摘要
本系统设计的是基于单片机控制的人体健康监测系统，本系统需要检测人体的三个健康体征：心跳、体温、血压。由硬件和软件两部分组成。首先是心跳检测，利用压电传感器将检测到的心跳信号转换为电信号再通过集成运放转换成单片机可以接收的信号。其次是温度检测，利用一线口温度传感器DS18B20进行温度检测，由于该芯片采用单总线模式，在编程过程中严格按照该芯片的读写时序进行温度检测。再次是血压检测，利用压力传感器BP01将血压转换成为电信号，通过ADC0809模数转换器转化为数字信号通过单片机处理显示出来。另外还包括单片机电源电路、超限报警电路、复位电路以及键盘电路。
本系统的研究于开发有利于人体健康检测的需要，对日常生活的改善有很多好处，具有很高的实用价值。
关键词
单片机8051；DS18B20；BP01；A/D转换
Abstract
This system design is the human body health monitor system whichcontrols based on the monolithic integrated circuit, this system needshealthily to examine the human body three health body drafts:Palpitation, body temperature, blood pressure. Are composed by the hardware and the software two parts. First is the palpitation examines, will examine the palpitation signalusing the piezoelectric pick-up to transform into the electricalsignal transports again through the integration puts transforms thesignal which the monolithic integrated circuit will be allowed toreceive. Next is the temperature examination, uses mouth temperature sensorDS18B20 to carry on the temperature examination, because this chipuses the single main line pattern, strictly carries on the temperatureexamination in the programming process according to this chipread-write succession. Is the blood pressure examination once more, transforms into usingpressure transmitter BP01 the blood pressure the electrical signal,transforms through the ADC0809 modulus switch for the digital signaldemonstrates through monolithic integrated circuit processing. Moreover also includes the monolithic integrated circuit powercircuit, ultra limits the alarm circuit, repositions the electriccircuit as well as the keyboard electric circuit.
This system research is advantageous to the development to the humanbody health examination need, has very many advantage to the dailylife improvement, has the very high practical value
Key word
Monolithic integrated circuit 8051; DS18B20; BP01; A/D transformation
毕业(论文) 目录
目录
中文摘要及关键字 ............................................................................................................. -I- 英文摘要及关键字 ............................................................................................................ -II- 绪论 .................................................................................................................................. - 1 - 1. 总体方案 ..................................................................................................................... - 2 -
1．1方案论证及系统工作原理 .............................................................................. - 2 - 1．2 总体方案图 ..................................................................................................... - 2 - 2硬件设计 ....................................................................................................................... - 3 - 2．1主控芯片MCS—51介绍................................................................................ - 3 - 2．2 ADC0809的介绍............................................................................................. - 8 - 2．3心跳检测原理设计 ........................................................................................ - 10 - 2．4温度检测的原理及设计 ................................................................................. - 11 - 2．5血压检测电路原理及设计 ............................................................................ - 15 - 2．6其他电路设计 ................................................................................................ - 17 - 2．7 硬件总电路图 ............................................................................................... - 17 - 3．软件设计 .................................................................................................................. - 18 - 3．1主程序流程图 ................................................................................................ - 18 - 3．2 子程序流程图 ............................................................................................... - 19 - 3．2．1心跳检测流程 ................................................................................... - 19 - 3．2．2温度检测流程图 ............................................................................... - 20 - 3．2．3血压检测流程图 ............................................................................... - 21 - 3．3主程序清单 .................................................................................................... - 22 - 3．4子程序清单 .................................................................................................... - 25 - 3．4．1心跳子程序： ................................................................................... - 25 - 3．4．2温度检测子程序： ........................................................................... - 27 - 3．4．3血压检测子程序： ........................................................................... - 31 - 结论 ................................................................................................................................ - 33 - 致谢 ............................................................................................................................ - 35 - 参考文献 ........................................................................................................................ - 36 - 附录一 ............................................................................................................................ - 37 - 附录二 ................................................................................................. 错误！未定义书签。
绪论
当今社会，随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，同时计算机也越来越广泛的被应用到人们的生活、工作领域的各个方面。单片微型计算机以其其体积小、功能强、速度快、价格低等优点，在数据处理和实时控制等应用中有着无以伦比的优越性，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中。随着微控制技术（以软件代硬件的高性能控制技术）的日益完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大的变化。单片微型计算机的应用广度和深度，已经成为一个国家科技水平的一项重要标志。
为了进一步加深对单片机及其接口的理解，掌握一般的软硬件的设计方法，巩固大学四年之所学，也给自己一个实践锻炼的机会，几个月以来，我们全心投入本次毕业设计---人体基本健康监测器。本系统用于实时监测人体的基本生命体征：心跳、体温、血压。传统测量方法尤其是血压的测量，即使用血压计的测量，操作过程比较复杂需要有专业人士完成，不能完全满足对人体基本健康动态的一个随时掌握的要求。而人体基本健康监测器集测量心跳、体温、血压、为一体，并用单片机加以处理控制，普通人群都可以方便使用，而不需要具备专业的医疗知识，相信这一点肯定倍受广大群众的青睐。在不断的发现问题，思考问题，解决问题之后，我们基本完成了毕业设计任务。但由于时间以及经验有限加之缺乏实际的检验，我们的设计肯定有许多不足之处，望老师能给予进一步指正及帮助。
在本次设计中我与张锡阳同学一组，完成这个课题，他主要负责硬件部分设计，我本人主要负责软件部分的编写。所以本论文在介绍硬件部分的基础上将重点介绍软件部分的编写。
1. 总体方案
1.1 方案论证及系统工作原理
本系统通过键盘设定三种工作方式：心跳检测，人体体温检测，血压检测。心跳检测采用传感器将心跳转换成单片机可以接受的信号，每跳动一次就产生一个脉冲，让单片机产生一个中断，每中断一次就进行一次计数，每分钟进行一次采样进行统计心跳数。人体体温检测利用芯片DS18B20这个数字温度传感器进行温度测量。测的数据通过CD4511进行译码，输入数码管进行显示。测的数据如果超限则进行报警。血压检测利用BP01型压力传感器将压力信号转化为电信号经过运放由ADC0809转化为数字量送入单片机处理。如果血压超限则报警。
该方案可以有效、实时的测量心跳、体温、血压这些要求监测参数，能够达到系统设计的各项指标，设计方案是切实可行的。
1.2总体方案图
2 硬件设计
2.1主控芯片MCS—51介绍
主要功能
MCS-51单片机采用的是冯.诺伊曼提出的经典计算机体系结构框架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备共五个基本部分组成。MCS-51单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O 口等。MCS-51单片机的系统结构框图如图1所示。
图MCS-51单片机系统结构框图
由图可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件：
①8位CPU
②片内带震荡器，震荡频率f范围为1.2～12MHz:可有时钟输出
③ 128个字节的片内数据存储器
④ 4K字节的片内程序存储器
⑤程序存储器的寻址范围为64K字节
⑥片外数据存储器的寻址范围为64K字节
⑦ 4个8位并行I/O接口:P0、P1、P2、P3
⑧ 2个16位定时器/计数器
⑨中断系统有5个中断源
MCS－51单片机内部结构
MCS－51单片机芯片内部结构框图如图2所示。
图 2 MCS－51单片机芯片内部结构
① CPU
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。CPU是单片机的核心部件，由运算器和控制器两部分电路组成。
运算器电路
运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。运算电路以ALU为核心单元，可以完成半字节、单字节以及多字节数据的运算操作，其中包括加、减、乘、除、十进制调整等算术运算以及与、或、异或、求补和循环等逻辑操作，运算结果的状态由状态寄存器保存。
控制器电路
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。
②定时器/计数器
MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。（此次设计是通过定时器/计数器对编码器输入的脉冲进行计数）。
③存储器
MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。对MCS －51系列（8031除外）而言，有4个物理上相互独立的存储器空间：即内、外程序存储器和内、外数据存储器。对于8051其芯片中共有256个RAM单元，其中后128个单元被专用寄存器占用，只有前128个单元供用户使用。
④并行I/O口
MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O 线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。
⑤中断控制系统
MCS－51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。所有中断分为高级和低级两个中断优先级。
引脚信号
图3为MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号，它们为标准的40脚DIP封装。这些引脚的功能描述如下：
图3 8051单片机引脚图
①电源引脚Vcc和Vss
Vcc：电源端，接＋5V。
Vss：接地端。1.输入/输出引脚(I/O接口)
②P0接口(P0.0~P0.7);8位双向I/O接口,占39~32脚.如果系统接有外部存储器,则P0接口作为数据总线和低8位地址各引脚功能简要说明如下:
总线,通过分时操作达到复用的目的.CPU对外部存储器操作时,P0接口先用作地址总线,在ALE信号的作用下将地址锁存,然后再将P0接口转作为数据总线使用,P0接口能驱动8个LSTTL负载.
③P1接口(P1.0~P1.7);8位准双向I/O接口,占1~8脚.准双向接口是指该接口内部有上拉电阻,能驱动4个LSTTL(低功耗肖脱基晶体管逻辑电路)负载.P1接口一般作通用I/O接口线使用.
④控制信号引脚线
a. PSEN(29脚);外部程序存储器读选通信号.在访问外部程序存储器时，PSEN 作为外部程序存储器的选通信号(低电平有效).在访问外部程序存储器时.PSEN 信号无效(高电平)
b. ALE/PROG(30脚);地址锁存允许/编程信号.在访问片外存储器时,该引脚是地址锁存信号，而对8751内部EPROM编程时,该信号作为编程脉冲输入端。8051单片机可寻址64KB,应有16根地址线,其中低8位地址线与数据共用P0接口,在作低8位的地址信号使用时,ALE有效,用以控制锁存器锁存P0接口的低8位地址;发出数据时,ALE无效,P0接口输出数据,正常操作时,又因ALE能按主振频率的1/6发出固定频率,所以有时可以加以利用。
c. RST/Vpd（9脚）：复位信号/备用电源输入端。当振荡器工作时，若此引脚保持两个周期的高电平，就能使单片机复位。此引脚也可作为备用电源的输入端，当单片机电源失电期间，由Vpd向片内数据器提供电源，以保护其中的内容。
⑤时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。
XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。
⑥第二功能
P3口
P3.0串行口输入端
P3.1串行口输入端
P3.2外部中断O请求输入端
P3.3外部中断1请求输入端
P3.4定时/计数器0外部计数信号输入端
P3.5定时/计数器1外部计数信号输入端
P3.6外部数据存储器写选通输出信号
P3.7外部数据存储器读选通输出信号
2. 2 ADC0809的介绍
本系统使用ADC0809与压力传感器BP01组成血压检测部分。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
ADC0809的内部逻辑结构
图4 ADC0809内部结构图
由上图5.1可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
引脚结构
图5 ADC0809 引脚图
IN0－IN7：8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。
ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。
VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
ADC0809应用说明Ⅰ． ADC0809内部带有输出锁存器。Ⅱ．初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。Ⅲ．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（此次设计只选用第一通道IN0）。Ⅳ．在ST端给出一个至少有100μs宽的正脉冲信号。Ⅴ．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。Ⅵ．当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
2．3心跳检测原理设计
检测心率脉冲信号的传感器采用压电陶瓷（在压电陶瓷片上安装一海面垫以传递脉冲信号）；将采集到的心率信号经过由CD4069的3个非门组成3级放大电路进行放大，然后通过由一系列电阻电容构成的2级梯形滤波电路进行滤波处理，即可获得人体心率范围的信号（约在0.66Hz-3.33Hz之间）；再通过由二极管构成的检测电路以及由3个非门构成的整形电路处理后，就可得到单片机所需要的标准的0-5V脉冲信号。将它接到单片机的外部中断，每一个中断进行一次计数。每一分钟进行一次显示这一分钟的心跳。
2．4温度检测的原理及设计
DS18B20的介绍：DS18B20是美国DALLAS 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够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。可以分别在93.75 ms 和750 ms 内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC 封装，如图6所视
图 6 DS18B20的管脚
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64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。ROM 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM 的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM 的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。内部结构[2]如图
GND DQ VDD
DS18B20 TO-92封装底视图
DS18B20z 8脚SOIC 封装
GND
DS18B20的温度转化
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。见表1：
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。[3]见表2：
表2 温度的转化