心率计的设计论文13372.doc

毕 业 论 文 心率计的设计 专 业 应用电子技术 安徽机电职业技术学院毕业论文 指导教师评语 等级 签名 日期 安徽机电职业技术学院毕业论文 摘 要 心率一般是指人一分钟心跳的次数，它是反映人体循环系统机能的重要参数，因此， 对心率进行测量，在临床上具有重要的意义。 论文首先介绍了心率计系统的基本原理，接着确定了设计方案。设计方案以单片机 为核心，还包括 led 显示电路模块、传感器整形放大电路。阐述了软硬件方面心率计系 统开发的整个过程以及相关的技术问题。本系统硬件部分采用压电陶瓷传感器，将人微 弱的脉搏信号转换为电脉冲信号，确定用 at89c51 单片机对电脉冲信号进行计数，用 8155 芯片扩展 i/o 口并作为 led 显示接口，并用 74ls244 缓冲器提高驱动能力。软件部 分用汇编语言对单片机进行编程，主要实现了定时、计数中断以及字型码转换。软硬件 调试成功，系统运行正常，能较准确地测量人的一分钟心率值。 关键词：心率 at89c51 单片机 传感器 led 显示器 安徽机电职业技术学院毕业论文 the design of heart rate monitor by using microcontroller abstract the heart rate generally means peoples heart beating times in one minute. it is the important parameter that reflects the human body circulatory system function, therefore carrying on accurate diagraph to the heart rate has the great significance on the clinic. the thesis introduced the basic principle of the heart rate counts system first, and then has determined the design proposal. the design proposal takes the monolithic integrated circuit as a core, but also includes the led display circuit module, the sensor reshaping enlargement electric circuit. it elaborated the entire development process from the software and hardware aspect of the heart rate counting system, as well as the correlation technical question. this system hardware segment uses the piezoelectricity ceramics sensor which transforms the persons weak pulse signal into the electrical pulse signal. it counts the electrical pulse signal by the at89c51 monolithic integrated circuit. the system uses 8155 chips, the expanding i/o port, as the led display connection port, and the 74ls244 buffer enhances the driving electric voltage. software segment carries on the programming with the assembly language to the monolithic integrated circuit, mainly realized, and has fixed time counted the severance as well as the font code transformation. the software and hardware debugs successfully and the system movement is normal. it can accurately survey a persons minute heart rate value. keywords: heart rate; at89c51 single chip microcomputer; transducer; led display 安徽机电职业技术学院毕业论文 目录 摘要 .ii abstract.iii 第一章 绪论 .1 1.1 本课题的意义 .1 1.2 脉搏波的理论概述 .2 1.3 本课题的主要工作及目标 .3 第二章 方案设计及论证 4 2.1 方案设计论证 .4 2.1.1 心率测量方法简介 .4 2.1.2 总体方案设计 4 2.2 心率计系统硬件框图 5 2.3 心率计系统工作原理 5 第三章 心率计系统硬件设计 .6 3.1 系统硬件组成及原理图 .6 3.2 单片机 at89c51 6 3.2.1 at89c51 的主要性能 .6 3.2.2 at89c51 的引脚功能 .7 3.2.3 at89c51 的内部结构 .9 3.3 传感器介绍及整形放大电路 .11 3.3.1 传感器简介 11 3.3.2 整形放大电路的设计 12 3.4 led 显示接口电路 .13 3.4.1 led 显示器简介 .14 3.4.2 8155 芯片介绍 .15 3.4.3 74ls244 缓冲器芯片介绍 .20 第四章 心率计系统软件设计 .22 4.1 软件设计思路及流程图 .22 安徽机电职业技术学院毕业论文 4.2 at89c51 编程 .24 4.2.1 定时器/计数器工作方式寄存器(tmod) .24 4.2.2 中断允许控制寄存器(ie) .24 4.2.3 定时器控制寄存器(tcon) 24 4.2.4 89c51 定时器计数初值的计算 .25 4.3 8155 的初始化及有关编程 .25 4.3.1 8155 的命令/状态寄存器 25 4.3.2 8155 初始化 .26 4.4 led 显示电路有关编程 .26 4.5 存储器及 i/o 口接口地址 .27 第五章 心率计的调试 .28 5.1 调试方法 .28 5.2 调试仪器 28 5.3 调试中遇到的问题及调试结果 .28 结束语 .30 参考文献 .31 附录 33 致谢 36 安徽机电职业技术学院毕业论文 1 第一章 绪论 1.1 本课题的意义 现代社会随着人们生活水平的提高，生活方式、膳食结构的改变，高血压、冠心病 等心血管疾病已逐步成为医院临床上的常见病和多发病。据统计，目前我国城市人口中 每 5 个成年人中就有 1 个人不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心脏与循环系统的 不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、猝死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高， 发病年龄也呈下降趋势。中国每年有 100 万人死于脑卒中，并且有更多的人致残！特别 是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。但 是，世界卫生组织总干事曾讲过：“只要采取预防措施，最少有一半人的死亡是可以避 免的。 ”医学专家甚至认为：“绝大部分人不是死于疾病，而是死于无知” 。他们再三提 出告诫：不要死于愚昧，有很多意外本来是可以不发生的。要避免和减少高血压、冠心 病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的早期诊断治疗方法和设备，快速 的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大医学界专家在共同努力研究 的重点。脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源。动脉搏动现象是人体循环 系统动态过程中一个可检测的生物信号。测量脉搏即测量心率，心率指人体心脏每分钟 搏动的次数，它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。根据心率值可以判断一个人 是否患有如早搏、心动过速等几种常见的心脏病，同时心率值又是衡量体力劳动强度和 脑力劳动强度的重要指标。在临床上，心率值可通过普通心电图仪测试获得，但测定劳 动强度时，这种心电图则无法应用于作业现场。而评定某岗位劳动强度大小最有效的方 法就是测定该岗位操作者作业时的心率值。因此，设计一种简易、可显示心率值，并且 有较强抗干扰能力的心率检测仪是十分必要的 1。 另外，随着我国各项改革的深入，医疗体制改革也在全国范围内逐步展开。对于医 院方面来说，医疗市场的竞争和医 药分家的实施将势在必行。将来医院的收入将 大部分由医生的诊断服务费和检查治疗费来实现。添置一些先进的、有效的、特有的医 疗检查仪器设备，提高医院的竞争能力，将必然是大多数医院的选择。这就意味着是给 医疗仪器、医疗器械的开发、研制、生产提供了一个非常广阔的发展空间。另一方面， 对于患者来说，公费医疗制度的取消，使人们更加注重就医费用的问题。便宜、有效的 检查方法往往是患者最愿意接受的 2。 心率计的应用非常地广泛，它可以为病人检测心率，医院监护系统中也有心率计的 安徽机电职业技术学院毕业论文 2 广泛引用。由于医院住院病人的增加，医护人员无法对病人进行一对一的照顾。而重病 病人在病情不稳定时，需要及时受到救治，否则后果不堪设想。医院住院病人心率检测 和监护系统就是一个能及时提供病人健康状况的系统，它可以同时监控多个病人，也可 以为需要特别监护的病人提供一对一的特别照顾。该系统是显示每分钟病人的脉搏次 数，当心率值超过正常值或是低于正常值时（此时，情况可能危及到病人的生命） ，便发 出警报，值班医生和护士能够第一时间看到病人的具体情况，并迅速赶到病房，采取救 护措施，以挽救病人的生命。使用了这种监护系统可使一名医务人员无须在病房内，便 可同时监测多名病人的病情，节约了大量的人力、物力，并能及时、准确地处理病情。 应用的范围还主要包括： (1)各类设有自己医务室或内部医院的大中型企、事业单位。他们一般只做一些常规 的身体检查，心率计正好可以满足他们定期职工体检和心脑血管疾病预防的需要。 (2)保健康复部门。本仪器具有的早期诊断，指导用药的功能对这些单位来说是非常 有用的。 3)需要特殊环境下人体生命保障的场合。比如高原、高空、高压、高温等恶劣和人 体极限的条件，是很容易诱发隐藏的心血管疾病突然发作，而造成严重后果的。可以对 特殊环境工作人员进行事前检查或过程中监护，就能起至消除隐患，保障生命安全的作 用 2。 1.2 脉搏波的理论概述 人体是一个统一的整体，心室周期性地收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血 流压力以波的形式自主动脉根部开始沿整个动脉系统传播。 脉搏波波型特征是评价人体心血管系统生理病理状态的重要依据。当脉搏波由心脏 开始向动脉系统传播时，不仅要受到心脏本身的影响，同时也会受到流经各级动脉及分 支中各种生理因素如血管阻力、血管壁弹性等的影响，因此脉搏波中包含有极丰富的心 血管系统生理病理信息。脉搏波所呈现出的形态（波型） 、强度（波幅） 、速率（波速） 和节律（周期）等方面的综合信息，很大程度上反映了人体心血管系统中许多生理病理 的血流特性。 脉搏波型包括一个升支和降支。升支是左心室射血时使动脉壁突然扩张所引起。在 心室快速射血期，动脉血压迅速上升，壁管被扩张，形成脉搏波型中的上升支。上升支 的斜率和幅度受射血速度、心输出量以及射血所遇阻力的影响，射血遇到的阻力大，心 安徽机电职业技术学院毕业论文 3 输出量小，射血速度慢，则脉搏波型中上升支的斜率小，幅度也低；反之，射血所遇的 阻力小，心输出量大，射血速度快，则上升支较陡，幅度也较大。大动脉的可扩张性减 小时，弹性贮器作用减弱，动脉血压的波动幅度增大，脉搏波上升支的斜率和幅度也加 大。主动脉瓣狭窄时，射血阻力高，脉搏波上升支的斜率和幅度都较小 3。 1.3 本课题的主要工作及目标 现有市场上的医用心率检测仪的价格都较贵，难以完全满足家庭社区保健监护的需 要，因此，本设计主要目标在于设计一种价格较便宜功能较好的心率检测仪。 本课题主要工作包括以下三个部分: 1. 硬件电路设计 根据心率计电路原理设计硬件电路，设计以 at89c51 芯片为核心处理单元的心率计 的硬件电路，并完成硬件系统的调试。 2. 软件设计 软件设计分为三部分：第一部分为主程序，主要完成对堆栈的设置，计数和定时的 设置，等待中断；第二部分为定时中断子程序；第三部分为显示子程序部分。 3. 目标 将人跳动的脉搏信号转换为数字信号，送入单片机进行处理，接着进行软件设计， 使显示单元能够直观的显示出被测的心率。 安徽机电职业技术学院毕业论文 4 第二章 方案设计及论证 2.1 方案设计论证 2.1.1 心率测量方法简介 心率计首先是一种医用诊疗设备。心脏每收缩和舒张一次，心脏就跳动一次。单位 时间内心跳的次数，称为心率。心脏一张一缩的搏动，像波浪一样沿着动脉壁管向远处 传播，称为脉搏。正常人每分钟脉搏的次数跟心跳的次数一样。人的心跳速率，在安静 时成人为 60100 次/分，运动或发烧时可增至 200 次/ 分。心率值检测方法常规方法是测 量一分钟心跳的次数。 心率测量方法大体上可以用两种方法实现：一种是以模拟电子电路来实现，包括脉 冲信号取样电路、放大电路、整形电路、定时电路、计数译码驱动电路和显示电路 4六个 部分；一种是以单片机为核心的硬件电路来实现，本设计采用的是方案二。 但是由于效率不高，所以越来越多的快速心率计被广泛使用。快速心率法的原理有两 种：方案一是以基准时间为单位，并通过基准时间内测得的脉搏跳动次数和相关倍数，计 算出每分钟的脉搏次数。这种方法存在测量时间长、误差较大，并不能观察短时间内的脉 搏变化情况。若测量时间短，就会出现较大的误差，且时间越短，误差越大；方案二是采 用采用一种以心跳间隔时间为基准的瞬时心率值法，结合先进的单片机测频技术，从而可 以保证在几秒内得到精确的每分钟心率值。 快速心率值的测量方法主要有两种，可以测量心电，即根据心电图上相邻两次波形 之间的间隔时间来计算心率值，只要测出相邻两个心电波之间的时间间隔 t 就可以计算 出瞬时心率值为 60/t；还可以选择脉搏测量。通常心脏的跳动与脉搏是同步的。因此， 只需测出脉搏跳动次数就知道心率值。测量脉搏是通过记录处理脉搏传感器发出的指脉 电信号来实现的。本设计心率计的设计采用的是测量脉搏 1。 2.1.2 总体方案设计 本论文试从基于单片机软、硬件技术领域论述心率计系统开发研制的整个过程以及相 关的技术问题和技术创新发展的方向。 本设计采用的是测量脉搏的方案，是以单片机为核心处理器的系统模块，还包括传 感器，led 显示接口模块。原理是将人跳动的脉搏信号转换为数字信号，送入单片机进 行数据处理，接着进行对单片机以及其他电路模块进行软件设计，使 led 显示单元能够 直观的显示出被测的心率。 安徽机电职业技术学院毕业论文 5 此心率检测仪结构简单，使用方便，数字显示准确直观，应用比较广泛，是了解人 体健康状况的重要参数之一，对检查和预防一些疾病起着一定的作用。 2.2 心率计系统硬件框图 该心率检测仪整体上有以下部分组成：传感器、整形放大电路、单片机和显示电路。 如图 2-1 所示 : l e d 显示 电源 晶振 传感器 放大整形电路 单片机 图 2-1 系统硬件组成总框图 2.3 心率计系统工作原理 本系统是由传感器将人的脉搏信号转换为电脉冲信号，通过前置电路对电脉冲信号 整形、放大、滤波以后送入单片机。单片机对送来的电脉冲进行计数和定时，具体为： 单片机以 t0 方式 1 计数，t1 方式 1 定时，定时 125ms 中断一次，循环 8 次就为 1s，再 到一分钟计数结束。显示模块用 8155 扩展 i/o 并作为 led 显示接口，通过 74ls244 提高 驱动能力，最后将信号送至七段数码管显示。 安徽机电职业技术学院毕业论文 6 第三章 心率计系统硬件设计 3.1 系统硬件组成及原理图 经过比较，我选择了压电陶瓷传感器将人的脉搏信号转换为电脉冲信号，并且通过 整形放大电路将电脉冲信号整形放大，选用 at89c51 单片机对传送来的脉冲进行计数和 定时，用 8155 扩展 i/o 口作为 led 显示接口，通过 74ls244 缓冲器与数码管相连。硬件 原理图如图 3-1: 图 3-1 心率计系统硬件原理图 3.2 单片机 at89c51 at89c51 是美国 atmel 公司生产的低电压、高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器(ram)，器件 采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内 置通用 8 位中央处理器(cpu)和 flash 存储单元，功能强大 5。at89c51 单片机性价比高， 可灵活应用于各种控制领域，所以我选用 at89c51 作为本设计的主芯片。 3.2.1 at89c51 的主要性能 8 位微处理器和控制器。 内含一个布尔运算器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控制。 内含 4kb 可重擦写的程序 e2prom。 内含 128b 的数据 ram。 4 个 8 位(32 根) 双向且可独立寻址的 i/o 口线。 2 个 16 位的计数/定时器。 内部时钟振荡器。 安徽机电职业技术学院毕业论文 7 全双工方式的串行接口(uart)。 两级中断优先权的 6 个中断源/5 个中断矢量的中断逻辑。 哈佛结构的存储器组织，支持 4kb 的程序及数据存储地址空间。 指令集有 111 条指令，其中 64 条为单周期指令，支持 6 种寻址方式。 最高时钟振荡频率可达 12mhz，大部分指令执行时间为 1us，乘、除指令为 4us。 3.2.2 at89c51 的引脚功能 89c51 单片机为 40 脚双列直插式封装结构。其引脚排列顺序及引脚符号参看图 3- 2。 图 3-2 89c51 单片机引脚图 各引脚功能如下: 电源及地 vss:源接地端。vcc:正常运行和编程校验时为+5v 电源(士 10%)。 时钟及复位信号 xtal1:是片内振荡器反相放大器的输入端。当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必 须接地。 xtal2:是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。使用外 部振荡器时，可由此脚引入外部时钟信号。 rst:复位输入信号，高电平有效。若此脚出现 2 个机器周期以上的高电平，即将 89c51 复位。此外，该引脚也可作为掉电保护后备电源引脚。 安徽机电职业技术学院毕业论文 8 i/o 引脚 p0 口:p0 口是一组 8 位漏极开路型双向 i/o 口,也即地址/数据总线复用口。作为输出 口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路，对端口 p0 写“1”时，可作为 高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据 总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 p1口:p1是一个带内部上拉电阻的 8位双向i/o 口，p1的输出缓冲极可驱动4个ttl逻辑 门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输 入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（i il）。 p2 口:p2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p2 的输出缓冲极可驱动 4 个 ttl 逻辑门电路。对端口 p2 写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作 输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出 一个电流（i il）。 p3 口:p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口输出缓冲极可驱动 4 个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口写“1” 时，通过内部的上拉电阻拉高并作为输入口。此时被 外部拉低的 p3 口将用上拉电阻输出电流 （i il）。 p3 口除了作为一般的 i/o 口线外，更重要的用途是它的第二功能，详见表 3-1： 表 3-1 p3 口第二功能 口线 第二功能 信号名称 p3.0 rxd 串行数据接受 p3.1 txd 串行数据发送 p3.2 int0 外中断 0 申请 p3.3 int1 外中断 1 申请 p3.4 t0 定时器/计数器 0 计数输入 p3.5 t1 定时器/计数器 1 计数输入 p3.6 wr 外部数据存储器写选通 p3.7 rd 外部数据存储器读选通 控制信号 ale/prog:地址锁存允许/编程信号。当访问外部存储器时，此信号可用来锁存地址 安徽机电职业技术学院毕业论文 9 总线的低 8 位，ale 输出脉冲频率为振荡频率的 1/6。因此即使当不用外部存储器时，也 可用做外部电路的时钟或定时信号。当对 eprom 编程时，此管脚输入编程脉冲信号。 psen:外部程序存储器使能信号。为读取外部程序存储器的选通信号。当 cpu 访问 外部程序存储器时，在每一个机器周期内，psen 会跳变两次。当 cpu 访问内部程序存 储器时，psen 又不跳变。 ea/vpp:访问内部程序存储器控制信号。当 ea 端接高电平时，cpu 访问内部程序存 储器。( 除非程序存储器值超过 0fffh)，当 ea 接低电平时，则强调 cpu 访问外部存储 器，而不管程序计数器的内容是多少。此外，该引脚还用做 eprom 编程电压的输入端。 3.2.3 at89c51 的内部结构 89c51 单片机内部主要由运算器和控制器(cpu)，内部程序 eeprom，内部数据 ram，i/o 接口，计时/定时器，中断等几部分组成。 运算器和控制器 89c51 的运算器和控制器功能类似于一般微机中的微处理器(cpu)，它完成逻辑算术 运算并协调单片机其它各部分的工作。各种算术、逻辑运算所涉及到的寄存器包括:累加 器 a，寄存器 b，暂存器 1(temp1)和暂存器 2(temp2)，程序状态寄存器 psw，程序计 数器 pc，堆栈指针 sp，数据指针寄存器 dptr 等。它们位于 cpu 内部，又称 cpu 专用 寄存器，以区别于 i/o 接口专用寄存器。 存储器: mcs-51 系列单片机存储器组成是所谓的哈佛结构，即程序存储器与数据存储器分别 寻址，而不是程序存储器与数据存储器统一编址。在 89c51 单片机中，程序存储器采用 eeprom，而数据存储器采用 ram。它们又可以进一步分成内部或外部两类。 程序存储器 程序存储器内部和外部是统一连续编址的，内部占用地址空间的低 4kb，地址 0000h0fffh，外部地址范围 1000hffffh，共 60kb。程序存储器主要 用来存放程序和常数。当程序计数器 pc 由内部 rom 开始执行到外部 rom 时，会自动 寻址外接程序存储器。 数据存储器 mcs-51 系列单片机数据存储器也有内部、外部之分。但与程序存储 器不同，片内、片外存储器是分别独立编址的，片内地址为 00hffh，共 256b;外部 ram 地址范围 0000hffffh，共 64kb。内部存储器可直接寻址。尽管片内、片外地 址空间的低 256b 有重叠，但寻址并不会造成混乱。这是因为片内、片外存储器使用不同 安徽机电职业技术学院毕业论文 10 的指令(mov 和 movx)。扩展的 i/o 地址也占用数据存储器空间。对 i/o 端口操作无须 特殊指令。 寄存器区 内部数据存储器分为 4 个区域，数据 ram 用于存放临时变量，下面介 绍其他三个寄存器区： a) 工作寄存器区 它占用地址 00ffh 的 32 个内存单元，又分成 4 个区。每个区 有 r0 r7 共 8 个工作寄存器。工作寄存器区的选择又由程序状态寄存器 psw 的第 4 位 和第 3 位(rs1 和 rs0)共同指定。单片机复位时，rs1 和 rs0 为零，故指向 0 区。通过位 操作改变 rs1 和 rs0 的值，可以方便地指向任一个区间。 b) 位寻址区 每位都有一个独立的 8 位地址(占据空间 007f)，共 128 位。此外， 在专用寄存器 sfr 中还有一部分是可以位寻址的 (有些位可能无定义)。位寻址区的字节地 址与位地址的对应关系请参看有关书籍。 c) 专用寄存器区 共有 21 个专用寄存器 sfr，位于 80ffh 地址空间。这些寄存 器又可以分为 cpu 专用寄存器和接口专用寄存器。cpu 专用寄存器前面己经提过，而接 口专用寄存器包括两部分。一部分就是单片机的 i/o 端口 p0p3 ，分别编址为 80h、90h、a0h、b0h，共 4 个单元，32 位，每一位都可以独立寻址。另一部分为定时 / 计数器，串行口、中断的一些控制寄存器。具体可参见有关书籍。 定时/计数器 89c51 有两个 16 位定时/计数器(t0，t1)。在定时功能中，每个机器周期定时器加 1，由于 l 个机器周期包含 12 个振荡周期，因而它的计数频率为 1/12，即由定时器计数到 的脉冲为振荡周期频率的 1/12。 在计数器功能中，在外部事件相应输入脚(t0 或 t1)产生负跳变.时，计数器加 1。由 于计数器的计数过程需要 2 个机器周期(24 个振荡周期)，所以，最高的计数频率为振荡频 率的 1/24。 这两个定时/计数器的工作状态(定时/计数)及工作方式(方式 0方式 3)的选择是由定 时/计数器方式寄存器(tmod)中的每位值所决定的。定时 /计数器的控制由控制寄存器 (tcon)完成。具体可参见 mcs-51 单片机的有关书籍。 i/o 口 89c51 不仅有 4 个 8 位并行口，供单片机和外部 ram、eeprom 等扩展连接用或 与其它设备交换信息用，它还有一个全双工串行口，能同时发送和接收数据。在前面的 引脚功能中已对并行口作了简要介绍，在此就主要介绍一下串行口。 安徽机电职业技术学院毕业论文 11 串行口也就是 p3.0 和 p3.1 的第二功能。它既能工作在异步方式，又能工作在同步方 式。该串行口是全双工的，它在物理上分为两个独立的发送缓冲器和接收缓冲器 sbuf， 但它们占用一个特殊功能寄存器的地址 99h，只需对 sbuf 进行写或读的操作，就可以同 时发送和接收了。串行口的工作方式选择、波特率选择、串行通信协议的完成，由两个 特殊功能寄存器，即串行口控制寄存器 scon 和功耗控制寄存器 pcon 完成。在这里就 不详述了。 中断 89c51 单片机提供了 5 个中断源，而每一个中断源都能被程控为高优先级或低优先 级。这 5 个中断源包括 2 个外部中断和 3 个内部中断。两个外部中断源为 int0 和 int1，外部设备的中断请求信号、掉电等故障信号都可以从 int0 而和 int1 引脚输入， 向 cpu 提出中断申请，int0 和 int1 的中断请求标志 ie0、ie1 分别设在 tcon 寄存器 的 tcon.1、tcon.3。3 个内部中断源为 t0、tl 溢出中断源及片内串行发送或接收中断 源，t0 、tl 中断请求标志 tf0 和 tf1 分别设在 tcon 寄存器的 tcon.5、tcon.7，串 行发送或接收中断标志 ti 或 ri 设在 scon 寄存器的第 scon.0、scon.1 。5 个中断源中 的一个、几个或全部中断源的开、关由中断允许寄存器(ie)完成，而每个中断源的优先级 别的高低由中断优先级控制寄存器(ip)完成。89c51 单片机中断源简要特性见表 3-2。 表 3-2 中断源特性表 名称 符号 标志符号 标志符号位置 矢量地址 优先级别 外部中断 int0 ie0 tcon.1 0003h 定时器 0 溢出中断 tf0 tf0 tcon.5 000bh 外部中断 1 int1 ie1 tcon.3 0013h 定时器 1 溢出中断 tf1 tf1 tcon.7 001bh r1 scon.0 串行口中断 r1+t1 t1 scon.1 0023h 最高 最低 3.3 传感器介绍及整形放大电路 3.3.1 传感器简介 心率检测仪使用的传感器有很多种，经过对成本和性能等各方面的考虑，我选用了 压电陶瓷传感器，其作用是将人微弱的脉搏跳动信号转换成电脉冲信号。它的优点是烧 制方便，易于成型，耐湿，耐高温等。几十 安徽机电职业技术学院毕业论文 12 年以来，压电陶瓷材料发展极为迅速，应用日渐广泛，从日常生活用的压电式电子打火 机到压电扬声器，乃至飞船、导弹中的振动测量传感器，都要用到压电陶瓷材料 6。 传感器制作的好坏将直接影响仪器的灵敏度，所以传感器的制作是很重要的一环。 如图 3-3(a)所示，压电陶瓷片有陶瓷的一面焊在铜环这边(在圆周上均匀焊三个点)，用 一根细屏蔽线作引出线，外皮与铜环相接，芯线穿过铜环缺口焊在陶瓷面上。再将一个 铜片焊在铜环的下面，如图 3-3(b)所示。 图 3-3 传感器结构图 3.3.2 整形放大电路的设计 此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，因传感器输出的电脉冲信 号是微弱的信号，而且频率很低（如脉搏 50 次/分钟为 0.78hz，200 次/分钟为 3.33hz） ， 并且还伴有各种噪声干扰 7。整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不 规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。 所选放大整形电路框图如图 3-4 所示 8。 传感器 放大电路 有源滤波电路 整形电路 电平转换电路 图 3-4 整形放大电路框图 放大电路 由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，运放采用了 lm324， 放大电路的电压放大倍数为 10 倍左右，电路参数如下：r4=100k，r5=910 k，r3 为 安徽机电职业技术学院毕业论文 13 10 k 电位器，c1=100 uf。 有源滤波电路 采用了二阶压控有源低通滤波电路，作用是把脉搏信号中的高频抗干扰信号去掉， 同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截 止频率为 1khz 左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍 数选用 1.6 倍左右。集成运放采用 lm324。 整形电路 经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数 器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，其目的是为了提高抗干扰 能力，集成运放采用了 lm339，其电路参数如下：r10=5.1k?，r11=100 k?，r12=5.1 k?。 电平转换电路 由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不满足计数器要求的脉冲信号，故 采用电平转换电路。 根据以上设计好的单元电路，可画出本设计整形放大电路的总体电路，如图 3-5 所 示： 图 3-5 整形放大总体电路图 本设计中用了集成脉搏传感器 hk-2000。 该产品采用高度集成化工艺将力敏元件、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调 理电路集成在传感器内。脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品用于脉率检测，主要用于 运动、健身器材中的心率测试。其主要特点：灵敏度高，抗干扰性能强，过载能力大， 安徽机电职业技术学院毕业论文 14 一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 技术指标： 电源电压：312vdc 压力量程： -50+300mmhg 过载：100 倍 。输出高电平：大于 vcc-1.5v 。输出低电平：小于 0.2v 。 图3-6 hk-2000a型脉搏传感器输出波形 : 图 3-6 hk-2000a 脉搏传感器输出波形 3.4 led 显示接口电路 led 显示接口硬件电路由 8155 可编程并行接口芯片、74ls244 缓冲器、led 显示器组 成。如图 3-7 所示。其中，8155 作为单片机与 led 显示器的接口芯片，74ls244 用来提 高驱动能力。 图 3-7 led 显示接口电路 led（light emitting diode）是发光二极管的缩写。led 显示器是由发光二极管构成 的，所以在显示器前面冠以“led”。led 显示器在单片机中的应用非常普遍。 3.4.1 led 显示 器简介 安徽机电职业技术学院毕业论文 15 通常所说的 led 显示器由 7 个发光二极管组成因此也称之为七段 led 显示器，其 排列形状如图 3-8 所示 9。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管( 在图中以 dp 表 示)， 图 3-8 led 显示器结构图 用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及 其他符号。led 显示器中的发光二极管共有两种连接方法： 共阳极接法 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5v。这样阴极端 输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。 共阴极接法 把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输 入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。 使用 led 显示器时要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为 led 显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。七段发光 二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给 led 显示器的字形代码正好一个 字节。各代码位的对应关系如表 3-3。 表 3-3 代码对应关系表 代码位 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 显示段 dp g f e d c b a 3.4.2 8155 芯片介绍 18155 基本结构及工作方式 8155 芯片为 40 引脚双列直插封装，单一的+5v 电源，其引脚排列如图 3-9。其逻辑 安徽机电职业技术学院毕业论文 16 框图如图 3-10 所示 9。 图 3-9 8155 引脚图 8155 具有 3 个可编程 i/o 口，其中 2 个口（a 和 b）为 8 位口，1 个口（c ）为 6 位 口。此外还有 256 单元的 ram 和 1 个 14 位计数结构的定时器/计数器。 在与单片机接口的方向，8155 提供如下信号: ad7ad0:地址数据复用线。 ale:地址锁存信号。除进行 ad7ad 0 的地址锁存控制外，还用于把片选信号 ce 和 io/m 等信号进行锁存。 rd:读选通信号。 wr:写选通信号。 ce:片选信号。 io/m:i/o 与 ram 选择信号。8155 内部的 i/o 口与 ram 是分开编址的，因此要 使用控制信号进行区分。io/m=0 ，对 ram 进行读写；io/m=1 ，对 i/o 进行读写。该信 号是一个特殊信号，对它的使用要格外注意。 2 5 6 字节 静态 r a m 1 4 位定时 计数器 a b c a d 7 a d 0 p a 7 p a 0 p c 5 p c 0 i o / m c e a l e r d r e s e t v c c （ + 5 v ） w r t i m e r i n p b 7 p b 0 v s s t i m e r o u t 图 3-10 8155 逻辑框图 安徽机电职业技术学院毕业论文 17 reset:复位信号。8155 以 600ns 的正脉冲进行复位，复位后 a、b、c 口均置位 输入方式。 i/o 口及其工作方式: 8155 的 3 个 i/o 口，分别以 pa、pb 和 pc 称呼，其中 pa 和 pb 都是 8 位通用输入/ 输出口，主要用于数据的 i/o 传送，他们都是数据口，因此只有输入/ 输出两种工作方 式。而 pc 口则为 6 位口，它既可以作为数据口用于数据的 i/o 传送，也可以作为控制 口，用于传送控制信号和状态信号，对 pa 和 pb 的 i/o 操作进行控制。因此 pc 口共具 有 4 种工作方式，即：输入方式（alt 1） ，输出方式（alt 2） ，pa 口控制端口方式 （alt 3）以及 pa 和 pb 口控制端口方式（alt 4） 。当以无条件方式进行数据输入/ 输出 传送时，由于不需要任何联络信号，因此这时 pa、pb 及 pc 都可以进行数据的输入/ 输 出操作。当 pa 或 pb 以中断方式进行数据传送时，所需的联络信号由 pc 提供，其中 pc2pc 0 是为 pa 提供，pc 5pc 3 是为 pb 提供。各联络信号的定义如表 3-4 所示。 联络信号共有 3 个，其中： intr:中断请求信号（输出） ，高电平有效。送给 mcs-51 单片机的外中断请求。 bf:缓冲器满状态信号（输出） ，高电平有效。 stb:选通信号（输入） ，低电平有效。数据输入操作时，stb 是外设送来的选通信 号；数据输出时，stb 是外设送来的应答信号。 表 3-4 pc 口线联络信号定义 作 pa 控制端口 作 pa 和 pb 控制口 pc0 intra intra pc1 abf abf pc2 astb astb pc3 输出 intrb pc4 输出 bbf pc5 输出 bstb ram 单元及 i/o 口编址: 表 3-5 8155 的可编程端口 安徽机电职业技术学院毕业论文 18 ad7 ad6 ad5 ad4 ad3 ad2 ad1 ad0 选择 0 0 0 命令/状态寄存器 0 0 1 pa 口 0 1 0 pb 口 0 1 1 pc 口 1 0 0 定时器/计数器低 8 位 1 0 1 定时器/计数器高 8 位 8155 共有 256 个 ram 单元，加上 6 个可编址的端口，这 6 个端口是: 命令/状态寄 存器、pa 口、 pb 口、pc 口、定时器/计数器低 8 位以及定时器/计数器高 8 位。为此 8155 引进了 8 位地址 ad7ad 0，无论是 ram 还是可编址口都使用这 8 位地址进行编 址。对它们只需要使用 ad2ad 0 即可实现编址，如表 3-5 所示。 2 8155 与 mcs-51 单片机的连接 8155 与 mcs-51 的连接有简单的一面，因为 8155 的许多信号与 mcs-51 兼容，可以 直接连接，表 3-6 列出了这些信号的对应关系。 表 3-6 8155 与 mcs-51 的兼容信号 8155 mcs-51 8155 mcs-51 ad7ad 0 p0 口 rd rd 续表 3-6 ale ale wr wr reset rst ad7ad 0 是数据地址复合线，之所以能与 p0 口线直接相连而不需要地址锁存，是 由于 8155 内部已有锁存器，可进行地址锁存，因此连接时不需再加锁存器。然而 8155 与 mcs-51 的连接也有复杂的一面，其表现就在 io/m 信号上。因为 io/m 是 8155 特有的 信号，mcs-51 中没有相应的信号。因此要设法形成这个信号，提供给 8155 使用。io/m 信号的形成有多种方法，不同的形成方法对应着不同的编址方式。下面介绍比较常用的 也是本设计中用到的方法:用高位地址作 io/m 信号（图 3-11） 。 安徽机电职业技术学院毕业论文 19 这种方法实际上就是编址技术中的线选方法。 例如以 p2.0 接 io/m，则 8155 与 80c51 的连接如图 3-11。在这种 io/m 信号产生方法中，对 8155 需使用 16 位地址进行编 址。这种方法使用于有多片 i/o 扩展及存储器扩展的较大单片机系统中，因此要使用片选 信号，例如图中使用 p2.1 作片选信号与 ce 直接相连。假定把没用到的地址位以“0”表示。 则 io/m=0 时，8155 内部 ram 地址范围是 0000h00ffh；io/m=1 时，端口地址范围 是 0100h0105h。 8 0 c 5 1 a l e p 2 . 7 p 2 . 0 p 0 r d w r r s t 8 1 5 5 a l e c e i o / m a d r d w r r s t p a p b p c p a 7 p a 0 p b 7 p b 0 p c 5 p c 0 图 3-11 高位地址作 io/m 信号 38155 的定时器/计数器 8155 的定时器/计数器是一个 14 位的减法计数器，由两个 8 位寄存器构成，以其中 的低 14 位组成计数器，剩下的两个高位（m 2，m 1）用于定义计数器输出的信号形 式。8155 定时器/计数器的计数结构如表 3-7，3-8 所示： 表 3-7 8155 定时器/ 计数器低位的计数结构 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 m2 m1 t13 t12 t1 1 t10 t9 t8 表 3-8 8155 定时器/计数器低位的计数结构 8155 定时器/计数器的工作方式由命令字的高两位 d6d7 进行控制。 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 t7 t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 安徽机电职业技术学院毕业论文 20 具体说明如下: d7d6=00 不影响计数器工作。 =01 停止计数。如计数器未启动则无操作，如计数器正运行在则停止计 数。 =10 达到计数值（计数器减为 0）后停止。 =11 启动。如计数器没运行，则在装入计数值后开始计数；如计数器已运 行，则在当前计数值计满后，再以新的计数值进行计数。 在实际应用中使用较为普遍的是以软件来代替硬件译码，这样只需要一个接口芯片 就可以实现多位 led 显示器的显示，例如以 8155 作接口电路。本设计采用 8155 作 led 显示器接口。 用 8155 作接口电路的连接: 实际使用的 led 显示器都是多位的。对多位 led 显示器，通常都是采用动态扫描 的方法进行显示，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位显示 器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一 样。为了显示 led 显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段（字形代码）的输入之 外，还要对显示器加位的控制，这就是通常所说的段控和位控。因此多位 led 显示器接 口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出 8 条段控线（有小数点显示） ；另一个用于 输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。 显示缓冲器： 为了存放显示的数字或字符，通常在内部 ram 中设置显示缓冲器，其单元个数与 led 显示器位数相同。 3.4.3 74ls244 缓冲器芯片介绍 74ls244 是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器，该芯片的引脚图如图 3-12 所示。 图 3-12 74ls244 引脚图 安徽机电职业技术学院毕业论文 21 从图可见，该缓冲器有 8 个输入端，分为两路1a1 1a4 ，2a12a4，同时 8 个 输出端，也分为两路1y11y4，2y12y4，分别由 2 个门控信号 1g 和 2g 控制， 当记为低电平时，1y11y4 的电平与 1a11a4 的电平相同，即输出反映输入电平的高 低；同样，当 2g 为低电平时，1y11y4 的电平与 2a12a4 的电平和同。而当 1g（或 2g）为高电平时，输出 1a11a4（或 2a12a4 ）为高阻态。经 74ls244 缓冲后，输入 信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。 74ls244 缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器 和定向发送器等。 安徽机电职业技术学院毕业论文 22 第四章 心率计系统软件设计 4.1 软件设计思路及流程图 本设计软件思路为：程序先是完成对堆