目录
一、方案流程及技术规格书设计
二、系统硬件电路设计
三、软件编写及调试
四、系统调试测试与分析
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前言
? ? ? ?人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。随着科技发展的不断提高，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，出现了各种新颖的脉搏测量仪器，使脉搏测量变得非常方便和精确。
? ? ? ?随着我国社会老龄化的到来，城市中大量独居老人的健康监护问题越来越突出。心血管疾病作为老年人疾病中比例较高的病症，许多病情较轻的病人由于未及时进行检查，错过了宝贵的诊治机会，导致病情加重，严重者可能引起中风甚至危及生命。通过分析官方报道出的数据，心血管疾病每年导致全世界1500万人死亡，成为导致死亡的主要原因。即使当前国内医疗设备已较为先进完善的前提下，心血管发病率仍然逐年提高，并且事实上，该病的发病人群也呈现年轻化的趋势。
? ? ? ?脉搏远程监测报警系统的实现，可以避免患者的时间和金钱上的浪费，提高治疗效率；另一方面可以让患者在日常中更熟悉自身身体状况，即促进医务人员与患者之间的交流合作，提高病院服务水准的同时也降低了医患矛盾产生的概率。
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软件工具准备
软件：
电路设计：protel99 se(up主使用版本) 或者其他版本，或者其他电路设计软件；
单片机开发：Keil5；
调试测试：串口调试助手，逻辑分析仪等；
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工具：
电路焊接：电烙铁，SMT（有条件的）；
调试：
万用表、示波器（基础入门即可，可以白嫖学校或者公司）USB转串口工具、仿真器；
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一、方案流程及技术规格书设计
1.1 方案流程设计
1.2 技术规格书设计
1.?脉搏信号由光电脉搏传感器模块进行采集；采集后的信号经过放大（滤除50HZ信号的干扰），进行整形后，得到幅值在0~5v的脉冲信号。
2.脉冲信号输入单片机，单片机处理相关数据并在LCD液晶显示。
3.有报警信息，报警信息通过GSM模块发送给指定手机。
4、按键可以设置报警值。
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二、原理图和PCBA版图设计及解析
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2.1微处理控制电路
? ? ? 单片机是系统的核心，单片机电路一般有复位电路、晶振时钟电路等，本设计采用宏晶公司IAP15F2K61S2单片机芯片，其内部有上电复位电路和内部时钟电路，所以设计省去外部复位电路和外部晶振。设计采用LQFP32封装，电路图如图3.1所示：
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??????????????????????????????????????????????????????????????图3.1 微控制器电路
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2.2脉搏传感器电路
? ? ? ?脉搏传感器以一体化模块方式，其模块自身有信号采集、放大和处理电路，所以和单片机接口比较简单。设计采用一个3脚插座形式连接传感器。1脚是脉搏模拟信号输出脚，连接单片机AD转换口，2脚是传感器供电脚，连接VCC5V电压，3脚接地。手指未接触传感器时，输出固定电压2.5V，当手指接触传感器时，由于脉搏跳动，手指血液浓度不同，光电传感器输出高低感应信号，经放大处理后，在传感器模块1脚输出类似三角波的波形。模块输出模拟信号，电路如图3-2：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
???????????????????????????????????????????????????????????????图3.2 脉搏传感器电路????????
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2.3 LCD显示电路
? ? ? ?液晶显示是LCD1602A模块，LCD1602A模块自身有LCD驱动集成电路（HD44780液晶芯片）电源电路等，与LCD模块接口是16脚插座，电路如图3.3：
?????????????????????????????????????????????????????????图3.3 LCD1602A显示电路图
? ? ? ? R2电位器10K起分压作用，电位器采用3296多圈电位器，调节精度高，接口2脚是提供液晶显示偏压，电压大小调节显示对比度。C15是液晶供电滤波电容，接VCC和GND之间。15、16脚是背光源供电，15脚接正，R21是背光限流电阻，其大小可以调节背光亮度。其他是和单片机连接的数据和控制脚，RS脚是选择命令还是数据。RW是读写选择。E是片选信号。D0-D7是数据线。
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2.4按键电路
???非自锁机械按键按下时2个脚导通，松开按键，2个脚断开。本设计4个按键，没有按下按键时，由于上拉电阻作用，对应IO口是高电平，按键按下，按键导通，对应IO口接地，是低电平。单片机检测各个按键IO口电平，判断按键状态。按键功能是设置脉搏报警高限和低限。电路如图3.4：
????????????????????????????????????????????????????????????????????图3.4按键电路图?
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2.5 ?LED指示报警电路
? ? ? LED指示报警电路连接单片机P32，正常工作时，P32输出高电平，点亮LED。当报警时，P32输出1HZ方波，使单片机闪烁显示。电路如图3.5。
?????????????????????????????????????????????????????????????????图3.5 LED灯电路图
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2.6蜂鸣器驱动电路
? ? ? ?蜂鸣器连接单片机P33口，单片机IO口驱动能力有限，所以加三极管驱动电路，R3是限流电阻。采用无源蜂鸣器，蜂鸣器不响时，P33口输出低电平，Q1不导通，没有电流流过蜂鸣器，P33口输出4KHz方波时，Q1在P33高电平时导通，低电平时不导通。蜂鸣器流过电流也是4KHz，所以蜂鸣器响。R10可以调节流过蜂鸣器电流大小，即调节蜂鸣器声音大小。电路如图3.6。
????????????????????????????????????????????????????????????图3.6 蜂鸣器驱动电路图
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2.7 GSM电路
? ? ? ? 设计采用GA6-B通信模块，模块已经集成了射频天线、SIM卡，GSM模块和单片机接口只是串口。由于GSM模块的IO口是3.3V，不能直接和单片机5V的IO口连接，需要电平转换电路。TXD2、RXD2连接单片机串口，U_RXD、U_TXD连接模块串口。接口电路如图3.7：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图3.7 GSM通讯模块和电平转换电路
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2.8电源电路
? ? ? ? 系统采用外部9V电源适配器供电，单片机和液晶等需要5V稳定的电压供电，9V降压到5V采用常见的7805三端稳压集成电路。7805三端稳压电路的优点有：1、纹波抑制比高。2、内部有过热、短路保护。安全可靠。3、价格便宜。4、所需的外围元件极少，外部元件只需输入滤波电容和输出滤波电容。
? ? ? ? 三端稳压集成电路7805只有3个脚，1脚输入、2脚接地、3脚输出。直流经过7805稳压输出5V，C3输入滤波电容、C6输出滤波电容。电路如图3.8。
???????????????????????????????????????????????????????????????图3.8 7805稳压电路
GSM模块接口电平是3.3V，所以需要3.3V电源。设计采用AMS1117稳压电路，电路如图3.9。
?????????????????????????????????????????????????????????图3.9 ?AMS1117稳压电路
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三、软件编写及调试
?3.1 主程序设计
? ? ? ?脉搏测试和报警系统完成的功能有：1、脉搏传感器输入模拟信号进行AD转换，得到数字化的脉搏数据，对转换得到的数据进行分析和计算，得到脉搏值。2、脉搏值和设置的上下限比较，超过正常值就声光报警。3、液晶显示脉搏值和报警信息。4、报警时，GSM模块发送短信到指定的手机。5、按键设置报警上下限。
? ? ? ?软件设计就是编写计算机程序，常用的单片机编程语言有汇编语言和C语言，汇编语言是底层机器语言，适合于编写简单功能程序。目前已经很少使用汇编语言设计应用程序。本设计使用C语言，C语言是高级语言一种，它不但有高级语言的设计容易，易读懂，可移植性还有它能对底层寄存器操作，兼顾了汇编语言的功能，所以非常适合单片机编程。
? ? ? ? 系统上电后，首先关闭总中断，然后对芯片内部AD初始化，定时器初始化，LCD显示初始化，通信模块初始化，完成初始化后，打开总中断。后面循环执行LCD显示程序，AD转换程序，计算程序，按键扫描和处理程序，蜂鸣器报警程序，LED报警程序，GSM模块发送程序。图4-1主程序流程图。
?????????????????????????????????????????????????????????????????图4.1 ?主程序
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3.2 脉搏AD转换程序和计算程序设计
? ? ? ?脉搏数就是一分钟心跳次数，脉搏一般是在60-120之间。也就是每分钟跳动60次到120次，脉搏传感器输出就是跳动周期的脉冲波，二个波峰之间的时间就是脉搏跳动时间，按1分钟60次计算，1秒钟一次，也就是每1秒会出现峰值，按20毫秒采样一次AD值，采样50个值进行比较，就可以得到脉搏峰值，计算2次峰值时间差，然后60000除以时间差，就计算出脉搏值。
? ? ? ?STC15F2K61S2内部集成了AD转换器，所以直接使用内部AD转换器。图4-2是AD转换内部框图。
?????????????????????????????????????????????????????????图4.2 ?AD转换内部框图
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? ? ? ? AD转换共有8个输入通道，模拟开关切换通道，配置ADC_CONTR寄存器的CHS2-CHS0选择通道，本设计采用通道3。STC15F2K61S2的ADC是逐次比较型ADC，逐次比较型ADC由比较器和DAC构成。置位ADC_START位启动AD转换，转换结束硬件置位ADC_FLAG，程序读取ADC_RES和ADC_RESL转换结果寄存器值。完成一次AD转换。ADC必须经过初始化才能使用。图4.3是ADC初始化流程图。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图4.3 ?AD转换初始化流程图
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? ? ? ? 图4.4是AD转换和脉搏计算流程图。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图4.4 ?AD转换脉搏计算流程图
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程序代码：
/***************************
*AD初始化
****************************/
void ADC_init(void)
{
ADC_CONTR = 0x00;
????P1ASF |= (1<<3);
ADC_CONTR |= 0x80; //开启ADC电源
ADC_CONTR |= 0x40; //配置转换时间180时钟周期
????ADC_CONTR |= 0x03; //选择ADC通道3
????CLK_DIV = 0; ?????//配置ADC结果寄存器ADC_RES + ADC_RESL(2BIT)
}
/***************************
*AD转换和脉搏计算
****************************/
void Task_Pulse(void)
{
??????u8 adcFlag;
u16 adcVal;
EA = 0;
??????adcVal = 0;
AdcCount = 0;
????while(AdcCount < 5)
????{
????????ADC_CONTR = 0xcb; //启动
????????adcFlag = ADC_CONTR;
????????adcFlag &= (1<<4);
????????while(adcFlag == 0)
????????{
????????????adcFlag = ADC_CONTR;
????????????adcFlag &= (1<<4);
????????}
????????ADC_CONTR = 0xc3; //关闭AD
????????adcVal = ADC_RES;
????????adcVal <<= 2;
????????adcVal += (ADC_RES&0x03);
????????//AdcRes[AdcCount++] = adcVal;
????}
EA = 1;
????SortSmallToBig(AdcRes, 5);
????AdcResOk = CalAvg(AdcRes, 5);
????Plus(adcVal);
}
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3.3 液晶显示驱动及显示程序设计
? ? ? ?LCD1602A液晶模块使用HD44780液晶芯片。HD44780内置了DDRAM、CGROM 和CGRAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：
| ? | 显示位置 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | … | 40 |
| DDRAM 地址 | 第一行 | 00H | 01H | 02H | 03H | 04H | 05H | … | 27H |
| 第二行 | 40H | 41H | 42H | 43H | 44H | 45H | … | 67H |
? ? ? ?1602A液晶第一行16个字符，地址使用了00H-0FH，第二行16个字符，地址是40H-4FH。如果要在第二行第三列显示1，就在42H写入ASKII字符‘1’就可以。
? ? ? ? 那么，怎么去控制在第二行第三列显示1？，HD44780是提供了11条指令集。
? ? ? ? 下面举一条清屏指令为例：
| 指令功能 | RS | RW | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
| 清屏 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
? ? ? ?RS控制线是区分命令和数据，RS低电平时，是控制命令，RS高电平时，是显示数据。清屏是控制命令，所以RS低。
? ? ? ?RW是读写控制，RW低电平，是写入液晶模块，RW高电平时，是读液晶模块数据。清屏是写入液晶模块，所以RW低。
? ? ? ?D7-D0是数据线数据，清屏是0x01。
? ? ? ?常用的指令有控制显示模式指令0x06，显示开关0x04，功能设置0x38等。
? ? ? ?与LCD控制器通信，首先要实现写命令和写数据功能，图4-5是写LCD命令和数据流程图。
????????????????????????????????????????图4.5 ?写命令（RS=0）和写数据(RS=1)流程图
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程序代码：
/***写命令***/
void cmd_w(uchar cmd)
{
??RW=0;
??RS=0;
??E=1;
??P2=cmd;
??delay(1);
??E=0;
}
/***写数据***/
void dat_w(uchar dat)
{
??RW=0;
??RS=1;
??E=1;
??P2=dat;
??delay(1);
??E=0;
}
1602A液晶模块显示前需要初始化，初始化主要是设置LCD的工作状态。图4-6是LCD初始化流程。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图4.6 ?LCD1602初始化流程图
LCD1602A初始化和其他程序代码：
/***初始化**/
void Lcd1602_init(void)
{
??cmd_w(0x38);
??cmd_w(0x0c);
??cmd_w(0x06);
??cmd_w(0x01);
??cmd_w(0x80); ???
}
/***光标定位****/
void gotoxy(uchar x,uchar y) //x是行数,y是列数
{
?if(x==1)
?{cmd_w(0x80+y);}
?else
?{cmd_w(0xc0+y);}
}
?
void dsp_ch(uchar _ch)?//显示字符
{
dat_w(_ch);
}
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3.4 串口通信和GSM发送程序设计
? ? ? 单片机用串口AT指令控制GSM模块，所以GSM发送程序主要是串口通信程序设计。STC15F2K61S2有2个串口，UART1和UART2。串口1用于程序下载和仿真，所以本设计用串口2和GSM模块通信。
? ? ? ?串口2和GSM模块通信首先需要初始化串口，串口初始化主要是配置工作模式、设置波特率等。图4-7是串口初始化流程图。
?????????????????????????????????????????????????????????图4.7 ?串口初始化流程图
?
串口初始化和通信代码：
#define BAUD ?????9600 ?//波特率
#define SYSTEMCLOCK ?11059200L ?//系统时钟频率
static u8 ?*phone_num = "AT+CMGS=\"15815522222\""; //拨打电话，修改这里可以修改拨打的电话。
/************* ?本地变量声明 **************/
u8 Rx_Buf[32];
u8 RxCount = 0;
u16 count_Delay;
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void Uart2Init(void) //9600bps@11.05926MHz
{
????S2CON = 0x10;
????T2L = (65536 - (SYSTEMCLOCK/4/BAUD)); ??//
????T2H = (65536 - (SYSTEMCLOCK/4/BAUD))>>8;
????AUXR &= (1<<3);//timer
????AUXR |= (1<<2);//fosc
????AUXR |= (1<<4);//TR2
????IE2 |= 1; //ES2 = 1
}
?
/********************* UART2中断函数************************/
void UART2_ISR (void) interrupt 8
{
if (S2CON&0x01)
{
RI = 0; ??????????????????????//清除RI位
Rx_Buf[RxCount] = SBUF; ? ??//将接收到的字符串存到缓存中
RxCount++; ??????????????? ??//缓存指针向后移动
if(RxCount >= 32) ?????? ??//如果缓存满,将缓存指针指向缓存的首地址
{
RxCount = 0;
}
}
if (S2CON&0x02)
{
TI = 0; ?????????????????????????//清除TI位
}
}
/*----------------------------
UART1 发送串口数据
-----------------------------*/
void UART1_SendData(u8 dat)
{
ES=0; //关串口中断
SBUF=dat;
while(TI!=1); //等待发送成功
TI=0; //清除发送中断标志
ES=1; //开串口中断
}
/*----------------------------
UART1 发送字符串
-----------------------------*/
void UART1_SendString(char *s)
{
while(*s)//检测字符串结束符
{
UART1_SendData(*s++);//发送当前字符
}
}
/*********************************************************************
* 函数名 : Second_AT_Command
* 描述 ??: 发送AT指令函数
* 输入 ??: 发送数据的指针、希望收到的应答、发送等待时间(单位：interval_time*20 ms)
*********************************************************************/
?
u8 UART1_Send_AT_Command(u8 *b,u8 *a,u8 wait_time,u16 interval_time) ????????
{
u8 i;
?
CLR_Buf();
i = 0;
while(i < wait_time) ???????????????????
{
UART1_Send_Command(b);
delay_ms(interval_time);
if(Find(a)) ???????????//查找需要应答的字符
{
return 1;
}
i++;
}
return 0;
}
?
3.5 蜂鸣器驱动及报警程序设计
? ? ? ? 报警时，蜂鸣器鸣响，单片机P33脚输出4kHz方波。不报警时，P33脚输出低电平。有2种方式可以输出4KHz方波，1、采用单片机PWM输出功能。2、采用定时器定时翻转IO口电平。其效果是一样的。本设计采用定时器定时翻转方式。图4-8是蜂鸣器报警功能流程图。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图4.8 蜂鸣器报警流程图
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四、系统调试测试与分析
4.1电路仿真
? ? ? ? 电路仿真使用Proteus软件，Proteus是一款电路设计和仿真软件。因为Proteus库里面没有脉搏传感器和GSM通讯模块，所以用脉冲发生器代替，GSM通讯模块用串口代替。
? ? ? ? 脉搏在正常范围内的仿真如图5-1，显示脉搏：60，报警：无。
?????????????????????????????????????????????????????????图5-1 ?脉搏正常时，仿真图
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? ? ? ? 脉搏在低时的仿真如图5-3，显示脉搏：24，报警：Low。
?????????????????????????????????????????????????????????????????图5-3 ?脉搏低时，仿真图
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? ? ? ? ? 脉搏在高时的仿真如图5-5，显示脉搏：133，报警：High。
??????????????????????????????????????????????????????????图5-5 ?脉搏高时，仿真图
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? ? ? ? ? ? ?脉搏高时的串口接收仿真如图5-6，接收脉搏：133，报警：High。
?????????????????????????????????????????????????图5-6 ?脉搏高时，串口接收仿真图
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4.2硬件电路焊接
? ? ? ?先将单片机STC15F2K61S2、贴片电容、贴片电阻、贴片按键、贴片MOS管等元件焊接到线路板，在将直插电容、稳压集成电路、LED灯、插座、插针等直插元件焊接到线路板。实物如图所示。
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4.3系统调试
? ? ? ?连接电脑，用USB串口线连接程序下载口，将编译好的HEX文件下载到单片机。上电运行程序。显示如图。
? ? ? ? 手指贴住传感器，用固定带固定，注意不要太紧，进入脉搏测试。显示如图。
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