的电路功能。 电子脉搏计可以准确地对脉搏跳动的情况进行实时地监测，能够反映出脉 搏的均匀状况，监测瞬时脉搏和平均脉搏。因此，电子脉搏计必然能够走向大 众化、智能化、微型化，也必然是众多医院乃至家庭必备的医疗设备。电子脉 搏计的更新，正是基于大规模的集成电路以及计算机技术才发展起来的，单片 机的存在，使得很多电子设备，包括电子脉搏计自动控制和监测的实现成为可 能。 电子脉搏计的设计，我认为仅仅是使用单片机实现自控监测的一个启迪， 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 2 通过电子脉搏计设计成功，一定可以思考和设计出更多的自动监测设备。并且 自动监测也为自动控制创造了先决条件，自动监测设备监测到的真实情况反馈 到中央处理器，中央处理器进行进一步判断，才能实现自动控制。自动监测和 自动控制能解放劳动力，提高生活节奏，用有限的生命创造无限的可能。 1.2 电子脉搏计发展现状电子脉搏计发展现状 现今电子脉搏计的设计主要包括以下两种，一种是多通道的数字脉搏测量 仪的设计，另外一种则是基于 EWB 的电子脉搏测量仪的设计。 基于 EWB 电子脉搏测量仪采用了光电传感器、放大与滤波整形电路、基准 时间发生电路、技术显示电路以及控制电路所组成的脉搏测量仪。设计的电路 选用红外光电传感器，把脉搏跳动转化为电信号，放大、滤波。基准时间电路 能够发生半个周期为 60 秒的脉冲信号，来显示计数器得到的脉搏跳动次数，并 且自动清零。 多通道的数字脉搏测量仪，其测量的部分主要包括两个通道，蜂鸣器报警 显示会占用一个通道。比较电路是用来判断显示结果的正常状态，一部分是译 码，一部分是比较电路。需要测量的两种信号经通道选择以后，再来进行显示。 计数标志由一个 RS 触发器的电路来完成，报警部分则由蜂鸣器的电路来完成。 1.3 本论文的研究工作安排本论文的研究工作安排 第一章：简单介绍了课题背景及电子脉搏计的研究现状。 第二章：将电子脉搏计根据不同功能分成六个模块，比较讨论三个主要模 块芯片的选择，提出明确的方案，对各个芯片的特点进行分析论证，最后决定 模块主要芯片的选型。 第三章：描述电子脉搏计的硬件设计，按照各个模块需要实现的功能，设 计电路将几个模块连接起来，最终实现总体的功能。 第四章：描述电子脉搏计的软件总体设计，通过对软件原理的思考，完整 的设计电子脉搏计的程序。 第五章：总结在电子脉搏计设计的论文中得到的启示和收获。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 3 2 系统方案的论证与选型系统方案的论证与选型 2.1 系统整体设计系统整体设计 电子脉搏计，以单片机为核心控制芯片，对系统进行初始化，主要完成频 率测量、放大整形滤波、液晶显示等功能的控制，起总控以及协调各个工作模 块的作用。 电子脉搏计由光电传感器、STC89C52、四个按键、运放、LCD1602、蜂鸣 器等构成，按键用来设置脉搏跳动次数的上限和下限。测量脉搏的时候把手轻 放在光电传感器的上面，因为脉搏跳动的时候，血液的透光性发生改变，导致 光电传感器测量到的信号强弱发生改变，间接的把人脉搏跳动测量出来，通过 运放对接受到的信号进行放大、滤波、整形，连接到单片机的 I/O 口，51 单片 机利用外部中断对信号进行计数，统计得到结果为脉搏跳动的次数。当脉搏跳 动次数在正常范围时，显示在 LCD1602 液晶屏上；当测量到脉搏跳动次数的结 果，屏幕显示的同时超过设定范围的状况下，单片机会驱动内置蜂鸣器发出报 警。 蜂鸣器模块主控模块单片机 液晶显示模块 LCD1602 光电传感器 ST188 放大整形 滤波电路 按键模块 图 2-1 系统结构 电子脉搏计的几个模块中，需要进行模块选型，并且有必要比较论证的模 块主要有三个，信号采集模块、主控模块以及显示模块。 2.2 信号采集电路论证与选型信号采集电路论证与选型 信号采集电路的关键芯片是传感器的选择，所以接下来的方案就针对传感 器的选择进行讨论。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 4 方案一： 这是我在开题报告中想的方法，使用压电传感器提取人的脉搏信号，压电 传感器是某类电介质受力然后产生压电效应为原理设计的，所谓的压电效应就 是说电介质受到一个方向的外力作用以后开始发生弯曲或者伸缩的形变，由此 带来的电介质本身电荷的极化现象，可在其表面产生电荷，然后通过这样的电 荷变化采集到病人的脉搏信号。 方案二： 后来在参考了很多书籍以后，我发现很难消除在开题报告中希望消除的其 他震动带来的影响，我认为由震动识得的脉搏跳动可能还是过于表面，于是发 现在脉搏跳动的时候，血液的透光性会发生改变，而且光电传感器具有避免电 磁干扰、高绝缘等特性，最后产生了第二个方案，使用光电传感器作为信号采 集的工具。 首先将手指放置在光电传感器的上面，其中手指的肌肉、骨骼和皮肤等组 织对光的吸收量，基本上是始终不变的，并且静脉血管中血液的跳动相较于动 脉血管中血液的跳动是十分微弱的，因此传感器发射的光线透过手指之后，发 生的变化可以认为这种现象是只由动脉血的充盈而引起的。因此，在恒定波长 光源的持续照射下，经过光电传感器发射和接收过程中光电信号发生的转换， 就可以间接地采集人体脉搏跳动的信号了2。 ST188 型号的光电传感器是反射式的红外光电传感器，该型号传感器采用 了高发射功率的红外光电二极管、高灵敏度的光电晶体管这两种主要元件，监 测的距离大约的范围在 4 到 13mm 之间，采用非接触的监测方式。 2.3 主控模块论证与选型主控模块论证与选型 方案一： 使用常用 MSP430 类型的单片机，这类型的单片机，是一种 16 位的超低功 耗混合的信号处理器，这类单片机其中集成了许多微型处理器、模拟电路和数 字电路，可以供给强大的电路功能，但是这类单片机价格昂贵，不适合大规模 的应用，而电子脉搏计应当逐渐普及，并且具有巨大的经济效益，所以无法使 用这类 MSP430 类型的单片机。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 5 方案二： 使用 51 系列的单片机，51 系列单片机性价比很高，21 个专用的寄存器、 32 个 I/O 口、2 个可编程定时/计数器、2 个优先级和 5 个中断源，这些单片机 的构造保证了 51 系列单片机的可靠性，重要的是 51 系列单片机是无法解密的。 如果选择 STC89C52 芯片的话，还有编程、调试方便等的特点3。 所以，最后选用 51 系列的单片机，作为了主控芯片，并且采用了 STC89C52 芯片，作为电子脉搏计使用的核心芯片。 2.4 显示模块论证与选型显示模块论证与选型 方案一： 在开题报告中，开始一直是准备采用 7 段的 LED 数码管来进行显示的，对 于用户显示数字的需求十分合适，这种显示方式是应用动态扫描的办法，若将 单片机与 LED 相互连接的时候，其占用的单片机 I/O 口线比较少。由于数码管 动态扫描，需要借助 74LS164 移位寄存器来进行移位，所以在电路调试的时候， 仍然具有很多障碍，则不用 LED 的 7 段数码管来作为显示元件4。 方案二： 由于方案一中的原因，所以我更改了自己的方案，决定采用 LCD 液晶显示 屏，LCD 液晶显示屏可以显示大量的图形以及文字，清晰可辨，并且不存在刷 新问题。所以我选择了型号为 LCD1602 的液晶显示屏，这样使得输出结果更好， 方便电路调试，只是唯一的缺点就是使用的 I/O 口线比较多，但是却可以方便 地通过交互的界面，更好地进行监测，所以在比较以后，采用 LCD1602 型号的 液晶显示屏。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 6 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3.1 信号采集电路设计信号采集电路设计 信号采集电路是光电传感器将脉搏信号转换为电信号，这种电信号只有几 十毫伏，只有对这个电信号进行放大、整形，成为几伏、规则的电信号，使计 数器和蜂鸣器处于正常的工作状态。设计的信号采集电路应是下图的顺序。 光电传感器放大滤波电路整形电路 图 3-1 信号采集电路顺序 3.1.1 红外光电传感器红外光电传感器 采集信号的部分采用了红外光电传感器，光电传感器核心芯片是发光二极 管、光敏二极管，作用是通过发光二极管发射红外线照射手指，红外线经过手 指吸收以及衰减，光敏二极管接收到血液透光性的变化，便可以间接采集脉搏 跳动，转化为电信号，下面是红外光电传感器的原理图。 D1 LED0 M K1 两两两两两 150R R 1 +5V AGND 33K R 2 +5V AGND 图 3-2 红外光电传感器 如图 3-2 所示，红外光电传感器采用了 ST188 型号，由+5V 电源供电，R1 为 150，R2 为 33K，将手指放在高发射功率的发光二极管以及高灵敏度的光 电二极管之间。发光二极管先发射红外线，继而光电二极管来接收反射的信号。 人脉搏跳动的状态是呈周期性变化的，动脉血液和循环也是相应具有周期性的， 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 7 因此光敏二极管得到的信号反映了动脉血的脉动变化。 3.1.2 放大滤波电路放大滤波电路 10UF C4 68K R8 5 6 7 B 84 AMP1B LM358 0.1UF C1 680K R4 0.1uF C3 2.7k R5 680K R2 0.1uF C2 2.7k R3 10UF C5 68K R7 VCC 2 3 1 A 84 AMP1A LM358 图 3-3 放大滤波电路 经过红外光电传感器收集到的脉搏跳动信号，虽然红外光电传感器相较于 压电传感器对外界干扰已经十分微弱，但是仍旧需要放大滤波电路进行整合， 如图 3-3 所示，用 LM358 搭建一个放大、滤波电路，其中 C4 与 R8、C5 与 R7 是电容-电阻组合，作为高通电路，用来隔绝低频的干扰；R4 与 C3、R2 与 C2 是电阻-电容组合，作为低通电路进行滤波，用来隔绝高频的干扰。 3.1.3 整形电路整形电路 经过放大、滤波以后的电信号虽然已经可以被辨识，但是仍旧有低频的干 扰且不规则，这样的电信号不能直接提供给 LCD1602 液晶显示屏以及蜂鸣器识 别，因此必须对电信号进行整形，用如图 3-4 左图所示的施密特触发器，来提 高抗低频的干扰。整形电路还用到了 LED 灯来实现电路功能，74HC14 触发器 用来进行集成运放，而 LED 灯用来显示电子脉搏计正在测量脉搏跳动的状态5。 1A 1 1Y 2 2A 3 2Y 4 3A 5 3Y 6 GND 7 4Y 8 4A 9 5Y 10 5A 11 6Y 12 6A 13 VCC 14 U1 74HC14 VCC D1 LED0 1K R6 P3.4 P3.4 VCC 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 8 图 3-4 整形电路 3.2 主控模块主控模块 主控模块在电子脉搏计系统中起统筹的作用，主控模块需要承担检测光电 传感器、键盘等参数，驱动 LCD1602 液晶显示屏显示测量结果的任务。主控模 块使用的是核心芯片为 STC89C52 的 51 系列单片机，应用 STC89C52 核心芯片 来架构最小的结构，完成使用者对主控模块需求的任务。 3.2.1 STC89C52 芯片的特点芯片的特点 如图 3-5 所示，STC89C52 型号的芯片具有 40 个引脚，其中有 4 个 8 位的 并行 I/O 口， 2 个 16 位的定时/计数器，1 个全双工的异步串行口，2 个优先级 以及 5 个中断源，4KB 的程序存储器（即掩膜 ROM）以及 128B 容量的数据存 储器（RAM）6。 Vcc Vss 时钟电路 CPU 总线控制 ROM/EPROM/Flash 4KBRAM128B SFR 21 个 定时器/计数器 2 中断系统 5 个中断源 2 个优先级 串行口 全双工 1 个 4 个并行口 图 3-5 STC89C52 单片机 STC89C52 单片机的主要性能： 1. 一个 8 位的微型处理器(CPU)。 2. 片内数据存储器 RAM(128B)，用来存放可以读/写的数据，像运算的最 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 9 终结果、中间结果以及将要显示的数据等，STC89 系列的单片机，最多可以提 供 1K 的 RAM。 3. 片内程序存储器 ROM(4KB)，用以存放程序、表格和一些原始数据。但 是也有一些单片机的内部不带 ROM/EPROM，例如 8031，8032，80C31 等型 号。目前单片机发展的趋势是将 ROM 和 RAM 都集成在单片机里面，这样既 能够方便用户进行设计，又可以提高系统的抗干扰能力。STC 公司推出的 89 系列单片机分别集成了 16K、32K、64K 的 Flash 存储器，可根据用户的需要进 行选型7。 4. 四个 8 位并行 I/O 接口 P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输 出。 5. 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对 外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实 现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的 52 系列单片机都会提供 3 个 16 位定时器/计数器。 6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只 5 个中断源， 例如 SST89E58RD 就有 9 个中断源。 7. 一个全双工 UART(通用异步接收发送器)的串行 I/O 口，用于实现单片 机之间或单机与微机之间的串行通信。 8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允 许振荡频率为 12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达 40MHz，因而大大 地提高了指令的执行速度8。 3.2.2 STC89C52 芯片的中断系统芯片的中断系统 以 STC89C52 为芯片的 51 系列单片机，其中断系统共有 5 个中断源，2 个 优先级，可以实现二级中断服务嵌套，中断技术主要用于实时控制与检测，并 且能够做出快速的反应和及时的处理。单片机的中断系统是通过 4 个相关的特 殊功能寄存器 SCON、IE、TCON 以及 IP；由片内特殊功能寄存器中的中断允 许寄存器 IE 控制，CPU 是否响应中断请求；由中断优先级寄存器 IP，安排各 中断源的优先级；低优先级可被高优先级中断，高优先级不能被低优先级中断， 同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 10 在单片机的应用系统中，使用者常常会有定时控制的需求，例如定时检测、 定时输出、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。STC89C52 单片机内 部集成有两个可编程的定时/计数器：T0 和 T1，它们既可以工作于定时模式， 也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1 还可以作为串行口的波特率发生器。 3.3 LCD 液晶显示器简介液晶显示器简介 因为在设计的过程中，要在显示界面设定脉搏跳动次数的上限和下限，以 方便进行实时监测，在测量以后得到的结果，如果不在设定脉搏范围的时候蜂 鸣器会发出蜂鸣，所以对电子脉搏计的设计上选用了 LCD1602 液晶显示屏作为 显示界面，以方便对电子脉搏计的功能实现。 3.3.1 液晶原理介绍液晶原理介绍 LCD 液晶显示器，是一种采用液晶来控制透光度的技术，来实现色彩的显 示器，LCD 液晶显示器和 CRT 显示器相比较，LCD 的优点是很明显的。由于 通过控制能否透光，来控制亮和暗。当色彩不变的时候，液晶显示器也会保持 不变，这样就没有必要考虑到刷新率带来的问题。显示的接口是用来显示系统 状态的，命令或者采集电压数据的。系统显示的部分用 LCD 液晶显示模块，采 用一个 162 字符型的液晶显示模块。 点阵图种类的液晶是由 M 行N 列个显示单元所组成，假设 LCD 显示屏一 共有 64 行，其中每行都有 128 列，每 8 列相对应 具有 1 字节的 8 个位，即每 一行都由 16 个字节，共有 168=128 个点组成，屏幕上有 6416 个显示单元和 显示屏幕 RAM 区 1024 个字节相对应，每一字节的内容和屏幕上，相应位置的 亮暗对应。一个字符是由 68 或者 88 的点阵组成，如果想找到和屏幕上的某 几个对应位置显示 RAM 区的 8 个字节，并且能够使得每个字节不同的位为 “1” ，其它的位为“0” ，为“1”的点亮，为“0”的点暗。这样一来，就会组 成某个字符9。但是，相对于内带字符发生器的控制器来说，显示出来的字符 相对来说就比较简单一些，可以使得控制器的工作，在文本方式。依照在 LCD 上，开始显示的行列序号以及每行的列数，找出显示 RAM 相对应的地址，设 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 11 定光标，在这里需要该字符相对应的代码便可。 3.3.2 液晶模块简介液晶模块简介 LCD1602 液晶模块采用 HD44780 控制器，HD44780 具有简单而功能较强 的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能，LM016L 与单片机 MCU 通讯可 采用 8 位或 4 位并行传输两种方式，HD44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令 寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF） ，显示数 RAM（DDRAM） ， 字符发生器 ROMA（CGOROM）字符发生器 RAM（CGRAM） ，地址计数器 RAM(AC)。IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR 用于寄存数据，数据 由内部操作自动写入 DDRAM 和 CGRAM,或者暂存从 DDRAM 和 CGRAM 读 出的数据，BF 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数 据，DDTAM 用来存储显示的字符，能存储 80 个字符码，CGROM 由 8 位字符 码生成 57 的点阵字符 160 中和 510 的点阵字符 32 种10。8 位字符字符和编 码的对应关系，CGRAM 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅有 64 字节， 可以自定义 8 个 57 的点阵字符或者 4 个 510 的点阵字符，AC 可以存储 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址码随指令写入 IR，则 IR 自动把地址码 装入 AC，同时选择 DDRAM 或 CGRAM，LCD1602 液晶模块的引脚图如图 3-6 所示。 图 3-6 LCD1602 引脚 液晶寄存器选择控制如下面的表 3-1 所示。 表 3-1 寄存器选择控制 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 12 RSR/W操作说明 00写入指令寄存器（清除屏等） 01读 busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值 10写入数据寄存器（显示各字型等） 11从数据寄存器读取数据 3.3.3 液晶显示部分与液晶显示部分与 STC89C52 的接口的接口 如图 3-7 所示，STC89C52 的 P0 口作为数据线，用 P1.0、P1.1 和 P1.2 分别 作为 LCD 的 RS、EN、R/W。其中的 EN 是下降沿，触发的是片选信号，R/W 是读写信号，RS 是寄存器选择信号。该设计的模块设计遵守的要点，显示模块 启动后，进行初始化，进行清屏，然后再设定接口的数据位为 8 位，其中显示 的行数为 1 行，字型为 57 的点阵，然后将其设置为整体方式显示，取消光标 以及字体闪烁，最后设定为正向的增量方式，而且不移位11。向 LCD 的液晶显 示缓冲区中送字符，程序采用 2 个字符的数组，一个用来显示字符，另一个用 来显示电压的数据，要显示的数据或者字符，被送到相应的数组中，完成后再 进行统一显示。首先取一个需要显示的数据或者字符，送到 LCD 显示器的缓冲 区，程序延时 2.5 毫秒，判断是否能够显示的个数，不够的话地址加一，则取 下一个要显示的数据或者字符。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 13 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 RESET 9 P3.0 10 P3.1 11 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U1 两两两 +5V 12 Y2 12MHZ 30pFC3 30pFC4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P110K两两 VSS 1 VCC 2 VEE 3 RS 4 RW 5 EN 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 A 15 K 16 LCD1 lcd1602 +5V 10K R1 +5V +5V +5V S1 SW-PB 10K R3 10uF C2 +5V 图 3-7 LCD1602 与 STC89C52 的接口 3.4 键盘模块设计键盘模块设计 这个按键模块使用的是多位独立按键，按钮的一个端口接 I/O 口，一个端 口接地，因为单片机 I/O 口都具有内部的上拉电阻，因此当按钮还没有按下去 时，I/O 所检测到的电平是高电平，当按钮按下去时，电路状态相当于 I/O 口短 接地，所以这时单片机所检测到的电平是低电平，经过检测到的不同时刻 I/O 口的电路状态，就可以判断所按下的到底是哪个按钮。4 个按钮分别具有以下 的功能，第一个按钮为功能按键，能够切换到不同的参数设定界面；第二个按 钮为切换功能的按键，可以切换时、分、秒等参数进行设置；第三个按钮为增 加功能的按键；第四个按钮为减少功能的按键。其中按钮还可以用来设定闹钟， 以及重置时间等一系列功能。键盘模块的电路图如图 3-8 所示。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 14 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 RESET 9 P3.0 10 P3.1 11 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U2 两两两 12 Y1 12MHZ 30pFC8 30pFC9 S2 SW-PB S3 SW-PB S4 SW-PB S5 SW-PB P3.4 图 3-8 键盘模块 3.5 蜂鸣器模块设计蜂鸣器模块设计 论文电子脉搏计设计还具有脉搏跳动次数超出设置范围时，蜂鸣器发出报 警的功能，当检测到脉搏跳动次数的结果超出使用者所设定的规定上限或者下 限的时候，单片机就会驱动连接着的蜂鸣器来发出报警。 如图 3-9 所示的蜂鸣器，因为通过蜂鸣器工作的电流较大，会使得单片机 的 I/O 口无法直接的进行驱动，所以需要利用三极管的开关电路，进行放大电 流，从而进行驱动。这里选用的是 8550 型号的三极管，这种 8550 型号的三极 管是 PNP 型号的三极管，当基极供给低电平时，三极管会导通，这时蜂鸣器会 发出报警；当供给高电平的时候，三极管则处于非工作状态，蜂鸣器则不会发 出报警。 1K R4 +5V P3.2 LS1 两两两 Q1 8550 图 3-9 蜂鸣器驱动模块 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 15 4 系统软件设计系统软件设计 4.1 系统软件流程系统软件流程 N Y 相应值减少 计算脉搏值 显示脉搏值 相应值增加 按键 2 按下？按键 4 按下？ 返回 下限设定 上限设定 按键 1 按下？ 液晶初始化 开始 按键 3 按下？ 15s 到 图 4-1 主程序流程 主程序的流程，如图 4-1 所示，单片机上电以后，先对整个系统进行初始 化，然后清除相关测量数据的初值，接着等待使用者按下相应的按钮，并进入 根据需要选择的功能，当使用者按下开始按钮之后，单片机按照定时器定时的 15s，测量病人脉搏跳动的次数，然后再将得到 15s 的结果乘以 4 倍得出 60s 的 脉搏跳动次数，将结果显示在 LCD1602 液晶屏幕上，并且每过一个 15s 刷新结 果一次。当使用者按下设定脉搏范围的按钮之后，单片机依照使用者的操作， 对脉搏测量的范围进行增加或者减少12。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 16 N 设置显示数据 首地址 循环量设置 取字符代码 结束 设置 DDRAM 地址， 在第一行显示 循环完？ 设置显示数据 首地址 循环量设置 取字符代码 调用自定义字库 设置 DDRAM 地址， 在第一行显示 循环完？ Y 图 4-2 LCD1602 初始化子函数流程图 最先开始先调用 LCD1602 液晶显示屏自定义的字库，然后设置好 DDRAM 的地址以后，在第一行进行显示，依照程序中的数据，来设定显示数据首地址， 并且设定循环量，在循环的过程中，不间断地取用字符代码，直到终止；第二 行显示过程和第一行显示过程是一样的，在两行显示完毕以后，便可以结束相 应的子程序。 4.2 程序设计原理程序设计原理 电子脉搏计软件的任务分析以及硬件电路的设计进行结合，哪些功能需要 硬件来完成，哪些任务需要软件来完成。在硬件电路的整体设计完成基本定型 以后，软件任务的设计也就能够基本上拟定下来。 软件工作任务分析相应环节，是为软件设计做出一个总体的规划。从软件 的功能来考虑分类的办法，可以把软件分成两个大的类别，其中一个种类是执 行类的软件，执行类的软件能够完成各种用户需求的实质性功能，比如计算、 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 17 测量、通信、打印、显示和输出控制等功能，另外一个种类则是监控软件，这 类软件专门用于协调各个执行模块以及操作者的关系，在系统的软件中，发挥 着组织、调度等重要功能的软件13。监控软件和执行软件分别有自己不同特点 的设计方法，其中执行软件特色的设计，更偏重于算法效率一些，软件与硬件 的关系十分密切，并且更富有变化性14。 当软件任务在进行分析的时候，需要将各个不同功能的执行模块列出来进 行比对，并且为每一个执行模块，进行接口定义以及功能定义。在各个执行模 块进行定义的时候，将要涉及到的数据类型以及数据结构的问题，也一起规划 好。 各个执行软件对应的模块规划好了之后，接着就可以执行监控软件的程序 了。首先依照键盘设定和系统功能，来选择一种最为恰当的监控程序结构。相 互比照着来讲，执行模块要做的任务就显得明确、单纯，并且编程的过程也比 较容易，但是监控程序却比较容易出现一系列问题。这就像当一名操作工人会 比较容易，但是当一个厂长相对而言就有难度了。 软件分析的工作任务还有另外一个内容，就是如何对各个监控软件和执行 模块进行安排。整个系统的软件程序可以分类为前台程序以及后台程序两种。 前台程序会安排一些实时性的要求相对比较高的内容，例如外部的中断系统 （例如掉电中断系统）以及定时系统；然而，后台程序指主程序及其调用的子 程序，这类程序对实时性要求不是太高，延时了几十毫秒甚至几百毫秒也没有 太大影响，因此，通常把打印程序、监控程序（键盘解释程序）和显示程序等 一系列需要和操作者进行交互的程序，放在后台的程序中来执行15。也可以将 所有需要执行的程序都安排到前台的程序去，后台程序此时扮演着“使系统的 工作进入休眠的状态”的角色，以便利于系统达到抗干扰和节电的目的。 山山西西农农业业大大学学信信息息学学院院毕毕业业设设计计 18 5 总结展望总结展望 通过电子脉搏计的毕业设计，我学了许多课本上没有的实践知识，也锻炼 了个人实际动手的能力，把大学期间不同科目的零散的知识系统地联系到一起。 经过一段时间的设计以及调试，该系统基本能够满足基于单片机的电子脉搏计 的不同功能。这样的电子脉搏计仍旧有两处不足之处，第一方面系统的人性化 还不够充足，第二方面整体硬件系统的稳定性仍旧有提升的空间。 电子脉搏计的设计主要涉及硬件以及软件两大模块的内容，经过毕业设计 逐步完成，我硬件和软件相应开发的能力都得到了相应的提高。首先硬件的方 面，从中了解电子产品的整个开发流程和实际手工操作的过程，在实践中逐步 落实自己学习的专业知识。熟练掌握 Protel99SE 原理图的绘制方法，并且真真 正正地设计了一个最小的单片机系统。通过对硬件焊接的过程以及 PCB 板的设 计，让我对 STC89C52 型号的单片机接口，有了进一步地认识，熟练掌握常用 单片机相关知识以及单片机外围电路引脚作用和连接方法，像 LCD1602 液晶显 示屏、键盘等和单片机的连接。在这个过程中我锻炼了分析问题和解决问题的 能力，加深专业科目的理论知识的运用和理解。我的实践能力得到了相当大的 提高，创新的思想同样得到了锻炼。在电子脉搏计的设计过程中，我查阅了大 量相关资料，对以前的科技成果和现今的核心元件进行比对，确定了每一模块 的选型方案，最后把相应模块组合起来，构成一个完整的电子脉搏计。我在分 类、比对和设计的过程中，重新系统的温习了大学学习的各种专业知识，并且 将很多学科综合起来，灵活应用。最后，我动手亲自制作了电子脉搏计，当自 己设计的电子脉搏计最后实物做出来，准确测出来自己的脉搏跳动次数的时候， 一种喜悦感让我内心激动，我知道这将成为我生命中的一块踏