基于单片机的脉搏测量器设计

1、东北石油大学课程设计课程单片机的控制系统课程设计题目基于单片机的脉搏测量器设计院系电气信息工程学院专业班级 自动化 2010 级 1 班 学生姓名学生学号 1006011401 指导教师 李艳辉 邵克勇2013 年 7 月 7 日东北石油大学课程设计任务书课程： 单片机的控制系统课程设计题目：基于单片机的脉搏测量器设计专业： 自动化 姓名： 学号： 1006011401主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：基于单片机的脉搏测量器设计，主要内容如下：1、要求通过手指测量脉搏跳动；2、准确测量出 1 分钟内脉搏跳动的次数；3、通过数码管显示出 1 分钟内脉搏跳动的次数；4、通过发光二极管显示

2、脉搏的跳动。基本要求：1、熟悉 51系列单片机系统的基本构成和工作原理。2、设计并实现具有复位功能的单片机最小系统。3、掌握 51系列单片机 I/O、定时器等操作方法。4、掌握单片机的一般编程技巧。参考资料：1、张毅刚单片机原理及应用 M . 北京：高等教育出版社 , 2010.2、蔡美琴 MCS-51 系列单片机系统及其应用 M. 北京：高等教育出版社 , 2004.3、朱国富，廖明涛，王博亮 . 袖珍式脉搏波测量仪 J. 电子技术应用 . 1998年. 第 1 期.4、刘云丽，徐可欣等 . 微功耗光电式脉搏测量仪 J. 电子测量技术 . 2005年. 第 2 期.5、程咏梅，夏雅琴，尚岚

3、. 人体脉搏波信号检测系统 J. 北京生物医学工程 . 2006年. 第 25卷完成期限 2013-7-7指导教师 专业负责人2013 年 6 月 28 日目录第 1 章 绪论 0第 2 章 系统结构及主要元器件 02.1 系统结构 . 02.2 元器件清单 . 02.3 单片机 AT89S52 功能介绍 02.4 半导体发光二极管工作原理、特性及应用 . 3第 3 章硬件设计 43.1 单片机复位电路设计 . 53.2 单片机晶振电路设计 . 53.3 红外发射和接收电路的设计 . 63.4 7SEG-MPX4-CC 与单片机接口电路 73.5 电路原理图 . 8第 4 章 软件设计 94.

4、1 程序流程图 . 104.2 程序清单 . 10第 5 章 系统仿真及调试 125.1 系统 Proteus仿真图 12结 论 14参考文献 15第 1 章 绪论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。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

5、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。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。

6、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。本设计是一种用 AT89S52 单片机制作的脉搏测量 仪，只要人把手指放在传感器内 2 秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数 字显示。第 2 章 系统结构及主要元器件2.1 系统结构基于 AT89S52 单片机的脉搏测量器由电源模块、 复位电路、晶振电路、 AT89S52单片机、 脉搏感应电路、脉搏处理电路、脉搏次数显示电路以及脉搏显示发光二极管等组成。系统设 计框图如下所示。图 2-1 基于 AT89S52 单片机脉搏测量器系统框图2.2 元器件清单基于 AT89S52 单片机的脉

7、搏测量器的清单如下表所示：表 2-1 基于 AT89S52 单片机的脉搏测量器设计原件清单表原件名称型号数量 （个 ）用途单片机AT89S521控制核心晶振12MHz1晶振电路电容30pF2按键1电解电容10uF/10V1复位电路电阻10K1电源+5V/0.5A1电源电路红外发射头PH3031红外接收头PH3021脉搏信号检测电路电阻1001电阻22K1电阻5001脉搏显示发光二极管1集成块CD40691电容1uF1电解电容100uF/10V1脉搏信号放大和滤波电解电容22uF/10V1电路电解电容47uF/10V1电解电容47K1电阻10K2电阻1M1电阻22K1脉搏计数显示电路电阻470K

8、1电阻100K1电阻5008数码管共阳极3位集成块74LS041集成块74LS24512.3 单片机 AT89S52 功能介绍单片机 AT89S52 为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K在系统可编程 Flash 存储器。2.3.1 AT89S52 主要功能列举如下1、内部程序存储器（ ROM ）为 8KB2、内部数据存储器（ RAM ）为 256 字节3、全双工 UART 串行通道4、拥有灵巧的 8位 CPU和在系统可编程 Flash5、32个可编程 I/O 口线6、8 个中断向量源7、三个 16位定时器 / 计数器8、三级加密程序存储器9、晶片内部具时

9、钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz ）2.3.2 AT89S52各引脚功能介绍图 2-2 AT89S52 引脚图VCC ：AT89S52 电源正端输入，接 +5V。VSS：电源地端。XTAL1 ：单片机芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2 ：单片机芯片系统时钟的反相放大器输出端。RESET：单片机 AT89S52 的重置引脚，复位输入，高电平有效。 EA/VPP ：当 EA 保持低电平时，使用外部程序存储器。当 EA 保持高电平时，则使用内部程序存储器。ALE/PROG ：当访问外部存储器时用来锁存地址的地位字节PSEN：是外部程序存储器的选通信号。PORT0（P0.0P0.7）：

10、端口 0是一个 8位宽的开路汲极（ Open Drain）双向输出入端口，共 有 8个位， P0.0 表示位 0，P0.1表示位 1，依此类推。PORT1（P1.0P1.7）：端口 1是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4个 LS TTL 负载，同样地若将端口 1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。PORT2（P2.0P2.7）：端口 2也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，每一个引脚可以推动 4 个 LS 的 TTL 负载，若将端口 2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口 来使用。PORT3（ P3.0P3.7）：端口 3 管脚是 8 个带内部上拉电

11、阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。其各个管脚功能分配如下：P3.0：RXD （串行通信输入口） ；P3.1：TXD （串行通信输出口）；P3.2：INT0 （外部中断 0 输入）；P3.3：INT1 （外部中断 1 输入）；P3.4：T0（计时器 0 外部输入）；P3.5：T1（计时器 1 外部输入）；P3.6：WR（外部数据存储器的输入信号） ； P3.7：RD（外部数据存储器的读取信号） ； RST ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。2.3.3 AT89S52 结构框图2.4 半导体发光二极管工作原理、特性及应用发光二极管通常

12、称为 LED ，是一种容易装配到电子电路中的微型灯泡，但它们并不是普 通的白炽灯，它们没有灯丝，也不会发烫。它们之所以能够发光，是由于半导体材料内部电 子运动造成。发光二极管的核心是 PN结，因此它同样具有一般 PN结的特性，包括正向导通、 反向截止、击穿和发光特性。目前，发光二极管用途广泛，能完成数十种不同的工作，而且，在各种设备中都能找到 他们的身影。本设计中主要用到了它的发光特性，其原理是：在正向电压下电子由N 区流入P 区，空穴由 P 区流入 N 区。导致进入对方去的少数载流子与多数载流子复合而发光。原理 如图：第3章硬件设计3.1 单片机复位电路设计在单片机系统中，系统上电启动的时候

13、复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如 果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复 位。时钟电路工作后，在 REST 管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复 位。下图为复位电路图：图 3-1 复位电路3.2 单片机晶振电路设计单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合 单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机 运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在数字电路中，晶振的作用是为一个时序控制提供一个标准时刻。数字电路是根据具体电路

14、来设计的，其能在某个时刻完成某项特定的任务，假如没有一个标准时刻来控制时序的话， 那么整个数字电路就不知道在什么时刻该做什么，也就处于瘫痪状态。在本单片机系统中，晶振的作用便是为系统提供基本的时钟信号，来保证系统各个部分 保持同步。下图为晶振电路图：图 3-2 晶振电路图3.3 红外发射和接收电路的设计3.3.1 红外通信原理红外通信技术是一种无线连接技术，目前在世界范围内被硬件和软件平台所支持。红外 通信技术是通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换来实现数据收发的，其目的主要是 为了取代点对点的线缆连接。简而言之，红外通信的实质也就是对二进制的数字信号进行调制与解调，从而达到对数 字信号的

15、传输。其基本原理图如下所示：单片机红外发射电路输出调制发送单片机红外接收电路解码 接收解调 图 3-3 红外发射接收原理图3.3.2 红外发射接收电路图红外发射电路主要是接收单片机输出的调制信号，并将其发送到红外接收电路。红外发 射电路主要由发光二极管组成，常用的发光二极管发射的波长在 940nm 左右，其发出的是红 外线，而不是可见光。图 3-4 红外发射电路红外接收电路主要是接收红外发射电路发射的调制信号，并将调制信号发送到单片机进行解调。接收电路主要由光敏二极管组成，工作时需要给光敏二极管加反向偏转电压，保证 其获得较高的灵敏度正常工作。图 3-5 红外接收电路3.4 7SEG-MPX4

16、-CC 与单片机接口电路7SEG-MPX4-CC 四个共阴二极管显示器 1234 是阴公共端，其管脚图如下所示：图 3-6 7SEG-MPX4-CC 管脚图 这种类型的显示器，在它的内部中，除各个公共端外，是把各个显示器的同名端并联起 来的。比如说，四位一体的 LED 显示器，是每个脚的同名端并接，所以仍是有 8 个引脚，再 加上 4 个公共端，就是有 12个引脚，同理，八位一体显示器就是 8个同名引脚加 8 个公共端， 就是 16 个引脚。若想数码管正常显示，需要通过驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而正常显示出需 要的数据。数码管有两种不同的驱动方式，分别为静态驱动和动态驱动。静态驱动也称

17、直流 驱动，其优点是编程简单，显示亮度高。动态驱动是指通过分时轮流控制各个数码管轮流显 示。其与单片机的接口电路图如下：图 3-7 7SEG-MPX4-CC 与单片机接口电路图3.5 电路原理图工作原理 ：电源电路为单片机以及其他模块提供标准 5V 电源；复位电路模块为单片机 系统提供复位功能；晶振模块为单片机提供时钟标准，使系统各部分能协调工作；单片机作 为主制约器， 根据输入信号对系统进行相应的制约； 红外发射和接收模块用来检测脉搏信号； 信号变换模块用来把红外接收头接收的脉搏信号进行放大和滤波，以便单片机进行处理；显 示模块用来显示具体的脉搏测量结果，它会记录脉搏一分钟跳动的次数；发光二

18、极管可以通 过发光的形式显示脉搏的跳动。综合上述分析，设计出基于 AT89S52 单片机的脉搏测量器，其原理图如下：图 3-8 脉搏测量器设计图传感器由脉冲发生器组成，测量原理如下：将手指放在脉冲发生器之间，血管中血液的 流量随着心脏的跳动变化，由于人体脉搏跳动并且用脉冲发生器接受静脉血管强度变化，此 变化和心跳的节拍相对应，因此脉冲电流也跟着心跳的节拍改变，使得脉冲发生器输出与心 跳节拍相对应的脉冲信号。第 4 章 软件设计4.1 程序流程图基于 AT89S52单片机脉搏测量器的程序流程图如下。 其中初始化包含了对定时器的选用、 优先级的设定和初始值的设置。系统主程序控制单片机系统按预定的操

19、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 , 进行对脉搏信号的检测， 判断是否有脉搏信号， 如果有，则将脉搏计数器加 1，如果没有则返回重新判断。具体流程图如下所示：图 4-1 基于 AT89S52 单片机脉搏测量器的设计程序流程图4.2 程序清单该程序用汇编语言编写，主要有四个模块组成，分别为主程序模块、外部中断服务程序 模块、定时器 T0 中断服务程序模块、 延时子程序模块等。 主程序模块主要完成程序的初始化。 外部中断服务程序模块由信号判断、计算、合理

20、近似、显示输出等部分组成。定时中断服务 程序模块由计时、计数、无效测试信号判断等部分组成。程序中用变量 n 对脉搏脉冲信号个 数计数。程序源代码如下：#include unsigned char i,j,t,m,YSHSHJIAN,YSHHVHONG3 ； unsigned int n,MBO； unsigned char code WXUAN3=0xf7,0xef,0xdf ； unsigned char code XSHB10=0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84 sbit SHRU=P30； void YSHI(YSHSHJI

21、AN) ；main()TMOD=0x01 ；TH0=0xec；TL0=0x78 ；IE=0X83 ；IT0=1；TR0=1；for( ； )if(SHRU=0)YSHI(200);SHRU=1;external0() interrupt 0SHRU=0； if(n=0) MBO=0； elseMBO=12000/n；YSHHVHONG2=MBO%10 ；MBO=MBO/10;YSHHVHONG1=MBO%10 ；YSHHVHONG0=MBO/10 ；n=0；Timer0() interrupt 1 TH0=0xec；TL0=0x78 ；t=WXUANj ； P3=P3|0x38； P3=P3&

22、t； t=YSHHVHONGj ； t=YSHHVHONGt ； P1=t； j+；if(j=3)j=0；n+；if(n=2000)n=0；void YSHI(YSHSHJIAN)for(；YSHSHJIAN0 ；YSHSHJIAN-)for(i=0 ； i250 ； i+) ；第 5 章 系统仿真及调试5.1 系统 Proteus仿真图5.1.1 显示初始页面图 5-1 电路图仿真初始状态5.1.2 一分钟脉搏跳动显示图 5-2 一分钟后脉搏跳动显示结论单片机近 20 年的飞速发展，俨然已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面， 单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系

23、统设计思想和设计方法。从 前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能， 现在已能用单片机通过软件方法来实现了。 这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制 技术，是传统控制技术的一次革命。而 51 单片 机作为单片机的主流，随着集成技术的发展， 51系列单片机继承和发展了 MCS-51 系列的技 术特色，有逐渐取而代之之势。本设计主要是 51 单片机在脉搏测试系统中的应用。重点介绍了单片机的最小系统，通过单片机最小系统实现了脉搏的测量系统， 由光电传感器采集到脉冲信号， 经过信号的放大、 滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终在数码管上显示。利用单片 机自身的定时中断、外部中断、

24、计数等功能，不仅能显示出此次脉搏测量的次数，还能自动 储存这个数据。本次所设计的测量仪系统实现简单、功能稳定、使用方便，应用广泛，具 有实际意义。 由于时间比较短，同时本人掌握的知识有限，本次设计虽已完成，但其中有很多不足，如程 序不够简练，电路板不够美观，光电传感器灵敏度不够高，数码管显示部分不够完美等，同 时此次设计的测量仪功能比较单一，没有如语音系统实现自动读出脉搏次数等人性化功能， 且在设计过程中使用的运放数量也较多，加大了电源管理的复杂度。然而科技的进步势必会 使测量仪的功能日益强大和完善，其应用领域将不断扩大，将会给我们的生活带来更多的方 便和精彩。为了更好的进行电脉搏测量仪的设计，认真收集有关资料，并做相关的整理和阅读，为 这次的设计做好充分的准备。经过这次设计，我收获了很多，具体总结如下： （1）通过此次 的设计，使我知道了无论做什么事都应该事先做好充分的准备，不应该盲目的只为了