单片机的人体健康仪的设计
目 录
引言 1
（一）课题的提出和意义 1
（二）家庭医疗器械的发展及现状 1
（三）本课题的主要研究内容 1
一、设计方案论证 1
二、系统总体设计 3
（一）系统功能与硬件组成 3
（二）单片机的选择 3
（三）采集脉搏信号传感器的选择 4
（四）放大器的选择 4
三、STC12C5A60S2单片机介绍 5
四、系统硬件电路的设计 7
（一）STC12C5A60S2单片机最小系统 7
（二）阻抗采集电路 8
（三）心率采集电路 8
（四）报警电路 9
（五）显示电路 10
（六）矩阵式按键模块 11
五、体脂率计算方法 12
六、系统的软件设计 13
（一）系统主程序设计 13
（二）脂肪率测量子程序设计 13
（三）脉搏频率测量子程序设计 14
（四）LCD显示子程序设计 16
七、系统的制作与调试 16
（一）实物制作 16
（二）系统测试 17
结束语 19
参考文献 21
致谢 22
附录一 原理图 23
附录二 元器件清单 24
附录三 源程序 25
引言
提高的生活水平和加快的生活节奏，“三高症”和心脑血管疾病的发病率在不断攀升，已经成为人类致命的“头号杀手”，所以人们对健康问题的关注力度在不断增加，市场上的家庭医疗器械也是五花八门，无论是家庭检测器，还是家庭保健器械都属于 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
家庭医疗器械，当然家庭医疗器械远不止这些。
（一）课题的提出和意义
适用于家庭使用的小型医疗器械就是家庭医疗器械。很多年前，各种简单的医疗器械就出现在普通的家庭生活中了，比如血压计、电子体温表、血糖仪等等。然而，市场上现有的家庭医疗器械或多或少都有些缺点，无法完全预知疾病,而且家庭医疗器械的价格不菲，许多普通家庭无法承受，进而导致一些疾病无法尽早察觉，耽误治疗。
基于以上家庭医疗器械的两大缺点，该设备将市场上脂肪仪、心率仪和体重秤三大器械的主要功能合三为一，达到“一器三用”的新标准；该课题均采用价格偏低的电子元器件，所以设备的价格是一般家庭都可以承受的，真正意义上做到了高性价比。
（二）家庭医疗器械的发展及现状
起步较晚、发展快速、潜在市场大、风险小是我国家庭医疗器械市场还处在发展初期的特点，也正是这些特点正吸引着越来越多的资本家到这个行业来投资。我国家庭医疗器械企业数量多、规模小，各自为战，产品种类和功能都非常单一，形成系统的产业价值链还相当的困难。对于我国家庭医疗器械领域来说，抢先进入这一领域的企业已经获得了可喜的成绩。一些家庭医疗器械企业的成功无疑使更多的人看到了它无限的潜在市场，在一定程度上吸引了更多的人来投资与开发家庭医疗器械，这一市场瞬间变得热闹起来。
（三）本课题的主要研究内容
1．采集脉搏参数的单元要将脉搏跳动的压力信号转换为电信号，因此需要使用传感器来实现这一功能；采集身体脂肪含量单元采用了生物电阻抗的方法，需要在测量质量的同时及时测出电阻因此将采用常规测电阻方式，将人体看成一个大电阻，加电压后通过测得串联电阻电压逆推得出人体电压。
2．利用Protel软件设计单片机的心率和人体生物电阻抗采集硬件电路，并分析每一部分的工作原理和设计思路。
3．画出程序流程图，并用C语言编出正确有效的程序。
一、设计方案论证
（一）人体脂肪含量测量方法的选择
1.水下称重测量法：是一种利用测定人体的排水量、人体瘦体重的密度和脂肪组织的密度来计算出体内脂肪重量，然后根据体内脂肪重量计算出体内脂肪率（百分比）的方法。此方法具有小误差、高精度的优点，但是实验需要使用专门的测试空间和工具才能为完成，且操作步骤繁琐，只适合实验室测试，不适合大众自我测试。
2.皮脂钳测量法：是一种通过选取人体多个点，并测量这些点的皮下脂肪厚度来计算体内脂肪率（百分比）的方法。这种方法的实现需要借助人体模型来完成，而且对人体模型要求很高。但是，这种方法也有其优点，即操作简便，但是需要专业道具皮脂钳的配合方可完成，不适合平时测试。
3.近红外线测量法：近红外线对人体不同组织穿透反射程度是不同的，该方法就是利用这一原理来测量体内脂肪率的方法。虽然这种方法使用仪器便宜，测试步骤也比较简单，但是测试精度较差，不适用。
4.排空气测量法：是一种将人体置于一个密封舱内，利用人的体积将舱内对应体积的空气挤出，测量它的体积，计算出人体的密度，从而计算出人体脂肪率的方法。因为这一方法执行过程中需要测试者坐在一个密封舱内，不便于在生活中自主测量。
5.生物电阻测量法：人体可以分为脂肪组织和非脂肪组织。对人体通电以后，人体非脂肪组织可以充当良好的导体，可正常通电。但是脂肪组织是绝缘体，不能导电。利用人体的这个特性，人们发明了一种通过不同的电极向人体发射电流，测出人体阻抗，在将所测结果代入含有身高、体重、性别和年龄的公式计算出体脂率的方法。此法无论是在操作上，还是计算上都非常简单，性价比高，适合于自测，故选用此种方法。
（二）人体脉搏频率测量方案的选择
1.单纯使用硬件电路来采集脉搏信号
使用单纯的硬件电路，系统稳定，但功能单一，灵活度较差，无法将硬件与软件紧密结合，达不到将大学所学知识巩固运用的目的，所以最终选择舍弃这个方案，再探索一个更新颖的方案。系统框图见图1。
图1 纯硬件脉搏频率测量仪系统框图
1.完全兼容传统8051单片机的指令代码；
2.工作电压在5.5V至3.3V之间；
3.工作频率：0~35MHz；
4.片上集成1280字节RAM；
5.ISP/IAP,无需专用编程器，仿真时无需专用软件，下载程序只需普通串口，然后稍等数秒，程序就下载完成了；
6.有EEPROM功能；
（5）P3.4（14脚）：T0-计时器0外部输入；
图4 单片机引脚分布图
四、系统硬件电路的设计
（一）STC12C5A60S2单片机最小系统
单片机的最小系统由时钟电路、复位电路和电源组成。（见图5）时钟电路选用了12MHZ的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，一个机器周期单片机可以执行一条基本指令。单片机的复位电路，当复位电路成功通电时， C1可视作一条导线，RST引脚通过开关S0直接与电源相连，即单片机9脚被置高电平。电容可以作为储能元器件，本设计中电源就可以通过电阻R2给电容C1充电，导致RST引脚电压缓慢下降，当电压降到一定程度时单片机就会正常工作。由于P0口的结构不同于其他I/O口，它的结构比较特殊是漏极开路，所以要加上拉电阻才能正常使用，这里的上拉电阻采用的是10K的排阻，即图中的电阻RP1。
引言 1
（一）课题的提出和意义 1
（二）家庭医疗器械的发展及现状 1
（三）本课题的主要研究内容 1
一、设计方案论证 1
二、系统总体设计 3
（一）系统功能与硬件组成 3
（二）单片机的选择 3
（三）采集脉搏信号传感器的选择 4
（四）放大器的选择 4
三、STC12C5A60S2单片机介绍 5
四、系统硬件电路的设计 7
（一）STC12C5A60S2单片机最小系统 7
（二）阻抗采集电路 8
（三）心率采集电路 8
（四）报警电路 9
（五）显示电路 10
（六）矩阵式按键模块 11
五、体脂率计算方法 12
六、系统的软件设计 13
（一）系统主程序设计 13
（二）脂肪率测量子程序设计 13
（三）脉搏频率测量子程序设计 14
（四）LCD显示子程序设计 16
七、系统的制作与调试 16
（一）实物制作 16
（二）系统测试 17
结束语 19
参考文献 21
致谢 22
附录一 原理图 23
附录二 元器件清单 24
附录三 源程序 25
引言
提高的生活水平和加快的生活节奏，“三高症”和心脑血管疾病的发病率在不断攀升，已经成为人类致命的“头号杀手”，所以人们对健康问题的关注力度在不断增加，市场上的家庭医疗器械也是五花八门，无论是家庭检测器，还是家庭保健器械都属于 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
家庭医疗器械，当然家庭医疗器械远不止这些。
（一）课题的提出和意义
适用于家庭使用的小型医疗器械就是家庭医疗器械。很多年前，各种简单的医疗器械就出现在普通的家庭生活中了，比如血压计、电子体温表、血糖仪等等。然而，市场上现有的家庭医疗器械或多或少都有些缺点，无法完全预知疾病,而且家庭医疗器械的价格不菲，许多普通家庭无法承受，进而导致一些疾病无法尽早察觉，耽误治疗。
基于以上家庭医疗器械的两大缺点，该设备将市场上脂肪仪、心率仪和体重秤三大器械的主要功能合三为一，达到“一器三用”的新标准；该课题均采用价格偏低的电子元器件，所以设备的价格是一般家庭都可以承受的，真正意义上做到了高性价比。
（二）家庭医疗器械的发展及现状
起步较晚、发展快速、潜在市场大、风险小是我国家庭医疗器械市场还处在发展初期的特点，也正是这些特点正吸引着越来越多的资本家到这个行业来投资。我国家庭医疗器械企业数量多、规模小，各自为战，产品种类和功能都非常单一，形成系统的产业价值链还相当的困难。对于我国家庭医疗器械领域来说，抢先进入这一领域的企业已经获得了可喜的成绩。一些家庭医疗器械企业的成功无疑使更多的人看到了它无限的潜在市场，在一定程度上吸引了更多的人来投资与开发家庭医疗器械，这一市场瞬间变得热闹起来。
（三）本课题的主要研究内容
1．采集脉搏参数的单元要将脉搏跳动的压力信号转换为电信号，因此需要使用传感器来实现这一功能；采集身体脂肪含量单元采用了生物电阻抗的方法，需要在测量质量的同时及时测出电阻因此将采用常规测电阻方式，将人体看成一个大电阻，加电压后通过测得串联电阻电压逆推得出人体电压。
2．利用Protel软件设计单片机的心率和人体生物电阻抗采集硬件电路，并分析每一部分的工作原理和设计思路。
3．画出程序流程图，并用C语言编出正确有效的程序。
一、设计方案论证
（一）人体脂肪含量测量方法的选择
1.水下称重测量法：是一种利用测定人体的排水量、人体瘦体重的密度和脂肪组织的密度来计算出体内脂肪重量，然后根据体内脂肪重量计算出体内脂肪率（百分比）的方法。此方法具有小误差、高精度的优点，但是实验需要使用专门的测试空间和工具才能为完成，且操作步骤繁琐，只适合实验室测试，不适合大众自我测试。
2.皮脂钳测量法：是一种通过选取人体多个点，并测量这些点的皮下脂肪厚度来计算体内脂肪率（百分比）的方法。这种方法的实现需要借助人体模型来完成，而且对人体模型要求很高。但是，这种方法也有其优点，即操作简便，但是需要专业道具皮脂钳的配合方可完成，不适合平时测试。
3.近红外线测量法：近红外线对人体不同组织穿透反射程度是不同的，该方法就是利用这一原理来测量体内脂肪率的方法。虽然这种方法使用仪器便宜，测试步骤也比较简单，但是测试精度较差，不适用。
4.排空气测量法：是一种将人体置于一个密封舱内，利用人的体积将舱内对应体积的空气挤出，测量它的体积，计算出人体的密度，从而计算出人体脂肪率的方法。因为这一方法执行过程中需要测试者坐在一个密封舱内，不便于在生活中自主测量。
5.生物电阻测量法：人体可以分为脂肪组织和非脂肪组织。对人体通电以后，人体非脂肪组织可以充当良好的导体，可正常通电。但是脂肪组织是绝缘体，不能导电。利用人体的这个特性，人们发明了一种通过不同的电极向人体发射电流，测出人体阻抗，在将所测结果代入含有身高、体重、性别和年龄的公式计算出体脂率的方法。此法无论是在操作上，还是计算上都非常简单，性价比高，适合于自测，故选用此种方法。
（二）人体脉搏频率测量方案的选择
1.单纯使用硬件电路来采集脉搏信号
使用单纯的硬件电路，系统稳定，但功能单一，灵活度较差，无法将硬件与软件紧密结合，达不到将大学所学知识巩固运用的目的，所以最终选择舍弃这个方案，再探索一个更新颖的方案。系统框图见图1。
图1 纯硬件脉搏频率测量仪系统框图
1.完全兼容传统8051单片机的指令代码；
2.工作电压在5.5V至3.3V之间；
3.工作频率：0~35MHz；
4.片上集成1280字节RAM；
5.ISP/IAP,无需专用编程器，仿真时无需专用软件，下载程序只需普通串口，然后稍等数秒，程序就下载完成了；
6.有EEPROM功能；
（5）P3.4（14脚）：T0-计时器0外部输入；
图4 单片机引脚分布图
四、系统硬件电路的设计
（一）STC12C5A60S2单片机最小系统
单片机的最小系统由时钟电路、复位电路和电源组成。（见图5）时钟电路选用了12MHZ的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，一个机器周期单片机可以执行一条基本指令。单片机的复位电路，当复位电路成功通电时， C1可视作一条导线，RST引脚通过开关S0直接与电源相连，即单片机9脚被置高电平。电容可以作为储能元器件，本设计中电源就可以通过电阻R2给电容C1充电，导致RST引脚电压缓慢下降，当电压降到一定程度时单片机就会正常工作。由于P0口的结构不同于其他I/O口，它的结构比较特殊是漏极开路，所以要加上拉电阻才能正常使用，这里的上拉电阻采用的是10K的排阻，即图中的电阻RP1。
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