完整版基于C51单片机的脉搏测量仪毕业设计论文.docx
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完整版基于C51单片机的脉搏测量仪毕业设计论文
摘要
脉搏传感器采样脉搏信号，采用STC89C51单片机作为控制器，脉搏传感器输出方波传入单片机，单片机每接收一个脉冲波形，数码管就计数一次。
脉搏次数超限时用蜂鸣器报警。
三极管加大功率，驱动器件工作。
单片机软件设计，设置中断向量，编程执行。
关键词：
STC89C51单片机、脉搏测量仪、软件设计
Abstract:
Pulsesensorsamplingpulsesignal,usingSTC89C51MCUascontroller,pulsesensoroutputsquarewaveintosinglechipmicrocomputerchip,eachreceivingapulsewaveform,digitaltubecountingtime.Pulsefrequencyoverrunwithbuzzeralarm.Thethreetransistortoincreasepower,drivingdevice.MCUsoftwaredesign,settheinterruptvector,programmingexecutive.
Keywords:
STC89C51monolithicintegratedcircuit.pulsemeasuringinstrument.Softwaredesign.
目录
引言1
1系统方案选择与论证1
1.1任务1
1.2要求1
1.3系统基本方案1
1.3.1各个部分电路的方案选择及论证1
1.3.2系统各模块的最终方案2
2.系统硬件设计3
2.1单片机处理电路3
2.1.1STC89C51系列单片机的主要性能特点3
2.1.2C51系列单片机的基本组成4
2.2复位电路6
2.2.1单片机复位电路6
2.2.2测试复位电路7
2.3振荡电路7
2.4脉搏传感器部分8
2.4.1HK-2000A集成化脉搏传感器8
2.4.2脉搏传感器接收电路9
2.4.3电源电路10
2.5显示报警部分10
2.5.1数码管显示电路10
2.5.2报警电路11
3软件设计11
3.1程序设计11
3.2程序调试13
4结论18
谢辞19
参考文献20
附录21
引言
脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。
本系统采用STC89S51单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。
采用HK-2000A集成化脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏心率警醒数据采集。
得到的信号送入STC89S51单片机进行处理。
单片机将采集到的脉搏心率在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。
本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。
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。
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,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。
1系统方案选择与论证
1.1任务
基于C51单片机的脉搏测量仪设计
1.2要求
（1）通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过数码管来显示脉搏次数。
（2）将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏检测仪，要求实时脉搏次数对超限时用蜂鸣器报警。
1.3系统基本方案
根据题目的要求系统模块可以基本划分为：
脉搏传感器部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案病进行了论证
1.3.1各个部分电路的方案选择及论证
（1）脉搏传感器部分
传感器又称为换能器、变换器等。
脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分，其基本功能是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量（非电量）转换成为便于测量的电量。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
本设计中，采用HK-2000A集成化脉搏传感器，HK-2000A集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。
压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。
该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。
（2）单片机选择
51单片机是INTEL公司生产的。
它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。
通用型，有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。
但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。
本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。
而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择51单片机作为信息处理中心。
（3）显示部分
根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。
对显示部分采用以下方案：
采用数码管。
数码管具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，简单方便等特点。
1.3.2系统各模块的最终方案
根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：
1.采用STC89C51单片机作为控制器，分别对输入、显示、信号的处理和控制。
2.传感器部分采用光HK-2000A集成化脉搏传感器，该器件结构简单、可靠性高、抗干扰能力强。
3.显示用数码管显示实时脉搏数和蜂鸣器报警上下限数值。
系统的基本框图如下图1.1所示。
图1.1设计框图
2.系统硬件设计
2.1单片机处理电路
单片机处理电路如图2.1所示
图2.1单片机处理电路
2.1.1STC89C51系列单片机的主要性能特点
STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码与传统8051单片机完全兼容。
MCS－51的主要特点为：
◆CPU为8位；
◆片内带振荡器，频率范围为1.2~12MHz；
◆片内带128字节的数据存储器；（RAM）
◆片内带4KB的Flash程序存储器；（ROM）
◆程序存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展ROM）
◆片外数据存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展RAM）
◆128位（16字节）用户位寻址空间；（在128个字节中）
◆18个字节特殊功能寄存器SFR（MCS—52子系列为21个）；
◆4个8位的并行IO接口：
P0、P1、P2、P3；
◆2个16位定时器计数器T0、T1；（MCS-52子系列为3个，T2）
◆2个优先级别的5个中断源；（高、低2个）
◆1个全双工的串行IO接口，可多机通信；
◆片内采用单总线结构；
◆有较强的位处理能力；
2.1.2C51系列单片机的基本组成
图2.2框图
图2.3DIP管脚图
AT89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。
目前多采用40只引脚双列直插，如图2.3所示。
引脚按其功能可分为如下3类：
【要熟练记住】
①电源及时钟引脚—－VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；
②控制引脚—－、、、和；
③IO口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位IO口。
1.电源引脚
VSS（20脚）：
接地，0V参考点。
VCC（40脚）：
5V电源。
【提供掉电、空闲、正常工作电压】
图2.4总线分布
2．外接晶体引脚
XTAL1（19脚）：
接外部晶体振荡器的一端。
当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容。
当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源；对于CMOS单片机，此引脚悬空不接。
89C51晶体振荡器频率可在6MHZ～40MHZ之间选择，常选6MHz或12MHz的石英晶体。
电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF~100pF之间选择。
当外接晶体振荡器时，电容可选30pF±10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选40pF±10pF。
3.控制信号或与其它电源复用引脚
（1）（9脚）：
复位端。
当输入的复位信号持续2个以上机器周期（12个晶体振荡周期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。
正常工作时，此脚电平应≤0.5V。
在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD（电源范围5V±0.5V），由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。
（2）（30脚）：
地址锁存使能。
ALE（AddressLatchEnable）；PROG（Program）
为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。
引脚第二功能，对片内Flash编程，为编程脉冲输入端。
（3）（29脚）：
（ProgrammerSavingENable），外部程序存储器读选通信号。
在读外部程序存储器时有效（低电平），以实现外部程序存储器单元的读操作。
在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时无效。
（4）（31脚）：
（EnableAddressVoltagePulseofProgramming）
访问程序存储控制信号。
当＝“0”时，表示读外部程序存储器。
只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH（64KB），片内的4KBFlash程序存储器不起作用。
当＝“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。
在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH（即超出片内4KBFlash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。
对于EPROM（或FLASH）型单片机，在EPROM编程期间，此引脚需加12.75V或21V的编程电压。
2.2复位电路
2.2.1单片机复位电路
图2.5单片机复位电路图
时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位（如图2.5）。
2.2.2测试复位电路
图2.6测试复位电路图
单片机程序里通过检测该口，判断是否有按键按下，如按下开始计数工作，如一直未按则一直在此等待如图2.6。
2.3振荡电路
图2.7振荡电路图
本设计晶振选择频率为11.0592MHz，电容选择30pF如图2.7。
经计算得单片机工作机器周期为：
11.0592×（1÷11.0592M）=1us。
2.4脉搏传感器部分
2.4.1HK-2000A集成化脉搏传感器
HK-2000A集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。
压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。
该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。
图2.8HK-2000A集成化脉搏传感器图2.9波形图
主要特点：
ƒ模拟脉冲信号输出
ƒ灵敏度高
ƒ抗干扰性能力强
ƒ过载能力大
ƒ一致性好
ƒ性能稳定可靠，使用寿命长
技术指标：
ƒ电源电压：
3～12VDC
ƒ压力量程：
-50～+300mmHg
ƒ过载：
100倍
2.4.2脉搏传感器接收电路
图2.10脉搏传感器接收电路
HK-2000A型脉搏传感器输出方波传入单片机，单片机每接收一个脉冲波形，数码管就计数一次，当一分钟结束后，单片机停止接收信号，数码管也停止计数，如果需要重新计数，再次按下测试按键开关。
脉搏传感器输出波形清晰，较完整，不需要进行信号波形放大与调整。
需要注意脉搏传感器3个接口位置。
如图2.10所示：
黑线1号接地，红线3号电源，黄线2号接单片机。
2.4.3电源电路
图2.11电源电路
采用USB电源接口，电容的作用是滤波，从外界进来的电流，电压可能不稳定，接上电容是为了保证后面的电路电压相对稳定，为方便指示电源工作状态，电源接通时LED灯亮，表示器件开始工作。
2.5显示报警部分
2.5.1数码管显示电路
图2.12数码管电路
数码管DS1~DS3、VT1~VT3、R12~R21等组成数码显示电路。
本机采用动态扫描显示的方式，使用共阳数码管，P3.3-P3.5口作三个数码管的动态扫描位驱动码输出，通过三极管驱动数码管。
P1.0-P1.6口作数码显示七段笔划字形码的输出，用以驱动数码管的各字段。
因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率，驱动数码管工作。
如图2.12所示。
2.5.2报警电路
图2.13（LED灯与蜂鸣器电路）
根据医学数据，人体脉搏正常在60到120之间，当数码管所显示的示数大于120时LED红灯亮，蜂鸣器响应报警；示数小于60时LED黄灯亮，蜂鸣器响应报警；示数大于120时小于60时，LED绿灯亮，蜂鸣器不响。
因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率，驱动蜂鸣器工作。
3软件设计
3.1程序设计
在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。
把一个多功能的复杂的程序划分为若干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。
应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种子程序组成。
各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，在具体需要时调用相应的模块即可。
这里采用顺序结构，通过对按键的扫描，判断要实现什么功能。
（如图3.1）
图3.1程序流程图
3.2程序调试
源程序的编写有多种语言，经过对原理的分析和自身的实际情况本课程设采用C语言编写，其主要程序代码如下：
*初始化函数
voidinit（）
{
t=0;
TMOD=0x11;定时器0，1的定时方式1都打开
TH1=;定时器1定时5ms
TL1=-5000%256;
TH0=0x3c;定时器0定时50ms
TL0=0xb0;
EA=1;开总中断
ET1=1;开定时器1中断
TR1=1;开定时器1
TR0=1;开定时器0
ET0=1;开定时器0中断
IT0=1;下降沿促发
EX0=1;开中断0
}
图3.2程序图
图3.3调试图
4结论
脉搏检测中关键技术是单片机设置与传感器输出的信号提取问题,本文设计系统模拟电路简单，由STC89C51芯片实现脉搏信号采集，信号处理，脉搏计数等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。
本系统可实现脉搏次数的实时存储并可实现与脉搏次数报警,因此可作为简单医院脉搏测量仪。
为了实现脉搏测量重复性，特别设置单片机复位按键和测试复位按键。
同时方便观察脉搏次数变化，采用动态扫描显示的方式，使用共阳极数码管，可以随时方便观察脉搏跳动变化。
当测试结束时，增加的报警功能，起到对病人进行预警作用，当3种灯任何一种灯亮起时，即表示测试结束。
当然本次脉搏测量仪还有很多改进地方，比如HK-2000A集成化脉搏传感器对微弱跳动特别敏感，在测量时，手腕手指手掌等身体移动都会影响测量，因此在测量时需要防止其他部位移动。
通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如单片机管脚用途，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
在内容设计方面，比较深入的学习了单片机方面的知识，补充了自己知识上的不足，更重要的是给自己找到了一个新的发展方向。
谢辞
在这次课程设计的过程中，我的指导老师丁勇老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的课程设计作品给予了指导和支持。
使我顺利圆满的完成了此次课称设计设计。
在此，向丁勇老师表示衷心的感谢！
同时，也要感谢学院提供制板等设施，使我的设计得以顺利完成。
古人云：
预则立，不预则废。
祖先曾经教导我们：
一年之计在于春，一日之计在于晨。
作为即将走向社会的我们又何尝不是如此？
一个没有规划的人生，就像一场没有球门的足球赛，满场乱踢；一个没有规划的人生，就像一叶在茫茫大海上漫无目标的小舟，随波飘荡。
在我们即将走向社会的时候，我们必须对自己的职业生涯进行规划。
罗素曾说：
选择职业就是选择你自己的将来。
因此我们要针对社会需要，结合自身的情况及早做好相应准备，为我们走向社会打下坚实的基础。
俗话说：
磨刀不误砍柴功。
为适应社会需要，促进自我发展，我们除了学好本专业外，还应辅修相关专业知识，积极参加社会实践活动，培养工作能力，努力提高综合素质，同时努力培养特长，形成自身竞争优势。
最后，再次感谢学院给了我们机会，以及信息与通信学院的各位老师和许多的朋友、同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，谢谢你们！
参考文献
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2.李世馨.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2001.123
3.朱国富，廖明涛，王博亮.袖珍式脉搏波测量仪.电子技术应用.1998.第1期
4.欧阳俊.基于BL-410的指端脉搏波采集系统应用研究.2004.第11卷第2期
5.程咏梅，夏雅琴，尚岚.人体脉搏波信号检测系统.北京生物医学工程.2006.第25卷
6.任为民.电子技术基础课程设计.中央广播电视大学出版社.1997年5月第1版
7.张毅坤.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社.1998.9第1版
8．刘文，杨欣，张铠麟.基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究.医疗装备.2005
9.朱月秀.单片机原理与应用.科学出版社.2004.2
10.韩文波.光电式脉搏波监测系统.长春光学精密机械学院学报.1999.第22卷第4期
附录
原理图
PCB图
程序代码：
#include{
P3_2=0;
init（）;
TR0=0;关定时器0
ET0=0;关定时器0中断
EX0=0;
P3_6=0;
while
（1）
{
key（）;
}
}
voidint0（void）interrupt0
{
count++;
}
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