实用型脉搏心率、体温计设计

2021年2月28日发(作者：皮炎症状)






2011
—

2012
学年



第

一

学期













《单片机原理及接口技术》


课

程

设

计

报

告



题

目
：
实用型脉搏心率、体温计设计

专

业：

电子信息工程

班

级：
09
电信
2
班

姓

名：

尹兵

指导教师：

周珍艮

成

绩：



































电气工程系


































201 1
年
12
月






0
24
日
学号：






















课

程

设

计

任

务

书


一．设计目的


本设计采用
AT 89S52
作为核心控制器件，控制并接收和处理
DS18B20
传回的数据，把得< br>到的温度值存储在指定单元等待显示；接着
T1
口接收到整形电路传过来的电压信号，遇
到第一次下降沿启动
T0
计时器计时，遇到第二次下降沿关闭
T0
计 数器，经处理后得到实
际时间间隔，再经过单片机处理得到脉搏次数并存储在指定单元等待显示；最后< br>AT89S52
控制数码管先显示温度再显示脉搏次数具有极高的研究价值






二、设计任务


设计并制作一台具有实时检测脉搏心率和体温的实用型脉搏心率、体温计。


脉
搏
检
出
放
大
整
形
CPU
处理

数
字
显
示

图


实用型脉搏心率计示意图














三、具体要求


1
、
能够测量人体
1
分钟的脉搏心率数，并以数字显示；

2
、测量脉搏心率范围：
50-180
次
/
分，数据刷新时 间〈
3
秒；

3
、具有体温检测功能，测量体温范围为
35
0
C
－
45
0
C
，并以数字显示，示数分辨率0.1
0
C
。

4
、设置脉搏心率上下限，具有超限报警功能。

5
、具有语音报数功能。











1


目录

摘

要
.................... .................................................. .................................................. .. 3
ABSTRACT ................................ ............................................
错
误！未定义书签。

正文
................. .................................................. .................................................. ...... 3
1
引言

..................... .................................................. .............................................. 3
2
设计要求

............................ .................................................. ............................... 4
2.1

硬件电路部分
................................... .................................................. ........ 4
2.2

程序设计

.
..... .................................................. .............................................. 4
3
方案设计

............................ .................................................. ............................... 4
3.1

总体设计

.
............................ .................................................. ....................... 4
3.2

系统硬件选择及模块分析
.............................. ........................................... 4
3.3

软件部分

.
................ .................................................. ................................. 11
3.4

硬件电路实现
................................... .................................................. ...... 11
3.5

实物及测试图
............. ..............................................
错
误！未定义书签。

4

系统测试分析
... .................................................. ............................................. 12
5

结束语
............................ .................................................. ................................ 12
参考文献
< br>............................................... ..................................
错
误！未定义书签。

附




录

.................................... .................................................. ........................... 13
致



谢

.................................... .............................................
错
误！未定义书签。

文献综述

........... .................................................. ....................
错
误！未定义书签。

参考文献

................................. .................................................. .............................. 18

















2

实用型脉搏心率、体温计设计

摘

要

随着时代 的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，
已经成为一种比较成熟的技术 ，
本设计采用
AT89S52
作为核心控制器件，
控制并接收和处
理
DS18B20
传回的数据，把得到的温度值存储在指定单元等待显示；接着
T1口接收到整
形电路传过来的电压信号，遇到第一次下降沿启动
T0
计时器计时，遇 到第二次下降沿关
闭
T0
计数器，经处理后得到实际时间间隔，再经过单片机处理得到 脉搏次数并存储在指
定单元等待显示；
最后
AT89S52
控制数码管先显示 温度再显示脉搏次数；
然后重复上述步
骤。经测试本设计可以正常显示体温，但也有不足之处。

关键词
：
AT89S52
单片机
；
脉搏计
；
DS18B20
；







正文

1
引言

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
)< br>、信息传输
(
通信技术
)
和信息处理
(
计算机技术< br>)
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。

本设计采用
AT89S52
作为核心控制器件，控制 并接收和处理
DS18B20
传回的数据，
把得到的温度值存储在指定单元等待显示；
接着
T1
口接收到整形电路传过来的电压信号，
遇到第一次下降沿启动
T0
计时器计时，遇到第二次下降沿关闭
T0
计数器，经处理后得到
实际时 间间隔，
再经过单片机处理得到脉搏次数并存储在指定单元等待显示；
最后
AT89S 52
控制数码管先显示温度再显示脉搏次数具有极高的研究价值。


3

2
设计要求

2.1
硬件电路部分

































































1
）

完成
AT89S52
最小系统焊接
(
晶振电路，上电复位电路等
)
；



























2
）

利用单片机< br>I/O
口方式控制数码管显示数据，驱动用
74ls04
；

3
）

完成脉搏波形采集电路的焊接；








2.2
程序设计





































































1
）

掌握单片机与四位数码管之间接口电路的设计方法及编程；
























2
）

完成主程序的设计及对应的子程序设计；


3
）

完成总调试

；


4
）

本设计最后显示
“
温度度数和脉搏次数
”
。

3
方案设计

3.1
总体设计





总体设计框图如图
3-1
所示

DS18B20
测温电
路

74LS04
驱动

脉搏采集整形电路

最
小
系
统

电源

段码驱动

数码管



图
3-1
系统电路框图

从理论上说，四位数码管可以显示
0--F
的数字和字母，
只要段码输入合适 就可以得到
我们想要的结果。
由于所有位的段选码由一个
I/O
口控制，因此要使每位显示不同的字符，
必须采用扫描显示方式，即每一时刻选通一个显示位。同时段选控制
I/O
口输出要显示字
符对应的段选码，使该位显示相应的字符。显示一段时间后，再 选通下一显示位。特点：
每一时刻只能选择一位，如此便可将温度及脉搏次数显示出来。

3.2
系统硬件选择及模块分析

由图
3-1
可知此次设 计的硬件选择如下：
AT89S52
最小系统、电源、
74LS04
、
4
位
7
段共阳极

LED
数码管，
18B20< br>，
LM324
，电容，电阻等一些单片机外围应用电路组成。

其中的
LED
驱动是
LED
显示设计的关键部分，
驱动电路设计的好坏直接 关系到
LED
显示的亮度、稳定度等重要指标。
LED
数码管的数据传输方式 主要有串行和并行两种。日

4

前普遍采用并行控制技术，实现起来容易 简单。采用这种方式的驱动
IC
种类较少，可减
少显示单元的数据传输驱动元件，从而 提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也
较为容易。

LED
数码管 实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。
LED
动态显示
就是将所有 显示位的段选线并联在一起，
由一个
8
位
I/O
口控制，
而 位选线则由其他的
I/O
口控制，实现各位的分时选通，利用人眼的反应时间差达到显示目的。 静态显示方式就是
把每一位数码管分别控制让其同时显示不通的内容，其特点：每块显示器件都处于选通 状
态，只要控制显示位的段选码，就可显示出相应的字符，每一位都可独立显示，在同一时
刻每 一位显示的字符可以不同。静态显示方式的缺点：需要
N×
8
根
I/O
口线，占用的
I/O
资源较多；显示位比较多时，硬件线路比较复杂，成本增加。

本次设计中
LED
的驱动是采用
74ls04
实现的。

(1)18B20
资料及测温电路

TO
－
92
封 装的
DS18B20
的引脚排列见图
3-2
，其引脚功能描述见下：

采用
DALLAS
公司温度传感器
DS18B20
，这个芯片的显著 优点是与单片机的接口简
单，该温度传感器为单总线技术，

测量温度范围为

-55
℃～
+125
℃，在
-10
℃～
+8
℃
5
范围
内
,DS18B20
可以程序设定
9
～
12
位的分辨率，精度为
±
0.5
℃。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
4
位光刻
ROM
、温度传
感

器、非挥发的温度报警触发器
TH
和
TL
、配置寄存器。
DS18B20
温度传感器是美国
DALLAS
半导体公司最新推出的一
种 改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，
它能直接读出被测温度，
并且可根 据实际要求通过简单的编程实
现
9
～
12
位的数字值读数方式。DS18B20
的性能特点如下：



































●
独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

●
多个
DS18B20
可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；





图
3-2


●
无须外部器件；

●
可通过数据线供电，电压范围为
3. 0
～
5.5V
；


●
零待机功耗；

●
温度以
9
或
12
位数字；

●
用户可定义报警设置；

●
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；


5

●
负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。


DS18B20
的测温原理是器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，
用于产
生固定频率的脉冲信号送给减法计数器
1
；高温度系数晶振随温度变化 其振荡频率明显改
变，所产生的信号作为减法计数器
2
的脉冲输入。器件中还有一个计 数门，当计数门打开
时，
DS18B20
就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计 数进而完成温度测量。计数门
的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－
5 5
℃所对应的一个基数分
别置入减法计数器
1
、温度寄存器中，计数器
1
和温度寄存器被预置在－
55
℃所对应的一
个基数值。

减法计数器
1
对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器
1的预
置值减到
0
时，温度寄存器的值将加
1
，减法计数器
1
的预置将重新被装入，减法计数器
1
重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进 行计数，如此循环直到减法计数器计数到
0
时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数 值就是所测温度值。其输出用于修
正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到 温度寄存器值大致
被测温度值。

系统对
DS18B20
的各种操作 按协议进行。操作协议为：初使化
DS18B20
（发复位脉
冲）
→
发
ROM
功能命令
→
发存储器操作命令
→
处理数据。

DS18B20
可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时
DS18 B20
的
1
脚
接地，
2
脚作为信号线，
3
脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式，
为保证在有效的
DS18B20
时钟 周期内提供足够的电流，可用一个
MOSFET
管来完成对总线的上拉。

当
DS18B20
处于写存储器操作和温度
A/D
转换操作时，总线上必须有强 的上拉，上
C1
30pf
拉开启时间最大为
10us
。
采用 寄生电源供电方式时
VDD
端接地。
由于单线制只有一根线，
U1
2 00
200
200
R3
R4
R5
R6
200
X1
CRYSTAL
19
XTAL1
因此发送接口必须是三态的。

30pf
18
XTAL2
U2:A
74LS04
U2:B< br>74LS04
U2:C
74LS04
1
2
2
4
6
C2
C3
9
RST
1nF
系统对
DS18B2 0
的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化
DS18B20
（发复位脉
冲 ）
→
发
ROM
功能命令
→
发存储器操作命令
→处理数据。

10k
PSEN
ALE
EA
P0.0/A D0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7
39
3837
36
35
34
33
32
21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13
14
15
16
17
U2:D
74LS041
3
5
R7
29
30
31
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源
供电方式，
此时
DS18B20
的
1
脚接地，
2
脚作为信号线，
3
脚接电源。
另一 种是寄生电源供电方式，
为保证在有效
的
DS18B20
时钟周期内提供足够 的电流，可用一个
MOSFET
管来完成对总线的上拉。

本设计中
DS18B20
采用电源供电方式，此时它的
1
VCC
AT89C52
1
2
3
4
5
6
7
8
P1.0/T2P1.1/T2EX
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1. 6
P1.7
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7 /RD
P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11< br>P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15
VCC
R2
1k
U6
3
2
1
VCC
DQ
GND
DS18B20
34.8
R1
1k
GND

6
1
3

脚接地，
2
脚作为信号线，
3
脚接电源。










































如图
3-3
















图
3-3
（
2
）
LM324
资料及以其为核心的整形电路

LM324
系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。单电源下
,
电
压范围是
3.0V
～
32V
或
16V
.

LM324
的特点
:
短跑保护输出
,
真差 动输入级
,
可单电源工作
:3V
～
32V
,
低偏置 电流
:
最大
100nA
（
LM324A
）每封装含四个运算 放大器
,
具有内部补偿的功能
,
共模范围扩展到负电源
,
行 业标准的引脚排列
,
输入端具有静电保护功能。

本设计的脉搏采集大致有三 种。第一种，利用吸附电极这是心电图仪采用的方法；第
二种，声学检测，但在运动时无法完成检测；第 三种，光学检测此次设计采用的是光学检
测，其原理是：人体组织的半透明性随心跳做周期性变化，心脏 收缩时人体组织的透明度
较低，舒张时较高，因此可以利用这一点；光源用红外
LED
，检测器件用一红外光敏管，
它们构成一混合光栅，将它们接到人体多少有些透明的地方如手指和耳廓， 即可检测。此
时还需要将其波形整形成单片机可识别的电压以便单片机计数。
C1
和< br>R2
构成的低通滤波
器用来抑制正在处理的高频分量，双极性耦合电容
C2、
C3
之值与低频相适应，还起到隔
直流的作用，第一个运放用做线性放大，其上 边的电容和电阻组成低通滤波器进一步抑制
干扰，第二个运放负责将上一个运放的输出信号转换成纯净的 矩形波，再经过第三个运放
后就得到单片机可识别的信号。

整形电路图（如图
3-4
）















































图
3-4

7

（
3
）
AT89C51
资料

51
系列是 指是兼容
Intel
公司
51
指令集的单片机系列
的统名称。这里所 提到的
AT89C51
就是
51
系列的一种，
它与
AT89 S52
完全兼容，
因此以它为例也完全可以让我们
了解
AT89S52
。
它是一种带
4KB
闪存可擦可编程只读存储
器
(FalshPr ogrammableandErasableReadOnlyMemory
，
FPEROM )
的低电压、
高性能
CMOS
型
8
位微处理器，
俗 称
单片机。该器件采用
ATMEL
高密度非易失存储器制造技
术制造，
与工业标准的
MCS-51
指令集和输出管脚相兼容。
其外形及管脚如

3-5
所示







































图
3-5



P0
口：
P0
口为一个
8
位漏级开路双向
I/O
口，每脚可吸收8TTL
门电流。当
P1
口的管脚第一次写
1
时，被定义为高阻 输入
P0
能够用于外部程序数据存储器，它可
以被定义为数据
/
地址 的第八位。
在
FIASH
编程时，
P0
口作为原码输入口，
当
FIASH
进行校验时，
P0
输出原码，此时
P0
外部 必须被拉高。






























P1
口：
P1
口是一个内部提供上拉电阻的
8
位 双向
I/O
口，
P1
口缓冲器能接收输
出
4TTL
门电流。
P1
口管脚写入
1
后，被内部上拉为高，可用作输入，
P1
口被外部
下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P2
口：
P2
口为一个内部上拉电阻的
8
位双向
I/O
，
P2
口缓冲器可接收，输出
4
个
TTL
门电流， 当
P2
口被写
“1”
时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并
因此作为输入时，
P2
口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。
P2
口当用于外部程序存储器或
16
位地址外部数据存储器进行存取时，
P 2
口输出地
址的高八位。在给出地址
“1”
时，它利用内部上拉优势，当对外 部八位地址数据存储
器进行读写时，
P2
口输出其特殊功能寄存器的内容。
P 2
口在
FLASH
编程和校验时
接收高八位地址信号和控制信号。













































P3
口：
P3
口管脚是
8
个带内部上拉电阻的双向
I/O
口，可接收输出
4
个
TT L
门
电流。当
P3
口写入
“1”
后，它们被内部上拉为高电 平，并用作输入。作为输入，由于
外部下拉为低电平，
P3
口将输出电流（
I LL
）这是由于上拉的缘故。


P3
口也可作为
AT89C51
的一些特殊功能口，如下表所示：


P3.0 RXD
（串行输入口）

P3.1 TXD
（串行输出口）

P3.2 /INT0
（外部中断
0
）

P3.3 /INT1
（外部中断
1
）



8

P3.4 T0
（记时器
0
外部输入）

P3.5 T1
（记时器
1
外部输入）

P3
口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。


RST
：复位输入。

XTAL1
：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。


XTAL2
：

来自反向振荡器的输出。

XTAL1和
XTAL2
分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片
内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，
XTAL2
应
不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，
因此对外部时钟信号的脉
宽无任何要求，
但必须保证脉冲的高低电
平要求的宽度。

（
4
）最小系统介绍：

电源供电模块（如图
3-6
）
：

对于一个完整的电子设计 来讲，
首要问
题就是为整个系统提供电源供电模块，
电源
模块的稳定可靠是系 统平稳运行的前提和
基础。
51
单片机虽然使用时间最早、
应用范
围 最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，
















图
3-6
电源模块电路














51
单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，
克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。

此最小 系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的
USB
口供给，
也可使用外部稳
定的
5V
电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示
LED
，图中R11
为
LED
的限流
电阻。
S1
为电源开关。

图
3-7
为复位电路：


图
3-7

9