基于單片機(jī)的脈搏檢測(cè)器設(shè)計(jì)與制作

1、 脈搏檢測(cè)器設(shè)計(jì)與制作摘要：脈搏波所呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為核心而制作的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。采用紅外發(fā)射和接收二極管作為傳感器對(duì)人體的脈搏心率警醒數(shù)據(jù)采集。得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整形和放大后送入AT89S52單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏心率在LCD液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。本文首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個(gè)部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見。關(guān)鍵字：脈搏計(jì)單片機(jī)AT89S52人體脈搏信號(hào)實(shí)時(shí)顯示目錄TOC o 1-5 h

2、 z HYPERLINK l bookmark6 系統(tǒng)方案選擇與論證3 HYPERLINK l bookmark8 任務(wù)3 HYPERLINK l bookmark10 要求3 HYPERLINK l bookmark12 1.3系統(tǒng)基本方案3 HYPERLINK l bookmark14 各部分電路的方案選擇及論證3系統(tǒng)各模塊的最終方案5 HYPERLINK l bookmark16 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark18 信號(hào)采集整形部分設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark20 矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark22 液晶顯電路7

3、HYPERLINK l bookmark24 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l bookmark26 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)8脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量子程序的設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark28 鍵盤掃描子程序12 HYPERLINK l bookmark30 4.調(diào)試與分析13 HYPERLINK l bookmark32 5.收獲與體會(huì)13附錄1（硬件電路原理圖）：14附錄2（主要程序）：141.系統(tǒng)方案選擇與論證1.1任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)脈搏檢測(cè)器1.2要求（1）、通過(guò)脈搏傳感器采樣脈搏信號(hào)，設(shè)計(jì)脈搏波檢測(cè)電路，通過(guò)示波器顯示出來(lái)（2）、將整形后的脈沖波送入單片機(jī)，采用單片機(jī)構(gòu)成

4、脈搏檢測(cè)儀，要求實(shí)時(shí)顯示脈率變化，脈率超限時(shí)用蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警范圍可以通過(guò)鍵盤設(shè)定。1.3系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目的要求系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、信號(hào)放大整形電路部分、單片機(jī)處理電路部分及顯示電路部分。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案病進(jìn)行了論證各部分電路的方案選擇及論證（1）脈搏傳感器部分傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動(dòng)脈搏動(dòng)壓力這樣一些物理量（非電量）轉(zhuǎn)換成為便于測(cè)量的電量。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測(cè)量精度，因此其選型對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)具有決定性的作用。目前，脈搏信號(hào)的測(cè)量方

5、式主要有：1、光電脈搏波傳感器。血管不受壓力時(shí)，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無(wú)脈搏信號(hào)輸出；當(dāng)血管受壓血液不流動(dòng)時(shí)，傳感器也無(wú)輸出信號(hào)；只有當(dāng)血管受到擠壓，血管中的血液斷續(xù)流動(dòng)時(shí)，反射光也隨之變化，這時(shí)傳感器輸出脈搏信號(hào)，達(dá)到了測(cè)量脈搏的作用。這種傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，主要用于測(cè)量脈搏的跳動(dòng)次數(shù)。人體不同部位的脈搏波波形存在差異，光電脈搏波傳感器不適合用于提取不同部位的脈搏波信號(hào)。2、力傳感器測(cè)量。其測(cè)量原理是，將測(cè)力傳感器的受力端壓在人體橈動(dòng)脈處，模仿人的指頭。這種方式通常采用壓阻式傳感器，它具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于動(dòng)脈血管產(chǎn)生的力很小，故量程小，抗沖

6、擊力不強(qiáng)。3、脈搏信號(hào)還表現(xiàn)為皮膚振動(dòng)，因此可以用加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、波形測(cè)量精度較高。本設(shè)計(jì)中，采用第一種脈搏傳感器，即廣電脈搏波傳感器。（2）信號(hào)放大整形電路部分脈搏傳感器出來(lái)的電壓信號(hào)較弱，一般在毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，便于后續(xù)電路的處理。由于本設(shè)計(jì)對(duì)于脈搏波的整形要求比較低，只需要將每個(gè)脈搏波整形成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波，送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可。所以這部分電路采用了比較簡(jiǎn)單的方法，只需用6個(gè)反向器對(duì)從傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形就可以的了。（3）單片機(jī)選擇本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡(jiǎn)單

7、脈搏測(cè)量?jī)x，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號(hào)輸入檢測(cè)、信息分析處理及信息顯示。1、AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)。高速度（50ns）、低功耗，硬件應(yīng)用Harward結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而MSC-51要12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。AVR單片機(jī)如LPC2131等。2、凌陽(yáng)單片機(jī)凌陽(yáng)是臺(tái)灣凌陽(yáng)公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，如SPCE061等。3、51單片機(jī)51單片機(jī)是INTEL公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。通用型，有總線

8、擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對(duì)較少，訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對(duì)脈搏信號(hào)的波動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和顯示，對(duì)單片機(jī)的要求不是很高。而對(duì)51單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇51單片機(jī)作為信息處理中心。在51系列單片機(jī)中，AT89系列單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。AT89S52就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且，AT89S52的價(jià)格較低。鍵盤與顯示部分根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)警的范圍的。對(duì)鍵盤和顯示部分采用以下方案：米用液晶顯示屏和通用

9、矩陣鍵盤。液晶顯示屏(LCD)具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng),并可靈活的現(xiàn)實(shí)多種狀態(tài)。根據(jù)以上論述，51單片機(jī)資源豐富，根據(jù)需要，我們選用方案一。1.3.2系統(tǒng)各模塊的最終方案根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案：采用AT89S52單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)輸入、顯示、信號(hào)的處理控制。傳感器部分米用光電脈搏傳感器，該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)信號(hào)的處理采用六個(gè)反向器對(duì)其進(jìn)行放大和整形顯示用LCD液晶顯示實(shí)時(shí)脈搏數(shù)和報(bào)警上下限數(shù)值。系統(tǒng)的基本框圖如下圖所示。脈搏傳感|器信號(hào)放大電路單片機(jī)處理電二.路ZX鍵盤

10、輸入電路2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)信號(hào)采集整形部分設(shè)計(jì)本部分由傳感器部分和整形電路部分組成。傳感器由紅外線發(fā)射二極管和接收而以機(jī)關(guān)組成，測(cè)量原理如下：由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液的飽和度的變化將引起光的傳遞強(qiáng)度變化，此變化和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，因此紅外接收二極管的電流也跟著心跳的節(jié)拍改變，使得紅外接收二極管輸出與心跳節(jié)拍相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)U7U5,R3R5,Cl、C2等組成的低通放大器放大，U4、R6、R7、C3組成的放大器進(jìn)一步放大后，送給由U3、U2、RV1、R8等組成的施密特觸發(fā)器整形后輸出,作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。電路中的可變電阻RVl用來(lái)調(diào)整施密特觸發(fā)器的靈敏度,RVl

11、越小,該觸發(fā)器就會(huì)越靈敏。矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)由于控制鍵位較多，方便程序設(shè)計(jì)，硬件安全可靠，我們?cè)O(shè)計(jì)4X4矩陣鍵盤，與單片機(jī)P1口相連，電路如圖2.2所示。OO11OO11OO*IOO圖2.2矩陣鍵盤電路液晶顯電路我們用單片機(jī)P0口作為1602的數(shù)據(jù)傳輸口，P2.0為數(shù)據(jù)命令選擇端、P2.1讀寫、P2.2使能端。硬件電路如圖2.3所示。圖2.3液晶硬件電路圖3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行，是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)主程序流程圖如圖：圖系統(tǒng)主程序流程圖上電后，首先進(jìn)行整機(jī)初始化處理。主程序的初始化模塊主要完成儀器硬件、軟件的初態(tài)設(shè)置，單片機(jī)內(nèi)專用寄存

12、器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。整機(jī)初始化結(jié)束后，檢測(cè)P3.2口的狀態(tài)，如果檢測(cè)到上升沿，則進(jìn)入脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量子程序，測(cè)得脈搏波動(dòng)頻率之后，送到LCD顯示單元進(jìn)行顯示。3.2脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量子程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中對(duì)脈搏頻率的測(cè)量采用周期測(cè)量法。可將單片機(jī)內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0定為16位定時(shí)器，對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，即方式控制字為#01H。定時(shí)器的開關(guān)由程序根據(jù)P3.2口上的狀態(tài)進(jìn)行控制，檢測(cè)到上升沿時(shí)開TO計(jì)數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個(gè)上升沿被檢測(cè)到時(shí)關(guān)TO計(jì)數(shù)。TO中的計(jì)數(shù)值為nx，則被測(cè)脈搏信號(hào)周期錯(cuò)誤！未找到引用源。（對(duì)于12MHz晶振，Ts=l“s）,每分鐘跳動(dòng)次數(shù)錯(cuò)誤！未找到引用

13、源?？紤]到脈搏的頻率很低，大約為1HZ左右，而16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535，這樣定時(shí)/計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出，且最后脈搏波動(dòng)頻率的計(jì)算涉及到雙字節(jié)除法，編程較復(fù)雜。為此，采用定時(shí)器中斷方式，即在一個(gè)脈搏周期內(nèi)，隔一段時(shí)間T1，T1即為中斷周期，且T1ji-R5rcwr-BUZ1R8ED.附錄2(主要程序)：主程序：unsignedcharkey_value;/存放鍵盤返回unsignedcharkey_flag=O;/定義有鍵按下的標(biāo)志unsignedchari,j,t,m,DispBuf10=M,a,i,B,o,:,0,0,0,0;unsignedintn,mb,w,f;voiddi

14、splay_times();#includereg52.h#includelcd.c#includehardware.c#includeuser1.h#includekey.csbitP3_0=P3A0;voidmain()EA=0;sys_init();LCD_Initial();delay_20ms(10);LCD_Write(0,0 x01);/清屏LCD_Print(5,0,Welcome!);delay_20ms(10);LCD_Print(0,0,MaiBoCeLiang);LCD_Print(0,1,eControl!);delay_20ms(10);LCD_Write(0,0

15、x01);/清屏LCD_Print(0,0,LSTC);LCD_Print(0,1,byLWL&MZL);delay_20ms(10);LCD_Write(0,0 x01);/清屏LCD_Print(0,0,XuanZeFanWei:);LCD_Print(0,1,MoRenwei:50120);while(1)unsignedintw=0;key_value=kbscan();if(key_flag=1)key_command(key_value);w=1;if(w=1)break;LCD_Write(0,0 x01);/清屏delay_20ms(10);displayHL();LCD_Pr

16、int(0,1,Testing.);delay_20ms(20);LCD_Write(0,0 x01);/清屏displayHL();TMOD=0 x01;/定時(shí)器T0工作于方式1TH0=0 xec;TL0=0 x78;/T0定時(shí)時(shí)間為5msIE=0 x83;/開中斷IT0=1;/外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式TR0=1;/開定時(shí)器T0for(;)/脈搏指示燈控制if(P3_0=0)delay_20ms(50);P3_0=1;/useralarm();external0()interrupt0/外部中斷服務(wù)程序P3_0=0;/點(diǎn)亮指示燈if(n=0)mb=0;elsemb=12000/n;/計(jì)算每分

17、鐘脈搏數(shù)f=mb;DispBuf8=mb%10+0 x30;取個(gè)位數(shù)mb=mb/10;DispBuf7=mb%10+0 x30;取十位數(shù)DispBuf=mb/10+0 x30;取百位數(shù)LCD_Print(3,1,DispBuf);n=0;Timer0()interrupt1/定時(shí)中斷服務(wù)程序TH0=0 xec;TL0=0 x78;n+;if(n=2000)/10秒鐘測(cè)不到心率,n復(fù)位n=0;鍵盤掃描程序：#include#includeunsignedcharkey_value;unsignedcharkey_flag;/7,8,9,EUP/4,5,6,Ddown/1,2,3,CSET/0到F

18、的16個(gè)鍵植/A.,0,F+/-,Bcharcodetab44=.,1,4,7,0,2,5,8,F,3,6,9,B,C,D,E;OKvoiddelay(unsignedchara)unsignedchari;while(a-)for(i=100;i0;i-);unsignedcharkbscan()/鍵盤掃描unsignedcharhang,lie,key;key_flag=0;P1=0 x0f;if(P1!=0 x0f)delay(10);if(P1!=0 x0f)key_flag=1;P1=0 x0f;switch(P1&0 x0f)case0 x0e:lie=0;break;case0

19、x0d:lie=1;break;case0 x0b:lie=2;break;case0 x07:lie=3;break;P1=0 xf0;switch(P1&0 xf0)case0 xe0:hang=0;break;case0 xd0:hang=1;break;case0 xb0:hang=2;break;case0 x70:hang=3;break;P1=0 x0f;while(P1!=0 x0f);key=tabhanglie;return(key);elsereturn(key_value);voidsetmaibo(void)unsignedchari;LCD_Write(0,1);G

20、otoXY(0,0);Print(H_Maibo:);for(i=0;i3;i+)key_flag=0;while(key_flag=0)key_value=kbscan();while(1)if(key_value!=B&key_value!=C&key_value!=D&key_value!=E&key_value!=F&key_value!=.)break;elsekey_value=kbscan();get_hti=key_value;LCD_Write(1,key_value+0 x30);GotoXY(0,1);Print(L_Maibo:);for(i=0;i2;i+)key_f

21、lag=0;while(key_flag=0)key_value=kbscan();while(1)if(key_value!=B&key_value!=C&key_value!=D&key_value!=E&key_value!=F&key_value!=.)break;elsekey_value=kbscan();get_lti=key_value;LCD_Write(1,key_value+0 x30);while(1)key_value=kbscan();if(key_value=C)break;mh=get_ht0*100+get_ht1*10+get_ht2;ml=get_lt0*

22、10+get_lt1;LCD_Write(0,0 x01);GotoXY(0,0);Print(SetSucess!);delay_20ms(50);LCD_Write(0,0 x01);voidkey_command(unsignedcharkey_value)switch(key_value)caseC:setmaibo();break;default:break;液晶顯示程序：#include/1%J、*J*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1

23、*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*/PortDefinitions*sbitLcdRs=P2A0;sbitLcdRw=卩2人1；/P0=0 x80,P1=0 x90,P2=0 xA0,P3=0 xB0數(shù)據(jù)端口sbitLcdEn=P2A2;sfrDBPort=0 x80；voidlcd_delay(unsignedchart)unsignedchari,j；for(i=0；it；i+)/內(nèi)部等待函數(shù)for(j=0；j100；j+)；TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxT

24、xTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxvoidLCD_Wait(void)/讀忙狀態(tài)LcdRs=0；LcdRw=1；_nop_()；LcdEn=1；_nop_()；LcdEn=0；/向LCDTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx#defineLCD_DATA1/Data#defineLCD_CLEAR_SCREEN0 x01/清屏#defineLCD_HO

25、MING0 x02/光標(biāo)返回原點(diǎn)寫入命令或數(shù)據(jù)#defineLCD_COMMAND0/CommandvoidLCD_Write(bitstyle,unsignedcharinput)/寫數(shù)據(jù)1/命令0LcdEn=0;LcdRs=style;LcdRw=0;_nop_();DBPort=input;_nop_();LcdEn=1;_nop_();lcd_delay(10);LcdEn=0;_nop_();LCD_Wait();/.7J，!II*t*i9t1*/設(shè)置顯示模式*#defineLCD_SHOW0 x04/顯示開#defineLCD_HIDE0 x00/顯示關(guān)#defineLCD_CUR

26、SOR0 x02/顯示光標(biāo)#defineLCD_NO_CURSOR0 x00/無(wú)光標(biāo)#defineLCD_FLASH0 x01/光標(biāo)閃動(dòng)#defineLCD_NO_FLASH0 x00/光標(biāo)不閃動(dòng)voidLCD_SetDisplay(unsignedcharDisplayMode)LCD_Write(LCD_COMMAND,0 x08|DisplayMode);/設(shè)置輸入模式TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxT

27、xTxTxTxTx#defineLCD_AC_UP#defineLCD_AC_DOWN#defineLCD_MOVE#defineLCD_NO_MOVE0 x020 x00/default0 x01/畫面可平移0 x00/defaultvoidLCD_SetInput(unsignedcharInputMode)LCD_Write(LCD_COMMAND,0 x04|InputMode);/初始化LCD*voidLCD_Initial(void)/初始化LCDLCD_Write(0,0 x38);LCD_Write(0,0 x38);/8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點(diǎn)陣lcd_delay(300);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR);/顯示模式LCD_Write(0,0 x01);/清屏LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE);/TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxT