【文章內(nèi)容簡介】 性和 可維護性得到極大的改善。在數(shù)據(jù)分析、處理、記憶、通訊等方面表現(xiàn)相當出色。根據(jù)題目提出的要求，單片機控制當為首選。以單片機為主外設顯示器、鍵盤、通訊、打印接口等硬件電路，完成脈波計數(shù)、數(shù)據(jù)運算、顯示、通訊、記憶等功能。 根據(jù)以上方案比較，本課題決定采用以紅外傳感器為傳感器，以單片機為主控芯片外輔少量硬件電路完成數(shù)據(jù)處理、記憶、顯示、通訊等功能。硬件框圖如圖 23 所示。 圖 23 單片機心率計 浙江科技學院畢業(yè)設計 6 單片機系統(tǒng)選擇 AT89C205 AT89C51 單片機是最常用的單片機，是一種 高性能、低損耗、 CMOS 八位微處理器。 AT89C2051 與 MCS51 系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多新的功能，功能強、靈活性高而且價格低廉。 AT89S52 可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，增加系統(tǒng)可靠性，縮小系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本。程序長度只要不大于 4K，四個 I/O 口全部提供給用戶。系統(tǒng)運行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴充外部 RAM。 采用 AT89S52 單片機，其內(nèi)部有 8KB 單元的程序存儲器。而且具有三個定時器，正好滿足系統(tǒng)多機通信時所用。 比較以上方案，綜合考慮單片機的各 部分資源，因此此次設計選用 AT89S52。 顯示模塊選擇 和論證 (1)液晶顯示器 (LCD) 液晶單元是一個電容性負載，液晶在大多數(shù)情況下的阻力可以忽略，非極性，即正壓和負壓的影響是相同的。液晶顯示裝置的作用下會發(fā)生電解直流電壓，所以必須使用 ac驅動器，和有限的直流分量的交流組件不超過幾十個 mv；由于電場下液晶光學性能的變化取決于液晶作為彈性連續(xù)介質的彈性形變，響應時間很長，所以交流驅動電壓的影響并不取決于峰值，在低于 1000赫茲頻率的情況下，液晶透光率的變化只與外部電壓有效值。液晶顯示器 (LCD)信息量大，壽命長，低電壓驅動程序等。 (2)LED動態(tài)顯示 數(shù)碼管是一種顯示通過不同銷輸入相對于其電流，將使其發(fā)光，從而顯示數(shù)字可以顯示時間、日期、溫度等所有可用的數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)。因為它的價格便宜易于使用電器特別是在家電領域的應用非常廣泛，空調、熱水器、冰箱等等。大部分的熱水器用數(shù)碼管，其他電器液晶顯示屏和屏幕。 動態(tài)數(shù)碼管顯示界面是最廣泛使用的方法之一，在單片機中顯示 ,動態(tài)驅動程序將所有 8個數(shù)碼管顯示中風“ a,b,c,d,e,f,g,dp”相同的名稱在一起，除了每個數(shù)碼管公共大大增加 COM門控制電路， 一個門是由一個單獨的 I / O控制線路，當單片機字形代碼輸出，數(shù)碼管接收相同的字體大小。反過來通過分時控制的所有 COM端口數(shù)碼管，數(shù)碼管使得每個控制，根據(jù)這個是一個動態(tài)的驅動器。在每個數(shù)碼管動態(tài)顯示的過程，光時間是 1 2毫秒，因為發(fā)光二極管的余輝效應和視覺暫留現(xiàn)象。事實上盡管數(shù)碼管不同時點燃，但只要掃描速度很快，給人的印象是穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有感覺閃爍，動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示的效果是相同的，可以節(jié)省大量的 I / O端口，以及更低的能耗 [12]。 根據(jù)以上兩種方案比較，液晶顯示具有其獨特的優(yōu)越性，顯示效果好， 控制簡單等優(yōu)點。所以就選擇液晶來實現(xiàn)顯示功能。 浙江科技學院畢業(yè)設計 7 元器件選擇及功能介紹 單片機 AT89S52 (1)主要性能： 8KB 可改編程序 Flash 存儲器（可經(jīng)受 1000 次的寫入 /擦除周期） 全靜態(tài)工作： 0Hz～ 24MHz 三級程序存儲器保密 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 條可編程 I/O 線 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 6 個中斷源 可編程串行通道 片內(nèi)時鐘振蕩器 (2)功能特性描述： AT89C51 是一種低功耗 ,高性能 CMOS8 單片機 ,在系統(tǒng)可編程閃存 8 k。使用 Atmel 公司生產(chǎn)高密度非易失性內(nèi)存技術 ,和行業(yè)是與 80 c51 單片機產(chǎn)品說明和銷完全兼容。芯片上的 Flash 允許應用程序在系統(tǒng)可編程的內(nèi)存 ,也適合傳統(tǒng)的程序員。在單個芯片上 ,具有靈活的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash,使得以 AT89C52 為許多嵌入式控制應用程序高靈活和有效的解決方案。 法具有以下功能 :標準 8 k 字節(jié) Flash,256 字節(jié)的內(nèi)存 ,32 個 I / O 端口線 ,看門狗定時器 ,兩個數(shù)據(jù)指針 ,三個 16 位定時器 /計數(shù)器 ,一個 6 級向量 2 中斷結構、全雙工串口 ,芯片晶體及時鐘電路。以 AT89C52,此外 ,靜態(tài)邏 輯操作可以減少到 0 赫茲 ,支持兩種類型的軟件可以選擇節(jié)電模式。空閑模式下 ,CPU 停止工作 ,允許內(nèi)存 ,定時器 /計數(shù)器 ,一個串行端口 ,繼續(xù)工作。掉電保護 ,RAM的內(nèi)容保存 ,振蕩器是凍的 ,單片機停止所有工作 ,直到下一個中斷或硬件復位。以 AT89S52 銷結構如圖 2 4 所示。 紅外傳感器 紅外技術是近幾十年來開發(fā)的一項新技術。在科技、國防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域得到了廣泛的應用，特別是在科學研究、軍事工程和醫(yī)學中發(fā)揮著極其重要的作用。例如，在紅外制導火箭、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射技術的重要工具是紅外傳感器 、紅外傳感器在現(xiàn)代生產(chǎn)實踐起到了很大的作用。特別是在實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)測和控制方面，紅外溫度傳感器以其優(yōu)越的性能，可以滿足各種需求，從而發(fā)揮突出的作用在產(chǎn)品傳感器。因此紅外傳感器的發(fā)展前景是不可估量的。心率計的設計傳感器使用一對 5 毫米紅外輔助管電路外的紅外傳感器，紅外線是一種紅外光敏接浙江科技學院畢業(yè)設計 8 收管，光敏接收管或紅外接收管，紅外線接收頭配合一起使用時。 圖 24 AT89S52 的引腳結構 紅外發(fā)射管在包裝行業(yè)，主要有三個常用的樂隊 850 納米以下， 875 nm、 940 nm。根據(jù)波長使用該 產(chǎn)品的特征也有很大差異， 850 nm 波長主要用于紅外監(jiān)測設備， 875 nm 主要用于醫(yī)療設備、 940 nm 帶主要用于紅外控制設備。如 :紅外遙控控制器、光電開關、光電設備，如數(shù)字的讀法。 光敏接收管是一種光敏 PN 結的特點，屬于光敏三極管，單向導電性，因此在工作中需要添加反向電壓。沒有光，反向漏電流小，飽和 (暗電流 )。光導管不導電。當光飽和立即反向漏電流增加，形成光電流，在一定的范圍內(nèi)增加入射光強度的變化。 雙運算放大器 LM358N LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有使用運算放大器的可用單電源供電的場合。 1 低輸入偏流 2 內(nèi)部頻率補償 3 直流電壓增益高 (約 100dB) 4 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 5 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)；雙電源 (177。 一177。 15V) 浙江科技學院畢業(yè)設計 9 6 低功耗電流，適合于電池供電 7 低輸入失調電壓和失調電流 8 共模輸入電壓范圍寬，包括接 地 9 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 10 輸出電壓擺幅大 (0至 ) LM358 的引腳結構如圖 25 所示。 圖 25 LM358的引腳結構 LCD1602顯示模塊 1602 LCD是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 圖 26 LCD顯示模塊引腳圖 管腳功能 1602采用標準的 16腳 接口，其中： 第 1腳： VSS為 電源地 浙江科技學院畢業(yè)設計 10 第 2腳： VCC接 5V電源正極 第 3腳 :V0液晶顯示器對比度調整 ,積極的力量對比最弱 ,接地時力量對比最大 (對比度太高會產(chǎn)生“鬼影” ,當使用的電位器調整 10 k)的對比。 第 4腳 :RS注冊選擇 ,而高一級的數(shù)據(jù)寄存器 ,低級別 0選擇指令寄存器。 第 5腳 :RW讀寫信號線路 ,高水平 (1)讀操作時 ,低水平 (0)寫作。 第 6腳 :E(EN)或結束啟用 (激活 ),高級別 (1)讀取信息 ,當負面的跳時執(zhí)行指令。 第 7~14腳 :D0~D7 8位雙向數(shù)據(jù)。 第 15~16腳 :空腳或光 功率。 15腳背光積極、背光負 16腳。 浙江科技學院畢業(yè)設計 11 3 硬件系統(tǒng)設計 系統(tǒng)設計框圖 心率測量儀總體設計的電路圖如圖 3 1所示 ,主要包括信號采集電路、放大電路、比較電路、信號處理電路和單片機液晶顯示電路。利用紅外傳感器來收集第一次心跳頻率信號，當人體組織半透明值大，紅外發(fā)射管 Dl發(fā)出通過身體的組織光強度很弱，光敏三極管導通，輸出高水平，當人體的組織和半透明度值很小，紅外發(fā)射管發(fā)出 Dl通過身體的組織，強烈的光強光敏三極管導通，輸出低電平。因此形成的脈沖頻率成正比低頻信號 ,它類似于 正弦波。 當脈搏為 40次 /分時，檢測到的頻率是 ，當脈搏為 40次 /分時，檢測到的頻率是 ，從傳感器過來的是低頻信號。該低頻信號首先經(jīng) RC振蕩器濾波以消除高頻干擾，經(jīng)無極性隔直流電容 C C5加到線性放大器的輸入端。運算放大器將此信號放大 100倍，并與 R R C6組成的低通 T型濾波器濾除殘留的干擾。正弦信號經(jīng)微分形成尖脈沖信號，單穩(wěn)態(tài)振蕩電路將尖脈沖信號轉化為同頻率的長脈沖信號，該脈沖信號通過 R12送到單片機后，經(jīng)過軟件對信號的處理，最后在以數(shù)值形式顯示在液晶上。 圖 31 系統(tǒng)設計原理框圖 信號采集電路 信號采集電路如圖 32 所示。 5MM 紅外對管 D1與 D3 組成紅外傳感器。因紅外傳感器輸出的脈沖信號是非常微弱的信號，而且頻率很低（如脈搏 50次 /分鐘為 ， 200次 /分鐘為 ），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要經(jīng)過 R C5 低通濾波，去除高頻干擾。當傳感器檢測到較強的干擾噪音時，其輸出端的直流電壓信號會有很大變化。 浙江科技學院畢業(yè)設計 12 圖 32 信號采集電路 信號放大電路 如圖 33 所示， R3 與 R8 的電阻之比為放大器的放大倍數(shù)，經(jīng)過計算所得該放大器的理 論值為 200 倍，但由于 8 號接口上 5V 供壓不足再加上材料限制和人為的因素，該放大倍數(shù)只有 20 倍左右。 圖中 C7 為耦合電容，作用為隔直流通交流，之所以使用 1uF 的電容，是為了讓所有的信號通過。信號放大電路仿真圖如圖 34 所示。 圖 33 信號放大電路 浙江科技學院畢業(yè)設計 13 信號比較電路 電壓比較器是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，也可用于 V/F 變換電路、 A/D 變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。我們主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小并判斷出其中哪一個電壓高， 接到的信號電壓小于該值時顯示 0V，當大于該值時顯示 5V，這就形成了 0和 5V的方波。 如圖 34 所示。 圖 34 電壓比較器電路圖 LCD1602顯示電路 LCD1602與單片機接口電路如下： 圖 35 LCD1602與單片機接口 浙江科技學院畢業(yè)設計 14 鍵盤電路 因為 I/O 口足夠用，鍵盤設計采用線性 鍵盤。三個引腳通過按鍵接地。有程序控制掃描。 3個按鍵分別接到 CPU 的 P P3 P32 上，正常心率范圍的設置，以便在超出限制時報警提示。 圖 36 鍵盤電路 浙江科技學院畢業(yè)設計 15 4 系統(tǒng)軟件設計 測量計算原理 設 K個連續(xù)的動脈搏動所用時間為 t（秒），在時間 t 內(nèi)心率的平均值為 n（次 /分），則： n = 60K/t (41) 為了能夠控制用 單片機計算機測定 t值，我們利用脈動信號控制（在 K個連續(xù)的脈搏周期內(nèi)）單片機的定時 /計數(shù)器 T0定時（定時 1ms中斷一次），工作寄存器對中斷次數(shù)進行計數(shù)，然后讀取計數(shù)值。設該計數(shù)值為 N，于是有： t = (42) 把 (2)帶入 (1)得到： n = 60k/