毕业设计（论文）--基于AT89S52单片机数字心率计设计

1、毕业设计论文-基于AT89S52单片机数字心率计设计 摘要 在社会飞速开展的今天人们的物质文化生活得到了极大的提高但同时多种疾病威胁着人们的生命而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病所以健康也被越来越多的人所重视本设计要解决的问题就是可以测量心率预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计本设计采用以AT89S52单片机为核心的低本钱高精度微型化数字显示心率计的硬件电路和软件设计方法整个电路采用模块化设计由主程序预置子程序信号采集子程序信号放大处理子程序显示子程序等模块组成各探头的信号经单片机综合分析处理实现心率测量的各种功能在此根底上设计了系统的总体方案最后通过硬件和软件实现了各个功能模块相关

2、局部附有硬件电路图程序流程图该心率计的原理是用红外光电传感器OPT101接收到人体信号因人体信号很微弱所以在电路中设置了双重放大电路主要芯片OP07LM324N该信号经放大整形处理后传给AD转换器实现模拟信号转为数字信号经过以上处理后再传给单片机AT89S52计算计算完后由四位数码管显示出来该心率计可以简单的测量出人的心跳和人体体温根本实现了预定的目标这将大大减少病人测量心跳和体温的时间关键字心率测量 单片机AT89S52转换器AbstractToday in the rapid development of society peoples material and cultural life

3、 has been greatly improved but also a variety of diseases threatening peoples lives and heart attack is it difficult to prevent sudden fatal disease so health is also valued by more and more people The design problem to be solved is that you can measure heart rate cardiac disease heart disease and o

4、ther digital heart rate meterThis design uses to AT89S52 microcontroller core low-cost high accuracy digital display of heart rate meter miniaturization of hardware and software design The probe by the single chip integrated analysis of signal processing functions to achieve heart rate measurement O

5、n this basis the overall design of the system program and finally achieved through various hardware and software modules With the relevant parts of the hardware circuit the program flow chart The principle of the heart rate meter is used to receive infrared photoelectric sensor OPT101 to human signa

6、ls the signal is very weak because of the human body so the circuit is set in the dual amplifier main chip OP07 LM324N The signal passed through enlarged plastic treated A D converter for analog signals into digital signals with the above treatment and then passed to microcontroller AT89S52 calculat

7、ed finished up by four digital displayds heart rate The heart rate meter can easily measure the persons heart rate and body temperature essentially achieving its stated goals which will greatly reduce the patients of heart rate and body temperature of the timeKeywords heart rate measurement microcon

8、troller AT89S52converter目录摘要IAbstractII1绪论111课题的来源112课题设计的目的及功能实现的方法113论文结构22总体方案设计421心率计原理422总体电路框图设计43元器件选择及其功能介绍631单片机AT89S52632传感器OPT1017comOPT101的技术性能7comOPT101的典型应用833集成运算放大器OP071034低功率运算放大器LM324N1135AD转换器ADC0809124系统硬件结构设计与仿真1441单片机最小系统1442信号采集电路1543信号放大电路与仿真16com信号放大电路与仿真16com电源模块设计1744信号比拟电

9、路1845AD转换电路1946显示电路1947系统总体设计原理图205系统软件设计2251测量计算原理2252主程序流程图2253中断程序流程图2354定时器T0和T1的中断效劳程序246系统硬件调试2561系统各局部电路模块测试与仿真25com一级放大电路25com比拟电路2762试验与焊接阶段28com试验阶段28com焊接与完成阶段2963整机调试31com心跳的测量过程31com几种主要系统干扰与影响3164试验结果分析327总结和展望33致 谢35参考文献36附录一38绪论心率不仅是反映心脏功能强弱的重要标志也是反映人体运动强度的生理指标很多情况下我们需要及时知道自己的心率本文介绍一

10、种基于单片机技术的心率计单片机的可编程性使其具有较大的适应性和灵活性课题的来源在医学上通过测量人的心率便可初步判断人的健康状况随着人们生活水平的提高地球环境遭到破坏多种疾病威胁着人们的生命而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病因此心率计很快产生并得到开展随着单片机技术的开展人们的生活节奏加快设计一种以使用方便为前提能够快速测出人心率的心率计不仅是临床者的欲求也是体育训练者和外出旅游者的需求因此单片机快速心率计有着广阔的市场前景根据设计任务要求 心率计要在5秒钟内显示被测人的心率参数 要求设计异常声光报警 心率传感器要求套在手指测量该设计从符合操作简便外表美观实用平安的要求出发完成设计和调

11、试的全过程该产品经过数十人的测试符合毕业设计题目的要求课题设计的目的及功能实现的方法现在经常可以看到在许多小型医院里对心率的测定仍采用人工听诊器的方式为了方便心率的采集决定用AT89S52单片机为主芯片制作一个简单易用易携的心率计能自动测量心跳次数并数字化形象直观的表现出来为此其中心率计特色功能的实现主要靠有效稳定的信号采集模式可以通过查阅资料发现主要的心率采集有两种方法通过一对红色发光二极管实现和通过压电陶瓷芯片实现方案一检测的根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在人体组织较薄的手指尖耳垂等部位最为明显因

12、此本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述位置并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转化为电信号由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比故只要把它转换成脉冲并进行整形计数和显示就能实现实时检测脉搏次数的目的方案二检测的根本原理随着心脏的搏动人体手腕的脉搏及颈部的搏动较为明显我们采用压电传感器放在上述位置把压电传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形计数和显示就能实现实时检测脉搏次数的目的论文结构本文阐述了基于单片机设计的心率计的设计原理与 实现方法以AT89S52单片机为根底实现了心率计的各种功能文中详细地描述了心率计的设计过程包括取样电路放大电路比拟

13、电路AD转换电路和单片机处理电路和显示电路同时还提出了基于单片机的编码译码程序设计流程图从整体上实现了心率计的功能第1章对本论文的选题的目的和意义以及论文的结构进行了阐述并说明了心率计的设计思路及课题的设计和要求第2章介绍了系统整体方案的设计与原理总图简要的介绍了设计的原理和框图介绍第3章详细介绍了系统所需的主要元器件单片机AT89S52运算放大器LM324N比拟器OP07DP AD转换器及局部元器件使用说明第4章详细介绍了单片机最小系统对取样电路放大电路比拟电路AD转换电路和单片机处理电路和显示电路进行了设计并附了局部电路的仿真图第5章在硬件设计的根底上阐述了对软件的设计并介绍了程序计算方法

14、给出了程序主程序和子程序第6章在本章介绍了软硬件调试焊接及仿真和结果分析第7章总结本文的研究工作对心率计未来的开展方向及需要改良的地方进行了展望总体方案设计心率计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在人体组织较薄的手指尖耳垂等部位最为明显因此本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比故只要把它转换成脉冲并进行整形计数和显示就能实现实时检测脉搏次数的目的100倍频处理组成方框图

15、假设心跳每分钟为n次相当频率n60Hz那么100倍频后为53nHz这时只要计数闸门设置为06秒那么能准确显示出心率来如n 76100倍频后频率为127Hz通过脉冲为127×06 76正好与实际心率相符总体电路框图设计心率计的总体设计电路框图如图2-1所示主要包括取样电路放大电路比拟电路AD转换电路和单片机处理电路和显示电路先用红外光电传感器采集与心跳同频率的信息当人体组织半透明度的数值较大时红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度很弱光敏三极管无法导通所以输出端为高电平当人体组织半透明度的数值较小时红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度较强光敏三极管导通输出端为低电平这

16、样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号它近似于正弦波形脉搏为50次分时频率是078Hz199次分时是333Hz从传感器过来的是低频信号该低频信号首先经RC振荡器滤波以消除高频干扰经无极性隔直流电容C3C5加到线性放大器的输入端放大器将信号放大200倍并与R7c6组成截止频率为10I-Iz左右的低通滤波器以进一步滤除残留的干扰正弦信号经CIOR14微分形成尖脉冲信号单稳态振荡电路将尖脉冲信号转化为同频率的长脉冲信号该脉冲信号通过R17送到单片机后软件对信号进行处理最后在数码管上显示数值图 2-1 系统设计原理框图元器件选择及其功能介绍单片机AT89S52 主要性能1 与MCS-51单片机产品兼

17、容2 8K字节在系统可编程Flash存储器3 1000次擦写周期 4全静态操作0Hz33Hz5 三级加密程序存储器6 32个可编程IO口线 7 三个16位定时器计数器8 八个中断源9 全双工UART串行通道 10低功耗空闲和掉电模式11掉电后中断可唤醒 12 看门狗定时器13双数据指针 14掉电标识符功能特性描述AT89S52是一种低功耗高性能CMOS8位微控制器具有8K 在系统可编程Flash 存储器使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容片上Flash允许程序存储器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F

18、lash使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案AT89S52具有以下标准功能 8k字节Flash256字节RAM32 位IO 口线看门狗定时器2 个数据指针三个16 位定时器计数器一个6向量2级中断结构全双工串行口片内晶振及时钟电路另外AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作支持2种软件可选择节电模式空闲模式下CPU停止工作允许RAM定时器计数器串口中断继续工作掉电保护方式下RAM内容被保存振荡器被冻结单片机一切工作停止直到下一个中断或硬件复位为止AT89S52的引脚结构如图3-1所示图 3-1 AT89S52的引脚结构传感器OPT101OPT101的技术性能 O

19、PT101型传感器是美国B-B公司研制的集光敏器件光敏二极管与信号放大于一体的器件采用单电源供电压电输出输出电压随照射到光敏器件的光强度呈线性变化可用于医疗仪器实验室仪表位置与接近探测图像分析条线码扫描器温室的光照度控制等OPT101型传感器内部电路结构如图3-2所示 OPT101型传感器的性能特点1单电源供电 27V36V2光敏二极管的尺寸009009in3片内放大器反应电阻Rf 1M4光敏二极管响应045AW 650nm时 5响应带宽14K HzRf 1M6静态电流120mA 7 采用8引脚DIP5引脚SIP与8引脚外表贴装封装8工作温度070图 3-2 OPT101型传感器内部电路结构O

20、PT101的典型应用应用片内1M与3pF组成的反应网络即将引脚45连接即构成根本应用电路这是电路的输出幅度与照射光线波长的关系如图3-3照射光线的入射角与输出幅度的关系如图3-4所示图 3-3 电路的输出幅度与照射光线波长的关系图 3-4 照射光线的入射角与输出幅度的关系 当不用片内反应网络使用外部反应网络时在2脚与5脚间其输出特性与频率特性如图3-5和3-6所示图 3-5 采用外部反应网络时的输出特性图 3-6 采用外部反应网络时的频率特性集成运算放大器OP07这些低本钱JFET输入运算放大器整合在一个单片集成电路上是目前国家最先进的线性技术每个内部补偿运算放大器具有良好的匹配低输入高电压J

21、FET输入设备的偏移电压该技术提供广泛的BIFET带宽和快速的低输入偏置电流的转换速率输入失调电流和电源电流这些器件在单双和四引脚与业界标准运算放大器MC1741兼容集成运放TL184CN的最大额定值如表3-1所示OP07的性能特点 1输入失调60 mV和15 mV的最大电压选项 2低输入偏置电流30pA3低输入失调电流50pA4增益带宽40 MHz5高压摆率13Vus 6低电源电流每个放大器14mA 7高输入阻抗1012 表3-1 TL184CN的最大额定值类别符号大小单位电源电压VCCVEE 18 -18 V差分输入电压Vid±30V输入电压范围Vidr±15 V输出短

22、路持续时间 Tsc连续没中断操作环境温度范围 TA 070储藏温度范围Tstg -65150低功率运算放大器LM324NLM324系列器件为价格廉价的带有真差动输入的四运算放大器其最大额定值如表3-2所示与单电源应用场合的标准运算放大器相比它们有显著的有点该四放大器可以工作在低到30伏或高到32伏的电压下静态电流大致为MC1741的五分之一对每个放大器而言共模输入范围包括负电源因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性输出电压范围也包括负电源电压其特点为1短路保护输出 2真差动输入级3单电源工作30V32V 4低输入偏置电流最大100nALM324A5每一个封装四个放大器 6内部补偿7

23、共模范围扩展到负电源 8行业标准引脚输出9在输入端的静电放电位增加可靠性而不影响器件的工作表3-2 LM324的最大额定值额定值符号LM324LM324ALM2902LM2902V单位电源电压单电压别离电压VCCVCCVEE32±16 26 ±13Vdc输入差动电压范围Vidr±32±26Vdc输入共模电压范围Vicr -03至32-03至26Vdc输出短路持续时间 Tsc 连续结温 Tj 150保存温度范围Tstg -65150工作环境温度范围TA-2585070-40105-40125AD转换器ADC0809ADC0809是4位双积分AD转换芯片可以

24、转换输出±20000个数字量有STB选通控制的BCD码输出与微机接口十分方便ADC0809具有精度高 相当于14位AD转换 价格低的优点其转换速度与时钟频率相关每个转换周期均有自校准 调零 正向积分 被测模拟电压积分 反向积分 基准电压积分 和过零检测四个阶段组成其中自校准时间为10001个脉冲正向积分时间为10000个脉冲反向积分直至电压到零为止 最大不超过20001个脉冲 ADC0809为DIP28封装芯片引脚排列如图3-7所示主要参数如表3-3所示图3-7 芯片ADC0809引脚图表3-3 ADC0809的主要参数电源电压V 6V 温度范围070V-9V热电阻PDIP封装qJA

25、55模拟输入电压V to V- 最大结温150参考输入电压V to V-最高储存温度范围-65150时钟输入电压GND to V -系统硬件结构设计与仿真硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路信号采集信号放大比拟电路及信号转换电路五局部单片机采用AT89S52或其兼容系列采用12MHz高精度的晶振以获得较稳定时钟频率减小测量误差单片机用P10端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号利用外中断0口监测由传感器OPT101信号采集电路输出的信号显示电路采用简单实用的四位LED数码管信号用OP07放大比拟电流用LM324N仿真主要包括放大电路与-5V电源电路与比拟电路单片机最小系统AT89

26、S52是片内有EPROM的单片机因此用这种芯片构成的最小系统简单可靠用AT89S52单片机构成最小应用系统时只要将单片机接上时钟电路和复位电路以及扩展的简单IO口即可如图4-1所示由于受集成度片内功能的限制最小应用系统只能用作一些小型的控制单元其应用特点为有可供用户使用的较多的IO口线由于不需要扩展外部存储器EA应接高电平P0P1P2P3均作为用户IO口使用内部存储器容量有限应用系统开发具有特殊性如AT89S52的应用软件须依靠半导体厂家用半导体掩膜技术置入故AT89S52应用系统一般用作大批量生产的应用系统另外P0P2口的应用与开发环境差异较大图4-1 单片机最小系统原理图信号采集电路信号采

27、集电路如图4-2所示D1与Vb组成光电传感器因光电传感器输出的点脉冲信号时非常微弱的信号而且频率很低如脉搏50次分钟为078Hz200次分钟为333Hz并且还伴有各种噪声干扰故该信号要经过R3C1低通滤波去除高频干扰当传感器检测到较强的干扰光线时其输出端的直流电压信号会有很大变化图4-2 信号采集电路信号放大电路与仿真 信号放大电路与仿真如图4-3所示R5与R1R2R3的电阻和之比为放大器的放大倍数经过计算所得改放大器的理论值为200倍但由于11号接口上-5V供压缺乏再加上材料限制和人为的因素该放大倍数只有20倍左右 图中C2为耦合电容作用为隔直流通交流之所以使用10u的电容是为了让所有的信号

28、通过C3同C2一样信号放大电路仿真图如图4-4所示图 4-3 信号放大电路图 4-4 信号放大电路仿真图电源模块设计-5V电源由555定时器生成原理图如图4-5 所示图4-5 -5V电源电压原理图-5V电源电压仿真图如图4-6 所示图 4-6 -5V电源电压仿真图信号比拟电路电压比拟器是一种常用的集成电路它可用于报警器电路自动控制电路测量技术也可用于VF 变换电路AD 变换电路高速采样电路电源电压监测电路振荡器及压控振荡器电路过零检测电路等我们主要介绍其根本概念工作原理及典型工作电路电压比拟器是对两个模拟电压比拟其大小并判断出其中哪一个电压高如图4-7 所示图4-7 电压比拟器AD转换电路AD

29、转换电路如图4-8所示首先输入3位地址并使ALE 1将地址存入地址锁存器中此地址经译码选通8路模拟输入之一到比拟器START上升沿将逐次逼近存放器复位下降沿启动 AD转换之后EOC输出信号变低指示转换正在进行直到AD转换完成EOC变为高电平指示AD转换结束结果数据已存入锁存器这个信号可用作中断申请当OE输入高电平 时输出三态门翻开转换结果的数字量输出到数据总线上Ua省电模式下 1uA工作电压27V52V视角比照度可调显示清晰稳定可靠可加背光AT89S52通过P00com-9为显示电路图 4-9 显示电路系统总体设计原理图心率计的总体电路如图4-10所示主要包括取样整型电路单片机处理电路和显示电

30、路先用红外光电传感器采集与心跳同频率的信息当人体组织半透明度的数值较大时红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度很弱光敏三极管无法导通所以输出端为高电平当人体组织半透明度的数值较小时红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度较强光敏三极管导通输出端为低电平这样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号它近似于正弦波形图 4-10 系统原理总图系统软件设计基于单片机心率计的软件设计主要由主程序流程图中断程序流程图及显示子程序组成我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法汇编语言程序那么具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间而心率计的程序既有较复杂的计算时间t内的平均值又要求精细计算程序运

31、行时间动脉搏动时间所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程测量计算原理设K个连续的动脉搏动所用时间为t秒在时间 t 内心率的平均值为n次分那么 n 60Kt 1 为了能够控制用单片机计算机测定t值我们利用脉动信号控制在K个连续的脉搏周期内单片机的定时计数器T0定时定时1ms中断一次工作存放器对中断次数进行计数然后读取计数值设该计数值为N于是有 t 0001N 2把2带入1得到 n 60k0001N 60000KN 3式3就是利用单片计算机测定心率值的数学模型误差小于04在该单片机系统中K 19用户可通过按键自行设置可测心率范围20次分200次分N的范围30030000主程序流程图程序流程图如

32、图5-1所示程序初始化是每个单片机程序所必备的它的主要任务是确定程序人口和中断人口地址接下来是显示为全零主要目的是为了区分是否有信号送人当没有信号送人时显示为全零那么说明心率计没有工作反之那么正常工作定时lOOms是设计中比拟重要的一局部它主要是为采样6s打下根底设计中运用定时器T1的定时功能来实现100s的定时等待中断占用了程序执行的大局部时间它主要是一个死循环语句只有当中断条件满足时才执行中断效劳子程序对计数的结果进行累加累加之后判断采样的次数如果采样未满60次说明不到6 s返回继续采样等待中断直到采样60次为止之后把6s内采样得到的次数由二进制数转化为十进制数送到数码管进行动态显示 N

33、Y图 5-1 程序流程图 图5-2 中断程序流程图中断程序流程图心率的有效测量范围为50次一199次分钟为了消除外界信号的干扰在定时器中断程序中参加了对频率大小的判断滤除掉小于50次分钟和大于199次分钟的脉冲信号中断程序如图5-2所示定时器T0和T1的中断效劳程序 定时器T0的中断流程图如图5-3所示定时器T1的中断效劳流程图如图5-4所示 N Y· 图5-3 定时器T0的中断 图5-4 定时器T1的中断效劳程序流程图 效劳程序流程图系统硬件调试在制作实物之前首先需要根据自己制作实物的思想步骤和实物所要到达的功能绘制出元器件的原理图然后把原理图放到 ISIS 7 protues中进

34、行仿真因为元器件的大小不同到达预期功能的效果也不一样在这种情况下就需要对硬件电路进行变换和调试实物焊接出来之后考虑各种干扰和影响因素还要对硬件进行整机调试系统的调试过程是检验修正设计方案的实践过程也是应用理论知识来解决实践中各类问题的关键环节是电路设计者必须掌握的根本技能系统各局部电路模块测试与仿真 一级放大电路心率计的主要原理是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在人体组织较薄的手指尖耳垂等部位最为明显总结和展望心率是指单位时间内心脏波动的次数一般指每分钟的心跳次数是临床常规检查的生理指标传统测量脉搏次数的方法是

35、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没分钟的脉搏次数但在现实生活中这种可以直接测量心跳的仪器还不是很常用在很多小型医院里 医生们依旧使用着古老的手动式听诊器这大大影响了效率和救治的时间这就为心率计的研究与生产奠定了必然根底本文是基于单片机研究设计的心率计现在市场上存在了一些基于FPGA研究设计的心率计二者的原理和过程根本上是一样的心率计的原理是用传感器接收到人体微弱的信号因为人体信号比拟的微弱一般放大的倍数也比拟高100倍以上的心率计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路信号采集和信号放大与滤波处理电路三局部单片机采用AT89S52或其兼容系列采用12MHz高

36、精度的晶振以获得较稳定时钟频率减小测量误差单片机用P10端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号利用外中断0口监测由传感器OPT101信号采集电路输出的信号显示电路采用简单实用的3位LED数码管信号用OP07放大基于单片机心率计的软件设计主要由主程序流程图中断程序流程图及显示子程序组成我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法汇编语言程序那么具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间而心率计的程序既有较复杂的计算时间t内的平均值又要求精细计算程序运行时间动脉搏动时间所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程而成实物焊接出来之后先要进行硬件调试电路的调试过程是检验修正设计方案的实践过程也是应

37、用理论知识来解决实践中各类问题的关键环节是电路设计者必须掌握的根本技能把电子元器件连接起来实现特定功能的关键一步是调试调试方法有两种分块调试法和整体调试法在硬件检测完之后在没有问题的情况下可以输入程序调试程序的可行性并加以改正配合着程序改动系统的原理图文中的心率计使用了脉搏波作为源信号当然我还可以通过对心电图的分心来研究心率它们的后继电路局部结构都大同小异主要的区别是前段的信号采集本仪器适用于69V直流电压工作电流为100mA左右心率计通电后将手指放在红外光电传感器的中即可检测到人体的信号并在数码管中显示出来当然它也存在着一定的问题但我想在后来的研制和生产中肯定会大大提高它的性能 竭力完善它的缺点致 谢首先我要感谢我的导师高娜老师在毕业设计中对我给予的悉