【基于STC89C52單片機的脈搏測量儀設計與實現(xiàn)11000字（論文）】

第一章引言1.1研究背景脈搏是緣于心臟的舒縮導致血液流動而使動脈管壁擴張這一現(xiàn)象，它有著重要的臨床意義，自古以來在中醫(yī)中就有“望、聞、問、切”的診脈手段，切即為切脈，通過脈象來判斷病人的身體狀況，但古代條件落后，中醫(yī)是靠手指按壓來獲得脈搏信息的，盡管脈診簡便、無創(chuàng)，也存在諸多缺點。首先切脈依據(jù)醫(yī)者的手指按壓辨別脈象，主觀感受及以往經(jīng)驗容易影響醫(yī)者的診斷，其次切脈技巧也有一定難度，需要長足的練習和經(jīng)驗才能做到測量準確，最后，脈象的變化只能通過醫(yī)者表述，而不能直觀記錄和保存，不便于對脈象機理的研究。為了促進中醫(yī)及脈診的發(fā)展應用，要將傳統(tǒng)與現(xiàn)代結合，改善脈診的缺陷，實現(xiàn)客觀、準確的診斷。在醫(yī)院的日常工作中，通常使用按壓脈搏計算病人的脈搏數(shù)的方法，為了省時省力，會測量10秒鐘內(nèi)的脈搏數(shù)估算來得到每分鐘脈搏數(shù)，這樣得到的數(shù)據(jù)偏差可能會較大，且容易受外部環(huán)境和主觀經(jīng)驗的影響，仍然存在費時費力且精度低的問題，為改善這些問題，國內(nèi)外研發(fā)了各種技術先進、效率高的脈搏測量儀，被普遍使用在多個領域，如老人日常保健的家用脈搏測量儀，使用運動器械時的脈搏監(jiān)測，醫(yī)院里為住院病人常規(guī)檢查脈搏等。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析由于科技水平的不斷提高，傳統(tǒng)的手指按壓測量脈搏的方式早已被摒棄，而是出現(xiàn)了高精度、多類型的各種脈搏測量儀，如附加測量脈搏功能的儀器電子血壓計如下圖1-1所示，動脈血流的博動會導致肌體的電阻發(fā)生相應的改變，電子血壓計通過測量這種改變來得到脈搏信號，測量結果可在測量完血壓后顯示出來，血壓和脈搏超出正常范圍時會進行語音提示，操作簡便，可用于家庭日常保健，實用性強。圖1-1電子血壓計近年來國內(nèi)外追求開發(fā)無創(chuàng)非接觸式型的脈搏心率測量儀，既能使測量前端不傷害人體，又能準確地在體外獲取準確的脈搏信息，而光電式脈搏傳感器依據(jù)光電容積法，檢測手指尖部血液流動特征來得出生物信號，它以結構簡單、無創(chuàng)、準確度高、重復利用率高的優(yōu)點被廣泛應用于醫(yī)學、運動學、日常保健等各個方面，市面上的高精度指夾式血氧測量儀也附加了利用光電式傳感器測脈搏的功能，實物如下圖1-2所示，它采用強大智能SOC芯片，運用LambertBeer定律，升級數(shù)據(jù)處理算法，準確檢測脈搏，無創(chuàng)無痛測量血氧。圖1-2指夾式血氧測量儀1.3本文任務與目標本文的任務是閱讀有關文獻，查閱各種資料，了解國內(nèi)外關于脈搏測量儀的研究現(xiàn)狀及應用意義，同時介紹脈搏測量儀的研究意義和應用領域，通過深入分析目前脈搏測量儀應用中存在的問題，在現(xiàn)有的技術上加以改善，設計具有遠程監(jiān)控功能的光電式脈搏測量儀，它的功能如下：1.測量脈搏功能:短時間高精度測量每分鐘的脈搏次數(shù)。2.屏顯功能：顯示脈搏測量的數(shù)據(jù)。3.聲光報警功能：測量結果超出預設范圍時觸發(fā)聲光報警系統(tǒng)。4.遠程監(jiān)控功能：測量結果超出預設值時給出短信提示。本文的目標是軟件方面要完成基本程序的編寫，通過編譯且達到設計目的。硬件方面主要是繪制原理圖和PCB板進行焊接，實驗成品能夠演示基本功能，能夠達到設計要求和目的，實現(xiàn)脈搏測量儀高精度、使用便捷、能報警及遠程傳輸信息的功能。同時通過撰寫這次畢業(yè)論文，復習所學專業(yè)知識并將其融匯到本次畢業(yè)設計中，提升對所學知識的理解和運用，也培養(yǎng)刻苦嚴謹?shù)那笾窈蛣邮植僮髂芰Γ约皣烂C認真的研學態(tài)度，正如校訓中所說，學以致用，知行合一。

第二章總體設計思路本次課題為基于單片機的遠程監(jiān)控脈搏測量儀設計，那么采集脈搏信息需要將生物信號轉(zhuǎn)化為電量信號，才能通過相應電路做放大整形處理為單片機所識別，可以使用非接觸式的紅外傳感器來作為檢測元件，人體的血液中有大量的紅細胞，它們可以吸收紅外線，而血液的流動又與心臟跳動的節(jié)拍相對應，即血液的流動可對應脈搏信息，當手指末端處于紅外反射傳感器的發(fā)射管和接收管間的光傳播路徑時，血液流動會導致傳感器產(chǎn)生脈沖信號，這就實現(xiàn)了生物信號到電量信號的轉(zhuǎn)變，但是脈搏心率信號為低頻非電生理信號，在強噪聲背景下顯得微弱，要想得到脈搏信息必須經(jīng)過放大整形及濾波電路的轉(zhuǎn)換，將脈沖經(jīng)信號采集電路放大濾波及整形后輸入到單片機，再通過單片機內(nèi)部的定時器加以計算，就可以得出脈搏測量的時間和次數(shù)，這就是脈搏測量儀的工作原理?？刹捎秒妷鹤兓瘉懋a(chǎn)生脈沖，再利用單片機計算得出測量結果并儲存，輸送到顯示屏，在此基礎上添加藍牙模塊和報警系統(tǒng)，以此設計思路來實現(xiàn)本課題的設計要求。2.1脈搏心率儀整體設計方案脈搏心率監(jiān)測儀的實現(xiàn)依靠ST188光電傳感器實現(xiàn)用戶心率的監(jiān)測，高靈敏度的光電傳感器能夠在短時間內(nèi)讀出用戶的心率數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)設計獨立按鍵模塊，通過設定不同人群的心率上限和下限值，當檢測到用戶的心率值處于用戶設定的閾值時，系統(tǒng)則會將采集的數(shù)據(jù)送入液晶中進行實時的顯示，反之單采集的數(shù)據(jù)不再用戶設定的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，提醒用戶心率異常。基于單片機的脈搏、心率檢測系統(tǒng)實現(xiàn)的基本方案如圖2-1所示。圖2-1脈搏心率檢測儀整體框圖電源問題是實現(xiàn)本系統(tǒng)的主要問題，電源最初設計思想是為本系統(tǒng)的各個模塊提供穩(wěn)定工作電壓，考慮到整個系統(tǒng)的功耗問題，電源的工作效率至關重要，在整個系統(tǒng)工作完成時，所設計的電源模塊要實現(xiàn)是整體電源的1.5倍。本系統(tǒng)的控制芯片采用STC89C51，實現(xiàn)對心率檢測的控制指令集的收發(fā)，通過外部的搖桿模塊實現(xiàn)對心率檢測的手動控制，利用獨立按鍵模塊設計實現(xiàn)對息率動作的學習。設計在傳統(tǒng)的思想上，預留出網(wǎng)絡接口以及藍牙接口，通過上電復位的方式實現(xiàn)自動連接WIFI網(wǎng)絡，自動獲取互聯(lián)網(wǎng)信息。不僅可以為用戶提供在線的心率數(shù)據(jù)分析，也可以根據(jù)用戶的習慣連接不同的設備人群。系統(tǒng)預留的網(wǎng)絡接口能夠識別多種網(wǎng)絡設備信息，可以為后續(xù)模塊的擴展方便以及支持多種外部生理傳感器模塊的配合使用。光電傳感器模塊的設計，實現(xiàn)了用戶可以根據(jù)自己的需要自主在家進行心率的測量，獨立按鍵實現(xiàn)了系統(tǒng)可以根據(jù)自己的需求自主設定心率閾值的上下限，或在不同的時間內(nèi)的閾值上下限。同時設定聲光報警模塊則是能夠及時的提醒用戶，一旦出現(xiàn)心率不齊則會發(fā)生聲音報警和燈光報警，提醒用戶及時的注意或進行就醫(yī)提醒。同時系統(tǒng)搭配溫度傳感器使用，在測量用戶心率的同時，對用戶體溫進行測量，利用體溫以及心率多種參數(shù)信息直觀的反映用戶身體狀態(tài)。2.2脈搏心率儀主要器件選型顯示部分作為系統(tǒng)唯一的人機交互界面，因此對于清晰度的要求十分高，采用亮度、高分辨率的LCD1602液晶顯示屏；控制部分采用高精度，高集成化的硅片CPU；光電傳感器采用ST188芯片實現(xiàn)對用戶心率的采集，ST188芯片是一款靈敏度超高的光電傳感器，能夠在2S內(nèi)讀出用戶的心率值，完全滿足系統(tǒng)的對于靈敏度的要求。系統(tǒng)采用DS18B20測量用戶的溫度信息，DS18B20是一款價格低廉的芯片，對于溫度的測量較為靈敏，因此長被用作工業(yè)測溫，DS18B20溫度傳感器精度高，能夠根據(jù)局部溫度范圍的微小變化實現(xiàn)對溫度檢測。ADC0809芯片是一款雙通道ADC芯片，能夠同時處理兩路的模擬量信息。且轉(zhuǎn)換的速度以及精度可在10-6S的時間精度上完成8kb的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化。報警模塊則是采用大功率的無源蜂鳴器和耐壓值較高的紅色LED燈實現(xiàn)在心率或溫度信息超過用戶設定閾值時的報警提醒，基于單片機的脈搏心率儀系統(tǒng)元器件選型的要求如下：（1）安全新能高，使用壽命長（2）生產(chǎn)成本低、制造容易、電路簡單（3）各個模塊抗干擾性能好，且功耗低（4）靈敏度高，響應快，具有快速反應快速回復2.3脈搏心率檢測儀系統(tǒng)簡介2.3.1脈搏心率檢測儀系統(tǒng)工作原理本設計CPU在選型上要求處理速度快，采集精度高，支持16位精度的浮點計算，最終選擇市面上常見的STC89C52型單片機；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選擇ADC0832芯片搭建，實現(xiàn)將用戶心率的模擬量轉(zhuǎn)換成可被單片機識別處理的數(shù)字量信息；用戶可以通過外部的獨立按鍵，鍵入心率的上下限報警閾值，當采集的心率數(shù)據(jù)在用戶設定的閾值之間時，系統(tǒng)的CPU會將采集來的數(shù)據(jù)進行處理計算最終將計算的結果直接送到高分辨率的液晶中進行實時的顯示。對于正常的心率脈搏溫度信息在用戶設定的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)會將采集的數(shù)據(jù)實時的發(fā)送至液晶上進行實時的顯示，一旦采集的額數(shù)據(jù)不再用戶設定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)則會發(fā)出對應的報警，提醒用戶心率異常。外部按鍵采用機械式按鍵，用戶按下觸發(fā)低電平，處理器通過檢測低電平實現(xiàn)對按鍵的檢測，當系統(tǒng)上電復位后，用戶利用外部的獨立按鍵設定心率的閾值范圍，同時液晶也會顯示用戶設定的閾值范圍。系統(tǒng)上電復位完成后，光電傳感器工作，在工作的過程中用戶將手指的指腹位置放在光電傳感器中進行對脈搏的采集。對于指腹血流量的不同判斷用戶心率數(shù)據(jù)的不同。一旦檢測心率不在范圍內(nèi)，系統(tǒng)就會發(fā)出聲光報警。用戶在測量自身心率脈搏頻率的過程中，將指腹放在光電傳感器進行實時數(shù)據(jù)的采集，同時外部的DS18B20溫度傳感器采集用戶的溫度信息，系統(tǒng)將采集的用戶心率脈搏傳感器數(shù)據(jù)送入ADC0832芯片中進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)換的結果送入處理器中進行實時的處理。采用溫度數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)相互輔助反映用戶的健康狀態(tài)。多參數(shù)同時反映用戶的健康狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性。2.3.2脈搏心率檢測儀系統(tǒng)結構組成脈搏心率系統(tǒng)從實現(xiàn)的功能上分為8個大的模塊分別實現(xiàn)不同的功能。各個模塊獨立分工工作，對于數(shù)據(jù)的采集傳輸以及處理上，通過處理器發(fā)送指令的方式完成對于數(shù)據(jù)的采集處理以及接收顯示，因此在對各個模塊的組成電路的設計并行組成了整個系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)外部擴展加入驅(qū)動模塊和聲光報警模塊，不僅在重要的場合實現(xiàn)了用戶的提醒，同時多功能的報警也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第三章硬件設計3.１總體電路設計3.1.1STC89C52單片機簡介本文采用STC89C52作為系統(tǒng)的微控制器，該芯片采用5V供電，功耗較低，由于使用C語言進行開發(fā)，所以代碼便于編寫和維護，并且其價格低，大大減少了成本。STC89C52的外部晶振一般為12MHz，可見其芯片的運算速度大大滿足系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速度。3.1.2STC89C52單片內(nèi)部資源89CSTC89C52單片機相對于89C52單片機而言主要是硬件資源的補充，STC89C51/52的存儲器不一樣，STC89C51有4K，STC89C52有8K；內(nèi)部FLASH變大：STC89C51有4K字節(jié)的內(nèi)部FLASHPERAM，而STC89C52的內(nèi)部FLASHPERAM達到8K。但是這兩種芯片的寄存器并沒有太大區(qū)別，程序的可移植性較高。具體資源的擴充如表1所示表3-189C51和89C52的硬件資源的區(qū)別ROMRAM定位器內(nèi)部FLASH89C5122k25kT0、T122k895223k26kT0、T1、T223k89C52在89C51的基礎上取得了很大的突破，大大擴充了芯片內(nèi)部的存儲空間，硬件資源的擴充可以使程序的容量得到較大的提高，為程序的開發(fā)提供了更好的條件。具體基本結構如圖3-2所示。圖3-2STC89C52單片機基本結構89C52芯片作為該系統(tǒng)的處理器，主要負責控制其他傳感以及進行數(shù)據(jù)的分析和處理，其有限資源決定了系統(tǒng)的處理能力和對算法的復雜要求程度，一個高效的時鐘電路對系統(tǒng)處理運行速度也至關重要，STC89C52其構成主要包括表2三個部分。表3-289C52主要構成3.1.3STC89C52單片機各個引腳STC8952具有40個管腳，滿足設計所需的要求，其中大部分為IO口，還有一些IO口還具有一些特殊功能。芯片外接+5V的工作電壓，但是其功耗很低，滿足設計所需的要求。STC89C52有4組并行串口，每組有8個，共32個，其中P3口具有特殊功能，比如串口通信，定時器中斷等。STC89C52外部引出的I/O引腳如圖3-3所示。圖3-3STC89C52引腳具體分布圖由圖3-3所示，采用STLink與芯片的P3.0和P3.1引腳連接，可進行代碼燒錄。一般進行電路設計時，盡量將串口接口空留出來，方便上位機通信和代碼的燒錄。3.2電源電路設計在所有的電子設計中，首先需要解決的問題便是系統(tǒng)得供電問題，良好的電源設計不僅能夠提高系統(tǒng)的工作效率，而且能夠延長系統(tǒng)的使用壽命。數(shù)字調(diào)頻發(fā)射器，在射頻功率放大上，需要對于語音信號進行調(diào)制和放大，因此在語音調(diào)制和射頻功率放大的過程中需要較大的功率，因此在設計時需要一個較大的電壓和電流供給，幫助BH1415F芯片完成語音信號的調(diào)制。同時數(shù)字調(diào)頻發(fā)射在使用的過程中，會因為環(huán)境的變化，導致外界無法獲取+5V電壓信號，因此在設計的過程中需要對常規(guī)的工頻電壓信號進行整流、濾波和穩(wěn)壓。因此在設計時系統(tǒng)采用TPS54160芯片實現(xiàn)對于高電壓的穩(wěn)壓。系統(tǒng)電源電路設計如圖3-4所示。圖3-4系統(tǒng)電源管理電路設計采用TPS54160芯片實現(xiàn)電源開關頻率的設置，若開關電源輸出濾波電容很大，在啟動過程中由于輸出電壓不能在短時間內(nèi)上升，控制器會認為輸出短路故障。同時采用TPS76833芯片，將5.0V轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，在設計中設計多個儲能電容和濾波電容，有效濾除電壓的紋波。3.3光電傳感器電路設計對于用戶心率的采集，光電傳感器是常用的傳感器，其實現(xiàn)對額原理是對于不同波長的光信號進行捕捉，用戶將指尖放在傳感器上方，由于血液流動速度的變化，光電傳感器的遮光性會有細微的變化，此時光電傳感器電平會有起伏。極管將高電平和低電平放大至單片機可以檢測范圍內(nèi)，光電傳感器電路設計如圖3-5所示。圖3-5心率采集模塊電路設計模塊設計采用+5V直流電壓供電，R10電阻能夠有效的防治電路中電流過大導致光電傳感器損壞。其中采用9012型三極管，避免了系統(tǒng)對于突然斷電時的電流回流，三極管能夠有效的阻斷電流。當用戶的手指放在光電傳感器上時，用戶的血液流過手指，對光電傳感器進行遮擋，遮擋的數(shù)值引起電平的變化，經(jīng)過三極管放大后被單片機捕捉到。系統(tǒng)通過單片機捕捉的信息實現(xiàn)對用戶心率數(shù)據(jù)的讀取與分析，將用戶的心率脈搏數(shù)據(jù)實時的發(fā)送至液晶屏幕上。光電傳感器屬于光敏性電子元器件，其高靈敏度、低成本而被廣泛的應用在各個工程測量上。同時該傳感搭載三極管進行信號電流的放大，放大后的電流信號更加容易被系統(tǒng)的處理器檢測到。3.4溫度采集電路設計溫度傳感器采用DS18B20傳感器實現(xiàn)對于用戶溫度數(shù)據(jù)的采集，DS18B20傳感器的外部具有3個引腳，采用弧形的界面設計能夠有效的增加測溫的幅度。采用DS18B20傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對于用戶體溫數(shù)據(jù)的測量。其原理圖如圖3-6所示。圖3-6DS18B20溫度采集模塊電路圖3.5ADC轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，當光電傳感器接收到的心率脈搏信號時，該模擬信號會通過AD傳感器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本文所采用的ADC轉(zhuǎn)換芯片是由美國的一家半導體公司生產(chǎn)的，該芯片是ADC0832ccn，芯片引腳圖如圖8所示。其封裝腳小，其芯片的兼容性較高，成本較低，與較同類型的電子產(chǎn)品比較，具有獨特的優(yōu)勢，芯片的功耗為15mW，可以大大延長系統(tǒng)的使用時間。ADC0832ccn芯片可同時進行兩路AD轉(zhuǎn)換，可單通道或多通道采集，極大擴展了其應用場合。該芯片采用5V供電，與單片機的工作電壓相同，避免設計多種工作電壓的需要。該芯片的性能高，轉(zhuǎn)換速度快，可在極短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，便于以后的數(shù)據(jù)分析，處理，極大的滿足設計的基本需求。圖3-7ADC0832電路圖ADC0832芯片在+5V下能夠正常工作，并且其工作電流很低，在一些穿戴式設備中具有獨特的優(yōu)點。CS引腳為芯片的片選端，可通過控制該引腳進行通道的選擇。芯片的分辨率8位，最高分辨率位256級，電壓采集范圍為0到5V，兩路ADC通道使得其應用更加廣泛。ST188芯片對用戶進行信息采集，采集的信息會經(jīng)過ADC0832芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片會迅速將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。AD芯片封裝位DIP08雙列直插式，結合芯片底座，可以使其方便拆卸，操作簡單，使電路設計更加方便。ADC0832需要單片機進行驅(qū)動，通過用戶手冊進行驅(qū)動程序的編寫，其原理使通過控制各個引腳實現(xiàn)對應的功能，該芯片的引腳如表3所示，每個引腳對應不同的功能。表SEQ表\*ARABIC3-3ADC0832各引腳功能3.6獨立按鍵電路設計為了實現(xiàn)模式和界面的自由調(diào)節(jié)和切換以及參數(shù)的自定義設置，本系統(tǒng)的按鍵采用四個機械式按鍵。用戶可以根據(jù)自身健康度來調(diào)節(jié)對應的參數(shù)值，例如心率達到閾值會發(fā)出報警來提示用戶。因此采用獨立按鍵來實現(xiàn)對參數(shù)的校準。其電路設計如圖3-8所示。圖3-8獨立按鍵電路圖系統(tǒng)的0點位作為四個獨立按鍵的公共COM連接點，在上電的瞬間，芯片的各個引腳位都為高電平，那么在軟件設計上就很容易觀測：如果為低電平0，就說明按鍵按下，反而沒有，一次來達到校準的作用。在硬件設計方面。用戶根據(jù)自身的健康條件來調(diào)節(jié)相應的參數(shù)，如果達到這個值就會發(fā)出警報聲，以此來提醒用戶。3.7脈搏心率檢測儀系統(tǒng)液晶顯示電路設計系統(tǒng)采用LCD1602進行顯示，該顯示器可顯示不同的字符。LCD1602具有16個引腳接口，可以單片機進行并行數(shù)據(jù)傳輸或者是串行數(shù)據(jù)通信，串行通信傳輸數(shù)據(jù)較慢，但是占用引腳較少，并行通信傳輸數(shù)據(jù)較快，但是占用引腳較多。引腳VO可以調(diào)節(jié)背光亮度，通過與電位器相連，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值進而控制背光亮度。當程序分析處理玩脈搏心率信號后，可把分析結果通過LCD1602進行顯示，用戶便可直接讀取自己的脈搏心率，其中LCD1602外部的16個引腳原理圖如圖3-9所示。圖3-9脈搏心率液晶顯示電路硬件電路圖LCD1602性價比高，一般經(jīng)常用于民用產(chǎn)品，顯示一些重用信息。但是，由于該顯示屏沒有內(nèi)部存儲字庫，所以在使用時需準備字庫，便可使字符顯示在屏幕上。液晶內(nèi)部的寄存器引腳功能外設接口如表3-4所示。表3-4LCD1602引腳功能接口VSSVCCVORS電源接地端為芯片的0點位參考點外接5V電源電壓正極液晶顯示器對比度調(diào)整端液晶數(shù)據(jù)寄存器選擇功能接口3.8脈搏心率儀系統(tǒng)報警電路設計系統(tǒng)在報警電路中，當不是本人進入系統(tǒng)是，系統(tǒng)就會發(fā)出LED燈閃爍并伴有蜂鳴器響聲，其提供了強烈的安全性和可靠性，當不是本用戶使用時，報警裝置中的NPN管的電流從N流向P，蜂鳴器引入低電平，因而發(fā)出響聲。其設計如圖3-10所示。圖3-10脈搏心率檢測儀系統(tǒng)的報警電路設計LED燈一端接VCC一端接地，外加1KΩ的電阻。電阻能有效的防止報警電路中電流過大而損壞器件。采用硬件無源蜂鳴器，當導通時即可正常工作。3.9脈搏心率儀系統(tǒng)控制模塊最小系統(tǒng)設計處理器作為系統(tǒng)設計的核心，對于處理器選型以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算有著至關重要的作用。本系統(tǒng)選用的處理器是STC89C52單片機，以STC89C52單片機作為系統(tǒng)的處理器芯片，系統(tǒng)的處理性能較高。其中作為處理器工作的基礎，STC89C52單片機中的時鐘是整個系統(tǒng)的核心部分，其采用依靠石英晶振的振蕩提供給單片機進行處理的周期時鐘。另外，為保證整個系統(tǒng)順利運行，STC89C52單片機上的復位電路為整個系統(tǒng)提供重啟功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)程序運行卡頓、紊亂、屏幕顯示錯誤時，按下單片機上的復位按鍵，系統(tǒng)回到上電復位狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3-12所示。圖3-11單片機最小系統(tǒng)電路圖為實現(xiàn)硬件電路產(chǎn)生的電壓波紋對系統(tǒng)的影響，在系統(tǒng)電路設計中，C6采用了10PF的電解電容，以此來實現(xiàn)對電壓進行濾波，實現(xiàn)硬件電路對電壓紋波的控制，減少硬件本身對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。在電路圖中可以看出，晶振時鐘接在18、19號引腳上，以此完成系統(tǒng)基礎工作要求，原因是要實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的正常工作，只有在外部晶振不斷的發(fā)出時鐘脈沖信號，系統(tǒng)接收了時鐘脈沖才能正常工作，單片機才能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理分析。晶振時鐘周期可以計算表示為：（1）系統(tǒng)的機器周期為：（2）由上述公可以看出，系統(tǒng)的機器周期是外部時鐘振蕩周期的12倍。原因是要更加便捷的處理和判斷授權人員的身份信息，并且這種設計大大提高了單片機處理數(shù)據(jù)的速度。因為整個系統(tǒng)在接入外接電源時，電源本身電波也會對硬件電路產(chǎn)生影響，從而為了使得電源電壓紋波小于1mV，在設計系統(tǒng)電路時，特意設計了外加電源經(jīng)過大小不同的電解電容的方式，以實現(xiàn)對電源波的濾波，確保電壓的紋波并保證系統(tǒng)電源的供給。同時，從圖12中可以看出，P0接入上拉電阻，此舉是為了防止單片機因電流過大而燒毀芯片，起到保護作用，P0是完全的外部I/O口，功能單一不具有其它共用情況。P1引腳外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，以此用來感應外部引腳電流的變化。P2引腳外接報警模塊和驅(qū)動模塊，以實現(xiàn)安全門鎖的智能化開啟與閉合功能。I/O口P3系列都具備第二功能，可以實現(xiàn)引腳復用，比如內(nèi)部的寄存器、中斷定時功能以及外部程序的燒錄等。第四章軟件設計4.1開發(fā)環(huán)境的介紹系統(tǒng)的軟件部分采用Keil的開發(fā)環(huán)境，以C語言進行代碼編程。硬件部分采用STC系列的單片機。利用Keil軟件將編寫好的C語言程序編譯成HEX文件，就可以通過串口下載軟件把編譯好的HEX文件下載到STC89C系列單片機中。這一過程是將程序代碼下載并存儲到了單片機的內(nèi)部芯片的程序存儲區(qū)Flash里。采用Keil集成開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)C源代碼、源代碼的編譯和匯編，最終生成STC系列單片機的機器語言程序。Keil開發(fā)平臺有自身的優(yōu)點，支持各種不同類型的單片機芯片，不僅僅支持C語言程序設計，還支持其他匯編語言的程序設計，Keil軟件還具備編輯功能，編譯功能以及仿真等一系列功能，它的界面友好，簡單易用，能夠準確的定位代碼的錯誤位置，幫助用戶有效發(fā)現(xiàn)錯誤并及時的修改，效率極高。4.2脈搏心率儀系統(tǒng)具體軟件編寫的流程系統(tǒng)軟件編程是一種嵌入式系統(tǒng)編程，建立在特定的硬件平臺之上，需要編程語言具備較強的硬件直接操作能力。毫無疑問，匯編語言即擁有這個特點。然而，由于匯編語言開發(fā)過程具備一定的復雜性，所以并不能作為最佳選擇。相比之下，C語言是一種既高級又低級的語言，自然在單片機系統(tǒng)開發(fā)中具有明顯優(yōu)勢。脈搏心率儀系統(tǒng)的整體實現(xiàn)流程圖如圖4-1所示。首先對系統(tǒng)上電復位進行初始化，然后通過傳感器將采集到的的外部信號傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)中，通過A/D轉(zhuǎn)換器（ADC），將采集到的用戶心率脈搏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后STC系列單片機才能對采集到的用戶心率數(shù)據(jù)進行處理，以此判斷采集數(shù)據(jù)是否在設定值的正常健康數(shù)值范圍內(nèi)。如果經(jīng)過判斷后，采集到的的數(shù)值異常，不合乎正常值的范圍內(nèi)，則通過繼電器的閉合來控制報警器進行聲光報警，提醒用戶測試結果異常，個人采取適當方式及時就醫(yī)。除此之外，用戶也可以通過LCD1602液晶顯示屏來觀看溫度傳感器采集到的信息，直觀簡潔圖4-1系統(tǒng)實現(xiàn)的整體流程圖初始化是必不可少的操作，初始化操作可以避免在上電后程序下載等過程中出現(xiàn)卡頓，數(shù)據(jù)錯誤等問題。硬件方面，單片機的按鍵復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)。軟件方面，利用C語言編程對不同模塊進行初始化，如寄存器模塊初始化操作、存儲器模塊初始化操作等都是必不可少的過程。4.3脈搏心率檢測儀系統(tǒng)各個模塊軟件編寫流程4.3.1心率檢測模塊軟件設計將手指放置在脈搏心率檢測模塊上，光電傳感器的開關會被手指中的血流遮擋住，有物體遮擋時，傳感器會做出反應，對應的引腳電平會發(fā)出一段信號，單片機通過對傳感器的信號進行脈沖計數(shù)，當計數(shù)完成時，處理器進入中斷。EA使能端當置于1時，步進電機會開始轉(zhuǎn)動，當進入中斷操作時，系統(tǒng)在高頻時鐘信號的作用下，可以快速計算出用戶的心率數(shù)據(jù)，圖4-2為光電傳感器的系統(tǒng)流程圖。圖4-2心率傳感器軟件流程圖4.3.2數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊軟件設計AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊通過調(diào)用AD采集函數(shù)，將脈搏心率檢測系統(tǒng)中的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。AD程序設計如圖4-3所示。圖4-3AD數(shù)模轉(zhuǎn)換程序流程圖首先對AD進行初始化，然后調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)，當SDI/SDO兩個寄存器均為高電平狀態(tài)時，使用雙通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD芯片在工作頻率足夠高情況下，模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號可以在10-6ms級的時間內(nèi)完成，完全符合用戶實時顯示的需求。4.3.3LCD1602液晶顯示模塊程序設計顯示子函數(shù)主要包括四大步驟：寫狀態(tài)將寄存器RW置于低電平狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)的寫入；寫數(shù)據(jù)：單片機將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入液晶屏的ROM中進行顯示；讀狀態(tài)：將寄存器RS置于低電平狀態(tài)，等待液晶讀取數(shù)據(jù)；讀命令：將液晶ROM中的數(shù)據(jù)讀取并顯示在液晶屏幕上。LCD1602液晶各個寄存器內(nèi)部能夠鎖存時間信息數(shù)據(jù)以及位置信息，系統(tǒng)軟件實現(xiàn)實時的輸入8位數(shù)據(jù)，從8位數(shù)據(jù)送進LCD1602液晶的引腳中，LCD1602液晶通過鎖存設備將數(shù)據(jù)信息送到液晶中進行顯示。液晶顯示的程序流程圖如4-4所示。圖4-4液晶顯示流程圖4.3.4聲光報警模塊程序設計當系統(tǒng)采集到的的心率高于自己定義的值時，程序中斷，讓單片機P2.4引腳為低電平，接下來將會延遲500ms后給LED燈高電平，再給500ms的延遲后讓LED燈進入每500ms閃爍的循環(huán)，與此同時，外部蜂鳴器P2.3口置為低電平0。用高低電平的方式書寫以此達到報警的實現(xiàn)，使得用戶得到的信息更加準確。流程圖如圖4-5所示。圖4-5報警程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖4.3.5獨立按鍵模塊程序設計該系統(tǒng)使用四個獨立按鍵，分別對應不同的溫度參數(shù)信息。由于按鍵硬件上的缺陷，按鍵會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象進而造成程序執(zhí)行出現(xiàn)錯誤。抖動現(xiàn)象的示意圖如圖4-6所示。圖4-6獨立按鍵抖動的波形由于機械式按鍵的弊端，在按鍵按下時會產(chǎn)生相對應的抖動，電路的的設計上，采用加入電容濾波的方式實現(xiàn)對對于外界引入雜波信號的濾除。在軟件上則是采用延時進行相對應的去抖動處理。軟件延時的消抖的軟件流程圖如圖4-7所示。圖4-7獨立按鍵模塊軟件流程圖

第五章系統(tǒng)測試在對實物的制作中，依照硬件電路圖的設計思想對系統(tǒng)的各個模塊實現(xiàn)硬件的焊接，在焊接完畢后對利用萬用表筆對焊接的各個點檢測有無虛焊的現(xiàn)象，在逐一的排查無虛焊漏焊的前提下，對實物進行上電測試，上電測試如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)上電復位圖用戶在系統(tǒng)上電復位完成后，利用外部的獨立按鍵調(diào)節(jié)心率脈搏的報警上下限值，系統(tǒng)將心率的下限報警值設定為40次/m