基于51单片机体温心率检测仪设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1产品功能分析...........................................................................................................2

2设计方案遴选与设计...............................................................................................2

2.1单片机的选择...............................................................................................2

2.2心率传感器的选择.......................................................................................3

2.3数字温度传感器的选择...............................................................................3

2.4系统框图设计...............................................................................................4

3产品硬件设计...........................................................................................................5

3.1STC89C52RC单片机核心电路设计..............................................................5

3.2按键电路设计...............................................................................................6

3.3LCD1602液晶显示模块电路设计................................................................6

3.4心率采集电路模块设计...............................................................................7

3.5温度采集电路模块设计...............................................................................7

3.6蜂鸣器提示电路模块设计............................................................................8

4产品软件设计...........................................................................................................9

4.1主程序流程图...............................................................................................9

4.2LCD1602液晶显示程序流程图..................................................................10

5产品使用说明.........................................................................................................11

5.1产品装配图.................................................................................................11

5.2产品使用说明.............................................................................................12

6参考资料.................................................................................................................13

附录.............................................................................................................................14

附录1元器件清单..........................................................................................14

附录2电路原理图..........................................................................................15

附录3PCB设计图...........................................................................................15

附录4产品实物图..........................................................................................16

附录5主程序代码..........................................................................................16

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基于51单片机体温心率检测仪设计与制作

1产品功能分析

本设计采用单片机STC89C52RC作为控制核心，实现体温测量和心率监测系

统的基本测量功能。它还采用防水的DS18B20温度传感器测量体温，腋下测量

温差不超过5度。心率监测系统的工作原理当手指放在红外二极管和接收三极

管之间时，血管中的血流会随着心跳而变化。因为手指放在光的传输路径上，

血管内血饱和度的变化会引起光强的变化，所以红外接收三极管的电流也会随

着心跳而变化，这就是红外接收三极管输出脉冲信号。信号经过放大、滤波、

整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入

的脉冲信号进行计算处理，并将结果送至数码管显示。

设计通过体温传感器和心率脉冲的采集，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，并传送给数码管进行显示，达到

查看的目的。

2设计方案遴选与设计

2.1单片机的选择

STC89C52RC单片机兼容MCS-51系列单片机，具有1000个可擦除FLASH

MEMORY，方便系统开发和参数修改。虽然是8位机，但其处理精度完全满足系

统设计要求。该微控制器的最高频率可达24MHz。在12MHz时，其处理速度完

全满足设计要求。STC89C52RC是高性能CMOS8位单片机。该芯片包含8k字节

的可重写程序只读存储器(PEROM)和256字节的随机存取数据。内存（RAM），

该设备采用ATMEL的高密度、非易失性内存技术制造，兼容MCS-51指令系统，

内置8位通用中央处理器（CPU）。以及功能强大的闪存器件。与上述方案相比，

考虑到单片机各部分的资源，本次设计选用STC89C52RC。

2

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2.2心率传感器的选择

ST188是一款单光束自反射式的光电传感器，该传感器上有两个LED，一个

是红外发射LED，一个是接收红外信号的光敏三极管。工作时，红外发射LED发

射出红外光，光敏三极管平时是接收不到发射的红外光的，只有当传感器前面

一定距离范围内，有物体遮挡时，这时发射的红外光会在物体表面反射，从而

被光敏三极管接收到。而血液量随心跳发生变化，不同的血液量反射的红外线

量不同，这种不同被采集计算后可得到心率。

ST188一般和电压比较器配合使用，这样便可以通过调节另一个比较输入端

的电压，实现检测距离在一定范围内可调。ST188可以检测出一定距离范围内的

物体有无，最近和最远都有一定距离限制，过近的话，物体也是不能将红外光

发射到光敏三极管那边的。根据上诉方案，本次设计选用ST188红外传感器。

2.3数字温度传感器的选择

防水DS18B20探头数字温度传感的高精度电子行业对精度的要求越来越高，

温度检测也不例外。目前市面上有许多温度检测解决方案，可以看到每一种都

有其优缺点。数字温度传感器，线性度相对较高，而且精度远超其他方案。在

数字温度检测领域，高分辨率和高精度的实现已经不在话下。

数字温度传感器无需冷端温度补偿或线性化，可以提供模拟和数字输出，

且预先经过校准，就易用性来说相比其他模拟感测手段无疑是更便捷的。对于

模拟温度传感器，需要校准ADC的增益和失调以实现所需的系统精度。由于系

统温度精度在很大程度上取决于ADC基准误差，因此数据表中的精度是无法确

保的。数字传感器无需校准即可获得数据表中保证的精度。虽然说温度范围有

限是数字温度传感器没法避免的短处，但在精度和分辨率都不断攀升的发展下，

这个短处也能让人接受了。±0.1℃，在工业控制、医疗健康应用里通常都需要

器件达到这个高精度。起初，数字温度传感器一般都只能提供中等水平的测量

精度。但随着电子技术的发展，目前领先的数字温度传感IC厂商已经能够将器

件的精度提升到±0.1℃，比如TI的TMP117，ADI的ADT7422，TE的TSYSO1等

等

3

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0.1℃的精度，是在一定范围内才能保持的，比如ADR7422在25℃至50℃温

度范围内才能确保精度为±0.1℃。如果需要运用到工业应用中，厂商会做一些

调整，会略微降低精度使其可用温度范围扩大，一般在工业应用中会做到±0.2℃

的精度，以便温度范围扩大到-10℃至85℃。数字温度传感IC的精度很容易受

到影响，采用极其精确的基准电压时，裸片上的压力会破坏传感器的精度，还

有PCB热膨胀、焊接等影响。在焊接之后器件仍能保持0.1℃的精度才称得上是

高精度。与传统模拟温度传感器相比，数字温度传感器的低成本和直接数字输

出是得天独厚的优势。此前相对较差的绝对精度也在工艺的升级下追赶了上来，

让数字温度传感器直接通过数字接口提供了校准的高精度温度数据，这种准确

的，低成本的测温方式满足了设计需求。设计也是选用了防水DS18B20探头数

字温度传感。

2.4系统框图设计

产品系统框图设计如下图2.1所示：

图2.1产品系统框图

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3产品硬件设计

由STC89C52单片机为主控制器组成此系统，功能电路包括ST188模块，温

度采集模块，蜂鸣器模块，LCD1602液晶，LED灯指示模块，按键模块和电源等

组成。

3.1STC89C52RC单片机核心电路设计

STC89C52RC单片机是一款基于8051内核的高性价比单片机。下面是片机的

核心电路设计：

1.时钟电路：STC89C52RC需要外接晶振或者陶瓷谐振器来提供系统时钟。

一般使用的是12MHz的晶振，可以通过两个22pF的电容连接到晶振上。

2.复位电路：复位电路是保证单片机正常工作的重要电路之一。STC89C52R

C的复位电路可以使用一个0.1uF的电容和一个按键组成，按下按键可以使单机

重新启动。

3.电源电路：STC89C52RC的工作电压为3.3V~5V，一般使用5V的直流电

源。为了保证电源稳定，可以使用一个7805稳压器将输入电压稳定在5V左右。

4.编程下载电路：STC89C52RC支持ISP编程方式，需要外接编程下载电路。

一般可以使用一个USB转串口模块和一个串口转ISP模块组成编程下载电路。

STC89C52RC单片机实物图及引脚图如图3.1所示：

图3.1STC89C52RC单片机实物图及引脚图

STC89C52RC单片机核心电路设计如下图3.2所示。

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图3.2STC89C52RC单片机核心电路

3.2按键电路设计

本设计中采用了三个按键开关电路来实现作品的功能要求，三个按键的功

能：按键A是调节报警上限，按键B设置键，按键C则是调节报警下限。

按键电路的设计如下图3.3所示。

图3.3按键电路

3.3LCD1602液晶显示模块电路设计

LCD1602液晶又称1602字符液晶模块。LCD1602液晶是一种液晶模块，专

门用于显示字母、数字和符号。LCD1602液晶由多个5x7点阵字符组成，每个

点阵字符可显示字符，包括字母、数字、符号，共可显示16x2字符。LCD1602

液晶的每一位之间有一个点距间隔，每一行之间也有一个间隔，起到字符空间

和行空间的作用。液晶LCD1602只能显示字符，包括字母、数字、符号，不能

显示图像。

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LCD1602液晶显示电路设计如下图3.4所示。

图3.4LCD1602液晶显示电路

3.4心率采集电路模块设计

心率传感器采用红外对射管ST188，测量心率的时候需要人把手轻轻的按在

光电传感器上面，由于人脉搏跳动的时候，血液的透光性不一样会导致接收器

那边接收的信号强弱不一样，间接的把人脉搏信号传回，通过运放对其进行放

大、整形后连接到单片机的IO口，单片机利用外部中断对其进行计数，最终换

算成人一分钟脉搏的跳动次数，最终显示在液晶屏上。

心率采集电路设计如下图3.5所示。

图3.5心率采集电路

3.5温度采集电路模块设计

防水DS18B20探头是一种数字温度传感器，应用非常广泛。它输出的是数

字信号，同时具有体积小，硬件资源耗费少，抗干扰能力强，精度高等特点。

DS18B20温度传感器测温范围：DS18B20温度传感器的测温范围可达－55℃～+1

25℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4°。

温度采集电路设计如下图3.6所示。

7

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图3.6温度采集电路

3.6蜂鸣器提示电路模块设计

本设计中采用了一个蜂鸣器电路，来实现当采集数据异常时的提示。蜂鸣

器电路设计如下图3.7所示。

图3.7蜂鸣器电路

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4产品软件设计

4.1主程序流程图

图4.1程序主流程图

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4.2LCD1602液晶显示程序流程图

图4.2显示程序流程图

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5产品使用说明

5.1产品装配图

产品由STC89C51单片机组成此系统，ST188模块，温度采集模块，蜂鸣器

模块，调节灵敏度模块，LCD1602液晶，LED灯指示模块，按键模块和电源组成。

装配图如下：

图5.1产品装配图

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5.2产品使用说明

1.LCD1602液晶显示当前的心率，单位是心率/分钟。

2.手指放到红外对管中，2秒内读出心率。

3.按键可以设置报警的上下限心率。使用方法：三个按键：一个设置，一

个加，一个减。按下设置的时候才可以加减。手指放上去尽量别乱动。

4.电位健可以调节灵敏度。

5.采用防水型DS18B20温度传感器测体温。

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6参考资料

[1]刘笃仁.《传感器原理及应用技术》.西安电子科技大学出版社,2009.4

[2]郭尚平.一种数字心率计的研制[J].中国医疗器械杂质,1994

[3]吴木玠.红外技术与生物医学.中国医疗器械信息,20017

[4]汪文、陈林.单片机原理及应用.华中科技大学出版社,2007

[5]康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社,2008.

[6]金伟正，单线数字温度传感器的原理及应用[J].电子技术应用，2000.

[7]华成英、童诗白，模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，

2006.

[8]陈凯，液晶显示温度.湖南：湖南理工学院，2009.

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附录

附录1元器件清单

心率计元件清单

usb电源线（电池盒+DC插头）9*15万用板

40脚IC座STC89C51单片机

8脚座LM358芯片1602液晶

16p插针16p单排母座

按键*4ST188光电传感器

防水DS18B20探头2.2k电阻

1k电阻*2100k电阻

30k电阻56k电阻

10k电阻*522k电阻*2

220Ω电阻*24.7k电阻

201蓝白电位器103排阻

9012三极管有源蜂鸣器

1uf电容*210uf电容*2

30pf电容*212m晶振

Led(5MM红色)拨动开关

DC电源接口自锁开关

导线若干焊锡若干

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附录2电路原理图

附录3PCB设计图

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附录4产品实物图

附录5主程序代码

#include<reg52.h>

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#include<intrins.h>//包含头文件

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

#defineulongunsignedlong//宏定义

#defineLCD_DATAP0//定义P0口为LCD_DATA

sbitLCD_RS=P2^5;

sbitLCD_RW=P2^6;

sbitLCD_E=P2^7;//定义LCD控制引脚

sbitXintiao=P3^2;//脉搏检测输入端定义

sbitspeaker=P2^4;//蜂鸣器引脚定义

sbitDQ=P3^7;

sbitS1=P1^0;

sbitS2=P1^1;

sbitS3=P1^2;

voiddelay5ms(void);//误差0us

voidLCD_WriteData(ucharLCD_1602_DATA);/********LCD1602数据写入***********/

voidLCD_WriteCom(ucharLCD_1602_COM);/********LCD1602命令写入

***********/

voidlcd_1602_word(ucharAdress_Com,ucharNum_Adat,uchar*Adress_Data);/*1602字符显

示函数，变量依次为字符显示首地址，显示字符长度，所显示的字符*/

voidInitLcd();//液晶初始化函数

voidTim_Init();

ucharXintiao_Change=0;//

uintXintiao_Jishu;

ucharstop;

ucharView_Data[3];

ucharView_L[3];

ucharView_H[3];

ucharXintiao_H=100;//脉搏上限

ucharXintiao_L=40;//脉搏下限

uintwendu=0;

ucharnum[5];

uintnum_OK=0;

ucharXT=0;

ucharKey_Change;

ucharKey_Value;//按键键值

ucharView_Con;//设置的位（0正常工作，1设置上限，2设置下限）

ucharView_Change;

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//====================================DS18B20========================

/*****延时子程序*****/

voidDelay_DS18B20(intnum)

{

while(num--);

}

/*****初始化DS18B20*****/

voidInit_DS18B20(void)

{

unsignedcharx=0;

DQ=1;//DQ复位

Delay_DS18B20(8);//稍做延时

DQ=0;//单片机将DQ拉低

Delay_DS18B20(180);//精确延时，大于480us

DQ=1;//拉高总线

Delay_DS18B20(34);

}

/*****读一个字节*****/

unsignedcharReadOneChar(void)

{

unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;//给脉冲信号

dat>>=1;

DQ=1;//给脉冲信号

if(DQ)

dat&=0x80;

Delay_DS18B20(4);

}

return(dat);

}

/*****写一个字节*****/

voidWriteOneChar(unsignedchardat)

{

unsignedchari=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;

DQ=dat&0x01;

Delay_DS18B20(5);

DQ=1;

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dat>>=1;

}

}

/*****读取温度*****/

unsignedintReadTemperature(void)

{

unsignedchara=0;

unsignedcharb=0;

unsignedintt=0;

floattt=0;

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44);//启动温度转换

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0xBE);//读取温度寄存器

a=ReadOneChar();//读低8位

b=ReadOneChar();//读高8位

t=b;

t<<=8;

t=t&a;

tt=t*0.0625;

t=tt*10+0.5;//放大10倍输出并四舍五入

return(t);

}

//=======================主函数======================================

voidmain()//主函数

{

InitLcd();

Tim_Init();

lcd_1602_word(0x80,16,"HeartRate:");//初始化显示

TR0=1;

TR1=1;//打开定时器

while(1)//进入循环

{

if(View_Con==0)

{

if(wendu<850&&wendu>0)

{

lcd_1602_word(0xc0,10,"Temp:");//显示第二行数据

LCD_WriteCom(0x80+0x40+10);

LCD_WriteData(wendu/100+0x30);

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LCD_WriteData(wendu%100/10+0x30);

LCD_WriteData('.');

LCD_WriteData(wendu%100%10+0x30);

LCD_WriteData(0xdf);

LCD_WriteData('C');

}

}

if(Key_Change)//有按键按下并已经得出键值

{

Key_Change=0;//将按键使能变量清零，等待下次按键按下

View_Change=1;

switch(Key_Value)//判断键值

{

case1://设置键按下

{

View_Con++;//设置的位加

if(View_Con>=3)//都设置好后将此变量清零

View_Con=0;

Key_Value=0;

break;//跳出，下同

}

case2://加键按下

{

if(View_Con==2)//判断是设置上限

{

if(Xintiao_H<150)//上限数值小于150

Xintiao_H++;//上限+

}

if(View_Con==1)//如果是设置下限

{

if(Xintiao_L<Xintiao_H-1)//下限值小于上限-1（下限值不能超过

上限）

Xintiao_L++;//下限值加

}

Key_Value=0;

break;

}

case3://减键按下

{

if(View_Con==2)//设置上限

{

if(Xintiao_H>Xintiao_L+1)//上限数据大于下限+1（同样上限值

不能小于下限）

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Xintiao_H--;//上限数据减

}

if(View_Con==1)//设置下限

{

if(Xintiao_L>30)//下限数据大于30时

Xintiao_L--;//下限数据减

}

Key_Value=0;

break;

}

}

}

if(View_Change)//显示变量

{

View_Change=0;//变量清零

if(stop==0)//心率正常时

{

if(View_Data[0]==0x30)//最高位为0时不显示

View_Data[0]='';

}

else//心率不正常（计数超过5000，也就是两次信号时间

超过5s）不显示数据

{

View_Data[0]='';

View_Data[1]='';

View_Data[2]='';

}

switch(View_Con)

{

case0://正常显示

{

lcd_1602_word(0x80,16,"HeartRate:");//显示一行数据

if(num>0&&num<200)

lcd_1602_word(0x8d,3,View_Data);//第1行显示心率

break;

}

case1://设置下限时显示

{

lcd_1602_word(0x80,16,"HeartRate:");//第一行显示心率

lcd_1602_word(0x8d,3,View_Data);

View_L[0]=Xintiao_L/100+0x30;//将下限数据拆字

View_L[1]=Xintiao_L%100/10+0x30;

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View_L[2]=Xintiao_L%10+0x30;

if(View_L[0]==0x30)//最高位为0时，不显示

View_L[0]='';

lcd_1602_word(0xC0,16,"WarningL:");//第二行显示下限数据

lcd_1602_word(0xCd,3,View_L);

break;

}

case2://设置上限时显示（同上）

{

lcd_1602_word(0x80,16,"HeartRate:");

lcd_1602_word(0x8d,3,View_Data);

View_H[0]=Xintiao_H/100+0x30;

View_H[1]=Xintiao_H%100/10+0x30;

View_H[2]=Xintiao_H%10+0x30;

if(View_H[0]==0x30)

View_H[0]='';

lcd_1602_word(0xC0,16,"WarningH:");

lcd_1602_word(0xCd,3,View_H);

break;

}

}

}

}

}

voidTime1()interrupt3//定时器1服务函数

{

staticucharKey_Con,Xintiao_Con;

uchari,j;

ucharzancun;

bitflag_break;

TL1=0xd8;//10ms

TH1=0xf0;//重新赋初值

switch(Key_Con)//无按键按下时此值为0

{

case0://每10ms扫描此处

{

if((P1&0xf7)!=0xf7)//扫描按键是否有按下

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{

Key_Con++;//有按下此值加1，值为1

}

break;

}

case1://10ms后二次进入中断后扫描此处（Key_Con为1）

{

if((P1&0xf7)!=0xf7)//第二次进入中断时，按键仍然是按下（起到按键延时去抖

的作用）

{

Key_Con++;//变量加1，值为2

switch(P1&0xf7)//判断是哪个按键按下

{

case0x06:Key_Value=1;break;//判断好按键后将键值赋值给变量

Key_Value

case0x05:Key_Value=2;break;

case0x03:Key_Value=3;break;

}

}

else//如果10ms时没有检测到按键按下（按

下时间过短）

{

Key_Con=0;//变量清零，重新检测按键

}

break;

}

case2://20ms后检测按键

{

if((P1&0xf7)==0xf7)//检测按键是否还是按下状态

{

Key_Change=1;//有按键按下使能变量，（此变量为

1时才会处理键值数据）

Key_Con=0;//变量清零，等待下次有按键按下

}

break;

}

}

switch(Xintiao_Con)//此处与上面按键的检测类似

{

case0://默认Xintiao_Con是为0的

{

if(!Xintiao)//每10ms（上面的定时器）检测一次脉搏是否有信号

{

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Xintiao_Con++;//如果有信号，变量加一，程序就会往下走了

}

break;

}

case1:

{

if(!Xintiao)//每过10ms检测一下信号是否还存在

{

Xintiao_Con++;//存在就加一

}

else

{

Xintiao_Con=0;//如果不存在了，检测时间很短，说明检测到的不是脉搏

信号，可能是其他干扰，将变量清零，跳出此次检测

XT=0;

}

break;

}

case2:

{

if(!Xintiao)

{

Xintiao_Con++;//存在就加一

}

else

{

Xintiao_Con=0;//如果不存在了，检测时间很短，说明检测到的不是脉搏

信号，可能是其他干扰，将变量清零，跳出此次检测

XT=0;

}

break;

}

case3:

{

if(!Xintiao)

{

Xintiao_Con++;//存在就加一

}

else

{

Xintiao_Con=0;//如果不存在了，检测时间很短，说明检测到的不是脉搏

信号，可能是其他干扰，将变量清零，跳出此次检测

XT=0;

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}

break;

}

case4:

{

if(Xintiao)//超过30ms一直有信号，判定此次是脉搏信号，执行以下程序

{

if(Xintiao_Change==1)//心率计原理为检测两次脉冲间隔时间计算心率，

变量Xintiao_Change第一次脉冲时为0的，所有走下面的else，第二次走这里

{

if(60000/Xintiao_Jishu>200)

{

View_Data[0]='-';

View_Data[1]='-';

View_Data[2]='-';

speaker=1;//不响

}

else

{

wendu=ReadTemperature();

num[XT]=(60000/Xintiao_Jishu);

XT++;

if(XT>=5)

{

XT=0;

for(i=0;i<5;i++)

{

for(j=0;j<5;j++)

{

if(num[j]>num[j+1])

{zancun=num[j];num[j]=num[j+1];num[j+1]=zancun;flag_break=1;}

}

if(flag_break==0)break;

}

num_OK=(num[1]+num[2]+num[3])/3;

View_Data[0]=num_OK/100+30;//计算心跳并拆字显示：心跳计时

是以1ms为单位，两次心跳中间计数如果是1000次，也就是1000*1ms=1000ms=1s

View_Data[1]=num_OK%100/10+30;//那么计算出的一分钟（60s）心

跳数就是：60*1000/（1000*1ms）=60次其中60是一分钟60s，1000是一秒有1000ms，

1000是计数值，1是一次计数对应的时间是1ms

View_Data[2]=num_OK%10+30;//计算出的心跳数/100得到心跳的

百位，%100是取余的，就是除以100的余数，再除以10就得到十位了，以此类推

//0x30的目的是得到对应数字的液晶显示码，数

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湖南商务职业技术学院毕业设计

字0对应的液晶显示码是0x30，1是0x30+1，以此类推

if((num_OK>=Xintiao_H)||(num_OK<=Xintiao_L))//心率不

在范围内报警

speaker=0;//蜂鸣器响

else

speaker=1;//不响

}

}

View_Change=1;//计算出心率后启动显示

Xintiao_Jishu=0;//心跳计数清零

Xintiao_Cha