1、 本科學生畢業設計基于單片機的便攜式心率測試儀的設計 院部名稱： 專業班級： 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 講 師 黑 龍 江 工 程 學 院 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Portable Heart Rate Measuring Instrument Based on MCU Candidate： Specialty： Class： Supervisor：Lecturer Li Jing Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin黑龍江工程學院本科生畢業設計 摘

2、 要 隨著生物醫學工程技術的發展, 醫學信號測量儀器日新月異。生物醫學測量與臨床醫學和保健醫療的聯系日益緊密。通過對人體各種生理信號的檢測，能更好的認識人體的生命現象。脈象包含豐富的人體健康狀況信息, 脈診技術應客觀化、定量化。本設計利用光電式傳感器, 設計脈搏信號獲取的方法。本設計主要是基于單片機的便攜式脈搏測試儀的具體實現方法，利用光電傳感器產生脈沖信號，經過放大整形后，輸入單片機內進行相應的控制，從而測量出一分鐘內的脈搏跳動次數，快捷方便。通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，通常被用于保健中心和醫院。本設計所設計的基于單片機的便攜式心率測試儀對推進脈診技術客觀化的實現具有積極的促

3、進作用。關鍵詞：脈搏；單片機；光電傳感器；脈沖信號；便攜式黑龍江工程學院本科生畢業設計IABSTRACT With the development of the biomedical engineering technology, the medical signal measuring instrument is changing everyday. Biomedical measurement and clinical medicine and health care increasingly close ties. We could better understand the pheno

4、menon of human. life through various physiological signal detection of the human body. Pulse inclusions rich state of the health information, By using optical sensors, With the high development of electronics and computer nowadays, the pulse diagnosing technology should be objective and quantitive.

5、this text access to the pulse signal design methods. This paper mainly introduces the concrete realization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. The pulse signal is amplified and regenerated to input into MCU to carry out corresponding control,

6、as a result the pulse number per a minute is measured. The use of the pulse counter is quick and convenient. Through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the hospitals. In my design, Portable heart rate measuring instrument based on

7、 MCU has a positive role in promoting the objective of the pulse technology.Key words: Pulse；MCU；Photoelectric Sensor；Pulse Signal；Portable黑龍江工程學院本科生畢業設計 目 錄摘要.IAbstract.II第 1 章 引言.11.1 概述.11.2 基于單片機的心率測試儀的發展與應用.21.3 本設計的主要內容.3第 2 章 整體方案分析.42.1 任務.42.2 要求.42.3 系統的整體方案.42.4 方案的對比和論證.42.4.1 脈搏檢測傳感器的選擇

8、.42.4.2 單片機的選擇.62.4.3 顯示部分的選擇.62.5 設計時要考慮的問題.72.5.1 環境光對脈搏傳感器測量的影響.72.5.2 電磁干擾對脈搏傳感器的影響.72.5.3 測量過程中運動噪聲的影響.82.6 本章小結.8第 3 章 硬件電路設計分析.93.1 控制器.93.1.1 AT89S52 .93.1.2 AT89S52 的特點 .93.1.3 AT89S52 的結構 .93.2 脈搏信號采集.123.2.1 光電傳感器的結構及原理.123.2.2 信號采集電路.133.3 信號放大電路.13黑龍江工程學院本科生畢業設計 3.4 波形整形電路.153.5 單片機處理電路

9、.153.6 顯示電路.163.7 報警電路.173.8 本章小結.17第 4 章 軟件系統.184.1 主程序流程.184.2 定時器中斷程序流程.194.3 INT 中斷程序流程.204.4 顯示程序流程.204.5 蜂鳴器報警流程.214.6 本章小結.22結束語.23參考文獻.25致謝.27附錄.28附錄 A 整體硬件電路圖.28附錄 B 程序.29附錄 C 外文翻譯.35黑龍江工程學院本科生畢業設計 0第 1 章 引 言1.1 概述 多年來，心率測試儀在心腦血管疾病的研究和診斷方面發揮出顯著的作用，它記錄的心臟活動時的生物電信號，已成為臨床診斷的重要依據。臨床上使用的心電監護儀雖然功

10、能強大，測量精度高，但因為價格高昂，不利于家庭的普及。就算是在醫院，護士每天監控病人病情而進行的心率測試也是常用手測。因為正常人的心率和脈搏跳動的次數是一樣的，所以可以用測量脈搏的方法來測心率。因此，本設計采用的是設計一種脈搏測試儀測量脈搏數從而實現心率的測量的方法。脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分,因此，在現代醫學上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是能實現精確測量、精確顯示且計時功能準確等多種功能的便攜式全數字脈搏測量裝置很少。隨著人們生活環境和經濟條件的改善，以及文化素質的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發生了明顯的

11、變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認識、預防及早期發現這些疾病是十分必要的。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫學界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過摸脈作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現出的形態(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫學價值和應用前景。本設計旨在設計出一種以單片機為核心的一種實用型脈搏測量儀。采用脈搏檢測傳感器對人體的脈搏進行數據采集。得到

12、的信號送入進行濾波、放大、整形等處理之后送入單片機進行處理。單片機將采集到的脈搏數在數碼管上實時顯示出來，同時還設置了脈搏測量儀的上下限報警電路。本設計首先描述本設計的整體思路，然后介紹各個部分設計中的細節問題，最后提出一些完善本設計的改進意見。本設計所設計的基于單片機的便攜式心率測試儀，系統性能良好，結構簡黑龍江工程學院本科生畢業設計 1單，性價比高，輸出顯示穩定，比較適合大眾化。適合家庭進行自我檢測以及醫院護士進行每日的臨床記錄。這使我們在家中就可以測試心率從而能檢測是否患有一些心血管疾病，做到早發現。1.2 基于單片機的心率測試儀的發展與應用在我國傳統中醫學的診斷中，“望、聞、問、切”是

13、最基本的四個方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過脈診，醫生可以對患者的身體狀況有一個大概的了解，進而對癥下藥。脈搏信號可以直接反應出患者心臟的部分狀況，我國傳統中醫學認為，通過脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測到病因，病位，預測療效等。鑒于脈診的重要性，人們對于脈搏測量一直非常關注，早在 1860 年Vierordt 創建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內 20 世紀 50 年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫脈診的客觀化研究方面。此后隨著機械及電子技術的發展，國內外在研制中醫脈象儀方面進展很快，尤其是 70 年代中期，國內天津、上海、廣州、江西等地相繼成立了跨學科的脈象研究協

14、作組，多學科共同合作促使中醫脈象研究工作進入了一個新的境界。隨著科學技術的發展，脈搏測量技術也越來越先進，對脈搏的測量精度也越來越高，國內外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關鍵是對脈搏傳感器的研究。而由于脈搏傳感器的不同，現今市場上的脈搏測試儀的脈率采集主要有三種方法：采用一對紅色發光二極管實現、采用反射式的紅外管實現和采用壓電陶瓷芯片實現。近年來國內外致力于開發無創非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創傷，能夠自動消除儀表自身系統的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數。脈搏測量儀的發展主要向以下幾個趨勢：1、自動

15、測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能，但是對這些信號的分析和診斷還需要一些有經驗的醫生觀察，進行分析后才能確認結果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來脈搏自動檢測的內容將更加詳細，自動分析診斷功能也更強大。2、數字化技術等先進技術的應用隨著數字科學技術的發展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。數字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準確。3、多功能化越來越明顯黑龍江工程學院本科生畢業設計 2目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經很少見。隨著電子技術的發展，脈搏測量儀必然可以實現更多的功能。1.3

16、 本設計的主要內容本設計以單片機為核心，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號。經過前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈長周期的計算。然后得到每分鐘的脈搏搏動次數（即心率） ，并在數碼管上顯示心率，同時還設置了脈搏測量儀的上下限報警電路。 本設計的工作是圍繞著脈搏檢測傳感器檢測脈搏波而單片機進行控制進行的。本設計的設計內容安排如下： 第一章為引言。簡要介紹了心率測試儀設計的目的和意義，并對基于單機的便攜式心率測試儀的現狀和應用以及未來的發轉走勢做了簡單的闡述，指出了本設計的主要技術內容，即心率的測試。 第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是

17、對整個方案的詳細的對比與選擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設計的任務與要求，之后是各個部分的對比選擇。 第三章是本設計的核心。在這里給出了整體的硬件電路設計思路，并且對電路的各個部分進行分析與解釋。 第四章敘述程序的編程方案，給出程序的框架結構圖并對整個設計進行總結，而且對以后的設計工作進行了展望。黑龍江工程學院本科生畢業設計 3第 2 章 整體方案分析2.1 任務基于單片機的便攜式心率測試儀的設計。本設計以單片機為核心，由光電傳感器采集脈搏信號。經過前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈長周期的計算。然后得到每分

18、鐘的脈搏搏動次數（即心率） ，并在數碼管上顯示，并且在超出設定的正常脈搏跳動范圍時，驅動蜂鳴器報警。2.2 要求(1)通過脈搏傳感器采樣脈搏信號，設計脈搏波檢測電路，通過譯碼管來顯數脈搏次數。(2)將脈沖波送入單片機，采用單片機構成脈搏波檢測儀，要求實現脈搏波次數超出設定時限時驅動蜂鳴器報警。2.3 系統的整體方案本設計的系統模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、單片機處理電路部分、顯示電路部分和報警電路部分。本設計所設計的基于單片機的便攜式脈搏測量儀將利用脈搏檢測傳感器采集脈搏信號，再對其進行整形、計數和顯示，就能實現實時檢測脈搏次數的目的，再通過報警電路可實現報警功能。本設計結構硬件框圖如圖

19、 2.1 所示。脈搏檢測傳感器低通放大器整形電路單片機數碼顯示電路報警電路 圖 2.1 硬件框圖2.4 方案的對比和論證2.4.1 脈搏檢測傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測系統中重要的組黑龍江工程學院本科生畢業設計 4成部分。1、光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據此特點，采用光電效應手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強度增加而增加的光電效應特性，在一定光強范圍內，光敏二極管的反向電流與光強呈線性關系。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時，將使光電三極管極管收到不同的光強，并由此產

20、生的光電流均隨之作相應變化。常用檢測脈搏的光電傳感器一般是紅外對管。紅外對管將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發生變化，紅外對管對應的信號便會發生相應的變化，采集此信號經過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號。紅外對管對脈搏的檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小；當血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。光電式傳感器具有靈敏度高，易于操作，響應速度快，結構簡單等優點。雖然外部光源的變化對測量結果的影響較大，但我們進行測量的地方一般都是在室內，有穩定的光源，所以在

21、正常的操作過程中只要稍微注意下光源的問題就可以了。2、壓電式傳感器目前常用的是一次性心電電極，它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區分離的方法，能明顯的減少由于人體運動產生的干擾。電極的好壞對采集到的心電信號質量起著至關重要的作用，采用的電極應有貼力強，能緊附在人體表面，柔軟、吸汗、極化電壓低、導電性良好等特點。當選用電極傳感器時，需要 3 個電極分別置于左右手和左腿，構成標準導聯。臨床上為了統一和便于比較所獲得的脈搏信號，在檢測脈搏信號時，對電極的位置，引線與放大器的連接方式都有嚴格的統一規定。目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感

22、器，其靈敏度高,頻帶范圍好，結構簡單，便于使用。當手指前端受到輕微的壓力時，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個信號用傳感器提取出來，轉變為電信號，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。壓電式傳感器有著結構簡單，實時性好，工作頻帶寬，應用電路簡單等諸多優點，并且價格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸，容易因為人體肌黑龍江工程學院本科生畢業設計 5肉的顫動等而產生干擾。而肌肉的顫動不是人能主動控制的，所以說這部分的誤差很難控制。并且使用壓電式傳感器測脈搏還容易受到外界其他信號的干擾。3、集成傳感器當前，市面上有很多類型的集成心電傳感器，其靈敏度高，集成度高，直接就可

23、以反映出心率的變化，且已包含了濾波等抗干擾電路，波形經過放大可以直接處理使用。缺點是價格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設計來說，考慮到經費以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜合考慮種種情況，結合本系統的設計要求以及經費的考慮，本設計采用光電式傳感器。2.4.2 單片機的選擇單片機的選擇主要是在 AT89C2051 和 AT89S52 之間做選擇。1、AT89S52 單片機AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術制造，與工業 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上

24、的 Flash 允許程序存儲在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。2、AT89C2051 單片機AT89C2051 是一種低電壓、高性能的 CMOS 8 位微控制器，片內含 2K 字節可反復擦除的 Flash 只讀程序存儲器和 128B 的隨機數據存儲器，器件采用Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS-51 指令系統。芯片置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，AT89C2051 在電子類產品中有廣泛的應用。經過比較，本設計采用 AT89S

25、52 單片機。2.4.3 顯示部分的選擇根據題目要求，設計出來的系統是可以設定報警的范圍的。在單片機的應用系統中，為了便于人們觀察和監視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結果、狀態等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發光二極管顯示到 CRT 顯示器，都可以與微機配接。在單片機應用系統中常用的顯示器主要有發光二極管數碼顯示器，簡稱 LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優點。但與 LCD 相比顯示內容有限，不能顯示圖形，黑龍江工程學院本科生畢業設計 6因而其應用有局限性。LED 數碼管顯示

26、器是由發光的二極管顯示字段組成的。在單片機應用系統中使用最多的就是七段 LED 數碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段 LED 數碼管顯示器有 8 個發光二極管，其中從 ag 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數字或字符，Dp 顯示小數點。共陰極 LED 數碼管顯示器的公共端為發光二極管陰極，通常接地，當發光二極管的陽極為高電平時，發光二極管點亮。共陽極的 LED 數碼管顯示器的公共端為發光二極管的陽極，通常接+5V電源，當發光二極管的陰極為低電平時，發光二極管點亮。通過比較，我們可以發現 LED 動態顯示更加適合本設計，所以就采用此方法。2.5 設計時要考慮的問題2.5.1 環境光對脈搏傳感器測量的

27、影響在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。 測量環境下的背景光包含環境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質和顏色，盡量減小外界環境光的影響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑

28、。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環境光在測量過程中基本不受外界環境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現出脈搏波形的特征。 2.5.2 電磁干擾對脈搏傳感器的影響通過光電轉換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。本系統采用了新型的光敏器件，在芯片內部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號

29、的干擾。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施黑龍江工程學院本科生畢業設計 7之一。通常脈搏信號的頻率范圍在 0.330Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調理電路中容易實現；同時可以在控制電路中對光源進行脈沖調制，這樣不但能夠降低系統的功耗，而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數據采集后，可以通過數據處理法方法進一步濾除工頻信號的干擾。2.5.3 測量過程中運動噪聲的影響 測量過程中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產生相對的運動，這樣

30、會使脈搏的測量產生誤差，可以通過兩個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機械運動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動；二是從脈搏處理的角度，通過算法來減少誤差。對于本設計的傳感器的設計來說，采用的是第一個途徑。2.6 本章小結本章主要介紹了常見的用于脈搏檢測的三種傳感器，并對這三種感器的優缺點進行了比較。本設計采用的單片機芯片的型號是 AT89S52，在本章主要介紹了它的一些特點。最后，給出了最終的設計方案和硬件框圖。黑龍江工程學院本科生畢業設計 8第 3 章 硬件電路設計分析3.1 控制器經過第 2 章的敘述已經確定了完成本設計所需要的主要元器件，所以本章開始講述基于單片機

31、的便攜式心率測試儀的設計的硬件電路的設計。在這里，單片機要實現對脈搏信號的處理。在檢測到第一個脈沖到達時，開啟定時器，然后在下一個脈沖到達時，關閉計時器，如此就可以求得一次心跳所需要的時間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數。 。3.1.1 AT89S52AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術制造，與工業 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上的 Flash 允許程序存儲在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程Flash，使得

32、 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。3.1.2 AT89S52 的特點1、兼容標準 MCS-51 指令系統及 80C51 引腳結構2、8k 字節可重擦寫 Flash 閃速存儲器3、128 bytes 的隨機存取數據存儲器 (RAM)4、32 個外部雙向輸入 /輸出(I/O)口5、5 個中斷優先級、 2 層中斷嵌套中斷6、2 個全雙工串行通信口7、片內振蕩器和時鐘電路8、2 個 16 位定時/計數器9、6 個中斷源10、看門狗(WDT)電路11、全靜態工作： 0Hz33MHz12、三級程序存儲器保密鎖定13、可編程串行通道14、低功耗空閑和掉電模式3.1.3 AT89S52

33、 的結構此次設計所使用的 AT89S52 的封裝形式是 PDIP。DIP 管腳圖如圖 3.1 所黑龍江工程學院本科生畢業設計 9示。EA/VPP31XTAL119XTAL218R S T/VPD9P3.7/R D17P3.6/W R16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PS

34、 EN29ALE/PR OG30P3.1/TXD11P3.0/R XD10Vcc40Gnd20AT89S52AT89S 5X圖 3.1 DIP 管腳圖AT89S52 與 51 系列中各種型號芯片的引腳互相兼容。目前多采用 40 只引腳雙列直插，如圖 3.1 所示。引腳按其功能可分為如下 3 類： 1、電源及時鐘引腳VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；2、控制引腳、和；/RST VPD/ALE PROGPSEN/EA VPP3、I/O 口引腳P0、P1、P2、P3，為 4 個 8 位 I/O 口。1、電源及時鐘引腳(1)電源引腳VCC：5V 電壓。GND：接地。黑龍江工程學院本科生畢業設計

35、10(2)外接晶體引腳XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端。當使用芯片內部時鐘時，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調電容；當使用外部時鐘時，對于 HMOS 單片機，此引腳接地；對于 CMOS 單片機，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端，當使用芯片內部時鐘時，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調電容。當使用外部時鐘時，對于 HMOS 單片機，此引腳接外部振蕩源；對于 CMOS 單片機，此引腳懸空不接。AT89S52 晶體振蕩器頻率可在 6MHz40MHz 之間選擇，常選 6MHz 或12MHz 的石英晶體。電容的值沒有嚴格要求，但其取值對振蕩器的頻率輸出的穩定性、大小、

36、振蕩電路起振速度稍有影響，C1、C2 可在 20pF100pF 之間選擇。當外接晶體振蕩器時，電容可選 30pF10pF；外接陶瓷振蕩器時，電容可選 40pF10pF。2、控制引腳：復位端。當輸入的復位信號持續 2 個以上機器周期(個晶體振/RST VPD蕩周期）高電平即為有效，用于完成單片機的復位初始化操作。正常工作時，此腳電平應 0.5V。在 VCC 發生故障、降低到電平規定值掉電期間，此引腳可接備用電源VPD（電源范圍 5V0.5V） ，由 VPD 向內部 RAM 供電，以保持內部 RAM 中的數據。：地址鎖存使能。ALE（Address Latch Enable） ；/ALE PROG

37、PROG（Program）為 CPU 訪問外部程序存儲器或外部數據存儲器提供地址鎖存/ALE PROG信號，將低 8 位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。引腳第二功能，/ALE PROG對片內 Flash 編程，為編程脈沖輸入端。：（Programmer Saving ENable） ，外部程序存儲器讀選通信號。在讀PSEN外部程序存儲器時有效（低電平） ，以實現外部程序存儲器單元的讀操作。在訪問外部數據存儲器、訪問內部程序存儲器時無效。PSEN：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming） ，訪問程序存儲/EA VPP控制信號。當“0”時，表示讀外部

38、程序存儲器。只讀取外部的程序存/EA VPP儲器中的內容，讀取的地址范圍為 0000HFFFFH（64KB） ，片內的 8KB Flash 程序存儲器不起作用。當“1”時，表示對程序存儲器的讀操作是從內/EA VPP部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片內 4KB Flash 存儲器的地址范圍）時，單片機讀片內程序存儲器黑龍江工程學院本科生畢業設計 11（4KB）中的程序，但當 PC 值超出 0FFFH （即超出片內 4KB Flash 地址范圍）時，將自動轉向讀取片外 60KB（1000H-FFFFH）程序存儲器空間中的程序。對于 EPROM（或

39、 FLASH）型單片機，在 EPROM 編程期間，此引腳需加12.75V 或 21V 的編程電壓。3、I/O 口引腳P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉入端用。Pl 口：P1 是個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2 口：P2 是

40、一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流)4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設備。作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1所示。 表3.1 P3口的第二功能端口引腳 第二功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 INT0(外中斷 0)P3.3 INT1（外中斷 1）P3.4 T0（定時/計數器 0）P3.5 T1（定時/計數器 1）

41、P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通)P3.7 RD(外部數據存儲器讀選通) 3.2 脈搏信號采集目前脈搏波檢測系統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變式脈搏傳感器。黑龍江工程學院本科生畢業設計 123.2.1 光電傳感器的結構及原理近年來，光電檢測技術在臨床醫學應用中發展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫學儀器工作的專家和學者的重視。傳感器由紅外發光二級管和紅外接收三極管組成。采用 GaAs 紅外發光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的

42、脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產生電能，它的特性是將光信號轉換為電信號。在本設計中，紅外接收三極管和紅外發射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種。其中透射式的發射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關系。因此本系統采用了指套式的透射型光電傳感器，實現了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。透射式光電傳感器結構如圖 3.2 所示。圖 3.2 透射式光電傳感器結構圖3.2.2 信號采集電路

43、圖 3.3 是脈搏信號的采集電路，U3 是紅外發射接收裝置，由于紅外發射二極管中的電流越大，發射角度越小，產生的發射強度就越大，所以對 R21 阻值的選取要求較高。R21 選擇 270 同時也是基于紅外接收三極管感應紅外光靈敏度考慮的。R21 過大，通過紅外發射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區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確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當手指處于測量位置時，會出現二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發射二極管發射的紅外光，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。當有跳動的脈搏時，血脈使

44、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黑龍江工程學院本科生畢業設計 13很低，如當脈搏只有為 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 R22、C10 濾波以濾除高頻干擾。VC CU3Optoisolator1R 21270R 2256KC 10220ufGND圖 3.3 信號采集電路3.3 信號放大電路本設計采用的放大器是LM324。LM324 是四運放集成電路，它采用14 腳雙列直插塑料封裝.它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。由于LM324 四運放電路具有

45、電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應用在各種電路中。由于通過光電式脈搏傳感器檢測到的脈搏波的信號非常微弱，所以在單片機接受處理前需要進行信號的放大處理。按人體脈搏在運動后跳動次數達 200次/分鐘的計算來設計低通放大器，放大電路如圖 3.4 所示。R23、C6 組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由 R23、C6 決定，運放 U3A 將信號放大，放大倍數由 R23 和 R27 的比值決定。黑龍江工程學院本科生畢業設計 14R 231MR 2656KR 274.7K564117U3ALM 324VC CGNDGNDC 647nf圖 3.4 放大電路根據

46、一階有源濾波電路的傳遞函數，可得： (3.1)coiOwsAsVsVsA1)()()(放大倍數為： (3.2)230271112144.7RMARK 截止頻率為： (3.3)023613.392fHzR C按人體的脈搏跳動為 200 次/分鐘時的頻率是 3.3 Hz 考慮，低頻特性是令人滿意的。經過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。3.4 波形整形電路波形整形電路如圖 3.5 所示，U2A 是一個電壓比較器，C11、R29 構成一個微分器，U1A 和 C7、R32 組成單穩態多諧振蕩器，其脈寬由 C7、R32 決定。該比較器的閥值電壓可用 R31 調節在正弦波的幅值范圍內，但是對

47、R31 的調節要求并不嚴格，因為 U2A 的輸出信號經 C11、R29 的微分后總是將尖脈沖送到單片機腳，進行對心率的計算和顯示。0INT黑龍江工程學院本科生畢業設計 15C 11nfR 291MR 20220KR 2510KR 2822KR 3110K1094118U2ALM 324VC CVC CGND圖 3.5 整形電路3.5 單片機處理電路單片機處理電路如圖 3.6 所示，本部分運用了 ATMEL 公司的 89S52 單片機作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準確地對數據進行運算，而且可以根據實際情況進行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。單片機外圍電路包括復位電路和振蕩電路。

48、本設計采用自激蕩方式，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產生時鐘信號。石英晶振選擇頻率為11.0592MHz，電容選擇 30pf。如圖 3.6 中振蕩電路所示。經計算得單片機工作機器周期為：。時鐘電路工作后，在 REST 管腳上usM1)0592.111 (0592.11加兩個機器周期（12 個晶振周期）以上的高電平，芯片內部開始進行初始復位。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機 89S52 的腳，單片機0INT設為負跳變中斷觸發模式，故每次脈沖下降沿到達時觸發單片機產生中斷并進行計時，來一個脈沖脈搏次數就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機對一分鐘內的脈沖次數進行累加，通過

49、 P0、P2 口把測量過程和結果送到數碼管顯示出來。黑龍江工程學院本科生畢業設計 16GNDVC CR 1010kS 1S W -PB 1+C 310uVC CGNDC 430pC 530pY1110592MR 1110kVC C234567891R 910kVC CEA/VPP31XTAL119XTAL218R S T/VPD9P3.7/R D17P3.6/W R16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435

50、P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PS EN29ALE/PR OG30P3.1/TXD11P3.0/R XD10Vcc40Gnd20AT89S52AT89S 52GND 圖 3.6 單片機處理電路3.6 顯示電路顯示電路如圖 3.7 所示。R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7220R 8Q29012Q39012Q49012Q59012Q69012Q19012VC CR 12220R 13220R 15220R 16220R 18220R 19220a11b7c4d2e1f10g5dp39ab

51、fcgdW486abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112a11b7c4d2e1f10g5dp39abfcgdW486abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112圖 3.7 顯示電路本設計的顯示采用 LED 數碼管動態掃描來顯示。動態顯示方式是指一位一黑龍江工程學院本科生畢業設計 17位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描） ，即每個數碼管的位選被輪流選中，多個數碼管公用一組段選，段選數據僅對位選選中的數碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。通過調整電流和時間參數，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的

52、位數不大于 8 位，則顯示器的公共端只需一個 8 位 I/O口進行動態掃描（稱為掃描口） ，控制每位顯示器所顯示的字形也需一個 8 位口（稱為段碼輸出） 。本設計采用的 LED 是兩個 3 位的共陽極 LED 數碼管組成 8位顯示，其中 0、1 兩位顯示測量中的時間，3、4 兩位顯示測量中的脈搏次數，6、7 兩位用來顯示上次測量的數據。單片機的 P0 口控制顯示字型，P2 控制顯示字位。3.7 報警電路根據醫學數據，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當數碼管所顯示的示數大于 120 或小于 60 時，蜂鳴器響應報警；示數小于 120 時大于 60 時，蜂鳴器不響。因為單片機的端口輸出電流

53、能力低，無法直接驅動那些器件，故增加三極管加大功率 ，驅動蜂鳴器工作。報警電路如圖 3.8 所示。Q12N3904R ?R es2LS 1S peak erVC CGNDP1.6 圖 3.8 報警電路3.8 本章小結本章是本設計的核心。在這里給出了整體的硬件電路設計思路，并且對電路的各個部分進行分析與解釋。主要介紹了 AT89S52 單片機的結構與引腳功能、光電傳感器采集脈搏波原理和 LED 等的原理。黑龍江工程學院本科生畢業設計 18第 4 章 軟件系統硬件電路設計完成以后，系統的主要功能將依賴于系統軟件來實現。系統能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設計外，與功能完善的軟件設計是分不開的。4

54、.1 主程序流程主流程如圖4.1所示。開始系統初始化P3.2是否為下降沿？脈搏測量子程序LED顯示NY顯示結果是否大于120或小于60？LED顯示驅動蜂鳴器報警NY圖4.1 主程序流程圖在軟件設計中，一般采用模塊化的程序設計方法，它具有明顯的優點。把黑龍江工程學院本科生畢業設計 19一個多功能的復雜的程序劃分為若干個簡單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設計和調試，有利于程序的優化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結構層次一目了然。應用系統的程序由包含多個模塊的主程序和各種子程序組成。各程序模塊都要完成一個明確的任務，實現某個具體的功能，在具體需要時調用相應的模塊即可。系統主程序控

55、制單片機系統按預定的操作方式運行,它是單片機系統程序的框架。系統上電后,對系統進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態的設定。系統初始化之后,進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。4.2 定時器中斷程序流程定時器中斷程序流程如圖 4.2 所示。保存脈搏數繼續計時YYY到1S?到60S?處于檢測？返回NN按鍵檢測定時器初值設定 圖 4.2 定時器中斷程序流程定時器中斷服務程序由一分鐘計時、按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組成。當定時器中斷開始執行后，對一分鐘開始計時，1s 計時到之后繼續檢測下 1s，直到 60s 到了再

56、停止并保存測得的脈搏次數。同時可以對按鍵進行檢測，黑龍江工程學院本科生畢業設計 20只要復位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏次數。4.3 INT 中斷程序流程INT 中斷程序流程如圖 4.3 所示。外部中斷服務程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸發的方式，當處于測量狀態的時候，來一個脈沖脈搏次數就加一，由單片機內部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內的脈搏次數。沒有處于檢測狀態時，按下按鍵檢測開始，進行脈搏數的累加。定時器中斷0進入處于檢測？脈搏數+1等待按鍵按下返回NY圖 4.3 INT 中斷程序流程4.4 顯示程序流程在單片機的應用系統中，為了

57、便于人們觀察和監視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結果、狀態等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設備之一。本設計的顯示采用LED數碼管動態掃描來顯示。動態顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描） ，即每個數碼管的位選被輪流選中，多個數碼管公用一組段選，段選數據僅對位選選中的數碼管有效。兩個4位的共陽極LED數碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測量中的時間，3、4兩位顯示測量中的脈搏次數，6、7兩位用來顯示上次測量的數據。單片機的P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字。顯示程序包括顯示上次的脈搏次數、本次測量中的時間和脈搏的次數。從中斷程序中取得結果后，先顯示上次的脈

58、搏次數，經過10ms的延時后再顯示測試中的脈搏次數，再經過10ms的延時顯示測試中的時間。兩個4位的共陽極LED數碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測量中的時間，3、4兩位顯示測量中的脈搏次數，6、7兩位用來顯示上次測量的數據。單片機的P0口控制顯示字型，黑龍江工程學院本科生畢業設計 21P2口控制顯示字。顯示程序流程如圖4.4所示。取結果顯示上次脈搏數延時顯示測試中的時間延時顯示子程序返回圖4.4 顯示程序流程圖4.5 蜂鳴器報警流程根據對報警電路的分析，可通過對 P1.6 的置位來控制蜂鳴器發出聲音和關閉。當 P1.6 管腳為高電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電路形成回路，發出聲音；當

59、P1.6 管腳為低電平時，三極管截止，這樣蜂鳴器中無法形成電流回路，蜂鳴器不出聲。因此，利用此原理可通過控制 P1.6 管腳來控制蜂鳴器是否響應報警。根據醫學數據，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當數碼管所顯示的示數大于 120 或小于 60 時，蜂鳴器響應報警；示數大于 120 時小于 60 時，蜂鳴器不響。因為單片機的端口輸出電流能力低，無法直接驅動那些器件，故增加三極黑龍江工程學院本科生畢業設計 22管加大功率 ，驅動蜂鳴器工作。蜂鳴器報警流程如圖 4.5 所示。重裝初值掃描數碼管上顯示的數值蜂鳴器標志位是否置位？拉響蜂鳴器YN定時器1中斷輸入返回 圖 4.5 蜂鳴器報警流程圖4

60、.6 本章小結本章節主要是程序的編寫，要想系統能正常的工作，除了要有合理的硬件之外還要有一個合理的軟件系統。軟件應用系統的程序由包含多個模塊的主程序和各種子程序組成。程序采用 C 語言編寫，可讀性非常好。黑龍江工程學院本科生畢業設計 23結束語本設計主要是單片機在脈搏測試系統中的應用。重點介紹了單片機的最小系統，通過單片機最小系統實現了脈搏的測量系統，由光電傳感器采集到脈沖信號，經過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取并最終在數碼管上顯示。而且本設計所設計的便攜式心率測試儀還有報警功能，在脈搏次數超出設定值時報警電路會驅動蜂鳴器鳴叫。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷