基于单片机的脉搏测量器

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 单片机的控制系统课程设计 题 目 基于单片机的脉搏测量器设计

院 系 电气信息工程学院 自动化2010级 1 班 专业班级 学生姓名 学生学号 ********** 邵克勇 指导教师 李艳辉

2013年 7 月 7 日

东北石油大学课程设计任务书

课程： 单片机的控制系统课程设计 题目： 基于单片机的脉搏测量器设计 专业： 自动化 姓名： 学号： 1006011401 主要内容、基本要求、主要参考资料等 主要内容：

基于单片机的脉搏测量器设计，主要内容如下： 1、要求通过手指测量脉搏跳动； 2、准确测量出1分钟内脉搏跳动的次数； 3、通过数码管显示出1分钟内脉搏跳动的次数； 4、通过发光二极管显示脉搏的跳动。 基本要求：

1、熟悉51系列单片机系统的基本构成和工作原理。 2、设计并实现具有复位功能的单片机最小系统。 3、掌握51系列单片机I/O、定时器等操作方法。 4、掌握单片机的一般编程技巧。 参考资料：

1、张毅刚．单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2010.

2、蔡美琴．MCS-51系列单片机系统及其应用[M].北京：高等教育出版社,2004. 3、朱国富，廖明涛，王博亮.袖珍式脉搏波测量仪[J].电子技术应用.1998年.第1期. 4、刘云丽，徐可欣等.微功耗光电式脉搏测量仪[J].电子测量技术.

2005年.第2期.

5、程咏梅，夏雅琴，尚岚.人体脉搏波信号检测系统[J].北京生物医学工程.2006年.第 25卷

完成期限 2013-7-7 指导教师 专业负责人

2013年6月28日

目 录

第1章 绪论 ........................................................................................................................... 1 第2章 系统结构及主要元器件 .................................................................................................. 2

2.1 系统结构 ................................................................................................................... 2 2.2 元器件清单 ................................................................................................................ 3 2.3 单片机ATS52功能介绍 ........................................................................................... 4 2.4 半导体发光二极管工作原理、特性及应用 ...................................................................... 6 第3章 硬件设计 ................................................................................................................... 8

3.1 单片机复位电路设计 .................................................................................................. 8 3.2 单片机晶振电路设计 .................................................................................................. 8 3.3 红外发射和接收电路的设计 ......................................................................................... 9 3.4 7SEG-MPX4-CC与单片机接口电路 .......................................................................... 11

3.5 电路原理图 .............................................................................................................. 12 第4章 软件设计 ................................................................................................................. 13

4.1 程序流程图 .............................................................................................................. 13 4.2 程序清单 ................................................................................................................. 13 第5章 系统仿真及调试 ......................................................................................................... 16

5.1系统Proteus仿真图 .................................................................................................. 16 结 论 ................................................................................................................................... 18 参考文献 .............................................................................................................................. 19

第1章 绪论

脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断。

医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。本设计是一种用ATS52单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。

第2章 系统结构及主要元器件

2.1 系统结构

基于ATS52单片机的脉搏测量器由电源模块、复位电路、晶振电路、ATS52单片机、脉搏感应电路、脉搏处理电路、脉搏次数显示电路以及脉搏显示发光二极管等组成。系统设计框图如下所示。

晶振电路 复位电路 ＡＴ８９S５2单片机 脉搏显示电路 脉搏跳动电路 电源电路 脉搏感应电路 信号处理电路 图2-1 基于ATS52单片机脉搏测量器系统框图

2.2 元器件清单

基于ATS52单片机的脉搏测量器的清单如下表所示：

表2-1 基于ATS52单片机的脉搏测量器设计原件清单表 原件名称 单片机 晶振 电容 按键 电解电容 电阻 电源 红外发射头 红外接收头 电阻 电阻 电阻 发光二极管 集成块 电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 数码管 集成块 集成块 型号 ATS52 12MHz 30pF 10uF/10V 10KΩ +5V/0.5A PH303 PH302 100Ω 22KΩ 500Ω CD4069 1uF 100uF/10V 22uF/10V 47uF/10V 47KΩ 10KΩ 1MΩ 22KΩ 470KΩ 100KΩ 500Ω 共阳极 74LS04 74LS245 数量(个) 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 8 3位 1 1 脉搏计数显示电路 脉搏信号放大和滤波电路 脉搏显示 电源电路 脉搏信号检测电路 复位电路 用途 控制核心 晶振电路

2.3 单片机ATS52功能介绍

单片机ATS52为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。 2.3.1 ATS52主要功能列举如下 1、内部程序存储器（ROM）为8KB 2、内部数据存储器（RAM）为 256字节 3、全双工UART串行通道

4、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash 5、32个可编程I/O口线 6、8个中断向量源

7、三个16位定时器/计数器 8、三级加密程序存储器

9、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz） 2.3.2 ATS52各引脚功能介绍

图2-2 ATS52引脚图

VCC：ATS52电源正端输入，接+5V。 VSS：电源地端。

XTAL1：单片机芯片系统时钟的反相放大器输入端。 XTAL2：单片机芯片系统时钟的反相放大器输出端。

RESET：单片机ATS52的重置引脚，复位输入，高电平有效。 EA/VPP：当EA保持低电平时，使用外部程序存储器。 当EA保持高电平时，则使用内部程序存储器。 ALE/PROG：当访问外部存储器时用来锁存地址的地位字节。 PSEN：是外部程序存储器的选通信号。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端

口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以

推动 4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输

入数据。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2也是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以

推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4

个TTL门电流。

其各个管脚功能分配如下： P3.0：RXD（串行通信输入口）； P3.1：TXD（串行通信输出口）； P3.2：INT0（外部中断0输入）； P3.3：INT1（外部中断1输入）； P3.4：T0（计时器0外部输入）； P3.5：T1（计时器1外部输入）； P3.6：WR(外部数据存储器的输入信号）； P3.7：RD（外部数据存储器的读取信号）；

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

2.3.3 ATS52结构框图

图2-3 ATS52结构框图

2.4 半导体发光二极管工作原理、特性及应用

发光二极管通常称为LED，是一种容易装配到电子电路中的微型灯泡，但它们并不是普通的白炽灯，它们没有灯丝，也不会发烫。它们之所以能够发光，是由于半导体材料内部电子运动造成。发光二极管的核心是PN结，因此它同样具有一般PN结的特性，包括正向导

通、反向截止、击穿和发光特性。

目前，发光二极管用途广泛，能完成数十种不同的工作，而且，在各种设备中都能找到他们的身影。本设计中主要用到了它的发光特性，其原理是：在正向电压下电子由N区流入P区，空穴由P区流入N区。导致进入对方去的少数载流子与多数载流子复合而发光。原理如图：

图2-4 半导体发光二极管工作原理图

第3章 硬件设计

3.1 单片机复位电路设计

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位。

下图为复位电路图：

图3-1 复位电路

3.2 单片机晶振电路设计

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在数字电路中，晶振的作用是为一个时序控制提供一个标准时刻。数字电路是根据具体电路来设计的，其能在某个时刻完成某项特定的任务，假如没有一个标准时刻来控制时序的话，那么整个数字电路就不知道在什么时刻该做什么，也就处于瘫痪状态。

在本单片机系统中，晶振的作用便是为系统提供基本的时钟信号，来保证系统各个部分保持同步。 下图为晶振电路图：

图3-2 晶振电路图

3.3 红外发射和接收电路的设计

3.3.1 红外通信原理

红外通信技术是一种无线连接技术，目前在世界范围内被硬件和软件平台所支持。红外通信技术是通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换来实现数据收发的，其目的主要是为了取代点对点的线缆连接。

简而言之，红外通信的实质也就是对二进制的数字信号进行调制与解调，从而达到对数

字信号的传输。其基本原理图如下所示：

单片机 红外发射电路 输出调制 发送

解码 接收解调 图3-3 红外发射接收原理图

3.3.2 红外发射接收电路图

单片机 红外接收电路 红外发射电路主要是接收单片机输出的调制信号，并将其发送到红外接收电路。红外发射电路主要由发光二极管组成，常用的发光二极管发射的波长在940nm左右，其发出的是红外线，而不是可见光。

图3-4 红外发射电路

红外接收电路主要是接收红外发射电路发射的调制信号，并将调制信号发送到单片机进行解调。接收电路主要由光敏二极管组成，工作时需要给光敏二极管加反向偏转电压，保证其获得较高的灵敏度正常工作。

图3-5 红外接收电路

3.4 7SEG-MPX4-CC与单片机接口电路

7SEG-MPX4-CC 四个共阴二极管显示器 1234 是阴公共端，其管脚图如下所示：

图3-6 7SEG-MPX4-CC管脚图

这种类型的显示器，在它的内部中，除各个公共端外，是把各个显示器的同名端并联起来的。比如说，四位一体的LED显示器，是每个脚的同名端并接，所以仍是有8个引脚，

再加上

4个公共端，就是有12个引脚，同理，八位一体显示器就是8个同名引脚加8个公共端，就是16个引脚。

若想数码管正常显示，需要通过驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而正常显示出需要的数据。数码管有两种不同的驱动方式，分别为静态驱动和动态驱动。静态驱动也称直流驱动，其优点是编程简单，显示亮度高。动态驱动是指通过分时轮流控制各个数码管轮流显示。

其与单片机的接口电路图如下：

图3-7 7SEG-MPX4-CC与单片机接口电路图

3.5 电路原理图

工作原理：电源电路为单片机以及其他模块提供标准5V电源；复位电路模块为单片机系统提供复位功能；晶振模块为单片机提供时钟标准，使系统各部分能协调工作；单片机作为主制约器，根据输入信号对系统进行相应的制约；红外发射和接收模块用来检测脉搏信号；信号变换模块用来把红外接收头接收的脉搏信号进行放大和滤波，以便单片机进行处理；显

示模块用来显示具体的脉搏测量结果，它会记录脉搏一分钟跳动的次数；发光二极管可以通过发光的形式显示脉搏的跳动。

综合上述分析，设计出基于ATS52单片机的脉搏测量器，其原理图如下：

图3-8 脉搏测量器设计图

传感器由脉冲发生器组成，测量原理如下：将手指放在脉冲发生器之间，血管中血液的流量随着心脏的跳动变化，由于人体脉搏跳动并且用脉冲发生器接受静脉血管强度变化，此变化和心跳的节拍相对应，因此脉冲电流也跟着心跳的节拍改变，使得脉冲发生器输出与心跳节拍相对应的脉冲信号。

第4章 软件设计

4.1 程序流程图

基于ATS52单片机脉搏测量器的程序流程图如下。其中初始化包含了对定时器的选用、优先级的设定和初始值的设置。

系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行, 它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后, 进行对脉搏信号的检测，判断是否有脉搏信号，如果有，则将脉搏计数器加1，如果没有则返回重新判断。 具体流程图如下所示：

开始 初始化

否

是

图4-1 基于ATS52单片机脉搏测量器的设计程序流程图

脉搏计数加1 有脉搏？ 4.2 程序清单

该程序用汇编语言编写，主要有四个模块组成，分别为主程序模块、外部中断服务程序模块、定时器T0中断服务程序模块、延时子程序模块等。主程序模块主要完成程序的初始化。外部中断服务程序模块由信号判断、计算、合理近似、显示输出等部分组成。定时中断

服务程序模块由计时、计数、无效测试信号判断等部分组成。程序中用变量

n对脉搏脉冲信号个数计数。

程序源代码如下： #include

unsigned char i,j,t,m,YSHSHJIAN,YSHHVHONG[3]； unsigned int n,MBO； unsigned char code

WXUAN[3]={0xf7,0xef,0xdf}； unsigned char code

XSHB[10]={0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84} sbit SHRU=P3^0； void YSHI(YSHSHJIAN)； main() {

TMOD=0x01； TH0=0xec； TL0=0x78； IE=0X83； IT0=1； TR0=1；

}

for(；； ) { }

if(SHRU==0) { }

YSHI(200); SHRU=1;

external0() interrupt 0 { }

SHRU=0； if(n==0) MBO=0； else

MBO=12000/n； YSHHVHONG[2]=MBO%10； MBO=MBO/10;

YSHHVHONG[1]=MBO%10； YSHHVHONG[0]=MBO/10； n=0；

Timer0() interrupt 1 { }

void YSHI(YSHSHJIAN) {

for(；YSHSHJIAN>0；YSHSHJIAN--) {

for(i=0；i<250；i++)；

TH0=0xec； TL0=0x78； t=WXUAN[j]； P3=P3|0x38； P3=P3&t； t=YSHHVHONG[j]； t=YSHHVHONG[t]； P1=t； j++； if(j==3) j=0； n++； if(n==2000) n=0；

}

}

第5章 系统仿真及调试

5.1系统Proteus仿真图

5.1.1 显示初始页面

图5-1 电路图仿真初始状态

5.1.2 一分钟脉搏跳动显示

图5-2 一分钟后脉搏跳动显示

结 论

单片机近20年的飞速发展，俨然已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制 技术，是传统控制技术的一次。而51单片机作为单片机的主流，随着集成技术的发展，51系列单片机继承和发展了MCS-51系列的技术特色，有逐渐取而代之之势。

本设计主要是51单片机在脉搏测试系统中的应用。重点介绍了单片机的最 小系统，通过单片机最小系统实现了脉搏的测量系统，由光电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终在数码管上显示。利用单片机自身的定时中断、外部中断、计数等功能，不仅能显示出此次脉搏测量的次数，还能自动储存这个数据。

本次所设计的测量仪系统实现简单、功能稳定、使用方便，应用广泛，具 有实际意义。由于时间比较短，同时本人掌握的知识有限，本次设计虽已完成，但其中有很多不足，如程序不够简练，电路板不够美观，光电传感器灵敏度不够高，数码管显示部分不够完美等，同时此次设计的测量仪功能比较单一，没有如语音系统实现自动读出脉搏次数等人性化功能，且在设计过程中使用的运放数量也较多，加大了电源管理的复杂度。然而科技的进步势必会

使测量仪的功能日益强大和完善，其应用领域将不断扩大，将会给我们的生活带来更多的方便和精彩。

为了更好的进行电脉搏测量仪的设计，认真收集有关资料，并做相关的整理和阅读，为这次的设计做好充分的准备。经过这次设计，我收获了很多，具体总结如下：（1）通过此次的设计，使我知道了无论做什么事都应该事先做好充分的准备，不应该盲目的只为了完成任务而被动的学习。（2）通过此次的设计，使我了解了脉搏测量仪在国内外发展之迅速、应用领域之广、市场前景之大。（3）通过此次的设计，使我对硬件设计和各模块的功能有了更深的了解，同时提高了动手能力。（4）通过次次的设计，使我体会到坚持不懈的毅力对完成一件事情起着巨大的作用。（5）通过此次的设计，使我深刻的体会到团队合作精神的重要性及相互讨论过程中的乐趣。

参考文献

[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].北京:高等教育出版社,2004. [3] 朱国富,廖明涛,王博亮.袖珍式脉搏波测量仪[J].电子技术应用.1998年.第1期 [4] 刘云丽,徐可欣,等.微功耗光电式脉搏测量仪[J].电子测量技术.2005年.第2期 [5] 程咏梅,夏雅琴,尚岚.人体脉搏波信号检测系统[J].北京生物医学工程.2006年.第25卷 [6] 马忠梅.单片机的C语音应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003. [7] 张毅坤.单片微型计算机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社，1998年9月．第1

版

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生姓名 学号 单片机的控制系统课程设计 基于单片机的脉搏测量器设计 1006011401 指导教师姓名 序号 评价项目 指 标 按期的完成了规定的任务，难易程度和工作工作量、工作态1 度和出勤率 高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问2 课程设计质量 题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有3 创新 一定应用价值。 4 总分 答辩 能正确回答指导教师所提出的问题。 30 5 45 量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率20 李艳辉 邵克勇 满分 职称 教授 教授 评分

评语： 指导教师： 年 月 日

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