接口实验报告-基于51单片机的脉搏温度测试系统-

1、 接口实验报告 题 目： 脉搏波体温自动采集系统 院 系： 电子工程与自动化学院 专 业： 仪器仪表工程 学生姓名： 学 号： 指导老师： 李 智 职 称： 教 授 20 年8月 28日摘 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。此次设计的电路局部主要包括：传感测量电路、放大电路、滤波整形电路、AD转换电路、控制电路、电源供电电路等。上位机为通过VC编程界面。通过上位机按键控制，将PT100及TCRT5000输入

2、的微弱信号进行放大整形，最后AD采集转换传送给单片机，在上位机界面上显示相关体温及心率信息。本次硬件设计基于比拟稳定可行、低本钱的设计思想，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 syst

3、em 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 i

4、ntroduced, 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 supply

5、ing 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

6、information of body temperature and heart rate.Keywords: Piezoelectric sensors；control circuit； counters； Multisim2001 simulation software control circuit.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开展，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根底的开展水平。在三大信息采集(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

7、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

8、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。体温到达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。脉搏和体温的异常说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，现代医学的不断开展和进步，使人们对各种测量仪器的要求越来

9、越高，而心率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，科学技术的开展，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产和生活的各个领域，相当大一局部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开展。由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存储数据

10、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，可扩展等方向开展。 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

11、等电子仪器体积小，使用方便，但相对的价格比拟贵。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拟困难的事。采用压电陶瓷片通过脉搏

12、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拟明显，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局部。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7

13、0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到达测温目的。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

14、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

15、DS18B20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的数字接口那么为近年比拟流行的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，但是也存在着比拟大的缺点，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拟小，在性能上优于之前所提到的数字

16、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，相比设计上会比拟复杂。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。而社会的开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根底上从模拟式向数字式，从集成化向智能化，网络化的方向飞速开展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及平安性、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开展。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

17、反射式传感器TCRT5000，而体温传感器那么用到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，并通过比拟器输出方波波形，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

18、进行相应处理，最后对应出相应的体温值和心率值，并传送给上位机进行相关显示，到达可以查看的目的。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，到达相应的学习目的。第二章 硬件设计2.1 硬件总框图设计此次设计的是基于STC89C52的心率和体温采

19、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拟微弱，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，最后通过比拟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。设计中上位机设计使用了3个按键，通过按键完成

20、测试的开始和停止以及推出系统的控制。并通过上位机界面来显示所获取的心率值以及体温值。具体电路图详见附录，总框架图如下图：图2.1.1 硬件设计总框图2.2 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个局部组成，并最终将信号送给单片机进行处理。2.2.1 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欧进行比拟来获取相应的电压，其局部电路如下图：图2.2.1 PT100传感器电路2 信号放大电路由于PT100的

21、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2 信号放大电路2.2.3 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，那么参考电源选取2.5V。ADC0804内部有时钟发生电

22、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。具体接法如下列图：图2 AD转换电路2.3 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局部。2 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2 红外发射电路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

23、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2 红外接收电路2 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应反向比例放大电路将信号放大，其电路如下图：图2 二级信号放大电路2 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2 滤波电路2 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拟平缓，不能被单片机直接

24、获取，而需要将这种平缓的波形变换为方波形式的波形比拟陡峭的脉冲信号，并且幅值为单片机可识别的5V电平，因此可通过比拟器LM393实现波形的变换，通过再输入端设定一个比拟的参考电压值，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2 波形变换电路2.4 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，那么单片机控制蜂鸣器的开关进行报警。其电路如下图：图2 报警电路第三章 软件设计3.1 总程序设计流程上电时，程序在初始化各参数后，定时器2工作模式开始运行。当接受到外部中断0的按键输

25、入时，保存按下的键值并判定是哪个键被按下，上位机按键控制测试的开始和停止。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：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

26、+)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();.void main()init();while(1)key_detect();key_process();time_detect();buzzer_warning(); 3.2 体温采集局部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

27、理和计算最终得出相应的温度值，其局部代码如下：void temperature(void)if(t_get_value1000)t_chg_value=0;else if(t_get_value1390) i= 2558*(u32)t_get_value)-2560200;/温度在0-100之间3.3 心率信号采集局部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

28、率信号的采集，而不担忧采集过程中的数据丧失。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+;3.4 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丧失，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0 x2000,通过对相应的内部特殊功能存放器进行操作，便可进行对EEPROM读取或写入。

29、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) ;3.5 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。相应程序局部如下：#define T

30、IME_SECOND 3333void time_in() interrupt 1time_sta=1;第四章 实物验证及结论4.1 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，购置元器件进行焊接，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

31、。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，那么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，

32、首先抓取未经过放大心率信号波形，如下图，其电压幅度为几百毫伏：图4.1.1 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左右如下图：图4 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，具体如下列图所示：图4 放大滤波后的心率信号最后将该波形通过比拟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，根本符合一般人心跳的规律，到达心率采集的设计目的，具体波形如下：图4.1.4 比拟器输出前后波形比拟图4.2 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