AT89S52單片機(jī)心率計(jì)2012畢業(yè)論文

1、2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要 在社會飛速發(fā)展的今天，人們的物質(zhì)文化生活得到了極大的提高，但同時(shí)多種疾病威脅著人們的生命；而心臟病的發(fā)作又是人們難以預(yù)防的突發(fā)致命疾病，所以健康也被越來越多的人所重視。本設(shè)計(jì)要解決的問題就是可以測量心率、預(yù)防心臟病等心臟方面疾病的數(shù)字心率計(jì)。本設(shè)計(jì)采用以AT89S52單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示心率計(jì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、信號采集子程序、信號放大處理子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)心率測量的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功

2、能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。該心率計(jì)的原理是用紅外光電傳感器OPT101接收到人體信號，因人體信號很微弱，所以在電路中設(shè)置了雙重放大電路（主要芯片：OP07、LM324N）。該信號經(jīng)放大整形處理后傳給A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，經(jīng)過以上處理后，再傳給單片機(jī)AT89S52計(jì)算，計(jì)算完后由四位數(shù)碼管顯示出來。該心率計(jì)可以簡單的測量出人的心跳和人體體溫，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，這將大大減少病人測量心跳和體溫的時(shí)間。關(guān)鍵字：心率；測量； 單片機(jī)AT89S52；轉(zhuǎn)換器AbstractToday in the rapid development of society, people

3、s material and cultural life 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, ca

4、rdiac disease, heart disease and other digital heart rate meter.This 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 functi

5、ons to achieve heart rate measurement. On 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 infrar

6、ed photoelectric sensor OPT101 to human signals, 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 treatm

7、ent, and then passed to microcontroller AT89S52 calculated, 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 tem

8、perature of the time.Keywords: heart rate； measurement； microcontroller AT89S52；converter目錄摘要IAbstractII1緒論11.1課題的來源11.2課題設(shè)計(jì)的目的及功能實(shí)現(xiàn)的方法11.3論文結(jié)構(gòu)22總體方案設(shè)計(jì)42.1心率計(jì)原理42.2總體電路框圖設(shè)計(jì)43元器件選擇及其功能介紹63.1單片機(jī)AT89S5263.2傳感器OPT10173.2.1OPT101的技術(shù)性能73.2.2OPT101的典型應(yīng)用83.3集成運(yùn)算放大器OP07103.4低功率運(yùn)算放大器LM324N113.5A/D轉(zhuǎn)換器ADC080912

9、4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真144.1單片機(jī)最小系統(tǒng)144.2信號采集電路154.3信號放大電路與仿真164.3.1信號放大電路與仿真164.3.2電源模塊設(shè)計(jì)174.4信號比較電路184.5A/D轉(zhuǎn)換電路194.6顯示電路194.7系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖205系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)225.1測量計(jì)算原理225.2主程序流程圖225.3中斷程序流程圖235.4定時(shí)器T0和T1的中斷服務(wù)程序246系統(tǒng)硬件調(diào)試256.1系統(tǒng)各部分電路模塊測試與仿真256.1.1一級放大電路256.1.2比較電路276.2試驗(yàn)與焊接階段286.2.1試驗(yàn)階段286.2.2焊接與完成階段296.3整機(jī)調(diào)試316.3.1心跳的測量過程3

10、16.3.2幾種主要系統(tǒng)干擾與影響316.4試驗(yàn)結(jié)果分析327總結(jié)和展望33致 謝35參考文獻(xiàn)36附錄一：38381 緒論心率不僅是反映心臟功能強(qiáng)弱的重要標(biāo)志，也是反映人體運(yùn)動強(qiáng)度的生理指標(biāo)，很多情況下我們需要及時(shí)知道自己的心率本文介紹一種基于單片機(jī)技術(shù)的心率計(jì)，單片機(jī)的可編程性使其具有較大的適應(yīng)性和靈活性1.1 課題的來源在醫(yī)學(xué)上，通過測量人的心率，便可初步判斷人的健康狀況。隨著人們生活水平的提高，地球環(huán)境遭到破壞，多種疾病威脅著人們的生命；而心臟病的發(fā)作又是人們難以預(yù)防的突發(fā)致命疾病。因此，心率計(jì)很快產(chǎn)生，并得到發(fā)展。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展、人們的生活節(jié)奏加快，設(shè)計(jì)一種以使用方便為前提，能夠

11、快速測出人心率的心率計(jì)，不僅是臨床者的欲求，也是體育訓(xùn)練者和外出旅游者的需求，因此，單片機(jī)快速心率計(jì)有著廣闊的市場前景。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求： 心率計(jì)要在5秒鐘內(nèi)顯示被測人的心率參數(shù) 要求設(shè)計(jì)異常聲光報(bào)警 心率傳感器要求套在手指測量。該設(shè)計(jì)，從符合操作簡便、外表美觀、實(shí)用、安全的要求出發(fā)，完成設(shè)計(jì)和調(diào)試的全過程，該產(chǎn)品經(jīng)過數(shù)十人的測試，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的要求。1.2 課題設(shè)計(jì)的目的及功能實(shí)現(xiàn)的方法現(xiàn)在經(jīng)?？梢钥吹皆谠S多小型醫(yī)院里，對心率的測定仍采用人工聽診器的方式，為了方便心率的采集，決定用AT89S52單片機(jī)為主芯片制作一個(gè)簡單易用易攜的心率計(jì)，能自動測量心跳次數(shù)并數(shù)字化形象直觀的表現(xiàn)出來。為此

12、，其中心率計(jì)特色功能的實(shí)現(xiàn)主要靠有效穩(wěn)定的信號采集模式，可以通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的心率采集有兩種方法：通過一對紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)和通過壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。方案一：檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變，當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減?。划?dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述位置，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)化為電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測

13、脈搏次數(shù)的目的。方案二：檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏及頸部的搏動較為明顯，我們采用壓電傳感器放在上述位置，把壓電傳感器測到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測脈搏次數(shù)的目的。1.3 論文結(jié)構(gòu)本文闡述了基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的心率計(jì)的設(shè)計(jì)原理與 實(shí)現(xiàn)方法。以AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了心率計(jì)的各種功能。文中詳細(xì)地描述了心率計(jì)的設(shè)計(jì)過程，包括：取樣電路、放大電路、比較電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)處理電路和顯示電路，同時(shí)還提出了基于單片機(jī)的編碼、譯碼程序設(shè)計(jì)流程圖。從整體上實(shí)現(xiàn)了心率計(jì)的功能。第1章：對本論文的選題的目的和意義以及論文的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，并說明了心率

14、計(jì)的設(shè)計(jì)思路及課題的設(shè)計(jì)和要求。第2章：介紹了系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)與原理總圖，簡要的介紹了設(shè)計(jì)的原理和框圖介紹。第3章：詳細(xì)介紹了系統(tǒng)所需的主要元器件單片機(jī)AT89S52、運(yùn)算放大器LM324N、比較器OP07DP、 A/D轉(zhuǎn)換器及部分元器件使用說明。第4章：詳細(xì)介紹了單片機(jī)最小系統(tǒng)，對取樣電路、放大電路、比較電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)處理電路和顯示電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并附了部分電路的仿真圖。第5章：在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，闡述了對軟件的設(shè)計(jì)并介紹了程序計(jì)算方法，給出了程序主程序和子程序。第6章：在本章介紹了軟硬件調(diào)試、焊接及仿真和結(jié)果分析第7章：總結(jié)本文的研究工作，對心率計(jì)未來的發(fā)展方向及需要改進(jìn)的

15、地方進(jìn)行了展望。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 心率計(jì)原理隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小;當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測脈搏次數(shù)的目的。本電路把心跳脈沖輸入給計(jì)數(shù)器之前，作了100倍頻處理，組成方框圖。假設(shè)心跳每分鐘為n次，相當(dāng)頻率n/60Hz，

16、則100倍頻后為5/3nHz，這時(shí)，只要計(jì)數(shù)閘門設(shè)置為0.6秒，則能準(zhǔn)確顯示出心率來。如n=76，100倍頻后頻率為127Hz，通過脈沖為1270.6=76，正好與實(shí)際心率相符。2.2 總體電路框圖設(shè)計(jì)心率計(jì)的總體設(shè)計(jì)電路框圖如圖2-1所示，主要包括取樣電路、放大電路、比較電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)處理電路和顯示電路先用紅外光電傳感器采集與心跳同頻率的信息，當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較大時(shí)，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度很弱，光敏三極管無法導(dǎo)通，所以輸出端為高電平；當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較小時(shí)，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度較強(qiáng)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為低電平

17、，這樣就形成了頻率與脈搏次數(shù)成正比的低頻信號，它近似于正弦波形脈搏為50次，分時(shí)，頻率是078Hz，199次，分時(shí)是333Hz，從傳感器過來的是低頻信號該低頻信號首先經(jīng)RC振蕩器濾波以消除高頻干擾，經(jīng)無極性隔直流電容C3、C5加到線性放大器的輸入端放大器將信號放大200倍，并與R7、c6組成截止頻率為10I-Iz左右的低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾正弦信號經(jīng)CIO、R14微分形成尖脈沖信號，單穩(wěn)態(tài)振蕩電路將尖脈沖信號轉(zhuǎn)化為同頻率的長脈沖信號，該脈沖信號通過R17送到單片機(jī)后，軟件對信號進(jìn)行處理，最后在數(shù)碼管上顯示數(shù)值。光電傳感器放大電路比較電路A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)處理電路顯示電路-5V電源圖

18、 2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖3 元器件選擇及其功能介紹3.1 單片機(jī)AT89S52 主要性能：（1） 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容（2） 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器（3） 1000次擦寫周期 （4）全靜態(tài)操作：0Hz33Hz（5） 三級加密程序存儲器（6） 32個(gè)可編程I/O口線 （7） 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（8） 八個(gè)中斷源（9） 全雙工UART串行通道 （10）低功耗空閑和掉電模式（11）掉電后中斷可喚醒 （12） 看門狗定時(shí)器（13）雙數(shù)據(jù)指針 （14）掉電標(biāo)識符功能特性描述：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使

19、用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允

20、許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止.AT89S52的引腳結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖 3-1 AT89S52的引腳結(jié)構(gòu)3.2 傳感器OPT1013.2.1 OPT101的技術(shù)性能 OPT101型傳感器是美國B-B公司研制的集光敏器件（光敏二極管）與信號放大于一體的器件.采用單電源供電，壓電輸出。輸出電壓隨照射到光敏器件的光強(qiáng)度呈線性變化?？捎糜卺t(yī)療儀器、實(shí)驗(yàn)室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。OPT101型傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 OPT101型傳感器

21、的性能、特點(diǎn)：（1）單電源供電 +2.7V+36V（2）光敏二極管的尺寸：0.09*0.09in（3）片內(nèi)放大器反饋電阻：Rf=1M（4）光敏二極管響應(yīng)：0.45A/W(650nm時(shí))（5）響應(yīng)帶寬：14K Hz（Rf=1M）（6）靜態(tài)電流：120 mA (7) 采用8引腳DIP，5引腳SIP，與8引腳表面貼裝封裝（8）工作溫度：070圖 3-2 OPT101型傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)3.2.2 OPT101的典型應(yīng)用應(yīng)用片內(nèi)1M與3pF組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，即將引腳4、5連接即構(gòu)成基本應(yīng)用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系如圖3-3，照射光線的入射角與輸出幅度的關(guān)系如圖3-4所示。圖 3-3

22、電路的輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系圖 3-4 照射光線的入射角與輸出幅度的關(guān)系 當(dāng)不用片內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)，使用外部反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)（在2腳與5腳間），其輸出特性與頻率特性如圖3-5和3-6所示。圖 3-5 采用外部反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的輸出特性圖 3-6 采用外部反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的頻率特性3.3 集成運(yùn)算放大器OP07這些低成本JFET輸入運(yùn)算放大器整合在一個(gè)單片集成電路上，是目前國家最先進(jìn)的線性技術(shù)。每個(gè)內(nèi)部補(bǔ)償運(yùn)算放大器具有良好的匹配低輸入高電壓JFET輸入設(shè)備的偏移電壓。該技術(shù)提供廣泛的BIFET帶寬和快速的低輸入偏置電流的轉(zhuǎn)換速率，輸入失調(diào)電流和電源電流。這些器件在單、雙和四引腳與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器MC1741兼

23、容。集成運(yùn)放TL184CN的最大額定值如表3-1所示。OP07的性能特點(diǎn)： （1）輸入失調(diào)6.0 mV和15 mV的最大電壓選項(xiàng) （2）低輸入偏置電流：30pA（3）低輸入失調(diào)電流：5.0pA（4）增益帶寬：40 MHz（5）高壓擺率：13V/us （6）低電源電流：每個(gè)放大器1.4mA （7）高輸入阻抗：1012 W表3-1 TL184CN的最大額定值類別符號大小單位電源電壓VCCVEE 18 -18 V差分輸入電壓Vid30V輸入電壓范圍Vidr15 V輸出短路持續(xù)時(shí)間 Tsc連續(xù)，沒中斷操作環(huán)境溫度范圍 TA 0+70儲藏溫度范圍Tstg -651503.4 低功率運(yùn)算放大器LM324N

24、LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。其最大額定值如表3-2所示，與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有顯著的有點(diǎn)：該四放大器可以工作在低到3.0伏或高到32伏的電壓下，靜態(tài)電流大致為MC1741的五分之一（對每個(gè)放大器而言），共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性，輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。其特點(diǎn)為：（1）短路保護(hù)輸出 （2）真差動輸入級（3）單電源工作，3.0V32V （4）低輸入偏置電流，最大100nALM324A（5）每一個(gè)封裝四個(gè)放大器 （6）內(nèi)部補(bǔ)償（7）共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 （8）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳輸出（9）在輸入端的

25、靜電放電位增加可靠性而不影響器件的工作表3-2 LM324的最大額定值額定值符號LM324,LM324ALM2902LM2902V單位電源電壓單電壓分離電壓VCCVCC,VEE3216 26 13Vdc輸入差動電壓范圍Vidr3226Vdc輸入共模電壓范圍Vicr -0.3至32-0.3至26Vdc輸出短路持續(xù)時(shí)間 Tsc 連續(xù)結(jié)溫 Tj 150保存溫度范圍Tstg -65+150工作環(huán)境溫度范圍TA-25+85070-40+105-40+1253.5 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以轉(zhuǎn)換輸出20000個(gè)數(shù)字量,有STB選通控制的BCD碼輸出,與微機(jī)接口

26、十分方便.ADC0809具有精度高(相當(dāng)于14位A/D轉(zhuǎn)換),價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn).其轉(zhuǎn)換速度與時(shí)鐘頻率相關(guān),每個(gè)轉(zhuǎn)換周期均有:自校準(zhǔn)(調(diào)零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準(zhǔn)電壓積分)和過零檢測四個(gè)階段組成,其中自校準(zhǔn)時(shí)間為10001個(gè)脈沖,正向積分時(shí)間為10000個(gè)脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過20001個(gè)脈沖).ADC0809為DIP28封裝,芯片引腳排列如圖3-7所示，主要參數(shù)如表3-3所示：圖3-7 芯片ADC0809引腳圖表3-3 ADC0809的主要參數(shù)電源電壓V+ +6V 溫度范圍070V-9V熱電阻PDIP封裝qJA55模擬輸入電壓V+ to V- 最大結(jié)溫1

27、50參考輸入電壓V+ to V-最高儲存溫度范圍-65150時(shí)鐘輸入電壓GND to V+ -4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、信號采集、信號放大、比較電路及信號轉(zhuǎn)換電路五部分。單片機(jī)采用AT89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測由傳感器OPT101信號采集電路輸出的信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的四位LED數(shù)碼管，信號用OP07放大，比較電流用LM324N。仿真主要包括放大電路與-5V電源電路與比較電路。4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)AT

28、89S52是片內(nèi)有EPROM的單片機(jī)。因此，用這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、可靠。用AT89S52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路以及擴(kuò)展的簡單I/O口即可，如圖4-1所示。由于受集成度、片內(nèi)功能的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)為：有可供用戶使用的較多的I/O口線。由于不需要擴(kuò)展外部存儲器，EA應(yīng)接高電平，P0、P1、P2、P3均作為用戶I/O口使用。內(nèi)部存儲器容量有限。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。如AT89S52的應(yīng)用軟件須依靠半導(dǎo)體廠家用半導(dǎo)體掩膜技術(shù)置入，故AT89S52應(yīng)用系統(tǒng)一般用作大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)。另外，P0、P2口的應(yīng)用與開發(fā)環(huán)

29、境差別較大。圖4-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖4.2 信號采集電路信號采集電路如圖4-2所示。D1與Vb組成光電傳感器。因光電傳感器輸出的點(diǎn)脈沖信號時(shí)非常微弱的信號，而且頻率很低（如脈搏50次/分鐘為0.78Hz，200次/分鐘為3.33Hz），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要經(jīng)過R3、C1低通濾波，去除高頻干擾。當(dāng)傳感器檢測到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，其輸出端的直流電壓信號會有很大變化。圖4-2 信號采集電路4.3 信號放大電路與仿真 4.3.1 信號放大電路與仿真如圖4-3所示，R5與R1、R2、R3的電阻和之比為放大器的放大倍數(shù)，經(jīng)過計(jì)算所得改放大器的理論值為200倍，但由于11號接口上-5V供壓

30、不足再加上材料限制和人為的因素，該放大倍數(shù)只有20倍左右。 圖中C2為耦合電容，作用為隔直流通交流，之所以使用10u的電容，是為了讓所有的信號通過。C3同C2一樣。信號放大電路仿真圖如圖4-4所示。圖 4-3 信號放大電路圖 4-4 信號放大電路仿真圖4.3.2 電源模塊設(shè)計(jì)-5V電源由555定時(shí)器生成，原理圖如圖4-5 所示：圖4-5 -5V電源電壓原理圖-5V電源電壓仿真圖如圖4-6 所示： 圖 4-6 -5V電源電壓仿真圖4.4 信號比較電路電壓比較器是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動控制電路、測量技術(shù)，也可用于V/F 變換電路、A/D 變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電

31、路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。我們主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，電壓比較器是對兩個(gè)模擬電壓比較其大小并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖4-7 所示。圖4-7 電壓比較器4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4-8所示。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量

32、輸出到數(shù)據(jù)總線上圖 4-8 A/D轉(zhuǎn)換器連線圖4.6 顯示電路LED采用3位8段加提示符的液晶顯示模塊LCM046，3-4線串行接口，低功耗特性；顯示狀態(tài)功耗為50Ua;省電模式下1uA;工作電壓2.7V5.2V。視角對比度可調(diào)，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，可加背光。AT89S52通過P0.0P0.7與LED連接.圖4-9為顯示電路：圖 4-9 顯示電路4.7 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖心率計(jì)的總體電路如圖4-10所示，主要包括取樣整型電路，單片機(jī)處理電路和顯示電路先用紅外光電傳感器采集與心跳同頻率的信息，當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較大時(shí)，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度很弱，光敏三極管無法導(dǎo)通，

33、所以輸出端為高電平；當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較小時(shí)，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度較強(qiáng)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為低電平，這樣就形成了頻率與脈搏次數(shù)成正比的低頻信號，它近似于正弦波形圖 4-10 系統(tǒng)原理總圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)心率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序流程圖、中斷程序流程圖及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而心率計(jì)的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（時(shí)間t內(nèi)的平均值），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（動脈搏動時(shí)間），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。5.1 測量計(jì)算原理設(shè)K個(gè)連續(xù)的動脈搏動所用

34、時(shí)間為t（秒），在時(shí)間 t 內(nèi)心率的平均值為n（次/分），則： n = 60K/t (1)為了能夠控制用單片機(jī)計(jì)算機(jī)測定t值，我們利用脈動信號控制（在K個(gè)連續(xù)的脈搏周期內(nèi)）單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0定時(shí)（定時(shí)1ms中斷一次），工作寄存器對中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后讀取計(jì)數(shù)值。設(shè)該計(jì)數(shù)值為N，于是有： t = 0.001N （2）把（2）帶入（1）得到： n = 60k/0.001N =60000K/N （3）式（3）就是利用單片計(jì)算機(jī)測定心率值的數(shù)學(xué)模型（誤差小于0.4%）。在該單片機(jī)系統(tǒng)中，K = 19（用戶可通過按鍵自行設(shè)置）?？蓽y心率范圍20次/分200次/分（N的范圍：30030000）.5

35、.2 主程序流程圖程序流程圖如圖5-1所示。程序初始化是每個(gè)單片機(jī)程序所必備的，它的主要任務(wù)是確定程序人口和中斷人口地址。接下來是顯示為全零，主要目的是為了區(qū)分是否有信號送人，當(dāng)沒有信號送人時(shí)，顯示為全零，則說明心率計(jì)沒有工作，反之，則正常工作。定時(shí)lOOms是設(shè)計(jì)中比較重要的一部分，它主要是為采樣6s打下基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中運(yùn)用定時(shí)器T1的定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)100s的定時(shí)，等待中斷占用了程序執(zhí)行的大部分時(shí)間，它主要是一個(gè)死循環(huán)語句，只有當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，才執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，對計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行累加，累加之后，判斷采樣的次數(shù)，如果采樣未滿60次，說明不到6 s，返回繼續(xù)采樣、等待中斷，直到采樣60次為止，之

36、后把6s內(nèi)采樣得到的次數(shù)由二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，送到數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示。 N Y 開始二翻十等待中斷第一次顯示全零程序初始化關(guān)中斷定時(shí)器賦值小于50次/分鐘大于199次/分鐘保持?jǐn)?shù)值程序開中斷返回定時(shí)100ms中斷累加計(jì)數(shù)結(jié)果采樣60次顯示心率圖 5-1 程序流程圖 圖5-2 中斷程序流程圖 5.3 中斷程序流程圖心率的有效測量范圍為50次一199次/分鐘，為了消除外界信號的干擾，在定時(shí)器中斷程序中加入了對頻率大小的判斷，濾除掉小于50次/分鐘和大于199次/分鐘的脈沖信號，中斷程序如圖5-2所示5.4 定時(shí)器T0和T1的中斷服務(wù)程序 定時(shí)器T0的中斷流程圖如圖5-3所示，定時(shí)器T1的中斷服

37、務(wù)流程圖如圖5-4所示。 N Y保護(hù)現(xiàn)場置T0定時(shí)初值R1R4+1送R1R4恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回保護(hù)現(xiàn)場置T1定時(shí)初值外部中斷0關(guān)閉中斷次數(shù)（100次）-1=0？外部中斷0打開恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回 圖5-3 定時(shí)器T0的中斷 圖5-4 定時(shí)器T1的中斷服務(wù)程序流程圖 服務(wù)程序流程圖 6 系統(tǒng)硬件調(diào)試在制作實(shí)物之前，首先需要根據(jù)自己制作實(shí)物的思想步驟和實(shí)物所要達(dá)到的功能繪制出元器件的原理圖，然后把原理圖放到 ISIS 7 protues中進(jìn)行仿真。因?yàn)樵骷拇笮〔煌?，達(dá)到預(yù)期功能的效果也不一樣，在這種情況下，就需要對硬件電路進(jìn)行變換和調(diào)試。實(shí)物焊接出來之后，考慮各種干擾和影響因素，還要對硬件進(jìn)行整機(jī)調(diào)

38、試。系統(tǒng)的調(diào)試過程是檢驗(yàn)、修正設(shè)計(jì)方案的實(shí)踐過程，也是應(yīng)用理論知識來解決實(shí)踐中各類問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是電路設(shè)計(jì)者必須掌握的基本技能。6.1 系統(tǒng)各部分電路模塊測試與仿真6.1.1 一級放大電路心率計(jì)的主要原理是隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小;當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。當(dāng)用光電紅外傳感器接收到該變化后，但由于該變化很微弱，這就需要放大器對其進(jìn)行放大，這就是一級放大電路。放大電路如圖6-1所示。圖 6-1 一級放大電路圖 6-2 R5為125K時(shí)的仿真圖圖 6-3 R5為1M時(shí)的仿真圖如

39、圖6-1所示，C2為電解電容，開始使用的電容為0.1u，此時(shí)發(fā)現(xiàn)通過的交變電流很少，當(dāng)改成10u之后，幾乎所有的交變電流都可以傳輸?shù)椒糯笃鱑1A放大，電解電容C3的原理和C2一樣。R5為接在放大器兩端的電阻，它的值直接影響著放大器的放大倍數(shù)。經(jīng)計(jì)算當(dāng)R5的值為125K時(shí)，放大器的狀態(tài)最好，不失真。仿真如圖6-2所示，此時(shí)放大器的放大倍數(shù)為25倍，信號的放大不足。所以把R5的值改為1M，此時(shí)的仿真圖為6-3所示，雖然信號放大失真，但放大倍數(shù)提高到200倍，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中只需要最大幅值，經(jīng)過試驗(yàn)，該放大值很適合試驗(yàn)，所以R5采用1M值。所以該失真不影響最后試驗(yàn)。6.1.2 比較電路圖 6-4 比較電

40、路圖 6-5 比較電路仿真圖比較電路如圖6-4所示，信號從上級放大器C3口輸出，由于上級放大電路材料的限制和人為干擾的因素，放大倍數(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到200倍（約20倍左右）,這就使得傳輸?shù)奖容^電路2口的電壓值還是很小，約02V，但設(shè)計(jì)需要0、5V的方波，所以考慮由R9和R10求出一電壓值作為比較值。當(dāng)2口接到的信號電壓小于該值時(shí)顯示0V，當(dāng)大于該值時(shí)顯示5V。這就形成了0和5V的方波。比較電路仿真圖如圖6-5所示。6.2 試驗(yàn)與焊接階段6.2.1 試驗(yàn)階段當(dāng)模塊設(shè)計(jì)完成并在ISIS 7 protues中仿真無誤后，電路基本確定，但那只是理論值，需要對這些仿真電路進(jìn)行試驗(yàn)，以確保這些電路是否適用與該設(shè)

41、計(jì)。圖6-6為試驗(yàn)過程中的插圖。圖 6-6 試驗(yàn)插圖6.2.2 焊接與完成階段在完成實(shí)驗(yàn)階段測試后，這時(shí)電路的元器件及各種電阻電容的值就已經(jīng)確定?？梢詫?shí)物的焊接。焊前處理 焊接前，應(yīng)對元件引腳或電路板的焊接部位進(jìn)行焊前處理。清除焊接部位的氧化層可用斷鋸條制成小刀。刮去金屬引線表面的氧化層，使引腳露出金屬光澤。印刷電路板可用細(xì)紗紙將銅箔打光后，涂上一層松香酒精溶液。元件鍍錫在刮凈的引線上鍍錫。可將引線蘸一下松香酒精溶液后，將帶錫的熱烙鐵頭壓在引線上，并轉(zhuǎn)動引線。即可使引線均勻地鍍上一層很薄的錫層。導(dǎo)線焊接前，應(yīng)將絕緣外皮剝?nèi)ィ俳?jīng)過上面兩項(xiàng)處理，才能正式焊接。若是多股金屬絲的導(dǎo)線，打光后應(yīng)先擰在

42、一起，然后再鍍錫。焊接技做好焊前處理之后，就可正式進(jìn)行焊接。 焊接方法：焊接，檢查，剪短。a.右手持電烙鐵。左手用尖嘴鉗或鑷子夾持元件或?qū)Ь€。焊接前，電烙鐵要充分預(yù)熱。烙鐵頭刃面上要吃錫，即帶上一定量焊錫。b.將烙鐵頭刃面緊貼在焊點(diǎn)處。電烙鐵與水平面大約成60角。以便于熔化的錫從烙鐵頭上流到焊點(diǎn)上。烙鐵頭在焊點(diǎn)處停留的時(shí)間控制在23秒鐘。c.抬開烙鐵頭。左手仍持元件不動。待焊點(diǎn)處的錫冷卻凝固后，才可松開左手。d.用鑷子轉(zhuǎn)動引線，確認(rèn)不松動，然后可用偏口鉗剪去多余的引線。焊接質(zhì)量焊接時(shí)，要保證每個(gè)焊點(diǎn)焊接牢固、接觸良好。要保證焊接質(zhì)量。應(yīng)是錫點(diǎn)光亮，圓滑而無毛刺，錫量適中。錫和被焊物融合牢固。不

43、應(yīng)有虛焊和假焊。虛焊是焊點(diǎn)處只有少量錫焊住，造成接觸不良，時(shí)通時(shí)斷。假焊是指表面上好像焊住了，但實(shí)際上并沒有焊上，有時(shí)用手一拔，引線就可以從焊點(diǎn)中拔出。這兩種情況將給電子制作的調(diào)試和檢修帶來極大的困難。只有經(jīng)過大量的、認(rèn)真的焊接實(shí)踐，才能避免這兩種情況。焊接電路板時(shí)，一定要控制好時(shí)間。太長，電路板將被燒焦，或造成銅箔脫落。從電路板上拆卸元件時(shí)，可將電烙鐵頭貼在焊點(diǎn)上，待焊點(diǎn)上的錫熔化后，將元件拔出。由于本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)開發(fā)板來焊接，因此最小系統(tǒng)部分只用焊接元件不用另外布線，減輕了焊接部分的工作量，同時(shí)是電路板更美觀。雖然用單片機(jī)開發(fā)板來焊接，但是在焊接過程中也必須認(rèn)真謹(jǐn)慎，避免虛焊和短路。每

44、焊完一個(gè)元器件或者一條線路都要用萬用表檢查焊接是否成功，最終按照附錄一所示仿真圖焊接實(shí)物，實(shí)物圖如圖6-7所示：圖 6-7 實(shí)物圖6.3 整機(jī)調(diào)試6.3.1 心跳的測量過程由于血液是一種高度不透明液體，血液中含有大量的血紅細(xì)胞，這種細(xì)胞具有很強(qiáng)的吸收紅外線的功能。因此，紅外線在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。當(dāng)人體動脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張動脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時(shí)，動脈所在部分的人體組織對于紅外光的透射性就會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖和耳垂等部位最為明顯 。由于手指尖比較容易試驗(yàn)，設(shè)計(jì)中就測量手指的變化來計(jì)算出心跳。在設(shè)計(jì)中，用紅外光電二極管照射手指，在手指

45、的另一邊用光電傳感器OPT101接受透射過的光信號，并放大轉(zhuǎn)化為電信號。由于人體內(nèi)變化很微弱，設(shè)計(jì)就需要放大器對該信號進(jìn)行多次放大，將放大到單片機(jī)能處理的信號傳給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，交給單片機(jī)處理顯示。 6.3.2 幾種主要系統(tǒng)干擾與影響（1） 陽光的干擾。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是通過紅外光線透過手指采集到信號，進(jìn)而對信號處理得到人體的心跳，光在本設(shè)計(jì)中很重要。而且在各種不同的環(huán)境中，外界光照的強(qiáng)度不一樣，這對實(shí)驗(yàn)的干擾就講很明顯。但是外界光照對于人體是均衡的，即各處光照強(qiáng)度相同，對人體內(nèi)變化的影響是相同的，即可以相互抵消。（2） 測量過程中手指的抖動。光電傳感器OPT101檢測到的人體信號很微弱

46、，手指的一點(diǎn)抖動都會引起測量心跳值的大幅變化。為了解決這個(gè)問題，在設(shè)計(jì)中，把OPT101和發(fā)光二極管相距一定距離（夠放下小拇指）之后固定死，這樣在測量的時(shí)候只要人盡量保持手指不動，就可以大大減小手指抖動對試驗(yàn)的影響。（3） 呼吸的影響。 試驗(yàn)的原理主要是血液中的含氧量的變化進(jìn)而導(dǎo)致人體組織變化而測量心跳的，這樣均勻呼吸和急促呼吸就將使得人體內(nèi)的含氧量大大不同。據(jù)試驗(yàn)所得，當(dāng)人運(yùn)動之后呼吸會比較劇烈，這時(shí)他的心跳值就會隨之變大。正常情況下 ，心率指的是當(dāng)人心平氣和的時(shí)候的心跳值。 6.4 試驗(yàn)結(jié)果分析一級放大電路在試驗(yàn)仿真時(shí)理論值為200倍，但焊接完之后實(shí)際值卻只有20倍，這里存在著很多方面的原

47、因，比如放大器供電不足，理論需要-5V電壓，但設(shè)計(jì)做出的電源電壓只有-3-4V，嚴(yán)重影響了放大器的工作；還有就是材料限制、焊接中的問題以及理論方面的不足。二級放大電路（比較電路）基本上完成了由正弦波變成方波的要求，雖然在放大倍數(shù)上沒有達(dá)到理論要求值，但不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了測量人體內(nèi)脈搏變化而計(jì)算得到心跳次數(shù)的要求，手指放在光電傳感器前面10秒后，四位數(shù)碼管即可顯示被測人的心跳。7 總結(jié)和展望心率是指單位時(shí)間內(nèi)心臟波動的次數(shù)。一般指每分鐘的心跳次數(shù)，是臨床常規(guī)檢查的生理指標(biāo)。傳統(tǒng)測量脈搏次數(shù)的方法是以基準(zhǔn)時(shí)間為單位，并通過基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)測得的脈搏跳動次數(shù)和相關(guān)倍數(shù)，計(jì)算出沒分鐘的脈

48、搏次數(shù)。但在現(xiàn)實(shí)生活中，這種可以直接測量心跳的儀器還不是很常用，在很多小型醫(yī)院里 ，醫(yī)生們依舊使用著古老的手動式聽診器，這大大影響了效率和救治的時(shí)間。這就為心率計(jì)的研究與生產(chǎn)奠定了必然基礎(chǔ)。本文是基于單片機(jī)研究設(shè)計(jì)的心率計(jì)，現(xiàn)在市場上存在了一些基于FPGA研究設(shè)計(jì)的心率計(jì)，二者的原理和過程基本上是一樣的！心率計(jì)的原理是用傳感器接收到人體微弱的信號，因?yàn)槿梭w信號比較的微弱，一般放大的倍數(shù)也比較高，100倍以上的。心率計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、信號采集和信號放大與濾波處理電路三部分。單片機(jī)采用AT89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測由傳感器OPT101信號采集電路輸出的信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的3位LED數(shù)碼管，信號用OP07放大?；趩纹瑱C(jī)心率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序流程圖、中斷程序流程圖及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而心率計(jì)