便攜式電子血壓計設計摘要現代社會快速的發展，不僅帶來了客觀的經濟效益，還導致我們的生活環境日益惡化。隨著人們生活水平的提高，人們也更加注重自己的健康問題，而現代人們由于各種不良的生活習慣以及快速的生活節奏，導致人們的健康問題岌岌可危。其中“高血壓”就是比較典型的當代都市病，“高血壓”的發病率與年齡成正比，而且跟地理分布、個人的飲食習慣、生活環境更甚于和個人的體重有直接的關系。所以人們對“高血壓”的防治，可以從培養健康的飲食習慣、加強體育運動、養成不抽煙，不喝酒的良好習慣等方面下手。即便人們已經意識到“高血壓”的危害，可是“高血壓”的患者還是逐年上升，有效、便捷的測量血壓，對人們及時了解人體狀況，更甚于可以進行及早的防治與治療。傳統的水銀血壓計需要配合聽診器測量，由專業的醫護人員判斷出收縮壓、舒張壓。整個測量過程比較復雜，且受人為因素影響誤差難以保證。便攜式血壓計的出現，實現了非專業的醫護人員也可測量血壓的情況，便攜式電子血壓計操作簡單，不需要他人幫助捆綁袖帶和使用聽診器測量數據。隨著便攜式電子血壓計的更新與換代，出現了臂式、腕式等多種類的電子血壓計，而且更多功能以及人性化的服務走進千家萬戶。人們現在不用去醫院進行血壓的檢測，在家就可以進行每日的血壓測量及監測。很好的起到了對“高血壓”的預防作用，也能使“高血壓”進行及時的治療。本設計主要以AT89C51單片機為核心，用壓阻式壓力傳感器測得血壓值，經過數模轉換器轉換成數字信號，經過單片機處理后，顯示在液晶屏上。本設計的電子血壓計具有體型小、低功耗、誤差小、便于用戶操作等優點，克服了水銀血壓計需專業知識、不易攜帶等缺點。也克服了一般電子血壓計誤差大，沒有記憶功能，不能進行數據對比等缺點，使用起來更加人性化，更加簡單，適合各類人群使用。關鍵詞：血壓；電子血壓計；單片機ABSTRACTRapiddevelopmentofmodernsociety,notonlyhasbroughttheobjectiveeconomicbenefits,alsoledtothedeteriorationofourlivingenvironment.Aspeoplelivingstandardrise,peoplealsopaymoreattentiontotheirhealthproblems,andmodernpeoplebecauseallsortsofbadlivinghabitsaswellasthefastpaceoflife,leadtopeople'shealthisatstake.Amongthem"hypertension"istypicalofcontemporaryurbandisease,theincidenceof"hypertension"isproportionaltotheage,andwithdistribution,personaleatinghabits,livingenvironmentmorethanhaveadirectrelationshipandindividualweight.Sopeopleonthepreventionandcontrolofhighbloodpressure,candevelophealthyeatinghabits,strengthensports,notsmoking,notdrinkinghabits,etc.Evenifpeoplehavebeenawareofthedangersof"hypertension","highbloodpressurepatientsisrisingyearbyyear,however,effectiveandconvenientmeasurebloodpressure,forpeopletounderstandthestatusofthehumanbodyintime,evenmorethanforearlypreventionandtreatment.Traditionalmercurysphygmomanometerneedcoordinationwiththestethoscopemeasurement,byaprofessionalmedicalpersonneldeterminethatthesystolicpressure,diastolicbloodpressure.Thewholemeasuringprocessismorecomplex,anderroraffectedbyhumanfactorsisdifficulttoguarantee.Theemergenceofportablebloodpressuremonitorfornon-professionalstaffalsocanmeasurebloodpressure,aportableelectronicdevice,simpleoperation,don'tneedotherstohelpbindcuffandtheuseofstethoscopemeasurementdata.Astheupdatingandupgradingofportableelectronicbloodpressuremonitor,thearm,wrist,etcallkindsofelectronicsphygmomanometer,andintomorefunctionsandhumanizedservice.Peopledon'thavetogotohospitalforbloodpressuretesting,nowathomecanbeadailybloodpressuremeasurementandmonitoring.Verygoodhaveplayedanimportantroleforpreventionofhighbloodpressure,alsocanmaketimelytreatment"hypertension".ThisdesignmainlyUSESAT89C51microcontrollerasthecore,withpiezoresistivepressuresensormeasuredthebloodpressurevalue,throughd/aconverterisconvertedintodigitalsignals,afterdealingwiththesinglechipmicrocomputer,displayontheLCDscreen.Thedesignoftheelectronicbloodpressuremonitorwithasmallsize,lowpowerconsumption,smallerror,theadvantagesofeasyoperation,overcomethemercurysphygmomanometerneedprofessionalknowledge,shortcomingsandsoonisnoteasytocarry.Andovercomeagreaterrorinthegeneralelectronicbloodpressuremonitor,nomemory,notdatacomparisonandsoonshortcomings,userisemorehuman,moresimple,suitableforallkindsofpeople.Keywords:bloodpressure;bloodpressuremonitor;singlechipmicrocomputer目錄第一章緒論 11.1課題背景 11.2血壓介紹 11.3血壓的測量方法 31.4血壓計發展概況 4第二章總體設計方案 72.1設計總體要求 72.2設計方案提出 72.3設計方案論證 92.4系統總體結構設計 11第三章硬件設計 133.1傳感器電路設計 133.2單片機電路設計 153.3液晶顯示電路設計 253.4電源電路設計 27第四章軟件設計 314.1程序主流程圖 314.2單片機子程序模塊 334.3液晶顯示子程序模塊 344.4數據處理子程序 34第五章總結 375.1設計總結 375.2設計心得 37參考文獻 39致謝 40附錄A 41附錄B 44第一章緒論1.1課題背景當今社會發展速度快，人們的生活水平也不斷提高，可是隨著社會的快速發展人們的生活節奏也越來越快，人們的生存壓力也不斷加大。這樣健康問題就越來越突出，更多的人也更加重視健康問題，現在個人收入的一部分已經開始向醫療產業支出。而醫療產業不再是以前的看病就醫，現在也有更多先進、快捷的醫療電子產品流入千家萬戶。這類電子產品都有共同的特點：操作簡單、體積小、便于個人或家庭使用，從此便開始了個人疾病預防的篇章。高血壓是最常見的一種慢性疾病，雖然高血壓人們已經司空見慣，可是高血壓引起的并發癥：心肌梗死、心力衰竭、慢性腎臟病等都是危機人生命的重大隱患，高血壓已經被醫學界稱為“無形殺手”，可想而知其嚴重程度。并且隨著高血壓患者的逐年增長的趨勢，讓人們不得不越來越重視高血壓的預防及診斷。一般醫院使用水銀血壓計，它是基于柯氏法的一種氣壓式血壓計，使用時需要專業的一生用聽診器觀察動脈血管的不同聲音從而來判別收縮壓和舒張壓的值。水銀血壓除了專業或有經驗的操作人員其他人一般很難實現測量準確，而且不能實現自己為自己測量，這樣也會造成諸多不便。并且柯氏法也存在著一些固有的缺點：一是確定收縮壓與舒張壓比較困難;二是此法測量的依據是人的聽覺和對汞柱的觀察，這樣以來主觀因素大，容易因人不同造成血壓值測量的不同；人們需要一個方便，安全，便于操作的血壓計來實時的測量自己血壓。于是乎電子血壓計就應運而生，他滿足了人們需求一個快捷、安全、方便的血壓測量工具的要求，得到了個人及家庭的青睞。電子血壓計也逐漸取代了水銀血壓計的地位，現在越來越多的醫療機構也在使用電子血壓計來為就診的患者進行測量，因為電子血壓計不需要造作人員有過硬的醫療經驗，而且電子血壓計可以進行的數據讀入與調出，可以很方便的讓患者進行血壓動態的觀察。電子血壓計的出現不僅給人們帶來了方便與快捷，還可以讓人們定期的測量血壓及時的預防高血壓及其并發癥。隨著電子血壓計的發展，人們選擇電子血壓計的標準也越來越高，所以電子血壓計的更新換代及其功能的人性化就成了電子血壓計的賣點。1.2血壓介紹體循環動脈血壓稱為血壓。血壓是血液在人體內血管流動時，作用在血管壁上的壓力，血壓是推動血液在人體血管內流動的動力。血液循環中有兩個相互協調的系統,從右心室泵出的血液通過肺動脈和吸入的氧氣結合，氧合后的血液變成動脈血后進入左心房，然后充盈左心室。心肌收縮使血液從左心室泵出，通過主動脈而送到全身，此時血液對動脈的壓力最高，稱為收縮壓，心室舒張時，動脈血管彈性回縮，血液仍慢慢繼續向前流動，但血壓下降，此時的壓力稱為舒張壓。血液在毛細血管處進行物質交換以供應人體所必需的營養?；亓鞯难撼蔀殪o脈血，通過靜脈系統，最后從上、下腔靜脈進入右心房。以后重復周而復始的循環，此時血液對動脈的壓力最高，稱為收縮壓。另一方面，泵本身工作是由心臟收縮來完成。心肌接受冠狀動脈來的血液，它象花一樣環繞著心臟。冠狀動脈硬化會使心肌得不到充分的血液供應而梗塞，心肌的梗塞將使心臟失去泵血功能而導致死亡。心臟周期性收縮和舒張所產生的壓差迫使血液在全身流通。血液由主動脈通過許多動脈杈之后到達各器官、腦和肢體。動脈系統的血管橫截面積逐漸減小，動脈數增加到小動脈為止，然后再進入靜脈系統而返回右心房。血壓的脈動性也隨血管的直徑減小而降低，同時血壓值也逐漸減小到零。對于健康的成人，在心血管系統中各不同部位的正常血壓值如下：（1）臂動脈：收縮壓一般在95～140mmHg（12.67～18.67kPa）范圍內，平均值為110～120mmHg（14.67～16kPa）；正常舒張壓為60～90mmHg（8～12kPa），平均值為80mmHg（10.67kPa）。脈動血壓一般用分數形式來表示：120/80。分子代表收縮壓，分母代表舒張壓。（2）主動脈壓：約為130/75；左心室約為130/5；左心房約為9/5；右心室為25/0；右心房為3/0；肺動脈為25/12。（3）毛細血管：約為20～30mmHg（2.67～4.0kPa）；靜脈為0～20mmHg（0～2.67kPa）。如果血壓高于或低于正常值都會對身體造成傷害，而人體的血壓與心輸出量、外周血管阻力、血液的粘滯性、動脈壁的彈性、心率等因素有關。此外，年齡、氣候、飲食及情緒等因素也有影響。但是長期的高血壓或者低血壓會帶來許多嚴重的并發癥。比如：血壓值達到或超過收縮壓140mmHg和(或)舒張壓90mmHg，一般認為是高血壓。高血壓是引起動脈粥樣硬化和冠心病的重要危險因素之一，也是催發心力衰竭的重要原因。高血壓最常見的有原發性高血壓和繼發性高血壓。原發性高血壓一般稱為高血壓病，是病因尚未十分明確而以高血壓為主要臨床表現的一種獨立疾病，約占所有高血壓病人中的90％。高血壓病在臨床上會引起腦血管意外、心力衰竭、腎衰竭等并發癥。繼發性高血壓又稱為癥狀性高血壓，此種血壓是某些疾病的一部分臨床表現，可為暫時性或為持久性，臨床上較少見，約占高血壓病人中的10％。引起繼發性高血壓的疾病，較常見者有腎臟疾病、內分泌疾病、血管病變和顱腦疾病。此外，還有一種血升高的情況，稱為收縮期高血壓，病人的收縮壓高于正常，但舒張壓則正常或低于正常，因而脈壓差增大此種情況多見于動脈硬化等疾病。而血壓低于90/60mmHg時稱低血壓。持續的低血壓狀態多見于嚴重病癥，如休克、心肌梗死、急性心臟壓塞等。低血壓也可有體質的原因，患者自訴一貫血壓偏低，患者口唇黏膜，使局部發白，當心臟收縮和舒張時則發白的局部邊緣發生有規律的紅、白交替改變即為毛細血管搏動征[3]。1.3血壓的測量方法血壓高低是人體重要的生理指標之一，正常的血壓是維持人體正常新陳代謝的重要條件之一。同時，血壓的數值也反映了人體心臟器官和血管功能的狀況。血壓的及時監測對預防疾病及時治療疾病、及早發現疾病，都有重要的意義。近年來，由于生活水平提高，人們攝入脂肪等增多，加之缺乏運動、精神壓力增大，高血壓病的發病率顯著提高。由此可見，能夠方便、準確地測量血壓值對于及時發現原發性高血壓和指導繼發性高血壓病人合理用藥意義重大。而且臨床上還經常需要對危重病人和手術中的病人實行血壓的連續監護，以防病人出現意外，也便于醫護人員及時采取措施。由此可見血壓的精確測量格外重要。血壓的直接測量是一種有創的測量方法。它需要將管道直接插入生物體的血管內來直接測量血壓，它可以連續的測量血壓波形的變化并進行監護?？墒侵苯訙y量方法雖然測量準確，但是對身體有危害，一般重癥患者或老年人都無法采取這種測量方法?，F行的測量方法多為血壓的間接測量，在血壓間接測量法中，又分為聽診法（Auscultatorymethod）和示波法（Oscillometricmethod）兩種。聽診法：用聽診器聽取血壓柯氏音進行人體血壓測量的方法叫聽診法，用聽診法測量血壓的血壓計叫聽診法血壓計。最常見的聽診法血壓計就是醫院中常用的水銀血壓計，水銀血壓計最初由俄國醫師N.科羅特科夫發明，裝置包括能充氣的袖袋和與之相連的測壓計，將袖袋綁在受試者的上臂，然后打氣到阻斷肱動脈血流為止，緩緩放出袖袋內的空氣，利用放在肱動脈上的聽診器可以聽到當袖袋壓剛小于肱動脈血壓血流沖過被壓扁動脈時產生的湍流引起的振動聲(柯羅特柯夫氏聲，簡稱柯氏聲)來測定心臟收縮期的最高壓力，叫做收縮壓。繼續放氣，柯氏聲加大，當此聲變得低沉而長時所測得的血壓讀數，相當于心臟舒張時的最低血壓，叫做舒張壓，當放氣到袖袋內壓低于舒張壓時，血流平穩地流過無阻礙的血管，柯氏聲消失。由于汞的比重太大，水銀測壓計難以精確迅速地反映心搏各期血壓的瞬間變化，醫院的醫生所使用的水銀柱式血壓計，只是壓力測量的工具。認為水銀柱式血壓計是精確的血壓計的觀點是片面的，因為水銀柱式血壓計只是一個壓力計而已，重點在于醫生通過聽診器進行的聽診。后來發展處改用各種靈敏的薄膜測壓計可以較準確地測得收縮和舒張壓。近年來常使用各種換能器與示波器結合可以更靈敏地測定記錄血壓。目前國際上發達國家普遍禁止使用水銀柱式血壓計，而采用精度更高的電子壓力計。示波法：示波法又稱為壓力振蕩法其工作過程是先將袖帶充氣以阻斷動脈血流然后在放氣過程中檢測袖帶內的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。當袖帶壓力P遠高于收縮壓時，脈搏波消失。隨著袖帶壓力下降，脈搏開始出現。當袖帶壓力從高于收縮壓降到收縮壓Ps以下時，脈搏波會突然增大，在平均壓Pm時幅值達到最大。然后脈搏波又隨袖帶壓力下降而衰減。示波法血壓測量就是根據脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關系來估計血壓的。脈搏波最大值對應的是平均壓，收縮壓Ps和舒張壓Pd分別由對應脈搏波最大幅值的比例來確定。電子血壓計其原理上應該是準確的，電子血壓計的臨床驗證是以聽診法作為標準、使用統計學的方法來設計的。但這并不意味著使用水銀壓力表的聽診法所測出的結果比電子血壓計的測量結果準確。當然，認為電子血壓計的測量結果比使用水銀壓力表的聽診法所測出的結果更加準確也是錯誤的。如今電子血壓計已經實現全自動智能測量，測量數據能通過網絡自動傳輸至健康管理平臺，并將生成健康數據報告反饋給用戶。測量結果因采用更領先的技術，也比傳統電子血壓計更準確了一些。對個體被測者來說，電子血壓計和聽診法有差異是很正常的。無法說電子血壓計與傳統血壓計誰更準確，只是電子血壓計更加簡單，更適合家庭，個人自行測量血壓使用。對于電子血壓計來說，雖然是便捷，可供個人或家庭使用，可是測量血壓的時候還是有必要的注意事項，為了保證血壓測量的準確無誤，應該遵守這些注意事項，以測量出一個準確的血壓值，也可以為您的安全保駕護航。注意事項主要有以下幾點：（1）患者取坐位或仰臥位，被測肢體應和心臟處于同一水平，上臂自然下垂，坐位時平第四肋軟骨；臥位平腋中線，平整地將袖帶置于上臂中部，距肘窩下緣2-3cm。（2）需密切觀察血壓者應做到四定定時間、定部位、定體位、定血壓計，有助于測定血壓的準確性和對照的可比性。（3）為偏癱、肢體外傷或手術的患者測血壓應測健測肢體。（4）排除影響血壓的外界因素如：袖帶過寬、過窄；袖帶纏得過緊、過松；肢體位置過高、過低等因素對血壓值的影響。（5）袖帶寬度要合適，袖帶太窄，須加大力量才能阻斷動脈血流，測得數值偏高;袖帶太寬，大段血管受阻，測得數值偏低。（6）肱動脈位置高于心臟水平，測得血壓值偏低;低于心臟水平，測得血壓值偏高。（7）袖帶過松，橡膠帶呈氣球狀，有效測量面積變窄，使血壓測量值偏高;袖帶過緊，使血管在未注氣時已受壓，使血壓測量值偏低。（8）發現血壓聽不清或異常，應重復測量;應將袖帶內氣體驅盡，稍等片刻再復測，一般連續測2~3次，取其最低值。（9）當舒張壓的變音和消失音之間有差異時;應記錄兩個讀數，即變音~消失音數值如180/90~70mmHg。（10）不要在浴后、吸煙、飲酒、喝咖啡后測血壓[4]。1.4血壓計發展概況人們想要測量血壓就離不開血壓計，從人們發現血壓開始，人們就制造了測量血壓的工具，從此血壓成為衡量一個人是否健康的重要標準。起初人們普遍使用的是由柯氏聽診法為原理制造出來的水銀血壓計，可是水銀血壓計它顧名思義是根據水銀汞柱的高度配合數值表來判斷人體血壓，而且需要專業的測量人員來完成測量過程。從電子血壓計的誕生以來，人們逐漸將目光轉向了電子血壓計，電子血壓計是由示波法為原理制造出來，從測量精度上來說，兩者不相上下，可是電子血壓計的方便，便于攜帶確實是電子血壓計的最大亮點。最初傳統的水銀血壓計一直受到醫院，診所，藥店等醫療機構的青睞，隨著科技的發展也由于水銀血壓計自身的一些原理上的缺點，電子血壓計開始走進時常，并走進千家萬戶，人們正在告別傳統的水銀血壓計，而迎來電子血壓計的時代。電子血壓計又分兩大類：醫用電子血壓計和家用電子血壓計。醫用電子的血壓計，主要是用于醫院、門診、血站、采血車、體檢車、健康管理體檢中心、康復中心、療養院、社區、學校、銀行、工廠、運動場等公共衛生，價格昂貴但是精確度高。家用電子血壓計，主要是用于家庭。家庭醫療保健已成為現代人的醫療保健時尚。過去人們測量血壓必須到醫院才行，而今只要擁有了家用電子血壓計，坐在家里便可隨時監測血壓的變化，如發現血壓異常便可及時去醫院治療，起到了預防腦出血、心功能衰竭等疾病猝發的作用?，F在電子血壓計從設計之初到現在的技術日趨成熟，功能日漸人性化已經經歷了三代的改革與進步。每一代都有其獨特的優點，只是隨著技術的發展，電子血壓計一些技術上的不成熟逐漸被完善。第一代電子血壓計出現時，確實改善了人們需要到醫院等專業醫療機構去測量血壓的狀況，可是其缺點測量不穩定也很明顯；第二代電子血壓計的出產就很好的客服了第一代電子血壓計的缺點；第三代也就是現在電子血壓計的高端技術，將電子血壓計的精度更一步的提升。第一代電子血壓計（G1-NIBPM），使用的技術為MWD技術（減壓時測量），使用的主要元器件有：快速加壓氣泵、電子快速排氣閥、機械式定速排氣閥、氣壓壓力傳感器。主要的測量特點是快速（一般在10秒以內）加壓到某一壓力值（大多設定在200mmHg左右），通過一個機械式定速排氣閥按2~7mmHg/s的速度放氣，并在此放氣的過程中進行血壓測量。由于是初代產品，其缺陷也很明顯：（1）使用者手臂（或手腕）有明顯的壓迫感，同時由于機械式定速排氣閥的不穩定性，測量結果有時也會不穩定。（2）其排氣速度通常按照中等粗細的胳膊來設定，而實際的使用者的胳膊或粗或細，從而影響測量精度。（3）其中的橡膠大致在半年到一年開始老化，制造商設定的排氣速度受到影響，最終也會影響測量精度。機械式定速排氣閥的缺點之四是，即便是對同一個被測者的同一次測量，壓力高的時候排氣速度快，壓力低的時候排氣速度慢。這將會直接影響到血壓測量的精度。這一代血壓計技術，日本的制造商，大都于十幾年前停止使用。但國內一些購入電子血壓計方案的制造商，其技術水平大都處于第一代。而且所有的方案提供商手上也只有這一代的技術方案。第二代電子血壓計（G2-NIBPM），使用的技術是MWD技術（減壓時測量），使用的主要元器件有：加壓氣泵、電子控制排氣閥、氣壓壓力傳感器。測量特點：由于采用了電子控制排氣閥的伺服技術（ECVSERVOTECHNOLOGY），定速排氣的速度真正做到了定速，并能根據測量者的血壓進行智能加壓，測量結果更加穩定（其他影響因素除外）。第二代產品較之初代產品便有了明顯的改觀：（1）只使用一個排氣閥電子控制排氣閥，同時用于定速排氣及測量結束時的快速排氣。（2）智能加壓。即血壓計會在加壓過程中預先對測量者血壓進行一次粗略的判斷，從而決定最終需要加至的壓力值，通常壓力值加至測量者收縮壓+30mmHg左右。（3）放氣速度一開始就能穩定在3~4mmHg/s上。這一代電子血壓計的技術難度是電子控制排氣閥的伺服技術，第一代與第二代的測量技術又統稱為MWD技術（減壓時測量），而第三代MWI技術（加壓時測量）又是一次新的升級。第三代電子血壓計（G3-NIBPM），使用的技術是MWI技術（加壓時測量），使用的主要元器件有：伺服加壓氣泵、電子控制排氣閥、氣壓壓力傳感器。主要的測量特點有：勻速加壓，并在加壓的過程中進行血壓測量。較之前兩代的血壓計，第三代血壓計有更加顯著的優點：（1）使用伺服加壓氣泵：控制加壓速度，并在加壓過程中測量血壓；(2)只使用一個排氣閥：電子快速排氣閥，用于測量結束時的快速排氣。這一代電子血壓計的技術難度是MWI技術（加壓同步測量），此項技術也是電子血壓計更加的精確、快捷。鑒于如今電子血壓計技術已日趨成熟，而且從傳感器到處理器各方面的資料都很豐富，將便攜式電子血壓計作為畢業設計的題目，不僅是很好的對大學四年的學習總結而且能學到新的知識，比如現在最新的電子血壓計測量技術：加壓時測量，它的技術難點就在于只使用一個氣泵以及一個排氣閥，這樣它必須使放氣速度和充氣速度達到一個協調才能實現在加壓時測量出人體的準確血壓，不僅如此該項技術對傳感器，電路設計也需要極高的要求，否則精度必將會受到一定影響，這也是科學技術發展的成果，人們可以用越來越先進的元器件，通過人們的智慧制造出更加安全、便捷、實用的心產品。雖然本人作出來的設計只是能簡單的實現功能，準確度，原理方面并不能達到商業用途水平，可是對本人來說是個很好的鍛煉過程。本文設計的電子血壓計，是嵌入式智能數字血壓計，它的設計包括了血壓測量原理及其實現方案設計、系統結構及其電路的設計、單片機及其接口電路的設計和系統靈敏度的設計，這些設計很好的融合了我大學四年的學習，從數字電路、模擬電路到單片機以及誤差分析等都在本次設計中得到了很好的應用。該設計以常用的電子器械為題目，將電路、單片機、傳感器等元器件合并在一起，讓四年來的知識融會貫通。第二章總體設計方案2.1設計總體要求該便攜式電子血壓計是傳感器技術和單片機技術的結合體，它的實物應該能保證完成以下幾項任務：（1）感應血流壓力；（2）判別高壓和低壓；（3）在屏幕上顯示測量結果；（4）記錄測量結果便于用戶做數據對比。血流壓力的測量離不了傳感器，電子血壓計的設計要遵循：（1）成本低廉；（2）制造簡單；(3)體積小，便于攜帶；（4）靈敏度高等準則。成本低廉，制造簡單就意味著盡量使用通用型的元器件，而為了制造簡單有時也要選擇較為精確的元器件。靈敏度高就要使用較為靈敏的傳感器，因為測量范圍不用很大，所以也不難選擇。判別高壓低壓則需要單片機處理好測量出來的信號，最后將處理出來的信號用液晶顯示屏來顯示。所以完成該設計至少需要以下的元器件：（1）傳感器：用于對血壓的感應；（2）單片機：處理傳感器收集的信號；（3）液晶顯示屏：用于顯示收縮壓與舒張壓的數值；2.2設計方案提出 目前人們最常用的電子血壓計主要有手動式數字電子血壓計和全自動電子數學血壓計。所謂手動式數字電子血壓計是指要自己往氣袋中打氣，測量過程則是自動的，因此這種血壓計也稱半自動電子血壓計。另一類是全自動電子數字血壓計，它無需捏橡膠球充氣加壓，只需要按動開關鍵，一切就都可以自動完成。它又分為臂式、腕式和指式三種。腕式電子血壓計，不適合老年人使用，因為他們的血壓本身已經較高，且血液粘稠度高，用此類血壓計測量的結果與心臟本身泵出的血壓相比已經降低了很多，這個測量結果已經沒有參考價值了。指套式血壓計，與腕式血壓計比較受到血液粘稠度等因素更甚，而且指尖的血壓信號更是薄弱，更不容易采集，并且指套式血壓計也被指出不適用于大部分人群，所以推出不久就遭到淘汰。臂式血壓計因為采取了手臂測量，手臂處血壓信號強度相對較強，易采集。若采用傳感器即可對靈敏度要求不高，可以采用精度低一些的傳感器，控制成本。血壓信號強度高，便于以后的硬件設計，與血壓值得計算。所以本設計采取臂式血壓計的樣式，處理器選擇為通用的單品機，較之專用的單片機來說成本高，資料有限不利于設計，而且對于通用型號的單片機AT89C51來說，我們已經有初步的了解，更加適合來完成本次的設計。根據方案的總體要求，本人提出了兩套方案，主要根據傳感器的選擇不同而使電路整體的設計有很大的改動。方案一在該套設計方案中主要以以數字傳感器作為測量器件，實現血壓測量。智能血壓測量系統以數字壓力傳感器為測量器件、以DM-162液晶顯示模塊為顯示器件，以通用單片機AT89C51微處理器為控制核心，構成了血壓測量裝置，系統框圖如圖2.1所示。該系統主要是充氣給袖帶，通過數字傳感器的測量，可以直接采集到袖帶壓力信和脈搏波信號，并且由傳感器自帶的A/D轉化將數據數字化然后直接將測量量傳送到單片機處理，并顯示于液晶顯示器上。圖2.1基于數字傳感器的電子血壓計系統框圖方案二在本套設計方案中，主要以以模擬傳感器作為測量器件，實現血壓測量。該智能血壓測量系統以模擬壓力傳感器為測量器件、以DM-162液晶顯示模塊為顯示器件，以通用單片機AT89C51微處理器為控制核心，構成了血壓測量裝置，系統框圖如圖2.2所示。該系統主要是充氣給袖帶，通過模擬傳感器的測量，將測量到的模擬信號經過濾波電路的處理分理處袖帶壓力信號與脈搏信號，在經過A/D轉換成數字量通過單片機處理，并顯示于液晶顯示器上。在這個方案中，數據上的收集比較繁雜一些，壓力傳感器收集到的信號，首先要通過差分放大電路將波形數據放大，再經過二階的高通濾波以去除直流分量帶來的影響，還要經過二階低通濾波以去除電源等帶來的噪聲影響。最后經過A/D處理送入單片機，計算并得出舒張壓與收縮壓。圖2.2基于模擬傳感器的電子血壓計系統框圖2.3設計方案論證2.3.1可行性分析總體來說兩種方案都是可行的，都可進行血壓的測量并顯示。方案一中，通過充氣的氣囊，壓力傳感器可以準確的感應到壓力值，然后將這個物理量轉換成電壓的訊號，將這個電壓訊號傳入控制核心單片機，最后，在單片機的控制下，系統將血壓值準確的顯示在液晶顯示模塊上。方案二中，在充氣的氣囊的幫助下，我們的壓力傳感器可以準確的感應到壓力值，然后將這個物理量轉換成模擬電壓訊號，將這個模擬電壓訊號經過濾波放大電路，分離出袖帶壓力信號與脈搏波信號傳入控制核心單片機，在單片機的控制下，系統將血壓值和脈搏數準確的顯示在液晶顯示模塊上。這兩個過程，從理論上來講，是完全正確的；從現有條件上來講，也是完全可以做到的。因此兩種方案都是可行的，可是鑒于設計的簡單、低成本、等原則將兩套方案進行比較從而選擇出最佳的方案。2.3.2方案利弊分析兩方案的原理基本一致，只是在具體裝置上面，一個采用的是數字傳感器，一個采用的是模擬傳感器。兩者差別不大，但是系統電路卻有顯著的不同。對此，我對這兩個方案進行了如下的比較。從價格上方案一中，本人選擇的傳感器ASDX001售價一般在275RMB左右，而方案二中，一般較常用與血壓測量的模擬傳感器BP300系列一般售價在30RMB左右，較常用的濾波放大器MAXIM公司的MAX系列一般售價在15RMB左右，A/D轉換最常用的ADC0809一般售價在10RMB左右，總共55RMB左右。從性能上方案一中，數字傳感器ASDX系列是Sensym公司檢定合格的ICT代表產品的一種增強型品種。也是工業水平領先的一種SDX系列傳感器增強型。ASDX001壓力傳感器采用標準DIP封裝，可對傳感器偏置、靈敏度、溫度系數和非線性度進行數字校正。ASDX001采用了IC兼容性協議，無需額外的元件或電子電路，就可容易地連接最常用的微控制器和微處理器。數字傳感器ASDX系列壓力傳感器的精度在滿量程范圍內為±0.2％，具有可用單一5Vdc供電電壓的特性。該壓力傳感器可用于測量絕壓、差壓和表壓。范圍從1PSI到100PSI，絕壓型傳感器有一個內部真空參比值(基準值)，因此可直接輸出一個與絕壓成比例的信號。此系列傳感器可用于非腐蝕性、非電離的工作流體，如空氣和干燥氣體。方案二中，常用的血壓測量傳感器BP300系列壓力傳感器是專為電子血壓計開發的一款壓力傳感器。該壓力傳感器具有結構簡單、性能穩定。可靠性好。通用性強等優點。標準的DIP-6標準封裝特點，主要適用于腕式臂式電子血壓計、醫療按摩器等需要控制氣體壓力的設備和器械中。壓力測量范圍300mmHgPSIG/40kpa，工作溫度范圍為：-20℃~+100℃，線性度0.5％，磁滯現象+0.5％。從系統的復雜度上方案一中因為采用的是數字傳感器，所以沒有濾波放大電路，也無需A/D轉換電路。方案二中因為采取的是模擬傳感器，所以會對系統的完成上帶來一些難題。經過資料的查閱，以前大多數的電子血壓計都為該原理，因為它對傳感器的要求不高，電路板的全機械化制造也會使電子血壓計的整體成本降低，可是如何有效的去除冗雜電路帶來的干擾一直是個難題，所以現在的電子血壓計大多使用的是數字傳感器。總體來說，方案一中采用的數字傳感器，價格高昂，但是性能穩定，因為沒有繁雜的電路，所以準確度上也會有保證，而且對電路的設計，軟件的設計都會帶來便利。方案二中采用的模擬傳感器，價格便宜，功能也能滿足設計需要，可是穩定性及精確度都會較之方案一中的數字傳感器差些，而且若采用方案二進行設計，會使后續的設計繁雜，容易出錯，穩定性也會受到影響。所以本人采取方案一來進行設計。2.4系統總體結構設計電子血壓計采用的是示波法（用袖帶阻斷動脈血流，在放氣過程中檢測袖帶內氣體壓力震蕩波。壓力震蕩波起源于血管壁的搏動。當袖帶內靜壓大于收縮壓時，動脈關閉，袖帶內因近端脈搏的沖擊而出現細小的震蕩波；當靜壓小于收縮壓時，波幅增大，靜壓等于平均動脈壓時，動脈管壁處于符合狀態，波幅達到最大；靜壓小于平均動脈壓時波幅逐漸減?。混o壓小于舒張壓以后，動脈管壁在舒張期已充分擴張，管壁剛性增加，而波幅維持較小的水平。放氣過程中連續記錄的震蕩波中的脈動成分呈現近似拋物線的包絡，示波法的關鍵在于找到充放氣脈動壓力波的包絡及動脈血壓之的關系。）動脈的收縮壓對應于振幅包絡線的第一個拐點，舒張壓對應于包絡線的第二個拐點，包絡線如圖2.3。圖2.3血壓交直流信號及收縮壓和舒張壓位置首先找到最大振幅值Amax處,往前找到幅值為0.5Amax的瞬態位置處，此位置所對應的血壓直流分量的值定為收縮壓,往后找到幅值為0.8Amax的瞬態位置處，此位置所對應的血壓直流分量定為舒張壓,將計算出的收縮壓和舒張壓的值經單片機的控制輸出到LED液晶顯示。收縮壓的計算即是在放氣過程中脈搏波振幅度包絡線的上升段，當某一個脈搏波的幅度Ui與Um之比<=Ks時，就認為此時對應的氣袖壓力為收縮壓。所以收縮壓即為：Ps=P/Ui=Ks*Um。而舒張壓的計算不過就是在脈搏波振幅包絡線的下降段，當某一個脈搏波的幅度Ui與Um之比<=Kd時，就認為此時對應的氣袖壓力為舒張壓。舒張壓為：Pd=P/Ui=Kd*Um[5]。該算法的比例確定是由很多臨床試驗的來，所以較為準確，可能也會有些患者測量不準確但總體上來說還是能為大多數人測量出準確的血壓值。而系統總體的運行原理是由充氣泵充氣，產生實時壓力，數字壓力傳感器ASDX001感應到該壓力值，收集該數據并將該數據通過自身的A/D轉換裝置轉換成數字電信號，在單片機的控制下以串行數字形式經單片機的AT89C51的第1腳讀入。單片機在經過數據讀入后，比較數據，這時如果采樣密度大的話，則收集到的峰值數據就會更加準確，此時也可以增加采樣次數來達到該效果。采集出數據的峰值然后通過計算得到收縮壓與舒張壓，然后經DM-162液晶顯示模塊進行顯示[6]，最后經過用戶同意，按鍵確定，然后使用放氣閥放氣，準備下次測量。而復位鍵的功能是使系統達到剛初始化完的狀態，如果系統出現錯誤，或者測量有偏差，可以使用復位鍵來從新測量。系統運行原理如圖2.4所示。圖2.4系統方框圖第三章硬件設計3.1傳感器電路設計傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器工作原理的分類有物理傳感器、化學傳感器兩類。物理傳感器原理是物理效應，比如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等，這樣以來被測信號量的微小變化都將轉換成電信號，方便人們采集?；瘜W傳感器，主要原理是依靠化學吸附、電化學反應等現象測量的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號，方便人們使用。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。一般按照輸出信號為標準分類主要分為：（1）模擬傳感器；（2）數字傳感器；（3）膺數字傳感器；（4）開關傳感器。（1）模擬傳感器：將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。（2）數字傳感器：將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號（包括直接和間接轉換）。（3）膺數字傳感器：將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉換）。（4）開關傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。本設計就是采用的數字傳感器，即將被測量的非電學信號轉換成數字信號，從而傳送給單片機處理，并最終將信息顯示于液晶屏上。傳感器簡介壓力傳感器是電子血壓計的核心部分之一，人體血壓一般在0~300mmhg之間。所以在選擇上應該選擇壓力測量范圍相似的，這樣可以減少誤差。數字傳感器ASDX001屬于微型結構壓力傳感器ASDXDO系列的產品。ASDX傳感器系列是Sensym公司檢定合格的ICT代表產品的一種增強型品種，也是工業水平領先的一種SDX系列傳感器增強型。ASDX001傳感器的尺寸要比SDX稍微大些，能提供高電平(4.0V測量范圍)的輸出電壓，價格較為便宜。ASDX001壓力傳感器包含了專用的集成電路（ASIC)經過專業校準并有溫度補償功能。ASDX001壓力傳感器采用的是標準DIP封裝，可對傳感器的偏置、靈敏度、溫度系數和非線性度進行定期的數字校正。ASDX001采用的IC兼容性協議，可以讓傳感器無需額外的元件或電子電路，就可以輕松地連接最常用的微控制器和微處理器。所有ASDXDO壓力傳感器的精度在滿量程范圍內為±0.2%。具有可用單一+5Vdc供電電壓土作的特性。傳感器的設計和制造均遵循ISO9001標準。此系列傳感器可用于非腐蝕性、非電離的工作流體，如空氣和干燥氣體。傳感器的輸出是一個16進制格式的己校正的壓力值，其分辨率為12位。該壓力傳感器可用于測量絕壓、差壓和表壓。范圍從1PSI到100PSI，絕壓型傳感器有一個內部真空參比值(基準值)，因此可直接輸出一個與絕壓成比例的信號。差壓型裝置允許在傳感膜片的任一側施加壓力，可用于表壓和差壓的測量[7]。數字壓力傳感器ASDX001的結構：（1）外部結構：如圖3.1所示，為ASDX001的外部結構圖。圖3.1

ASDX001外部結構圖（2）內部結構：ASDX001的內部結構主要包括4部分：（1）多路分配器；（2）模/數轉換器；（3）微控控制；（4）模/數轉換器。其內部結構如圖3.2所示。圖3.2

ASDX001內部結構圖傳感器電路設計ASDX001的外圍引腳共有8個，其中5個為空腳。工作電壓為正5負。由+Vs腳引入正5負電壓，Vout為數據輸出腳，將所測量得到的數字電壓信號傳送到單片機的1腳，ASDX001的地腳為GND腳，接地。因此，這個電路連接十分簡單，只需要將傳感器的輸出腳Vout連接到AT89C51單片機的1腳上即可。如圖3.3所示：圖3.3

ASDX001與單片機的連接電路原理圖3.2單片機電路設計單片機，全稱單片微型計算機（英語：Single-ChipMicrocomputer），又稱微控制器（Microcontroller），是把中央處理器、存儲器、定時/計數器（Timer/Counter）、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。與應用在個人電腦中的通用型微處理器相比，它更強調自供應（不用外接硬件）和節約成本。它的最大優點是體積小，可放在儀表內部，但存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，所以在很多應用場合被稱為范圍更廣的微控制器。單片機是一種集成電路芯片，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，和計算機相比較單片機缺少了外圍設備等。作為超大規模集成電路技術而成的芯片來講，它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，在工業控制領域的廣泛應用。從上世紀80年代，單片機由僅有CPU的專用處理器芯片發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中，當時的單片機是4位、8位單片機，發展到現在已經開發出32位300M的高速單片機。現在的單片機已經不僅僅使用在工業領域，它已深入千家萬戶，手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電子產品中都含有單片機。單片機現在已經與我們的生活息息相關了。單片機誕生于1971年，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發展出了MCS51系列MCU系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTELi960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。早期階段：SCM即單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體系結構?！皠撔履Ｊ健鲍@得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上，Intel公司功不可沒。中期發展：MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術發展方向是：不斷擴展滿足嵌入式應用時，對象系統要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統相關，因此，發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面，最著名的廠家當數Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統發展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。當前趨勢：SoC嵌入式系統(SystemonChip）式的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基于SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統[8]。一個完整的計算機應該由運算器、控制器、存儲器（ROM及RAM）和I/O接口組成。各部分功能如下：(1)中央處理單元（89C51CPU）：主要有運算器和控制器兩部分，運算器主要執行各種算數以及邏輯運算；控制器主要負責指令的寄存與調用等。運算器：運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic&LogicalUnit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。例如，兩個數6和7相加，在相加之前，操作數6放在累加器中，7放在數據寄存器中，當執行加法指令時，ALU即把兩個數相加并把結果13存入累加器，取代累加器原來的內容6。運算器有兩個功能：(1)執行各種算術運算；(2)執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較；運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。控制器：控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：(1)從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置；(2)對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便于執行規定的動作；(3)指揮并控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。(2)存儲器：89C51片內有FlashROM(程序存儲器，只能讀)和RAM（數據存儲器，可寫可讀）兩類，他們有各自獨立的存儲空間，與一般微機的存儲器配置方式很不相同。程序存儲器（FlashROM）：89C51片內存儲器容量為4KB，地址從0000H開始，用于存放程序和表格常數。數據存儲器（RAM）89C51片內數據存儲器為128字節，地址為00H~7FH,用于存放運算的中間結果、數據暫存以及數據緩沖等。在這128字節的RAM中，有32字節單元可指定為工作寄存器。這同一般微處理器不同，89C51的片內RAM和工作寄存器排在一個隊列里統一編址。(3)I/O接口：89C51有4個與外部交換信息的8位并行接口，即P0~P3。他們都是準雙向端口，每個端口各有8條I/O線，均可輸入/輸出。P0~P3口4個鎖存器同RAM統一編址，可以把I/O口當做一般特殊功能寄存器（SFR）來尋址。應用范圍：單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：（1）智能儀器：單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（電壓表、功率計，示波器，各種分析儀）。（2）工業控制:單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優點，用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統、通信系統、信號檢測系統、無線感知系統、測控系統、機器人等應用控制系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。（3）家用電器:家用電器廣泛采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備和白色家電等。（4）網絡和通信:現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。（5）設備領域:單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。（6）模塊化系統：某些專用單片機設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。（7）汽車電子：單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發動機控制器，基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器、GPS導航系統、abs防抱死系統、制動系統、胎壓檢測等。此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途[9]。AT89C51簡介AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓,高性能CMOS8位單片機，片內含4kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大的AT89C51單片機能應用許多高性價比的場合，可靈活應用于各種控制領域[10]。AT89C51內部結構簡化框圖如圖3.4所示。圖3.4AT89C51內部結構簡化框圖AT89C51的主要性能參數如下:·與MCS-51產品指令系統完全兼容·4k字節可重擦寫FLASH閃速存儲器·1000次擦寫弓周期·全靜態操作:OHz-24MHz·三級加密程序存儲器·128×8字節內部RAM·32個可編程I/U口線·2個16位定時/計數器·6個中斷源·可編程串行以UART通適·低功耗空閑和掉電模式功能特性概述:AT89C51提供以下標準功能:4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM,32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至OHz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式?？臻e時停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。采用40引腳雙列直插封裝（DIP）的AT89C51單片機引腳分配圖如圖3.5所示：圖3.5AT89C51引腳圖而AT89C51的各個引腳的功能如下：VCC：電源端，為+5V。GND：接地端。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。當P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器寫入1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作為輸入口使用時要先寫1，這就是準雙向的含義。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P1做輸入口使用時，因為有內部上拉電阻的原因，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對FlashROM編程和程序校驗時，P1接收低8位的地址。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（計時器0外部輸入）P3.5T1（計時器1外部輸入）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）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入，高電平有效。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：地址鎖存允許信號端。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。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信號也可以作為對外輸出時鐘或定時信號。如果想確認89C51是否損壞，可以用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出，若有脈沖信號輸出，則89C51基本上是好的。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。要檢查一個89C51小喜用上電后CPU能否正常工作，可以用示波器看PSEN端有無脈沖輸出，若有，則說明基本上工作正常。EA/VPP：當EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入，在采用外部時鐘時，該引腳誰外部時鐘脈沖。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出，在89C51片內他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的固有頻率，若須采用外部時鐘電路，則該隱腳懸空。要檢查89C51的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。3.2.2AT89C51電路設計(1)AT89C51的復位及時鐘電路：系統復位是任何微機系統執行的第一步，它能使整個控制芯片回到默認的硬件初始狀態下。復位對單片機來說，就是回到初始狀態，程序計數器賦值0000H,為程序運行做好準備工作。單片機復位后程序計數器值變為0000H，即程序將從0地址開始執行。程序狀態寄存器PSW清零，自動選擇0工作寄存器區。堆棧指針設定為07H，定時器/計數器設定為方式0，并將計數器初值置0。中斷全部禁止，各中斷源的優先級均為0,4個端口的鎖存器全部置1，并處于輸入狀態。復位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機喜用能否正常運行，首先要檢查是否能夠復位成功。初步檢查可以使用示波器探頭尖石RST引腳，按下復位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出，還可以通過改變復位電路阻容值進行實驗。在單片機的RST引腳上加上高電平并保持兩個機器周期（24個時鐘振蕩周期），就可以完成復位操作。這種復位電路的工作原理是;通電時，電容兩端相當于是短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，RST端電壓慢慢下降，經過一段時間，達到低電平，單片機開始正常工作。手動復位，即通過接通電建，使單片機達到復位狀態。系統上電運行后，若需要復位，一般是通過手動復位來實現的。本設計采取的是手動復位和上電自動復位組合的模式，下圖為復位電路的電容、電阻參考值分別為C=22uF,R=2k歐姆[11]，單片機復位電路如圖3.6示：圖3.6

單片機復位電路89C51單片機與其他微機一樣，從FlashROM中取指令和執行指令過程中的各種微操作，都是按著節拍有序進行。89C51芯片內部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個電容就可以構成穩定的自激振蕩器，電容C1和C2通常取30pF左右，可穩定頻率并對振蕩頻率有微調作用,振蕩脈沖頻率范圍為f=0~24MHz。XTAL2(18引腳)：單片機內部振蕩電路反相放大器的輸出端。XTAL1(19腳)：單片機內部振蕩電路反相放大器的輸入端。由于內部振蕩器方式所得的時鐘信比較穩定，因此在實用電路中使用的比較多。其中，電容器C1、C2起穩定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般為5—30pF,典型值為30pF,晶體振蕩器頻率f的范圍是1.2—12MHZ.單片機以晶體振蕩器的振蕩周期（或外部引入的時鐘周期）為最小的時序單位，振蕩頻率二分頻后形成狀態周期或稱S周期，所以，1個狀態周期包含有2個振蕩周期。將振蕩頻率f進行12分頻后形成機器周期MC,故1個機器周期包含6個狀態周期或12個振蕩周期。執行一條指令的時間叫做指令周期。89C51單片機指令系統中，各條指令的執行時間在1—4個機器周期之間[12]，指令的的運算速度和它的機器周期數直接相關，機器周期數較少則執行速度快，反之則會速度慢一些，在編程時要注意選用具有同樣功能而機器周期數少的指令。單片機時鐘電路如圖3.7所示：圖3.7單片機時鐘電路(2)AT89C51與液晶顯示模塊的電路連接：液晶顯示模塊所要的數字信號從AT89C51的口引出，分別對應的接DM-162的D0-D7端口，完成數據傳輸，液晶顯示模塊的控制引腳RS、PR、E分別接到89C51的P3.5、P3.6、P3.7口，以實現微處理器對液晶顯示模塊的控制[13]。單片機與現實屏連接電路如圖3.8所示：

圖3.8單片機與顯示屏的電路連接原理圖3.3液晶顯示電路設計顯示電路的組要功能是顯示采集處理后的信號，它是人們最直觀獲取信息的來源，人們一旦對系統進行控制，就應該在顯示器上得到相應的回應，從而實現人機交流的只能化。液晶顯示器又稱為LCD即英文LiquidCrystalDisplay的縮寫，是一種數字顯示技術，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產生圖象。液晶顯示器與傳統的陰極射線管（CRT）相比，LCD占用空間小，低功耗，低輻射，無閃爍，降低視覺疲勞。但是與同大小的CRT相比，價格會更加的昂貴。液晶顯示模塊DM-162簡介本次設計采用的字符型液晶模塊是一種用5*7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示模塊DM-162，共有16個引腳[14]。第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線第15～16腳：空腳液晶顯示模塊DM-162電路設計VSS為地電源，VDD接5V正電源，V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比