摘要

本設計是在PROTEUS環境下完成的，以熱敏電阻、ST188光電傳感器、ADC0809、AT89C51單片機、LCD1602液晶顯示屏等構成的多參數實時生理參數監測系統的硬件電路及軟件系統的設計。本文介紹了PROTEUS和Keil軟件，熱敏電阻、AT89C51單片機和LCD1602等的性能、結構特點以及工作原理。該系統可以完成對溫度、心率等參數的采集、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單片機內部結構······································3

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

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

三、硬件電路的設計··················································9

3.1溫度檢測原理的設計·············································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轉換部分電路圖·········································11

3.2脈搏檢測原理的設計·············································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、軟件設計·························································17

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

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

五、結論······························································19

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

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

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

一、總體方案

1.1方案論證及系統工作原理

本系統設定兩種工作方式：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換成單片機可以接受的脈沖信號，每跳動一次就產生一個脈沖，利用單片機計數功能對信號進行計數，十秒鐘進行一次采樣，得到人體每分鐘的脈搏跳動次數。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轉換，將模擬量轉換成數字量，利用溫度與電壓之間的關系得到當前的溫度值。測得的脈搏、溫度數據通過LCD1602進行顯示。

該方案可以有效、實時的測量脈搏、體溫這些要求監測的參數，能夠達到系統設計的各項指標，設計方案切實可行。

1.2總體方案圖

二、硬件選擇

2.2 ADC0809的介紹

       本系統采用ADC0809與ST188光電傳感器組成脈搏測量系統。ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關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轉換器，可以和單片機直接接口。

ADC0809的內部邏輯結構如圖4所示。

           圖4  ADC0809內部結構圖

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

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為轉換啟動信號
• EOC為轉換結束信號
• 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、硬件電路的設計

3.1溫度檢測原理的設計

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。

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

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轉換部分電路圖

                A/D轉換部分電路圖如圖8所示。

                    圖8  A/D轉換部分電路圖

3.2脈搏檢測原理的設計

      3.2.1  ST188光電傳感器介紹

• 特點：
  

1．采用高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。

2．檢測距離可調整范圍大，4-13mm 可用。

3．采用非接觸檢測方式。

• 底視圖與內部電路示意圖如圖9所示。
  

圖9  底視圖與內部電路示意圖

                       左邊是光電二極管的外形圖，由發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，紅外發射管就能發出紅外線。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。
  

                        根據反射式紅外光電傳感器的原理和內部結構，我們可以設計下面的電路，電阻主要起限流作用，電阻值常設置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，將輸入的信號轉換成方波，方便單片機進行計數。

當輸入1HZ，20mv的正弦信號，轉換的結果如圖12所示。

圖11   脈搏部分電路仿真

圖12  脈搏部分仿真結果

3.3  LCD顯示電路的設計

      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。對比度過高會產生“鬼影”，使用時，可通過一個10KΩ的電位器調整對比度。

4腳：RS，數據/命令選擇端，高電平時選擇數據寄存器，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，液晶模塊寫指令或寫數據；當E為高電平時，為讀狀態或讀數據。表3所列為4~6腳共同作用實現的功能。

7~14腳：DB0~DB7，8位雙向數據線。

15腳：背光源正極。

16腳：背光源負極。

表2  4腳和5腳共同作用實現的功能表

表3   4~6腳共同作用實現的功能表

• 常用指令集
  

清屏指令；

光標歸位指令；

進入模式設置指令；

顯示開關控制指令；

設定顯示屏或光標移動方向指令；

功能設定指令等。

     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、結論

通過這次設計的多參數床邊監護系統，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，經過老師的指導，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轉換讀取溫度值。在得到新的方案后開始設計電路圖進行編程，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，經過自己一天的查找，發現問題在AD轉換結束后的查表部分，所以經過半天的修改，因為調用子程序過多，導致問題的出現，所以及時的將程序改成順序結構，減少子程序的調用，這么做雖然沒有問題，但增加了程序，占用的內存也會變多，對于存在的這一問題將會在以后的學習中進一步改進。通過這次課設，學到了一下幾個方面：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，要學會自主分析，不能輕信他人的語言，本次課設屬于你自己的課設，別人只是給你提意見，并不能夠完整的理解你所設計的問題，如果百分百的相信他人，那么你自己什么都沒有學會，而且容易被誤導。以上就是我對本次設計的總結。

附錄一

源程序：