基于單片機的心率監測系統的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u234111.1控制面板 145901.1.1AT89S52簡介 14571.1.2AT89S52的結構 2197141.2信號采集 4237911.2.1光學傳感器的基本原理 4211321.2.2光學傳感器的結構 4212361.2.3信號采集電源電路 5311511.3信號變大 6272881.4波形整形電路 745471.5MCU電源電路 8294391.6顯示電路 8158111.6.11602字符液晶顯示器簡介 8312281.6.31602LCD的RAM地址映射 9307091.6.4開關電源電路設計圖 934732系統軟件 10265852.1主要操作程序 10272912.2終止程序 10175862.3指明操作程序 111硬件配置系統1.1控制面板該心率監測系統的CPU是AT89S52微控制器。由于該心率監測系統沒有其他獨特功能要完成，因此所需的端口號也很少，秉承著“低成本”的原則，所以沒有選擇功能復雜的Freescale單片機。1.1.1AT89S52簡介AT89S52是一個8位CPU，具有片上振蕩器和晶體振蕩器電路，工作頻率為0-33MHz。芯片上有256字節的數據信息存儲RAM，8K字節的程序存儲器ROM，四個8位并行處理IO端口（P0，P1，P2，P3），一個雙工串行通信通訊端口，三個16位電子端口定時器計數器（T0，T1，T2），6個中斷源，并且第二級終止具有優先權。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。1.1.2AT89S52的結構本設計中使用的微控制器的封裝類型為DIP40，如圖2所示：圖2AT89S52的封裝形式AT89S52單片機40腳。如表2所示：表2單片機引腳表引腳名稱引腳個數Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1EAVpp1ALEPROG1PSEN1P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P1.0—P1.78P3端口也可以用作唯一角色端口，如下所示：P1.0RXD（串行通信密鑰輸入）P1.1TXD（串行通訊輸出端口）P1.2INT0（外部中斷0）P1.3INT1（外部中斷1）P1.4T0（從計時器0的外部輸入）P1.5T1（從計時碼表1的外部輸入）P1.6WR（用于外部數據信息存儲的寫選通）P1.7RD（外部數據信息存儲讀選通）P3端口號還接受一些實際的操作數據信息信號，以更新程序流寫入和程序流寫入認證RST：校正輸入。當振蕩器工作時，RST引腳上的上拉電阻將引起兩個振蕩周期以校正微處理器。Vcc，GND：開關電源電路的正極偏光板和接地設備機器設備端子（9V）XTAL1，XTAL2：上方耦合電路的輸入和輸出端子CPU按照特殊的數字電子時鐘節奏和時鐘頻率工作：時鐘周期：Tc=晶體振蕩器電路功率電路頻率fosc的總數振蕩周期：Tm=12個時鐘周期（Tc）指令周期：Ti：運行命令所需的振蕩周期數（Tm）示例：當晶體振蕩器電路電源電路的頻率為12M時，振蕩周期必須為多長時間？Tc=1fosc=112MhzTm=12XTc=12X112Mhz=1us1.2信號采集1.2.1光學傳感器的基本原理根據蘭伯-比爾（Lamber-Beer）基本定律，化學物質在特定波長的光下的吸收和吸收強度與其濃度成正比。當波長不變的光照射到人體時，測得的光強度可以根據人體細胞的消化吸收，反射面和衰減系數來反映該機制的結構類型。心跳主要是由人體心血管節律的起伏引起的，同時主動脈也會伴有節律性震顫，而主動脈集中在身體的指尖和耳垂處，并且指尖是人體血管相對密集、相對平坦的表面，高透光率的部位。因此考慮到設備的便利性和可操作性，指尖是作為檢測位置最好的選擇。1.2.2光學傳感器的結構收集部中使用的傳感器由紅外線接收管和紅外線發射管組成。當使用GaAs紅外發光二極管作為光源時，可以大大減少因吸入引起的心跳漂移。紅外接收管在紅外光的直接輻射下會產生很弱的工作電壓，其特征是將光信號轉換成工作電壓信號。在該主題設計中，傳感器的發射管和接收管彼此相對放置，從而可以獲得最佳的光接收效果。當光從發射管發射出來時，指尖的血液和夜間機制會消化并吸收一部分光，但是一部分光也會被紅外接收管磁感應。光學心跳傳感器可分為散射型和雙光束兩種基本原理[8]。考慮到上述綜合性，在本設計方案中選擇了散射式光學傳感器，這不僅節省了檢查的時間和精力，而且具有出色的抗干擾性能。因此，光學傳感器的框架圖如圖1.2所示。圖3透射式光電傳感器1.2.3信號采集電源電路圖1.3是脈率信號采集電源電路。D1和Q3分別是紅外發射二極管和紅外接收管。當紅外發射二極管中的電流較大時，透射視角會更長，并且光的抗壓強度會更大。因此，R6電阻器的電阻值的選擇精度較高。R6的330Ω選擇基于紅外接收管的紅外靈敏度。如果R6太大，分配的電流量將稍大。根據紅外發射管的電流量，電流量會太小。紅外接收管無法區分電流信號是由心跳還是非心跳振動引起的。相反，如果選擇的R6太小，則電流量將太大，因此與選擇的R6太小相同。當手指從傳感器上移開或檢測到非常強烈的光線影響時，輸入端子的交流電壓將發生很大變化。為了更好地防止信號泄漏到LM358的輸入端子并造成錯誤的標記，請使用C6耦合電容器將其裝飾在隔板上[10]。傳感器的示意圖如圖1.3所示：圖4信號采集電路1.3信號變大在所有正常情況下，人體的心跳為每分鐘50?200次，并且匹配的頻率范圍在0.83Hz?1.33Hz之間，因此紅外傳感器收集到的紅外頻率會非常低。為了更好地防止傳感器受到外部高頻信號及其光的影響，對設計方案進行了平滑可靠的濾波，運算放大器成為必然。必須充分考慮強光對其精確測量的影響以及噪聲的不可預測的影響等，低頻信號必須經過數倍的放大和整形手術，分辨出來的信號才能傳輸到分辨率單片機的控制模塊。運算放大器電路采用的是具有兩級放大功能的LM358，應用單開關電源系統。基本參數和功能如下：LM358包含兩個獨立的雙運放電路，具有功率放大和內部頻率補償。集成的ic使用單個開關電源系統，從而節省了制作雙電源開關的不便之處，但它也適用于雙電源開關。表3LM358引腳功能指示[5]引腳序號英文縮寫引腳功能電阻參數（KΩ）直流電壓參數（V）正筆接地負筆接地有信號無信號①AMPout1放大信號（1）輸出1776.56.5②IN1-反向信號（1）輸入197.56.56.5③IN1+同向信號（1）輸入2.92.96.36.3④GND接地0000⑤IN2-02.92.96.36.3⑥IN2+同向信號（2）輸入5886.46.4⑦AMPout2放大信號（2）輸出186.96.46.4⑧Vcc電源電壓+12V0.430.431212在所有正常情況下，人體較大的心跳頻率可以達到每分鐘200次。根據這樣的先決條件，我們可以設計所需的低通濾波器電源電路，如圖1.6所示。可調電位器RW1，C2，C3和C4組成一個低通濾波器，以濾除大部分影響。截止頻率由R4，C3，C2和C4確定。運算放大器LM328將信號擴展兩次以增加信號。放大系數由R4和RW1比率決定。低通放大電路圖。如圖5所示：圖5低通放大電路1.4波形整形電路波形整形電路如圖6所示。U3B是電壓跟隨器。在電壓跟隨器的負工作電壓輸入端，根據分壓器電路R3和R5獲得2.9V的標準工作電壓，并且信號變大。根據輸入電壓比較器中的C5電容耦合，當輸入工作電壓小于2.5v時，U3B的第七腳輸出上拉電阻，發光二極管L2導通，單片機輸入進行計算和解決。相反，它輸出低功率頻率并發光。二極管熄滅。圖6波形整形電路1.5MCU電源電路如圖1.7所示，AT89S52微控制器作為CPU。該微控制器不僅價格低廉，而且足以滿足設計方案的要求和目標，并且可以指定計算速度和精度，并可以根據具體情況進行編程，這是常用的外場元件少，功能損失低，設備故障率低。經過整形和濾波后，傳感器收集的單脈沖將輸出到單片機AT89S52的INT0引腳。將單片機設置為低頻振蕩終止模式以測量單個脈沖，然后通過P0端口操縱液晶顯示。圖7單片機處理電路1.6顯示電路此次設計采用了液晶顯示，如圖8。圖8顯示電路1.6.11602字符液晶顯示器簡介1602字符LCD控制模塊是高質量和低成本的LCD屏幕，可專業顯示數據，標記，英文字母，并且沒有漢字庫。此設計使用帶背光LCD監視器的16列*2行字符LCD1602。1602LCD關鍵性能參數：指示體積：16×兩個識別符集成IC工作標準電壓：2.5-5.5V工作電流：2.0mA（5.0V）控制模塊的最佳工作標準電壓：5.0V標識符規格：2.95×2.35（W×H）mm1.6.31602LCD的RAM地址映射1602LCDlcd屏幕是緩慢的顯示設備，因此在執行每個命令之前，必須確保控制模塊的忙碌標志位是0脈沖信號，表示它現在不忙碌并且處于實際操作狀態，否則命令推送將不會成功。要顯示或顯示數據，首先要做的是將詳細的地址命令推到LCD屏幕上，以使標識符指示的部分清晰可見。圖9顯示了LCD內部的詳細地址。圖9液晶內部顯示地址1.6.4開關電源電路設計圖78xx系列產品在設計電源電路時應注意以下事項：1.常規穩壓管的9V應用是7805。由于輸出為9V，輸入工作電壓不能太大，太大會降低轉換效率，可靠性也會降低，很容易破壞穩壓器芯片。2.負載電流不易過大，較大的輸出電流控制在1.9V之內。當負載太大時，應配置較大的熱管來散熱，否則會導致集成IC過熱并損壞。圖10電源模塊2系統軟件2.1主要操作程序單片機中的存儲器及其可實際操作的IO端口集成在單個集成的IC中，這不容易受到自然環境標準的損害。當開始輸入源程序時，源程序已經執行了檢查功能鍵和讀取LCD屏幕的程序流程。傳感器采集在終端中進行，有利于提高單片機實現的高效率。步驟如圖2.1所示