远程无线脉搏监测系统设计毕业论文.doc

兰州工业高等专科学校毕业设计（论文）题 目 远程无线脉搏监测系统设计兰州工业高等专科学校毕业设计（论文）任务书 电子信息工程 系 2012 届 电子信息工程技术 专业毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目远程无线脉搏监测系统设计课题内容性质工程设计课题来源性质结合教师科研课题设计/论文校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式讲师电子信息工程系一、题目说明（目的和意义）：本题目设计一能够远程监测人体脉搏信号的仪器，实现数据的采集与无线传输等功能。本课题的题意旨在将模拟电路和传感器检测技术、单片机技术等理论知识灵活运用到本课题中，使学生在硬件电路设计和软件编程及软硬件综合调试的能力上得到较为全面的培养。使学生对专业知识的综合应用、查阅专业技术资料、科技论文撰写、电子产品设计等方面的能力得到进一步的提高。 二、设计（论文）要求（工作量、内容）：【设计内容】：本课题要求应用单片机，设计能够远程监测人体脉搏信号的仪器，实现数据的采集与无线传输等功能。要求进行总体方案设计、制作外围电路、单片机及显示电路及编写相关的程序软件。系统的发射模块主要进行脉搏数据的采集和发射数据,接收机通过串口接口与PC 机数据通信。【设计报告要求】1. 论文撰写应该符合兰州工业高等专科学校毕业论文撰写规范要求；2. 论文中应该包括绪论、实现功能说明、方案论证、电路仿真、单元电路设计、完整的硬件电路设计及软件流程等内容；3. 论文中选择一篇与本设计相关的英文技术资料，并进行翻译。【注意事项】：1毕业设计的时间安排根据时间表，最后一周，检查程序、交毕业设计论文；毕业设计论文要求有封面（封面上写明班级、姓名、指导教师、时间等），并装订成册。2指导老师打分方案：毕业设计成绩=考勤*30%+论文*40%+系统*30% 3每周考勤二次，有特殊情况需向指导教师或班主任老师请假。三、进度表日 期内 容第15-16周根据设计任务书查阅资料、确定设计方案第17-18周系统设计第19-20周整理资料、撰写论文下学期开学1-2周毕业设计答辩完成日期本学期末答辩日期下学期第二周 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：1黄智伟，朱卫华.433MHz单片机射频收发芯片nRF401J.世界电子元器件，20012李朝青.PC机及单片机数据通信技术M.北京：科学出版社,20033 沙占友. 集成化智能传感器原理及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2004.4 陈伟人. MCS-1系列单片机实用子程序集锦M.北京：清华大学出版社，1993.5 陈汝全，林永生等. 实用微机与单片机控制技术M.成都：电子科技大学出版社， 1998.6 赵负国. 现代传感器集成电路M. 北京：人民邮电出版社，2001.7 卢胜利智能仪器设计与实现M重庆：重庆大学出版社，2003.8 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计M北京：北京航空航天大学出版社，1999.9 谢自美. 电子线路设计、实验、测试M. 武汉：华中科技大学出版社，2000.10 433MHz Single ChipRF Transceiver nRF401.Nordic 200仪器设备: 计算机，单片机开发装置，示波器，直流电源、编程器、仿真器计算机软件: C51或 M51汇编软件、Protel软件 实 习 地点：学校实验室，和学生的外部地点。翻译工作量：对论文标题；关键字；摘要进行英文翻译。指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。摘 要本设计是采用高速的C8051F020单片机作为核心控制器，对人体脉搏和体温测量，然后通过蓝牙将数据上传到上位机进行数据处理，使得数据图形化。其中体温信号通过温度传感器可以比较容易的获取，脉搏信号我们采用的是光电方式测量。光电方式是使用光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号的一种方式。日常生活中，体温、脉搏检测产品电子化已经成为趋势。目前市场上所推出相关产品主要用压电方式进行脉搏的采集，单机设备较多，远程采集、智能处理、网络化、图形化的健康检测产品尚不多见。我们针对市场上的家用医疗设备的需要及目前产品所存在的缺陷和网络化的普及，设计了一款使用光电方式进行人体脉搏无创伤测量、C8051F020数据采集处理、家庭蓝牙短距高速数据传输、Web数据实时推送、检测结果图形化、求助告警电子地图化的新型家用远程健康实时监测系统“家用无线健康小保姆”。关键词：C8051F020单片机；红外线；蓝牙；脉搏检测AbstractThis design is adopting high speed of C8051F020 SCM as core controller, to human body pulse and temperature measurement, and then through the bluetooth will data to the PC for data processing, make graphical data. One body temperature signal through the temperature sensor can easily access, pulse signal we use is photoelectric way measurement. Photoelectric way is to use the pulse of the photoelectric sensors to end the monitoring of completely the fingers, indirect testing out a way of pulse signal. In daily life, body temperature, pulse detecting products electronic has become a trend. At present the market introduction of related products mainly with piezoelectric way the collection of pulse, standalone devices more, remote acquisition, intelligent processing, network, graphical health detection products still not saw. We focused on the home market of medical equipment and the product to the weakness and popularization of the network, design a way to use the human pulse no wound C8051F020 measurement, data acquisition and processing, family bluetooth short-range high-speed data transmission and Web data real-time push, test results graphical, ask for help, the new alarm electronic map home remote monitoring system health home wireless health little babysitter . Keywords: C8051F020 SCM; Infrared ray; Bluetooth; Pulse check目 录摘 要IAbstractII1.绪 论11.1研究的背景与意义11.2可行性分析12.远程无线脉搏检测系统方案设计32.1方案的设计32.2方案的选择43.硬件电路设计53.1脉搏自动测量系统53.2脉搏信号的采集53.3脉搏信号的处理63.3.1脉搏信号的放大63.3.2低通滤波73.3.3高通滤波73.4 C8051F020单片机红外线脉搏测量系统83.5无线模块94.系统软件设计124.1总体的软件流程图124.2定时器/计数器135.脉搏自动测量系统调试145.1脉搏信号采集、处理的调试145.2单片机系统定时器/计数器程序的调试146.实物演示及结论156.1总体结构156.2模块说明15结 论19致 谢20参考文献21附 录221.绪 论1.1研究的背景与意义随着生活水平的不断提高，人们对健康的关注越来越重视。对于高血压、冠心病、心脏病等慢性疾病来说，日常的身体健康信息检测就显得尤为重要。除了去医院进行定期健康检查，许多人还购买了不少家用医疗诊疗或健康信息检测产品，这类产品通常对人体的体温、血压、心电、脉搏等特征进行观测，使用者通过观测值判断身体的健康状况，尤其是作为中医诊治主要参考的脉搏信号能为病情的诊断提供重要依据。脉搏即动脉搏动，脉搏频率即脉率，正常人的脉搏和心跳是一致的，临床上有许多疾病，特别是心脏病可使脉搏发生变化。测量脉搏对病人来讲是一个不可缺少的检查项目。随着现代科学技术的发展，数字化、智能化、简单化成为必然趋势，使不懂医学的人，也能够及时容易地了解自己的身体状况。脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信源。早在两千年前，我们的祖先就开始用切脉诊治疾病。医生在3公分长的手腕部位动脉管段上，用手指作为拾取脉搏信号的传感器，就能断定五脏六腑之疾，诊治内、外、妇、儿之症，这其中必定蕴含着深奥的科学道理有待揭示。随着现代科学技术的发展，数字化、智能化、简单化成为必然趋势。使我们不懂医学的人，也能够及时容易地了解自己的身体状况。现在取脉搏得方式一般都是用压力传感器，依靠脉搏的搏动带来压力变换来检测，来实现测脉搏。日常生活中,智能化电子产品将成为新的潮流趋势。目前市场上所推出的家庭医疗电子产品大多以测量血压为主,智能脉搏测试仪器尚不多见。而我们的产品不仅仅达到了智能化，而且利用了现代最前沿的蓝牙技术与上位机进行无线通信，实现了产品的便于挈带和社区网络化管理。1.2可行性分析光电测量利用动脉血的氧饱和度的不同带来透光性的差异来测量脉搏。人体动脉在心脏驱动下的搏动引起全身动脉血曾的扩张收缩和血液流量变化反映在被测位。就相应地引起光吸收的变化。通过检测血浓容量波动引起的光吸收量的变化。并消除非血液组织的影响测得脉搏信号。通过对采集信号光电转换以及波形处理，对信号进行计数实现脉搏的测量。人体生理物理学理论研究表明：氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（HB）对光普的吸收特性截然不同。如图1.1所示图1.1红光和红外光吸收曲线考虑到机体组织对测量精度的影响。在选择光波波长时，要求氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb对该波段的吸光性能相对于非血液组织要强，但不能选择吸光系数太大的波段，那样透射光极弱，很难检测环境光的变化可能会对测量结果造成很大影响。由于氧合血红蛋白Hb02和还原氧合蛋白Hb对600nm以下波长光的吸光系数过大，不适宜权饱和度检测。从图1-1看到该光波波长应该在805nm左右，要做到理论上绝对相等是很难实现的。而该点的吸光系数随波长变化幅度比较大，这样当发光管存在个体差异时。很不利于调试替换而在900950nm这个波段，两曲线变化缓 慢且接近重合所以一般将波长选在此波段。光波长选在650nm附近。因为在该段波长处，光对氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb吸收不数之差最大。本课题选用660nm红光和905nm红外光的两种单色光。人体耳廓、指尖、脚趾、额头等处毛细血管丰富，组织比较薄，光容易透过组织吸光影响比较小，通常选择这些地方作为测量部位。光传感器，一般连用采用体积小、光波长单一性较好的发光二极管做光源一般有透射式和反射式两种光传感器。投射式探头选用弹性较好的软橡胶作长夹子形状，光源和光敏元件镶嵌在其中，它能够较稳定地夹在耳廓、脚趾或者指尖部位，并能保持测量部位血液地正常流动反射式深头轻贴在血液较丰富地皮肤表面，如额头等。2.远程无线脉搏检测系统方案设计其中健康信息采集板使用C8051F020为核心处理器，利用外围电路进行体温和脉搏信号的采集，并显示信号处理结果即体温和脉搏值，接着采集板将采集到的数据通过蓝牙无线方式发送到家庭监测端；家庭检测段可以使用微机和手机终端查看图表方式的体温和脉搏的时数据值；家庭监测者若遇见无法解决的问题可以向社区或医院监测中心端求助，社区或医院监测中心会以电子地图的方式在谷歌地图上显示求助者的位置和个人信息。本系统基于C8051F020单片机，利用脉搏检测模块、体温模块、A/D模块、无线模块、按键模块、通讯模块、远程报警模块、显示模块等模块实现远程无线脉搏检测系统的设计。2.1方案的设计方案一：利用脉搏和体温检测模块实现脉搏和体温的采集，数据采集后，利用采样电路及放大电路，然后通过C8051F020内置高速A/D转换成相应的数字信号。然后同过蓝牙模块发往上位机，此时，我们就可在上位机中看到所采集的相应参数，达到了实时监测的目的。同时我们可根据具体的情况来进行相应的远程报警功能，以达到实时救援的目的。此方案脉搏的采集利用红外二极管、体温的采集利用LM35。数据传输过程利用了蓝牙模块。上位机显示及远程报警模块基于Web服务器。并采用了Falsh无刷新技术。方案二：利用脉搏和体温检测模块实现脉搏和体温的采集，数据采集后，当所采集的数据经过A/D转换后，通过无线模块将所转换后的数字信号发往上位机。此时，我们就可在上位机中看到所采集的相应参数，达到了实时监测的目的。同时我们可根据具体的情况来进行相应的远程报警功能，以达到实时救援的目的。方案三：脉搏和体温采集与方案一相同。利用两个C8051F020单片机，一个作为采集端，一个作为控制台。在采集点，将脉搏和体温采集并通过nrf2401或nrf905模块将采集到的数据发往控制台。此时我们可同过控制台的显示屏进行实时监测。此时，也可通过控制台上的按键对采集端进行控制，如：以等间隔的时间进行采集，查看病人的相关参数。也可通过按键进行远程报警功能。方案四：数据采集模块与方案四相同，当数据采集后，通过无线模块发往监测端，此时可通过公共电话网及SIM卡实现对病人实时监测的目的。当家人想查看病人的病情是，可直接拨打一个电话号码，则病人的相关参数就可以短信的形式发到监测端手机上，则可达到实时监测的目的，当病人有异常情况时，家人可通过拨打120进行及时救援。2.2方案的选择本课题要求应用单片机，设计能够远程监测人体脉搏信号的仪器，实现数据的采集与无线传输等功能。要求进行总体方案设计、制作外围电路、单片机及显示电路及编写相关的程序软件。系统的发射模块主要进行脉搏数据的采集和发射数据,接收机通过串口接口与PC 机数据通信。方案一利用脉搏和体温检测模块实现脉搏和体温的采集，数据采集后，利用采样电路及放大电路，然后通过C8051F020内置高速A/D转换成相应的数字信号。然后同过蓝牙模块发往上位机，此时，我们就可在上位机中看到所采集的相应参数，达到了实时监测的目的。同时我们可根据具体的情况来进行相应的远程报警功能，以达到实时救援的目的。此方案脉搏的采集利用红外二极管、体温的采集利用LM35。数据传输过程利用了蓝牙模块。上位机显示及远程报警模块基于Web服务器。并采用了Falsh无刷新技术。其它方案在资金实现功能方面都没有方案一好，所以选择方案一。3.硬件电路设计3.1脉搏自动测量系统硬件电路共分五部分：脉搏信号的采集、处理、单片机系统以及数码显示串行通信部分、无线模块。3.2脉搏信号的采集脉搏信号的采集主要通过红外传感器来实现，红外线传感器主要部分是光源控制和驱动电路。光源控制和驱动电路原理如下图3.2所示。它主要是产生序列脉冲,驱动传感器上的两个波长分别为660nm和905nm的发光二极管（LED）。方波发生器产生频率为572Hz、占空比为1/6的方波A经过二分频后产生信号C，C和C与A共同控制产生信D和E，再由D和E信号通过驱动器控制两个发光二极管LED和LED2按时序发光和熄灭，这里的D和E信号还将在后面的信号。分离电路中作为模拟开关的控制信号以完成电路对红光和红外光信号的分离。图3.2光源控制和驱动电路信号时序如图3.3所示。这样我们就可以按时序形成红光、红外光、不发光三个工作状态，以便消除背景光的干扰，减少误差，提高测量的准确性。驱动器的作用是为发光二极管提供合适的工作电流，具体电路中由具有电流放大作用的三极管实现，为保证两发光管的光强在同一能级，需注意两个三极管的参数应较为接近。图3.3信号时序3.3脉搏信号的处理脉搏信号的处理包括信号的放大、低通滤波、高通滤波等部分。3.3.1脉搏信号的放大透过动脉血管床的混合光信号经过传感器的接收器件光敏二极管后转换为电信号，该信号包括红光、红外光和暗光信号。由于该信号比较微弱，我们先用一个预放大电路将信号放大。如图3.4所示，该放大电路是具有较高抑制共模干扰能力的测量放大器，它因具有高输入阻抗、低失调电压、稳定放大倍数和低输出阻抗等优点，而被广泛应用于生物医学测量以及那些提供微弱信号而共模干扰较大的场合。为了消除外界环境光的干扰影响，采用了同步检波的正负极性切换电路将暗光信号从有用信号中减去，它由一个运放和模拟开关4066组成，如图3.5所示。其原理是：模拟开关受A控制，当A0时开关断开，运放的同相输入端为高阻抗输入，输入信号未经衰减而输入，受运放控制，使其反相输入端电位为正电位，其输入和输出电位相同,R2上没有电流流过，相当于一个同相缓冲器，输出的信号和输入信号相同。当A1时开关导通，运放此时作为反向放大器工作，增益为-1，输入和输出信号反向。经过同步检波的正/负极性切换电路后暗光信号转换为负信号，而有用信号为正，再通过后面电路的积分作用使两信号极性相反的成分相减，从而从有用的复合信号中除去暗光信号。经过同步检波的正 负极性切换电路后，运用传感器控制部分产生的信号D和E控制模拟开关4066闭合和断开，使信号分成红光和红外光两路，然后我们分别对这两路信号进行低通滤波和高通滤波。图3.4 信号放大图3.5 同步检波3.3.2低通滤波采用低通滤波器主要是消除容积脉搏波信号中高频噪声的干扰。为了得到更好的滤波效果，采用了一个截止频率为40Hz的二阶低通滤波器，如图3.6所示。图3.6 低通滤波3.3.3高通滤波经过低通滤波后容积脉搏波信号含有伏特级的直流信号和毫伏级的容积脉搏波交流信号，将此信号采集进计算机后就可以作为计算脉搏血氧饱和度所需要的直流成分。高通滤波器采用了截止频率为0.1Hz的二阶高通滤波器，如图3.7所示。最后，将高通滤波后的信号进行交流放大就可以采集进计算机作为计算脉搏血氧饱和度所需要的交流成分。图3.7 高通滤波3.4 C8051F020单片机红外线脉搏测量系统C8051F020单片机承担系统各项功能管理和数据处理的任务：C8051F020器件是全集成的混合信号系统级MCU芯片。共拥有64个标准数字输入输出接口。C8051F020采用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51指令完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准的8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工的UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间以及8个字节宽的I/O口。CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时，它的峰值速度达到25MIPS。拥有片上VDD监视器、看门狗和时钟振荡器的C8051F020芯片可以组成完全独立工作的片上系统。所有数字和模拟外设均可由用户设置使能或禁止。Flash存储器具备系统中编程能力，提供非易失性数据存储，并且允许现场更新51器件。片上JTAG调试电路使得对安装在最终产品上的8051芯片进行非侵入式（不占用系统资源）、全速的在线调试成为可能，并且支持观察并修改存储器中的寄存器，支持断点、观察点、单步运行、连续运行和停止命令。在使用JTAG进行调试时，所有的模拟和数字外设都可以全功能运行。每个MCU都可在2.7V到3.6V供电的前提下工作在工业温度范围（-40到85）。端口I/O、RST和JTAG引脚都能允许5V的输入电压信号。C8051F020器件是100脚TQFP封装。串口通行串行接口的一般概念 单片机与外界进行信息交换称之为通讯。C8051F020单片机的通讯方式有两种：并行通讯:数据的各位同时发送或接收。串行通讯:数据一位一位顺序发送或接收。异步通讯：它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下： 在一帧格式中，先是一个起始位0，然后是8个数据位，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位（可以省略）最后是停止位1。用这种格式表示字符，则字符可以一个接一个地传送。波特率即数据传送的速率，其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如，数据传送的速率是120字符/s，而每个字符如上述规定包含10数位，则传送波特率为1200波特。同步通讯：在同步通讯中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用了时间；所以在数据块传递时，为了提高速度，常去掉这些标志，采用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示，同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件较复杂。 在异步通讯中，CPU与外设之间必须有两项规定，即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式可以由通讯的双方自由制定，但从通用、方便的角度出发，一般还是使用一些标准为好，如采用ASCII标准。通讯方向：在串行通讯中，把通讯接口只能发送或接收的单向传送方法叫单工传送；而把数据在甲乙两机之间的双向传递，称之为双工传送。在双工传送方式中又分为半双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送和接收，任一时，只能发或者只能收信息。8051串行接口是一个可编程的全双工串行通讯接口。它可用作异步通讯方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通讯协议进行全双工的8051多机系统也可以通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。8051单片机通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界通讯。SBUF是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空间，但不会出现冲突，因为它们两个一个只能被CPU读出数据，一个只能被CPU写入数据。3.5无线模块实验原理： NRF2401是单片射频收发一体芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，适用于多种无线通信场合，如无线遥控器、无线鼠标等，且传输数据稳定，这种无线通信解决方案适合传输距离较近的无线控制项目，它只需要和处理器配合使用便能实现可靠的数据传递。下面详细介绍如何运用C8051F020单片机控制NRF2401完成无线通信。1.RT2411模块按照设计流程，应该是根据NRF2401的datasheet搭建硬件电路，但是为了使用方便，我们使用了模块电路RT2411，RT2411是NRF2401的典型应用电路（如图3.9所示），使用此模块电路的好处是我们只需要将各个引脚连到单片机对应管脚，配合正确的程序就可实现无线通信功能。 图3.9 RT2411模块实物图（左）和原理图（右）2、实验说明和硬件连接我们将做一个简单实验，由发送机连续循环发送数字1-99，接收机接收数据并将其显示到数码管上，这样可以看到实验效果：接收机数码管上循环显示数值1-99。发送机和接收机都是由一块MSP430F149最小系统板和一个RT2411模块组成，共需两套MSP430F149最小系统板和两个RT2411模块。由于是为了初步掌握NRF2401的使用方法，实验程序尽量做的简单，以下是关于实验的相关说明：(1)采用单工通信方式。NRF2401是可以工作在双工通信方式下的，即同时收发，此试验采用单工方式，发送端只发送，接收端只接收。(2)发送数据长度配置为8bit,即一次只发送一个字节。实际上NRF2401可以一次发送多个字节。(3)通信地址长度设置为32bit,4个字节。发送机地址定义为0x12345678,接收机地址定义为0x87654321.(4) C8051F020单片机与NRF2401数据传输采用其内部硬件SPI模块实现，C8051F020单片机作为主机，NRF2401为从机。它们之间数据传送利用C8051F020单片机UART发送中断和接收中断实现。但是有些处理器内部没有SPI模块（如C8051F020单片机），就只能使用IO口SPI通信时序模拟来实现数据传输了。通过使用RT2411模块，我们只需要将NRF2401管脚与C8051F020单片机对应管脚连接起来就完成了硬件连接。相关说明如下：此实验只用到通道1，所以硬件连接时不涉及与通道2有关的管脚（CLK2和 DOUT2）。RT2411模块与C8051F020单片机系统共电源（3.3V）共地后，需要连接的管脚还有PWR,CS,CE,CLK1,DATA,DR1.PWR,CS,CE为NRF2401芯片控制信号，DR1需要连接到C8051F020单片机的一个具有外部中断的IO口上，因为NRF2401通过DR1引脚的电平跳变通知单片机它已收到数据，当nRF2401A没有接收到数据时，DR1脚输出低电平，收到数据时跳变为高电平，直到单片机将其接受缓存中的数据读走后，才会恢复为低电平。4.系统软件设计4.1总体的软件流程图图4.1总体软件流程图首先打开控制开关，系统开始工作，显示缓冲区清零，这时候数码管被点亮，显示全零；判断开关是否接高电平，如果不为高电平则继续判断，数码显示继续为零，如果接高电平计数器/定时器开始工作初始化，开中断启动定时器/计数器；定时时间到显示脉搏数；继续判断开关是否接低电平，如果接低电平，则关闭定时器/计数器，如果接高电平则继续显示脉搏数。红外线脉搏测量单片机系统，采用汇编语言。汇编语言是一种与硬件紧密相关的程序语言，是机械语言的便于记忆和理解的符号化形式。但计算机的CPU不能直接识别机械语言，故交由计算机前，必须将他们翻译成机械语言，这一编译过程称之为汇编。4.2定时器/计数器C8051F020内部有5 个计数器/定时器：其中三个16 位计数器/定时器与标准8051 中的计数器/定时器兼容，还有两个16 位自动重装载定时器可用于ADC、SMBus、UART1 或作为通用定时器使用。这些计数器/定时器可以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。将定时器与中断系统的结合将给我们编程带来很大的帮助，程序条理性强易编写易读。 5.脉搏自动测量系统调试5.1脉搏信号采集、处理的调试脉搏波是低频、微弱的生理信号,必需滤波和放大,以满足采集的要求。动脉脉搏信号频率基本限制在0.120Hz以内,为了去除高频干扰,尤其是50Hz的工频干扰,我们设计了一个一阶RC低通滤波器,其截止频率为45Hz。对放大器电路,要求运放具有较高的输入阻抗,低输入失调电压,小的漂移。采用TL072（双动放）,可以较好地满足要求。A/D转换器要求输入信号是单极性的（05V）,我们将TL072的另一个放大器用作加法器,对放大后的信号作直流校正,以满足极性要求。另外采样频率确定为125Hz。波峰是这样确定的,首先设定门限。在每一数据段512个样本数据中,寻找最大值Max,定义门限t=0.8Max。如果某点满足下面两个条件,则认为此点为波峰。此点及前后各5点,共11个样本均值大于门限。此点为11个样本点中的局部最大值。确定了波峰,就可按上面的公式计算出脉率。实际应用表明,此算法是简单而实用的。5.2单片机系统定时器/计数器程序的调试这部分调试过程中遇到问题就是关于中断的理解不够清楚什么时候中断，程序怎么运行不清楚，导致调试了很长时间。中断有关的特殊功能寄存器、中断入口、顺序查询逻辑电路等组成，包括5个中断请求源，4个用于中断控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON来控制中断、中断的开、关和各种中断源的优先级确定应该足够的认识理解。五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址外中断0:0003H定时器0:000BH外中断1:0013H定时器1:001BH串口0:0023H它们的自然优先级由高到低排列。中断程序完成后，一定要执行一条RETI指令，执行这条指令后，CPU将会把堆栈中保存着的地址取出，送回PC，那么程序就会从主程序的中断处继续往下执行了。注意：CPU所做的保护工作是很有限的，只保护了一个地址，而其它的所有东西都不保护，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中断程序中又要用它们，还要保证回到主程序后这里面的数据还是没执行中断以前的数据，就得自己保护起来。通过对脉搏信号的采集与调试，以及对单片机系统数码显示程序的调试，实现了脉搏的正确的测量显示，能正确的输出结果。对于搭建硬件系统以及软件的调试有了足够的理解和认识。硬件是整个系统的最基础的部分，所以它必须保证足够的正确。深入的了解各个元器件的性能是搭建硬件系统的前提。本系统在搭建的过程中曾犯了致命的错误，而本人没有注意到就进行了软件的调试，以至花费了很大的精力。6.实物演示及结论6.1总体结构如图6.1所示，系统结构可以分为三部分，分别是健康信息采集板、家庭监测端、社区或医院监测端。图6.1系统结构其中健康信息采集板使用C8051F020为核心处理器，利用外围电路进行体温和脉搏信号的采集，并显示信号处理结果即体温和脉搏值，接着采集板将采集到的数据通过蓝牙无线方式发送到家庭监测端；家庭检测段可以使用微机和手机终端查看图表方式的体温和脉搏的时数据值；家庭监测者若遇见无法解决的问题可以向社区或医院监测中心端求助，社区或医院监测中心会以电子地图的方式在谷歌地图上显示求助者的位置和个人信息。6.2模块说明1、温度信号采集温度信号采集使用传感器lm35，该器件的输入电压会随着温度值的变化，直接将lm35的输入接到C8051F020的AD输入引脚，利用C8051F020片内12位的高速AD进行温度信号的采集和转换。系统实际采集的是使用者的指尖温度。2、下位机数据处理与显示下位机采用C8051F020单片机进行数据的采集、处理。监测结果在下位机上使用LCD12864进行显示,采集板原理图（不包含C8051F核心板）如图6.2所示，检测板实物如图6.3所示。图6.2 监测板电路（不含C8051F核心板）图6.3 监测板实物3、下位机与上位机无线数据传输由于下位机与上位机同处理家庭内部，所以考虑使用短距高速的无线传输方式，若使用无线模块（如msg2401或nrf905）的话，上位机端还需增加模块电路，即增加了成本，又不太方便、传输速度也太慢。鉴于上述考虑，最后选择蓝牙这一高速短距的无线方式，采用这种方式上位机需支持蓝牙。蓝牙方式非常容易扩展，将来我们考虑将下位机数据直接通过蓝牙发送到Android系统的手机，这样可以省去上位机端，使系统更加精简和方便。为使下位机端支持蓝牙功能，C8051F020需外接蓝牙模块，系统采用CSR的BTM400_6B蓝牙模块，该模块采用3.3v供电，最大能够实现2Mbps的数据速率，特别方便的是该模块能够使用串行方式进行控制，十分便于C8051F单片机进行控制，BTM400_6B模块如图6.4所示。图6.4 BTM400_6B蓝牙模块4、上位机（家庭端）采集数据实时展示在上位机端，蓝牙串口接收到下位机发来的数据后，立即利用Web组态软件实时展示体温、脉搏值和变化曲线，如图6.5所示，手机显示效果如图6.7所示。图6.5 家庭电脑监测界面图6.7 家庭手机监测界面（android2.2）为了实现检测数据的实时显示，系统采用DLL+RTMP+Flex技术进行实现。DLL动态链接库侦听蓝牙串口信息，一旦串口有数据，就利用RTMP协议将数据推送到Web客户端，RTMP是Adobe System公司为Flash播放器与服务器之间音频、视频和数据传输开发的协议，RTMP能够实现真正的实时数据推送，省去了客户端Request请求的时间。采用RTMP方式，一旦客户端使用浏览器开始访问服务器端，就在客户端和服务器之间建立一个通道（RTMP隧道），以后当上位机端有数据需要推送时，直接推送即可，不再需要客户端的请求，设计思路如图6.8所示。图6.8 Web服务器端与下位机通讯思路系统使用Flex中间件WebORB实现Remoting（Web向下位机发送数据）和RTMP（下位机向Web实时推送）这两个方向上的通讯，执行过程中，WebORB根据情况调用DLL动态连接口，实现串口的侦听和向外发送数据，该动态连接库的使用C#开发。5、远端监测中心（社区或医院）数据传输显示家庭监测者若遇见无法解决的问题可以向社区或医院监测中心端求助，社区或医院监测中心会以电子地图的方式在谷歌地图上显示求助者的位置和个人信息，使用者在手机或上位机上点击“向卫生机构求助”按钮后，请求信息会通过IP网络传给远端监测中心（社区或医院），远端监测中心能够在电子地图上观测到病人的地理信息和个人信息，并用红色的标注提示。如图6.9所示，该子模块基于Google公司的Google Maps API接口进行设计，通过调用谷歌地图配合存储在监测中心服务器数据库中的数据进行信息显示，服务器端还设计了用户数据维护表单。图6.9 监测中心电子地图界面结 论本实验能够实现脉搏的自动测量和实时显示的功能要求，能够较为准确地测量数据。实验电路简单，占用的空间比较小，满足了便携要求，能够较为方便的为用户及时提供自己的心率数据。消除干扰是本课题系统设计中需要重点解决的问题是关系到测量准确性、精度。（1）对于环境光干扰,可以通过软件去暗光方法和改进探头结来消除。（2）对于心率不齐,可以通过检波程序进行取舍采集的峰峰值来消除。（3）对于电源工频干扰,采用工频整数倍采样频率进行消除。（4）对于一般性电磁干扰，采用高阻抗、输入以提高信噪比、低通滤波来削除高频来实现。目前主要在以下几个方面做的还不够理想：传感器部分受外界环境影响较大由于脉搏波是一种以低频成分为主的生理信号，不像心电信号中有一个频率相对比较高的QRS波群，如何对脉搏波进行有效的处理，准确识别脉搏波以正确划分脉搏波周期，并在相应周期内提取脉搏波峰峰值。软件设计方面：加强抗干扰的算法。滑动平均值法: 采用先进先出的循环队列作为测量数据缓冲器,其长度固定为L,每进行一次新的采样,把测量结果放入队尾,而扔掉队首的数据,再将新队列的算术平均值作为输入数据。此方案大大提高了系统的响应速度,但是受到脉冲干扰的采样数据会平均到结果上去从而降低了精度。防脉冲干扰平均值法: 在读入L个采样数据后先滤去其中的最大值和最小值,再将剩下数据的平均值作为输入数据,这样就大大提高了系统精度和稳定性。实际设计上中,可以将上述两种算法结合起来,既有效地抑制了干扰信号,保证了系统精度,又能对信号进行快速响应,实现了系统的实时刷新处理。致 谢首先，我要对我的指导老师表示由衷的感谢。在这次毕业设计得到了很多老师、同学们的帮助，其中我的指导老师龚老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向龚老师寻求帮助，而龚老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。最后感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的同学们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次有了团结合作的机会，把一个庞大的，从来没有接触的课题，圆满地完成了。正是因为有了他们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。参考文献1黄智伟，朱卫华.433MHz单片机射频收发芯片nRF401J.世界电子元器件，20072李朝青.PC机及单片机数据通信技术M.北京：科学出版社,20033 沙占友. 集成化智能传感器原理及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.4 陈伟人. MCS-1系列单片机实用子程序集锦M.北京：清华大学出版社，2005.5 陈汝全，林永生等. 实用微机与单片机控制技术M.成都：电子科技大学出版社，2007.6 赵负国. 现代传感器集成电路M. 北京：人民邮电出版社，2001.7 卢胜利智能仪器设计与实现M重庆：重庆大学出版社，2003.8 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计M北京：北京航空航天大学出版社，2005.9 谢自美. 电子线路设计、实验、测试M. 武汉：华中科技大学出版社，2000.附 录/*红外线脉搏测量仪程序代码*/#include#include#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/* 定义IO口和变量*/sbit LCDBUSY = P30; /LCD忙信号位sbit REQ = P31; /LCD请求信号位sbit RES = P32; /LCD复位信号位sbit shumu=P16;sbit key1=P20;sbit key2=P21;sbit key3=P22;sbit key4=P23;sfr16 ADC0 = 0xbe; uchar readCounts = 0; unsigned int xdata ADC0_data1800; /AD通道一采集数据存放数组unsigned int data ADC0_data_n; /AD采集次数unsigned int data ADC0_data_n1; /通道一采集次数unsigned int yy=0,j=0,k,ms=0;unsigned int num=0;unsigned char zt=0,bj=0;/zt是状态指示，bj是报警指示。1为开启，0为停止unsigned char led1=0,led2=0;/led1为状态指示灯，led2是报警指示灯.1为开始，0为停止int mb=0; /脉搏计数变量bit m;/AD采集完标志float data U=0; /