基于單片機(jī)的便攜式人體健康指標(biāo)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕題目基于單片機(jī)的便攜式人體健康指標(biāo)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)系〔院〕電氣工程系專業(yè)電氣工程與自動化班級學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師職稱二獨(dú)創(chuàng)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)〔論文〕不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要奉獻(xiàn)的個人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明本聲明的法律后果由本人承當(dāng)。作者簽名:年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕使用授權(quán)聲明本人完全了解濱州學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕的規(guī)定。本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)〔論文〕；同意學(xué)校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽效勞系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)〔論文〕的局部或全部內(nèi)容，允許他人依法合理使用。〔保密論文在解密后遵守此規(guī)定〕作者簽名:年月日基于單片機(jī)的便攜式人體健康指標(biāo)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著現(xiàn)代人生活節(jié)奏的加快以及生活質(zhì)量的提高，人們對自身健康狀況越來越關(guān)注，人們希望能隨時、簡單、方便的對身體進(jìn)行檢查，因此，一些體積小的便攜式或者家用的健康檢測裝置，比方：體溫表、電子血壓計(jì)等由于操作簡單，受到人們的歡送。但是，這些裝置大多功能單一，如果需要隨時對多種健康指標(biāo)進(jìn)行檢測，必須隨身攜帶多種檢測裝置，給使用者帶來了麻煩。因此本設(shè)計(jì)對多種人體信號進(jìn)行檢測，減少使用者的麻煩。系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，硬件主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)，體溫測量模塊，脈搏測量模塊，血壓測量模塊，報警模塊，LCD顯示模塊等。軟件那么包括：系統(tǒng)的流程圖，主程序以及各模塊子程序。系統(tǒng)能實(shí)時的對人體體溫、脈搏、血壓進(jìn)行檢測，并在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時報警，同時存入數(shù)據(jù)庫供隨時關(guān)鍵詞：DS18B20，ASDX001，AT89C51DesignofDetectingSystemBasedonPortableHealthIndicatorsAbstractWiththeacceleratedpaceofmodernlifeandtheimprovementoflifequality,peoplepaymoreandmoreattentiontotheirhealth,peoplehopethattheycancheckontheirbodieswithasimple,convenientwayatanytime,therefore,somesmallportableorhealth-detectdevicesusedathome,suchasthethermometer,theelectronicsphygmomanometerwhicharepopularamongpeoplefortheirsimpleinstructions.However,thesedevicesmostlyhavesinglefunction,theusermustcarryavarietyofdetectivedevicesifheorsheneedstotestmultiplehealthindicators,whichbringsmuchtroubleforuser.Hence,thisprojectputskeypointonthetestforsomehumanindicators,toreducethetrouble.ThesystemusesAT89C51MCUascontrolcore,thehardwaremainlyincludes:MCUminimumsystem,temperaturemeasurementmodule,measurementmodule,bloodpressuremeasurementmodule,alarmmodule,LCDdisplaymodule.Thesoftwareincludes:thesystemflowchart,mainprogramandmodulesubprogram.Thesystemcantestbodytemperature,pulse,bloodpressurereal-timely,andthesystemwillalarmwhentheabnormaldataappear,bythesametimethesystemstoresthedatabaseavailableforplayback,thencommunicatingwithPCbytheserialport,atlast,thestoreddatawillbeprinted.Keywords:DS18B20，ASDX001，AT89C51目錄第一章緒論11.1研究目的和意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3本課題的主要研究內(nèi)容3第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)5第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)63.1體溫測量模塊63.2血壓測量模塊73.3脈搏測量模塊73.3.1脈搏信號采集電路83.3.2信號放大93.3.3波形整形局部93.4單片機(jī)處理電路103.5顯示電路設(shè)計(jì)103.6報警電路設(shè)計(jì)113.7單片機(jī)最小系統(tǒng)113.8電源電路設(shè)計(jì)123.9鍵盤電路設(shè)計(jì)123.10USB通信電路13第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)154.1子程序流程圖15體溫檢測流程圖154.1.2血壓檢測流程圖174.1.3脈搏檢測流程圖174.1.4鍵盤電路流程圖19第五章總結(jié)20參考文獻(xiàn)21謝辭22附錄23第一章緒論近年來不明流行病毒橫行，加上跨國移動日益頻繁，造成病毒傳播范圍越來越廣且快速，常會在短期內(nèi)造成大范圍流行，已足以威脅人類的生存，因此自主性的健康管理越來越受重視。本設(shè)計(jì)就提出一套生命機(jī)能檢測系統(tǒng)，用于個人自主健康管理，以防治流行性病毒擴(kuò)散，并以實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性與方便攜帶性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，期能到達(dá)群眾化需求的商業(yè)目標(biāo)。一般而言，生命機(jī)能常被指為體溫、血壓、脈搏等，當(dāng)這些生命機(jī)能有所變異時，往往代表人體出現(xiàn)異狀，須進(jìn)一步檢查，尤其在2003年SARS擴(kuò)大傳染期間，發(fā)燒為病毒傳染的分界點(diǎn)，以公共衛(wèi)生病理學(xué)來說，體溫對于控制病毒傳染極為重要。本生命機(jī)能檢測系統(tǒng)將針對體溫、血壓、脈搏進(jìn)行檢測，并對檢測資料做長期分析，當(dāng)生理機(jī)能有一定程度變異時提出適當(dāng)警示，讓使用者更了解自身生理變化，也能給醫(yī)生提供診斷時初步的依據(jù)[1]。1.1研究目的和意義人體生理信號主要包括有心電、脈搏、呼吸、血壓、體溫、血氧飽和度、有創(chuàng)血壓、呼吸二氧化碳、心輸出量、腦電、肌電、眼電視網(wǎng)膜電、眼震電、胃電等。人體生理信號是生命的象征，一旦停止，生命也就終止。測量人體生理信號技術(shù)就是要應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究各種人體生理信號，通過有創(chuàng)或無創(chuàng)的方法獲得各種信息，加以分析、綜合和研究，效勞于臨床[2]。人體不同的生理信號，能反映相應(yīng)部位的身體變化，是臨床診斷的重要依據(jù)。例如心電變化的測量與記錄是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷心臟的主要手段，肌電的測量與記錄有助于診斷肌肉萎縮和肌肉支配疾病等。由于有些疾病的發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性，因此，將生理參數(shù)檢護(hù)從大型醫(yī)院擴(kuò)展到社區(qū)醫(yī)院以及患者家中是很有意義的。人體生理信息種類繁多，心電信號〔Electrocardiogram,ECG〕、脈搏信號〔Pulsewave〕能反映人體心臟器官和血液循環(huán)系統(tǒng)的生理變化，在臨床健康觀察和疾病診斷中十分重要，并且從生命信息科學(xué)的角度也具有重要的研究價值[3]。脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況信息，自公元三世紀(jì)我國最早的脈學(xué)專著《脈經(jīng)》問世以來，脈學(xué)理論得到了不斷的充實(shí)和提高，對國內(nèi)外醫(yī)學(xué)開展產(chǎn)生了很大的影響。脈搏波幅值和波形反映了一個心動周期內(nèi)動脈血壓隨時間的脈動變化，是動脈血壓的直接反映。同時，血流、血管阻力、血管壁彈性等血流參數(shù)的變化也能夠間接地從脈搏中得到反映。因此，通過脈搏可以對血壓的變化規(guī)律進(jìn)行量化分析。脈搏波的波形、波幅、波速和節(jié)律，會反映出人體心血管系統(tǒng)的多種生理病理特征。利用脈搏推斷人體的生理病理信息，不僅是傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的重要內(nèi)容，在國際上也受到廣泛重視。所以本文的采集信號中也包括了脈搏信號。在科技高度開展的今天，人們的健康觀念和保健方式正發(fā)生著深刻的變化。各種醫(yī)學(xué)電子儀器大量涌現(xiàn)，人們希望能夠?qū)θ梭w日常生活狀態(tài)下的健康狀況進(jìn)行檢測，做到主動預(yù)防。對于已診斷明確的患者，可以隨時掌握自己病情的變化以決定到醫(yī)院復(fù)診的需求，對于許多偶然性和突發(fā)性疾病，能夠再現(xiàn)和捕捉瞬時的典型生理信息。因此，無論國內(nèi)還是國際上，醫(yī)療康復(fù)和保健的重心正由以醫(yī)院為核心的醫(yī)療保健體系向以家庭為根底的社區(qū)或個人衛(wèi)生效勞體系轉(zhuǎn)移。在這種趨勢下，研究適用于社區(qū)醫(yī)療與家庭醫(yī)療保健的人體生理信號檢測系統(tǒng)具有極大的意義。而這種應(yīng)用于家庭醫(yī)療的檢測系統(tǒng)應(yīng)該是低功耗便攜式的。因此本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)是具有便攜式特點(diǎn)的人體生理信號檢測系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一種用來對病人的生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、長時間、自動、實(shí)時監(jiān)測、分析處理后實(shí)現(xiàn)多類別自動報警，自動記錄的某些醫(yī)學(xué)儀器的組合。由于監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可用來實(shí)時分析、顯示與記錄、并具有對結(jié)果的綜合判斷能力，因而便于醫(yī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)病人的病情變化，隨后采取必要的措施，從而大幅度減少病人死亡率。自20世紀(jì)60年代以來，人體生理監(jiān)護(hù)儀器作為一種重要的醫(yī)學(xué)電子儀器問世后，世界各大醫(yī)療儀器的生產(chǎn)廠家竟相投入大量的人力、物力進(jìn)行監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)與銷售，促進(jìn)了監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的開展和普及。世界各國紛紛建立起冠心病監(jiān)護(hù)病房，重癥監(jiān)護(hù)室，腦疾患者監(jiān)護(hù)室，在手術(shù)室，分娩室，康復(fù)室內(nèi)等一些?？撇》考訌?qiáng)了監(jiān)護(hù)措施。但是國內(nèi)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的科研、生產(chǎn)與國際先進(jìn)水平相比還存在一定的差距：高、精、尖的監(jiān)護(hù)設(shè)備大局部依賴于國外進(jìn)口，價格比擬昂貴，中小醫(yī)院無力購置，嚴(yán)重影響了監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用和推廣[4]。目前所知的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是指用來監(jiān)測病人生理、病理參數(shù)的病情監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的快速開展，目前病情監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不僅可以用來顯示病人的各類信息，而且可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，綜合分析監(jiān)測結(jié)果，讓醫(yī)務(wù)人員做出快速判斷和治療。該類設(shè)備由大型的微機(jī)系統(tǒng)逐漸開展成以單片機(jī)為核心部件的微型控制系統(tǒng)MCU〔MicroControllerUnit〕是目前的一個開展方向。它以期通過固化在單片微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和再現(xiàn)。在這種小型設(shè)備研制伊始，受制于單片機(jī)的開展，采用的單片微機(jī)芯片幾乎都是低位的C51系列單片機(jī)。隨著單片機(jī)技術(shù)的開展，功能越來越強(qiáng)大越來越精密的高位單片機(jī)更多地應(yīng)用于此種系統(tǒng)中，隨著傳感器技術(shù)的開展，簡單方便的無創(chuàng)式傳感器也應(yīng)用到此種設(shè)備中來。最近幾年國內(nèi)的基于嵌入式技術(shù)的便攜式多參數(shù)人體生理信號監(jiān)測儀以及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)正在如火如荼的進(jìn)行著，已經(jīng)逐漸建立起以家庭監(jiān)護(hù)為根底的“家庭一社區(qū)一醫(yī)院〞三層遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。最近幾年，在國外，一種以傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的人體生理信號監(jiān)測儀器得到了迅速的開展。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)散布于一種人體可穿戴的外表看起來很普通的衣服。當(dāng)人們穿著這種特制衣服的時候，他們的人體生理信號通過無線的方式傳輸?shù)絇C系統(tǒng)中，PC系統(tǒng)可以對人體的狀態(tài)進(jìn)行無間斷的記錄。當(dāng)人體出現(xiàn)異常狀況的時候，PC系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。如果需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以將監(jiān)測到的信號，通過局域網(wǎng)傳輸?shù)絀nternet上。但是這種傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的人體生理信號監(jiān)測儀器并沒有在醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1.3本課題的主要研究內(nèi)容隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的開展，特別是傳感技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速開展，使得人體生理信號監(jiān)護(hù)設(shè)備不斷更新?lián)Q代，同時針對我國所面臨的社會老齡化、醫(yī)療費(fèi)用居高不下，以及人口眾多、醫(yī)院和交通容量有限等一系列嚴(yán)重的社會問題。本文旨在設(shè)計(jì)適用于社區(qū)、家庭使用的可以采集多種參數(shù)的人體生理檢測與分析系統(tǒng)，使被檢測者可以便捷的獲知自身的生理狀態(tài)。本文所設(shè)計(jì)的這套檢測系統(tǒng)，可以同步采集人體的體溫信號、血壓信號和脈搏信號，并通過液晶顯示器顯示出數(shù)據(jù)信息[5]。主要內(nèi)容為以下四個局部：〔1〕人體生理信息檢測與分析系統(tǒng)的硬件數(shù)字體系設(shè)計(jì)〔2〕人體生理信號的數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、上傳模塊的軟件設(shè)計(jì)〔3〕人體生理信號的數(shù)據(jù)處理〔4〕人體生理信號的數(shù)據(jù)壓縮第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，以體溫檢測模塊、脈搏檢測模塊、血壓檢測模塊、液晶顯示模塊、鍵盤電路模塊為主要的模塊單元。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。本系統(tǒng)通過鍵盤設(shè)定三種工作方式：脈搏檢測，體溫檢測，血壓檢測。人體體溫檢測利用芯片DS18B20這個數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，測得的數(shù)據(jù)如果超限那么進(jìn)行報警。脈搏檢測采用傳感器將脈搏轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接受的信號，每跳動一次就產(chǎn)生一個脈沖，讓單片機(jī)產(chǎn)生一個中斷，每中斷一次就進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，每分鐘進(jìn)行一次采樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)脈搏數(shù)。血壓檢測采用壓力傳感器ASDX001，如果血壓超限那么報警。該方案可以有效、實(shí)時的測量體溫、血壓、脈搏這些要求檢測參數(shù)，能夠到達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。圖2-1系統(tǒng)總體方案框圖第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)人體健康檢測器的硬件電路主要由以下幾局部組成：體溫測量模塊、血壓測量模塊、脈搏測量模塊、時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、顯示電路、鍵盤電路、USB通信電路以及超常報警電路。3.1體溫測量模塊設(shè)計(jì)中采樣的是人體的體溫，所測的量是非電量，所以要用到溫度傳感器進(jìn)行采樣，將溫度轉(zhuǎn)換為電信號才能輸入系統(tǒng)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換和處理。所以傳感器是實(shí)現(xiàn)這個設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。這里我們采用的是溫度傳感器DS18B20。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四局部組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時VDD，GND接地，I/O接單片機(jī)I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接10k左右的上拉電阻。我們采用的是第一種連接方法。如圖3-1所示：把DS18B20的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P23腳連接，再加上上拉電阻[6]。圖3-1溫度采集電路3.2血壓測量模塊血壓測量模塊采用壓力傳感器ASDX001，該壓力傳感器可用于測量絕對壓、差力壓和表力壓。范圍從1PSI到100PSI，絕壓型傳感器有一個內(nèi)部真空參比值(基準(zhǔn)值)，因此可直接輸出一個與絕對壓成比例的信號。差壓型裝置允許在傳感膜片的任一側(cè)施加壓力，可用于壓力差的測量。ASDX001的外圍引腳共有8個，其中5個為空腳。工作電壓為正5伏。由+Vs腳引入正5伏電壓，Vout為數(shù)據(jù)輸出腳，將所測量得到的數(shù)字電壓信號傳送到單片機(jī)的P1.0腳，ASDX001的地腳為GND腳，接地。因此，只需要將傳感器的輸出腳Vout連接到單片機(jī)的P2.1腳上即可。如圖3-2所示：圖3-2ASDX001與單片機(jī)的連接電路原理圖3.3脈搏測量模塊目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來，光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中開展很快，這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種病癥信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了指套式的透射型光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指，經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化[7]。脈搏信號采集電路圖3-3是脈搏信號的采集電路，U3是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對R21阻值的選取要求較高。R21選擇270Ω同時也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R21過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R21過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地區(qū)分有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U2B輸入端而造成錯誤指示，用C8、C9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為50次/分鐘時，只有0.78Hz，200次/分鐘時也只有3.33Hz，因此信號首先經(jīng)R22、C10濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容C8、C9加到線性放大輸入端。圖3-3信號采集電路信號放大按人體脈搏在運(yùn)動后跳動次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器，如圖3-4所示。R23、C6組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R23、C6決定，運(yùn)放U2B將信號放大，放大倍數(shù)由R23和R27的比值決定。圖3-4低通放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：〔2-1〕放大倍數(shù)為：〔2-2〕截止頻率為：〔2-3〕按人體的脈搏跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。3.3.3波形整形局部波形整形電路如圖3-5所示，U2C是一個電壓比擬器，C11、R29構(gòu)成一個微分器，U2A和C7、R32組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由C7、R32決定。該比擬器的閥值電壓可用R31調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對R31的調(diào)節(jié)要求并不嚴(yán)格，因?yàn)閁2C的輸出信號經(jīng)C11、R29的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U2A的反向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差。當(dāng)有輸入信號時，U2A在比擬器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平，使C7通過R32充電。大約持續(xù)20ms之后，因C7充電電流減小而使U2A同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位〔尖脈沖已過去很久〕。于是U2A改變狀態(tài)并再次輸出低電平。脈沖是與脈搏同步的，并由紅色發(fā)光二極管DS3的閃亮指示出來。即發(fā)光二極管作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平通過R24送到單片機(jī)INTO腳，進(jìn)行對心率的計(jì)算和顯示。輸出波形如圖3-5所示。圖3-5波形整形電路3.4單片機(jī)處理電路本局部運(yùn)用了ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為核心元件，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)AT89C51的INTO腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一，定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機(jī)對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加。3.5顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路局部采用LM016L液晶模塊，此液晶模塊采用HD44780控制器，具有簡單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，與單片機(jī)通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式。本設(shè)計(jì)中管腳連接方式為D0-D7分別與單片機(jī)P1.0-P1.7連接，圖3-6即為顯示電路。圖3-6顯示電路3.6報警電路設(shè)計(jì)報警電路由二極管與電阻相連，如需要報警那么二極管發(fā)光，其中何時報警可以編寫程序進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)中報警電路與單片機(jī)P2.0管腳相連，圖3-7即為報警電路。圖3-7報警電路3.7單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)應(yīng)包括AT89C51單片機(jī)，晶振電路，復(fù)位電路這幾局部。其中AT89C51單片機(jī)起核心控制作用，復(fù)位電路就好似電腦重啟局部，當(dāng)單片機(jī)因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行出現(xiàn)跑飛的情況時，按下復(fù)位鍵便可以使單片機(jī)重新啟動運(yùn)行。晶振電路提供單片機(jī)運(yùn)行的時鐘頻率，頻率越高單片機(jī)運(yùn)行速度越快，因此晶振電路起的作用非常重要[9]。如圖3-8便是單機(jī)最小系統(tǒng)的電路原圖。圖3-8單片機(jī)最小系統(tǒng)3.8電源電路設(shè)計(jì)電源由兩個AAA電池提供。電源透過L1，D1，U3形成PFM升壓電路，R33與C9作為升壓后電壓濾波作用。具體工作方式：當(dāng)3V電壓從L1工流過給升壓IC后，經(jīng)升壓從第3腳輸出5V，Q4為開關(guān)管，在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，Q4不導(dǎo)通，C9，C11為濾波電容。當(dāng)POWER鍵按下時Q4導(dǎo)通，輸出一個5V的電壓給VCC，供電給其他設(shè)備[10]。如圖3-9所示：圖3-9電源電路原理圖3.9鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的設(shè)備，借助鍵盤可向系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，發(fā)出控制指令等。本系統(tǒng)中設(shè)置了4個按鍵，硬件連接圖見圖3-10所示：圖3-10鍵盤電路接線圖其中S1鍵是體溫測量鍵，S2鍵為血壓測量鍵，S3為脈搏測量鍵，S4鍵為結(jié)束鍵。因鍵盤數(shù)目很少，所以采用按鍵與單片機(jī)的I/O口線直接連線的方法連接。3.10USB通信電路要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，需要將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。下位機(jī)與上位機(jī)的傳輸方式有很多種，RS232接口是使用較早的一種通用接口電路，目前使用比擬普遍。但是RS232與單片機(jī)之間需要電平轉(zhuǎn)換芯，并且MAX232C標(biāo)準(zhǔn)最高傳送速率為20kbitls。而USB接口是近年來迅速開展的接口標(biāo)準(zhǔn)，目前幾乎所有的新型計(jì)算機(jī)的外設(shè)上都使用USB接口，它有數(shù)據(jù)傳輸速度快、連接簡單、兼容性好等特點(diǎn)。考慮到USB接口的先進(jìn)性以及目前使用的廣泛性，本系統(tǒng)使用USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信就完全可以滿足系統(tǒng)的要求[11]。CP2141是一種單芯片USB轉(zhuǎn)UART的橋接器解決方案。該芯片包含一個USB2.0全速功能控制器EEPROM，緩沖器和帶有調(diào)制解調(diào)器接口信號的異步串行數(shù)據(jù)總線。CP2101的UART接口包括TX(發(fā)送)和RX(接收)數(shù)據(jù)信號以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信號UART支持RTS/CTS，DSR/TR和X-On/X-Off握手。本系統(tǒng)采用RS232轉(zhuǎn)接口芯片CP2101實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，編程使用CYGNAL免費(fèi)提供的器件驅(qū)動程序可以很容易地將CP2101用于實(shí)現(xiàn)一個有效的COM口。這樣就大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)的時間以及本錢，更重要的是這還是一款低壓供電的芯片，可以實(shí)現(xiàn)低功耗。在程序中主要是對控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，波特率設(shè)定，工作狀態(tài)選定等[12]。AT89C51有兩個串行口，此處使用串行口1與CP2101連接，CP2101有一個集成的內(nèi)部振蕩器和USB收發(fā)器，所以無需其它外部電路組件。如圖3-11所示：圖3-11CP2101電路圖第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序的設(shè)計(jì)由圖4-1可以看出，首先對系統(tǒng)和外接芯片進(jìn)行初始化，然后程序反復(fù)對鍵盤進(jìn)行讀取，如果有鍵按下，那么轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。按下S1鍵時，轉(zhuǎn)入對體溫的檢測并顯示；按下S2鍵時，轉(zhuǎn)入對人體血壓的檢測并顯示；按下S3鍵時，轉(zhuǎn)入對脈搏的檢測并將其值顯示出來；按下S4鍵時，所有程序結(jié)束。當(dāng)體溫，血壓，脈搏檢測完了之后，重新返回讀鍵盤程序，讀取鍵盤并執(zhí)行相應(yīng)的程序，直到有結(jié)束鍵按下，那么主程序結(jié)束。重新運(yùn)行時，要等到下次開機(jī)。圖4-1主程序流程圖4.1子程序流程圖體溫檢測流程圖體溫檢測圖如圖4-2所示，由于單片機(jī)與DS18B20采用單總線模式，所以編程時嚴(yán)格按照DS18B20的讀寫時序。首先是將數(shù)據(jù)線拉高500微秒左右時間，然后釋放數(shù)據(jù)線，然后單片機(jī)等待DS18B20發(fā)出60~240微秒的脈沖，一旦DS18B20發(fā)出該脈沖，單片機(jī)接收到了該脈沖，那么對DS18B20進(jìn)行初始化，先發(fā)出ROM指令，再發(fā)出RAM指令，再發(fā)體溫轉(zhuǎn)化指令，再延時750微秒，單片機(jī)這時讀取體溫值，如果超限進(jìn)行報警提醒，如果沒有超限那么將體溫值用數(shù)碼管顯示出來。最后判斷是否有S4鍵按下如果有該鍵按下，那么退出該子程序，返回主程序，如果該鍵沒有按下那么繼續(xù)檢測體溫[13]。圖4-2體溫檢測流程圖血壓檢測流程圖如圖4-3所示，即血壓檢測流程圖圖4-3血壓檢測流程圖脈搏檢測流程圖脈搏程序流程圖如圖4-4所示，檢測脈搏采用中斷完成，每次中斷對脈搏數(shù)進(jìn)行加1，完成對脈搏數(shù)的計(jì)數(shù)。脈搏檢測子程序，利用單片機(jī)中的兩個定時計(jì)數(shù)器進(jìn)行1分鐘延時，檢查脈搏數(shù)為多少，如果超限那么報警，提醒使用者注意脈搏數(shù)。沒有超限的話，通過單片機(jī)內(nèi)部的處理程序?qū)⒚}搏數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼，再通過液晶顯示模塊進(jìn)行脈搏數(shù)的顯示，并將脈搏數(shù)清0。這時判斷有沒有S4鍵按下，如果有，那么結(jié)束子程序，返回子程序，如果沒有，那么繼續(xù)對脈搏測量[14]。中斷程序圖4-4脈搏檢測流程圖鍵盤電路流程圖本系統(tǒng)采用按鍵組成的獨(dú)立鍵盤來記錄，去除各個檢測指標(biāo)的信息。鍵盤程序的編寫有查詢方式和中斷方式。采用查詢方式時MCU一直在查詢有沒有鍵被按下，不能做其他的事情，MCU采用此方法效率很低[15]。為提高M(jìn)CU的效率，本系統(tǒng)采用外部中斷的方式〔擴(kuò)展的外部中斷〕查詢按鍵是否被按下，獨(dú)立鍵盤查詢的結(jié)構(gòu)流程圖如圖4-5所示：圖4-5鍵盤電路流程圖第五章總結(jié)本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的健康檢測系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51最小系統(tǒng)板為控制核心，以體溫檢測模塊、脈搏檢測模塊、血壓檢測模塊、數(shù)碼顯示模塊、鍵盤電路模塊為主要的模塊單元。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的健康檢測系統(tǒng)，能適合任何的場合，實(shí)時地檢測人體健康狀況的技術(shù)指標(biāo)。該系統(tǒng)通過鍵盤進(jìn)行功能選擇，能檢測人體的體溫、脈搏、血壓的指標(biāo)參數(shù)。系統(tǒng)具有發(fā)光報警功能，為了進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能并使系統(tǒng)具有更好地兼容性，通過串口和PC機(jī)進(jìn)行通訊。隨著電子技術(shù)應(yīng)用的迅速普及，人們健康意識的不斷增強(qiáng)，人們對人體健康檢測儀器的要求會更加多樣化、多功能、低功耗、更加便攜式的方向開展。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還有許多問題需要解決，人體健康檢測儀器的開發(fā)還有很大的空間。參考文獻(xiàn)[1]張毅剛,彭喜元,等.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2023:87-94[2]王兆安,劉進(jìn)軍,等.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2023:163-177[3]劉繼光.人體脈搏信號的采集裝置[D].沈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