競賽實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)報(bào)告系別:信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院班級:姓名:學(xué)號:指導(dǎo)教師:實(shí)踐地點(diǎn):實(shí)驗(yàn)樓406時間:2014至2014課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目競賽實(shí)訓(xùn)學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化班級學(xué)生姓名學(xué)號5月19日至66月9日至6指導(dǎo)教師(簽字)院長(簽字)2014年一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求根據(jù)參賽的需要，綜合運(yùn)用單片機(jī)〔含ARM〕、模擬/數(shù)字電子技術(shù)、傳感器、Protel等相關(guān)知識，自擬題目，完本錢次課程設(shè)計(jì)。全部題目要求經(jīng)過老師的審定，并以實(shí)物形式調(diào)試完成，最后參加最終的課程設(shè)計(jì)作品辯論。1~2人一組，鼓勵單人單組。二、設(shè)計(jì)原始資料單片機(jī)原理及應(yīng)用教程范立南2006年1月單片機(jī)開發(fā)實(shí)驗(yàn)板、開發(fā)模塊單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺〔箱〕、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書PC三、設(shè)計(jì)完成后提交的文件和圖表1．計(jì)算說明書局部1〕方案論證報(bào)告打印版或手寫版2〕程序流程圖3〕具體程序代碼2．圖紙局部繪制所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體電路原理圖3.其他資料提交所設(shè)計(jì)作品演示的視頻文件以及相關(guān)作品的照片四、進(jìn)程安排教學(xué)內(nèi)容學(xué)時地點(diǎn)資料查閱與學(xué)習(xí)討論4天現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室分散設(shè)計(jì)14天現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室編寫報(bào)告1.5天現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成果驗(yàn)收1.5天現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室五、主要參考資料《電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)根底》馬建國、孟憲元編清華大學(xué)出版2004年4月《實(shí)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)根底》姜威2023年1月《單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真》張靖武2007年4月指導(dǎo)老師成績辯論小組成績總成績目錄第一章引言11．1概述11.2基于單片機(jī)的脈搏測試儀的開展與應(yīng)用11.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2第二章整體方案分析32.1任務(wù)32.2要求32.3系統(tǒng)的整體方案32.4方案的比照和論證3脈搏傳感器的選擇32.4.2單片機(jī)的選擇42.5設(shè)計(jì)時要考慮的問題5環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響5電磁干擾對脈搏傳感器的影響6測量過程中運(yùn)動噪聲的影響62.6本章小結(jié)6第三章硬件電路設(shè)計(jì)分析73.1控制器73.2脈搏傳感器模塊9模塊電器參數(shù)9引腳功能介紹93.3.1SIM900A介紹103.3.2SIM900A模塊主要特點(diǎn)：103.4本章小結(jié)10第四章軟件系統(tǒng)114.1主程序流程114.2顯示數(shù)碼管124.3GSM/GPRS模塊124.4本章小結(jié)12第五章課程設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)14基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀設(shè)計(jì)摘要隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的開展,醫(yī)學(xué)信號測量儀器日新月異。生物醫(yī)學(xué)測量與臨床醫(yī)學(xué)和保健醫(yī)療的聯(lián)系日益緊密。通過對人體各種生理信號的檢測，能更好的認(rèn)識人體的生命現(xiàn)象。脈象包含豐富的人體健康狀況信息,脈診技術(shù)應(yīng)客觀化、定量化。本設(shè)計(jì)主要是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀的具體實(shí)現(xiàn)方法，利用光電式傳感器,設(shè)計(jì)脈搏信號獲取的方法。本設(shè)計(jì)主要是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀的具體實(shí)現(xiàn)方法，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)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。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號，得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)〔即心率〕，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報(bào)警電路。通過觀測脈搏信號，可以對攜帶人的健康進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到攜帶人脈搏處于非正常狀態(tài)時，會利用GSM模塊及時地將地址信息傳送給被接收人，使其更好的了解到攜帶人的身體狀況及地址，防止意外發(fā)生。本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀的設(shè)計(jì)，對攜帶人的平安監(jiān)測與及時定位實(shí)現(xiàn)具有積極的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：脈搏；單片機(jī)；光電傳感器；監(jiān)測；定位第一章引言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(fā)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(jù)。臨床上使用的心電監(jiān)護(hù)儀雖然功能強(qiáng)大，測量精度高，但因?yàn)閮r格高昂，不利于家庭的普及。就算是在醫(yī)院，護(hù)士每天監(jiān)控病人病情而進(jìn)行的心率測試也是常用手測。因?yàn)檎Ｈ说男穆屎兔}搏跳動的次數(shù)是一樣的，所以可以用測量脈搏的方法來測心率。因此，本設(shè)計(jì)采用的是設(shè)計(jì)一種脈搏測試儀測量脈搏數(shù)從而實(shí)現(xiàn)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(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成局部,因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(shí)現(xiàn)精確測量、精確顯示且計(jì)時功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)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(rèn)識、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)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(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)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(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)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,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的一種實(shí)用型便攜式脈搏測試儀。采用脈搏檢測傳感器對人體的脈搏進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。得到的信號送入進(jìn)行濾波、放大、整形等處理之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏數(shù)在數(shù)碼管上實(shí)時顯示出來，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報(bào)警電路〔在非正常范圍內(nèi)將會發(fā)送短信定位地址〕功能。本設(shè)計(jì)首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個局部設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改良意見。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀，系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，輸出顯示穩(wěn)定，比擬適合群眾化。適合家庭進(jìn)行平安監(jiān)測以及醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。這使我們可以更好的測試心率，檢測是否患有一些心血管疾病，甚至于不在老人身邊時也可以隨時監(jiān)測其平安信息，做到有意外情況時及時的了解到地理信息，更好的展開救護(hù)工作。1.2基于單片機(jī)的脈搏測試儀的開展與應(yīng)用在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問、切〞是最根本的四個方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過脈診，醫(yī)生可以對患者的身體狀況有一個大概的了解，進(jìn)而對癥下藥。脈搏信號可以直接反響出患者心臟的局部狀況，我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)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(yù)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(guān)注，早在1860年Vierordt創(chuàng)立了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀(jì)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(jī)械及電子技術(shù)的開展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是70年代中期，國內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個新的境界。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(jìn)，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(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)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(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)、采用反射式的紅外管實(shí)現(xiàn)和采用壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。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局部不侵入機(jī)體，不造成機(jī)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)。脈搏測量儀的開展主要向以下幾個趨勢：1、自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進(jìn)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(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費(fèi)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(nèi)容將更加詳細(xì)，自動分析診斷功能也更強(qiáng)大。2、數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的開展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號處理的運(yùn)用將使干擾更小，測量更為準(zhǔn)確。3、多功能化越來越明顯目前的脈搏測量儀，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(jīng)很少見。隨著電子技術(shù)的開展，脈搏測量儀必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號，得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)〔即心率〕，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報(bào)警電路。通過觀測脈搏信號，可以對老人的健康進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到攜帶人脈搏處于非正常狀態(tài)時，會利用GSM模塊及時地將地址信息傳送給被接收人，使其更好的了解到攜帶人的身體狀況及地址，防止意外發(fā)生。本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀的設(shè)計(jì)，對老人的平安監(jiān)測與及時定位實(shí)現(xiàn)具有積極的促進(jìn)作用。本設(shè)計(jì)的工作是圍繞著脈搏檢測傳感器檢測脈搏波而單片機(jī)進(jìn)行控制進(jìn)行的。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容安排如下：第一章為引言。簡要介紹了心率測試儀設(shè)計(jì)的目的和意義，并對基于單機(jī)的便攜式脈搏測試儀的現(xiàn)狀和應(yīng)用以及未來的發(fā)轉(zhuǎn)走勢做了簡單的闡述，指出了本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)內(nèi)容，即心率的測試。第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是對整個方案的詳細(xì)的比照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(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，之后是各個局部的比照選擇。第三章是本設(shè)計(jì)的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對電路的各個局部進(jìn)行分析與解釋。第四章表達(dá)程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并對整個設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，而且對以后的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了展望。第二章整體方案分析2.1任務(wù)基于單片機(jī)的便攜式脈搏測試儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號，得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)〔即心率〕，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報(bào)警電路。通過觀測脈搏信號，可以對老人的健康進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到攜帶人脈搏處于非正常狀態(tài)時，會利用GSM模塊及時地將地址信息傳送給被接收人，使其更好的了解到攜帶人的身體狀況及地址，防止意外發(fā)生。2.2要求(1)通過脈搏傳感器采樣脈搏信號，設(shè)計(jì)脈搏波檢測電路，通過數(shù)碼管來顯數(shù)脈搏次數(shù)。(2)將脈沖波送入單片機(jī)，采用單片機(jī)構(gòu)成脈搏波檢測儀，要求實(shí)現(xiàn)脈搏波次數(shù)超出設(shè)定上下限時驅(qū)動GSM模塊向外界發(fā)出求救信息及地理位置。2.3系統(tǒng)的整體方案本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊可以根本劃分為：脈搏傳感器局部、單片機(jī)處理電路局部、顯示電路局部和GSM模塊局部。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)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(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測脈搏次數(shù)的目的，再通過GSM模塊可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)硬件框圖如圖2.1所示。圖2.1硬件框圖2.4方案的比照和論證脈搏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(tǒng)中重要的組成局部。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(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)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(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)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(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)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(fā)生變化，紅外對管對應(yīng)的信號便會發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號經(jīng)過放大，濾波，比擬等處理便可以得到理想的信號。紅外對管對脈搏的檢測的根本原理：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減小；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)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(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。雖然外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大，但我們進(jìn)行測量的地方一般都是在室內(nèi)，有穩(wěn)定的光源，所以在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(qū)別離的方法，能明顯的減少由于人體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對采集到的心電信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng)，能緊附在人體外表，柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。中選用電極傳感器時，需要3個電極分別置于左右手和左腿，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。臨床上為了統(tǒng)一和便于比擬所獲得的脈搏信號，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(yán)格的統(tǒng)一規(guī)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器，其靈敏度高,頻帶范圍好，結(jié)構(gòu)簡單，便于使用。當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^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(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且價格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫抖等而產(chǎn)生干擾。而肌肉的顫抖不是人能主動控制的，所以說這局部的誤差很難控制。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(dāng)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(jīng)過放大可以直接處理使用。缺點(diǎn)是價格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設(shè)計(jì)來說，考慮到經(jīng)費(fèi)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(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，本設(shè)計(jì)采用光電式傳感器。單片機(jī)的選擇單片機(jī)的選擇主要是在AT89C2051和AT89C52之間做選擇。1、AT89C2051單片機(jī)AT89C2051是一個帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器〔EEPROM〕的低電壓，高性能8位CMOS微處理器。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPLI和閃速存儲器，ATMEL的AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型處理器，它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和本錢低的解決方法。AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)RAM，15根I/O口，兩個16位定時器，一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比擬器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方停止CPU工作但允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串行工作口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一個硬件復(fù)位。2、AT89C52單片機(jī)在眾多的單片機(jī)系列中，AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，3個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個響亮2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。AT89C52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案。經(jīng)過比擬，本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)。顯示局部的選擇根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)警的范圍的。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器，都可以與微機(jī)配接。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡稱LED顯示器。LED顯示器具有耗電省、本錢低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但與LCD相比顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。LED數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段LED數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段LED數(shù)碼管顯示器有8個發(fā)光二極管，其中從a~g管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符，Dp顯示小數(shù)點(diǎn)。共陰極LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。通過比擬，我們可以發(fā)現(xiàn)LED動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。2.5設(shè)計(jì)時要考慮的問題環(huán)境光對脈搏傳感器測量的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(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)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(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了防止測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層外表涂上一層吸光材料，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擬平滑。這是因?yàn)榧又柑资降拿}搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中根本不受外界環(huán)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(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的表達(dá)出脈搏波形的特征。電磁干擾對脈搏傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比擬微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是別離的，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(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)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(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時可以在控制電路中對光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號的干擾。測量過程中運(yùn)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(chǎn)生相對的運(yùn)動，這樣會使脈搏的測量產(chǎn)生誤差，可以通過兩個方面減少運(yùn)動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械運(yùn)動性，比方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(shè)計(jì)的傳感器的設(shè)計(jì)來說，采用的是第一個途徑。2.6本章小結(jié)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(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比擬。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)芯片的型號是AT89C52，在本章主要介紹了它的一些特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)還列出了常見的干擾因素。最后，給出了最終的設(shè)計(jì)方案和硬件框圖。第三章硬件電路設(shè)計(jì)分析3.1控制器經(jīng)過第2章的表達(dá)已經(jīng)確定了完本錢設(shè)計(jì)所需要的主要元器件，所以本章開始講述基于單片機(jī)的智能手環(huán)的設(shè)計(jì)的硬件電路的設(shè)計(jì)。3.1.1AT89C52AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。3.1.2AT89C52的特點(diǎn)1、兼容MCS51指令系統(tǒng)2、8kB可反復(fù)擦寫(大于1000次〕FlashROM；3、32個雙向I/O口；4、256x8bit內(nèi)部RAM；5、3個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器中斷；6、時鐘頻率0-24MHz；7、2個串行中斷，可編程UART串行通道；8、2個外部中斷源，共8個中斷源；9、2個讀寫中斷口線，3級加密位；10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。此次設(shè)計(jì)所使用的AT89C52的封裝形式是PDIP。DIP管腳圖如圖3.1所示。圖3.1DIP管腳圖AT89C52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、XTAL1、XTAL2；2、控制引腳——RST、ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP；3、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。(2)外接晶體引腳XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。2、控制引腳RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG〕。如有必要，可通過對特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN：程序儲存允許〔PSEN〕輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器〔地址為0000H—FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。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(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1〞時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址〔低8位〕和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。Pl口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)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?yàn)閮?nèi)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(IIL)。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1〞，通過內(nèi)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?yàn)閮?nèi)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(IIL)。P3口：①可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。②作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1所示。端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2INT0(外中斷0)P3.3INT1〔外中斷1〕P3.4T0〔定時/計(jì)數(shù)器0〕P3.5T1〔定時/計(jì)數(shù)器1〕P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)表3.1P3口的第二功能3.2脈搏傳感器模塊脈搏傳感器模塊采用的是指夾式獲取指尖心率數(shù)據(jù)，傳感器采樣原理是通過高穿透率的IR紅外發(fā)射管發(fā)射不可見光，照射指尖，紅外發(fā)射管對面是對應(yīng)的紅外接收管。在心跳不同時間，指尖的毛細(xì)血管的血量是不一樣的，發(fā)射管的紅外光透過手指，紅外接收管接收到經(jīng)過信號放大從而根據(jù)透過手指的紅外光判斷心率。模塊電器參數(shù)輸入VCC3V-5V；輸出AO信號可調(diào)；輸出DO信號為上下電平引腳功能介紹VCC，GND電源接口EN選通引腳：連接VCC選通，懸空或者連接GND不選通，控制IR發(fā)射AO模擬信號輸出，輸出為心率波形，可通過示波器，單片機(jī)AD采集信號。DO數(shù)字信號輸出，通過模塊上運(yùn)放的比擬電路輸出上下電平的心率信號，方便心率計(jì)數(shù)。3.3GSM/GPRS模塊本模塊最主要的局部就是SIM900A。SIM900A介紹SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構(gòu),性能強(qiáng)大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序?？蓮V泛應(yīng)用于車載跟蹤、車隊(duì)管理、無線POS、手持PDA、智能抄表與電力監(jiān)控等眾多方向。SIM900A模塊主要特點(diǎn)：SMT封裝：易于客戶生產(chǎn)加工尺寸?。?4*24*3mm功耗低：待機(jī)模式電流低于18mA、sleep模式低于2mA供電范圍寬：3.2～4.8V支持頻段：GSM/GPRS900/1800MHz語音編碼：支持半速率、全速率、增強(qiáng)型速率支持回聲抑制算法，可以基于不同客戶設(shè)備通過AT命令調(diào)節(jié)回音抑制消除。3.4本章小結(jié)本章是本設(shè)計(jì)的核心，主要介紹了AT89C52單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與引腳功能、脈搏傳感器模塊與GSM/GPRS模塊。為下一步更好的進(jìn)行設(shè)備組裝奠定了根底。第四章軟件系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)完成以后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ鳎擞布暮侠碓O(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的。4.1主程序流程主流程如圖4.1所示圖4.1主程序流程圖在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把一個多功能的復(fù)雜的程序劃分為假設(shè)干個簡單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。應(yīng)用系統(tǒng)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(wù)，實(shí)現(xiàn)某個具體的功能，在具體需要時調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行,它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用存放器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后,進(jìn)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顯示數(shù)碼管在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。本設(shè)計(jì)的顯示采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器〔掃描〕，對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作〔點(diǎn)亮〕，但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應(yīng)，看到的卻是多個字符“同時〞顯示。顯示器亮度既與點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參