C51单片机的脉搏测量仪设计与制作
目 录
1 引言 1
1.1选题的背景 1
1.2脉搏测量仪简介 1
1.2.1脉搏测量仪的基本原理 1
1.2.2设计预期实现的目标 1
2 脉搏测量仪的方案设计 2
2.1方案设计与比较 2
2.1.1传感器的选择与比较 2
2.1.2 显示模块选择与论证 3
2.1.3 信号处理方案选择与论证 4
2.2 系统总体方案 5
3 脉搏测量仪的硬件电路设计 5
3.1控制电路 5
3.1.1 MCU简介 5
3.1.2 最小系统模块 6
3.2 信号放大模块 7
3.2.1 LM358简介 7
3.2.2 放大电路 7
3.3脉搏信号产生模块 8
3.3.1光电传感器结构 8
3.3.2光电传感器检测原理 8
3.3.3电源电路 8
3.4信号比较电路 9
3.5显示与报警电路 9
3.5.1 LED1602显示电路 9
3.5.2 报警电路 10
4 脉搏测量仪的软件电路设计 10
4.1软件介绍 10
4.2程序设计 11
4.2.1主程序流程图 11
4.2.2 中断流程图 11
4.2.3 定时器T0，T1的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
中断服务流程图 12
4.2.4显示流程图 13
5 实物调试与显示 13
6 结语 16
致谢 17
参考文献 18
附录一 脉搏测量仪的电路原理图 19
附录二 元器件清单 20
附录三 源代码 21
附录四 实物图 33
1 引言
1.1选题的背景
随着社会经济水平和物质水平不断的提高，快节奏的生活方式和不良的饮食习惯，使人们对健康的状况也越来越重视。脉搏是反应我们人体机能状况的一个重要的参数之一。在过去的时代，科技没有如今发达，那时获得脉搏的信息是靠中医把脉，虽然脉诊看上去很简单，但也存在一些缺陷，例如：测出的数值不够精确，而且不方便人们随时随地的对脉搏次数监控等。
正因如此，本设计拟利用现代电子技术、传感技术等，设计出一款具有测量准确和简单易用的电子测量仪。要求整个设计电路简单、性能良好、成本低，使用方便，具有一定的推广价值和实用意义。
1.2脉搏测量仪简介
1.2.1 脉搏测量仪的基本原理
脉搏测量仪工作时要求测试者将手指放在传感器内，通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，再将生物信号转化为物理信号，很快就可以精确测出每分钟脉搏值，其测量的结果用LED显示器出来。测试数据反映了人体的健康情况，数据读取准确方便。本设计拟采用51单片机和LM358芯片核心器件来完成脉搏测仪的设计与制作。
1.2.2 设计预期实现的目标
(1)能够测出正常脉搏的范围，eg：测量基本范围40-120次；
(2)用按键设置脉搏测试仪上下限；
(3)LED液晶屏幕实时显示被测者的脉搏值；
(4)测量数据超上下限报警提示。
2 脉搏测试仪的方案设计
2.1方案设计与比较
2.1.1传感器的选择与比较
方案一：压电式
据了解压电式传感器是一种自发电式的传感器。它是以某种电介质的压电效应为基 础，它的敏感元件是用压电材料制作而成的。它可以测量那些非电物理量，例如：动态力，振动加速度等等。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、信噪比很高以及信频宽等等。但是它本身存在某些缺点；有部分电压材料忌潮湿，因此需要采用一系列的防潮措施。不过，它在建筑物、汽车和飞机等的冲击和振动测量比较广泛。原理图如图2-1所示：
图2-1 方案一结构框图
方案二：光电式
光电传感器是以光电元件作为传感器，将被测量的变化转换光信号变化，最后通过光电元把光信号转换成电信号。光电传感器一般有三部分组成，它们分别是发送器（发光二极管）和接收器（光敏三极管）以及检测电路。此种方法有两种方式：第一种是反射式，另一种是对射式。对射式是当人的手指放在红外发射二极管和接受的三极管中间，通过人体心脏脉动的跳动，使血管流量发生变化。从而三极管电流也发生变化，输出的脉冲信号经过放大，滤波、整形后作为单片机信号。单片机内部对脉冲信号进行计算并把值自动显示在液晶屏上。原理图如图2-2所示：
图2-2 方案二结构框图
综合两种方案比较，采用方案二，本设计采用光电式传感器，使用一对红外对射二极管实现。
红外传感器经过电路的检测、线性放大电路以及低通滤波和整型电路之后送入单片机进行数据处理，系统工作过程如图2-3所示：
图2-3 红外传感器工作系统
2.1.2 显示模块选择与论
方案一：LED液晶显示
液晶显示器对我们来说很熟悉，因为液晶显示屏已被很多行业中使用，它所具有以下特点：数字式接口、体积小、功耗低、分辨率高。据了解，液晶显示器本身功耗主要是驱动IC上和内部的电极，所以液晶耗电量要比其它的显示器少的多，它的工作原理是利用液晶的物理的特性，由电压对显示部分进行控制并且还能实现全色彩的显示，这是其它系列做不到的。而液晶显示器运用到了各个行业，比如：便携式电脑、PDA移动通信工具。在家用的电子产品也能看到；它主要能显示数字、图形和特殊符号等。
方案二：数码管显示
4位数码管引脚分布，可以从图得知，LED数码管显示器是由4位7段LED组成，分为两种情况：共阴极和共阳极，它的工作原理是通过分时轮流控制数码管的COM端，从而使的各个数码管轮流受控显示。如图2-4所示：
图2-4 位数码管引脚分布图
综合上述两种方案比较，本设计采用1602液晶显示器来实现电路功能，因为具有控制简单并易实现、价格低等优点。
2.1.3 信号处理方案选择与论证
方案一：小规模数字电路
采用小规模数字电路的工作原理是电路内部采用二进制数计数，将脉波信号进行一分钟内计数，并显示值，电路中的缺点：硬件电路结构比较复杂，难以进行修改，若想要实现脉搏测量仪的显示和超限启动报警装置等比较困难。如图2-5所示：
图2-5 小规模数字电路
方案二：单片机
单片机能够进行数据采集，信息处理，通信联络和电路控制是电子产品中重要的部件。单片机的优点：体积小，价格低廉，不易丢失存储的信息，与外围电路连接方便易于形成嵌入式系统等。单片机内部有两个定时计数器，当CPU处于空闲状态时，CPU将停止运行。但是允许内部存储器，数据通信端口，内部定时器及中断继续工作。
1 引言 1
1.1选题的背景 1
1.2脉搏测量仪简介 1
1.2.1脉搏测量仪的基本原理 1
1.2.2设计预期实现的目标 1
2 脉搏测量仪的方案设计 2
2.1方案设计与比较 2
2.1.1传感器的选择与比较 2
2.1.2 显示模块选择与论证 3
2.1.3 信号处理方案选择与论证 4
2.2 系统总体方案 5
3 脉搏测量仪的硬件电路设计 5
3.1控制电路 5
3.1.1 MCU简介 5
3.1.2 最小系统模块 6
3.2 信号放大模块 7
3.2.1 LM358简介 7
3.2.2 放大电路 7
3.3脉搏信号产生模块 8
3.3.1光电传感器结构 8
3.3.2光电传感器检测原理 8
3.3.3电源电路 8
3.4信号比较电路 9
3.5显示与报警电路 9
3.5.1 LED1602显示电路 9
3.5.2 报警电路 10
4 脉搏测量仪的软件电路设计 10
4.1软件介绍 10
4.2程序设计 11
4.2.1主程序流程图 11
4.2.2 中断流程图 11
4.2.3 定时器T0，T1的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
中断服务流程图 12
4.2.4显示流程图 13
5 实物调试与显示 13
6 结语 16
致谢 17
参考文献 18
附录一 脉搏测量仪的电路原理图 19
附录二 元器件清单 20
附录三 源代码 21
附录四 实物图 33
1 引言
1.1选题的背景
随着社会经济水平和物质水平不断的提高，快节奏的生活方式和不良的饮食习惯，使人们对健康的状况也越来越重视。脉搏是反应我们人体机能状况的一个重要的参数之一。在过去的时代，科技没有如今发达，那时获得脉搏的信息是靠中医把脉，虽然脉诊看上去很简单，但也存在一些缺陷，例如：测出的数值不够精确，而且不方便人们随时随地的对脉搏次数监控等。
正因如此，本设计拟利用现代电子技术、传感技术等，设计出一款具有测量准确和简单易用的电子测量仪。要求整个设计电路简单、性能良好、成本低，使用方便，具有一定的推广价值和实用意义。
1.2脉搏测量仪简介
1.2.1 脉搏测量仪的基本原理
脉搏测量仪工作时要求测试者将手指放在传感器内，通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，再将生物信号转化为物理信号，很快就可以精确测出每分钟脉搏值，其测量的结果用LED显示器出来。测试数据反映了人体的健康情况，数据读取准确方便。本设计拟采用51单片机和LM358芯片核心器件来完成脉搏测仪的设计与制作。
1.2.2 设计预期实现的目标
(1)能够测出正常脉搏的范围，eg：测量基本范围40-120次；
(2)用按键设置脉搏测试仪上下限；
(3)LED液晶屏幕实时显示被测者的脉搏值；
(4)测量数据超上下限报警提示。
2 脉搏测试仪的方案设计
2.1方案设计与比较
2.1.1传感器的选择与比较
方案一：压电式
据了解压电式传感器是一种自发电式的传感器。它是以某种电介质的压电效应为基 础，它的敏感元件是用压电材料制作而成的。它可以测量那些非电物理量，例如：动态力，振动加速度等等。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、信噪比很高以及信频宽等等。但是它本身存在某些缺点；有部分电压材料忌潮湿，因此需要采用一系列的防潮措施。不过，它在建筑物、汽车和飞机等的冲击和振动测量比较广泛。原理图如图2-1所示：
图2-1 方案一结构框图
方案二：光电式
光电传感器是以光电元件作为传感器，将被测量的变化转换光信号变化，最后通过光电元把光信号转换成电信号。光电传感器一般有三部分组成，它们分别是发送器（发光二极管）和接收器（光敏三极管）以及检测电路。此种方法有两种方式：第一种是反射式，另一种是对射式。对射式是当人的手指放在红外发射二极管和接受的三极管中间，通过人体心脏脉动的跳动，使血管流量发生变化。从而三极管电流也发生变化，输出的脉冲信号经过放大，滤波、整形后作为单片机信号。单片机内部对脉冲信号进行计算并把值自动显示在液晶屏上。原理图如图2-2所示：
图2-2 方案二结构框图
综合两种方案比较，采用方案二，本设计采用光电式传感器，使用一对红外对射二极管实现。
红外传感器经过电路的检测、线性放大电路以及低通滤波和整型电路之后送入单片机进行数据处理，系统工作过程如图2-3所示：
图2-3 红外传感器工作系统
2.1.2 显示模块选择与论
方案一：LED液晶显示
液晶显示器对我们来说很熟悉，因为液晶显示屏已被很多行业中使用，它所具有以下特点：数字式接口、体积小、功耗低、分辨率高。据了解，液晶显示器本身功耗主要是驱动IC上和内部的电极，所以液晶耗电量要比其它的显示器少的多，它的工作原理是利用液晶的物理的特性，由电压对显示部分进行控制并且还能实现全色彩的显示，这是其它系列做不到的。而液晶显示器运用到了各个行业，比如：便携式电脑、PDA移动通信工具。在家用的电子产品也能看到；它主要能显示数字、图形和特殊符号等。
方案二：数码管显示
4位数码管引脚分布，可以从图得知，LED数码管显示器是由4位7段LED组成，分为两种情况：共阴极和共阳极，它的工作原理是通过分时轮流控制数码管的COM端，从而使的各个数码管轮流受控显示。如图2-4所示：
图2-4 位数码管引脚分布图
综合上述两种方案比较，本设计采用1602液晶显示器来实现电路功能，因为具有控制简单并易实现、价格低等优点。
2.1.3 信号处理方案选择与论证
方案一：小规模数字电路
采用小规模数字电路的工作原理是电路内部采用二进制数计数，将脉波信号进行一分钟内计数，并显示值，电路中的缺点：硬件电路结构比较复杂，难以进行修改，若想要实现脉搏测量仪的显示和超限启动报警装置等比较困难。如图2-5所示：
图2-5 小规模数字电路
方案二：单片机
单片机能够进行数据采集，信息处理，通信联络和电路控制是电子产品中重要的部件。单片机的优点：体积小，价格低廉，不易丢失存储的信息，与外围电路连接方便易于形成嵌入式系统等。单片机内部有两个定时计数器，当CPU处于空闲状态时，CPU将停止运行。但是允许内部存储器，数据通信端口，内部定时器及中断继续工作。
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