基于单片机的便携式心率测试仪的设计毕业设计

1、本科学生毕业设计 基于单片机的便携式心率测试仪的设计 the graduation design for bachelors degree portable heart rate measuring instrument based on mcu candidate： specialty： class： supervisor：lecturer li jing heilongjiang institute of technology 2012-06harbin 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（

2、论文） ，是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注 和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的 材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作 了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、

3、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关

4、部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300 字左右） 、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：

5、理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科 类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他 人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国 家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用 a4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5

6、.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 摘 要 随着生物医学工程技术的发展, 医学信号测量仪器日新月异。生物医学测量与临 床医学和保健医疗的联系日益紧密。通过对人体各种生理信号的检测，能更好的认识 人体的生命现象。脉象包含丰富的人体健康状况信息, 脉诊技术应客观化、定量化。 本设计利用光电式传感器, 设计脉搏信号获取的方法。本设计主要是基于单片机的便 携式脉搏测试仪的具体实现方法，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后， 输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。通 过观测脉搏信号，可以对人

7、体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。本设计 所设计的基于单片机的便携式心率测试仪对推进脉诊技术客观化的实现具有积极的促 进作用。 关键词：脉搏；单片机；光电传感器；脉冲信号；便携式 abstract with the development of the biomedical engineering technology, the medical signal measuring instrument is changing everyday. biomedical measurement and clinical medicine and health care increasing

8、ly close ties. we could better understand the phenomenon of human. life through various physiological signal detection of the human body. pulse inclusions rich state of the health information, by using optical sensors, with the high development of electronics and computer nowadays, the pulse diagnos

9、ing technology should be objective and quantitive. this text access to the pulse signal design methods. this paper mainly introduces the concrete realization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. the pulse signal is amplified and regenerated to

10、input into mcu to carry out corresponding control, as a result the pulse number per a minute is measured. the use of the pulse counter is quick and convenient. through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the hospitals. in my design

11、, portable heart rate measuring instrument based on mcu has a positive role in promoting the objective of the pulse technology. key words: pulse；mcu；photoelectric sensor；pulse signal；portable 目 录 摘要.i abstract.ii 第 1 章 引言.1 1.1 概述.1 1.2 基于单片机的心率测试仪的发展与应用.2 1.3 本设计的主要内容.3 第 2 章 整体方案分析.4 2.1 任务.4 2.2

12、要求.4 2.3 系统的整体方案.4 2.4 方案的对比和论证.4 2.4.1 脉搏检测传感器的选择.4 2.4.2 单片机的选择.6 2.4.3 显示部分的选择.6 2.5 设计时要考虑的问题.7 2.5.1 环境光对脉搏传感器测量的影响.7 2.5.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响.7 2.5.3 测量过程中运动噪声的影响.8 2.6 本章小结.8 第 3 章 硬件电路设计分析.9 3.1 控制器.9 3.1.1 at89s52 .9 3.1.2 at89s52 的特点 .9 3.1.3 at89s52 的结构 .9 3.2 脉搏信号采集.12 3.2.1 光电传感器的结构及原理.12 3.

13、2.2 信号采集电路.13 3.3 信号放大电路.13 3.4 波形整形电路.15 3.5 单片机处理电路.15 3.6 显示电路.16 3.7 报警电路.17 3.8 本章小结.17 第 4 章 软件系统.18 4.1 主程序流程.18 4.2 定时器中断程序流程.19 4.3 int 中断程序流程.20 4.4 显示程序流程.20 4.5 蜂鸣器报警流程.21 4.6 本章小结.22 结束语.23 参考文献.25 致谢.27 附录.28 附录 a 整体硬件电路图.28 附录 b 程序.29 附录 c 外文翻译.35 第 1 章 引 言 1.1 概述 多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和

14、诊断方面发挥出显著的作用， 它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。临床上使用 的心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂，不利于家庭的普 及。就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是常用手测。 因为正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，所以可以用测量脉搏的方法来 测心率。因此，本设计采用的是设计一种脉搏测试仪测量脉搏数从而实现心率 的测量的方法。 脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主 要组成部分,因此，在现代医学上具有重要的作用。目前检测脉搏的仪器虽然很 多，但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全数

15、 字脉搏测量装置很少。随着人们生活环境和经济条件的改善，以及文化素质的 提高，其生活方式，保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。 但在目前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。其发病率和死亡率均居各 种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。因此，认识、预防及早期发现这些 疾病是十分必要的。 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都 受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过摸脉作为诊断疾病的 手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期) 等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血 流特征,因此对脉

16、搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。 本设计旨在设计出一种以单片机为核心的一种实用型脉搏测量仪。采用脉 搏检测传感器对人体的脉搏进行数据采集。得到的信号送入进行滤波、放大、 整形等处理之后送入单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏数在数码管上实 时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本设计首先描述本 设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本 设计的改进意见。 本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪，系统性能良好，结构简 单，性价比高，输出显示稳定，比较适合大众化。适合家庭进行自我检测以及 医院护士进行每日的临床记录。这使我们在家中就可以测试心

17、率从而能检测是 否患有一些心血管疾病，做到早发现。 1.2 基于单片机的心率测试仪的发展与应用 在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。而 在其中，切，也就是脉诊，占有非常重要的地位。通过脉诊，医生可以对患者 的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反应出患者 心脏的部分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的 盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。 鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在 1860 年 vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内 20 世纪 50 年代初朱颜将脉搏 仪引用到中医脉诊的客观化研

18、究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内 外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是 70 年代中期，国内天津、上海、广 州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医 脉象研究工作进入了一个新的境界。 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也 越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传 感器的研究。而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集 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。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这 类传感器的重要特征是测量的探测

19、部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自 动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测 量人体的生理和生化参数。 脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势： 1、自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析 目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分 析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量 的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详 细，自动分析诊断功能也更强大。 2、数字化技术等先进技术的应用 随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字 信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。

20、 3、多功能化越来越明显 目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏 测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功 能。 1.3 本设计的主要内容 本设计以单片机为核心，由脉搏检测传感器采集脉搏信号。经过前置放大 电路、滤波电路、整形电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中 断信号交由单片机进行脉长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即 心率） ，并在数码管上显示心率，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。 本设计的工作是围绕着脉搏检测传感器检测脉搏波而单片机进行控制进行 的。本设计的设计内容安排如下： 第一章为引言。简要介绍了心率

21、测试仪设计的目的和意义，并对基于单机 的便携式心率测试仪的现状和应用以及未来的发转走势做了简单的阐述，指出 了本设计的主要技术内容，即心率的测试。 第二章为整体方案的分析。顾名思义第二章是对整个方案的详细的对比与 选择并确定最终方案。在确定方案之前我必须先明确本设计的任务与要求，之 后是各个部分的对比选择。 第三章是本设计的核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对 电路的各个部分进行分析与解释。 第四章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对整个设计进行总 结，而且对以后的设计工作进行了展望。 第 2 章 整体方案分析 2.1 任务 基于单片机的便携式心率测试仪的设计。本设计以单片

22、机为核心，由光电 传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到 与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的 计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率） ，并在数码管上显示，并且在 超出设定的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。 2.2 要求 (1)通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过译码管来显 数脉搏次数。 (2)将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏波检测仪，要求实现脉搏波 次数超出设定时限时驱动蜂鸣器报警。 2.3 系统的整体方案 本设计的系统模块可以基本划分为：脉搏传感器部分、单片机处理电路部 分、显示电路部分和报警电路

23、部分。 本设计所设计的基于单片机的便携式脉搏测量仪将利用脉搏检测传感器采 集脉搏信号，再对其进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目 的，再通过报警电路可实现报警功能。本设计结构硬件框图如图 2.1 所示。 脉搏检测传感器低通放大器整形电路 单片机数码显示电路报警电路 图 2.1 硬件框图 2.4 方案的对比和论证 2.4.1 脉搏检测传感器的选择 传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组 成部分。 1、光电式传感器 血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十 倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光 敏二极管

24、，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定 光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透 光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电 流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器一般是红外对管。 红外对管将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发 生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤 波，比较等处理便可以得到理想的信号。红外对管对脉搏的检测的基本原理： 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。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，组织的半透明度增大。这种现象

25、在人体组 织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。 光电式传感器具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单等优点。 虽然外部光源的变化对测量结果的影响较大，但我们进行测量的地方一般都是 在室内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题 就可以了。 2、压电式传感器 目前常用的是一次性心电电极，它是用印刷方法制得的 ag/ agcl 传感器。 这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法，能明显的减少由于人体运动产生的 干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用，采用的电极 应有贴力强，能紧附在人体表面，柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特 点。当选用电极传感器时，需要

26、 3 个电极分别置于左右手和左腿，构成标准导 联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号，在检测脉搏信号时，对电 极的位置，引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。 目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器， 其灵敏度高,频带范围好，结构简单，便于使用。当手指前端受到轻微的压力时， 可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器 提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。 压电式传感器有着结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单等诸 多优点，并且价格低廉。但压电式传感器直接与人体相接触，容易因为人体肌 肉的颤动等

27、而产生干扰。而肌肉的颤动不是人能主动控制的，所以说这部分的 误差很难控制。并且使用压电式传感器测脉搏还容易受到外界其他信号的干扰。 3、集成传感器 当前，市面上有很多类型的集成心电传感器，其灵敏度高，集成度高，直 接就可以反映出心率的变化，且已包含了滤波等抗干扰电路，波形经过放大可 以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来 说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。 综合考虑种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，本设计采用 光电式传感器。 2.4.2 单片机的选择 单片机的选择主要是在 at89c2051 和 at89s52 之间做选择。 1、

28、at89s52 单片机 at89s52 是一种低功耗、高性能的 cmos 8 位微控制器，具有 8k 的系统 可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司的高密度非易失性存储技术制造，与工 业 80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上的 flash 允许程序存储在系统可编程， 亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 2、at89c2051 单片机 at89c2051 是一种低电压、高性能的 cmos 8 位微控制器，片内含 2k 字 节可反复擦除的 flash 只读程序存储器和

29、128b 的随机数据存储器，器件采用 atmel 公司的高密度非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs-51 指令系统。芯 片置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元，at89c2051 在电子类产品中有广 泛的应用。 经过比较，本设计采用 at89s52 单片机。 2.4.3 显示部分的选择 根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。在单片机的应 用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显 示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。 显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到 crt 显示器，都可以与 微机配接。在单片机

30、应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器， 简称 led 显示器。led 显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装 方便、耐振动、寿命长等优点。但与 lcd 相比显示内容有限，不能显示图形， 因而其应用有局限性。led 数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。 在单片机应用系统中使用最多的就是七段 led 数码管，有共阴极和共阳极两种。 七段 led 数码管显示器有 8 个发光二极管，其中从 ag 管脚输入显示代码，可 显示不同的数字或字符，dp 显示小数点。共阴极 led 数码管显示器的公共端 为发光二极管阴极，通常接地，当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管 点亮。共阳

31、极的 led 数码管显示器的公共端为发光二极管的阳极，通常接+5v 电源，当发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。 通过比较，我们可以发现 led 动态显示更加适合本设计，所以就采用此方 法。 2.5 设计时要考虑的问题 2.5.1 环境光对脉搏传感器测量的影响 在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透 射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变 化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定， 减少背景光的干扰。 测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了 减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考

32、虑到传感器使用的方便性，采用密 封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境 光的影响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层 表面涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。 加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加 指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响，而且 能够有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的脉搏信 号较为稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的体现出脉搏波形的特征。 2.5.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响 通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易

33、受到外界 电磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和放大电 路是分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级 放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。本系统采用了新型的光敏器件， 在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉 搏信号的干扰。 工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频 信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施 之一。通常脉搏信号的频率范围在 0.330hz 之间，小于工频 50hz，因此通过 低通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以 在

34、控制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够 在一定程度上减小外界的电磁干扰，在脉搏信号数据采集后，可以通过数据处 理法方法进一步滤除工频信号的干扰。 2.5.3 测量过程中运动噪声的影响 测量过程中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动， 这样会使脉搏的测量产生误差，可以通过两个方面减少运动噪声误差：一是改 善指套式传感器的机械运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松 动；二是从脉搏处理的角度，通过算法来减少误差。对于本设计的传感器的设 计来说，采用的是第一个途径。 2.6 本章小结 本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优

35、 缺点进行了比较。本设计采用的单片机芯片的型号是 at89s52，在本章主要介 绍了它的一些特点。最后，给出了最终的设计方案和硬件框图。 第 3 章 硬件电路设计分析 3.1 控制器 经过第 2 章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以本章 开始讲述基于单片机的便携式心率测试仪的设计的硬件电路的设计。 在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。在检测到第一个脉冲到达时， 开启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心 跳所需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。 。 3.1.1 at89s52 at89s52 是一种低功耗、高性能的 cmos 8 位微控

36、制器，具有 8k 的系统 可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司的高密度非易失性存储技术制造，与工 业 80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上的 flash 允许程序存储在系统可编程， 亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 3.1.2 at89s52 的特点 1、兼容标准 mcs-51 指令系统及 80c51 引脚结构 2、8k 字节可重擦写 flash 闪速存储器 3、128 bytes 的随机存取数据存储器 (ram) 4、32 个外部双向输入 /输出(i/o)口

37、5、5 个中断优先级、 2 层中断嵌套中断 6、2 个全双工串行通信口 7、片内振荡器和时钟电路 8、2 个 16 位定时/计数器 9、6 个中断源 10、看门狗(wdt)电路 11、全静态工作： 0hz33mhz 12、三级程序存储器保密锁定 13、可编程串行通道 14、低功耗空闲和掉电模式 3.1.3 at89s52 的结构 此次设计所使用的 at89s52 的封装形式是 pdip。dip 管脚图如图 3.1 所 示。 ea/vpp 31 xtal1 19 xtal2 18 r s t/vpd 9 p3.7/r d 17 p3.6/w r 16 p3.2/int0 12 p3.3/int1

38、 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p1.0/t 1 p1.1/t 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p0.0 39 p0.1 38 p0.2 37 p0.3 36 p0.4 35 p0.5 34 p0.6 33 p0.7 32 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 ps en 29 ale/pr og 30 p3.1/txd 11 p3.0/r xd 10 vcc 40 gnd 20 at89s52 at89s 5x 图 3.1 di

39、p 管脚图 at89s52 与 51 系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用 40 只引 脚双列直插，如图 3.1 所示。 引脚按其功能可分为如下 3 类： 1、电源及时钟引脚vcc、vss；xtal1、xtal2； 2、控制引脚、和；/rst vpd/ale progpsen/ea vpp 3、i/o 口引脚p0、p1、p2、p3，为 4 个 8 位 i/o 口。 1、电源及时钟引脚 (1)电源引脚 vcc：5v 电压。 gnd：接地。 (2)外接晶体引脚 xtal1：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于外 接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于 hmos

40、 单片机，此引 脚接地；对于 cmos 单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。 xtal2：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于 外接石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于 hmos 单片机，此 引脚接外部振荡源；对于 cmos 单片机，此引脚悬空不接。 at89s52 晶体振荡器频率可在 6mhz40mhz 之间选择，常选 6mhz 或 12mhz 的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的 稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，c1、c2 可在 20pf100pf 之间选 择。当外接晶体振荡器时，电容可选 30pf10pf；外接陶瓷振荡

41、器时，电容可 选 40pf10pf。 2、控制引脚 ：复位端。当输入的复位信号持续 2 个以上机器周期(个晶体振/rst vpd 荡周期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工作时， 此脚电平应 0.5v。 在 vcc 发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源 vpd（电源范围 5v0.5v） ，由 vpd 向内部 ram 供电，以保持内部 ram 中的 数据。 ：地址锁存使能。ale（address latch enable） ；/ale prog prog（program） 为 cpu 访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存/ale prog 信号，将

42、低 8 位地址锁存在片外的地址锁存器中。引脚第二功能，/ale prog 对片内 flash 编程，为编程脉冲输入端。 ：（programmer saving enable） ，外部程序存储器读选通信号。在读psen 外部程序存储器时有效（低电平） ，以实现外部程序存储器单元的读操作。在访 问外部数据存储器、访问内部程序存储器时无效。psen ：（enable address/voltage pulse of programming） ，访问程序存储/ea vpp 控制信号。当“0”时，表示读外部程序存储器。只读取外部的程序存/ea vpp 储器中的内容，读取的地址范围为 0000hffffh

43、（64kb） ，片内的 8kb flash 程序存储器不起作用。当“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内/ea vpp 部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在 pc 值不超出 0fffh（即不 超出片内 4kb flash 存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器 （4kb）中的程序，但当 pc 值超出 0fffh （即超出片内 4kb flash 地址范围） 时，将自动转向读取片外 60kb（1000h-ffffh）程序存储器空间中的程序。 对于 eprom（或 flash）型单片机，在 eprom 编程期间，此引脚需加 12.75v 或 21v 的编程电压。 3、i/o 口引脚

44、 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 口写“1”可作为高阻抗转入端用。 pl 口：p1 是个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱 动(吸收或输出电流)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。 p2 口：p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流)4 个

45、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。 p3口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用， 每一位功能定义如表3.1所示。 表3.1 p3口的第二功能 端口引脚 第二功能 p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd（串行输出口） p3.2 int0(外中断 0) p3.3 int1（外中断 1） p3.4 t0（定时/计数器 0） p3.5 t1（定时/计数器 1） 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

46、通) 3.2 脉搏信号采集 目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合 腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。 3.2.1 光电传感器的结构及原理 近年来，光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避 开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。 用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重 视。 传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用 gaas 红外发光二 极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收 三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电

47、信号。在 本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。 从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余 部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式 2 种。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的 是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套 式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。透 射式光电传感器结构如图 3.2 所示。 图 3.2 透射式光电传感器结构图 3.2.2 信号采集电路 图 3.3 是脉搏信号的采集电路，u3 是红外发射接收装置，由于红外

48、发射二 极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对 r21 阻值 的选取要求较高。r21 选择 270 同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵 敏度考虑的。r21 过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无 法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，r21 过小，通过的电流偏大，红外接 收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。 当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了 红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造 成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差， 红外接收三极管中的暗电流减小，输出

49、电压上升。但该传感器输出信号的频率 很低，如当脉搏只有为 50 次/分钟时，只有 0.78hz，200 次/分钟时也只有 3.33hz，因此信号首先经 r22、c10 滤波以滤除高频干扰。 vc c u3 optoisolator1 r 21 270 r 22 56k c 10 220uf gnd 图 3.3 信号采集电路 3.3 信号放大电路 本设计采用的放大器是lm324。lm324 是四运放集成电路，它采用14 脚 双列直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用 外，四组运放相互独立。由于lm324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功 耗小，可单电源使用，价格低

50、廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 由于通过光电式脉搏传感器检测到的脉搏波的信号非常微弱，所以在单片 机接受处理前需要进行信号的放大处理。按人体脉搏在运动后跳动次数达 200 次/分钟的计算来设计低通放大器，放大电路如图 3.4 所示。r23、c6 组成低通 滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由 r23、c6 决定，运放 u3a 将信 号放大，放大倍数由 r23 和 r27 的比值决定。 r 23 1m r 26 56k r 27 4.7k 5 6 411 7 u3a lm 324 vc c gnd gnd c 6 47nf 图 3.4 放大电路 根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：

51、 (3.1) c o i o w s a sv sv sa 1 )( )( )( 放大倍数为： (3.2) 23 0 27 1 11214 4.7 rm a rk 截止频率为： (3.3) 0 236 1 3.39 2 fhz r c 按人体的脉搏跳动为 200 次/分钟时的频率是 3.3 hz 考虑，低频特性是令 人满意的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。 3.4 波形整形电路 波形整形电路如图 3.5 所示，u2a 是一个电压比较器，c11、r29 构成一个 微分器，u1a 和 c7、r32 组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由 c7、r32 决定。 该比较器的阀值电压可用 r

52、31 调节在正弦波的幅值范围内，但是对 r31 的 调节要求并不严格，因为 u2a 的输出信号经 c11、r29 的微分后总是将尖脉冲 送到单片机脚，进行对心率的计算和显示。0int c 1 1nf r 29 1m r 20 220k r 25 10k r 28 22k r 31 10k 10 9 411 8 u2a lm 324 vc c vc c gnd 图 3.5 整形电路 3.5 单片机处理电路 单片机处理电路如图 3.6 所示，本部分运用了 atmel 公司的 89s52 单片 机作为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可 以根据实际情况进行编程，所用外围元件

53、少，轻巧省电，故障率低。 单片机外围电路包括复位电路和振荡电路。本设计采用自激荡方式，使内 部振荡器按照石英晶振的频率振荡产生时钟信号。石英晶振选择频率为 11.0592mhz，电容选择 30pf。如图 3.6 中振荡电路所示。经计算得单片机工作 机器周期为：。时钟电路工作后，在 rest 管脚上usm1)0592.111 (0592.11 加两个机器周期（12 个晶振周期）以上的高电平，芯片内部开始进行初始复位。 来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机 89s52 的脚，单片机0int 设为负跳变中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进 行计时，来一个脉冲脉搏次数就加一

54、；定时器中断主要完成一分钟的定时功能。 单片机对一分钟内的脉冲次数进行累加，通过 p0、p2 口把测量过程和结果送到 数码管显示出来。 gnd vc c r 10 10k s 1 s w -pb 1 +c 3 10u vc c gnd c 4 30p c 5 30p y1 110592m r 11 10k vc c 2 3 4 5 6 7 8 9 1 r 9 10k vc c ea/vpp 31 xtal1 19 xtal2 18 r s t/vpd 9 p3.7/r d 17 p3.6/w r 16 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 1

55、5 p1.0/t 1 p1.1/t 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p0.0 39 p0.1 38 p0.2 37 p0.3 36 p0.4 35 p0.5 34 p0.6 33 p0.7 32 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 ps en 29 ale/pr og 30 p3.1/txd 11 p3.0/r xd 10 vcc 40 gnd 20 at89s52 at89s 52 gnd 图 3.6 单片机处理电路 3.6 显示电路 显示电路如

56、图 3.7 所示。 r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 220 r 8 q2 9012 q3 9012 q4 9012 q5 9012 q6 9012 q1 9012 vc c r 12 220 r 13 220 r 15 220 r 16 220 r 18 220 r 19 220 a 11 b 7 c 4 d 2 e 1 f 10 g 5 dp 3 9 a bf c g d w4 8 6 a bf c g d w3 a bf c g d w2 a bf c g d w1 12 a 11 b 7 c 4 d 2 e 1 f 10 g 5 dp 3 9 a bf c g d

57、 w4 8 6 a bf c g d w3 a bf c g d w2 a bf c g d w1 12 图 3.7 显示电路 本设计的显示采用 led 数码管动态扫描来显示。动态显示方式是指一位一 位地轮流点亮每位显示器（称为扫描） ，即每个数码管的位选被轮流选中，多个 数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示 器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮 时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又 保证显示。若显示器的位数不大于 8 位，则显示器的公共端只需一个 8 位 i/o 口进行动态扫描（称为扫描口） ，控

58、制每位显示器所显示的字形也需一个 8 位口 （称为段码输出） 。本设计采用的 led 是两个 3 位的共阳极 led 数码管组成 8 位显示，其中 0、1 两位显示测量中的时间，3、4 两位显示测量中的脉搏次数， 6、7 两位用来显示上次测量的数据。单片机的 p0 口控制显示字型，p2 控制显 示字位。 3.7 报警电路 根据医学数据，人体脉搏正常在 60 到 120 之间，当数码管所显示的示数大 于 120 或小于 60 时，蜂鸣器响应报警；示数小于 120 时大于 60 时，蜂鸣器不 响。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极 管加大功率 ，驱动蜂鸣器工作。报警电

59、路如图 3.8 所示。 q1 2n3904 r ? r es2 ls 1 s peak er vc c gnd p1.6 图 3.8 报警电路 3.8 本章小结 本章是本设计的核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电 路的各个部分进行分析与解释。主要介绍了 at89s52 单片机的结构与引脚功能、 光电传感器采集脉搏波原理和 led 等的原理。 第 4 章 软件系统 硬件电路设计完成以后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统 能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不 开的。 4.1 主程序流程 主流程如图4.1所示。 开始 系统初始化 p3.2是否为

60、下降沿？ 脉搏测量子程序 led显示 n y 显示结果是否大于120或小于60？ led显示 驱动蜂鸣器报警 n y 图4.1 主程序流程图 在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。把 一个多功能的复杂的程序划分为若干个简单的、功能单一的程序模块，有利于 程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性， 使程序的结构层次一目了然。应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种 子程序组成。各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，在 具体需要时调用相应的模块即可。 系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的 框架。系统