【《基于单片机控制的健康监测器装置设计》9000字（论文）】

基于单片机控制的健康监测器装置设计目录TOC\o"1-3"\h\u273引言 3245031设计任务及方案 4310951.1设计任务及要求 4112771.2系统设计方案 4291792硬件电路设计 7121772.1硬件电路概述 739302.2硬件电路功能描述 746892.3模块功能介绍 878492.3.1单片机控制模块 813712.3.2体温检测模块介绍 1030102.3.3脉搏检测模块 11286792.3.4LCD1602显示模块 11102362.3.5GSM模块 13123512.3.6蜂鸣器模块 14112023系统程序设计 15200373.1编程软件介绍 15291273.2主函数 15183243.3显示函数 1784173.4按键函数 18250553.5监测函数 19157843.6GSM函数 21268273.7温度测量函数 2191783.8脉搏测量函数 2254944系统整机调试 2440294.1硬件功能调试 24197834.2软件功能调试 30632结论 31引言 心率和体温是健康测量中两个重要的生理特征，本设计是一种设计简单使用方便，适用家庭在日常生活生活中可以定期测量脉搏或者体温的小装置，可以快速的及时的了解到使用者的健康情况，当使用者脉搏或者体温出现异常时，若使用之前其装置绑定了亲属的手机，亲属也可以及时知道预警信息，可起到快速的帮助使用者及时脱离危险的境地。测量脉搏和体温有助于及时了解他们的身体指标情况，及时、有效地预防心血管疾病。测量得到的数据在未来的问诊过程中也会发挥重要作用。随着我们的生活水平逐渐变好以及社会医疗保障制度的普及和完善，医疗模式也发生了变化，以前注重于疾病的治疗，现在主要是预防，以及如何更好地保持健康。渐渐地如何随时检测人体的基本健康指标成了人们关注的焦点，传感器在人体健康检测中得到了广泛的应用。脉冲传感器的研发在中国和国外都在不断创新。由于脉诊对人们的重要意义，对脉冲测量技术的研究从未停止过。英国人Marey首次设计了弹簧驱动杠杆脉冲传感器。十八世纪杠杆式脉搏扫描仪的问世意味着脉冲测量技术有重要突破。国内外对脉搏传感器的研究飞速发展，70年代，全国各地相继建立了不同脉冲传感器的研究领域，各领域的智慧结晶不断与新思想碰撞。脉搏传感器的发展已经达到一个新的水平。随着各种技术的革新与发展，智能传感技术和传感器简介地渗入到人们的生活中，传感器的精度也越来越高，相较于以往，用户可轻松掌握自己的健康状况，也更好地帮助用户进行健康管理，整个市场前景还是比较好的，有利于发展的。设计任务及方案1.1设计任务及要求脉搏，为身体表面接触的脉搏，脉搏是由心脏驱动的，每当心脏收缩或扩张时，都会沿着这柔软的动脉壁跳动。所以本文中脉搏和心率这两个参数是一致的，对脉搏的测量就可得出心率值，时常对脉搏进行测量有利于及时发现异常，及时对异常进行干预，降低中风等疾病发生风险等。现在疫情严峻，测量体温也成为了疫情防控的一部分，同时也对身体潜在的疾病风险也起到了积极的作用。基于51单片机心率脉搏监测系统，具有脉搏体温检测和显示功能，通过不同的按钮切换界面调节脉搏阈值、温度阈值。温度或脉搏异常时，立即发出警报，通过GSM发送短信提醒到用户的手机。本设计可具有的功能为： 可以检测当前脉搏和体温；可以实现显示当前脉搏、体温；测量脉搏，LED灯可随脉搏频率闪烁。可以通过不同按键实现切换界面、调节脉搏阈值、体温阈值；脉搏或体温超过阈值，蜂鸣器发出警报提醒；脉搏或体温超过阈值，通过GSM给手机发送短信提醒。1.2系统设计方案依据设计任务及设计要求，本次设计将制作脉搏心率远程监测系统以满足用户对脉搏、体温的检测，检测到异常时会及时提醒用户注意其测得的数据是否正常。本次设计的思路是以STC89C52单片机为最主要的控制器，加上由温度模块、可以检测当前心跳速率的脉搏检测模块、四个独立的按钮为与调节脉搏阈值和体温阈值相关的菜单界面、为整个系统供电的供电电路，四部分组成的输入部分和由可以显示当前心率、温度相关参数的LCD1602显示模块、如果单片机检测到脉搏或体温异常，会以短信的形式对用户进行风险提醒的GSM模块、当脉搏超过设定范围或当体温超过设定范围时，相应的LED灯就会亮起以及设置了一个根据脉搏频率而闪烁的呼吸灯的LED模块、当心率和体温异常时，会发出刺耳声音起提醒作用的蜂鸣器模块，四部分组成输出部分一起构成整个系统。所以综上所述，脉搏心率远程监测系统的设计原理框图如图1-1所示：图1-1脉搏心率远程监测系统的设计原理框图对于本次设计的优缺点有如下几点分析与说明。本次设计的优点：体温检测模块选择的是数字温度传感器，此传感器连接非常的简单快速，内部结构不复杂也具有相对应的单线接口，可以直接使用，不需要任何附加的元件。脉搏检测模块使用的是根据检测到指尖透光率的波动进而提取到脉搏信号，属于光电反射式模拟传感器，测量时只需将手指附着在检测部位，使用方便，可靠性高。本次设计使用的是STC89C52RC单片机，相对别的类似芯片来说，这种芯片性能较高兼容性也比较好，该芯片开发和测试也相对简便；该芯片实现与Keil平台软件程序开发环境上完全兼容。该芯片控制器性能、I/O端口资源和环境符合本次设计应用的系统要求。GSM模块采用SIM800C，该模块体积不大性价比方面是很高的，也节约成本，在接收到报警指令后，该模块通过对AT命令进行编码，以文本模式向用户手机发送体温和脉搏异常提醒信息。因此，本设计具有许多优点，脉搏心率远程监测系统设计被设计成一个紧凑、简单的健康检测设备。整体设计以STC89C52RC为控制核心，通过几个辅助部件和芯片，使用不同的传感器来监测人体的脉搏和体温。在家庭中使用很方便，可以节省大量的医疗时间，提高国民的健康意识。

硬件电路设计2.1硬件电路概述本课题设计的硬件电路思路为：控制系统核心的芯片选取的型号是STC89C52RC，体温、脉搏数据的获取以及设置相关菜单功能的按键加上给整个装置供电都为输入的四个部分，相关体温、脉搏数据的内容显示采用LCD1602，体温或脉搏数据异常时提醒采用GSM模块和蜂鸣器模块、可直观看出所测量得到的脉搏或者体温数据异常时是过高还是过低的LED模块都为输出模块。其硬件电路整体结构设计如图2-1所示。图2-1硬件整体结构2.2硬件电路功能描述脉搏心率远程监测系统的设计硬件所具备的基本功能如下：能够检测当前脉搏和体温；能够实现显示当前脉搏、体温；测量脉搏时,测量脉搏，LED灯可随脉搏频率闪烁。可以通过不同按键实现切换界面、调节脉搏阈值、体温阈值；脉搏或体温超过阈值，蜂鸣器发出警报提醒；脉搏或体温超过阈值，通过GSM给手机发送短信提醒。2.3模块功能介绍2.3.1单片机控制模块单片机控制模块是整个脉搏心率监测系统设计的重要组成部分。经过查阅网上相关资料和以往课上所学知识，晶振电路的元器件选取的是与STC89C52RC芯片内部振荡电路一起工作才能振荡的无源晶振，该晶振的两个引脚是没有正负之分的，以及两个大小为三十皮法的无极性瓷片电容，后者与前者并联构成晶振电路。复位电路的元器件选取的是一个四脚轻触开关、两个大小为十微法铝电解电容器、一个大小为一万欧姆的金属膜电阻。STC89C52RC芯片、图2-2中的时钟电路即晶振电路、复位电路是单片机最小系统的所有，加上串行下载、供电电路等构成整个单片机的控制模块。控制模块电路具体如图2-2所示。图2-2单片机控制模块（1）单片机最小系统包括STC89C52RC单片机，两个大小均为三十皮法的无极性的瓷片电容，与11.0592兆赫兹的晶振并联组成的晶振电路、一个四脚轻触开关、大小为十微法铝电解极性电容器并联后与阻值为一万欧姆的金属膜电阻串联组成的复位电路。相对别的类似芯片来说，这种芯片的功耗是比较低的，相对的性能也比较高，该芯片内置CMOS8位微控制器，开发和测试也相对简单STC89C52RC引脚具体介绍如表2-1所示。表2-1STC89C52RC引脚具体介绍引脚号有两根主电源引脚，分别为Pin40和Pin20引脚功能Pin40引脚是输入电源端口可以连接+5V电源,为VCCPin20引脚是接地线的，为GND引脚号有两根引脚，分别为Pin19和Pin20，功能Pin19引脚是单片机内部自带的振荡电路的输入接口，通常称为XTAL1Pin20引脚是单片机内部自带的振荡电路的输出接口，通常称为XTAL2引脚号有四根控制引脚，分别为P9、P30、P29、P31引脚Pin9引脚是芯片里的复位引脚，一般接的是复位电路，本设计中选取晶振为11.0592兆赫兹，则一个时钟周期为111.0592兆赫兹大约为0.09微秒，一个机器周期等于十二个时钟周期所以一个机器周期为1.09微秒，两个机器周期即2Pin30插针是单片机内部内地址锁存允许功能插针，为ALE或PROGPin29插针是单片机内部内外部存储器读选通功能插针，为PSENPin31插针是芯片内程序存储器的内外部选通插针，有两个功能，执行外部程序存储器的读指令或者执行内部程序存储器的读指令，前者为接入高电平，后者则与前者相反，为EA或VPP引脚号有32根可编程输入/输出引脚，P0口~P3口的部分引脚功能Pin39～Pin32引脚在P0口中，单片机自带的八位双向I/O口线，具体引脚对应P0口的P0.0～P0.7。Pin1～Pin8引脚在P1口中，单片机自带的八位标准双向I/O口线，具体引脚对应P1口的P1.0～P1.7。Pin21～Pin28引脚在P2口中，单片机自带的八位标准双向I/O口线，具体引脚对应P2口的P2.0～P2.7。Pin10～Pin17引脚在P3口，单片机自带的八位标准双向I/O口线，具体引脚对应P3口的P3.0～P3.7。对于单片机控制系统，晶振发挥着非常重要的作用，它是一种产生时钟频率元件也叫石英振荡器，晶振虽然体积小巧，但是却能实现很重要的功能，时钟频率决定着单片机的工作的运行速度，晶振会根据单片机里面的集成电路的实际情况，去产生单片机控制系统运行各种命令时所需要到的时钟频率，从本质上，晶振电路的作用是产生方波信号供给到单片机，此时单片机才能够工作，这也表明了它是单片机控制系统中不可或缺的组成部分。单片机内部自带的振荡电路，Pin19引脚和Pin20引脚分别是其输入端口、输出端口，实际上就是反相放大器，。本设计选用到的无源晶振振荡频率为11.0592MHZ，该元件两个引脚没有正负的区别与晶振并联的两个无极性瓷片电容C3、C4具有对时钟频率进行平衡稳定，从而提高起振速度的作用。复位电路操控着芯片的运转状况，如果芯片执行指令或运行相关代码时，产生代码错误或者终止工作，复位电路就开始发挥作用让芯片内记录的代码重新开始实行。单片机的复位时间与电容大小有一定的关联，本次设计中，使用的是大小为10微法的极性铝电解电容器。（2）电源电路是本装置中最基本的部分电路，发挥着必不可少的作用，是整个装置正常工作的基础，本设计的电源电路由向下按一次锁定，若再按一次松开的自锁开关和DC002插座构成为系统提供稳定的输出，接的是5V直流电源给单片机供电。（3）串行下载，就像它的名字所说就是使用USB下载线下载短程序。2.3.2体温检测模块介绍本次设计用于测量体温的温度传感器型号为DS18B20，是一种可以直接读取出被测温度的智能温度传感器，该传感器用一个读取单线接口就可以实现信息的读取或者写入，只要简单的程序就可以呈现出9～12位数字读取方式。该传感器可以采用寄生电源的供电方式，且价格低廉性能高。体温检测模块如图2-3所示。由于单线没有具备时钟脉冲进行同步，对时间概念有很高的要求，对读写顺序也很严格。DS18B20的系统操作要严格根据协议里的每一步进行。操作协议的流程为：第一步对总线上的元件进行初始化，第二步是ROM命令，目的是用来查询、识别从元件从而进行对器件的寻址或者简化总线，本次设计中只用到一个传感器，所以这个步骤可跳过，第三步是进行对元件的功能指令，比如设置其传感器精度等。图2-3体温检测模块2.3.3脉搏检测模块本次设计用于脉搏测量的传感器为PulseSensor，该传感器的供电电压一般是在3.3~5V左右；可以检测到光电信号，最后输出的是可识别的模拟信号。将手指轻轻放在本装置的测量处就可以测量脉搏，原理为手指里的血液流动会使透光率发生变化从而产生差值，此时传感器就接收到光信号并滤波和放大，最后反馈出的是模拟信号。因为该传感器输出的脉搏波形是模拟量的波形，所以要借助由LM393芯片即构成的转换电路将采集到的模拟信号值转换为数字信号，这样才方便被单片机识别，才能成功得出脉搏测量值。脉搏检测模块如图2-4所示。图2-4脉搏检测模块2.3.4LCD1602显示模块在本次设计中，LCD1602显示模块用来显示脉搏体温等参数。LCD1602可以显示，原理是通过利用液晶显示的特性去控制电压来控制需要显示的范围，最多可以控制电压来控制液晶显示屏显示32个字符，LCD1602通常有两种类型，这两种液晶显示屏的区别在于多出背光电源线和地线的两个引脚，具体的引脚定义为：第1号引脚是接地引脚，该引脚简称VSS。第2号引脚是电源引脚，在此引脚接入的是5v电源，该引脚简称VDD。第3号引脚是可以调节液晶显示对比度的引脚，既可以接VCC也可以接地，但是接VCC跟接地时的对比度会不一样，前者对比度是最低的，后者是最高的，但是对比度太高，显示屏就会出现“鬼影”从而影响正常显示，因此本次设计此号引脚接的是GND，所以在此引脚接了一个3k的电阻来避免此情况的发生。该引脚简称VL。第4号引脚是控制选择寄存器的引脚，当为高电平时作为数据寄存器，当为低电平时作为选择指令寄存器，该引脚简称RS。第5号引脚是控制读写信号的引脚，读操作是为高电平时，写操作与此相反。第6号引脚简称E是液晶的使能端，该当该引脚从高电平至低电平的时候，液晶开始执行命令。第7～14号引脚是八位双向数据线。第15引脚接的是VCC，是背光源的正极，。第16引脚接的是GND，为背光源的负极，。显示模块如图2-5所示。因为第3号引脚接的是GND，接GND对比度会较高，所以在第3号引脚处接了一个阻值为3K的电阻R1达到降低对比度的目的。单片机P2口的P2.5、P2.6、P2.7分别接液晶显示屏的第4号引脚、第5号引脚、第6号引脚，是功能口可操控液晶显示屏。单片机P0口的P0.0引脚～P0.7引脚分别接液晶显示屏的第7号引脚～第14号引脚，这8个端口是数据口可显示所要求的字符。通过程序对LCDl602各个引脚进行控制来实现功能。图2-5LCD液晶显示模块2.3.5GSM模块本次设计的GSM模块用于发送当体温或脉搏超出阈值时的警报短信，GSM模块用是SIM800C模块，用手机发“PHONESMS：输入用户的电话号码”到模块外接的SIM卡的手机号码中，当收到返回SetEnd的短信时，表示连接成功，当测量到的脉搏或者体温达到阈值时就会发警报短信进行提醒。GSM模块如图2-6所示。图2-6GSM模块2.3.6蜂鸣器模块本次设计用的是有源蜂鸣器，当体温或脉搏超过阈值时，就会发出刺耳的警报声去提醒使用者，基本原理是只需要改变蜂鸣器（P20）引脚处的高低电平，来控制蜂鸣器。蜂鸣器模块如图2-7所示。图2-7蜂鸣器模块

系统程序设计3.1编程软件介绍本设计所用到的编程软件为Keil4，其界面如图3-1所示。图3-1keil4界面本次设计所使用的编程环境是Keil4，与别的编程软件相比，Keil4在平时的课堂上频繁使用，页面操作等更为熟悉。而且Keil4支持不同型号的芯片，可生成的HEX文件，通过外界串口线可直接烧录到单片机中，非常方便。另外，Keil4编译有三种，一种是单编，一种是部分编译，还有一种是全部编译，这样给开发人员更多的选择，并且编译的结果，显示在界面的最下方，供开发者查找错误。3.2主函数系统的主流程图如图3-2所示；在主程序中：首先对定时器初始化配置，配制定时器0和定时器1，其中定时器1作为心率时间的计量，定时器 0作为常规定时器计时，DS18B20在刚上电的时候会读取一个850，这个并不是所要的温度数据，用dowhile循环过滤一下，之后对液晶初始化函数进行调用、读取EEPROM，在主循环里调用写入EEPROM函数、然后对显示、温度处理、GSM、控制等函数进行使用，其主程序源码图3-3所示。图3-2主程序流程图图3-3主程序源码3.3显示函数显示函数流程如图3-4所示；界面为0时，显示当前的心率、体温；界面为1时，显示设置的心率最大值和最小值；界面为2时，显示设置体温的最大值和最小值。其部分代码如图3-5所示。图3-4显示函数流程图图3-5显示函数3.4按键函数一共设置了四个按键，按键1为切换菜单，按键1作用是从脉搏阈值到温度阈值再到主菜单之间切换，按键2为当切换到脉搏或者温度阈值界面时，设置增加脉搏或者温度阈值，按键3为当切换到脉搏或者温度阈值界面时，设置降低脉搏或者温度阈值，按键4为开始心率测量，其部分代码如图3-6所示。图3-6按键函数部分代码3.5监测函数监测函数子流程如图3-7所示；通过调用温度、脉搏检测模块检测温度、脉搏；若脉搏不在设置的阈值内，则蜂鸣器发出滴滴的刺耳响声，此时手机收到脉搏异常的短信提醒；若体温超过正常的范围，则蜂鸣器发出滴滴的刺耳响声，此时手机收到体温异常的短信提醒。其控制程序源码如图3-8所示。图3-7监测函数流程图图3-8监测函数部分代码3.6GSM函数GSM通信模块的作用主要是系统无线通讯的收发，当GSM模块接收单片机发出的指令后，GSM模块就开始工作。GSM模块还需要一个外部SIM卡，在使用GSM模块之前，手机必须先注册连接到它的模块，也就是设置发送短信的手机号码，用户如果注册成功，所设定的手机号就会得到一个短信提示，当模块注入用户的号码时，指示灯会均匀地闪烁，此模块中的LED灯迅速的闪一下后面几秒钟会变暗，表示GSM通信模块注册成功。其部分代码如图3-9所示。图3-9GSM函数3.7温度测量函数对温度数据处理，首先是读取温度标志位，当温度值不正常，就将蜂鸣器响变量赋值，定时器里会对蜂鸣器处理，并根据哪个异常亮对应的指示灯。其代码如下：voidTempFunction(){if(ReadTemp==1) { ReadTemp=0; //清零 Temp=Temper(); //读取温度函数，将温度数据赋值给温度变量 } if(led0==0||led1==0||led2==0||led3==0)beep_time=2; if(Temp>Temp_H*10)led2=0; elseled2=1; if(Temp<Temp_L*10)led3=0; elseled3=1; if(heart_ok==0) { if(heart>heart_h) led0=0; else led0=1; if(heart&&heart<heart_l) led1=0; else led1=1;3.8脉搏测量函数在人体，心脏会有规律地收缩和放松，使血液施加压力，当血液进入主动脉时，它会使主动脉有规律地收缩和扩张，血压的波动穿过整个动脉网络，从而产生脉搏。本次设计选用手指作为测量脉搏的部位。因为单片机一个16位的计数器最大是65536，又因为心跳周期是可能大于65536毫秒的，所以需要一个设置一个变量来记录定时器溢出的次数。如果设定这个变量为time-us，那么可以得出两次心跳之间的间隔的公式为：溢出次数乘以65536加高八位乘以256加低八位，在代码中可写为time-us*65536+TH0*256+TL0其部分代码如图3-10所示：其部分代码如图3-10所示：图3-10脉搏测量函数系统整机调试4.1硬件功能调试在硬件设计工作完成后，仔细检查各电路的电气特性是否符合标准，跳线尽量减少，对设置好的各元器件引脚焊盘的大小进行检查，确定是否符合实际元器件的大小。检查完成后再发送整个文件给工厂打板。收到板子后，先检查即将要焊接上去板子上的各个元器件有无问题，然后按照元器件从低到高的规则，以及注意元器件是否是有极性，由引脚长度“长正短负”的方法来分辨，再进行焊接。焊接完成后检查各部分的功能模块是否焊接正确。把芯片以及液晶显示屏插进底座里，再把程序烧录进去，在GSM模块的卡槽插上SIM卡之后插上电源，按下开关，整机实物图如图4-1所示。此时液晶显示屏上显示了脉搏和心率的初始参数如图4-2所示。图4-1整机实物图图4-2开机后的屏幕初始显示通过手机发送AT指令与GSM模块进行对接，对接成功后会返回“setend”如图4-3所示。图4-3与GSM模块对接成功再进行设置心率的最大值和最小值，如图4-4所示。图4-4设置正常脉搏范围人体正常的脉搏范围在60~100次/每分钟，由于不同人群手指的皮肤厚度不一样以及手指温度有时候也会发生变化，所以要通过调节滑动变阻器的阻值使单片机能检测到正确的脉搏信号，把手指轻轻放到脉搏感应器上如图4-5，把另一只手指放在手腕可以感应到脉搏的部位，检查脉搏跳动的频率是否与此时检测出呼吸灯的频率一致，若不一致，则对滑动变阻器进行调节，当肉眼看到LED灯均匀的闪烁时，滑动变阻器调节完成，再按下测量脉搏的按键，开始测量，当蜂鸣器发出急促的响声则说明脉搏测量完成。图4-5测量脉搏为了对比测量是否准确，我在不同时间段多次用手机APP的测心率功能测心率与之对比，得到的表格数据如表4-1所示。通过对比发现，脉搏测量数据的偏差不大，并且脉搏次数与此时的心情状态，指尖的温度以及滑动变阻器的仔细调节等有关，但是，脉搏测量精确度在正常范围的。表4-1对比图时间12点14点16点18点20点22点APP测量88次/min72次/min92次/min65次/min73次/min90次/min此仪器测量86次/min73次/min87次/min64次/min75次/min89次/min接着把脉搏的最大值调到比正常值低如图4-6所示，再测量脉搏，测量完成后脉搏次数为75次/每分钟，超出脉搏次数的最大值，蜂鸣器发出刺耳的响声，第一个LED灯常亮表示脉搏过高如图4-7所示，与此同时手机收到短信提醒如图4-8所示。图4-6重新设置脉搏最大值图4-7脉搏过高时图4-8收到短信提醒同理把脉搏的最小值调到比正常值高如图4-9所示，再测量脉搏，测量完成后脉搏次数为81次/每分钟，超出脉搏次数的最小值，蜂鸣器发出刺耳的响声，第二个LED灯常亮表示脉搏过低如图4-10所示，与此同时手机收到短信提醒如图4-11所示。所以可以判断脉搏测量模块正常。图4-9重新设置脉搏最小值图4-10脉搏过低时图4-11收到短信提醒接下来是对体温测量模块进行验证，人体正常的体温范围大致在35~