人体健康检测器

人体健康检测器

东华理工学院长江学院毕

设计（论文题目：人体健康监测器英文题目：Monitoring

humanhealthequipment学生姓名：邵锦班级：023122

指导教师：黄永忠专业：机电系自动化1业）

二零零二六年六月

2

摘要

随着现代人生活节奏的加快以及生活质量的提高，人们对自身健康状

况越来越关注，人们希望能随时、简单、方便的对身体进行检查，因此,

一些体积小的便携式或者家用的健康监测装置，比如：体温表、电子血压

计等由于操作简单，受到人们的欢迎。但是，这些装置大多功能单一，如

果需要随时对多种健康指标进行监测，必须随身携带多种监测装置，给使

用者带来了麻烦。

本设计是一种随身携带的监测人体健康的仪器。包含了一个或多个传

感器，模/数转换器将采集的信号转换为数字信号发送给中央处理单元：中

央处理单元将数字信号转换为人体健康数据，通过显示器等外部设备显示

给用户。它综合了一系列单一健康监测器的功能，可同时对人体的体温、

血压和脉搏进行监测，让用户随时了解自己的身体状况

关键词。

A/D574转换器芯片、INA102集成仪表用放大器、8279芯片、8031芯

片

Summary

Alongwithmodernpeoplerhythmoflifequickeningaswellasqualityof

lifeenhancement,thepeoplemoreandmorepayattentiontoownstateof

health,thepeoplehopedcanasnecessary,simple,convenientcarryonthe

inspectiontothebody,therefore,somevolumessmallportableorhomeuse

healthmonitorinstallment,forinstance:Clinical>thermometer,electronic

sphygmomanometerandsoonbecauseoperatessimply,receives

people'swelcome.But,theseinstallmentmostlyfunctionisunitary,if

needsasnecessarytocarryonthemonitortomanykindsofhealthytargets,

mustcarrymanykindsofmonitorinstallmentalongwith,hasbroughtthe

troubletotheuser.

Thisdesignisthemonitorhumanbodyhealthinstrumentwhichonekind

carriesalongwith.Hascontainedormanysensors,themold/Thenumber

switchwillgatherthesignalwilltransformintothedigitalsignaltransmission

forthecentralprocessingelement:Thecentralprocessingelementtransforms

thedigitalsignalintothehumanbodyhealthydata,throughthemonitorand

soontheexternalinstrumentationdemonstratedgivestheuser.Itsynthesized

aseriesofsolehealthymonitorfunction,maysimultaneouslytothehuman

bodytemperature,thebloodpressureandthepulsecarriesonthemonitor,

letsthe3

userunderstandownasnecessarybodilyconditiono

Keyword

A/D574ASwitch,INA102Integratesthemeasuringappliancetousethe

amplifier,8279chips,8031chips

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目录

目录

1设计方案3

1.1设计任务和要求？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？3

12设计思路■??????????????????????????3

13硬件框图？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？3

1.4中心处理器8031芯片介绍？????？???????????？4

141主要功能？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？4

142内部结构？???????？？?????????????？6

2硬件部分？？？？？？？？？？？？？？？？？■??????????9

21温度传感器？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？9

2.1.1半导体热电阻传感器??????????????????？9

2.2.2传感器温度补偿?????????????????????10

22压力传感器？

2.2.1BP01的主要性能参数？？？？？??？？？?？???？？？10

222工作原理

223调试方法

23A/D转换电路

2.3.1A/D转换器芯片AD574A??????????????????14

2.3.2A/D转换器接口电路???????????????????16

24整行放大电路

2.4.1放大电路的特点？????？????????????？？？16

2.4.2INA102集成仪表用放大器???????????????？18

25键盘扫描电路？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？19

2.5.18279芯片主要部件介绍？??????????？????？21

2.5.2由CPU向8279写入的8种命令字????????????？22

2.5.3共阴极LED数码管？???????????????????24

2.6存储器扩展2716和74LS373??????????????????25

26174LS373芯片

2.6.2存储器扩展接线电路???????????????????26

3软件部分？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？29

31软件流程图？

32子程序流程图？

32运行程序？结

???????????????????????????????38参考文

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绪论

绪论

近年来不明流行病毒横行，加上跨国移动日益频繁，造成病毒传迅范

围越来越广且快速，常会在短期内造成大范围流行，已足以威胁人类的生

存，因此自主性的健康管理越来越受重视。本设计就提出一套生命机能监

测系统，用于个人自主健康管理，以防治流行性病毒扩散，并以实用性、

经济性、可靠性与方便携带性为设计目标，期能达到大众化需求的商业目

标。

此人体健康监测系统主要包含两种生理现象监测：体温与脉搏。此装

置系统架构分为四部份：讯号采集单元、讯号转换处理单元、微控制器单

元、显示界面单元。造型架构以表型携带式为目标，便于长期佩带，并配

合相关医学研究数据做资料分析，以早期发现生理机能的变异，并发出警

讯提醒使用者接受进一步检查。

一般而言，生命机能常被指卷体温、心跳、呼吸、血压等，当这些生

命机能有所变异时，往往代表人体出现异状，须进一步检查，尤其在2003

年SARS扩大传染期间，发烧为病毒传染的分界点，以公共卫生病理学来

说，体温对于控制病毒传染极为重要。本生命机能监测系统将针对体温、

脉搏进行监测，并对监测资料做长期分析，当生理机能有一定程度变异时

提出适当警示，让使用者更了解自身生理变化，也提供医生诊断时初步的

依据。

本文规划设计一彳固生命机能监测系统，旨在自主检查个人、病患或须

监视生命机能的老人与小孩等对象的心跳与体温度等生命迹象，必要时可

透过射频讯号传送回中央监控系统，即时掌握个人生理资料。该系统拟设

计为手表大小以方便携带，能应用与独居老人、安养院、幼稚园与住院病

患或一般大众须自主管理者，对于SARS、禽流感或感冒流行期间，须即时

监控体温及心跳资料畤非常方便。

人体健康监测系统运用现状

目前市场上健康监测系统的仪器很多，例如：体温表、血压计等单一

监测人体某一健康指标的仪器，单这些装置的功能都很单一，果需要随时

对多种健康指标进行监测，必须随身携带多种监测装置，给使用者带来了

麻烦。像老人或者小孩子等身体健康状况很敏感的群体，单一的监测仪器

对他们并不能100%的监测起来，也许某一个机能的变异都可能引起大的

疾病，所以本设计就是针对这写群体，能对他们主要的健康指标都进行监

测，以便及时的让使用者发现自身的身体健康状况，并进行相应的处理,

以避免身体状况的恶化。

人体健康监测系统的设计思路

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绪论

本设计重要由四个单元组成：信号采集单元、信号处理及转换单元、

微处理器单元、显示界面单元。

信号采集单元可分为两个部分，体温信号采集单元和脉搏信号采集单

元。脉搏信号采集单元，我们选用的是为测量血压而专门选用的BP01压

力传感觉器，它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装，具有高线性、低

噪声和外界应力小的特点；采用内部标定和温度补偿方式，从而提高了测

量的精度、稳定性以及可重复性，在全量程范围内，精度为±1%,零点

失调不大于±3OOUV。

体温信号采集单元，我们采用高精确度1%的热敏电阻(R33),温度范

围挑选工作在25〜45℃的元件即可；而重路即采用惠斯登电桥电路，以

取得精准的电压差值，然后再使用差动电路将取出电压值让类比/数位转换

器使用

信号处理方面，由于所采集信号太弱，必须通过整型和放大，而微计

算机所能接受的为数字信号，还必须通过A/D转换成数字信号，才能送处

理器进行信息处理。

处理器单元，是以8031为主芯片，扩展存储器2716和锁寸器74LS373

为存储单位构成了整个的处理器单元。

显示单元的功能主要是实现人机对话功能。8279芯片在扩展显示器和

键盘时功能强、使用方便。其功能是：接收来自键盘的输入数据并作预处

理；完成数据显示的管理和数据显示器的控制。

本设计是以建置一表型生命机能监视系统为主轴，目的是让使用者可

初步掌握自身的生理状况，而其长期监控的特性也可做为医师^断时初步

的依据。

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设计方案

1设计方案

1.1设计任务和要求

能够单独监测人体的体温和脉搏，或者同时监测体温度和脉搏，用4

位数字显示，其中1位作功能识别，其余3位显示数据，体温设1位小数。

设置心跳指示灯，能同步显示心跳情况。

具有超长报警。

能存储较长时间（比如一昼夜24小时）的监测数据，利用串行口与

PC机通讯，将存储数据进行打印分析。

1.2设计思路

这是一个与单片机为主控制器，扩展适当的接口电路，构成一个单片

机系统，完成多项监测功能的仪表。

系统选用8031单片机，接口电路需要有系统监控程序存储器EPROM、

检测数据存储器RAM、显示接口电路、音响报警电路、被测信号输入电路、

以及采样的温敏和压敏传感器等。如果做成便携式，则全部选用CMOS芯

片、LCD显示组件。

测量准确与否的先决条件是获得准确的被测信号，这就要求选择用合

适的传感器。体温检测可选用性能稳定的MF-51型半导体热敏电阻，其输

出放大后经A/D转换电路送入单片机，检测量程可固定在30——45摄氏

度之间，以减小非线性影响，提高检测精度。脉搏和心律的检测可选用半

导体压敏传感器，将动脉血压变成脉象波形送入单片机。

一般，心律和脉搏的跳动是同步的。检测脉搏的通常方法是测量一个

基准时间里脉动次数，然后换算成每分钟的数目。但是这种方法不能快速

跟踪信号的变化，误差较大。如果采用测量跳动的周期T,再换算成脉动

频率，使用单片机内部的定时？计算器作计时，则能获得较理想的效果。

1.3硬件框图

图中的温敏检测电路可以检查人体的体温，由于人是恒温动物，所以

温敏检测要调节到30〜45度，所以选用了半导体热敏器，输出后通过放

大器和A/D转换，输出的型号可定在30〜45度，达到了设计要求。

同理，压力传感器是用来检测脉搏的，通过放大器，输出脉冲信号，

送入单片机。单片机把送入信号同过转换，输送到显示器和报警器中，

则人可以通过显示和警报的到身体状况的指标。

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设计方案

图1-1人体健康监测器硬件框架图

1.4中心处理器芯片介绍（8031芯片）

1.4.1主要功能

MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单

片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电

路单元和指令，指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，

一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，本设计

中中心处理芯片就是选用的8031芯片。MCS-51系列单片机主要包括8031、

8051和8751等通用产品.下表是80C51系列单片机的主要分类及

功能特性：

系列典型芯片I/O口定时/计数器中断源串行通信口片内RAM

片内ROM51系列80C314x8位2x16位51128字节

无

80C514x8位2x16位51128字节4kB掩膜ROM

87C514x8位2x16位51128字节4kBEPROM

89C514x8位2x16位51128字节4kBEEPROM52系列

80C324x8位2x16位61256字节无

80C514x8位2x16位61256字节8kB掩膜ROM

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设计方案87C524x8位2x16位61256字节

4kBEPROM

89C524x8位2x16位61256字节4kBEEPROM

图1-2MCS-51单片机基本结构示意图

(1)一个8位微处理器。

(2)数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。

(3)两个定时器/计数器，有以对外部事件进行计数，也可用做定时

器。

(4)四个8位可编的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做

输入，又可

做输出。

（5）一个串行端口，有于数据的串行通信。

（6）中断控制。

（7）内部时钟电路。

1.4.2内部结构

8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的

中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存

储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定

时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。

它含有运算器、控制器、片内存储器、4个I/O接口、串行接口、定

时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。SP是堆栈指针寄存器，栈

区占用了片内RAM的部分单元；未见通用寄存器（工作寄存器），因单片

机片内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量的片内

RAM字节划作工作寄存器区；PSW是程序状态字寄存器,简称程序状态字,

相当于其它计算机的标志寄存器；DPTR是数据指针寄存器，在访问5

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设计方案片外ROM,片外RAM,甚至扩展I/O接口时特别有用；B寄存

器有称乘法寄存器，它与累加器A协同工作，可以进行乘法和除法操作。

以算数逻辑单元ALU为核心，含累加器，暂存器，程序状态字PSW,B寄

存器。51系列单片机的算逻辑单元除能完成带进位位加法，不带进位位加

法，带进位位减发，加1,减L逻辑与，逻辑或，逻辑异或，循环移位

以及数据传送，程序转移等一般操作外，其特点是：在B寄存器配合下，

能完成乘法与除法的造作。可以进行多种内容交换操作，能作比较判跳操

作，有很强的位操作功能。

8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功

能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。

图1-4MCS-51系列单片机的内部结构框图

MCS-51系列单片机有40个引脚。用HMOS工艺制造的芯片采用双列

直插式封装。低功耗的，也有用方型封装结构的。

主电源引脚

Vcc：接+5V电源正端。

Vss：接+5V电源地端。

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设计方案

外接晶体引脚

XTAL1：片内反相放大器输入端。

XTAL2：片内反相放大器输出端。外接晶体时，XTAL1与XTAL2各接晶

体的一端，借外接晶体与片内反相放大器构成振荡器。

输入/输出引脚

P0.0-P0.7：P0口的8个引脚。在不接片外存储器与不扩展I/O接口

时，可作为准输入/输出接口。在皆有片外程序存储器或扩展I/O接口时,

P0□分时复用位低8位地址总线和双向数据总线。

P1.0-P1.7：P1口的8个引脚。可作为准双向I/O接口使用。对于52

子系列，P1.0与P1.1还有第二种功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计

数脉冲输入端T2；P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

P2.0〜P2.7：P2口的8个引脚。一般可作为准双向I/O接口；在接有

片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用为高8

位地址总线。

P3.0-P3.7：P3口的8个引脚。除作为准双向I/O接口使用外，还具

有第二功能。P3.0RXD（串行输入口）。P3.1TXD（串行输出口）。P3.2INTO

（外部中断0请求输入端）。P3.3INTI（外部中断［请求输入端）。P3.4TO

（定时器/计数器0计数脉冲输入端）。P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲输

入端）。P3.6WR（片外数据存储器写选通信号输出端）。P3.7RD（片外数据

存储器读选通信号输出端）

控制线

ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端。在访问片外程序存储器期间，

每机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位

地址。对于片内含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲PROG

的输入端。

PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，或称片外取指令信号输出

端。在向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次

有效（低电平），以通过数据总线P0口读回指令或常数。

RST/Vpd：RST是复位端。单片机的振荡器工作时，该引脚上出现两个

机器周期的高电平就可以实现复位操作，使单片机回复到初始状态。

EA/Vdd：片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电平）时只选用片

外存储器，否则计算机上电或复位后先选用片内程序存储器。

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设计方案

图1-58031引脚单片机的引脚配置图

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硬件部分

2硬件部分

2.1温度传感器

设计中，采样的是人体的体温，所测的量是非电量，所以要用到温度

传感器进行采样，将这中温度转换为电信号才能输入系统进行信息转换和

处理。所以传感器是实现这个设计的首要环节。

这里要求对体温进行采样，所以选用了温度传感器，由于人是恒温动

物，所以这里的温度变化不会太大，就要我们选择合适的温度传感器。

这里我们选用半导体热电阻传感器，他主要就是对温度和与温度有关

的参量进行检测。

2.1.1半导体热电阻传感器

热敏电阻传感器应用范围很广，可用做温度测量、温度控制、温度补

偿、稳压稳幅、自动增益调整、气压稳定、气体和液体分析、火灾报警、

过负荷保护和红外探测等方面。本设计中主要是对人体体温的测量，下面

我们介绍一下温度传感器的温度测量方法。

热敏电阻传感器可用于液体、气体、固体、固熔体、海洋、深井、高

空气象、冰川等方面的测量。他的测量范围一般为-10度到300度，也可

以做200读到10度和300度到1200度，电路图如下，图中的Rt为热敏

电阻，R2、R3为平衡电阻，R1为起始电阻，R4为满刻度电阻，R7〜R9为

分压电阻，R5、R6为uA表修正、保护电阻。然后将电桥输出接到放大器

的输入端，这样测量电路的精度可达到0.1度，感温时间10S以下。

图2-1测量温度的电路图

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硬件部分

2.2.2传感器温度补偿

上述电路中所用的零件多数是由金属丝做成的，金属一般具有正的温

度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所

产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锦铜丝电阻并联后

在与补偿元件串联，以消除热敏电阻的温度系数变化所引起的误差，提高

测量的精度。

图2-2仪表中的电阻温度补偿

2.2压力传感器

压力传感器是一中典型的电能型传感器，就敏感元件本身来说是最简

单的一种，他以某些电介质的压力效应为基础，在外力作用下在电介质的

表面上产生电荷，从而实现力一一电荷的转换，所以他能测量最终能变换

成力的那些物理量。

设计中要求对血压力进行采样，而BP01型压力传感器是为监测血压

而专门设计的，主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和

尼龙塑料封装，具有高线性、低噪声和外界应力小的特点；采用内部标定

和温度补偿方式，从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性，在全量

程范围内，精度为±1%,零点失调不大于±30011V。

2.2.1BP01的主要性能参数？

BP01的内部等效电路和外形封装如下图所示；表所列为BP01在电源

电压Vs为5.0V、环境温度TA为25c时的主要性能参数。

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硬件部分

图2-3BP01内部电路和封装图

BP01的极限参数如下：

最大工作电压：20VDC；

最大耐压：1500mmHg；

工作温度范围：0〜70℃；

引脚焊接温度（最大值）：250℃（2〜4秒）

表2-1BP01的性能参数表

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硬件部分

2.2.2工作原理

用BP01构成的便携式电子血压计的原理电路如下所示，它由偏置电

源电路（Al、A2）、前置处理电路（A3〜A6）、显示电路（A7）和压力传感

器(BP01)组成，该血压计的血压测量范围为0〜200mmHg,分辨率为

0.ImmHg,工作电源为一节9V迭层电池。现将血压计中各主要电路的工

作原理分述如下：

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硬件部分

图2-4BP01构成的便携式电子血压计电路原理图

偏置电源电路：

电源电路由带有内置参考电压的双运放LM10组成，A1构成同相放大

器，A2构成跟随器，它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感

器BP01的偏置电压Vs,其Vs的值由下式决定：

Vs=Vref(1+R2/R3)

式中：Vref为LM10的内置参考电压。其值为200mV,将此值连同电

路中的R2/R3的值代入上式即可求得偏置电压Vs的值为5V。

前置处理电路：

前置处理电路由A3〜A6四个运算放大器组成，其中A3构成失调偏置

电路以对电路失调进行补偿；A5构成跟随器，用于对压力传感器BP01的

输出信号进行隔离缓冲；A4、A6构成放大电路，其增益AV由下式决定：

AV=1+(RI/RT)

若忽略失调，前置处理电路的输出电压Vout为：

Vout=2(1+R1/RT)VIN

式中：VIN为压力传感器BP01的输出电压。

显示电路:

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硬件部分

显示电路选用三位半的显示驱动器。工作时，压力传感器BP01的输

出经前置处理电路放大后，由显示驱动电路来驱动LCD,以读出测量的血

压值。

2.2.3调试方法

零压输出调整：

零压输出时，调整失调电位器RP1,在血压计的显示值为000.0时，

即可认为完成了零压输出调整。

前置电路增益的调整：

压力传感器BP01的满量程输出与偏置电压有一定的关系，当5V偏置

时，在200mmHg压力下的输出为10mV,其对应的显示驱动电路的输入为

200mV,因此前置电路的增益AV为200mV/10mV,这样，利用前面Av

的计算公式即可反推出增益电阻RT的值。

若选取电阻R1为10kQ,则增益电阻RT应为1.IkQ。调试时可先

用电位器调整输

出值，再用万用表测出该电位器的阻值，最后再换成固定电阻。

满量程调整：

满量程调整时，先在显示电路的输入端加上200mV电压，然后调整电

位器RP2,使其读数为199.9mmHg即可。

上调整完成之后，一般应多重复几次，以使显示值可靠地符合精度要

求。

2.3A/D转换电路

由于数字电子技术的迅速发展，尤其是计算机在自动控制、自动检测

以及许多其他领域中的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况也更加

普遍了。为了能够使用数字电路处理模拟信号，必须把模拟信号转换成相

应的数字信号，方能送如数字系统进行处理。这种能进行模数转换的电路

就叫A/D转换电路。

这个设计中就是要把传感器采样收集的模拟信号转换成数字信号，在

通过显示系统显示出来。设计中所应用的就是AD574A芯片进行了A/D转

换。

2.3.1A/D转换器芯片AD574A

AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器；

分辨率为1/212=0.024%；

转换时间为25Us,适合于在高精度快速采样系统中使用；

内部结构大体与ADC0809类似，由12位A/D转换器、控制逻辑、三

态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接,

但只能输入一路模拟量，AD574A也采用28脚双立直插式封装。

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硬件部分

图2-5AD574A结构框图

各引脚功能如下:

Vcc：工作电源正端，+12VDC或+15VDC。

VEE：工作电源负端，？12VDC或?15VDC。

VL：逻辑电源端，+5VDCo虽然使用的工作电源为?12VDC或?15VDC,

但数字量输出及控制信号的逻辑电平仍可直接与TTL兼容。

DGND,AGND：数字地，模拟地。

REFOUT：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为+10.00V?l%。

REFIN：基准电压源输入端，如果REFOUT通过电阻接至REFIN,则

可用来调量程。STS：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示

已转换完毕。

DB0-DB11：12位输出数据线，三态输出锁存，可与主机数据线直接相

连。

CE：片能用信号，输入，高电平有效。

CS：片选信号，输入，低电平有效。

R/C：读/转换信号，输入，高电平为读A/D转换数据，低电平为起动

A/D转换。12/8：数据输出方式选择信号，输入，高电平时输出12位数

据，低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数据。12/8不能用TTL

电平控制，必须直接接至+5V（引脚1）或数字地（引脚15）。

A0：字节信号，在转换状态，A0为低电平可使AD574A产生12位转

换，A0为高电平可使AD574A产生8位转换。在读数状态，如果12/8为

低电平，A0为低电平时，则输出高8位数，而A0为高电平时，则输出低

4位数；如果12/8为高电平，则A0的状态不起作15

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硬件部分

用。

CE、CS、R/C、12/8、A0各控制信号的组合作用，列于表2-2。

表2-2AD574控制端标志意义

10VIN,20VIN,BIPOFF：模拟电压信号输入端。单极性应用时,将BIP

OFF接0V,双极性时接10V。量程可以是10V,也可以是20V。输入信

号在10V范围内变化时，将输入信号接至10VIN；在20V范围内变化时,

接至20VIN。模拟输入信号的几种接法如下表所示，相应电路如下图所示。

(a)单极性

图2-14AD574A的输入信号连接方法图2-6AD574A模拟端接法

图

(b)双极性

表2-3模拟输入信号的几种接法

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硬件部分

2.3.2A/D转换器接口电路

在计算机控制系统中，同模拟量输出通道一样，模拟量输入通道也是

以模板或板卡形式出现的，A/D转换模板也需要遵循I/O模板的通用性原

则：符合总线标准，接口地址可选以及输入方式可选。前两条同D/A模板

一样，而输入方式可选主要是指模板既可以接受单端输入信号也可以接受

双端差动输入信号。

在结构组成上，A/D转换模板也是按照I/O电气接口、I/O功能逻辑和

总线接口逻辑三部分布局的。其中。I/O电气接口完成电平转换、滤波、

隔离等信号调理作用，I/O功能部分实现采样、放大、模/数转换等功能，

总线接口完成数据缓冲、地址译码等功能。

2.4整行放大电路

2.4.1放大电路的特点

在电子信息系统中，通过传感器或者其他途径所采集的信号往往很小,

不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大。本设计中所的的信号为

人体的体温、脉搏、心跳，都是弱信号，所以这里我们选用集成仪表用放

大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大。

由上可知，传感器所的的信号是放大器的来源，多数传感器的等效电

阻均不是常量，它们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言，

信号源内阻R5变量，根据电压放大倍数的表达式：

可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为保证放大器对不同幅

值信号具有稳定的放大倍数，必须使得放大器的输入电阻

起的放大误差就愈小。

此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，

其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信

号的能力。

综上所述，仪表运放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输

入电阻和高17,

愈大，因信号源内阻变化而引

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硬件部分共模抑止比。

集成仪表用放大器的具体电路多种多样，但很多电路都是在下图中演

变而来的，根据运算电路的基本分析方法，下图电路中，UA=U11,UB=U12,

因而

图2-7三运放构成的精密放大器

所以输出电压

设

，则

当

时，由于

,R2中电流为零，，输出电压

可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数值愈大，共

模抑制比愈高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。

2.4.2INA102集成仪表用放大器

如图所示为型号是INA102的集成仪表用放大器，图中各电容均为相

位补偿电容。RLR2、R3与上图（三运放构成的精密放大器）中的R2对

应，R4、R5与上图中的R1对应；第二级电路的电压放大倍数为1。INA102

的电源和输入级失调调整引脚接法如下图所示，两个1

F电容为去耦电容。改变其它管脚的外部接线可以改变第一级电路的

增益，18

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硬件部分分别为1、10、100和1000四种情况，接法如下表所示。

INA102的输入电阻可达10000MQ,共模抑止比为100dB,输出电阻

0.1Q,小信号带宽为300kHz;当电源电压+-15V时，最大共模输入电压为

+-12.5V。

表2-4INA102集成仪表用放大器增益的设定

图2-8INA102的外接电源和输入级失调调整

19

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硬件部分

图2-9INA102的集成仪表用放大器

2.5键盘扫描电路

由80c51系列单片机构成的小型测控系统或智能仪表中，常常需要扩

展显示器和键盘以实现人机对话功能。8279芯片在扩展显示器和键盘时功

能强、使用方便。其功能是：接收来自键盘的输入数据并作预处理；完成

数据显示的管理和数据显示器的控制。如果单片机应用系统采用8279管

理键盘和显示器，则软件编程极为简单，显示稳定，且减少了主机的负担。

8279是一种可编程的键盘/显示器借口芯片，他含键盘输入和显示输

出两中功能。键盘部分提供的扫描方式，可以和64个按键或传感器的阵

列相连。能自动消除开关抖动以及N个键同时按下的保护。显示部分按扫

描的方式工作。可以显示8或16位LED显示块

由于这个设计需要人机对话，所以这里选用8279芯片来组成了人机

对话窗口，将采样获得的信号通过8279显示给用户。下面是8179芯片的

介绍。

20

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硬件部分

图2-108279芯片引脚图

至CPU

显示输出

扫描输出

键盘输入

21

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硬件部分

图2-118279基本结构示意图

表2-5各引脚的功能表

2.5.18279芯片主要部件介绍

数据总线缓冲器和I/O控制双向、三态的数据总线缓冲器用于与单

片机的数据22

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硬件部分总线相连。当CS、WR为最低时，D7〜D0上信息写入数据总线

缓冲器。当A0=l,读向CPU的是状态字，自CPU写入的是命令字;当A0=0,

读、写的都是数据。

（1）控制及定时寄存器和控制及定时控制及定时寄存CPU送来的

命令字，再通过译码产生相应的控制信号。定时是在对CLK端输入的外部

时钟频率N分频、的到100kHz的内部定时脉冲的基础上，进一步给出5.1ms

的键盘扫描时间、10.3ms的消抖时间和显示扫描时间。

扫描计数器它有两种工作方式。一中是编码方式，需由外部译码器

对扫描输出端SL3〜SL0上的二进制计数进行译码，以产生对键盘或显示器

的扫描信号；另一种是译码方式，在内部对计数器低两位译码后再送SL3〜

SL0输出，可作为4X8键盘和4位显示器的扫描信号。

输入缓冲器和键盘消抖控制输入缓冲器用于锁存RL7〜RL0上的信

息。键盘工作方式时，当搜索到闭合键，等待10.3ms,若该键仍闭合，则

将该键仍闭合，则将该键所在的行、列号和SHIFKCNTL键状态都写入FIFO/

传感器RAM。传感器方式时，则直接将扫描时RL7〜RL0上信息写入FIFO/

传感器RAM。8279还可工作于选通方式，此时由选通信号STB的上升沿

将RL7-RL0上信息写入FIFO/传感器RAM。

FIFO/传感器RAM和它的状态寄存器该RAM有8个单位。在键盘和

选通方式时，按写入的次序，也即先进先出的原则读出。它的状态寄存器

存放状态字，用以指出此RAM中存放的字符数，是否出错以及溢出、空、

满等信息。RAM中有数据时，IRQ变高。在传感器方式时，RAM的每一单

元存放传感器矩阵中相应列的状态信息；当某一传感器状态有变化，IRQ

变高。

显示RAM和显示地址寄存器该RAM有16个单元，用于存放要显

示的笔画信息。它的地址寄存器存放由CPU正在读或写该RAM某单元的

地址，或正在显示的两个半字节的地址。

2.5.2由CPU向8279写入的8种命令字

方式命令字用于设定8279的工作方式。他的D7、D6、D5=000,是

该命令字的特征位。D4、D3用于设定显示部分工作方式。D2、DI、DO用

于设定键盘部分工作方式。

表2-6D4、D3的工作方式

D4D3

00

01

10

11

显示工作方式显示8个字符，显示信息左起写入显示RAM显示16

个字符，显示信息左起写入显示RAM显示8个字符，显示信息右起写入

zj\RAM显7K16个字符，显K信息右起写入显示RAM

表2-7D2、DI、DO的工作方式

23

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硬件部分D2DIDO

000

001

010

Oil

100

101

110

1I0键盘工作方式编码扫描键盘，双键封锁译码扫描键盘,

N键依次读出编码扫描键盘，双键封锁译码扫描键盘，N键依次读出编

码扫描传感器矩阵译码扫描传感器矩阵选通输入，编码扫描显示器选

通输入，译码扫描显示器

封锁和N键依次读出是两中保护方式：前者当双键同按时，只在其中

另一键松开时，该键的按合才有效；后者当N键同按时，将根据扫描发现

的顺序依次读送到FIFO/传感器RAMo

8279复位后，该命令字为08H。

分频命令字用于设定分频系数N。他的D7、D6、D5=001,是特征位。

D4〜D0是N的值，可以是1〜31。

8279复位后，该命令字为3FH。

读FIFO/传感器RAM命令字在读FIFO/传感器RAM中的数据前，必

须先写入此命令字，它的D、D6、D5=010,是特征位。D3无意义。D2、

DLD0是要读的起始地址。D4=L每次读出后地址自动加1,以便依次读

出；D4=0,则只读一个单元。

读显示RAM命令字在读显示RAM中的数据前，必须先写入此命令

字。他的D7、D6、D5=011,是特征位。D3、D2、DI、D0是要读的起始地

址。与上一命令字一样：D4=l,每次读出后地址可自动加1。

写显示RAM命令字在写显示RAM中的数据前，必须先写入此命令

字。它的D7、D6、D5=100,是特征位。D3、D2、DI、DO是要写的起始地

址。若D4=l,则每次写入后地址自动加1。

屏蔽与消隐命令字需要改写显示RAM中某个单元的半个字节，而

要求不影响、即屏蔽它的另半个字节时要写入此命令字；需要使显示熄灭、

即消隐时也要写入此命令字。它的D7、D6、D5=101,是特征位。D4无意

义。D3为1与D2为1分别可屏蔽高半字节与低半字节。D1为1与DO为

1分别可消隐高半字节与低半字节。

清除命令字在需要清除RAM中内容等情况下，写入此命令字。它

的D7、D6、D5=110,是特征位。D4、D3、D2是显示RAM的清除位：D4、

D3、D2=10X,显示RAM全部清零；D4、D3、D2=110,显示RAM全清成

20H；D4、D3、02=111,显示RAM全部置1；D4=0,若D0=0,将不清除。

DO是总清零位：D0=l,8279的RAM便总清。D1是FIFO/传感器RAM的

清除位：Dl=l,便清除；切使IRQ端复位和使该RAM的读出地址被置为24

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硬件部分零。

结束中断/设定出错命令字它有两种功能。在传感器方式时，若读

FIFO/传感器RAM命令字的D4=l,则CPU读这一RAM后，需依赖本命令

字才能使IRQ回低，即结束中断。另外，在N键依次读出方式时，若写入

本命令字，且它的D4=l,则当消抖周期内发现多键同时按时，FIFO状态

的D6位将置1,设定“出错”；而IRQ变高，阻止写入FIFO/传感器RAM。

本命令字的D7、D6、D5=lll,是特征位。D3〜DO位无意义。

8279的状态字的格式为：D7当执行清除命令时为1,此时写显示RAM

无效。D6位如为1,在N键依次读出方式时，表示出错；而在传感器方式

时，表示至少有一个传感器闭合。D5、D4、D3位分别在FIFO/传感器RAM

溢出、已清空和全满时置1。D2、DI、DO表示FIFO/传感器RAM中的字符

数。

上面叙述了8279的命令字与状态字。而8279的数据格式为：在键盘

方式下，D7、D6分别表示CNTL键和SHIFT键的状态；D5、D4、D3表示

扫描计数器的数值，也即键盘的行号；D2、DLDO表示由RL7〜RLO确定

的闭合键的列号。在传感器方式和选通方式时，则D7〜DO分别与RL7〜

RLO的值相对应。

2.5.3共阴极LED数码管

LED显示器是由发光二极管作为为显示字段的数码显示器件，图2-18

为一位LED显示器的外形和引脚图，其中七只发光二极管（a〜g七段）构成字

型“8”，另外还有一只发光二极管dp作为小数点。当显示器的某一段发

光二极管通电时，该段发光，例如，jk使b、c、f、g这段发“码管外形和

引脚"

共阴极结构：

图2-12LED管显示器引脚图

LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，下面只介绍共阴极3,在共

阴极结构中，25

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硬件部分各段发光二极管的阴极连在一起，将此公共点接地，某一段发

光二极管的阴极为高电平时，该段发光。

共阴极字段码：

LED显示0〜9某个字符时，则要求在a〜dp送固定的字段码，如要使

LED显示“0”，则要求a、b、c、d、f各引脚为高电平，g和dp为低电平，

字段码为"3fh"。dpgfedcba

001111113fh

共阴极字符0〜9七段码如下：

字符：0123456789

字段码：3fh06h5bh4fh66h6dh7dh07h7fh6fh

限流电阻R计算：

普通的LED的平均电流工作为3mA左右(高亮度型为1mA),LED压降

如果按1.7V计算，则

R=U/l=(5-1.7)/0.003=1100(Q)

2.6存储器扩展2716和74LS373

既是单片机，在一片小芯片上就集成了计算机的基本组成电路。理应

独立作为计算机使用，更好的发挥其体积小、重量轻、耗点少、价格低

的优点。然而，在组成这个监测系统时，单片机本身的功能容量不够，在

这里我们进行了扩展，我们用的是8031芯片，由于此芯片不含程序存储

器，必须添加片外程序存储器，再用地址锁存器，才能完成设计，我们这

选用了2716片外存储芯片和74LS373地址锁存器。

2.6.174LS373芯片

74LS373是一种带输出三态门的8D锁存器，1D~8D为8个输入端:

1Q~8Q为8个输出端。G为数据锁存控制端；当G为“1”时，锁存器输

出端同输入端；当G由“1”变“0”时，数据输入锁存器中。OE为输出

允许端；当OE为“0”时，三态门打开；当OE为“1”时，三态门关闭,

输出呈高阻状态。

26

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硬件部分

图2-1374LS373引脚图

图2-1474LS373内部结构图

表2-8功能表

2.6.2存储扩展2716

27

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硬件部分

图2-152716芯片引脚图

表2-92716工作方式选择

2.6.3存储器扩展连接

28

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硬件部分

图2-168031扩展接线图

由上图可确定2716芯片地址范围。方法是A10〜A0从全0开始，然

后从最低位依次开始加1,最后变成全1,相当于2的11次方等于2048

个单元地址依次选通，称为字选。即：

P2.7-“2.3P2.2-32.0P0.7-P0.0地址范围

AIS-'MlA10〜A8A7,7Ao

0?00?00?00000H（首地址）

111

111

0?01?11?107FFH（末地址）

29

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软件部分3软件部分

3.1软件流程图

30

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软件部分

3.2子程序流程图

31

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软件部分

32

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软件部分

3.2软件程序

Z8279EQUBFFFH；8279状态/命令口地址

D8279EQUBFFEH；8279数据口地址

LEDMODEQUOOH;左边输入八位字符显示；外部译

码键扫描方式。LEDFEQEQU2FH;扫描速率

START：MOVRO,#0

MOVRI,#0

MOVR2,#0

MOVS?#50H；设置堆栈指针

MOVDPTR,Z8279;指向8279命令口地址

MOVA,#OD1H;总清除显示RAM命令字

MOVX@DPTR,A；总清除命令字写入8279LP1：

MOVXA,@DPTR;读8279内状态字

JBACC.7,LP1；等待清除显示RAM

MOVA,#00H；设置键盘/显示器工作方式命

令字MOVX@DPTR,A;命令字写入

8279

MOVA,#34H;对CLK20分频为lOOKHz命令字

MOVX@DPTR,A;分频命令字写入8279

33

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软件部分

键盘扫描程序:

KEY：MOVDPTR,#7FFFH;准备选通和读回键盘各

列线电平值MOVPl,#OFOH；全扫描。

MOVXA,(5)DPTR

ORLA,#OFOH;要读的是来自P0口的低4位

CPLA

JNZIN

RET

IN：ACALLDELAY

MOVR2,#04H

MOVR4,#7FH

MOVR7,#0；

SCAN：MOVA,R4

RLA

MOVR4,A

MOVRI,A

MOVXA,@DPTR

MOVR3,#04HR3

NEXT：RRCA

JNCFIND

JNCR7

DJNZR3,NEXT

DJNZR2,SCAN

RET

FIND：MOVPl,#OFOH

LOOSEN：MOVXA,@DPTR

ORLA,#OFOH

CPLA

JNZLOOSEN

MOVA,#OF6H

;无键按下，返回；延时；消抖。；R2做计数器；R4做指针逐

行扫描做计数器未找到，键号加1未找到按键，返回34

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软件部分

JCORDER键号大于9,是命令键

MOVRO,D8279

MOVA,#4

SUBBA,RO

JZSJTX

MOVA,#3

SUBBA

JZQBCS

MOVA

SUBBA

JZXINL

MOVA

SUBBA

JZTIWEN

TIWEN：MOVA

ADDA

DAA

MOVRO

ANLA

MOVRI

LCALLXIANS

MOVA

RRCA

ANLA

MOVRI

LCALLXIANS

JMPKEY

SJTX：MOVA

ADDA

DAA

MOVRO

ANLA

RO,#2,RO，#1，RO,PO,

#0,A,#0FH,A,RO,4,#OFH,A,PO,#0,A,#OFH35

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软件部分MOVRI,A

LCALLXIANS

MOVA,RO

RRCA,4

ANLA,#OFH

MOVRI,A

LCALLXIANS

JMPKEY

QBCS：MOVA

ADDA

DAA

MOVRO

ANLA

MOVRI

LCALLXIANS

MOVA

RRCA

ANLA

MOVRI

LCALLXIANS

JMPKEY

XINL：MOVA

ADDA

DAA

MOVRO

ANLA

MOVRI

LCALLXIANS

MOVA

RRCA

ANLA

MOVRI

,PO,#0,A,#OFH,A,RO,4,#OFH,A,PO,#0,A,

#OFH,A,RO,4,#OFH,A36

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软件部分LCALLXIANS

JMPKEY

显示程序：

XIANS：PUSHDPH;提示符显示代码地址入

栈保护PUSHDPL

MOVR2,#08H