接口实验报告-基于51单片机的脉搏温度测试系统-

摘要I接口实验报告题目：脉搏波体温自动采集系统院（系）：电子工程与自动化学院专业：仪器仪表工程学生姓名：学号：指导老师：李智职称：教授20年8月28日摘要本文介绍了一种基于51单片机的心率体温采集系统。首先介绍了51系列单片机的内部相关配置、工作原理以及编程方法，其次介绍了温度传感器PT100的相关测温方法以及通过红外光电传感器TCRT5000对射的方法来抓取人体脉搏信号。此次设计的电路部分主要包括：传感测量电路、放大电路、滤波整形电路、AD转换电路、控制电路、电源供电电路等。上位机为通过VC编程界面。通过上位机按键控制，将PT100及TCRT5000输入的微弱信号进行放大整形，最后AD采集转换传送给单片机，在上位机界面上显示相关体温及心率信息。本次硬件设计基于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且详细分析了红外传感器TCRT5000应用于心率测量上以及PT100应用于温度测量上的原理及优点，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点，并且通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计，使得本次课题的预期结果得以实现。关键词：51单片机；传感器；仿真；AD转换AbstractIIIAbstractThispaperintroducedaheartrateandbodytemperatureacquisitionsystemthatbasedon51singlechipmicrocomputer.Firsttheinternalconfigurationsof51singlechipmicrocomputerareintroduced.Andthepaperalsotellhow51singlechipmicrocomputerworksandhowcanweprogramonit.ThenthemethodofusingtemperaturesensorPT100togetbodytemperatureisintroduced,andweuseinfraredphotoelectricsensorTCRT5000togetthepulsesignalofhumanbody.Thedesignofthecircuitmainlycomprisessensingcircuit,amplifyingcircuit,filteringandshapingcircuit,ADconvertingcircuit,countinganddisplayingcircuit,controllingcircuit,powersupplyingcircuitandsoon.Whenthekeyboardispressed,thesystemstartstogetsignal.ThesmallsignalfromPT100andTCRT5000willbeamplifiedandshaped.Thenadconverterwillchangetheanalogsignalintodigitalsignalandsendto51singlechipmicrocomputer.AtlastLCD1602willdisplaytheinformationofbodytemperatureandheartrate.Keywords:Piezoelectricsensors；controlcircuit；counters；Multisim2001simulationsoftwarecontrolcircuit.IV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1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2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DS18B20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。3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，并传送给上位机进行相关显示，达到可以查看的目的。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