脉搏监测硬件系统的设计-毕业论文

毕 业 设 计 学生姓名： 学 号： 学 院： 电气工程学院 专 业： 生物医学工程 题 目： 脉搏监测硬件系统的设计 指导教师： 评阅教师： 年 月 河北科技大学毕业设计成绩评定表 姓 名学 号成 绩 专 业生物医学工程 题 目脉搏监测硬件系统的设计 指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日 评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日 答辩小组评语及成绩 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。 毕毕 业业 设设 计计 中中 文文 摘摘 要要 脉搏监测系统通过对脉搏的实时观测，可实现人体健康的状态预警，目前广 泛应用于保健中心和医院。基于 STC89C52 单片机设计的脉搏监测硬件系统可以 实现对人体脉搏的即时可靠检测，以及对脉搏出现异常情况进行报警提示。信号 采集系统采用光电传感器，将脉搏信号转化为电信号。然后对脉搏信号进行滤波、 放大和整形处理。把经过调理后的脉搏信号输入到单片机，在单片机内对脉冲进 行相应的计算和处理后，最后将测量者一分钟内的脉搏次数显示在 LCD1602 液晶 屏上。测量过程中可以观察指示灯的闪烁情况来判断系统工作的稳定性，若指示 灯均匀闪烁说明系统运行稳定，测量准确。脉搏监测系统停止运行时能够显示测 量者一分钟的脉搏次数，同时还可以进行上下限的设置，当测得的脉搏数超过设 定范围，则蜂鸣器报警，表示当前健康状态存在一定风险。经测试，设计的脉搏 监测系统工作稳定，各项指标达到设计要求。 关键词 脉搏监测 STC89C52 光电传感器 LCD 显示器 毕毕 业业 设设 计计 外外 文文 摘摘 要要 Title Design of Hardware System for Pulse Monitoring Abstract Pulse monitoring system can realize the health of the human body by real-time observation of the pulse, which is widely used in health care centers and hospitals. The design of pulse monitoring hardware system is based on STC89C52 microcontroller which can achieve real-time and reliable detection of human pulse, as well as abnormal situation of the pulse of the alarm prompt. Signal acquisition system using photoelectric sensor, the pulse signal into electrical signals. Then, the pulse signal is filtered, amplified and processed. After conditioning the pulse signal input to the microcontroller, the pulse of the pulse in the corresponding calculation and processing, and finally the measurement of pulse times within one minute of the display on the LCD1602 LCD screen. In the measurement process, it can be observed that the flashing of the indicator light to judge the stability of the system work, if the indicator light flashes evenly, the system is stable and accurate. Pulse monitoring system to stop running to show the measurement of a minute of the pulse of the times, can also set the upper and lower, when the measured pulse number exceeds the set range, the buzzer alarm, said the current state of health, there is a certain risk. After testing, the design of the pulse monitoring system is stable, the indicators meet the design requirements. Key Words Pulse monitoring STC89C52 Photoelectric sensor LCD display 本本科科毕毕业业设设计计 第 页 共 页 目 录 1 绪论 1 1.1 选题背景和意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 课题主要研究内容3 2 系统总体设计方案 4 2.1 传感器的选型4 2.2 主控模块的选型6 2.3 显示模块的选型7 3 系统硬件电路设计 8 3.1 主控模块8 3.2 信号采集与处理电路设计13 3.4 按键电路的设计19 3.5 蜂鸣器电路的设计20 3.6 显示电路设计21 4 系统软件设计 24 4.1 系统主程序流程24 4.2 按键程序流程设计25 4.3 蜂鸣器报警程序流程设计26 4.4 定时器/计数器中断程序流程的设计 27 4.5 显示程序流程的设计27 本本科科毕毕业业设设计计 第 页 共 页 5 系统调试 29 5.1 调试结果29 5.2 误差分析30 6 系统检验 31 结 论 33 致 谢 34 参 考 文 献35 附录 A：系统整体原理图37 附录 B：系统源程序38 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 47 页 1 绪论绪论 脉搏是人体基本的生命体征参数，脉搏的正常与否能够间接的反映人体的健康状 态。在医疗科技快速发展的情况下，脉搏监测已经成为人体保健和疾病诊断不可或缺 的环节。设计一款便携的脉搏监测系统具有一定的实际意义。 1.1 选题背景和意义选题背景和意义 脉搏是人体正常的生理现象，它能够直观的反映心脏和血管的健康状态。人体各 个器官的健康和病变等信息会通过血液和心脏以某种方式间接地表现在脉象中。通过 观察脉搏波，分析脉波图能够发现许多具有诊断价值的信息，用于预测人体某些器脏 结构和功能的变化趋势，如：血管在力学性质和几何形态上的变异会反映在脉搏波波 形和波速的变化上1。各种心血管病理和生理性变异常常会引发脉搏的改变，并先于疾 病临床症状的出现。通过对脉搏波的检测分析可以对高血压、心脏病等引起的血管病 变进行评估。同时脉搏测量还为血压、血流及其他某些生理信号测量提供了一种生理 参考信号。 心室周期性的收缩和舒张是心脏跳动的原始动力，心脏跳动直接引起主动脉的舒 张和收缩，在血流中产生压力波循环的在动脉系统中传播，这就是常说的脉搏波。通 其他机械波一样，脉搏波也具有一定的波形、强度、幅值和速率等信息，而这些信息 与人体心血管系统的健康状态、病变异常等引起的血流特征息息相关2。从理论上来说， 通过高科技手段检测人体脉搏的微弱变化，能够直接诊断人体存在的病变前兆以及疾 病情况。因此，对脉诊进行研究探索是医疗工作的必须前提，也是中医科学的延伸和 拓展，对人类医学的发展具有重要意义。 在医学和保健学中，脉搏作为一种最基本的生命特征，受到很大重视。作为我国 传统中医的精髓，脉诊在我国已具有 2600 多年的实践历史，但传统中医中的“望、闻、 问、切”病情诊断方法，受经验等认为因素的影响较大，测量精度难以保证。在我国 传统医学中，对脉搏的检测通常是通过人工把脉或者听诊器进行测试，由于经验的不 足和器械的局限性，难以准确测得脉搏的具体信息。而随着科技的进步和医疗器械的 发展，利用新型的电子仪器能够更加精确的对脉搏进行测量，为疾病诊断提供更加准 确的信息依据。现在市面上有很多用于日常监护的仪器，最常见的便携式电子血压计， 可以完成对人体脉搏的测量。这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，但 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 47 页 是每次测量都需要一个加压和减压的过程，但是也会有一些缺点比如体积庞大、加减 压过程造成不适、脉搏检测的精确度低等3。因此，采用传感器对脉搏进行检测，具有 准确度高，信息量大，非侵入性，便携性等诸多优点，将成为今后脉诊的趋势。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 对医学参数的测试研究已经成为医学领域的研究热点，作为一个新兴学科，受到 医学界以及工程技术界的广泛关注。世界上第一台杠杆式脉搏描记仪是在 1860 年由 Vierordt 创建的，而我国脉搏仪的研究始于 20 世纪 50 年代初，著名医学家朱颜首次 将脉搏仪用到中医脉诊的研究4。此后，机械及电子技术的发展快速带动了脉象仪研制 方面的发展。在 70 年代中期，上海、天津、江西、贵州等地相继成立了脉象研究工作 小组，使得中医脉象的研究工作在理论和实践上踏上了新的台阶。以下按脉象仪探头 的形式，传感器的特点及研制者作一简单的归纳5，详见表 1.1 所示。 表 1.1 脉搏仪的研制情况 研制者探头形式（单部）探头形势（三部） 北京医疗器械厂MX-1 型（应变片）BYS-14 型（应变片） 上海医疗仪器研究所MX-3 型，MX 型（7 点式）3MX-1 型（应变片） 天津医疗仪器研究所MTY-A（寸部 7 点，应变片） 上海中医学院ZM-1 型（子母式，应变片）九路型（径向 7 点，轴向 3 组） 贵州省脉象协作组ZH-I 型（应变片）ZH-II 型，轴向径向均可调节 西安交通大学圆形气囊加压式（7 点） 上海中医研究院横向线列式九道（应变片） 浙江大学63 点（PVDF 压电薄膜） 西苑医院压电晶体 江西脉图协作组MX-811 型（液态泵） 中科院基础所硅杯式（单晶硅） 中科院智能机械所软接触式（应变片，液态） 湖南省中医学院血管容积式（光敏元件） 湖南省中医研究院阻抗仪 中国台湾 汪叔游三部压力换能器 美国 Dr. Laub（压电晶体）三部手套力与压力复合式 德国 Park. H.S三部绑带充气加压 脉象探头的样式诸多，按外在形态可分为单部、三部或者单点、多点；按照接触 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 47 页 方式可分为刚性接触式、软性接触式；按照材料可分为硅杯式、液态汞、液水、子母 式，其中应用最为广泛的是单部单点应变片式，由于性能更加优越，近年来三部多点 式发展成为主流。 脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： 1）自动化也正在成为脉搏监测系统发展方向。为减少人力物力的投入，并降低人 为引入误差，对脉搏进行机械化全自动监测已成为大势所趋，而随着处理器的发展， 对脉搏自动诊断分析功能也更强大。 2）将数字信号处理技术用于脉搏监测系统将会进一步提高系统的集成度、便携性、 抗干扰性以及精确度。 3）单一功能的脉搏监测系统已经达不到现代医学的要求，现在血氧、心电等参数 也被慢慢融合到脉搏监测系统中，随着现代医学技术的发展，脉搏监测系统将逐步实 现更多的功能。 1.3 课题主要研究内容课题主要研究内容 人体脉搏的正常范围是每分钟 6080 次（婴儿每分钟 120140 次；老年人脉搏频 率较慢，每分钟约为 5560 次） 。由此可知人体的脉搏信号属于低频信号。本设计所要 设计的脉搏监测系统需要实现的基本功能包括： 1）通过光电传感器将脉搏信号（生物信号）转换为电信号，并进行采集和存储。 2）对采集的脉搏信号进行调理，使其能够与控制系统相兼容。 3）设计主控系统对脉搏信号进行计数和显示。 基于上述功能要求，本系统的设计方案为： 通过光电传感器拾取脉搏信号并将其转换为脉冲电信号，转换后的电信号经过滤 波、放大和整形处理后输入单片机系统，单片机采集到 5 次脉搏信号后，计算人体 1min 内的脉搏次数，最终的结果显示在液晶显示器上。同时，为对脉搏异常实现预警， 系统设置了报警功能，当脉搏数超过系统设置的上下限范围，则蜂鸣器报警进行提示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 47 页 2 系统总体设计方案系统总体设计方案 脉搏监测系统将采用脉搏信号变化会引起其他生物信号变化的特点进行方案设计。 系统进而将该生物信号转化为电信号并进行测量和监测。 本系统通过传感器对脉搏信号进行采集，传感器接收端会接收到强弱不同信号， 并将这种信号转化为脉冲电信号输出，然后对信号进行滤波、放大和整形处理，输入 单片机的 I/O 口。单片机利用外部中断对经过处理的信号进行计数，判断是否超出上 下限范围，若超出范围，则驱动蜂鸣器报警，并将一分钟的脉搏次数显示在液晶屏上6， 若未超出范围，则直接显示脉搏次数。本设计中的脉搏数上下限范围通过对按键的控 制进行调节。 系统设计原理框图如图 2.1 所示。 信号 采集 滤波放大整形 计数显示 报警 上下限 范围调节 判断是否 超出上下 限范围 超出范围 未超出范围 图 2.1 系统设计原理框图 脉搏监测系统需要实现对脉搏信号的有效检测、可靠传输和处理显示，因此脉搏 传感器的选型、主控电路的设计以及测量结果的显示是系统设计的关键内容。根据使 用环境和条件的特殊性，脉搏监测系统需要具备轻便、灵活、可靠的特点。 2.1 传感器的选型传感器的选型 目前用于检测脉搏信号的传感器主要有压电式传感器、光电传感器和集成传感器。 这几种传感器的检测原理不同，优缺点也不一样7。 1）压电式传感器 一次性心电电极采用压电式原理能够方便的实现脉搏检测，这种常用的压电式传 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 47 页 感器采用印刷工艺加工制得。人体运动会引起心率脉搏的变化，对脉搏检测产生严重 的干扰，为此，一次性心电电极将接口与敏感区分离设计以减少干扰。电极需要具备 粘贴性高、导电性好、极化电压低等特点。在测量脉搏时，需要将电极形成导联，分 别置于测量者的两个手和左腿上。此传感器虽然简单，但应用性比较差。 目前一种新型的压电传感器因其灵敏度高，频带范围宽而被广泛应用，这种压电 传感器采用高分子压电材料聚偏氟乙烯研制而成，结构简单，使用方便8。该传感 器将手指前端在血压下的张弛信号进行提取，转变为电信号。 压电式传感器结构简单，应用方便，带宽大，性价比高。但是，其使用时需要直 接接触人体，易受肌肉抖动产生干扰，并且容易受到外界其他信号的干扰。 2）光电传感器 因为血液高度不透明的特性，光照对血液的穿透性比其他的一般组织要小很多。 根据血液透光性的特点，可以利用光电效应来拾取脉搏信号9。对于反向偏压的光敏二 极管，在一定的光强范围内，其反向电流随着光强的增大而增大，两者呈线性关系。 此特性决定了其能够用于脉搏检测，因为手指端血管的透光度会随着心跳和脉搏而改 变，这样光电三极管就会接收到不同的光强，由此产生变化的光电流。 脉搏用光电传感器分为红外对管和红外放射管两种。 红外对管式光电传感器在使用时需要夹在手指尖，当心脏跳动的时候会导致手指 端部的血液浓度发生变化，导致传感器接收的信号也会产生相应的变化。但目前市场 上的心率脉搏计普遍采用的是红外放射管。这种光电传感器接收端和发射端在手指同 侧，通过采集血液漫反射回来的光来精确测量血管容积变化情况。在应用上更加的方 便。 光电传感器的结构相对比较简单，灵敏度相对较高，响应速度快，使用方便等一 系列优点，被广泛应用。但是由于外部的强光源会对测量产生很大的干扰，导致测量 的结果有误差。 3）集成传感器 为适应市场的需要，很多集成心电传感器已被开发出来，这种传感器集成了滤波、 放大等抗干扰电路，具有很好的灵敏性, 能够直接快速测量心率变化情况。但价格相对 昂贵。 综合对比三种传感器的特点，光电传感器结构简单，价格低廉容易买到，应用方 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 47 页 便，最适用于本脉搏监测系统的设计要求。 2.2 主控模块的选型主控模块的选型 本课题最终的设计目标是一个便携式脉搏监测系统，能够检测脉搏波动频率。将 单片机作为信息处理中心，能够简单方便得实现主控功能。单片机种类多种多样，需 要根据具体的设计要求来进行选型。 1）AVR 单片机 AVR 单片机是 ATMEL 公司在 1997 年研制出来的，这种单片机采用的是 Flash 技 术，拥有 RISC 的精简指令集。高速 8 位的 AVR 系列单片机具有丰富的片内资源及强 大的接口，还兼具低功耗等特点。其硬件采用哈佛结构，具备 1MIPS/MHz 的高速运行 处理能力。另一特点是其快速的存取寄存器组和单周期指令系统，大大优化了目标代 码的大小、执行效率，价格相对 51 单片机要高，指令集和位操作不如 51 单片机丰富 10。 2）凌阳单片机 凌阳单片机是一种基于 SOC 的一种新型的 D/A 混合系统级芯片。凌阳单片机采用 nSPTM 内核，结构为积木式，完美结合了通用结构和可选结构，这使得其能够衍生 出各种系列的派生产品，以适用不同的场合需求。同时凌阳单片机增加了 DSP 的某些 特殊指令；有些系列还嵌入了 LCD 控制/驱动和双音多频发生器功能。该单片机具有高 集成度、D/A 混合、高速度、低功耗、小体积等特点。但功能复杂，价格也相对较贵， 在脉搏系统设计中会大材小用。 3）STC 系列单片机 STC 公司生产的 STC89C52 单片机功耗低、性能高，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 是功能与抗干扰性强的增强型 51 单片机。STC89C52 的指令代码 完全兼容 51 单片机，速度快，加密性好，抗干扰性强。STC 单片机支持在线编程，使 用很方便，烧写程序的时候不用再反复插拔单片机，延长了单片机的使用寿命。 脉搏监测系统的设计中没有特别复杂的计算和控制程序，因此本设计对单片机的 要求并不是很高，只需要实现对脉搏信号的采集和处理、计算、显示和报警功能。对 比几种单片机，STC 单片机应用方便、结构简单、价格低廉，能够实现脉搏监测系统 的设计要求。所以，本设计中选择 STC89C52 单片机作为主控模块，它可以完成本设 计的设计要求。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 7 页 共 47 页 2.3 显示模块的选型显示模块的选型 脉搏监测系统需要对人体的脉搏进行计数和报警功能，因此不仅要对人体一分钟 的脉搏次数进行显示，还需显示脉搏的上下限。而脉搏波形对使用者来说没有太大的 参考价值，因此，无需进行显示。而常用的显示元件有点阵式数码管、LED 数码管和 LCD 液晶显示屏。 1）点阵式数码管 点阵式数码管中的 88 点阵由 64 个发光二极管组成，每个发光二极管位于行线和 列线的交叉点上。点阵式数码管的功能主要显示文字，但是它的价格相对比较高，如 果只是用来显示数字就会造成资源的浪费11。因此，不适用于此设计。 2）LED 数码管 LED 数码管是由多个封装在一起的发光二极管组成的“8”字型器件。其通过动态 扫描法与单片机连接，占用的单片机口线较少。该数码管价格适中，也适合用于数字 显示。由于它工作时动态扫描的移位需要借助 74LS164 移位寄存器进行，在电路调试 的时候出现了很多问题，对其应用造成了很多的不便。因此 LED 数码管不适用于此设 计的显示元件。 3）LCD 液晶显示屏 LCD1602 显示器可以显示字段或者字符。用作显示字段时和 LED 的显示类似，管 脚上有对应信号就可以进行显示。字符显示是根据需要显示基本字符。系统中采用 LCD1602 作为显示器件输出信息。LCD1602 可以显示 2 行 16 个汉字，本设计第一行 显示测得的脉搏次数，第二行显示设定的报警范围。 通过对比，本设计选用 LCD1602 液晶显示屏作为显示模块。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 8 页 共 47 页 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 脉搏监测系统主要由信号采集电路，滤波、放大和整形电路，主控模块，按键电 路，报警电路和显示电路构成。光电传感器作为信号采集部分的核心采集人体的脉搏 信号，并且以电压信号的方式输出。然后对脉搏信号进行滤波，放大和整形处理，将 模拟信号转化为数字信号，然后将处理后的脉搏信号变为频率一致的脉冲输入到以单 片机为核心的主控模块中，对其进行计数12。最后将脉搏数通过显示电路显示在液晶 屏上。系统通过按键电路设置脉搏上下限参数，通过报警电路对脉搏进行报警提示。 系统硬件各部分的关系如图 3.1 所示。 滤波、放大与 整形电路 按键电路 报警电路 显示电路主控模块信号采集电路 图 3.1 脉搏监测系统硬件设计框图 3.1 主控模块主控模块 在本设计中利用 STC89C52 单片机作为主控芯片，对一分钟内的脉搏次数进行采 集和分析，并且完成对 LCD1602 液晶屏的驱动和对按键模块的控制。 脉搏信号经过采集、滤波、放大和整形后，输入到单片机内。单片机的触发模式 为负跳变中断，所以每次脉冲的下降沿到达时就会触发单片机产生中断并对 T0 进行计 时，计算每一个脉冲的响应时间；定时器 T0 设置为定时 50ms 中断一次，然后执行一 次计数。当采集到 5 次脉冲信号后，单片机经过计算处理，把一分钟的脉搏次数输出 到显示电路，即在 LCD1602 显示结果。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 9 页 共 47 页 主控模块电路如图 3.2 所示： 图 3.2 主控模块电路 3.1.1 STC89C52 单片机主要性能 1）一个 8 位 CPU，由运算器、控制器组成； 2）程序存储器：4KB 片内 ROM；数据存储器：128B 片内 RAM； 3）三个 16 位定时器/计数器，可用作定时或者计数；其中定时器 T0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用； 4）四个 8 位并行 I/O 接口 P0P3，作为输入/输出用；一个全双工串行口 UART，用于串行通信； 5）五个中断源，两级中断优先级； 6）时钟脉冲由片内振荡器和时钟产生电路 OSC 提供。石英晶体和和微调电容要 外接频率范围为 1.2MHz12MHz。 7）一个看门狗定时器； 8）芯片内置 EEPROM 功能； 9）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式下的中断恢复模式。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 10 页 共 47 页 3.1.2 STC89C52 单片机基本组成 STC89C52 单片机的基本组成框图见图 3.3 所示。 时钟电路 ROM/EPROM/Flash 4KB RAM128B SFR 21个 定时个/计数器2 CPU 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 XTAL2XTAL1 RST EA ALE PSEN P0P1P2P3 Vss Vcc 图 3.3 STC89C52 单片机结构图 3.1.3 STC89C52 单片机引脚说明 STC89C52 单片机的引脚图见图 3.4 所示。 图 3.4 STC89C52 单片机引脚图 1）电源和时钟引脚 VCC（40 脚）：+5V 电源。 VSS（20 脚）：数字地。 XTAL2(18 脚)：外接晶振端，片内反相放大器的输出端。当使用外部时钟源时， 本脚悬空。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 11 页 共 47 页 XTAL1(19 脚)：外接晶振端，片内反相放大器的输入端。外接时钟源时，该脚接 外部时钟振荡器的信号。 2）控制信号引脚 RST，ALE，PSEN 和 EA： RST/VPD(9 脚)：复位信号输入端，高电平有效。晶振工作时，RST 引脚保持两 个机器周期以上高电平将使单片机复位；第二功能 VPD，备用电源的输入端。 ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号输入端。访问片外存储器时，ALE 作为锁 存低 8 位地址的控制信号。不访问片外存储器时，ALE 引脚周期性的以 1/6 振荡器频 率向外输出正脉冲信号。 PSEN(29 脚)：程序存储允许输出端，低电平有效。访问片外存储器时，此端口定 时输出负脉冲作为读选通信号。 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。当引脚接 高电平时，CPU 只访问片内程序存储器，但是当 PC 值超过 0FFFH 时，将自动访问片 外程序存储器。当 EA 低电平时，CPU 只访问片外程序存储器。 3）输入/输出端口 P0/P1/P2/P3： P0 口(P0.0P0.7，3932 脚)：漏极开路 8 位双向 I/0 口，负载驱动能力为每位 8 个 LS 型 TTL。 P1 口(P1.0P1.7，18 脚)：P1 是个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，P1 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 P2 口(P2.0P2.7，2128 脚)：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。 P2 可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 P3 口(P3.0P3.7，1017 脚)：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。 P3 口每个引脚还具有第二功能，如下： P3.0：(RXD)串行数据输入口； P3.1：(TXD)串行数据输出口； P3.2：(INT0#)外部中断 0 输入； P3.3：(INT1#)外部中断 1 输入； P3.4：(T0)定时 0 的外部计数输入； P3.5：(T1)定时 1 的外部计数输入； P3.6：(WR#)外部数据存储器写选通输入； 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 12 页 共 47 页 P3.7：(RD#)外部数据存储器读选通输入。 3.1.4 复位电路 当单片机 RST 引脚上接收到 2us 以上的电平信号时，就可以实现复位。单片机复 位，使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。如果单片机的复 位电路设计不可靠就会引起“死机”、或“程序走飞”等现象13。我们可以通过对按 键的控制来对系统进行复位操作。单片机复位电路如图 3.5 所示。 图 3.5 单片机复位电路图 3.1.5 时钟电路 时钟电路就是一个振荡器，产生单片机工作时所必需的控制信号，在时钟信号的 控制下，严格按时序执行指令。STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放 大器，放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2，这两个引脚跨接石英晶体振荡 器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。常用的时钟电路有两种方式，一种是内 部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 在内部时钟电路中，C1 和 C2 选择了 20pF，晶振频率为 12MHz。外接时钟电路， 常用于多片 STC89C52 同时工作，以便于多片 STC89C52 单片机之间的同步。外部时 钟源直接接到 XTAL1 端，XTAL2 端悬空。在本设计中选用了内部时钟电路，晶振为 12MHz，单片机工作的机器周期为 1s。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 13 页 共 47 页 内部时钟方式电路如图 3.6 所示，外部时钟电路如图 3.7 所示。 图 3.6 内部时钟方式电路 STC89C52 外部振荡器信号 悬空 XTAL1 XTAL2 GND 图 3.7 外部时钟方式电路 3.2 信号采集与处理电路设计信号采集与处理电路设计 信号采集电路的功能是通过光电传感器采集脉搏信号。因为采集到的电信号比较 微弱，一般为毫伏级别14。所以需要对信号进行放大，放大到几伏左右才能被整形电 路处理，经过放大后的脉搏信号波形还是很不规则，不利于单片机处理，输入到电压 滞回电路对其进行处理，输出规则的脉冲波送到单片机15。信号采集与处理的电路结 构框图如图 3.8 所示。 滤 波 电 路 光 电 传 感 器 放 大 电 路 整 形 电 路 图 3.8 信号采集与处理 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 14 页 共 47 页 3.2.1光电传感器原理 1）光电传感器结构 采集装置采用的是 ST188 光电传感器，它是由高发射功率红外二极管和高灵敏度 光电晶体管组成的16。当光从红外二极管发射出来时，基本上可以避免由于呼吸运动 对脉搏信号造成的干扰。在光源的照射下红外接收三极管就会有电能产生，光电传感 器的作用就是将光信号转换为电信号17。在本设计中，红外接收三极管和红外发射二 极管要放置到指向特性良好的一个位置，这样采集到的信号比较准确。结构如图 3.9 所 示。 底示图 内部电路示意图 图 3.9 光电传感器结构图 2）光电传感器检测原理 检测原理是：当心脏收缩和舒张时，人体组织半透明度就会发生改变：当血液流 过人体组织的时候，人体组织的半透明度就会变小；当血液流到心脏，人体组织的半 透明度就会变大，在人体组织中出现这种现象最明显的部位一般为手指尖和耳垂尖18。 所以本设计通过把手指尖放到光源产生的红外线上，然后光敏三极管接收从手指组织 中反射和衰减后的透射光，最后转换成电信号输出。手指中的动脉血在血液流过时会 有周期性的变化，因此它对光的衰减和反射也会有周期性的变化，所以红外接收三极 管输出信号的变化间接表明了动脉的波动变化。于是我们只要把输出的电信号转换为 脉冲，在对其进行整形后进行显示，这样就可以监测脉搏频率的变化。 光电传感器采集脉搏信号的电路如图 3.10 所示，图中为光源的发射管和红外接收 三极管，考虑到红外接收管对光的灵敏度，最终 R4 的阻值选为 33019。如果 R4 的 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 15 页 共 47 页 阻值偏大，通过红外发射二极管中的电流就会很小，红外接收三极管就不能准确的判 断是否有脉冲。反之，如果 R4 偏小，通过发射管的电流就会非常大，红外接收三极管 也不能准确的判断是否有脉冲信号。 图 3.10 传感器采集脉搏信号 经光电传感器输出的脉搏波形如图 3.11 所示： 图 3.11 光电传感器输出的脉搏波形 由图中可以看出，光电传感器采集的信号存在很多毛刺，波形也不规整。由于外部 环境的变化，以及系统硬件设计的不完善等原因会对脉搏信号的检测造成很大干扰， 在信号中添加大量噪声，同时也会引起波形的畸变，这将直接影响后续的脉搏检测精 度。因此，把传感器采集到的脉搏信号进行滤波处理，减小噪声干扰，提高信号的信 噪比。 3.2.2滤波电路 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 16 页 共 47 页 当测量者把手指放到光电传感器上方时，会出现无脉期和有脉期。无脉期的时候 即使发射出来的红外光被手指遮挡了，接收装置中也会有暗电流的存在，就会导致输 出端的电压偏低。当在有脉期的时候，手指的透光性由于存在脉搏的波动就是变弱， 导致接收装置中的暗电流偏小，输出的电压就会比正常时高20。由于人体的脉搏波信 号的频率一般在 0.6 到 6Hz 左右，从传感器输出来的信号存在直流分量，本设计采用 了截止频率为 0.67Hz 的一阶无源高通滤波器来滤除。一阶高通滤波器如图 3.12 所示： 图 3.12 一阶高通滤波器 一阶高通滤波器的特性指标如下： 幅频特性： 2 1 1 wRC jwH 相频特性： wRCwarctan 截止频率：，fc 为截止频率=0.66Hz。 RC2 1 2 wc fc 通过高通滤波器后再把信号加到二阶 RC 低通滤波器，滤除高频干扰信号，然后 加到线性放大输入端。整体滤波电路如图 3.13 所示： 图 3.13 滤波电路 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 17 页 共 47 页 二阶 RC 低通滤波器特性指标如下： 幅频特性： 222 2 222 w91 1 jw CRCRw H 截止角频率： RC6724 . 2 1 wc 截止频率为：=6Hz 2 wc fc 3.2.3放大电路 本设计在放大电路部分采用了 LM358 芯片，LM358 内部包括有两个独立的、高 增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适 用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范 围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场 合 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。LM358 的引脚如图 3.14 所 示。 图 3.14 LM358 的引脚图 LM358 各个引脚功能介绍如表 3.1 所示： 表 3.1 LM358 各引脚功能 OUT1运放输出端IN1（）同相输入端 IN1（）反相输入端IN1（）反相输入端 IN1（）同相输入端OUT2运放输出端 GND地（单电源） 、负电源（双电源）VCC正电源 LM358 的第一个运算放大器在本设计中组成了放大电路，放大倍数由 R12 和 R13 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 18 页 共 47 页 的比值决定。放大电路如图 3.15 所示。 图 3.15 放大电路 电路的放大倍数：304 13 1312 Ui Uo =Av R RR 经滤波放大后输出的信号如图 3.16。 图 3.16 滤波放大后输出的信号 图中为脉搏信号经过滤波和放大后的波形，但是从图中可以看到，经过处理得到的 波形依旧不规则，每个周期中有一段幅值跌落，作为脉冲信号进行后续脉搏数计算时 容易造成计数错误，影响计数精度。因此，需要对放大后的波形进行整形处理。 3.2.4整形电路 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 19 页 共 47 页 经过放大滤波后的脉搏信号还不是理想的信号，并且还存在低频部分的干扰，不 能很好的被单片机识别，所以还要采用整形电路，在本设计中 LM358 的第二个运算放 大器和 R6、R10 一起组成了电压比较器，最终输出的就是两种状态，即高低电平从而 被单片机采集。当有信号输入时，LM358 在比较器输入信号的每个下降沿到来时输出 低电平，用发光二极管作为脉搏信号测量状态的显示，脉搏每跳动一次发光二极管就 会亮一次。同时，该脉冲电平就会送到单片机/INTO 脚，对脉搏频率进行计算和显示。 R6 和 R10 通过分压提供参考电压，R9 用来调节灵敏度。为了在测量时判断脉搏状态， 在 LM358 上接了一个 LED 灯。对脉搏波形的整形电路部分如图 3.17 所示。 图 3.17 波形整形电路 经过整形后的脉冲波形如图 3.18 所示： 图 3.18 整形后的脉冲波形 从图中可以看出，经过整形后的脉冲波形良好，改善了之前幅值跌落的问题。经 过滤波放大和整形之后，脉搏信号能够用于下一步的处理计算。 3.4按键电路的设计按键电路的设计 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 20 页 共 47 页 本设计所使用的按键为独立按键，按键的一端接单片机的 I/O 口，另一端接地。 单片机的每个 I/O 口都有内部上拉电阻，所以当没有按键按下的时候，单片机 I/O 检测 到的是高地平。当检测到有按键按下的时候，单片机 I/O 直接和地相连，单片机检测 的到的是低电平，所以可以通过检测单片机 I/O 口的高低电平就可以判断哪一个按键 按下。 按键电路如图 3.19 所示： 图 3.19 按键电路 3.5蜂鸣器电路的设计蜂鸣器电路的设计 本设计的脉搏监测系统在测量得到的脉搏次数不在设定的范围内，单片机就会驱 动蜂鸣器报警。因为蜂鸣器的工作电流比较大，所以单片机的 I/O 口不能直接驱动蜂 鸣器发声，本设计利用 PNP 型三极管对蜂鸣器进行驱动，当三极管的基极为低电平时， 三极管导通，驱动蜂鸣器报警；当三极管的基极为高电平时，三极管关闭，蜂鸣器不 发声。 蜂鸣器电路如图 3.20 所示： 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 21 页 共 47 页 图 3.20 蜂鸣器电路 3.6显示电路设计显示电路设计 本设计需要对测得的脉搏次数和设定的脉搏范围进行实时显示，于是采用 LCD1602 作为显示屏，可以清晰的显示测得的数据，实现设计的要求。 3.6.1液晶模块简介 LCD1602 的含义是它显示容量 162 个字符，它可以显示字符或者数字，不能显 示汉字。LCD1602 液晶模块采用的控制器为 HD44780，控制原理和市面上大多数字符 液晶是一样的。LCD1602 的引脚图如图 3.21 所示： 图 3.21 LCD1602 引脚图 LCD1602 液晶也被称为 LCD1602 字符型液晶，因为它的作用就是专门用来显示字 母、数字、符号等的点阵型的液晶模块。它的组成是由若干个 57 或 511 等点阵字 符，每一个点阵字符位都可以显示一个字符，每个字符位之间有一个点距的间隔，每 行之间也有间隔，因此起到了字符间距和行间距的作用，但是正因为如此它不能很好 地显示图形。 液晶寄存器选择控制如表 3.2 所示： 表 3.2 寄存器选择控制 RSR/W操作说明 00写入指令寄存器（清除屏等） 01 读 busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6） 值 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 22 页 共 47 页 10写入数据寄存器（显示各字型等） 11从数据寄存器读取数据 LCD1602 采用标准的 16 脚接口，如表 3.3 所示： 表 3.3 LCD1602 的管脚功能 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 3VL液晶显示偏压11D4数据 4RS数据/命令选择12D5数据 5R/W读/写选择13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 8D1数据16BLK背光源负极 3.6.2液晶显示部分与 STC89C52 的接口 如图 3.15 所示。用 STC89C52 的 P0 口作为数据线，用 P1.2、P1.1、P1.0 分别作为 LCD1602 的 EN、R/W、RS。其中 EN 的触发方式为负跳变，R/W 是读写选择端，RS 是数据命令选择端。 LCD1602 与 STC89C52 的引脚连接图如图 3.22 所示： 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 23 页 共 47 页 图 3.22 LCD1602 与 STC89C52 的引脚连接图 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 24 页 共 47 页 4 系统软件设计系统软件设计 本设计的STC89C52单片机作为主要芯片，脉搏监测硬件系统需要对其设计相应的 软件部分来实现脉搏监测。系统的软件部分主要包括：对单片机的控制程序、按键程 序、显示程序和中断程序21。该系统软件要可以实现各模块之间的联系和控制，对脉 搏信号进行检测和结果计算，并在液晶屏上显示被测者一分钟的脉搏数的功能。 4.1 系统主程序流程系统主程序流程 单片机的运行方式由系统主程序进行控制。当系统开始工作后，要先进行初始化 操作，首先对1602进行初始化，然后定时器T0初始化，对外部中断T0初始化。初始化 程序的目的主要是为了对定时器的工作方式、单片机内专用寄存器、以及各端口的工 作状态进行参数设置。初始化完成后，需要对相应的硬件电路进行操作，将硬件电路 与定时器T0中断、外部中断，还有显示部分的程序相对应。 系统主程序流程如图4.1所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计