多參數(shù)床邊監(jiān)護系統(tǒng)單片機課程設(shè)計論文

摘要

本設(shè)計是在PROTEUS環(huán)境下完成的，以熱敏電阻、ST188光電傳感器、ADC0809、AT89C51單片機、LCD1602液晶顯示屏等構(gòu)成的多參數(shù)實時生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路及軟件系統(tǒng)的設(shè)計。本文介紹了PROTEUS和Keil軟件，熱敏電阻、AT89C51單片機和LCD1602等的性能、結(jié)構(gòu)特點以及工作原理。該系統(tǒng)可以完成對溫度、心率等參數(shù)的采集、處理和顯示。  

目錄

一、總體方案· ······················································1

1.1方案論證及系統(tǒng)工作原理·········································1

1.2總體方案圖·····················································1

二、硬件選擇························································2

2.1主控芯片MCS-51介紹············································2

       2.1.1主要功能···················································2

       2.1.2 MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)······································3

       2.1.3引腳信號···················································5

2.2 ADC0809的介紹·················································7

三、硬件電路的設(shè)計··················································9

3.1溫度檢測原理的設(shè)計·············································9

   3.1.1溫度測量··················································9

   3.1.2溫度部分電路圖············································10

   3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換部分電路圖·········································11

3.2脈搏檢測原理的設(shè)計·············································11

   3.2.1 ST188光電傳感器介紹·······································11

   3.2.2 脈搏測量部分仿真··········································13

3.3 LCD顯示電路的設(shè)計·············································14

   3.3.1 LCD1602簡介···············································14

   3.3.2 LCD1602與單片機連接的電路圖······················16

四、軟件設(shè)計·························································17

4.1主程序流程圖····················································17

4.2部分程序························································18

五、結(jié)論······························································19

附錄一································································20

附錄二································································30

附錄三································································31

一、總體方案

1.1方案論證及系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)設(shè)定兩種工作方式：人體體溫檢測和指尖脈搏檢測。指尖脈搏檢測采用ST188光電傳感器將脈搏的跳動轉(zhuǎn)換成單片機可以接受的脈沖信號，每跳動一次就產(chǎn)生一個脈沖，利用單片機計數(shù)功能對信號進行計數(shù)，十秒鐘進行一次采樣，得到人體每分鐘的脈搏跳動次數(shù)。人體體溫檢測使用MF58系列熱敏電阻進行溫度測量，將輸出電壓通過ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，利用溫度與電壓之間的關(guān)系得到當前的溫度值。測得的脈搏、溫度數(shù)據(jù)通過LCD1602進行顯示。

該方案可以有效、實時的測量脈搏、體溫這些要求監(jiān)測的參數(shù)，能夠達到系統(tǒng)設(shè)計的各項指標，設(shè)計方案切實可行。

1.2總體方案圖

二、硬件選擇

2.2 ADC0809的介紹

       本系統(tǒng)采用ADC0809與ST188光電傳感器組成脈搏測量系統(tǒng)。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。

ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

           圖4  ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由圖4可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。

引腳圖如圖5所示。

        圖5 ADC0809引腳圖

•      IN0~IN7：8條模擬量輸入通道
•      ALE：地址鎖存允許輸入線，高電平有效。
•      A,B,C為地址輸入線，用于選通IN0~IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表1所示：
  

           表1  通道選擇表

• ST為轉(zhuǎn)換啟動信號
• EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號
• OE為輸出允許信號
• CLK為時鐘輸入信號線
• VREF(+),VREF(-)為參考電壓輸入
  

三、硬件電路的設(shè)計

3.1溫度檢測原理的設(shè)計

3.1.1溫度測量

     溫度測量原理圖如圖6所示。

圖中Rt為負溫度系數(shù)熱敏電阻，R1=R3,R5=R7,R6=R8,R4=R2(R2為Rt在25℃時的電阻值)，R5//R6>>Rt，由電路理論知識不難得到

   (1-1)

由上式可知在25℃時，Vo=0V，適當調(diào)整R6(R8)和R5(R7)的比值，容易做到45℃時，Vo=Vc=5V。

事實上，只要取

    (1-2)

   式中，R為溫度為45℃時Rt的值。從而溫度在25~45℃變化時，輸出電壓Vo變化范圍是0~5V。

   可以根據(jù)熱敏電阻阻值和溫度的關(guān)系以及Vo和阻值的關(guān)系，事先制作一張Vo（V）~t（℃）的關(guān)系表，存入單片機內(nèi)部ROM中，以便通過查表的方式根據(jù)電壓值得到溫度值。

3.1.2  溫度部分電路圖

               溫度部分硬件電路如圖7所示。

                 圖7   溫度部分硬件電路圖

      3.1.3   A/D轉(zhuǎn)換部分電路圖

                A/D轉(zhuǎn)換部分電路圖如圖8所示。

                    圖8  A/D轉(zhuǎn)換部分電路圖

3.2脈搏檢測原理的設(shè)計

      3.2.1  ST188光電傳感器介紹

• 特點：
  

1．采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。

2．檢測距離可調(diào)整范圍大，4-13mm 可用。

3．采用非接觸檢測方式。

• 底視圖與內(nèi)部電路示意圖如圖9所示。
  

圖9  底視圖與內(nèi)部電路示意圖

                       左邊是光電二極管的外形圖，由發(fā)射二極管和接收管組成，如右圖的電路示意圖。A、K是紅外發(fā)射二極管的正負極，C、E是接收管的正負極。

                        因此只要A極接高電平、K極接低電平，紅外發(fā)射管就能發(fā)出紅外線。可以在傳感器加上外圍電路來檢測接收管的信號，進而確定是否接受到反射回來的紅外線。

• 常用電路圖如圖10所示。
  

                        根據(jù)反射式紅外光電傳感器的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們可以設(shè)計下面的電路，電阻主要起限流作用，電阻值常設(shè)置R1=510Ω，R2=20kΩ。這樣，如果接收管接收到反射回來的紅外線，紅外接收頭導(dǎo)通，E管腳輸出高電平，接近Vcc；如果沒有沒有接收到反射回來的紅外線，紅外接收頭不導(dǎo)通，E管腳輸出低電平，接近GND。

圖10  ST188常用電路圖

           3.2.2  脈搏測量部分仿真

                脈搏部分Multisim仿真如圖11所示。

如圖所示，電路的輸入部分接上圖的OUT引腳，利用LM358進行信號的放大、濾波和整流，將輸入的信號轉(zhuǎn)換成方波，方便單片機進行計數(shù)。

當輸入1HZ，20mv的正弦信號，轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖12所示。

圖11   脈搏部分電路仿真

圖12  脈搏部分仿真結(jié)果

3.3  LCD顯示電路的設(shè)計

      3.3.1  LCD1602簡介

• 引腳功能簡介
  

1腳：Vss，電源地。

2腳：Vdd，電源正極。

3腳：Vee，液晶顯示器對比度調(diào)整端，接電源端時，對比度最弱，接地時對比度最高。對比度過高會產(chǎn)生“鬼影”，使用時，可通過一個10KΩ的電位器調(diào)整對比度。

4腳：RS，數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時，選擇指令寄存器。

5腳：R/,讀寫信號線。高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。4腳和5腳聯(lián)合作用的功能如表2所列。

6腳：E，使能端。當E端為下降沿時，液晶模塊寫指令或?qū)憯?shù)據(jù)；當E為高電平時，為讀狀態(tài)或讀數(shù)據(jù)。表3所列為4~6腳共同作用實現(xiàn)的功能。

7~14腳：DB0~DB7，8位雙向數(shù)據(jù)線。

15腳：背光源正極。

16腳：背光源負極。

表2  4腳和5腳共同作用實現(xiàn)的功能表

表3   4~6腳共同作用實現(xiàn)的功能表

• 常用指令集
  

清屏指令；

光標歸位指令；

進入模式設(shè)置指令；

顯示開關(guān)控制指令；

設(shè)定顯示屏或光標移動方向指令；

功能設(shè)定指令等。

     3.3.2  LCD1602與單片機連接電路圖

            1602與單片機連接如圖13所示。

圖13  LCD1602與單片機連接圖

四、軟件設(shè)計

4.1主程序流程圖

4.2部分程序

   部分程序如圖14所示。

                      圖14  部分程序

五、結(jié)論

通過這次設(shè)計的多參數(shù)床邊監(jiān)護系統(tǒng)，對單片機的認知更進一步，在剛開始的時候因為資料沒有查找清楚，浪費了一個月的時間在DS18B20上面，經(jīng)過老師的指導(dǎo)，才意識到溫度傳感器不能夠準確的測量溫度值，存在很大的誤差。需要用到熱敏電阻進行AD轉(zhuǎn)換讀取溫度值。在得到新的方案后開始設(shè)計電路圖進行編程，在編程仿真過程中，存在一個溫度值一直無法準確讀出的問題，經(jīng)過自己一天的查找，發(fā)現(xiàn)問題在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后的查表部分，所以經(jīng)過半天的修改，因為調(diào)用子程序過多，導(dǎo)致問題的出現(xiàn)，所以及時的將程序改成順序結(jié)構(gòu)，減少子程序的調(diào)用，這么做雖然沒有問題，但增加了程序，占用的內(nèi)存也會變多，對于存在的這一問題將會在以后的學(xué)習(xí)中進一步改進。通過這次課設(shè)，學(xué)到了一下幾個方面：首先。得到一個問題之后要及時的查找資料，找到最適合這個問題的設(shè)計，不能因為偷懶減少計算量而使用不精確的元件，其次就是遇到問題要冷靜的分析問題，不能焦躁，一步一步的將問題拆分，細化，找到問題的所在。最后，要學(xué)會自主分析，不能輕信他人的語言，本次課設(shè)屬于你自己的課設(shè)，別人只是給你提意見，并不能夠完整的理解你所設(shè)計的問題，如果百分百的相信他人，那么你自己什么都沒有學(xué)會，而且容易被誤導(dǎo)。以上就是我對本次設(shè)計的總結(jié)。

附錄一

源程序：