1、摘 要 I 摘 要 本文介绍了一种基于 51 单片机的心率体温采集系统 。 首先介绍了 51系列单片机的内部相关配置、工作原理以及编程方法，其次介绍了温度传感器 PT100 的相关测温方法以及通过红外光电传感器 TCRT5000 对射的方法来抓取人体脉搏信号 。 此次设计的电路部分 主要包括 ： 传感 测量电路、放大电路、滤波整形电路、 AD 转换电路、 计数显示电路、控制电路、电源供电电路等 。 通过按键开始测试，将 PT100 及 TCRT5000 输入的微弱 信号 进行放大整形，最后 AD 采集转换传送给单片机，在 LCD1602 上显示相关 体温及 心率 信息 。 本次 硬件 设计 基
2、于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且 详细分析了 红外 传感器 TCRT5000 应用于心率测量上 以及PT100 应用于温度测量上 的原理及优点 ，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点， 并且通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计 ，使得本次课题的预期结果得以实现。 关键词： 51 单片机 ； 传感器 ； 仿真 ； AD转换 Abstract II Abstract This paper introduced a heart rate and body temperature acquisition system that based on 51
3、 single chip microcomputer. First the internal configurations of 51 single chip microcomputer are introduced. And the paper also tell how 51 single chip microcomputer works and how can we program on it. Then the method of using temperature sensor PT100 to get body temperature is introduced, and we u
4、se infrared photoelectric sensor TCRT5000 to get the pulse signal of human body. The design of the circuit mainly comprises sensing circuit , amplifying circuit, filtering and shaping circuit, AD converting circuit, counting and displaying circuit, controlling circuit, power supplying circuit and so
5、 on. When the keyboard is pressed, the system starts to get signal. The small signal from PT100 and TCRT5000 will be amplified and shaped. Then ad converter will change the analog signal into digital signal and send to 51 single chip microcomputer . At last LCD1602 will display the information of bo
6、dy temperature and heart rate. Keywords: Piezoelectric sensors ； control circuit； counters； Multisim2001 simulation software control circuit. III 目 录 第一章 引 言 . 1 1.1 心率体温测试计研究的意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 设计内容 . 4 第二章 51 系列单片机功能简介 . 5 2.1 51 系列单片机的内部结构 . 5 2.2 51 单片机所使用的编程语言 . 6 2.2.1 汇编语言 . 6 2.2.2 C
7、51 语言 . 7 第三章 电路常用芯片介绍 . 9 3.1 温度传感器 PT100 介绍 . 9 3.2 红外反射式传感器 TCRT5000 介绍 . 9 3.3 AD 转换芯片 ADC0804 介绍 . 11 3.4 LCD1602 液晶显示屏介绍 . 12 3.5 比较器 LM393 介绍 . 14 第四章 硬件设计 . 16 4.1 硬件总框图设计 . 16 4.2 体温采集电路设计 . 16 4.2.1 PT100 传感器电路 . 16 4.2.2 信号放大电路 . 17 4.2.3 AD 转换电路 . 17 4.3 心率信号采集电路设计 . 18 4.3.1 红外发射电路 . 18
8、 4.3.2 红外接收电路 . 18 4.3.3 二级信号放大电路 . 19 4.3.4 滤波电路 . 19 4.3.5 波形变换电路 . 20 4.4 按键电路设计 . 20 4.5 LCD1602 显示电路设计 . 21 4.6 报警电路设计 . 21 第五章 软件设计 . 23 5.1 总程序设计和流程图 . 23 5.2 体温采集部分程序设计 . 26 5.3 心率信号采集部 分程序设计 . 26 5.4 按键中断程序设计 . 27 5.5 LCD1602 显示程序设计 . 27 5.6 STC89C52 的 EEPROM数据保存程序设计 . 28 5.7 时钟功能模块的设计 . 28
9、 目 录 IV 第六章 实物验证及结论 . 29 6.1 实物验证 . 29 6.2 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 附录 . 34 1 第一章 引 言 1.1 心率 体温测试计 研究的意义 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集 (即传感器技术 )、信息传输 (通信技术 )和信息处理 (计算机技术 )中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术和脉搏测量技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗 透到社会的每一个领域，人民
10、的身体健康与自身的体温和脉搏息息相关。 心率指人体心脏每分钟脉搏的次数 。它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数，同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法。心率计是用于测量心率值的医疗设备，它的应用在于心血管疾病的研究和诊断方面也发挥出显著的作用，它们所能记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。 体温，通常指人体内部的温度，正常人腋下温度为 36-37 度，测量方法有口测发、腋测法及肛测法。人体的温度是相对恒定 的，正常人在 24 小时内体温略有波动，一般相差不超过 1 度。生理状态下，早晨体温略低，下午略高。运动、
11、进食后等体温稍高，老年人体温偏低。体温达到 37.5-38 度称为低热， 38-39度为中度发热， 39-40 度为高热， 40度以上为超高热。如体温高于 41度或低于25度时将严重影响各系统的机能活动，甚至危害生命。临床上对病人检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预防有重要的意义。 脉搏和体温的异常表明人体遭受了某些疾病，在古代中医采用的方法中就有把脉这一项，就现代来说心率作为一项重要的生理指标被广泛的研究，在非典时期体温的测量尤为重要， 现代医学的不断发展和进步 ，使 人们对各种测量仪器的要求越来越高 ， 而心率 金和体温 的测量是一种评价人生理状况的好方法 ，可见研究体温、心率
12、的测量方法和装置的重要 性 。 作 为 现代电子仪器与医学相结合的一个重要应用课题，具有深远意义。 1.2 国内外研究现状 随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近 20 年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术2 是现代信息技术中主要技术之一，在国民经 济建设中占据有极其重要的地位。 在医疗诊断中 ， 快速脉搏测定已从传统的测量方法向多参数生命体征监护仪和自动脉搏测量仪发展。由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存储数据等功能特点 ， 不仅减轻了医务人员的工作强度 ,也
13、使医疗手段得以现代化、高科技化。新技术和新工艺使传感器和实验室仪表两者成为同一个芯片 ，这是全新的提高。这种多元化的测量系统正朝着体积小 ， 功耗低、使用灵活、 便于携带 ， 适合于社区和住院病房使用 ,有较强的分析能力，可扩展等方向发展。 如与 PC 机进行通信 ， 将采集到的脉搏信号通过无线网络传输到 PC 端 ， 从而实现远程医疗等。现今多数医生用听诊器测量脉搏，医用脉搏计可以精确测出心率，并且可以测出心肌收缩力度，从而判断病人的健康状况；而家用脉搏计只需测出脉搏的频率，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带 。 而目前市场上许多有关血压、脉搏。体温等电子仪器体积小，
14、使用方便，但相对的价格比较贵。目前的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。 采用红色发光二极管，当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏时，半透明度增大。当使 用红外发光二极管产生的红外线照射到人体手指等部位时，可通过检测机体组织的透明程度将其转换成电信号，最后将该信号进行整形，就可以得出人体每分钟的脉搏次数。 而当采用反射式的红外管，目前市场上脉率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为红外接收和发射处于手指的同一侧，所以不用考虑每人的手指不同而造成的麻烦，但是得到信号也是比较困难的事。 采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动来采
15、集信号，随着心脏的跳动，人体手腕的脉搏和颈部的脉搏比较明显，将压电传感器放在上述部位，把压电传感器测得的信号转换成脉冲同样可得出脉搏次数。 自 20 世 纪 50 年代以来，科学家对于脉学的理论、脉诊方法、临床诊断和实验研究等方面均开展了大量工作，取得了较大进展。脉象的客观化研究集中在脉象仪的研制方面。脉象传感器是脉象仪的关键部分。英国人 Marey 最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。 1860 年首次出现杠杆和压力鼓式描述脉搏图， 1895 年开始采用换能的方式，出现了杠杆式光学脉搏描述器。 20 世纪 50年代我国学者朱颜首次将杠杆脉搏描述器引用到中医脉诊的研
16、究中来。自 20 世纪 70 年代至今，研究人员已研制出种类繁多的换能器以模拟中医切脉的手指采集 脉搏信号并记录。目前应用的脉象传感器种类3 繁多，根据其工作原理可分为 4 种：通过感受脉动处压力的变化而描述脉搏图的压力传感器；通过感受脉管容积的变化来描述脉象的光电传感器；利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动即所谓听信号的传声器；还有超声多普勒检测技术。 温度传感器从使用的角度大致分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定距离，通过检测从待测物体放射出的红外线达到测温目的。 其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转
17、换为热电势变化的称为 热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两类。前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂，铜，镍，铁等，它们具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻传感器有 PT100。目前的智能温度传感器（数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（ MCU）。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如 DALLAS 公司的DS18B20,MAXIM 公司的 MAX6576，
18、MAX6577,ADI 公司的 AD7416 等，这些芯片的显著特点是单片机接口简单，如 DS1B20 该温度传感器为单总线技术， MAXIM 公司的 2 种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质为数字输出，而ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近年比较流行的 I2C 总线，这些本身带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但是也存在着比较大的缺点，它们的测温范围太窄，一般只有 -55-125 度之间，而且温度的测量精度不高，一般有 2度左右误差，因此在高精度场合不太满足用 户的需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单，制造方便，测
19、温范围宽，热惯性小，准确度高，输出信号便于远传等优点。热电偶的测温范围大而且误差比较小，在性能上优于之前所提到的数字温度传感器，但是热电偶传感器类似于 PT100 外部需要添加外围信号放大电路，以及 AD 转换电路用于向单片机提供温度数据，相比设计上会比较复杂。热电偶的使用误差主要来自于分度误差，延伸导线误差，动态误差以及使用的仪表误差等。 而社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的各种传感器正在基于单片机的基础上 从模拟式向数字式，从集成化向智能化，网络化的方向飞4 速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测量系统等高科技的方向
20、迅速发展。 1.3 设计内容 此次的设计是基于 51 单片机的心率体温测试计的设计。 此次用到的 51 单片机为 STC89C52，心率传感器为红外反射式传感器 TCRT5000，而体温传感器则用到 PT100。 此次设计的主要目的是 通过 PT100 与人体的接触而产生的电阻值的变化，将其通过信号放大电路转换成相应的模拟电压值，再使用 ADC0804 芯片将放大后的模 拟电压值转换成 8位的二进制数据，送给 52单片机，同时通过使用两对 TCRT5000 红外传感器夹于手指之间，一个用来发射，另一个用来接收，采用红外对射的方法获取心率脉冲而输出的模拟波形，并通过两级放大电路将微弱心率波形放大
21、到可以取值的范围内，然后进行滤波整形，去除获取心率脉冲中的杂波信号，并通过比较器输出方波波形，传送给单片机进行接收 ，完成心率脉冲以及体温的采集 。 单片机将获取的体温和脉冲数据进行相应处理，最后对应出相应的体温值和心率值，并传送给 LCD1602 显示屏进行相关显示，达到可以查看的目的。 在心率和体温 采集的基础上，同时该设计也提供了一般的数字式时钟功能，通过按键判断是否进行测试或者是显示时间，数字式时钟功能通过使用 52 单片机内部的定时器进行精确的时间定时，并且在 LCD1602 上显示相应的设定时间，当按下测试键时，单片机将自动进行体温和心率信号的采集，同时在此次的设计中，提供了报警功
22、能，可以预先设定体温和心率的上下限值，当采集的值超出或者低于这个范围，将通过蜂鸣器进行报警，上下限值可以通过按键输入进行设定，并且掉电后自动储存在单片机内部的 EEPROM 存储单元中。 此次的设计将包括相关文献资料的查询和阅读， 原理图的设计，程序的编写，仿真，以及最后的实物论证，通过设计验证基于 51 单片机的心率体温测试系统的可行性，并在设计中提升自己的硬件能力和编程能力，达到相应的学习目的。 5 第二章 51系列单片机功能简介 2.1 51系列单片机的内部结构 本次设计所采用的单片机型号为 STC89C52 单片机 ,其与大部分市场 51 系列单片机兼容，并且在扩展方面和高速方面更具有
23、优势。以下关于单片机介绍的内容均以 STC89C52 为例。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路，三个 16 位 定时器 /计数器，一个6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至 0
24、Hz 静态逻辑操作，支持 2 种 软件 可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35Mhz， 6T/12T 可选。 CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入 /输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等， CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件 ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW， BCD 码运算调整电路等组成 。下图为 51 单片机内部结构图： 6 图 2.1.1 51 单片机内部结构图 2.2 51单片机所使用的编程语言 2.2.1 汇编语言 51 汇编语言能直接操作单片机的系统硬件，指令执行速度快，但程序的可读性差，且编写和移植困难。以下为常用汇编语言操作指令集：
