基于单片机的人体健康智能检测报警系统1.docx
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基于单片机的人体健康智能检测报警系统1
中国电子科技大学
毕业设计（论文）
基于单片机的人体健康智能检测报警系统
学院名称
信息与通信工程学院
专业名称
自动化
学生学号
XXXXX
学生姓名
学生姓名
指导教师
教授姓名
助理指导老师
老师姓名
202X年X月
摘要
该家居系统设计是基于单片机控制的人体健康监测报警系统，由五部分构成。
它包含DS18B20单总线数字温度传感器、AT89C51单片机、HK-2000A集成化脉搏传感器、LM041L字符型显示器、PT2262/PT2272无线收发芯片。
该设计是在PROTUES软件环境下完成的，并用Keil进行仿真。
本文介绍了PROTUES单片机仿真软件，还有DS18B20单总线数字温度传感器、AT89C51单片机、和LM041L字符型显示器的结构、性能特点及其工作原理。
除此之外还有HK-2000A集成化脉搏传感器的性能参数和PT2262/PT2272无线收发芯片的介绍使用。
该设计系统可以完成家居人体健康监测报警系统对于人体体温、脉搏等参数的采集、处理和显示，并能够在这些参数超过对参数设定的正常阈值一定范围时，进行报警，提醒家长，以便第一时间救治病人。
关键词：
AT89C51;DS18B20;HK-2000A;PT2262/PT2272;PROTUES;
Abstract
ThehomesystemdesignisahumanbodyhealthmonitorandalarmsystemwhichcontrolisbasedonMCU.Itisconsistingoffivethings.TheycontainasinglebusdigitaltemperaturesensorDS18B20,AT89C51single-chipcomputer,HK-2000Aintegratedpulsesensor,LM041LcharacterdisplayandPT2262/PT2272wirelesstransceiverchip.ThedesignwasdoneinPROTUESsoftwareenvironment,andthesimulationwiththeKeil.ThispaperintroducesthePROTUESsingle-chipcomputersimulationsoftware.AndthedigitaltemperaturesensorDS18B20singlebusAT89C51single-chipcomputerandLM041Lcharacterdisplaystructurecharacteristicsandworkingprinciple.Inaddition，HK-2000AintegratedpulsesensorperformanceparameterofthesensorandPT2262/PT2272wirelesstransceiverchipisintroduced.Thedesignedsystemcancompletehomehealthmonitoringalarmsystemforbodytemperatureparameterssuchaspulseacquisitionprocessinganddisplay.Intheseparametersandcanbemorethanthenormalthresholdofarangeofparameters.Foralarmtoremindparents,forthefirsttimecurepatient.
keywords:
AT89C51;DS18B20;HK-2000A;PT2262/PT2272;PROTUES;
引言
随着社会不断发展,国民经济不断提升，人们生活水平有着翻天覆地的变化。
而这样的情况也导致周围环境变得恶劣，环境的污染带来食物的污染，人们的身体健康得不到保障。
尽管医学水平不断上升，但仍旧各类疾病频发，不少人都是因为发病时在夜晚无人照看而延缓了时间错过最佳救治时间而不治身亡。
因此，人们开始关注于对人体健康的监控，一旦有所异常马上报警，对此很多国家对于睡眠健康报警系统的研究很执着，并且也有不少进展。
但目前大部分医疗监测系统存在很多限制，大多数都运用在大型医院。
而这次设计是针对家居的人体健康监测报警系统，适用于家中尤其是晚上，可随时采集家庭中特殊人群（如老人、小孩或者病人）在睡眠状态下的一些生理信号（本次设计主要是体温和脉搏），对于体温，脉搏超出一定范围的实施自动报警，保证在身体出现异常时马上通知家属，防止耽误病人最佳救治时间。
这一款家庭实用的报警设备，可以很大程度上改善家庭监测条件，具有深远意义。
第1章系统设计简介
1.1人体健康监测系统的意义
对于人体健康监测系统的研究，在很多方面有着积极的意义。
首先，这次设计是针对国内外该领域研究现状，立足于我国实际情况，对人体体温、脉搏等生理参数进行监测，以便医生、家属对其了解报警，并能尽快反应及时治疗。
减轻护理人员和家属的工作，减少老人、小孩及病人由于夜间无人照看突发疾病未能及时治疗而导致的病情加重和死亡。
将生理参数通过LCD显示出来，数据直观易懂，以便人们能够随时了解自己身体状况，即使睡觉也不用担心突发状况。
综上所述，人体健康监测系统的研究是社会市场竞争的必然产物，它满足于人们对身体的健康要求。
1.2人体健康监测系统的背景与现状
1.2.1人体健康监测系统的背景
随着社会经济发展，人口老龄化严重，人们越来越意识到人体健康的重要性，开始对本身身体状况关注起来。
而这关注体现在会定时的去医院进行体检，家中会准备一些常用药物和急救工具，会越来越多的人开始运动锻炼身体。
尽管如此，还是有很多疾病会悄悄来临，毫不留情地带走我们的生命，让我们措手不及。
甚至于可能我们还在睡梦中就因突发疾病，再也无法睁开眼。
因此，人体健康监测报警系统的研究是非常必要。
1.2.2人体健康监测系统的国内现状
针对中国市场来说，高血压患者1.7亿人，每年增加300万人；心脑血管病患者1.65亿人，发病致死、致残率高；心脏病患者、中风的急性疾病不计其数。
许多的人都由于这些疾病突发而失去生命或者躺在床上一辈子。
我国每年因心脑血管疾病死亡人数占总死亡人数的45%左右，是中国人民健康的头号杀手。
而人体健康监测报警系统大幅度降低了家属和护理人员的时间和精力，能让患者身体状况得到关注及时治疗。
1.2.3人体健康监测系统的国外现状
以心脑血管疾病为例，它严重威胁到人类的健康。
据世界卫生组织（WHO）公布的统计资料显示，2000年全世界有1700万人死于心脑血管疾病，占全球死亡人数的1/3，并且预计到2020年这个数字将增至2500万。
并且研究表明，心脏病、高血压、血脂异常、超重肥胖、糖尿病、烟民还有大量饮酒和缺乏体力活动者都是心脑血管疾病的后备军。
人体健康监测报警系统有效的帮助人们对身体状况及突发疾病的防止起到很大作用。
该系统能快速便捷、有效直观的反应人体健康状况，对及时发现、预防和跟踪各种疾病起积极作用，降低了病人的疾病突发风险。
而全球人体健康监测技术以美国、日本、德国、荷兰等少数西方发达国家最为顶尖。
第2章元器件的选择
2.1AT89C51单片机
2.1.1AT89C51单片机的主要特性
（1）AT89C51继承了MCS-51的原有功能，与MCS-51在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容；
（2）4KB闪烁（Flash）存储器技术，可在线编程或使用编程器重复编程，且价格低；
（3）时钟频率高达24MHz，闪烁（Flash）存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入；
（4）支持由软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其他要求低功耗的场合；
（5）128B内部RAM，32位I/O口线，2个16位定时器/计数器，5个中断源，40个引脚。
2.1.2AT89C51单片机的管脚说明
AT89C51单片机多采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，如图1所示：
￣
AT89C51单片机引脚说明
40只引脚按功能分为3类：
（1）电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；
（2）控制引脚——/PSEN、ALE、/EA、RESET（即RST）；
（3）I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
电源引脚：
VCC（40引脚）接+5V电源；
VSS（20引脚）接地。
时钟引脚：
XTAL1（19引脚）片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端；
XTAL2（18引脚）片内振荡器反相放大器输出端。
控制引脚：
RST（9引脚）复位信号输入端，高电平有效；
/EA或VPP（31引脚）外部程序存储器访问允许控制端；
并行口引脚：
P0口8位，漏极开路双向I/O口；
P1口8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻；
P2口8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻；
P3口8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
P3口的第二功能：
引脚
第二功能
说明
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
定时器0外部计数输入
P3.5
T1
定时器1外部计数输入
P3.6
/WR
外部数据存储器写选通输出
P3.7
/RD
外部数据存储器读选通输出
2.2LCD芯片
2.2.1LCD接口
LCD（LiquidCrystalDisplay）是液晶显示器的缩写，是一种被动式显示器，具有低功耗、抗干扰能力强等优点。
它分为字段型、点阵字符型和点阵图形型三类。
本设计使用的是字符型液晶显示器LM041L,如图所示：
LM041L显示器图
接口说明如下表所示：
管脚号
管脚
电平
说明
1
VSS
0V
逻辑电源地
2
VDD
5.0V
逻辑电源地
3
VEE
LCD驱动电源
4
RS
H/L
数据\指令选择：
高电平：
数据；低电平：
指令
5
R/W
H/L
读\写选择：
高电平：
读数据；低电平：
写数据
6
E
H/L
读写使能：
高电平有效，下降沿锁定数据
7
DB0
H/L
数据输入输出引脚
8
DB1
H/L
数据输入输出引脚
9
DB2
H/L
数据输入输出引脚
10
DB3
H/L
数据输入输出引脚
11
DB4
H/L
数据输入输出引脚
12
DB5
H/L
数据输入输出引脚
13
DB6
H/L
数据输入输出引脚
14
DB7
H/L
数据输入输出引脚
2.3DS18B20单总线数字温度传感器
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装好后可以适用于众多场合；经久耐磨，不易损坏；体积较小，方便携带。
用于本设计中，可以在夜间睡觉时也能很好的监测人们的生理参数，而不会影响睡眠。
技术性能：
（1）拥有独特的单线接口方式，一条线就能实现双向通信；
（2）测温范围在-55℃到+125℃之间，固有误差1℃；
（3）支持多点组网功能，实现多点测温，最多可有8个；
（4）工作电源在3V到5.5V直流电源；
（5）使用时不需另外添加其他元器件；
（6）测量结果以9~12位数字量方式串行传送；
（7）适用各种介质工业管道和小空间设备；
2.3.1DS18B20内部结构
DS18B20温度传感器主要分为64位光刻ROM、温度传感器、非挥发温度报警触发器TH和TL、配置寄存器四部分。
它采用一线通信接口，要使用记忆控制功能首先要完成ROM设定。
DS18B20的管脚对应如下：
GND：
接地，地信号；
DQ：
数据输入输出引脚；
VDD：
可选择的VDD引脚；
NC：
空引脚。
2.3.2DS18B20的存储器
DS18B20温度传感器的存储器内部存储器有高速暂存器RAM和电可擦除EEPRAM（温度触发器TH和TL及配置寄存器）。
高速暂存器RAM是8Byte存储器。
配置存储器：
按字节意义结构如下
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
TM是测试模式位，分为工作模式和测试模式；R0、R1是分辨率设置位；其它低五位都为“1”。
分辨率设置：
R0
R1
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
2.3.2DS18B20的使用注意事项
虽然DS18B20温度传感器有系统简单、精度高连接方便等优点，但使用中还是要注意一些问题。
（1）对DS18B20读写编程时要严格按照读写时序；
（2）在使用高级语言编程时，对于DS18B20操作部分最好用汇编语言；
（3）单总线上最多并联8个DS18B20温度传感器；
（4）连接DS18B20的总线电缆限制长度，在正常通讯的情况下，将其改为双绞线带屏蔽电缆时，距离可达150m；
（5）当DS18B20接触不好或者断线的情况下，DS18B20的程序将因无法收到换回信号而陷入死循环，最好采用4芯双绞线。
2.4HK-2000A集成化脉搏传感器
HK-2000A集成脉搏传感器采用压电式原理采集信号，模拟成同步于脉搏频率的脉冲信号输出。
它用高度集成的化工工艺，将力敏元件、灵敏度温度补偿元件、感温元件和信号调理电路糅合在一块小型芯片中。
具有高灵敏度、较强的抗干扰能力、性能稳定、过载能力强和一致性好等优点，一般适用于各种场合的脉搏检测（包括睡眠状态）。
技术指标：
电源电压：
5到12V的直流电源
压力量程：
-50到+300mmHg
过载量：
100倍
输出高电平：
大于VCC-1.5V
输出低电平：
小于0.2V
2.5PT2262/PT2272无线收发芯片
PT2262/PT2272这对芯片是带地址、数据编码功能的无线发射/接收芯片。
它们是相互配对存在，PT2262发射信号，PT2272接收信号。
当有信号接收时，PT2272芯片的VT引脚（17）为高电平，无信号接收为低电平。
PT2262/PT2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空、接高电平、接低电平）。
编码芯片PT2262发出信号，由地址码、数据码和同步码共同组成完整的码字。
解码芯片PT2272接收信号，将地址码经过两次核对后，确认是否接收信号。
PT2262/PT2272芯片特点：
CMOS工艺制造，功耗低；外部元器件少；工作电压范围宽；
PT2262/PT2272芯片常用振荡电阻配对：
1.2M/200K;1.5M/270K;2.2M/390K;3.3M/680K;4.7M/820K
PT2262/PT2272芯片引脚图如下所示：
PT2262/PT2272芯片引脚图
第3章系统硬件设计
3.1模块的说明
3.1.1复位电路模块
复位电路工作原理：
复位电路接通通电后，+5V电源通过电容C1、10K电阻R1接地，电容C1开始充电。
电容两端电压由0V渐渐上升，由R1、C1构成的微分电路会在上电瞬间产生一个脉冲，其宽度大于两个机器周期，从而使得AT89C51单片机复位。
当按下按键开关时，电流直接通过按键开关、R1流回地下，不再经过C1，电容C1两端放电电压下降直至0V。
于是电路又将进行一次复位，即手动复位原理。
下图是手动复位电路图：
手动复位模块电路图
3.1.2晶振电路模块
AT89C51单片机内部有一个反相放大器，用于构成振荡器。
而单片机引脚XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入端口和输出端口。
在端口两端跨接一个石英晶振，再分别并接两个电容C2、C3后接地，便构成一个简易的自激振荡器。
电容C2、C3分别为33pF、33pF，有稳定频率和微调作用。
石英晶振为12MHz。
晶振电路图如下图所示：
晶振模块电路图
3.1.3数据采集电路模块
本设计的数据采集主要是DS18B20数字温度传感器的数据以及HK-2000A集成化脉搏传感器的数据。
在仿真软件PROTUES中，由数字脉冲信号代替脉搏传感器进行仿真。
数据采集电路图如下：
数据采集电路模块
3.1.4报警电路模块
报警电路模块使用的是蜂鸣器报警，蜂鸣器共有两个引脚，一个接地，另一个与PT2272接收芯片VT引脚相连。
系统正常运行时，当接收信号接收到的是高电平时，蜂鸣器发出报警蜂鸣声；低电平则无反应。
只有当温度传感器的数据超过上限，或者HK-2000A脉搏传感器超出设定阈值时，PT2272才会接收到高电平，直到参数恢复正常才停止报警。
报警电路模块电路图如下所示：
报警电路模块
3.1.5LCD显示电路模块
LCD显示模块采用的是字符型液晶显示器LM041L，该显示器有4行，每行16字的液晶显示屏。
D0-D7接P0口，RS、RW、E分别接P1.3、P1.4、P1.5起控制作用，滑动变阻器可以控制调节背景灯光的强弱，使显示屏更加清晰明亮。
电路显示图如下：
LCD电路显示模块电路
3.1.6无线收发电路模块
PT2262编码电路与PT2272解码电路是配套使用的，PT2262编码器通过DOUT端口将调制好的高频（约为38KHz）发送出去。
编码发送模块通过触发信号到PT2262芯片内部进行编码，然后通过315MHz调制器调制后进行功率放大，最后由PT2262编码输出。
原理框图如下：
解码接收模块是接收头将信号输入PT2272芯片的14号引脚（DIN），然后再用PT2272芯片自行解码。
PT2262发射图
PT2272接收图
3.2整体电路图
总体电路原理图
第4章系统软件设计
4.1软件的简介
4.1.1PROTUES软件简介
PROTUES软件是英国Labcenter公司开发的电路分析和实物仿真软件，可以比较直观的仿真分析各种模拟器件和集成电路。
它是电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三合一的设计平台，支持多种处理器和编译软件。
它的主要特点有：
（1）它将单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
分为模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机仿真和单片机外围电路系统的仿真、LCD显示系统仿真等等。
（2）它拥有各类虚拟仪器可用于仿真系统，如示波器、信号发生器等。
（3）支持主流单片机仿真（4）拥有软件调试功能比兼容其他软件的编译调试环境。
（5）支持原理图绘图功能。
4.2.1Keil软件简介
KeilC51软件是一款有美国KeilSoftware公司开发的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
它比汇编语言和C语言在功能上、结构上更具优势，简单易学。
该软件拥有足够丰富的库函数和集成开发调试工具。
它通过一个集成开发环境（uVision）将C编译器、宏汇编、连接器、库管理和仿真调试器等组合在一起形成一个完整开发方案。
它可以完成从编辑、编译、连接、调试再到仿真的整个开发流程。
单独使用Keil仿真器的注意事项：
（1）仿真器的标准配置为11.0592MHz晶振，除此之外，用户在使用仿真器是还可以在其晶振插孔上换其他频率的晶振；
（2）仿真器的复位按钮只能复位仿真芯片，而不能复位目标系统；
（3）仿真芯片/EA（31号引脚）已经接了高电平，导致仿真时只能用片内ROM，而无法使用片外ROM；但该仿真器可插到有外部ROM扩展的目标系统中使用。
Keil软件还有其它优点，比如说编译生成目标代码效率高，多数语句代码紧密而简单易懂。
4.2程序的编写与调试
4.2.1系统主程序
系统方框图
主程序流程图
4.2.2中断服务子程序
T0中断流程图
INT0中断流程图
INT1中断流程图
4.2.3LCD显示子程序
LCD显示流程图
第5章仿真与调试
将整个设计通过软件进行C语言编程，并在Keil集成开发环境中进行编译、调试，通过后生成一个.HEX文件。
具体工作过程如下：
首先要创建一个项目文件，然后新建一个C语言程序，并将其加入到项目文件中，在进行编译项目，生成.HEX文件。
（1）打开Keil软件，在Keil软件中找到Project菜单选项，然后点击；再在弹出的选项方框中选择NewProject选项；新建项目名称为yj，点击保存，生成的文件扩展名为.uv2。
（2）选择要进行仿真的单片机，本设计的单片机是AT89C51单片机。
（3）在项目文件中创建一个程序文件；在File菜单选择栏选择New选项，或者直接使用快捷键方式Ctrl+N快捷键，并在文本框中编写程序。
（4）对程序文件进行保存，生成的文件中主程序为main.c文件、子程序为**.h文件；在File菜单选择栏选择Save选项，或者直接使用快捷键方式Ctrl+S快捷键。
（5）编译运行；先修改参数设置，在Project菜单选项中找到OptionsforTarget‘Target1’点击，再在弹出的方框中修改参数并点击确定。
（6）建立编译文件；在Project菜单选项找到BuildTarget按钮，即建立编译文件，在项目中生成yj.HEX文件。
再次需要在PROTUES软件中进行测试仿真。
具体过程如下：
运行PROTUES模拟仿真软件，打开电路原理图，选择AT89C51单片机，点击并在跳出的方框中找到ProgramFile菜单选项，在里面找出已经编译好的“**.HEX”文件，最后点击OK按钮。
仿真结果如图a、b所示：
（图a为正常情况下仿真结果，图b为不正常情况仿真结果；另由于仿真中蜂鸣器报警无法显示本文以灯的亮灭来反映）图中引脚红色点代表高电平，蓝色点代表低电平，表示引脚正常；灰色点代表电平不确定。
参考数据：
人体正常体温在35.0℃-37.0℃之间，38.0℃为低热，39.0为高热；
人体正常脉搏速率为60次/分钟-100次/分钟（安静时），高于100次/分钟为脉率过速，低于60次/分钟为脉率过缓。
图a中正常情况LCD显示为：
“Temper：
37.0℃Pulserate：
77次/min**Testing**”表示体温是37.0℃，脉搏速率为77次/分钟；
图b1中不正常情况LCD显示为：
“Temper：
39.0℃Pulserate：
77次/min**Testing**”表示体温是39.0℃，脉搏速率为150次/分钟；
图b2中不正常情况LCD显示为：
“Temper：
37.0℃Pulserate：
150次/min**Testing**”表示体温是37.0℃，脉搏速率为150次/分钟；
图b1中不正常情况LCD显示为：
“Temper：
37.0℃Pulserate：
40次/min**Testing**”表示体温是37.0℃，脉搏速率为40次/分钟；
图a正常情况仿真显示（蜂鸣器无反应）
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