基于51单片机的心率体温测试系统Word下载.docx

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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、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，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，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。

第二章51系列单片机功能简介

2.151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4KBEEPROM，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0Hz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：

图2.1.151单片机内部结构图

2.251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：

图2.2.1汇编语言操作指令集

2.2.2C51语言

C51是为51系列单片机设计的一种C语言，其特点：

结构化语言，代码紧凑；

接近真实语言，程序可读性强；

库函数丰富，编程工作量小；

机器级控制能力，功能很强；

与汇编指令无关，易于掌握；

总而言之，C51语言已成为51系列单片机程序开发的主流软件方法。

C51与标准C语言对比，其语法规则、程序结构、编程方法大致相同，而数据类型、存储模式及中断处理存在着差异。

下图为C51单片机软件系统结构：

图2.2.2C51单片机软件系统结构

第三章电路常用芯片介绍

3.1温度传感器PT100介绍

温度湿度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。

由于温湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿传感器就会相应产生。

由于PT100热电阻的温度湿与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，研发并生产了PT100热电阻温湿度传感器。

它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。

温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。

PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。

但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：

　　-200<

t<

0℃Rt=R0[1+At+Bt+C（t-100）t]

（1）

　　0<

850℃Rt=R0（1+At+Bt2）

（2）

　　Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。

公式中的A,B,系数为实验测定。

这里给出标准的系数：

A=3.90802*10-3℃；

B=-5.802*10-7℃；

C=-4.27350*10-12℃。

下图为PT100/PT1000铂电阻RT曲线图表：

图3.1.1PT100/PT1000铂电阻RT曲线图表

3.2红外反射式传感器TCRT5000介绍

反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。

理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。

因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。

如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。

红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图3-2所示：

图3.2.1反射式红外传感器原理及特性图

反射光强度的输出信号电压Vout是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与Vout的响应曲线是非线性的，如图3-2所示。

设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。

TCRT5000具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上，利用红外光谱发射对象存在另一个对象上，操作的波长大约为950毫米，探测器由光电晶体三极管组成的。

下图为TCRT5000外观图及内部结构图：

图3.2.2TCRT5000外观图及内部结构图

3.3AD转换芯片ADC0804介绍

AD转换芯片即模拟和数字转换芯片，它将输入的模拟电压信号转换成单片机等控制处理器能够识别的数字二进制形式。

ADC0804是一个早期的A/D转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛的应用。

ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：

模数转换时间大约100us，方便的TTL或CMOS标准接口，可以满足差分电压输入，具有参考电压输入端，内含时钟发生器，单电源工作时（0v-5v）输入信号电压范围是0v-5v,不需要调零等等。

下图为ADC0804的引脚图：

图3.3.1ADC0804引脚图

ADC0804的工作分为三个过程：

复位中断触发信号INTR是ADC0804的一个输出信号，一般情况下，启动AD转换前应该复位这个信号，以等待新的转换完成后ADC0804发出新的信号，这样才可以读取到新的转换结果。

图3.3.2INTR复位时序图

ADC0804中的AD转换器满足一定条件时开始一个转换过程，这个条件就是在实现片选的前提下，引脚上出现的一个上升沿，当片选引脚CS=0，使用一个写信号就可以启动一个转换过程，如下图所示：

图3.3.3启动转换时序图

在AD转换结束后，ADC0804的引脚将给出一个低脉冲，如果把这个引脚直接连接到单片机的外部中断引脚，这个低脉冲将会引起单片机的中断，单片机可以在中断处理程序中读取ADC0804的转换结果。

具体如下图所示：

图3.3.4读取转换结果时序图

3.4LCD1602液晶显示屏介绍

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780。

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下图所示:

图3.4.1LCD1602引脚功能图

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下图所示：

图3.4.2LCD1602相关命令图

读写操作时序如下图所示：

图3.4.3读操作时序图

图3.4.4写操作时序图

3.5比较器LM393介绍

LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。

这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。

减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC（集成电路板integratedcircuit，缩写：

IC）并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。

输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。

当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平。

其内部结构图如下：

图3.5.1LM393内部结构图

第四章硬件设计

4.1硬件总框图设计

此次设计的是基于STC89C52的心率和体温采集计，因此需要温度传感器以及测量人体心率信号的红外传感器。

温度传感器使用PT100并通过放大电路对抓取的电压进行放大，并通过ADC0804进行AD转换最后送给52单片机。

经过实验论证TCRT5000如果采用反射式接法其获取的人体心率信号的变化比较微弱，波形难以捕捉，因此在设计中采用2个TCRT5000使用对接的方式进行获取人体的心率信号。

TCRT5000接收端所获取的微弱的心率信号通过二级模拟放大电路进行放大，接着通过滤波电路改善波形的质量，最后通过比较电路将波形改变为方波电路，并将其幅值变成可被单片机识别的5V标准的数字电平，输出给单片机进行采集。

设计中使用了3个按键，通过按键完成对报警范围的设定以及测试的开始和停止的控制。

并通过LCD1602来显示所获取的心率值以及体温值。

具体电路图详见附录，总框架图如图所示：

图4.1.1硬件设计总框图

4.2体温采集电路设计

体温采集电路主要由PT100传感器电路，信号放大采样电路，AD转换电路3个部分组成，并最终将信号送给单片机进行处理