基于单片机的脉搏测量仪设计-完整版

基于单片机的脉搏测量仪设计-完整版内容摘要：

按一定的函数关系 (通常是线性关系 )转换成便于测量的物理量 (如电压、电流或频率等 )输出。 2．信号处理 即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路 (包括放大、滤波、整形等 )。 3. 单片机电路 即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心外部中断信号 光电传感器 低通放大器 比较器和振荡器 单片机 AT89C51 液晶 显示电路 外部晶振 稳压电路 率（包括 AT89C5外部晶振、外部中断等）。 4．液晶显示 即把单片机计算得出的结果用液晶显示出来 5. 稳压电源 即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是 5V9V 的交流或直流的稳压电源 第 3 章 基本元器件的选择 STC89C52 单片机（ Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、定时器 /计数器和多种 I/O 接口电路，如图 31所示。 图 31 单片机基本结构 STC89 系列单片机是 MCS51 系列单片机的派生产品。 它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全兼容， DIP40 封装系列与 8051 为pintopin 兼容。 STC89 系列单片机高速 (最高时钟频率 90MHz)，低功耗，在系统 /在应用可编程 (ISP， IAP),不占用户资源。 STC89 系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器 /计数器、中断逻辑几部分。 （ 1）中央处理器 时 钟 电 路R O M R A M定 时 / 计 数 器C P U并 行 接 口 串 性 接 口中 断 系 统T 1T 0P 0P 1P 2P 3T X DR X D0INT 1IN T STC89C52 的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（ SFR）。 算术逻辑单元 ALU 能对数据进行加、减、乘、除等算术运算； “ 与 ” 、 “ 或 ” 、“ 异或 ” 等逻辑运算以及位操作运算。 ALU 只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器 ACC 或寄存器 TMP 中，运算结果可以送回 ACC 或通用寄存器或存储单元中，累加器 ACC 也可以写为 A。 B 寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后 B中为部分运算结果。 程序状态字 PSW 是个 8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。 其各位的含义是 ： CY：进位标志。 有进位 /错位时 CY=1，否则 CY=0。 AC：半进位标志。 当 D3位向 D4位产生进位 /错位时， AC=1，否则 AC=0，常用于十进制调整运算中。 F0：用户可设定的标志位，可置位 /复位，也可供测试。 RS RS0：四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择 0~3寄存器组。 OV：溢出标志。 当带符号数运算结果超出 128~+127范围时 OV=1，否则 OV=0。 当无符号数乘法结果超过 255 时，或当无符号数除法的除数为 0 时 OV=1，否则OV=0。 P：奇偶校验标志。 每条指令执行完，若 A 中 1 的个数为奇数时 P=1，否则P=0，即偶校验方式。 控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR 和程序寄存器 PC 等。 单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器 IR，然后指令译码器 ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。 STC89C52 的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。 这些控制信息的使用专门的控制线，诸如 PSEN、 ALE、 EA 以及 RST，也有一些是和 P3口的某些端子合用，如 WR 和 RD就是 和 ，他们的具体功能在介绍 STC89C52 引脚是一起叙述。 （ 2）存储器组织 STC89 单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。 这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排 ROM或 RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。 STC89 单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。 STC89 片内有 256K 数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM。 除此之外，还可以在片外扩展 RAM 和 ROM，并且各有 64KB 的寻址范围。 也就是最多可以在外部扩展 2*64KB 存储器。 STC89 的存储器组织结构如图 32所示。 64K 字节的程序存储器（ ROM）空间中，有 4K 字节地址区对于片内 ROM 和片外 ROM 是公用的，这 4K 字节地址是 0000H~FFFH。 而 1000H~FFFFH 地址区为外部ROM 专用。 CPU 的控制器专门提供一个控制信号 EA 用来区分内部 ROM 和外部 ROM的公用地址区：当 EA接高电平时，单片机从片内 ROM的 4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过 0FFFH 后，就自动的转向片外 ROM 取指令。 当 EA 接低电平时，CPU 只从片外 ROM 取指令。 程序存储器的某些单元是保留给系统使用的： 0000H~0002H 单元是所有执行程序的入口地址，复位以后， CPU 总是丛 0000H 单元开始执行程序。 0003H~002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。 用户程序不应进入上述区域。 图 32 存储器组织结构图 STC89 的 RAM 虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。 256 个字节被 分为两个区域： 00H7FH 时真正的 RAM 区，可以读写各种数据。 而 80H~FFH 是专门用于特殊功能寄存器（ SFR）的区域。 对于 8051 安排了 21个特殊功能寄存器，每个寄存器为 8 位，所以实际上 128 个字节并没有全部利用。 内部 RAM 的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用 R0~R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。 8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用 “ 寄存器名 .位 ” 来表示，如 ， 等。 光电传感器 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此 ,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。 它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。 光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。 近年来，新的光电器件不断涌现，特别是 CCD 图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 在此次设计中我们采用的是光电传感器中最常见普遍的光敏二极管做 红外接收二极管和光面三极管做红外发送三极管。 光敏二极管 光敏二极管是最常见的光传感器。 光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN 结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子 空穴，称为光电载流子。 在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反 向电流称为光电流。 光电流的大小与光照强 度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。 光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极 —— 发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。 为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。 工作时集电结反偏，发射结正偏。 在无光照时管子流过的电流为暗电流 Iceo=（ 1+β） Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子 空穴 对，使得基极产生的电流 Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流 Ic=（ 1+β） Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 光电传感器检测原理 检测原理是 : 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：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，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。 因此本设计将光敏二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。 由于手指动脉血在血液循环 过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的 , 于是光敏接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。 故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数 液晶显示器 在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。 液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。 在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、 LED 数码管、液晶显示器。 在单片机系统中应用晶液显示 器作为输出器件有以下几个优点： 显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（ CRT）那样需要不断刷新新亮点。 因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 1602 字符型 LCD 简介。