基于51单片机的心率体温测试系统

摘 要本文介绍了一种基于51单片机的心率体温采集系统。首先介绍了51系列单片机的内部相关配置、工作原理以及编程方法，其次介绍了温度传感器PT100的相关测温方法以及通过红外光电传感器TCRT5000对射的方法来抓取人体脉搏信号。此次设计的电路部分主要包括：传感测量电路、放大电路、滤波整形电路、AD转换电路、计数显示电路、控制电路、电源供电电路等。通过按键开始测试，将PT100及TCRT5000输入的微弱信号进行放大整形，最后AD采集转换传送给单片机，在LCD1602上显示相关体温及心率信息。本次硬件设计基于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且详细分析了红外传感器TCRT5000应用于心率测量上以及PT100应用于温度测量上的原理及优点，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点，并且通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计，使得本次课题的预期结果得以实现。关键词：51单片机；传感器；仿真；AD转换AbstractThis paper introduced a heart rate and body temperature acquisition system that based on 51 single chip microcomputer. First the internal configurations of 51 single chip microcomputer are introduced. And the paper also tell how 51 single chip microcomputer works and how can we program on it. Then the method of using temperature sensor PT100 to get body temperature is introduced, and we use infrared photoelectric sensor TCRT5000 to get the pulse signal of human body. The design of the circuit mainly comprises sensing circuit , amplifying circuit, filtering and shaping circuit, AD converting circuit, counting and displaying circuit, controlling circuit, power supplying circuit and so on. When the keyboard is pressed, the system starts to get signal. The small signal from PT100 and TCRT5000 will be amplified and shaped. Then ad converter will change the analog signal into digital signal and send to 51 single chip microcomputer . At last LCD1602 will display the information of body temperature and heart rate.Keywords: Piezoelectric sensors；control circuit； counters； Multisim2001 simulation software control circuit.目 录目 录第一章 引 言11.1 心率体温测试计研究的意义11.2 国内外研究现状11.3 设计内容4第二章 51系列单片机功能简介52.1 51系列单片机的内部结构52.2 51单片机所使用的编程语言62.2.1 汇编语言62.2.2 C51语言7第三章 电路常用芯片介绍93.1 温度传感器PT100介绍93.2 红外反射式传感器TCRT5000介绍93.3 AD转换芯片ADC0804介绍113.4 LCD1602液晶显示屏介绍123.5 比较器LM393介绍14第四章 硬件设计164.1 硬件总框图设计164.2 体温采集电路设计164.2.1 PT100传感器电路164.2.2 信号放大电路174.2.3 AD转换电路174.3 心率信号采集电路设计184.3.1 红外发射电路184.3.2 红外接收电路184.3.3 二级信号放大电路194.3.4 滤波电路194.3.5 波形变换电路204.4 按键电路设计204.5 LCD1602显示电路设计214.6 报警电路设计21第五章 软件设计235.1 总程序设计和流程图235.2 体温采集部分程序设计265.3 心率信号采集部分程序设计265.4 按键中断程序设计275.5 LCD1602显示程序设计275.6 STC89C52的EEPROM数据保存程序设计285.7 时钟功能模块的设计28第六章 实物验证及结论296.1 实物验证296.2 结论31参考文献32致谢33附录34IV第一章 引 言1.1 心率体温测试计研究的意义随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术和脉搏测量技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的身体健康与自身的体温和脉搏息息相关。心率指人体心脏每分钟脉搏的次数。它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数，同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法。心率计是用于测量心率值的医疗设备，它的应用在于心血管疾病的研究和诊断方面也发挥出显著的作用，它们所能记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。体温，通常指人体内部的温度，正常人腋下温度为36-37度，测量方法有口测发、腋测法及肛测法。人体的温度是相对恒定的，正常人在24小时内体温略有波动，一般相差不超过1度。生理状态下，早晨体温略低，下午略高。运动、进食后等体温稍高，老年人体温偏低。体温达到37.5-38度称为低热，38-39度为中度发热，39-40度为高热，40度以上为超高热。如体温高于41度或低于25度时将严重影响各系统的机能活动，甚至危害生命。临床上对病人检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预防有重要的意义。脉搏和体温的异常表明人体遭受了某些疾病，在古代中医采用的方法中就有把脉这一项，就现代来说心率作为一项重要的生理指标被广泛的研究，在非典时期体温的测量尤为重要，现代医学的不断发展和进步，使人们对各种测量仪器的要求越来越高，而心率金和体温的测量是一种评价人生理状况的好方法，可见研究体温、心率的测量方法和装置的重要性。作为现代电子仪器与医学相结合的一个重要应用课题，具有深远意义。1.2 国内外研究现状随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。在医疗诊断中， 快速脉搏测定已从传统的测量方法向多参数生命体征监护仪和自动脉搏测量仪发展。由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存储数据等功能特点，不仅减轻了医务人员的工作强度,也使医疗手段得以现代化、高科技化。新技术和新工艺使传感器和实验室仪表两者成为同一个芯片，这是全新的提高。这种多元化的测量系统正朝着体积小，功耗低、使用灵活、 便于携带， 适合于社区和住院病房使用,有较强的分析能力，可扩展等方向发展。 如与PC 机进行通信，将采集到的脉搏信号通过无线网络传输到PC 端，从而实现远程医疗等。现今多数医生用听诊器测量脉搏，医用脉搏计可以精确测出心率，并且可以测出心肌收缩力度，从而判断病人的健康状况；而家用脉搏计只需测出脉搏的频率，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带。而目前市场上许多有关血压、脉搏。体温等电子仪器体积小，使用方便，但相对的价格比较贵。目前的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。采用红色发光二极管，当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏时，半透明度增大。当使用红外发光二极管产生的红外线照射到人体手指等部位时，可通过检测机体组织的透明程度将其转换成电信号，最后将该信号进行整形，就可以得出人体每分钟的脉搏次数。而当采用反射式的红外管，目前市场上脉率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为红外接收和发射处于手指的同一侧，所以不用考虑每人的手指不同而造成的麻烦，但是得到信号也是比较困难的事。采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动来采集信号，随着心脏的跳动，人体手腕的脉搏和颈部的脉搏比较明显，将压电传感器放在上述部位，把压电传感器测得的信号转换成脉冲同样可得出脉搏次数。自20世纪50年代以来，科学家对于脉学的理论、脉诊方法、临床诊断和实验研究等方面均开展了大量工作，取得了较大进展。脉象的客观化研究集中在脉象仪的研制方面。脉象传感器是脉象仪的关键部分。英国人Marey最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。1860年首次出现杠杆和压力鼓式描述脉搏图，1895年开始采用换能的方式，出现了杠杆式光学脉搏描述器。20世纪50年代我国学者朱颜首次将杠杆脉搏描述器引用到中医脉诊的研究中来。自20世纪70年代至今，研究人员已研制出种类繁多的换能器以模拟中医切脉的手指采集脉搏信号并记录。目前应用的脉象传感器种类繁多，根据其工作原理可分为4种：通过感受脉动处压力的变化而描述脉搏图的压力传感器；通过感受脉管容积的变化来描述脉象的光电传感器；利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动即所谓听信号的传声器；还有超声多普勒检测技术。温度传感器从使用的角度大致分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定距离，通过检测从待测物体放射出的红外线达到测温目的。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两类。前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂，铜，镍，铁等，它们具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻传感器有PT100。目前的智能温度传感器（数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司的DS18B20,MAXIM公司的MAX6576，MAX6577,ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著特点是单片机接口简单，如DS1B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年比较流行的I2C总线，这些本身带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但是也存在着比较大的缺点，它们的测温范围太窄，一般只有-55-125度之间，而且温度的测量精度不高，一般有2度左右误差，因此在高精度场合不太满足用户的需要。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单，制造方便，测温范围宽，热惯性小，准确度高，输出信号便于远传等优点。热电偶的测温范围大而且误差比较小，在性能上优于之前所提到的数字温度传感器，但是热电偶传感器类似于PT100外部需要添加外围信号放大电路，以及AD转换电路用于向单片机提供温度数据，相比设计上会比较复杂。热电偶的使用误差主要来自于分度误差，延伸导线误差，动态误差以及使用的仪表误差等。而社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的各种传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化，网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测量系统等高科技的方向迅速发展。1.3 设计内容此次的设计是基于51单片机的心率体温测试计的设计。此次用到的51单片机为STC89C52，心率传感器为红外反射式传感器TCRT5000，而体温传感器则用到PT100。此次设计的主要目的是通过PT100与人体的接触而产生的电阻值的变化，将其通过信号放大电路转换成相应的模拟电压值，再使用ADC0804芯片将放大后的模拟电压值转换成8位的二进制数据，送给52单片机，同时通过使用两对TCRT5000红外传感器夹于手指之间，一个用来发射，另一个用来接收，采用红外对射的方法获取心率脉冲而输出的模拟波形，并通过两级放大电路将微弱心率波形放大到可以取值的范围内，然后进行滤波整形，去除获取心率脉冲中的杂波信号，并通过比较器输出方波波形，传送给单片机进行接收，完成心率脉冲以及体温的采集。单片机将获取的体温和脉冲数据进行相应处理，最后对应出相应的体温值和心率值，并传送给LCD1602显示屏进行相关显示，达到可以查看的目的。在心率和体温采集的基础上，同时该设计也提供了一般的数字式时钟功能，通过按键判断是否进行测试或者是显示时间，数字式时钟功能通过使用52单片机内部的定时器进行精确的时间定时，并且在LCD1602上显示相应的设定时间，当按下测试键时，单片机将自动进行体温和心率信号的采集，同时在此次的设计中，提供了报警功能，可以预先设定体温和心率的上下限值，当采集的值超出或者低于这个范围，将通过蜂鸣器进行报警，上下限值可以通过按键输入进行设定，并且掉电后自动储存在单片机内部的EEPROM存储单元中。此次的设计将包括相关文献资料的查询和阅读，原理图的设计，程序的编写，仿真，以及最后的实物论证，通过设计验证基于51单片机的心率体温测试系统的可行性，并在设计中提升自己的硬件能力和编程能力，达到相应的学习目的。4第二章 51系列单片机功能简介2.1 51系列单片机的内部结构本次设计所采用的单片机型号为STC89C52单片机,其与大部分市场51系列单片机兼容，并且在扩展方面和高速方面更具有优势。以下关于单片机介绍的内容均以STC89C52为例。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。下图为51单片机内部结构图：图2.1.1 51单片机内部结构图2.2 51单片机所使用的编程语言2.2.1 汇编语言51汇编语言能直接操作单片机的系统硬件，指令执行速度快，但程序的可读性差，且编写和移植困难。以下为常用汇编语言操作指令集：图2.2.1 汇编语言操作指令集2.2.2 C51语言C51是为51系列单片机设计的一种C语言，其特点：结构化语言，代码紧凑；接近真实语言，程序可读性强；库函数丰富，编程工作量小；机器级控制能力，功能很强；与汇编指令无关，易于掌握；总而言之，C51语言已成为51系列单片机程序开发的主流软件方法。C51与标准C语言对比，其语法规则、程序结构、编程方法大致相同，而数据类型、存储模式及中断处理存在着差异。下图为C51单片机软件系统结构：图2.2.2 C51单片机软件系统结构59第三章 电路常用芯片介绍3.1 温度传感器PT100介绍温度湿度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿传感器就会相应产生。 由于PT100热电阻的温度湿与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，研发并生产了PT100热电阻温湿度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200+200，湿度采集范围是0%100%。PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： -200t0 Rt=R01+At+Bt+C(t-100)t （1） 0t850 Rt=R0（1+At+Bt2） （2） Rt为t时的电阻值，R0为0时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的系数：A=3.90802*10-3；B=-5.802*10-7； C=-4.27350*10-12。下图为PT100/PT1000铂电阻RT曲线图表：图3.1.1 PT100/PT1000铂电阻RT曲线图表3.2 红外反射式传感器TCRT5000介绍反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图3-2所示：图3.2.1 反射式红外传感器原理及特性图反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与Vout 的响应曲线是非线性的，如图3-2所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。TCRT5000具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上，利用红外光谱发射对象存在另一个对象上，操作的波长大约为950毫米，探测器由光电晶体三极管组成的。下图为TCRT5000外观图及内部结构图：图3.2.2 TCRT5000外观图及内部结构图3.3 AD转换芯片ADC0804介绍AD转换芯片即模拟和数字转换芯片，它将输入的模拟电压信号转换成单片机等控制处理器能够识别的数字二进制形式。ADC0804是一个早期的A/D转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛的应用。ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us，方便的TTL或CMOS标准接口，可以满足差分电压输入，具有参考电压输入端，内含时钟发生器，单电源工作时（0v-5v）输入信号电压范围是0v-5v,不需要调零等等。下图为ADC0804的引脚图：图3.3.1 ADC0804引脚图ADC0804的工作分为三个过程：复位中断触发信号INTR是ADC0804的一个输出信号，一般情况下，启动AD转换前应该复位这个信号，以等待新的转换完成后ADC0804发出新的信号，这样才可以读取到新的转换结果。图3.3.2 INTR复位时序图ADC0804中的AD转换器满足一定条件时开始一个转换过程，这个条件就是在实现片选的前提下，引脚上出现的一个上升沿，当片选引脚CS=0，使用一个写信号就可以启动一个转换过程，如下图所示：图3.3.3 启动转换时序图在AD转换结束后，ADC0804的引脚将给出一个低脉冲，如果把这个引脚直接连接到单片机的外部中断引脚，这个低脉冲将会引起单片机的中断，单片机可以在中断处理程序中读取ADC0804的转换结果。具体如下图所示：图3.3.4 读取转换结果时序图3.4 LCD1602液晶显示屏介绍液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780。1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下图所示:图3.4.1 LCD1602引脚功能图1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下图所示：图3.4.2 LCD1602相关命令图读写操作时序如下图所示：图3.4.3 读操作时序图图3.4.4 写操作时序图3.5 比较器LM393介绍LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC(集成电路板integrated circuit，缩写：IC) 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的值所限制.当达到极限电流(16mA)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的SAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许 输出箝位在零电平。其内部结构图如下：图3.5.1 LM393内部结构图第四章 硬件设计4.1 硬件总框图设计此次设计的是基于STC89C52的心率和体温采集计，因此需要温度传感器以及测量人体心率信号的红外传感器。温度传感器使用PT100并通过放大电路对抓取的电压进行放大，并通过ADC0804进行AD转换最后送给52单片机。经过实验论证TCRT5000如果采用反射式接法其获取的人体心率信号的变化比较微弱，波形难以捕捉，因此在设计中采用2个TCRT5000使用对接的方式进行获取人体的心率信号。TCRT5000接收端所获取的微弱的心率信号通过二级模拟放大电路进行放大，接着通过滤波电路改善波形的质量，最后通过比较电路将波形改变为方波电路，并将其幅值变成可被单片机识别的5V标准的数字电平，输出给单片机进行采集。设计中使用了3个按键，通过按键完成对报警范围的设定以及测试的开始和停止的控制。并通过LCD1602来显示所获取的心率值以及体温值。具体电路图详见附录，总框架图如图所示：图4.1.1 硬件设计总框图4.2 体温采集电路设计体温采集电路主要由PT100传感器电路，信号放大采样电路，AD转换电路3个部分组成，并最终将信号送给单片机进行处理。4.2.1 PT100传感器电路PT100传感器电路主要实现将PT100随温度变化而产生的阻值变换转换为电压的变化，方便后续电路的采集，由于PT100在0度时阻值为100欧姆，因此可以通过与电阻100欧进行比较来获取相应的电压，其部分电路如图所示：图4.2.1 PT100传感器电路4.2.2 信号放大电路由于PT100的随温度变化阻值变化较小，因此通过5V和100欧电阻串联电路所获取的电压值变化较小，如果直接获取将存在很大的误差，因此需要进行信号放大。放大电路采用差分法过滤掉电路本身的误差，通过与标准的100欧分出的参考电压2.5V进行相减，并通过可调电阻将变动的电压进行放大，最后通过减法电路将放大后的电压值传给AD转换芯片，其相关电路如图：图4.2.2 信号放大电路4.2.3 AD转换电路AD0804将信号放大电路输出的放大的模拟电压值转换为8位的二进制数据传送给单片机。AD0804的参考电源取输入信号电压的最大值的二分之一。例如输入信号电压范围是0-5V时，则参考电源选取2.5V。ADC0804内部有时钟发生电路，只要在外部clk1引脚和clkr两端外接一对电阻电容即可产生AD转换所要求的时钟，其振荡频率为fclk=1/1.1RC。典型的应用参数为：R=10K，C=150PF，fCLK=640KHZ，转换速度为100us。具体接法如下图：图4.2.3 AD转换电路4.3 心率信号采集电路设计心率采集电路包括红外发射电路，红外接收电路，信号放大电路，滤波电路以及波形变换电路等几个部分。4.3.1 红外发射电路红外发射电路主要是将红外反射式TCRT5000的发射端接相应电源，产生红外信号，具体电路如下：图4.3.1 红外发射电路4.3.2 红外接收电路红外接收电路接收来自发射端发出的红外信号，通过获取接收端C和E端的电压获取相应的红外信号值，因为人体的心率信号是交流信号，因此在接收端通过一电容将直流信号进行隔离，其电路如下：图4.3.2 红外接收电路4.3.3 二级信号放大电路 从接收电路获取的心率信号十分微小，因此需要通过放大电路进行信号放大，此次通过运放的负反馈反向比例放大电路将信号放大，其电路如图所示：图4.3.3 二级信号放大电路4.3.4 滤波电路放大电路将需要的心率信号进行了放大，同样也将输入端的一些杂波信号进行了放大，产生了一些尖脉冲，因此需要通过滤波电路将这些杂信滤除，此次设计使用了2级RC电路进行滤波，具体电路如下：图4.3.4 滤波电路4.3.5 波形变换电路从滤波电路所获取的波形是模拟的，类似于正弦信号的，其上升沿和下降沿比较平缓，不能被单片机直接获取，而需要将这种平缓的波形变换为方波形式的波形比较陡峭的脉冲信号，并且幅值为单片机可识别的5V电平，因此可通过比较器LM393实现波形的变换，通过再输入端设定一个比较的参考电压值，当超过此参考电压时输出5V高电平，低于此参考电压时输出0V低电平，在输出端接上拉电阻提高LM393的输出驱动能力，具体电路如下：图4.3.5 波形变换电路4.4 按键电路设计按键电路包含3个按键，每个按键的功能各不相同，其中一个按键用来功能的转换，可进行设定或者返回正常的状态以及测试的开始和结束的控制，另外2个按键，在功能键处于正常的状态时，可作为翻页的按键，控制页面的前翻和后翻页功能，而当功能键处于设定状态时，可作为设定值的增加和减少，按键的输入通过外部中断的方式告知单片机有键输入，通过与门电路将3个按键的输入进行与操作，只要有一个键值有变化，则通知单片机进行相应的处理。其部分电路如图所示：图4.4.1 按键输入电路4.5 LCD1602显示电路设计通过单片机采集相应的数据，并显示在LCD1602显示屏上，并显示设定的报警范围以及运行的时间。显示屏电路包括8位数据输入部分，LCD读写操作及使能控制部分，背光打开与关闭的控制部分以及对比度调节部分。其部分电路如图所示：图4.4.2 LCD1602显示电路4.6 报警电路设计报警电路主要实现当处于测试时，如果测试所获取的值超过了所设定的范围，则单片机控制蜂鸣器的开关进行报警。其电路如图所示：图4.4.3 报警电路第五章 软件设计5.1 总程序设计和流程图上电时，程序在初始化各参数后，定时器2工作模式开始运行，并在LCD1602上显示相关时钟运行信息。当接受到外部中断0的按键输入时，保存按下的键值并判定是哪个键被按下，并判断是处于哪个页面。在第一个页面，通过功能键的按下可以设定时间的时分秒等各位，通过另外2个按键增加或减少相对应的数值，而在第二个页面设定温度的范围，第三个页面设定心率的范围，第四个页面控制测试的开始和停止。另2个按键如果在功能键未按下的状态其相对应的功能为翻页，如果功能键按下的状态下则这2个键的功能变成改变数值的作用。在测试状态下，通过延迟一定时间进行体温和心率的采集，然后进行采集值的显示和报警的判定，如果不在范围内就进行报警。具体的程序流程图如下：图5.1.1 程序流程图相关的主程序，包含的头文件名称以及常用的延时程序如下（所有的程序详见附录）：#include #include #include #define u8 unsigned char#define u16 unsigned int#define u32 unsigned long.void dly_Xms(u16 dat)u16 i,j;for(i=0;idat;i+)for(j=0;j125;j+)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();.void main()init();lcd_disp_line(1,1,Hello,5);/测试LCD屏是否正常while(1)key_detect();key_process();time_detect();buzzer_warning();lcd_display_page(); 5.2 体温采集部分程序设计体温采集通过对ADC0804的控制，进行体温数据的采集，通过单片机的8位P0口读取采集数据，P2.0-P2.3控制ADC0804的使能以及读写，ADC0804控制的子函数如下，：u8 adc0804_rd(void) ADC_CS=0;ADC_WR=1;_nop_();ADC_CS=1;return i;通过对采集的8位数据进行处理和计算最终得出相应的温度值，其部分代码如下：void temperature(void)if(t_get_value1000)t_chg_value=0;else if(t_get_value1390) i= 2558*(u32)t_get_value)-;/温度在0-100之间5.3 心率信号采集部分程序设计心率信号通过P3.3口直接送给单片机，采集方法分为两种：一种为外部中断方式读取心率信号，另一种通过查询的方法进行采集。如果采用中断的方法会影响到运行的时间，造成时间上的误差，而又因为心率信号的频率大概在几Hz左右，而单片机时钟约为11MHz，因此完全可以使用查询方法进行心率信号的采集，而不担心采集过程中的数据丢失。其相关的程序如下：void fre_judge(void)if(key_test =1)if(F_In=1)if(fre_highFRE_MAX) fre_high+;5.4 按键中断程序设计按键通过中断的方法通知单片机有按键输入。中断使用外部中断0，并通过P1.0,P1.1,P1.2读取三个按键的键值进行相应处理，按键中断程序中需添加按键防抖功能保证按键的准确性，其部分按键中断程序如下：void key_input() interrupt 0dly_Xms(30);if(Key_In =0)key_value=P1;key_sta=1;P1=0xFF;5.5 LCD1602显示程序设计液晶显示通过相关的命令字进行控制，LCD1602和ADC0804共用同一个数据输入单片机口P0，而通过片选进行器件的选择，通过P2.4，P2.5，P2.6控制LCD的读写及片选功能，其部分子函数如下：void lcd_init(void);void lcd_cmd(u8 cmd);void lcd_data(u8 dat);void lcd_disp(u8 x,u8 y,u8 dat);void select_display_page(u8 page_num);5.6 STC89C52的EEPROM数据保存程序设计单片机运行时的数据都存在于RAM中，在掉电后RAM中的数据是无法保存的，如果需要将按键设定的范围值掉电后不会丢失，需要利用STC89C52内部的EEPROM来实现。STC89C52内部EEPROM大小为4K，其中以512字节为一扇区，起始地址为0x2000,通过对相应的内部特殊功能寄存器进行操作，便可进行对EEPROM读取或写入。其相应的子函数如下：void ISP_IAP_enable(void);void ISP_IAP_disable(void);void ISPgoon(void);u8 byte_read(u16 byte_addr);void SectorErase(u16 sector_addr);void byte_write(u16 byte_addr, u8 dat) ;5.7 时钟功能模块的设计通过对单片机内部的定时器进行相应操作可以使得LCD上显示相应时、分、秒的功能，定时器使用自动重装的方式，并通过程序的调试，设定每秒所需要循环的最大数值，获取精确的秒定位。相应程序部分如下：#define TIME_SECOND 3333void time_in() interrupt 1time_sta=1;第六章 实物验证及结论6.1 实物验证此次实物电路先使用protel软件画出原理图，并通过原理图生成网表，最后生成相对应的PCB图，此次设计的电路PCB为单层的，其中一些连线不能绘制的通过跳线的方式进行连接，然后手工制作PCB板，通过熨斗将油印好的绘制电路烫到铜板上，然后通过化学药剂洗去多余的铜皮，最后给PCB的元器件摆放位置进行钻孔，购买元器件进行焊接，最后进行调试，通过调试发现其中相应电路问题，并做出相应修改和修正，最后调试成功，验证此次的设计切实可行，原理图，PCB图，实物图等请见附录。此次的实物调试重点在于PT100体温信号的采集以及心率信号的采集。而PT100体温信号的采集属于一个模拟的变动不大的直流值，因此只要在调试过程对相应误差处理得到，则可得出准确的体温值，处理误差的方式可以通过软件补偿和硬件补偿两种方式，软件补偿通过实物的调试获取PT100本身所存在的误差，并在软件中对采集的值减去相对应的误差从而得到准确的值。硬件补偿一般用来补偿由于功放或电路本身所造成的误差，可以使用功放的电位器调节输出的误差值，使得采集的体温值准确。而心率信号是通过红外对接法实现的，其波形本身是波动的波形信号，因此在实物调试中，存在着不小的难度，通过示波器去观察并进行一次次的实物电路修整，首先抓取未经过放大心率信号波形，如图所示，其电压幅度为几百毫伏：图6.1.1 未经放大前的心率信号经过放大后，电压幅值大幅度提升，但是其中的杂波信号依然存在，波形质量不佳，经示波器观察，波峰值约为10V左右如图所示：图6.1.2 放大后未经滤波的心率信号心率信号放大后，通过两级RC滤波后，经示波器观察其信号质量有明显改善，信号上的毛刺被消除，具体如下图所示：图6.1.3 放大滤波后的心率信号最后将该波形通过比较器输出为标准的方波波形信号，幅值为5V，周期大概在500ms-1s之间，基本符合一般人心跳的规律，达到心率采集的设计目的，具体波形如下：图6.1.4 比较器输出前后波形比较图6.2 结论在这几个月的设计中，我从搜集参考大量相关材料确定设计方向及思路，到最后原理图设计，PCB绘制，程序的编写，以及最后实物的焊接和调试，解决其中所遇到的有关问题，通过调试得出稳定的体温值以及稳定的心率脉冲信号，最终完成基于STC89C52单片机的体温心率计的设计。体温心率计主要用于对人体的体温及心率的实时测试，以及报警功能，并附带时钟显示功能，通过按键设定相应心率和体温范围，以及实现自动存储功能。此次设计中涉及了多个方面的知识，首先在原理上提出了相应的硬件设计方案，接着画出了相应的硬件电路图，程序设计采用模块化的设计思想，先想好具体的程序编写方案，并通过软件流程图明确各模块的任务，接着进行具体C语言程序编写与调试，为以后在设计中熟练的使用相应的软件提供了基础，并且通过对实物的焊接与调试，增强了动手能力，了解到理论与实践上存在一定的差距，并对项目的具体设计环节有所了解和认知。此次的设计达到了预想的目的：学到了知识，提高了能力，完成了相关功能。随着社会的发展，科学技术的不断提高，基于心率和体温方面的研究将不断进步，且相应的方法不断的创新和提高，而且性能和工作原理也不断的被完善，心率计的各个组成部分也将更加现代化、智能化。参考文献1 张福学著.传感器应用及其电路精选.电子工业出版社.1992.7.2 李哲英等著.实用电子线路设计.电子工业出版社.1997.1.3 蔡建新,张唯真著.生物医学电子学.北京大学出版社.1997.4 杨志忠著.数字电子技术.高等教育出版社.2001.1.5 荀殿栋,徐志军等著.数字电路设计实用手册.电子工业出.2003.6 赵世强等编.电子电路EDA技术.西安电子科技大学出版社.2002.5.7 肖景和著.数字集成电路应用精粹.人民邮电出版社.2002.6.8 蒋卓勤等著.Mulitisim2001及其在电子设计中的应用.西安电子科技大学出版社.2003.10.9 飧宝元等著.传感器及其应用手册.机械工业出版社.2004.5.10 李良荣.现代电子设计技术基于Multisim 7&Ultiboard 2001.机械工业出版社.2004.6.11 李忠波袁宏等著.电子设计与仿真计数.机械工业出版社.2004.7.12 李磊,褚家如等著.压电微悬梁微弱压电信号检测.2004.13 兰吉昌著.数字集成电路应用260例.化学工业出版社.2009.14 蔡鹏,黄成祥.单片机测量频率的一种简便方法J.机械，2000，27（增刊）：184-185.15 陈晓荣，蔡萍，周红全.基于单片机的频率测量的几种实用方法J.工业仪表与自动化装置,2003(1):40-42.16 Electronic circuits and applications. Bernard Grob. Gregg Division,McGraw-Hill, c1982.17 Electrons. A.L.Kitaigorodsky. Mir Pub. 1981. 18 Electrical engineering. A.S. Kasatki Translated from the Russian by