基于單片機的心率監(jiān)測系統(tǒng)的硬件配置系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u58781.1控制面板 1232091.1.1AT89S52簡介 1285851.1.2AT89S52的結(jié)構(gòu) 1321411.2信號采集 4260231.2.1光學(xué)傳感器的基本原理 4201511.2.2光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu) 4274831.2.3信號采集電源電路 566881.3信號變大 669621.4波形整形電路 7239491.5MCU電源電路 8155441.6顯示電路 819691.6.11602字符液晶顯示器簡介 871161.6.31602LCD的RAM地址映射 9135941.6.4開關(guān)電源電路設(shè)計圖 91.1控制面板該心率監(jiān)測系統(tǒng)的CPU是AT89S52微控制器。由于該心率監(jiān)測系統(tǒng)沒有其他獨特功能要完成，因此所需的端口號也很少，秉承著“低成本”的原則，所以沒有選擇功能復(fù)雜的Freescale單片機。1.1.1AT89S52簡介AT89S52是一個8位CPU，具有片上振蕩器和晶體振蕩器電路，工作頻率為0-33MHz。芯片上有256字節(jié)的數(shù)據(jù)信息存儲RAM，8K字節(jié)的程序存儲器ROM，四個8位并行處理IO端口（P0，P1，P2，P3），一個雙工串行通信通訊端口，三個16位電子端口定時器計數(shù)器（T0，T1，T2），6個中斷源，并且第二級終止具有優(yōu)先權(quán)。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。1.1.2AT89S52的結(jié)構(gòu)本設(shè)計中使用的微控制器的封裝類型為DIP40，如圖2所示：圖2AT89S52的封裝形式AT89S52單片機40腳。如表2所示：表2單片機引腳表引腳名稱引腳個數(shù)Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1EAVpp1ALEPROG1PSEN1P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P1.0—P1.78P3端口也可以用作唯一角色端口，如下所示：P1.0RXD（串行通信密鑰輸入）P1.1TXD（串行通訊輸出端口）P1.2INT0（外部中斷0）P1.3INT1（外部中斷1）P1.4T0（從計時器0的外部輸入）P1.5T1（從計時碼表1的外部輸入）P1.6WR（用于外部數(shù)據(jù)信息存儲的寫選通）P1.7RD（外部數(shù)據(jù)信息存儲讀選通）P3端口號還接受一些實際的操作數(shù)據(jù)信息信號，以更新程序流寫入和程序流寫入認證RST：校正輸入。當振蕩器工作時，RST引腳上的上拉電阻將引起兩個振蕩周期以校正微處理器。Vcc，GND：開關(guān)電源電路的正極偏光板和接地設(shè)備機器設(shè)備端子（9V）XTAL1，XTAL2：上方耦合電路的輸入和輸出端子CPU按照特殊的數(shù)字電子時鐘節(jié)奏和時鐘頻率工作：時鐘周期：Tc=晶體振蕩器電路功率電路頻率fosc的總數(shù)振蕩周期：Tm=12個時鐘周期（Tc）指令周期：Ti：運行命令所需的振蕩周期數(shù)（Tm）示例：當晶體振蕩器電路電源電路的頻率為12M時，振蕩周期必須為多長時間？Tc=1fosc=112MhzTm=12XTc=12X112Mhz=1us1.2信號采集1.2.1光學(xué)傳感器的基本原理根據(jù)蘭伯-比爾（Lamber-Beer）基本定律，化學(xué)物質(zhì)在特定波長的光下的吸收和吸收強度與其濃度成正比。當波長不變的光照射到人體時，測得的光強度可以根據(jù)人體細胞的消化吸收，反射面和衰減系數(shù)來反映該機制的結(jié)構(gòu)類型。心跳主要是由人體心血管節(jié)律的起伏引起的，同時主動脈也會伴有節(jié)律性震顫，而主動脈集中在身體的指尖和耳垂處，并且指尖是人體血管相對密集、相對平坦的表面，高透光率的部位。因此考慮到設(shè)備的便利性和可操作性，指尖是作為檢測位置最好的選擇。1.2.2光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)收集部中使用的傳感器由紅外線接收管和紅外線發(fā)射管組成。當使用GaAs紅外發(fā)光二極管作為光源時，可以大大減少因吸入引起的心跳漂移。紅外接收管在紅外光的直接輻射下會產(chǎn)生很弱的工作電壓，其特征是將光信號轉(zhuǎn)換成工作電壓信號。在該主題設(shè)計中，傳感器的發(fā)射管和接收管彼此相對放置，從而可以獲得最佳的光接收效果。當光從發(fā)射管發(fā)射出來時，指尖的血液和夜間機制會消化并吸收一部分光，但是一部分光也會被紅外接收管磁感應(yīng)。光學(xué)心跳傳感器可分為散射型和雙光束兩種基本原理[8]?？紤]到上述綜合性，在本設(shè)計方案中選擇了散射式光學(xué)傳感器，這不僅節(jié)省了檢查的時間和精力，而且具有出色的抗干擾性能。因此，光學(xué)傳感器的框架圖如圖1.2所示。圖3透射式光電傳感器1.2.3信號采集電源電路圖1.3是脈率信號采集電源電路。D1和Q3分別是紅外發(fā)射二極管和紅外接收管。當紅外發(fā)射二極管中的電流較大時，透射視角會更長，并且光的抗壓強度會更大。因此，R6電阻器的電阻值的選擇精度較高。R6的330Ω選擇基于紅外接收管的紅外靈敏度。如果R6太大，分配的電流量將稍大。根據(jù)紅外發(fā)射管的電流量，電流量會太小。紅外接收管無法區(qū)分電流信號是由心跳還是非心跳振動引起的。相反，如果選擇的R6太小，則電流量將太大，因此與選擇的R6太小相同。當手指從傳感器上移開或檢測到非常強烈的光線影響時，輸入端子的交流電壓將發(fā)生很大變化。為了更好地防止信號泄漏到LM358的輸入端子并造成錯誤的標記，請使用C6耦合電容器將其裝飾在隔板上[10]。傳感器的示意圖如圖1.3所示：圖4信號采集電路1.3信號變大在所有正常情況下，人體的心跳為每分鐘50?200次，并且匹配的頻率范圍在0.83Hz?1.33Hz之間，因此紅外傳感器收集到的紅外頻率會非常低。為了更好地防止傳感器受到外部高頻信號及其光的影響，對設(shè)計方案進行了平滑可靠的濾波，運算放大器成為必然。必須充分考慮強光對其精確測量的影響以及噪聲的不可預(yù)測的影響等，低頻信號必須經(jīng)過數(shù)倍的放大和整形手術(shù)，分辨出來的信號才能傳輸?shù)椒直媛蕟纹瑱C的控制模塊。運算放大器電路采用的是具有兩級放大功能的LM358，應(yīng)用單開關(guān)電源系統(tǒng)。基本參數(shù)和功能如下：LM358包含兩個獨立的雙運放電路，具有功率放大和內(nèi)部頻率補償。集成的ic使用單個開關(guān)電源系統(tǒng)，從而節(jié)省了制作雙電源開關(guān)的不便之處，但它也適用于雙電源開關(guān)。表3LM358引腳功能指示[5]引腳序號英文縮寫引腳功能電阻參數(shù)（KΩ）直流電壓參數(shù)（V）正筆接地負筆接地有信號無信號①AMPout1放大信號（1）輸出1776.56.5②IN1-反向信號（1）輸入197.56.56.5③IN1+同向信號（1）輸入2.92.96.36.3④GND接地0000⑤IN2-02.92.96.36.3⑥IN2+同向信號（2）輸入5886.46.4⑦AMPout2放大信號（2）輸出186.96.46.4⑧Vcc電源電壓+12V0.430.431212在所有正常情況下，人體較大的心跳頻率可以達到每分鐘200次。根據(jù)這樣的先決條件，我們可以設(shè)計所需的低通濾波器電源電路，如圖1.6所示?？烧{(diào)電位器RW1，C2，C3和C4組成一個低通濾波器，以濾除大部分影響。截止頻率由R4，C3，C2和C4確定。運算放大器LM328將信號擴展兩次以增加信號。放大系數(shù)由R4和RW1比率決定。低通放大電路圖。如圖5所示：圖5低通放大電路1.4波形整形電路波形整形電路如圖6所示。U3B是電壓跟隨器。在電壓跟隨器的負工作電壓輸入端，根據(jù)分壓器電路R3和R5獲得2.9V的標準工作電壓，并且信號變大。根據(jù)輸入電壓比較器中的C5電容耦合，當輸入工作電壓小于2.5v時，U3B的第七腳輸出上拉電阻，發(fā)光二極管L2導(dǎo)通，單片機輸入進行計算和解決。相反，它輸出低功率頻率并發(fā)光。二極管熄滅。圖6波形整形電路1.5MCU電源電路如圖1.7所示，AT89S52微控制器作為CPU。該微控制器不僅價格低廉，而且足以滿足設(shè)計方案的要求和目標，并且可以指定計算速度和精度，并可以根據(jù)具體情況進行編程，這是常用的外場元件少，功能損失低，設(shè)備故障率低。經(jīng)過整形和濾波后，傳感器收集的單脈沖將輸出到單片機AT89S52的INT0引腳。將單片機設(shè)置為低頻振蕩終止模式以測量單個脈沖，然后通過P0端口操縱液晶顯示。圖7單片機處理電路1.6顯示電路此次設(shè)計采用了液晶顯示，如圖8。圖8顯示電路1.6.11602字符液晶顯示器簡介1602字符LCD控制模塊是高質(zhì)量和低成本的LCD屏幕，可專業(yè)顯示數(shù)據(jù)，標記，英文字母，并且沒有漢字庫。此設(shè)計使用帶背光LCD監(jiān)視器的16列*2行字符LCD1602。1602LCD關(guān)鍵性能參數(shù)：指示體積：16×兩個識別符集成IC工作標準電壓：2.5-5.5V工作電流：2.0mA（5.0V）控制模塊的最佳工作標準電壓：5.0V標識符規(guī)格：2.95×2.35（W×H）mm1.6.31602LCD的RAM地址映射1602LCDlcd屏幕是緩慢的顯示設(shè)備，因此在執(zhí)行每個命令之前，必須確?？刂颇K的忙碌標志位是0脈沖信號，表示它現(xiàn)在不忙碌并且處于實際操作狀態(tài)，否則命令推送將不會成功。要顯示或顯示數(shù)據(jù)，首先要做的是將詳細的地址命令推到LCD屏幕上，以使標識符指示的部分清晰可見