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基于单片机的脉搏测量仪设计作者姓名：xx 班级专业：2009050103 指导老师：xxx摘要脉搏跳动的次数是一个人很重要的生理指标，从最简单的手按在腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数，到用仪器较为精确的测量，脉搏测量在我们日常生活中的应用已经很广泛了。本课题设计是基于51单片机的脉搏测量仪，以at89c52单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，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，停止运行时，液晶能够显示总的脉搏次数和时间。关键词：脉搏测量、stc89c52单片机、传感器、软件stc89c52 and pulse measuring instrumentthe frequency of the pulse is a physiological indicator of a person is very important, from the most simple hand at the wrist arteries, according to the pulse count, to instrument for measuring more accurate, application of pulse measurement in our daily life has been very widely. the design of this project is to pulse measuring instrument based on 51 single chip microcomputer, the at89c52 microcontroller as the core, with infrared emitting diode and a phototransistor as sensor, and calculates the time using the internal timer of mcu, pulse is generated by the photosensitive triode induction, single-chip based on frequency of the pulse by pulse accumulation, stop running, can display the total the pulse frequency and time.keywords: pulse measurement, stc89c52 mcu, sensor, software目录第1章 前言11.1 前言11.2 选题背景11.3 脉搏测量仪的发展2第2章 方案设计42.1 方案的论证42.2 方案的选择52.3 方案内容5第3章 基本元器件的选择73.1 stc89c5273.2 光电传感器103.3 液晶显示器113.4 三端稳压电路lm780514第4章 单元模块设计154.1 单片机的外围电路154.2 稳压电源电路164.3 信号采集电路164.4 信号放大电路184.5 波形整形电路204.6 显示电路214.7 整体硬件电路21第5章 软件设计225.1 keil c51软件简介225.2 keil的基本使用流程图225.3 程序流程图23第6章 系统调试256.1 调试256.2 系统检验266.3 误差分析29结论29致谢30参考文献31附录1 系统原理总图33附录2 系统pcb总图34附录3 程序代码35第1章 前言1.1 前言脉搏测量仪是检测有无脉搏以及计数有多少次的仪器，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，组织的半透明度增大，这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。利用波长600-1000nm的红光或红外发光二极管产生的光线照射到人体的手指尖、耳垂等部位，用装在该部位另一侧的红外接收二极管接收信号，脉搏测量有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，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。临床上有许多疾病，特别是心脏病可使脉搏发生变化。因此，测量脉搏对病人来讲是一个不可缺少的检查项目。中医更将切脉作为诊治疾病的主要方法。从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集是很有价值的。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。1.2 选题背景脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著脉经问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断1。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。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。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1.3 脉搏测量仪的发展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。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。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波4。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景5。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。第2 章方案设计2.1 方案的论证方案一、基于半导体压阻传感器的脉搏信号提取。该系统的核心为半导体压阻传感器，目前只搜集到两种型号2s5m与14d471k该半导体具有压阻效应，即在受压力作用下，其内部的半导体电阻率会发生相应的变化，进而输出一个变化量。将该半导体置于人体动脉处，脉搏产生的微小震动即可使半导体的电阻率发生变化。且半导体压阻传感器具有灵敏度高，高精度，体积小，动态响应快等特点。完全可以完成脉搏信号的提取，提取之后先后经过滤波放大等电路将处理后的信号输入单片机处理。方案二、基于压电陶瓷片的脉搏信号采集利用压电陶瓷进行相关信号的采集是一直以来比较常用的方法，随着脉搏的跳动会产生相应的信号，将此信号进行相关滤波放大整形倍频后接单片机处理。此种方法在众多的论文中被采用，但在压电陶瓷的具体选择上至今没有一个具体的型号，虽然选用压电陶瓷来进行采集方法简便，但确实存在较大的问题，即能够采集到该信号的压电陶瓷必须要特别制作，目前的压电陶瓷还不能检测到该信号，或者检测到的信号不准，受干扰程度太大，我们检测到的信号也许就根本不是脉搏信号，那么此种方法理论上行的通但实际操作问题太多，且不易解决。方案三、基于压阻传感器的脉搏信号采集该种传感器的核心以一种扩散型硅杯组件，其压力敏感原件与电信号转换原件是一起的：硅杯组件本身就是压力敏感原件。采用平面电路的集成工艺，在其表面质地更区域扩散压阻电桥，从而获得了敏感性与一致性很好的性能指标。硅杯组件的阻值发生变化，进而引起电压（电流）的变化，进而拾取该信号。该方案看似可行但是在实际操作中，硅杯组件如何构造的问题就难以解决。即硅杯组件到底是什么组件一直没有查到，相关论文写的也不清楚，所以这是困扰该脉搏测试传感器搭建的最根本问题。方案四、基于红外接收管的脉搏信号的采集该系统的核心是红外发射接收管，该信号的采集原理是当有脉搏时血液浓度大，通透性差，对光遮挡作用比较明显，而当无脉搏时血液浓度低，透光性强。当无脉时红外接受管处会产生一暗电流，当有脉时暗电流减少，所以实际上脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收管的有脉无脉时的暗电流的微弱变化来实现的。2.2 方案的选择以上2.1为经过搜集相关资料好整理出来的关于脉搏信号拾取的方法，我认为在以上四种方法中，第一种基于半导体压电陶瓷的脉搏信号采集方法与第四种基于红外发射接收的脉搏信号采集接收系统易于实现，比较之下选择了第四种方案来实现设计。脉搏测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏变化，最后要得出每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个系统的设计思路，本课题就此开始实施。2.3 方案内容本设计采用单片机at89c51为控制核心，实现脉搏测量仪的基本测量功能。脉搏测量仪硬件框图如下图2-1所示：外部中断信号光电传感器低通放大器比较器和振荡器单片机at89c51液晶显示电路外部晶振稳压电路图 2-1 脉搏测量仪的工作原理当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到液晶显示。光电脉搏测量仪是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。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、液晶显示、电源等部分。1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。2信号处理 即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路(包括放大、滤波、整形等)。3. 单片机电路即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括at89c52、外部晶振、外部中断等）。4液晶显示即把单片机计算得出的结果用液晶显示出来5. 稳压电源即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5v-9v的交流或直流的稳压电源第3章 基本元器件的选择3.1 stc89c52单片机（microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器cpu、数据存储器ram、程序存储器rom、定时器/计数器和多种i/o接口电路，如图3-1所示。图3-1 单片机基本结构stc89系列单片机是mcs-51系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，dip40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。stc89系列单片机高速(最高时钟频率90mhz)，低功耗，在系统/在应用可编程(isp，iap),不占用户资源。stc89系列的内部结构可以划分为cpu、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。（1）中央处理器stc89c52的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（sfr）。算术逻辑单元alu能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。alu只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器acc或寄存器tmp中，运算结果可以送回acc或通用寄存器或存储单元中，累加器acc也可以写为a。b寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后b中为部分运算结果。程序状态字psw是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。其各位的含义是：cy：进位标志。有进位/错位时cy=1，否则cy=0。 ac：半进位标志。当d3位向d4位产生进位/错位时，ac=1，否则ac=0，常用于十进制调整运算中。f0：用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。rs1、rs0：四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择03寄存器组。ov：溢出标志。当带符号数运算结果超出-128+127范围时ov=1，否则ov=0。当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时ov=1，否则ov=0。p：奇偶校验标志。每条指令执行完，若a中1的个数为奇数时p=1，否则p=0，即偶校验方式。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针dptr和程序寄存器pc等。单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器ir，然后指令译码器id进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。stc89c52的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如psen、ale、ea以及rst，也有一些是和p3口的某些端子合用，如wr和rd就是p3.6和p3.7，他们的具体功能在介绍stc89c52引脚是一起叙述。（2）存储器组织stc89单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排rom或ram，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。stc89单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。stc89片内有256k数据存储器ram和4kb的程序存储器rom。除此之外，还可以在片外扩展ram和rom，并且各有64kb的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展2*64kb存储器。stc89的存储器组织结构如图3-2所示。64k字节的程序存储器（rom）空间中，有4k字节地址区对于片内rom和片外rom是公用的，这4k字节地址是0000hfffh。而1000hffffh地址区为外部rom专用。cpu的控制器专门提供一个控制信号ea用来区分内部rom和外部rom的公用地址区：当ea接高电平时，单片机从片内rom的4k字节存储器区取指令，而当指令地址超过0fffh后，就自动的转向片外rom取指令。当ea接低电平时，cpu只从片外rom取指令。程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：0000h0002h单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，cpu总是丛0000h单元开始执行程序。0003h002ah单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。图3-2 存储器组织结构图stc89的ram虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域：00h-7fh时真正的ram区，可以读写各种数据。而80hffh是专门用于特殊功能寄存器（sfr）的区域。对于8051安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。内部ram的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用r0r7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如acc.0，b.7等。3.2 光电传感器光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是ccd图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。在此次设计中我们采用的是光电传感器中最常见普遍的光敏二极管做红外接收二极管和光面三极管做红外发送三极管。光敏二极管光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，pn结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流iceo=（1+）icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流ic=（1+）ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。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。因此本设计将光敏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, 于是光敏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3.3 液晶显示器在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、led数码管、液晶显示器。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1、显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（crt）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2、数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3、体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4、功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动ic上，因而耗电量比其它显示器要少得多。1602字符型lcd简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式lcd，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。一般1602字符型液晶显示器实物如图3-3：图3-3 1602字符型液晶显示器实物图1602lcd的基本参数及引脚功能1602lcd分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为hd44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图3-4所示：图3-4 1602lcd尺寸图1602lcd主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5v工作电流:2.0ma(5.0v)模块最佳工作电压:5.0v字符尺寸:2.954.35(wh)mm引脚功能说明1602lcd采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:表3-1 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1vss电源地9d2数据2vdd电源正极10d3数据3vl液晶显示偏压11d4数据4rs数据/命令选择12d5数据5r/w读/写选择13d6数据6e使能信号14d7数据7d0数据15bla背光源正极8d1数据16blk背光源负极第1脚：vss为地电源。第2脚：vdd接5v正电源。第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：r/w为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和r/w共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平r/w为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3.4 三端稳压电路lm7805lm78/lm79系列三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压ic型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6v，lm7909表示输出电压为负9v。 因为需要正5v电压，所以选择lm7805。三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用，如图3-5。图3-5 外形引脚排列第4章 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系，如图4-1所示。外围电路stc89c52单片机信号采集稳压电源信号放大显示整形滤波图4-1 各单元模块4.1 单片机的外围电路单片机工作时需要一些必要的条件，外部晶振以及复位电路等，对于stc89c52单片机外围单元，由于stc89c52芯片共有40个管脚，其中有32个管脚可作为i/o口用，它们分别为p0口的八个管脚、p1口的八个管脚、p2口的八个管脚和p3口的八个管脚，其中p3口的八个管脚可作串行口、外部中断、定时器、读写控制等特殊用途，当不需要作特殊用途的时候，p3口可作i/o口使用。最小系统如图4-2所示。图4-2 89c52单片机的最小系统4.2 稳压电源电路为了给单片机提供稳定的电压，采用三端稳压集成电路lm7805，提供恒定的电压。ic采集成稳压器lm7805，c13、c2分别为输入端和输出端滤波电容，r2为负载电阻，d2为电源指示灯，如图4-3所示。4-3 稳压电路4.3 信号采集电路测量脉搏次数需要先采集脉搏信号，因此首先需要一个采集脉搏信号的传感器，这次设计的传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用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。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4-4所示。图4-4 透射式光电传感器图图4-5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4-5 脉搏信号的采集电路4.4 信号放大电路通过光电传感器采集来的脉搏信号比较微弱，不能立即使用，需要先放大信号，因而需要一个信号放大电路，放大电路的核心就是放大器，这次课题采用的是lm324四运放放大器。lm324 是四运放集成电路，它采用14 脚双列直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4-6所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端vo 的信号与该输入端的相位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端vo 的信号与该输入端的相位相同。lm324 的引脚排列见图4-7。图4-6 运放的引脚 图4-7 lm324的引脚排列由于lm324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。有了放大器以后，还需要一些外围部件来实习信号的放大，按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器，如图3.6所示。r23、c6组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由r23、c6决定，运放u2b将信号放大，放大倍数由r23和r27的比值决定。如图4-8所示：图4-8低通放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：放大倍数为：截止频率为：按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.3 hz考虑，低频特性是令人满意的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。4.5 波形整形电路脉搏信号经过放大以后，原来细小的误差会被放大，所以需要一个电路来将信号重新整形，变成稳定的信号。波形整形电路如图4-9所示，u2c是一个电压比较器，c11、r29构成一个微分器，u2a和c7、r32组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由c7、r32决定。该比较器的阀值电压可用r31调节在正弦波的幅值范围内，但是对r31的调节要求并不严格，因为u2c的输出信号经c1、r29的微分后总是将正、负相间的尖脉冲加到单稳态多谐振荡器u2a的反向输入端，不会造成很大的触发误差。当有输入信号时，u2a在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平，使c7通过r32充电。大约持续20ms之后，因c7充电电流减小而使u2a同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位（尖脉冲已过去很久），于是u2a改变状态并再次输出低电平。这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管ds3的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时，该脉冲电平通过r24送到单片机/into脚，进行对心率的计算和显示。图4-9波形整形电路4.6 显示电路脉搏信号通过单片机处理以后就可以通过显示屏显示出来了，显示电路使用的是液晶显示器1602显示，液晶显示器具有显示质量高，重量轻，体积小等优点。液晶7-14脚连接到单品机p0口，由p0口控制显示数据，显示电路如图4-10。图4-10 显示电路4.7 整体硬件电路拥有了各个功能模块以后，组合到一起，就构成了整个脉搏测量仪的电路图。电路的原理图见图4-11。电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机外围电路、液晶显示电路等部分组成。图4-11 硬件整体电路第5章 软件设计5.1 keil c51软件简介keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。是目前最流行开发mcs-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持keil即可看出。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部份组合在一起。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用c语言编程，那么keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用c语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。因而易学易用。用过汇编语言后再使用c来开发，体会更加深刻。5.2 keil的基本使用流程图keil基本使用流程图如图5-1所示：打开keil软件新建工程新建源代码文件类型调试、编译生成hex文件图5-1 keil基本使用流程图5.3 程序流程图系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行, 它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后, 进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序12。流程如图5-2所示。图5-2 主程序流程图4.31 定时器中断程序定时器中断服务程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判断等部分组成。当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1s计时到之后继续检测下1s，直到60s到了再停止并保存测得的脉搏次数。同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉搏次数。流程如图5-3所示。图 5-3 定时器中断程序流程图4.32 int中断程序外部中断服务程序完成对外部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲脉搏次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的脉搏次数。流程如图5-4所示。图5-4 int中断程序流程图4.33 显示程序显示程序包括显示上次脉搏次数，本次测量中的时间和脉搏的次数。从中断程序中取得结果后，先显示上次的脉搏次数，经过10ms的延时后再显示测试中的脉搏次数，再经过10ms的延时显示测试中的时间。流程如图5-5所示。图5-5 显示程序流程图第6章 系统调试6.1 调试根据系统设计方案，本系统的调试可分为两大部分：模拟部分和纯mcu部分。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试。断开两部分的连接点，先调试mcu部分。试着输入一系列脉冲（用适当的电阻接正极，间断性地输入），观察mcu部分能是否能显示；模拟部分用不透明的笔在红外发射二极管和接收三级管之间摇摆，借助示波器观察波形效果如何。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后进行整体测试，使系统的功能得以实现。1.放大倍数的增加 传感器的输出端经示波器观察有幅度很小的正弦波，但经整形输出后检测到的脉冲还是很弱，在确定电路没有问题的情况下，加强信号的放大倍数，调整电阻r23和r27的阻值。2.时钟的调试根据晶体振荡频率计算出内部定时器的基本参数，通过运行一段时间可通过秒表来校正后,看时间误差的量,以这个量为依据改变程序中的内部定时器基本参数,就可使时钟调准确。3.开机后无显示首先检查交流电源部分，有无交流，若无则可能保险管或变压器烧坏，如有继续查直流有无，如无则电源已烧坏，可更换解决。4.显示正常但经适当运动后测量，脉搏次数没有增加可能是前置放大级有问题，可采用更换的办法判断并排除。5.进人测量状态, 但测量值不稳定主要是光电传感器受到电磁波等干扰，其次是损坏或有虚焊。6.开机后显示不正常或按键失灵可查手指摆放的位置或按键电路，若无故障则是硬件损坏。7.电源的改变理论上模拟部分有三处电压应为9v，但经过测试，全部使用5v电压也是可行的。6.2 系统检验作品完成的实物图，如图6-1所示图6-1 实物图系统上电后等待测试状态，如图6-2所示：图6-2测量中显示的数据，如图6-3示：图6-3测量结束后显示的脉搏次数，如图6-4所示：图6-46.3 误差分析实验人实际脉搏次数测量得出脉搏次数1测量得出脉搏次数2测量得出脉搏次数3测量得出脉搏次数4a6464636563b7071696970c7675757473d8080798180e8383858284图6-5 实验数据实际的脉搏次数以听诊器测出的脉搏次数为参考值。由于传感器和其他器件本身并非理想线性，实测数据进行了线性补偿。由均方差公式得： =0.55误差分析：经调试和分析以后，误差已基本达到要求。结论通过这次毕业设计，四年的学习的知识融会，理论联系实际，加强了我动手、思考和解决问题的能力。我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可