基于51单片机的心率脉搏体温计设计（一）_心率计工作方案选择和论证

摘 要

生物医学信号指标与人体的健康息息相关，只有掌握其中规律才能更好的解决人体的健康问题。随着电子信息技术的发展和医学的不断进步，人们对高精度便捷式生物医学信号电子检测设备的需求越来越高。而心率和体温又是人体的两个重要指标，基于此原因，本次综合设计按照现在发展的需要设计一款基于51单片机的心率体温计，主要用来监测人体的心率和体温。
本文提出了基于51的单片机的具有实时检测脉搏心率和体温的实用型脉搏心率、体温计。从可实现性和经济性的方面考虑，决定采用STC89C52单片机作为设计的主控芯片，使用心率传感器进行心率的采集，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，并且通过采用DS18B20温度传感器对当前体温的采集。采集信号经过单片机处理后输出给LCD1602显示模块实时显示当前心率和体温。通过播报按键进行对当前心率和体温的播报以及通过HC05蓝牙模块无线远程发送数据到手机端进行显示。经测试，系统工作正常，达到设计要求。
**关键词：**STC89C52单片机；心率体温；蓝牙模块；语音播报

目 录

1.  设计任务	1
1.1  任务描述	1
1.2  技术指标	1
1.3  难点分析	1
2.  方案比较与论证	2
2.1  方案选择及其论证	2
2.2  小结	4
3.  系统硬件设计	5
3.1  总体设计	5
3.2  硬件模块电路分析	5
3.3  发挥部分设计	9
3.4  电路原理图	10
3.5  小结	12
4.  系统仿真与软件设计	13
4.1  仿真设计与分析	13
4.2  工程文件	15
4.3  软件设计	15
4.4  小结	16
5.  系统组装与调试	17
5.1  电路焊接	17
5.2  样机调试	19
5.3  样机功能	19
5.4  发挥部分测试结果	20
5.5  数据上传APP	22
5.6  小结	23
6. 结论	25
参考文献	26
附录	27
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1. 设计任务

针对人体的生物医学信号体温、心率的检测，本文设计了一款能够测量脉搏心率、体温的简单实用型脉搏心率、体温计，能够居家测量自己的身体健康情况。

1.1 任务描述

设计一个具有实时检测脉搏心率和体温的实用型脉搏心率、体温计，设计要求具体如下：
1、能够测量人体1分钟的脉搏心率数，并以数字显示；
2、测量脉搏心率范围：50-180次/分，数据刷新时间< 3秒；
3、能够检测体温，检测范围为35°C－45°C，用数字显示，示数分辨率0.1°C。
4、设置脉搏心率上下限，当超过范围区间，蜂鸣器报警。
5、实现语音报数功能。
6、能够将数据定时上传给社区医生。

1.2 技术指标

评估该脉搏心率、体温计的好坏有以下指标：
1、单位时间内的脉搏心率数；
2、脉搏心率检测值的范围；
3、体温的范围；
4、脉搏心率测量值的刷新时间；
5、测得体温值的精确度；
6、按键调节脉搏心率上下限的响应速度。

1.3 难点分析

在设计实时脉搏心率、体温计过程中，遇到一些难点如下：
1、蓝牙模块HC-05和语音模块SYN6288都是采用TX和RX进行与STC89C52单片机数据传输，它们都是用串口发送，进行数据上传和语音播报。一开始，我通过串口定时发送数据通过蓝牙发送到手机端APP，在连上SYN6288语音模块后，发现播报总是播报到一半就重复下一个。之后我考虑在脉搏心率上下限的按键的基础上，增加了P1.3的按键来控制播报和数据上传，从而有效的解决这个问题。
2、数据上传手机端，开始我们的方案是采用ESP-8266 WIFI模块进行将51单片机的心率、体温数据上传到手机端APP，但是我们在对ESP-8266 WIFI模块进行AT测试的时候正常进行，可是通过手机APP与WIFI模块进行连接时，总是连接后几秒后断开。在我们小组商量考虑下，我们选择了蓝牙模块HC-05，我们对其也同样进行AT测试都非常成功，最终通过手机端APP对其进行蓝牙连接，我们测量的体温、脉搏心率数据成功地实时发送到手机端APP。
3、Keil程序的烧录以及可能在调试过程中出现的异常报错也是我们在设计过程中遇到的难点。

2. 方案比较与论证

本次脉搏心率、体温计设计，需要多个模块组成，包括主控模块，测温模块，脉搏心率模块，LCD显示模块，语音播报模块，无线传输模块，蜂鸣器模块。由于各个模块的相关芯片有多种选择，因此方案选择与论证与各个模块选择决定了脉搏心率、体温计产品的性能指标、费用成本及其开发难度。
2.1 方案选择及其论证
2.1.1 主控模块的芯片选择
方案一：主控芯片采用MSP430单片机。MSP430F149是美国德州仪器（TI）推出的一种16位具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表等领域。但是其成本太高，所以舍弃。
方案二：主控芯片采用ST公司的STC89C52单片机作为主控制器，STC89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。该单片机功耗低、接口丰富，成本低廉，完全能满足本设计要求。
方案三：主控芯片采用AT89C51单片机。AT89C51芯片是由美国ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能、带4KFlashMemory的8位CMOS单片微型计算机芯片，下载程序需要专门的高压编程器，市面上使用的也不多，现在已经停产，故舍弃。
以上三种方案中，方案二的STC89C52单片机可以进行灵活编程、烧录，为系统的调试提供更高的便利性，因此选择方案二。

2.1.2 测温模块的芯片选择

方案一：采用PT100铂电阻温度传感器，此传感器属于电阻式传感器，它的电阻随着温度的变化而变化。它性能比较稳定，测量范围达到-200℃~850℃，但是转换关系较复杂。PT100自身体积较大，温度变化时，反应速度会减慢，如果环境变化温度较快时，将会有部分的中间温度会被直接过滤掉，使实时温度信息不准，实时性较差。

方案二：采用AD590，AD590是现在温度测量较为常见的温度传感器，测量精度高、温度范围宽，但是成本很高，一般的廉价应用上不会使用。AD590是电流型温度传感器，在检测温度变化时，其两端的输出电流会有相应的改变。当然AD590的体积也稍大，也会有高速温度变化时产生出滤波效果，实时性降低。

方案三：采用DS18B20， DS18B20是数字式的温度传感器，测量的温度范围较广，精度高，成本低，稳定性较好。DS18B20采用单总线通信，减少了I/O的占用数量，减少了外围电路，通信简单。DS18B20的集成度高，体积较小。因为其体积小，可以测量到的温度值变化快，实时性较好。

以上三种方案中，方案三的DS18B20成本低，稳定性好，且体积小测温精度高，故选择方案三

2.1.3 显示方案选择

方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字十分合适,采用动态扫描法与单片机连接时,虽然占用的单片机口线少，电路简单，性价比较高。

方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,若采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高。

方案三：LCD液晶显示，由单片机驱动，它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，同时液晶显示器的编写程序简单，价格便宜，故采用此种方案。

以上三中方案中，采用LCD1602液晶显示可显示大量符号、数字,清晰可见,而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强，故选择方案三。

2.1.4 脉搏心率模块选择

方案一：采用压力传感器采集心率信号，压力传感器传出的电信号比较微弱，测量难度大，且容易受外界干扰。
方案二：采用光电传感器，PulseSensor 是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。佩戴在手指、耳垂等处，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量。传感器对光电信号进行滤波、放大，最终输出模拟电压值。单片机通过将采集到的模拟信号值转换为数字信号，再通过简单计算就可以得到心率数值。方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。
方案二性价比高，且精确性可靠性高，故选择方案二

2.1.5 无线传输模块选择

方案一：使用WIFI模块进行本系统数据的无线传输。采用esp8266，esp8266 的工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，能适应各种操作环境，且成本较低。这是Wi-Fi网络一个非常有用的装置，但它也有一些限制，因为它需要外部逻辑电平换，因为它不支持5至3V逻辑改变。
方案二：使用蓝牙模块进行本系统数据的无线传输。采用HC-05 模块，是 ALIENTEK 生成的一款高性能主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP 等智能终端配对，该模块支持非常宽的波特率范围：4800~1382400，并且模块兼容 5V 或 3.3V 单片机系统。但是是点对点数据通讯，适用范围较窄。
在实际使用中，我们一开始采用了WiFi模块，后来因为设备问题连接不稳定经常断开，改为使用hc-05蓝牙模块

2.1.6 蜂鸣器模块

采用无源蜂鸣器，内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音

2.1.7 语音播报模块

方案一：采用SYN6288芯片，SYN6288中文语音合成芯片是背景宇音天下科技有限公司与2010年初推出的一款性价比更高，效果更自然的一款中高端语音合成芯片。SYN6288通过异步串口（UART）通信方式，接收待合成的文本数据实现文本到语音（或TTS语音）的转换。
方案二：JQ8900-16P，24位DAC输出，内部采用DSP硬件解码，灵活更换SPI-Flash中的语音内容，形如U盘，便于语音内容的烧录处理，有多种控制模式，支持U盘，TF卡，SPIFLASH等。
这里采用方案一，JQ8900-16P的功能十分齐全，但是SYN8266相对于这次实验性价比更高，不需要JQ8900-16P的过多功能。

2.2 小结

根据前一节分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：

1. 采用STC89C52单片机作为控制器，分别对输入、显示、信号的处理和控制。
2. 显示用LCD1602液晶显示显示实时脉搏数和温度。
   3.蓝牙无线数据传输。
   4.防水DS18B20检测当前体温。
   5.光电传感器采集心率信号。
   6.SYN6288实现对体温、心率的播报。

3. 系统硬件设计

设计系统硬件从基本功能出发，采用STC89C52作为处理芯片，通过温度传感器DS18B20、心率传感器读取数据，将数据通过单片机数据分析显示在LCD1602显示屏上，并且进行语音播报、通过HC-05蓝牙模块连接手机APP，将读取的信息发送到手机端，以便在手机端查看。

3.1 总体设计

脉搏心率、体温计系统的设计组成：
1、单片机STC89C52最小系统板作为系统的控制中心，负责对各个传感器接收的数据进行处理和输出到LCD1602显示模块显示数据，并且通过串口传输数据；
2、Pulsesensor脉搏心率传感器模块，原理是通过光电传感器对人体心率进行测量，并且输出人体心率波形；
3、ADC0832模数转换将Pulsesensor脉搏心率传感器测出的模拟量转换为数值量显示出来；
4、DS18B20数字温度传感器模块，测量出当前人体体温的温度；
5、LCD1602液晶显示模块，直观地显示当前人体心率值和温度值，并且显示初始界面；
6、按键模块，用于实现进入菜单调整心率上下限、体温上下限和语音播报当前心率和体温功能；
7、蜂鸣器模块，实现超限报警功能；
8、SYN6288语音播报模块，用于当前的体温和心率进行语音播报；
9、HC-05蓝牙模块，通过串口将单片机发送的心率、体温的数据实时上传到手机端APP。

3.2 硬件模块电路分析

3.2.1 主控模块单片机STC89C52芯片
控制芯片是控制整个系统正常运作的主要模块，在考虑功能实现的基础下和整体的性价比下，本系统选用51系列单片机中STC89C52芯片作为主控芯片。
STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

3.2.2 DS18B20 数字温度传感器模块

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件成本低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样等等。
此传感器拥有-55℃至+125℃的温度检测范围，在超过-10℃至 85℃之外的温度范围时，此传感器仍±0.5℃的精度。本设计采用的防水型DS18B20 数字温度传感器模块实物图，如图3-2所示：

3.2.3 LCD1602液晶显示模块

LCD1602 (Liquid Crystal Display)液晶显示屏，它是字符型液晶显示模块，拥有对ASCII码标准字符和其它内置特殊字符的显示功能。它拥有8个自定义字符显示容量: 16x2个字符， 每个字符为5*7点阵。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。

3.2.4 Pulsesensor脉搏心率传感器模块

Pulsesensor脉搏心率传感器是用来测试心跳速率的传感器，实质是一款集成了放大电路和噪声消除电路的光学心率传感器。传感器可以戴在手指或者耳垂上。光电传感器将脉搏信号转换为电信号，此装置需要把手指放在传感器表盘上，光电传感器，此传感器是集成了放大电路和噪声消除电路的光学心率传感器，光电传感器一侧的发光二极管发光，当脉搏跳动时，指尖或者耳垂的动脉血管血容量发生周期性变化，透过指尖的光强度同时发生变化。另一侧的光电三极管将接收到的红外光信号转化为电信号，并通过IO口输出波形。
Pulsesensor脉搏心率传感器模块实物图如下所示。

Pulsesensor脉搏心率传感器理论上输出的波形如下：

3.2.5 HC-05蓝牙串口通信模块

HC-05模块是主从一体的，而且性能较高，可以与PDA、手机、电脑等具有蓝牙功能的设备实现配对，该模块所支持的波特率范围非常大，为4800~1382400，而且该模块和3.3V或5V的单片机系统相兼容，极其方便、灵活。
蓝牙HC-05模块实物图如下所示：

3.2.6 蜂鸣器模块

采用无源蜂鸣器，内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音。
蜂鸣器实物图如下所示：

3.2.7 SYN6288语音播报模块

采用SYN6288芯片，SYN6288中文语音合成芯片是背景宇音天下科技有限公司与2010年初推出的一款性价比更高，效果更自然的一款中高端语音合成芯片。SYN6288通过异步串口（UART）通信方式，接收待合成的文本数据实现文本到语音（或TTS语音）的转换。
SYN6288语音播报模块实物图如下图所示：

3.3 发挥部分设计

3.3.1 按键设置体温上下限
本设计任务要求为实现设置脉搏心率上下限，我们通过按键K1、K2、K3来设置脉搏心率上下限的同时，增加了对体温上下限的设置（如下图3-9所示），我们在按键K1来设置人体体温上下限模式，K2、K3来进行加减上下限，若体温小于下限或体温高于上限，蜂鸣器也会警报。

3.3.2 按键实现语音播报且将数据上传手机端

本设计任务要求是为实现语音报数功能，我们通过按键K4来控制SYN6288语音合成模块，已经串口发送数据到手机端APP（如下图所示）。

3.4 电路原理图

心率脉搏、体温计系统的所有模块电路原理图如下图3-10所示：

3.4.1 单片机最小系统电路

主控电路在本系统承担了收集脉搏和温度信息，完成对温度和脉搏上下限的控制，并操控蜂鸣器发声，接受按键的信息，输出液晶显示屏显示，并控制串口的信息传输。
以下为单片机最小系统的电路接法：

3.4.2 心率检测传感器接口电路

ADC0832就是一个把模拟电路转换成数子电路。具有多通道高精度特点。把当前的模拟信号输入端接入AD的随意一个通道。通过采集的电压变化时，AD就会输出不同的电压。ADC0832是一个分辨率为256。所以在计算5/256每一个值是多少，然后就在lcd1602上来显示就可以了。在我们经常用的的时候把模拟信号转换为数字信号进行输出。转换的原理是采取样板、保持电路的模拟量和量化。
在正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS,CLK,DO.DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同事有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计将DO和DI端并联在一根数据线上使用。当进行A/D转换时，必须将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。最后将CS置高平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了，通过ADC0832模数转换把心率模拟量转换为数值亮显示出来。
下图为脉搏心率传感器和ADC0832连接方式：

3.4.3 防水型温度传感器检测电路

DS18B20 通过一个单线接口发送接收信息。10K电阻为上拉电阻，保证DS18B20传感器数据读取更稳定。下图为DS18B20的接线图：

3.4.4 SYN6288语音合成模块电路

SYN6288中文语音合成芯片是一款性价比高，语音合成更自然，面向中高端应用领域的语音合成芯片。 SYN6288通过异步串口接收待合成的文本，实现文本到声音的转换。
SYN6288语音合成模块电路原理图如下：

3.5 小结

本系统连接方式均以模块电路接线，为方便对电路的更改和改进，未使用制作集成PCB电路。

4. 系统仿真与软件设计

在进行硬件电路设计前对该系统设计的仿真文件。

5 系统组装与调试

这两节后面进行更新，如果需要过程和代码步骤，请④or滴滴作者