基于单片机的脉搏测量仪设计

1基于单片机的脉搏测量仪设计摘要：脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用,通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统以STC89C52单片机为核心，以光电传感器利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号，单片机通过对信号累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。本设计利用红外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。系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒，除此外用户还可以设定每天闹钟提醒测量，时间可以自行设定，结果最终可以把采集到的脉搏信号显示在LCD1602上。关键词：STC89C52；脉搏测量仪；LCD显示器；光电传感器0前言脉搏测量在有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒。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。系统以STC89C52单片机为核心，以光电传感器利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号，单片机通过对信号累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。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,但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。21总体方案的论证与设计1.1主控模块的选型和论证方案一：采用MSP430系列单片机，该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发[3]。方案二采用51系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的8位单片机，32个IO口，且STC系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。1.2显示模块的选型和论证方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示。方案二：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。方案三：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个LCD1602的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。所以本设计中方案三中的LCD1602液显示屏作为显示模块。1.3传感器的选型和论证3方案一：采用压电传感器用来提取人的脉搏信号，压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。通过此现象可以提取出人的脉搏信号。方案二：采用光电传感器提取人体脉搏信号，授予手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号[4]。由于光电传感器较压电传感器容易在一般的地方可以买得到，因此这里选用光电传感器来提取人体脉搏信号。1.4系统整体设计概述系统总体设计由STC89C52、按键、LCD1602、光电传感器、时钟模块、运放等构成，如图2.1所示，系统设有四个按键，可以设置上下限脉搏数，当超过范围的时候单片机会驱动蜂鸣器发响，脉搏测量的时候需要人把手轻轻的按在光电传感器上面，由于人脉搏跳动的时候，血液的透光性不一样会导致接收器那边接收的信号强弱不一样，间接的把人脉搏信号传回，通过运放对其进行放大、整形后连接到单片机的IO口，单片机利用外部中断对其进行计数，最终换算成人一分钟脉搏的跳动次数，最终显示在液晶屏上。2.系统硬件电路设计2.1主控模块主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘等各种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。51系列单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。因此市面上出现了各式各样的均以51为内核的单片机。这些各大电子生产4商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。STC89C52单片机的基本组成框图见图2.1所示。时钟电路ROM/EPROM/Flash4KBRAM128BSFR21个定时个/计数器2CPU总线控制中断系统5个中断源2个优先级串行口全双工1个4个并行口XTAL2XTAL1RSTEAALEPSENP0P1P2P3VssVcc图2.1STC89C52单片机结构图2.1.1STC89C52单片机主要特性1.一个8位的微处理器(CPU)。2.片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。3.片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等。目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用。4.四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。5.两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以5对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的51系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。6.五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就有9个中断源。7.一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。8.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。图2.2STC89C52单片机管脚图STC89C51单片机管脚如图3.2所示，部分引脚说明：1．时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端；片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。要检查振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反6相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地[7]。2．控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA：RST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。ALE/PROG(30脚)：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定8051/8031芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出，则8051/8031基本上是好的。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。PSEN(29脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接EPROM的OE端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN端有效，即允许读出EPROM／ROM中的指令码。PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM／ROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。EA/Vpp(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对8751/8051为4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号EA引脚接低电平(接地)时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，7作为施加较高编程电压(一般12V～21V)的输入端[8]。3．输入/输出端口P0/P1/P2/P3：P0口(P0.0～P0.7，39~32脚)：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。P1口(P1.0～P1.7，1~8脚)：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2口(P2.0～P2.7，21~28脚)：P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P口每位能驱动4个