XXXX 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 基于單片機的脈搏測量儀設計 Design of Pulse Measuring Instrument Based on Single Chip 學院名稱： 電子信息與電氣工程學院 專業(yè)班級： 111111111111111111111111111 學生姓名： 11111 學 號： 11111111111111 指導教師姓名： 11111111 指導教師職稱： 11111 2014 年 05 月 目目 錄錄 摘要.I Abstract.II 引言.1 第一章 概述.2 1.1 選題的背景和意義 .2 1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應用 .3 第二章 總體方案的論證與設計.5 2.1 主控模塊的選型和論證 .5 2.2 顯示模塊的選型和論證 .5 2.3 傳感器的選型和論證 .5 2.4 系統(tǒng)整體設計概述 .6 第三章 系統(tǒng)硬件電路設計.8 3.1 主控模塊 .8 3.1.1 STC89C52 單片機主要特性 .8 3.1.2 STC89C52 單片機的中斷系統(tǒng) .12 3.1.3 單片機最小系統(tǒng)設計 .12 3.2 LCD 液晶顯示器簡介 .12 3.2.1 液晶原理介紹 .13 3.2.2 液晶模塊簡介 .13 3.2.3 液晶顯示部分與 STC89C52 的接口 .14 3.3 信號采集電路設計 .16 3.3.1 傳感器簡介 .16 3.3.2 濾波電路 .17 3.3.3 放大整形電路 .17 第四章 系統(tǒng)軟件設計.17 4.1 系統(tǒng)軟件總體設計 .17 4.2 程序設計原理 .19 第五章 系統(tǒng)調(diào)試.21 5.1 軟件調(diào)試 .21 5.2 硬件調(diào)試 .21 5.3 調(diào)試結果 .22 5.4 誤差分析 .22 結論.24 致謝.25 參考文獻.26 附錄.27 基于單片機的脈搏測量儀設計基于單片機的脈搏測量儀設計 摘要摘要： 脈搏測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應用,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(yī)院。為了提 高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設計了一種基于 51 單片機的脈搏測量 儀。系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為核心，以光電傳感器利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時 器來計算時間，由光電傳感器感應產(chǎn)生信號，單片機通過對信號累加得到脈搏 跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中可以通過觀察指示燈閃爍，若 均勻閃爍說明測量值準確。系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時間。 經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達到設計要求。 本設計利用紅外光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，輸入單片機 內(nèi)進行相應的控制，從而測量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)，快捷方便。系統(tǒng)可 以供用戶測量當時的脈搏次數(shù)，同時還可以設定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當測量 的范圍超過設定的范圍則驅(qū)動蜂鳴器報警提醒，除此外用戶還可以設定每天鬧 鐘提醒測量，時間可以自行設定，結果最終可以把采集到的脈搏信號顯示在 LCD1602 上。 關鍵詞：關鍵詞：STC89C52；脈搏測量儀；LCD 顯示器；光電傳感器 I Design of pulse measuring instrument based on single chip Abstract：Pulse measurement apparatus has been widely used in our daily life. In order to improve the measurement apparatus is simple and accuracy, this paper designs a pulse measuring instrument based on 51 single chip microcomputer. System to STC89C52 microcontroller as the core, with photoelectric sensor, and calculates the internal timer SCM system, the signal from the photoelectric sensor, microcontroller based on the accumulated pulse beat frequency signal, by the time the timer. In the running of the system can be observed through the indicator lights out, if even flicker that accurate measuring value. The system stops running, can display the total pulse number and time. After testing, the system works normally, meet the design requirements. The design of the infrared photoelectric sensor generates a pulse signal, after plastic surgery to enlarge, the input of SCM within the corresponding control, which measured within a minute of the pulse beat frequency, fast and convenient. Through observing the pulse signal, can check the health of the body, usually used for health centres and hospitals. The system can be used for measuring the pulse number of users, but also can set the upper limit of the number of times and, when the range of the measurement range over the set of drive buzzer alarm, but users can also set the alarm clock to remind the daily measurement, time can be set, the results were finally able to pulse signal acquisition to display on the LCD1602.occurring. Keywords：STC89C52; photosensor; LCD display; Pulse measuring instrument 0 引引 言言 脈搏測量在有脈搏時遮擋光線，無脈搏時透光強，所采用的傳感器是紅外 接收二極管和紅外發(fā)射二極管。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(yī)院。系統(tǒng)可以供用戶測量當時的脈搏次數(shù)，同時 還可以設定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當測量的范圍超過設定的范圍則驅(qū)動蜂鳴器 報警提醒，除此外用戶還可以設定每天鬧鐘提醒測量，時間可以自行設定1。 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(jù)，歷來都 受到中外醫(yī)學界的重視。系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為核心，以光電傳感器利用 單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器感應產(chǎn)生信號，單片機通過 對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中可以通過 觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準確。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(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率 (波速)和節(jié)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(tǒng)中 許多生理病理的血流特征,但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信 號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號, 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足 采集的要求。 1 2 第一章第一章 概述概述 1.1 選題的背景和意義 脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀我國最早的脈學專 著脈經(jīng)問世以來，脈學理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、 問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學中最具特色的一 項診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、 “辨證論證”的基本精 神的體現(xiàn)與應用。脈診作為“綠色無創(chuàng)”診斷的手段和方法，得到了中外人士的 關注。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的 特點易為患者接受，然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈 單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免 存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈 的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。 脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應用、 發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學發(fā)揚光大，促進脈診的應用 和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結合，實現(xiàn)更科學、客觀的診斷1。 醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用 手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不 會作 1 分鐘的測量，通常是測量 10 秒鐘時間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結果乘以 6 即 得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了提高 脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學上來，從而開辟了一條 全新的醫(yī)學診斷方法。 早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀50年代 初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機械及電子技術 的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是70年代中期，國內(nèi)天 津、上海、江西等地相繼成立了跨學科的脈象研究協(xié)作組，多學科共同合作促 使中醫(yī)脈象研究工作進入了一個新的境界。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、 單點、多點、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、 子母式等組成,脈象探頭的主要原件有應變片、壓電晶體、單晶硅、光敏元件、 3 PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點應變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部 多點式方向設計2。 目前脈搏測量儀在多個領域被廣泛應用，除了應用于醫(yī)學領域，如無創(chuàng)心 血管功能檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應用也不斷拓展， 如運動、健身器材中的心率測試都用到了技術先進的脈搏測量儀。 1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應用 隨著科學技術的發(fā)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(nèi)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。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利 用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、 簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下 降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護。但因耳脈較弱， 尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結果不準確。 過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子 血壓計，可以完成脈搏的測量,但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡 膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程 會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。 近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)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(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng) 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(shù)。 其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指 末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結構簡單、無損傷、精度高、 可重復使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應用到臨 床醫(yī)學等各個方面并收到了理想效果。 人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波 的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波。從脈搏 波中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī) 學界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周 4 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(tǒng)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(yī)學價值和應用前景。但人體的 生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非 電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。 5 第二章第二章 總體方案的論證與設計總體方案的論證與設計 2.1 主控模塊的選型和論證 方案一： 采用 MSP430 系列單片機，該單片機是 TI 公司 1996 年開始推向市場的一 種 16 位超低功耗的混合信號處理器。其內(nèi)部集成了很多模擬電路、數(shù)字電路和 微處理器，提供強大的功能。不過該芯片昂貴不適合一般的設計開發(fā)3。 方案二 采用 51 系列的單片機，該單片機是一個高可靠性，超低價，無法解密，高 性能的 8 位單片機，32 個 IO 口，且 STC 系列的單片機可以在線編程、調(diào)試， 方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。 因此選用方案二中的 51 系列單片機作為主控芯片。 2.2 顯示模塊的選型和論證 方案一： 采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成， 對于顯示文字比較合適，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高， 所以不用此種作為顯示。 方案二： 采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描，LED 數(shù)碼管價格雖適中，對于顯示數(shù)字也最 合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用單片機口線少。但是由于數(shù) 碼管動態(tài)掃描需要借助 74LS164 移位寄存器進行移位，該芯片在電路調(diào)試時往 往有很多障礙，所以不采用 LED 數(shù)碼管作為顯示。 方案三： 采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示大量文字，圖 形，顯示多樣，清晰可見，對于本設計而言一個 LCD1602 的液晶屏即可，價格 也還能接受，需要的借口線較多，但會給調(diào)試帶來諸多方便。 所以本設計中方案三中的 LCD1602 液顯示屏作為顯示模塊。 2.3 傳感器的選型和論證 6 方案一： 采用壓電傳感器用來提取人的脈搏信號，壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受 力后產(chǎn)生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質(zhì)在受到某一 方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化 現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。通過此現(xiàn)象可以提取出人的脈搏信號。 方案二： 采用光電傳感器提取人體脈搏信號，授予手指組織可以分成皮膚、肌肉、 骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血 液中，靜脈血的搏動相對動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認為光透 過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起，那么在恒定波長的光源的照射下， 通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號4。 由于光電傳感器較壓電傳感器容易在一般的地方可以買得到，因此這里選 用光電傳感器來提取人體脈搏信號。 2.5 系統(tǒng)整體設計概述 系統(tǒng)總體設計由 STC89C52、按鍵、LCD1602、光電傳感器、時鐘模塊、 運放等構成，如圖 2.1 所示，系統(tǒng)設有四個按鍵，可以設置上下限脈搏數(shù)，當 超過范圍的時候單片機會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)響，脈搏測量的時候需要人把手輕輕的 按在光電傳感器上面，由于人脈搏跳動的時候，血液的透光性不一樣會導致接 收器那邊接收的信號強弱不一樣，間接的把人脈搏信號傳回，通過運放對其進 行放大、整形后連接到單片機的 IO 口，單片機利用外部中斷對其進行計數(shù)，最 終換算成人一分鐘脈搏的跳動次數(shù)，最終顯示在液晶屏上。 7 第三章第三章 系統(tǒng)硬件電路設計系統(tǒng)硬件電路設計 3.1 主控模塊 主控模塊模塊在整個系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測鍵盤等各種參數(shù)， 同時驅(qū)動液晶顯示相關參數(shù)，在這里我們選用了 51 系列單片機中的 STC89C52 單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。 51 系列單片機最初是由 Intel 公司開發(fā)設計的，但后來 Intel 公司把 51 核 的設計方案賣給了幾家大的電子設計生產(chǎn)商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大 公司。因此市面上出現(xiàn)了各式各樣的均以 51 為內(nèi)核的單片機6。這些各大電子 生產(chǎn)商推出的單片機都兼容 51 指令、并在 51 的基礎上擴展一些功能而內(nèi)部結 構是與 51 一致的。 STC89C52 有 40 個引腳，4 個 8 位并行 I/O 口，1 個全雙工異步串行口，同時 內(nèi)含 5 個中斷源，2 個優(yōu)先級，2 個 16 位定時/計數(shù)器。STC89C52 的存儲器系 統(tǒng)由 4K 的程序存儲器(掩膜 ROM)，和 128B 的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)組成。 STC89C52 單片機的基本組成框圖見圖 3.1 所示。 時鐘電路 ROM/EPROM/Flash 4KB RAM128B SFR 21個 定時個/計數(shù)器2 CPU 總線控制 中斷系統(tǒng) 5個中斷源 2個優(yōu)先級 串行口 全雙工1個 4個并行口 XTAL2XTAL1 RST EA ALE PSEN P0P1P2P3 Vss Vcc 圖 3.1 STC89C52 單片機結構圖 3.1.1 STC89C52 單片機主要特性 1. 一個 8 位的微處理器(CPU)。 2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM(128B)，用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中 間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等，SST89 系列單片機最多提供 1K 的 RAM。 8 3. 片內(nèi)程序存儲器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也 有一些單片機內(nèi)部不帶 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前單片 機的發(fā)展趨勢是將 RAM 和 ROM 都集成在單片機里面，這樣既方便了用戶進 行設計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。SST 公司推出的 89 系列單片機分別集成了 16K、32K、64K Flash 存儲器，可供用戶根據(jù)需要選用。 4. 四個 8 位并行 IO 接口 P0P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸 出。 5. 兩個定時器計數(shù)器，每個定時器計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以 對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果 實現(xiàn)計算機控制。為方便設計串行通信，目前的 52 系列單片機都會提供 3 個 16 位定時器/計數(shù)器。 6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。現(xiàn)在新推出的單片機都不只 5 個中斷源，例 如 SST89E58RD 就有 9 個中斷源。 7. 一個全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行 IO 口，用于實現(xiàn)單片 機之間或單機與微機之間的串行通信。 8. 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許 振蕩頻率為 12MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達 40MHz，因而大大的 提高了指令的執(zhí)行速度。 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 RESET 9 P3.0 10 P3.1 11 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U5 單單單 圖 3.2 STC89C52 單片機管腳圖 9 STC89C52 單片機管腳如圖 3.2 所示，部分引腳說明： 1時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2： XTAL2(18 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；片內(nèi)它是振蕩電路反相放大 器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時， 該引腳輸入外部時鐘脈沖。 要檢查振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有脈沖信號 輸出。 XTAL1(19 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相 放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地7。 2控制信號引腳 RST,ALE,PSEN 和 EA： RST/VPD(9 腳)：RST 是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持備 用電源的輸入端。當主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將5V 電源自動兩個機器周期(24 個時鐘振蕩周期)的高電平時，就可以完成復位操作。 RST 引腳的第二功能是 VPD,即接入 RST 端，為 RAM 提供備用電源，以保證 存儲在 RAM 中的信息不丟失，從而合復位后能繼續(xù)正常運行。 ALE/PROG(30 腳)：地址鎖存允許信號端。當 8051 上電正常工作后，ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率 fOSC 的 1/6。CPU 訪問 片外存儲器時，ALE 輸出信號作為鎖存低 8 位地址的控制信號。 平時不訪問片外存儲器時，ALE 端也以振蕩頻率的 1/6 固定輸出正脈沖，因 而 ALE 信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果想確定 8051/8031 芯片 的好壞，可用示波器查看 ALE 端是否有脈沖信號輸出。如有脈沖信號輸出，則 8051/8031 基本上是好的。 ALE 端的負載驅(qū)動能力為 8 個 LS 型 TTL(低功耗甚高速 TTL)負載。 此引腳的第二功能 PROG 在對片內(nèi)帶有 4KB EPROM 的 8751 編程寫入(固 化程序)時，作為編程脈沖輸入端。 PSEN(29 腳)：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端 定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引肢接 EPROM 的 OE 端 (見后面幾章任何一個小系統(tǒng)硬件圖)。PSEN 端有效，即允許讀出 EPROMROM 中的指令碼。PSEN 端同樣可驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。要 檢查一個 8051/8031 小系統(tǒng)上電后 CPU 能否正常到 EPROMROM 中讀取指 10 令碼，也可用示波器看 PSEN 端有無脈沖輸出。如有則說明基本上工作正常。 EA/Vpp(31 腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當 EA 引腳接高電平時，CPU 只訪問片內(nèi) EPROM/ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中 的指令，但當 PC(程序計數(shù)器)的值超過 0FFFH(對 8751/8051 為 4K)時，將自動 轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。當輸入信號 EA 引腳接低電平(接地)時， CPU 只訪問外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否 有片內(nèi)程序存儲器。對于無片內(nèi) ROM 的 8031 或 8032,需外擴 EPROM，此時 必須將 EA 引腳接地。此引腳的第二功能是 Vpp 是對 8751 片內(nèi) EPROM 固化 編程時，作為施加較高編程電壓(一般 12V21V)的輸入端8。 3輸入/輸出端口 P0/P1/P2/P3： P0 口(P0.0P0.7，3932 腳)：P0 口是一個漏極開路的 8 位準雙向 I/O 口。 作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。當 P0 口作為輸 入口使用時，應先向口鎖存器(地址 80H)寫入全 1,此時 P0 口的全部引腳浮空， 可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫 1,這就是準雙向口的含義。在 CPU 訪問片外存儲器時，P0 口分時提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復用總線。在此 期間，P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。 P1 口(P1.0P1.7，18 腳)：P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口。P1 口每位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。在 P1 口作為輸入口使用時，應 先向 P1 口鎖存地址(90H)寫入全 1,此時 P1 口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。 P2 口(P2.0P2.7，2128 腳)：P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口。P 口每位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。在訪問片外 EPROM/RAM 時， 它輸出高 8 位地址。 P3 口(P3.0P3.7，1017 腳)：P3 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口。P3 口每位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。P3 口與其它 I/O 端口有很大的 區(qū)別，它的每個引腳都有第二功能，如下： P3.0：(RXD)串行數(shù)據(jù)接收。 P3.1：(RXD)串行數(shù)據(jù)發(fā)送。 P3.2：(INT0#)外部中斷 0 輸入。 P3.3：(INT1#)外部中斷 1 輸入。 P3.4：(T0)定時/計數(shù)器 0 的外部計數(shù)輸入。 11 P3.5：(T1)定時/計數(shù)器 1 的外部計數(shù)輸入。 P3.6：(WR#)外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通。 P3.7：(RD#)外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。 3.1.2 STC89C52 單片機的中斷系統(tǒng) STC89C52 系列單片機的中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源，2 個優(yōu)先級，可以實現(xiàn)二級 中斷服務嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器 IE 控制 CPU 是否 響應中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器 IP 安排各中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內(nèi) 各中斷同時提出中斷請求時，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應次序。 在單片機應用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、定時檢測、定 時掃描等；也經(jīng)常要對外部事件進行計數(shù)。STC89C52 單片機內(nèi)集成有兩個可 編程的定時/計數(shù)器：T0 和 T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外 部事件計數(shù)模式，此外，T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器9。 3.1.3 單片機最小系統(tǒng)設計 圖 3.3 單片機最小系統(tǒng)電路圖 圖 3.3 為單片機最小系統(tǒng)電路圖，單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、 復位電路組成，時鐘電路選用了 12MHZ 的晶振提供時鐘，作用為給單片機提 供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機 12 的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。圖中 10K 排阻為 P0 口的上拉電阻，由于 P0 口跟其他 IO 結構不一樣為漏極開路的 結構，因此要加上拉電阻才能正常使用。 3.2 LCD 液晶顯示器簡介 由于本設計中要求顯示界面顯示一些參數(shù)，因此這里選用了 LCD1602 作為 界面顯示，可以把一些相關的參數(shù)進行顯示。 3.2.1 液晶原理介紹 液晶顯示器(LCD)英文全稱為 Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶 控制透光度技術來實現(xiàn)色彩的顯示器。和 CRT 顯示器相比，LCD 的優(yōu)點是很 明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不 變，這樣就無須考慮刷新率的問題。 顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)顯示部分 用的是 LCD 液晶模塊，采用一個 162 的字符型液晶顯示模塊。 點陣圖形式液晶由 M 行N 列個顯示單元組成，假設 LCD 顯示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列對應 1 個字節(jié)的 8 個位，即每行由 16 字節(jié)，共 168=128 個點組成，屏上 6416 個顯示單元和顯示 RAM 區(qū) 1024 個字節(jié)相 對應，每一字節(jié)的內(nèi)容和屏上相應位置的亮暗對應。一個字符由 68 或 88 點陣組成，即要找到和屏上某幾個位置對應的顯示 RAM 區(qū)的 8 個字節(jié)，并且 要使每個字節(jié)的不同的位為1，其它的為0，為1的點亮，為0的點暗，這 樣一來就組成某個字符。但對于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比 較簡單了，可讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號及 每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代 碼即可。 3.2.2 液晶模塊簡介 LCD1602 液晶模塊采用 HD44780 控制器，hd44780 具有簡單而功能較強的 指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，LM016L 與單片機 MCU 通訊可采 用 8 位或 4 位并行傳輸兩種方式，hd44780 控制器由兩個 8 位寄存器，指令寄 存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標志（BF），顯示數(shù) RAM（DDRAM）， 字符發(fā)生器 ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器 RAM（CGRAM），地址計數(shù)器 13 RAM(AC)。IR 用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出，DR 用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù) 由內(nèi)部操作自動寫入 DDRAM 和 CGRAM,或者暫存從 DDRAM 和 CGRAM 讀 出的數(shù)據(jù)，BF 為 1 時，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應外部操作指令和接受數(shù) 據(jù)，DDTAM 用來存儲顯示的字符，能存儲 80 個字符碼，CGROM 由 8 位字符 碼生成 5*7 點陣字符 160 中和 5*10 點陣字符 32 種.8 位字符編碼和字符的對應 關系， CGRAM 是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅 64 字節(jié)，可以自 定義 8 個 5*7 點陣字符或者 4 個 5*10 點陣字符，AC 可以存儲 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫入 IR,則 IR 自動把地址碼裝入 AC，同時 選擇 DDRAM 或 CGRAM，LCD1602 液晶模塊的引腳圖如圖 3.4 所示。 圖 3.4 LCD1602 引腳圖 液晶寄存器選擇控制如表 3.1。 表 3.1 寄存器選擇控制 RSR/W操作說明 00寫入指令寄存器（清除屏等） 01讀 busy flag（DB7），以及讀取位址計數(shù)器（DB0DB6）值 10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等） 11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù) 3.2.3 液晶顯示部分與 STC89C52 的接口 如圖 3.5 所示。用 STC89C52 的 P0 口作為數(shù)據(jù)線，用 P1.2、P1.1、P1.0 分 別作為 LCD 的 EN、R/W、RS。其中 EN 是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W 是讀 寫信號，RS 是寄存器選擇信號本模塊設計要點如下：顯示模塊初始化：首先清 屏，再設置接口數(shù)據(jù)位為 8 位，顯示行數(shù)為 1 行，字型為 57 點陣，然后設置 為整體顯示，取消光標和字體閃爍,最后設置為正向增量方式且不移位10。向 14 LCD 的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用 2 個字符數(shù)組，一個顯示字符，另一 個顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯 示.首先取一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到 LCD 的顯示緩沖區(qū)，程序延時 2.5ms, 判斷是否夠顯示的個數(shù)，不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)。 圖 3.5 LCD1602 與 STC89C52 的引腳連接圖 3.3 信號采集電路設計 此部分電路的功能是由傳感器將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，一般為幾十毫伏， 必須加以放大，以達到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號波形 是不規(guī)則的脈沖信號，因此必須加以濾波整形，整形電路的輸出電壓應滿足計 數(shù)器的要求。選擇電路：所選放大整形電路框圖如圖 3.8 所示。 光電傳感器放大電路有源濾波電路整形電路 圖 3.8 放大整形電路框圖 3.4.1 傳感器簡介 傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換器，作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流 動情況，把脈搏跳動轉(zhuǎn)換為電信號，其原理電路如圖 3.9 所示。 15 圖 3.9 傳感器信號調(diào)節(jié)原理電路 如圖 3.9 中，紅外管 VD 采用 ST188。用+5V 電源供電，R1 取 150，R2 取 33k,當人把手指放在發(fā)光二極管和光電二極管之間的時候，光電二極管接 收到的信號會隨人脈搏強度的變化而變化11。 3.4.2濾波電路 圖 3.10 放大濾波電路 圖 3.10 為脈搏計的放大濾波信號，由于脈搏信號輸出的信號十分微弱，一 般在 uV 級別，除此外輸出的信號一般會伴隨很大的噪聲干擾，因此在這里用 LM358 搭建起一個放大和濾波電路。 3.4.3 放大整形電路 經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號仍是不規(guī)則的脈沖信號，且有低頻干擾，仍不 滿足計數(shù)器的要求，必須采用整形電路，這里選用了滯回電壓比較器，如圖 3.11 所示，其目的是為了提高抗干擾能力。集成運放采用了 LM358，除此外 16 LM358 還接上了一個 LED 用作指示脈搏跳動的狀態(tài)。 圖 3.11 波形整形電路 第四章第四章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 4.1 系統(tǒng)軟件總體設計 開始 液晶初始化 按下按鍵？ 鍵盤掃描 菜單 N Y 15s到？ 計算脈搏值 顯示脈搏值 返回 Y N 按鍵1按下？按鍵2按下？ 上限設定 下限設定 返回 對應值增加 按鍵3按下？ Y N Y 對應值減小 按鍵4按下？ 開中斷，測脈搏 17 圖 4.1 系統(tǒng)流程圖 主程序流程圖如圖 4.1 所示，單片機上電后先進行初始化，清楚一些參數(shù) 的初值，然后等待用戶按下對應的按鍵并進入對應的功能，當用戶按下測量按 鍵的時候流程如圖 4.1(c)所示，單片機通過定時 15s 測量人體的脈搏次數(shù)流程如 圖 4.1(b)所示，然后再換算出對應的真實的脈搏次數(shù)再在液晶屏幕上顯示流程 如圖 4.1(a)所示，當用戶按下設置脈搏范圍設定按鍵后，單片機根據(jù)用戶按下 的按鍵進行增加或減少范圍。 首先先調(diào)用液晶自定義的字庫，設置好 DDRAM 地址后在第一行顯示，根 據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設置顯示數(shù)據(jù)的首地址并設置循環(huán)量，在循環(huán)過程中不斷的取 字符代碼直到終止，第二行的顯示過程同一行的顯示過程一樣，兩行顯示完畢 后便結束子程序，如圖 4.2 所示15。 調(diào)用自定義 字庫 設置DDRAM地 址，在第一 行顯示 設置顯示數(shù) 據(jù)首地址 循環(huán)量設置 取字符代碼 循環(huán)完？ 設置DDRAM地 址，在第一 行顯示 設置顯示數(shù) 據(jù)首地址 循環(huán)量設置 取字符代碼 循環(huán)完？ 結束 圖 4.2 LCD1602 初始化子函數(shù)流程圖 4.2 程序設計原理 軟件任務分析和硬件電路設計結合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務 由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。 18 軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分 為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯 示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行 模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的 設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變?nèi)f 化。 軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功 能定義和接口定義（輸入輸出定義） 。在各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的 數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。 各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首