【正文】 .......................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................. 24 附錄 ........................................................................................................................... 25 I 基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 摘要 ： 脈搏測(cè)量 儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用 ,通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。為了提高脈搏測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)便性和精確度，本課題設(shè)計(jì)了一種基于 51 單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x。系統(tǒng)運(yùn)行中可以通過(guò)觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說(shuō)明測(cè)量值準(zhǔn)確。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)可以供用戶測(cè)量當(dāng)時(shí)的脈搏次數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當(dāng)測(cè)量的范圍超過(guò)設(shè)定的范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提醒，除此外用戶還可以設(shè)定每天鬧鐘提醒測(cè)量，時(shí)間可以自行設(shè)定，結(jié)果最終可以把采集到的脈搏信號(hào)顯示在 LCD1602 上。 photosensor。 Pulse measuring instrument 1 引 言 脈搏測(cè)量在有脈搏時(shí)遮擋光線，無(wú)脈搏時(shí)透光強(qiáng)，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。系統(tǒng)可以供用戶測(cè)量當(dāng)時(shí)的脈搏次數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當(dāng)測(cè)量的范圍超過(guò)設(shè)定的范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提醒，除此外用戶還可以設(shè)定每天鬧鐘提醒測(cè)量，時(shí)間可以自行設(shè)定 [1]。 系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為核心，以光電傳感器利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)計(jì)算時(shí)間，由光電傳感器感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)信號(hào)累加得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)，時(shí)間由定時(shí)器定時(shí)而得。 幾乎世界上所有的民族都用過(guò) “摸脈 ”作為診斷疾病的手段。 2 第一章 概述 選題的背景和意義 脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀(jì)我國(guó)最早的脈學(xué)專著《脈經(jīng)》問(wèn)世以來(lái)，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。脈診是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項(xiàng)診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī) “整體觀念 ”、 “辨證論證 ”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛的特點(diǎn)易為患者接受，然而在長(zhǎng)期的醫(yī)療實(shí)踐中也暴露出一些缺陷。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。 醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了提高脈搏測(cè)量的精確與速度，多種脈搏測(cè)量?jī)x被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來(lái)，從而開(kāi)辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)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(guó)內(nèi)天津、上海、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(gè)新的境界。 目前脈搏測(cè)量?jī)x在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用， 除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無(wú)創(chuàng)心血管功能檢測(cè)、妊高癥檢測(cè)、中醫(yī)脈象、脈率檢測(cè)等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動(dòng)、健身器材中的心率測(cè)試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測(cè)量?jī)x。起初用于體育測(cè)量的脈搏測(cè)試集中在對(duì)接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測(cè)量?jī)x各有其優(yōu)缺點(diǎn)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng) 消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。 人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波。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 , 4 因此對(duì)脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。 5 第二章 總體方案的論證與設(shè)計(jì) 主控模塊的選型和論證 方案一： 采用 MSP430 系列單片機(jī)，該單片機(jī)是 TI 公司 1996 年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16 位 超低功耗的混合信號(hào)處理器。不過(guò)該芯片昂貴不適合一般的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) [3]。 因此選用方案二中的 51 系列單片機(jī)作為主控芯片。 方案二： 采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描， LED 數(shù)碼管價(jià)格雖適中，對(duì)于顯示數(shù)字也最合適，而且采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí)，占用單片機(jī)口線少。 方案三： 采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見(jiàn)，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言一個(gè) LCD1602 的液晶屏即可，價(jià)格也還能接受，需要的借口線較多，但會(huì)給調(diào)試帶來(lái)諸多方便 。 傳感器的選型和論證 6 方案一： 采用壓電傳感器用來(lái)提取人的脈搏信號(hào)，壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的 壓電效應(yīng) 制成的傳感器。通過(guò)此現(xiàn)象可以提取出人的脈搏信號(hào)。 由于光電傳感器較壓電傳感器容易在一般的地方可以買得到，因此這里選用光電傳感器來(lái)提取人體脈搏信號(hào)。 7 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 主控模塊 主控模塊模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測(cè)鍵盤 等各種參數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶顯示相關(guān)參數(shù)，在這里我們選用了 51 系列單片機(jī)中的 STC89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。因此市面上出現(xiàn)了各式各樣的均以 51 為內(nèi)核的單片機(jī) [6]。 STC89C52 有 40 個(gè)引腳， 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口， 1 個(gè)全雙 工異步串行口，同時(shí)內(nèi)含 5 個(gè)中斷源， 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)， 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 STC89C52 單片機(jī)的基本組成框圖見(jiàn)圖 所示。 2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM(128B)，用以存放可以讀／寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù) 據(jù)等， SST89 系列單片機(jī)最多提供 1K 的 RAM。但也 8 有一些單片機(jī)內(nèi)部不帶 ROM/EPROM，如 8031， 8032， 80C31 等。 SST 公司推出的 89 系列單片機(jī)分別集成了 16K、32K、 64K Flash 存儲(chǔ)器，可供用戶根據(jù)需要選用。 5. 兩個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 6. 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 7. 一個(gè)全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器 )的串行 I／ O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。最高允許振蕩頻率為 12MHz。 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U5單片機(jī) 圖 STC89C52 單片機(jī)管腳圖 STC89C52 單片機(jī)管腳如圖 所示，部分引腳說(shuō)明： 9 1．時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2： XTAL2(18 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；片內(nèi)它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固有頻率。 要檢查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(hào)輸出。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地 [7]。當(dāng)此輸入端保持備用電源的輸入端。RST 引腳的第二功能是 VPD,即接入 RST 端，為 RAM 提供備用電源，以保證存儲(chǔ) 在 RAM 中的信息不丟失，從而合復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。當(dāng) 8051 上電正常工作后， ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率 fOSC 的 1/6。 平時(shí)不訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 端也以振蕩頻率的 1/6 固定輸出正脈沖，因而 ALE 信號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。如有脈沖信號(hào)輸出，則8051/8031 基本上是好的。 此引腳的第二功能 PROG 在對(duì)片內(nèi)帶有 4KB EPROM 的 8751 編程寫(xiě)入 (固化程序 )時(shí)，作為編程脈沖輸入端。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 PSEN 端有效，即允許讀出 EPROM／ ROM 中的指令碼。要檢查一個(gè) 8051/8031 小系統(tǒng)上電后 CPU 能否正常到 EPROM／ ROM 中讀取指令碼，也可用示波器看PSEN 端有無(wú)脈沖輸出。 10 EA/Vpp(31 腳 )：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端。 當(dāng) 輸入信號(hào) EA 引腳接低電平 (接地 )時(shí)， CPU 只訪問(wèn)外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。此引腳的第二功能是 Vpp 是對(duì) 8751 片內(nèi) EPROM 固化編程時(shí)，作為施加較高編程電壓 (一般 12V～ 21V)的輸入端 [8]。作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。作輸入口使用時(shí)要先寫(xiě) 1,這就是準(zhǔn)雙向口的含義。在此期間，P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。P1 口每位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P2 口 (～ ， 21~28 腳 )： P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O口。在訪問(wèn)片外 EPROM/RAM 時(shí)，它輸出高 8 位地址。 P3 口每位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 ： (RXD)串行數(shù)據(jù)發(fā)送。 ： (INT1)外部中斷 1 輸入。 ： (T1)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 的外部計(jì)數(shù)輸入。 ： (RD)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器 IE 控制 CPU 是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求；由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP 安排各中斷源的優(yōu)先級(jí)；同一優(yōu)先級(jí)內(nèi)各中斷同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應(yīng)次 序。 STC89C52 單片機(jī)內(nèi)集成有兩個(gè)可編程的定時(shí) /計(jì)數(shù)器： T0 和 T1，它們既可以工作于定時(shí)模式，也可以工作于外部事件計(jì)數(shù)模式，此外， T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器 [9]。圖中 10K 排阻 12 為 P0 口的上拉電阻，由于 P0 口跟其他 IO 結(jié)構(gòu)不一樣為漏極開(kāi)路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。 液晶原理介紹 液晶顯示器 (LCD)英文全稱為 Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的 顯示器。由于通過(guò)控制是否透光來(lái)控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無(wú)須考慮刷新率的問(wèn)題。本系統(tǒng)顯示部分用的是 LCD 液晶模塊，采用一個(gè) 162 的字符型液晶顯示模塊。一個(gè)字符由 68 或 88 點(diǎn)陣組成，即要找到和屏上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示 RAM 區(qū)的 8 個(gè)字節(jié)，并且要使每個(gè)字節(jié)的不同的位為 ?1?，其它的為 ?0?，為 ?1?的點(diǎn)亮，為 ?0?的點(diǎn)暗，這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。 液晶模塊簡(jiǎn)介 LCD1602 液晶模塊采 用 HD44780 控制器， hd44780 具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能， LM016L 與單片機(jī) MCU 通訊可采用8 位或 4 位并行傳輸兩種方式， hd44780 控制器由兩個(gè) 8 位寄存器，指令寄存器（ IR）和數(shù)據(jù)寄存器（ DR）忙標(biāo)志（ BF），顯示數(shù) RAM（ DDRAM），字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）字符發(fā)生器 RAM（ CGRAM），地址計(jì)數(shù)器 RAM(AC)。 圖 LCD1602 引腳圖 液晶寄存器選擇控制如表 。用 STC89C52 的 P0 口作為數(shù)據(jù)線，用 、 、 分別作為 LCD 的 EN、 R/W、 RS。向 LCD 的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用 2 個(gè)字符數(shù)組，一個(gè)顯示字符，另一個(gè)顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后