【毕业设计】论文-便携式脉搏测试仪的设计

包含仿真原理图，需要请联系QQ68661508毕业设计题目便携式脉搏测试仪的设计学生张波学号20110311114专业电子信息工程指导教师陈晓莉陕西科技大学职业教育师范学院2015年06月02日便携式脉搏测试仪的摘要脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。根据人体脉搏信号特征，本设计是一种基于单片机的脉搏测量系统。由于脉搏信号的特殊性，在设计时必须要注意实现测量的准确。该系统的重点就在于要求实现测量的简便化和精确化。系统要求能够实时测量和显示脉搏频率,能够实时显示脉搏信号的波形图。本系统以AT89S52单片机作为核心，通过使用单片机来实现系统最核心的计算脉搏功能。首先，使用压电传感器去采集人体脉搏信号，将采集到的信号通过低通滤波与放大电路对脉搏信号进行处理，然后，将放大后的脉搏信号通过整形电路进行电压基准变化，再经过一次放大电路对整形后的脉搏信号进行放大，将信号转换为AT89S52单片机易于处理的脉冲信号。通过单片机编程对脉冲信号进行处理，测量出一分钟内的脉搏次数，最终在液晶屏中直观地显示出来。计数的方法是利用单片机的计时器，当所测得的脉搏次数小于60或大于120时，系统会进行报警。关键词压电传感器，脉搏测量，单片机，液晶显示DESIGNOFPORTABLEPULSETESTERABSTRACTTHESHAPE,INTENSITY,SPEED,ANDRHYTHMOFPULSESIGNALSREFLECTTHEPHYSICALANDPATHOLOGICALCHARACTERSOFHEARTBLOODSYSTEMINHUMANBODIESMOSTLYACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEHUMANPULSESIGNALS,APULSEFLUCTUATIONFREQUENCYMEASUREMENTSYSTEMISDESIGNEDBECAUSEOFTHEPARTICULARITYOFTHEPULSESIGNAL,INTHEDESIGNSHOULDPAYATTENTIONTOTHEREALIZATIONOFTHEACCURATEMEASUREMENTTHEKEYOFTHESYSTEMISREQUIREDTOACHIEVEASIMPLEANDACCURATEMEASUREMENTTHESYSTEMREQUIREMENTSTOREALTIMEMEASUREMENTANDDISPLAYOFPULSEFREQUENCY,CANDISPLAYTHEWAVEFORMOFPULSESIGNALTHISSYSTEMUSESTHEAT89S52MCUASTHECENTER,THROUGHTHEUSEOFSCMTOACHIEVETHECOREFUNCTIONOFTHEPULSESYSTEMCALCULATIONFIRST,USINGTHEPRESSURESENSORTOCOLLECTTHEPULSESIGNALOFHUMANBODY,THECOLLECTEDSIGNALTHROUGHLOWPASSFILTERINGANDAMPLIFYINGCIRCUITFORPULSESIGNALPROCESSINGTHEN,THEAMPLIFIEDPULSESIGNALBYASHAPINGCIRCUITWEREVOLTAGEREFERENCECHANGES,THENTHROUGHANAMPLIFYINGCIRCUITTOAMPLIFYTHEPULSESIGNALAFTERSHAPING,SIGNALCONVERSIONCHIPAT89S52TRACTABLEPULSESIGNALTHEPULSESIGNALPROCESSINGTHROUGHMCUPROGRAMMINGMEASUREDWITHINAMINUTEOFTHEPULSEOFTHETIMES,CULMINATINGINTHELCDSCREENTODISPLAYWHENTHEMEASUREDPULSERATEISLESSTHAN60ORGREATERTHAN120,THESYSTEMWILLALARMKEYWORDSPIEZOELECTRICSENSOR,MEASUREMENT,MCU,LCD目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111课题的意义112国内外发展状况12系统总体设计321系统总设计目标322总体设计框图323系统组成部分324单元模块方案论证4241脉搏信号采集4242单片机的选择63系统硬件设计731信号采集单元732信号处理单元7321一级放大电路7322二阶滤波器电路9323二级放大电路11324整形电路11325信号处理电路1333报警电路1334显示电路143411602液晶屏14342液晶屏的显示原理15343实际的显示电路1535单片机控制16351AT89S52简介16352时钟信号19353RC复位电路1936总体电路图204系统软件设计2241主程序模块2242晶振模块2343中断模块2344报警模块2445软件开发环境24结论25致谢26参考文献27附录281绪论11课题的意义随着生活水平的不断提高，人们对脉搏测量技术、测量精度的要求也越来越高，脉搏主要由人体动脉的舒张和收缩产生的，在人体的各个组织中动脉成分的含量很高，因此压电式脉搏传感器的测量部位通常在人体的动脉处，如胳膊。压电式脉搏传感器是根据压电效应制成的脉搏传感器，通过对人体脉搏跳动次数的监测，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。因此设计一种便携式脉搏测量仪也随之成为一个重要课题。12国内外发展状况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，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展A）自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。B）数字化技术等先进技术的应用随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。C）多功能化越来越明显目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。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。通过查阅资料发现目前主要的脉率采集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。方法一采用一对红色发光二极管。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。因此，本脉率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。方法二采用反射式的红外管。现在市场上的脉率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，所以就不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦了。但是同样的，对红外的知识了解相对匮乏，得到需要的信号也不太容易。方法三采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动采集信号。随着心脏的搏动，人体手腕的脉搏和颈部的搏动较为明显，采用压电传感器放于上述部位，把压电传感器测得的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。当脉搏跳动时，压电陶瓷片便会产生相应的信号，虽然这是一种很陈旧的方法，但是却很实用，测试的时候能够明显的观测到信号的变化。经过综合分析本设计采用方法三，采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动采集信号。脉搏测量仪的设计，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，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。通过液晶屏或者数码管实时显示脉搏的信息。对测量仪的要求体积小，携带方便，使用简单直观，更适合家庭使用，且成本低，价格便宜。2系统总体设计21系统总设计目标基于单片机设计完成的脉搏测试仪能够实时测量和显示脉搏频率,能够实时显示脉搏信号的波形图。22总体设计框图该设计是采用单片机板作为核心控制器，通过压电传感器采集信号后，经过滤波、放大、整形等处理后，转换成单片机可以处理的脉搏信号。测试仪采用LCD液晶显示器实时显示每分钟的脉搏数以及脉搏信号波形动态图。整个系统框图如图21所示。图21便携式脉搏测试仪的系统框图当人的脉搏每跳动一次，压电传感器受到一个微小的压力后输出一个微小的电压，从传感器输出的微小电压经过放大电路放大后输出，然后再通过滤波电路滤掉测量时抖动带来的干扰信号，再经过555整形电路整形后送入单片机，单片机对输入的脉冲信号进行处理后把结果送入LCD显示，脉搏每跳动一次，LCD显示的数值就会加1。23系统组成部分该系统有以下6个部分组成信号采集部分，信号处理电路部分，复位电路部分，时钟电路部分，显示电路部分，报警电路部分。A）信号采集部分该部分的压电传感器采用的是压电薄膜力敏元件作出信号输入的采集，将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电信号。B）信号处理电路部分由于压电传感器接收到的信号除了脉搏的振动信号外，还有一些其他的干扰信号，为了便于对信号的检测和处理，需要对接收到的信号进行一级放大和滤波，提取出有效信号，同时因为转换后的电压为毫伏级信号，需要经过二级放大后才能提供给后级电路使用。C）复位电路部分在进行下一次测量时要先清除之前的测量数据，所以按下开关之后，可重新进行60秒钟的测量，并显示其数字。D）晶振电路部分利用单片机的机器周期对此进行延时来实现测量时间的定时。E）显示电路部分单片机处理得到的脉搏波动频率信息，最后在显示电路中直观地显示出来。所以，需要选用适合的显示设备及显示电路，来完成对一分钟内脉搏脉搏次数和脉搏信号的波形的显示。F）报警电路部分当一分钟的脉搏数小于60或大于120时，启动报警，蜂鸣器发出响声。24单元模块方案论证241脉搏信号采集该单元要将脉搏跳动的压力信号转换为电信号，因此需要使用传感器来实现。A）传感器的选择传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分，其基本功能是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量非电量转换成为便于测量的电量。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。传感器一压电式传感器目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的AG/AGCL传感器。这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。传感器二光电式传感器血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为红外对管和红外放射管。采用红外对管。将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。采用反射式的红外管。现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。传感器三集成传感器当前,市面上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。B）三种方案的优缺点比较传感器一光电式优点灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。缺点1外部光源的变化对测量结果的影响较大；2需要购买专门的医用光电传感器，价格较贵且不易购买；3对这样的器件接触很少，对其进行调试时可能会出现较大困难。传感器二压电式优点结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。缺点直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。并且容易受到外界其他信号的干扰。传感器三集成式优点集成度高,包含了滤波,放大电路,可以直接输出信号,便于操作,有效的减少了各种干扰。缺点降低了本任务的难度,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。考虑到种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，最终选择压电式陶瓷片。该传感器价格较低，而且输出电压变化较为明显，可以实现我们的课题目标。242单片机的选择A）AVR单片机AVR单片机是ATMEL公司生产的单片机。高速度50NS、低功耗,硬件应用HARWARD结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，而MSC51要12个时钟周期执行一条指令。AVR单片机如LPC2131等。B）凌阳单片机凌阳是台湾凌阳公司推出的单片机，具有高速度、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点，如SPCE061等。C）51单片机51单片机是INTEL公司生产的。它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。通用型，有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择51单片机3作为信息处理中心。在51系列单片机中，AT89系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8位CMOS微型计算机。AT89S52就是其中一款，它可以完全满足本设计的设计要求。3系统硬件设计31信号采集单元压电陶瓷片的外观和电路符号如下图31所示。压电片包括三个部分，镀银层，压电陶瓷，以及铜片。外部压力作用于铜片时，压电陶瓷就可以感受压力而产生电信号，并最终通过镀银层将该信号输出。在使用时，压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。图31压电陶瓷片的符号及外观32信号处理单元信号处理电路包括对信号的放大和滤波两个部分。由于传感器输出的电压比较小，在几毫伏左右，且频率较低，需要低噪声，低漂移，高输入阻抗的放大器，所以选择使用仪表放大器。肌电干扰可能会导致放大器的静态工作点偏移，甚至使放大器达到饱和，所以第一级放大器的放大倍数不能太高。因此还需要另一个放大器。为了滤去高频信号和外来的干扰，需要设计一个低通滤波器,另外还需要一个波形整形电路使模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号。这部分电路的框图如下图32所示。图32信号处理单元框图321一级放大电路一级放大电路是整个系统设计的重点,脉搏测量仪要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号,这要求所用的放大器必须具有低噪声,低漂移,低失调参数,高共模抑制比,高输入阻抗,线形度小等特点。一级放大电路是整个系统设计的重点,脉搏测量仪要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号,这要求所用的放大器必须具有低噪声,低漂移,低失调参数,高共模抑制比,高输入阻抗,线形度小等特点。为了达到上述要求,并联型双运放放大电路能满足其要求，其电路如下图33所示。一级放大电路二级放大电路二阶滤波电路整形电路图33并联型双运放放大电路前两个运放为同向比例放大器,输入阻抗很高,它对共模信号有很高的抑制比。由于RX连接于这两个放大器的求和点之间,当一个差分电压加到医用放大器的输入端时,整个输入的电压都呈现在RX两端。由于RX两端的电压等于V2V1,所以流过RX的电流等于V2V1/RX,因此输入信号将通过放大器获得增益并且得到放大。这种电路的优点在于A高共模抑制比；B通常只需改变电阻RX大小可改变增益。以上电路需要三个运放，在调试的时候会比较复杂。现在的很多仪表放大器的内部电路与这个电路相同，而且仪表放大器都有成品可以买到,只需调整外界电阻就可以调整放大器的放大倍数，准确而且方便。以下是几种常用的集成仪表放大器,其主要参数如表31所示。表31三种集成医用放大器参数器件输入失调电压输入偏置电流输入失调电流输入噪声AD62050UV10NA05NA13INA128125NV50NA50NA10OPA1311MV50PA50PA21脉搏信号是在强噪声下的微弱信号，它对前置放大器的共模抑制比，输入阻抗，输入噪声，输入失调电压有较严格的要求，由表32知AD620是最为理想的。AD620参数和芯片引脚图分别如下表32和图34所示。表32AD620参数表项目规格备注增益范围11000只需一个电阻就可以设定电源供应范围23V18V低耗电量最大供应电流13MA可用电池供电，方便运用于便携式器材精确度高40PPM的最大非线性度；最大偏置电压为50V；最大漂移电压06V/低讯号1KHZ时低输入噪声9NV/HZ使用场合ECG量测量与用以器材、压力测量,V/I1R49XKG转换资料拾取系统等图34AD620芯片引脚图AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为247,因而增益方程式为K（31）对于所需的增益,则外部控制电阻值为（32）由于肌电干扰可能造成前置放大器静态工作点的偏移，甚至截至饱和，所以前置放大器的增益不能太大。所以设计时考虑两级放大,第一级采用AD620,外接一个47K的电阻,放大倍数由公式大约放大十倍左右。322二阶滤波器电路由于脉搏信号的频率在133HZ左右，正常情况下不会出现高于2HZ的信号，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号。在这个系统中最大的干扰就是来自市电的50HZ干扰信号，考虑到有些病人在患病时可能会出现较高的脉搏，因此在设计滤波器的截止频率在4HZ左右，这样不但能保证不滤去脉搏信号，而且能很好的将干扰滤去。A）方案选择方案一无源滤波器采用RC低通滤波器。其电路如图35所示，特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。其幅频特性如图36所示。KRCF21图35一阶无源滤波图图36一阶无源滤波器幅频特性方案二二阶低通滤波器采用二阶有源滤波器，通带内幅频特性曲线比较平坦，而且二阶也可以达到较陡的衰减的特性。由于主要的干扰出现在50HZ左右，所以在截止频率较低时，采用二阶滤波器即可达到很好的滤波效果。二阶有源滤波器的电路图如下图37所示,其幅频特性如图38所示。图37二阶有源滤波器图图38有源滤波器幅频特性B）参数确定电容C的容量宜在微法数量级以下,电阻器的阻值一般应在几百千欧以内。我们现在设定C1C2033UF，R1R2120K。根据（33）可以计算出，该滤波器的截止频率为401HZ。符合所要达到的指标。C）方案确定由于使用二阶有源滤波器能够很好的实现系统的滤波目的，所以选择使用方案二，即二阶有源滤波器。323二级放大电路第二级放大采用同相放大器,其电路如图39所示。HZF01430126C图39同相放大器电路其闭环电压增益（34）输入电阻ICRR输出电阻0平衡电阻（35）FP/1其中，RIC为运放本身同相端对地的共模输入电阻，一般为108欧姆。同相放大器具有输入阻抗高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。若RF0，R1（开路），则为电压跟随器，与晶体管电压跟随器（射极输出器）相比，集成运放的电压跟随器的输入阻抗更高，几乎不从信号源吸取电流；输出阻抗更小，可视作电压源，是较理想的阻抗变换器。在设计时，选用的运放为TL082，该运放具有较小的输入偏置电压和偏移电流，输出设有短路保护，输入级有较高的输入阻抗，完全可以达到设计要求。同时，设定RF100K,R11K,由此电路可以得到第二级的放大倍数为101倍,可以实现系统所要达到的放大参数。324整形电路由于单片机只能检测到数字信号，因此，使用压电传感器采集到的模拟信号经过信号处理电路后转换成单片机可以识别的数字信号。这里有两个方案可以选择。方案一使用三极管进行整形如图310所示。R1Q1R2VCINOUT图310三极管整形电路1RAFV方案二使用施密特触发器来实现整形。只要使用一个施密特触发器，就可以实现对于信号的整流作用。由于三极管的调试较为复杂，且工作性能不如施密特触发器稳定，所以我们选用施密特触发器。现在的施密特触发器一般分为由555芯片构成和用TTL电路构成两种。使用由555芯片构成的施密特触发器，结构简单，使用方便，因此选用555芯片来完成该项任务。由555芯片构成的施密特触发器如下图311所示。图311555施密特触发器电路图使用施密特触发器后，其输入输出波形的变化如下图312所示。图312施密特触发器工作波形由于VCC5V，所以，当输入电压大于2/3VCC，也就是333V时，电路就可以输出高电平，然后一直持续到1/3VCC，也就是167V时，电路开始输出低电平。在前面的电路中，脉搏信号被转化为5V左右的信号，经过实验验证，脉搏信号在本级可以被转化为能被单片机识别的数字信号。325信号处理电路R4DC7Q3GND1VC8TR2TH6CV5U1532647851U2AD62032184U4ATL082GNDC401UFVC5VR410KGNDR51K56784U4BTL0825VC503UFR6120KC603UFR7120KR847KGND5V5V5V5VT0R110KIN图313信号处理电路如图313所示为信号处理电路，采集到的脉搏信号首先经过一级放大电路进行放大，再经滤波电路滤掉干扰成分，在经过二级放大电路放大后经过555整形电路转换成单片机可以处理的数字信号。33报警电路报警电路是对每次脉冲的到来均响铃，与脉搏同步。这样，就可以通过声光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来。当一分钟的脉搏次数大于120次或小于60次时蜂鸣器发出响声，发光二极管发光，做出报警。图314报警电路的主要设计。如图314所示，两个电阻分别与P27与P24连接。当P240；P270时，启动报警。图314报警电路图34显示电路3411602液晶屏1602液晶屏是一种工业字符型液晶，能够同时显示1602即32个字符，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个57或者511等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，LCD1602的引脚如下图315所示。图315LCD1602引脚图第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VEE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，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。342液晶屏的显示原理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。液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动三种。A）线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。当（3FFH）FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）FFH，（001H）00H，（002H）00H，（00EH）00H，（00FH）00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。B）字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。C）汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码，每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5等奇数，右边为2、4、6等偶数。根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节,直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。343实际的显示电路来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机的P32脚，单片机设为每次脉冲为低电平时触发单片机产生中断并进行计时；通过P0口与P1口把结果送到液晶屏显示出来。如图36所示，液晶屏的4脚与单片机的P10进行连接，第5脚与P11进行连接，第6脚与P12进行连接。通过设定P10值来改变寄存器的选择状态。当P100时，选择指令寄存器；当P101时，选择数据寄存器。P110时，开始写入数据；P12的值从0变到1时，允许写入数据。图316中利用滑动变阻器RL来调节液晶屏的亮度。图316显示电路图35单片机控制在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。为了能够在60S的时间内，准确测量出一分钟的脉搏，可以使用单片机的定时器来实现。在检测到第一个脉冲到达时，开启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。考虑到单片机要实现以上功能，选择使用AT89S52来构成电路。351AT89S52简介AT89S52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。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52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。AT89S52具有以下标准功能8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52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。A）电源引脚VCC电源GND地B）外接晶振引脚XTAL1振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。C）控制引脚RST/VPD复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/ERROR地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在FLASH编程时，此引脚（ERROR）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。ERROR外部程序存储器选通信号（ERROR）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，ERROR在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，ERROR将不被激活。ERROR/VPP访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，ERROR应该接VCC。EA在FLASH编程期间，ERROR也接收12伏VPP电压。3I/O口引脚P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。此外，P10和P12分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和时器/计数器2的触发输入（P11/T2EX），具体如下表所示。在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。如下表33所示为P1口的第二功能。表33P1口的第二功能引脚号第二功能P10T2（定时器/计时器T2的外部计数输入），时钟输出P11T2EX（定时器/计时器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P15MOSI（在系统编程用）P16MISO（在系统编程用）P17SCK（在系统编程用）P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。如下表34所示为P3口第二功能。表34P3口第二功能引脚号第二功能P30RXD（串行输入）P31TXD（串行输出）P32ERROR（外部中断0）P33ERROR（外部中断1）P34T0（定时器0外部输入）P35T1（定时器1外部输入）P36ERROR（外部数据存储器写选通）P37ERROR（外部数据存储器写选通）352时钟信号单片机最小系统是利用最少的外围器件而使单片机工作的电路组织形式。最小系统只包含单片机、振荡器、复位电路和电源。如图317为最小系统电路图。单片机的XTAL2和XTAL1接晶振，这种结构通过晶振电容C1、C2与单片机内部结构组成一个时钟信号源，晶振的频率决定系统的时钟频率。对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。但由于图中的电容C1、C2起着系统时钟频率微调和稳定的作用。因此，在实际应用中一定要注意正确选择参数（3010PF），并保证对称性（尽可能匹配）。典型的晶振取110592MHZ，因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合，或者12MHZ，因为产生精确的S级时歇，方便定时操作，对于12MHZ晶振，TS1S。本设计利用将单片机内的16位定时/计数器T0作为定时器并设定定时周期。经过整形与放大后出来的脉冲信号接到单片机的P32口上，则定时器的开关由程序根据P32口上的状态进行控制。检测到P32口为低电平时，开启T0开始进行计时与计数。353RC复位电路本系统采用的是这种复位方式。RC复位电路的实质是一阶充放电电路。系统上电时该电路提供有效的复位信号RST（高电平）直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。理论上说，51系列单片机复位引脚只要外加2个机器周期的有效信号即可复位，即只要保证TRC2M（机器周期）便可，但实际设计中，通常取C3为10F以上，R2通常取10K左右。实践发现R2如果取值太小，例如1K，则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。外部程序存储器访问控制端ERROR/VPP。由于没有使用外部程序存储器拓展,所以在这里ERROR/VPP接高电平。单片机电路如下图317所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD63P07/AD732P101P112P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A92P22/A1023P23/A124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U3AT89C51X312MHZC120PPFC220PFC310UR110KR110KVC图317单片机最小系统36总体电路图总体硬件电路如图318所示。图318总体硬件电路4系统软件设计从压电传感器采集出来的脉搏信号，经过滤波电路转换为脉冲信号之后，需要对单片机进行编程，实现对脉搏波动频率的测量、计算和显示。本设计中，软件设计采用模块化结构。根据脉搏波动频率测量系统的设定功能，将软件划分为若干个功能相对独立的模块。本章节内容主要为模块的程序设计思想和流程图。41主程序模块主程序模块流程图如图41所示。开始系统初始化P32是否为下降沿脉搏测量子程序LCD显示大于120或小于60结束启动报警程序NYYN图41主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。42晶振模块图42定时程序流程图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，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。43中断模块图43中断程序流程图INT中断程序流程如图43所示。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。没有处于检测状态时，按下按键检测开始，进行脉搏数的累加。44报警模块图44报警程序流程图根据对报警电路的分析，可通过对P27的置位来控制蜂鸣器发出声音和关闭。当P27管脚为高电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电路形成回路，发出声音；当P27管脚为低电平时，三极管截止，这样蜂鸣器中无法形成电流回路，蜂鸣器不出声。因此，利用此原理可通过控制P27管脚来控制蜂鸣器是否响应报警。根据医学数据，人体脉搏正常在60到120之间，当数码管所显示的示数大于120或小于60时，蜂鸣器响应报警；示数大于120时小于60时，蜂鸣器不响。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率，驱动蜂鸣器工作。蜂鸣器报警流程如上图44所示。45软件开发环境单片机应用系统设计与一般电子系统设计的差别在于，它既要构成硬件逻辑电路，也要设计相应的支持软件。KEILS52是英国KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，该系统全WINDOWS界面且库函数丰富，调试功能强大、生成代码率很高。因此，本课题软件的软件调试选用该开环境来完成。结论此课题属于设计类，分析了设计任务，然后查阅大量的资料和相关的书籍，最终选定了用AT89S52单片机作为本设计的核心系统来设计。在本设计电路完成后，它可实现测出一分钟的脉搏次数，当脉搏数小于60或大于120时，会进行报警。本设计的系统编程采用C语言进行编程，用单片机AT89S52作系统核心，主要完成对脉搏信号的采集、放大和滤波电路以及整形电路的设计、单片机信号处理以及显示电路的设计。本设计不足在于用电池充当电源时电流不稳，只有找到脉搏信号较明显的部位才能进行信号采集。随着科技的发展，人们对于体质健康的要求逐渐变高，这种脉搏测量仪的设计具有简单和使用灵活等优点。由单片机构成的便携式脉搏测量仪，在人们运动过后检测脉搏数，控制运动量方面提供了更多的选择。因此，便携式脉搏测量仪的研究和使用将会具有很大的应用价值。但在设计过程中明显感觉到用汇编语言编写程序还没有达到熟练程度，在以后的学习中还需要加强程序的编写，尤其是单片机C语言。硬件方面对电路理论、模拟电子技术和数字电子技术要求很高，因此在后期学习及以后的工作过程中还学要把这三门课加强。致谢本论文是在陈晓莉老师的精心指导下和其他同学的帮助下完成的。首先衷心感谢陈老师在这期间，在学习上给予我的帮助。从课题的确定到研究方法的选择都给了我悉心的指导。陈老师严于律己、宽于待人的处事态度，渊博的学识，敏锐的洞察力，严谨治学的作风和精益求精的精神以及踏实勤恳的工作精神都给我留下了深刻的印象，这些无疑将成为我受益终生的宝贵财富。在做毕业设计这段时间里陈老师给予我很多的启发和帮助，使我能顺利完成课题的设计和论文的撰写，也顺利地完成了大学阶段的学业。在本论文即将结稿时，向导师表示最衷心的感谢。同时也感谢班里其他的同学，他们在我的设计中给了我许多宝贵的意见和建议，在遇到问题的时候一起想办法解决，使我可以顺利解决遇到的一些问题。参考文献1魏立峰，王宝兴单片机原理与应用技术M北京北京大学出版社