人体健康数据采集系统设计

摘要：人体发出的生理信号有很多，分别是最基本的呼吸、体温、脉搏、血压、心电，深入点的是心输出量、血氧饱和度、呼吸二氧化碳、有创血压、眼震电、眼电视网膜电、肌电、胃电以及脑电等。当然，人体的生理信息种类也有很多种，而在临床健康观察和疾病诊断中起到重要作用的是脉搏信号（Pulse wave）和心电信号（Electrocardiogram,ECG），它们可以反映出人体血液循环系统以及心脏器官的生理变化，而且在生命信息科学的角度上也是具有不可或缺的研究价值。采用蓝牙可以短时间把体温，脉搏，血压的异常发到当事人手机上，更加方便当事人快捷采取对策，是智能家居的创新之一。设计人体健康数据采集系统的初衷是希望能够帮助医生更快捷地得到诊断信息，为医生的初步诊断提供准确的数据支撑，为患者提供更理想的治疗方案，同时该设计潜在的市场经济价值也是非常巨大的。

本论文设计出一个人体健康数据采集系统系统。本设计是一套基于STC89C52系列人体健康数据采集系统系统，而这次系统选择的是模块化设计，主要是有两大模块，分别是心率模块，人体温度检测模块，用这些模块测出的生理参数会发送至单片机然后进行信号处理，数据可以显示到LCD显示器，然后无线模块蓝牙模块发送到监护人手机，超过阈值就可以报警提示。

通过Altium Designer16建造与PCB图相匹配的电路板，并将相关的元器分别焊接到电路板上，结合Keil uvision软件进行编译，最终通过调试完成。同时，在Proteus环境下仿真测试，主要做到以下功能：采用单片机作为主控芯片，采用体温，心率模块进行身体健康信号采集。可以用按键设置，设置心率，体温的上、下限报警值,并具有掉电保存。LCD1602液晶第一行显示当前的心率和体温，第二行显示设定的上、下限报警值。利用蓝牙无线模块进行传输到手机APP显示数值，主机上测到的心率或体温超过设定的心率波动范围的时候，指示灯和主机蜂鸣器开始共同发出警报。

关键词：STC89C52；体温传感器；心率传感器；蓝牙模块

　　第一章 绪论

　1.1研究的背景

如今我国的人口数量排在世界的第一位，由于人口基数大，每年的人数飞速地增长，并且出现了老年化，即老年人的增长速度比新生儿的增长速度更快，就国内当前的养老设施和养老服务而言，与实际需求不相符，同时养老服务整体水平普遍较低，因此，为了解决当今养老问题，提高养老服务质量，设计了如下一个便携式人体健康检测系统，这将有助于大大提高了我国养老服务的质量。我们熟知的人体生理信号比较多，主要有呼吸、体温、心输出量、心电、呼吸二氧化碳、肌电、脉搏、人体等，关于人体心理信息门类繁杂，其中心电信号可以直观呈现人体血液循环和心脏器官的实时变化，对于日常临床观察相关病症起到至关重要的作用，也是生命信息科学中极具研究价值的讨论课题。通过单片机专门设计出针对人体健康数据采集系统的首要目标在于为帮助帮助医生在临床治疗中及时有效观察患者的情况，为医生的诊断工作奠定数据基础，从而更好地为医生和患者提供服务，并且这个设计潜在的市场经济价值也是非常巨大的。

　1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

近些年在国外医学研究领域出现一种专门检测人体生理信号的仪器，它的出现受到全球医学界的关注，其主要通过传感器网络组成。它的优势在于主要是是以人体可穿着的、外表类似于普通衣服的特制衣服作为载体的。只要人们穿上这种特殊的衣服，PC系统就会通过无线的方式获取他们的人体生理信号，并且对人体的身体状态进行实时记录。电脑系统会根据记录的数据进行统计，一旦数据异常就会发出报警的信号，这种监测仪还可以进行实现远程监控的需求，一旦检测到相关信号，都能通过局域网直接传输。不过目前这类传感器还无法在医疗领域广泛应用。

1.2.2国内研究现状

自20世纪60年代以来，人体生理监护仪器被发明并且经过不断的优化，俨然成为了一种具有划时代意义的医学检测仪，全球不少大型医疗器械企业开始对仪器的监护系统进行开发、生产和销售，当然由于技术尚未成熟，前期投入的人力以及物力是非常巨大的，厂家如此积极地开发，使监护系统得到了发展和普及。相应地，重症监护室、脑疾患者监护室以及冠心病监护病房也在世界各国中得到建立以及普及运用，而在医院的手术室、分娩室、康复室等病房中也开始不断强化医疗监护力度，但目前我国的监护系统在科研和生产方面与发达国家依然存在不少的差距；大部分精密度要求较高的监护设备对于外国进口的依赖性较强，价格较高，中小医院根本无力承担，无形中阻碍了监护系统在我国的普及和应用[4]。

　1.3研究思路

本次研究更有五个章节，从不同方面对人体健康数据采集系统的构造和功能进行概述；

第一章为绪论，这一章节主要围绕人体健康数据采集系统的发展概况、研究背景进行简要概述；

第二章主要研究人体健康数据采集系统的设计原理和设计结构，并对其设计中要求的标准和参数进行介绍；

第三章是系统硬件设计，本章节主要围绕该系统的是硬件设计展开研究，对该系统的硬件架构、硬件器件、设计原理、功能描述展开深入研究和分析；

第四章主要分析该系统的软件设计，侧重于软件制作过程中采用方法，通过流程图的方式明确各个设计环节。

第五章主要对该系统的使用进行介绍，主要通过全局性的角度展开分析该系统运行情况，并融入软硬件进行综合分析和探索。

1.4 研究内容

本设计是一套基于单片机家庭医生小助手设计与实现，该助手不仅可以测量人体体温有助于防控疫情，还可以测心率，心率的变化能直接或间接地反映人体多方面的健康状态。其便于携带，使用场景丰富，造价低廉是该设计的主要特征。该系统通过实时监测为医生提供准确、持续的人体参数，在模块设计过程中，侧重于针对人体温度和心率等方面的检测模块为主，单片机会集合这些模块所测出来的生理参数进行进一步的信号处理，然后无线发送到监护人手机显示与报警提示，对自己的健康监测和对我国疫情预防有着很大的帮助。主要做到以下功能：

（1） 采用单片机作为主控芯片，采用体温，心率模块进行身体健康信号采集。

（2）可以用按键设置，设置心率，体温的上、下限报警值,并具有掉电保存。

（3）LCD1602液晶第一行显示当前的心率和体温，第二行显示设定的上、下限报警值。

（4）利用蓝牙无线模块进行传输到手机APP显示数值，主机上测到的心率或体温超过正常的心率波动时，指示灯好主机蜂鸣器会同时报警。

（5）需要完成电路图，程序图，各个模块子程序，完成仿真调试，完成实物制作和论文。

系统总体方案设计

　2.1.总体硬件方案确定

本次系统主要由STC89C52单片机+LCD1602液晶+HC-05蓝牙模块+DS18B20+心率检测电路+声光报警电路+总电源供电电路；

1.实现通过蓝牙模块与手机APP进行蓝牙无线通信。

2.实现测量当前心率值的功能。

3.实现显示实时温度的功能。

4.对心率值可设置上下限，当测量结束后心率值过高或过低都会触发对应的报警。

本系统具体框图，如图2.1所示：

 

图2.1智能人体健康数据采集系统结构图

　2.2硬件模块方案确定

2.2.1主控芯片的选择

方案一： 以单片机STC89C52用作核心控制芯片

STC89C52作为宏晶科技公司的近些年主打的8K网络微处理器，其主要通过闪存的方式作业，该单片机加载了MCS-51加强版作为内核，升级之后的MCS-51内核具有更强的功能性，芯片内部搭载了4K EPROM存储器，并且能够实现绝佳的兼容性，该芯片采用通电的方式进行数据储存，该芯片无需通过外部芯片储存就能实现内部自动储存，造价低廉，开发难度不高，能够实现线上编程等优势。

方案二：采用MSP430单片机作为主控芯片

1996年，德州仪器公司推出一款MSP430型号的单片机，这款单片机能够实现混合信号处理，不但可以根据需求生成模拟电路和数字电路，另一方面还能够形成集多种功能于一体的处理器，不仅具备极强的功能性，还能够兼容实现多个电路集成于单个芯片中，更能集成多多个微处理器于一体。能耗低也是该设备的重要优势之一，它带有简单的命令集。但这种设备的制造成本相当高，开发难度相对来说，远高于其他产品开发，目前还无法大规模普及。

综上所述，本次研究中之所有使用宏晶科技的STC89C52单片机作为主控芯片，是将所有因素综合考虑之后的择优之选，STC89C52单片机如图2.2所示：

图2.2STC89C52

2.2.2按键输入模块的选择

方案一：采用独立的按键作为输入设备

所有按键都必须设置I/O端口，不同端口对应的功能各不相同，按键的数量直接决定了检测次数，按键和端口成正比，在按键数据和线路比较多的时候，其反应速度反倒增快。

方案二：采用矩阵键盘作为输入设备

通过矩阵键盘输入，能够利用读取程序算法的方式相应的按键，主要方法为分别将列线和行线接入矩阵键盘上，并保证各个行线和列线都与单片机保持连接状态，只要运行预设的程序就能实现相应的按键，能够有效降低端口的使用频率，不过在编程过程中难度较大。

对比两种方案得出，独立键盘整体性价比略胜一筹，最后选择独立键盘作为主要的输入设备。

如图2.3所示：

图2.3 独立按键实物图

2.2.3报警模块的选择

方案一：采用语音报警模块

语音报警并使用便捷，但编程难度较大。

方案二:发光二极管和蜂鸣器作为报警模块

编程难度适中，通过声光有机结合的方法不但能够有效控制人工成本，还可以保证反馈信息的及时性。综上所述，最终选择二极管和蜂蜜器作为报警模块。

蜂鸣器实物图如图2.4所示：

图2.4 蜂鸣器实物图

2.2.4体温传感器选取

方案一：借助数字温度传感器的检测得出相应的数值，在根据实际需求进行9-12位的数值编写，不过准确性较差，误差达到2度。DS18B20温度芯片的访问模式主要以单总线的方式运行，整体造价低廉、操作便捷，同时能够有效降低储存空间，而且体积比较小，能够达到理想的集成度。DS18B20实物图如图2.5所示：

图2.5 DS18B20实物图

方案二：因为这次试验要采用非接触式的传感器，所以选择了红外测温仪，很多因素会影响到测温仪的测量结果，大致分为仪器本身和外界因素两大方面。而仪器本身主要的原因有：空气介质的变化、仪器透镜结垢或磨损、仪器的发射率的差别以及用温度不同的黑体作为校准源等；而外界因素主要有：外界环境温度、测量距离系数以及测量结果受到被测物体的辐射率等。其中，被动式热释电红外探测器由于技术性能比较稳定并且价格低廉而被广泛应用，不仅受到广大用户欢迎，甚至专业人士也是偏爱这款红外探测器。另一方面，红外测温技术在节约能源、安全保护、设备在线故障诊断和产品质量控制、监测等方面都有着不可忽视的重要作用，这次为了满足不用接触人体就能测量出温度的条件，采用了TN901红外测温传感器，该模块的测温范围-20度到1300度可以调节任意度数，主要通过测量人体的红外射线发出来的强度进行测量温度。

实物图如图2.6所示：

图2.6 TN901红外测温传感器实物图

本次采用方案一作为体温模块

2.2.5 无线模块选取

方案一：蓝牙技术，和其他2.4G的无线传输协议技术不同的是，该技术虽然在传输技术上沿用2.4G技术，但其中的协议存在差异，因此在应用上有所区别。普通的2.4G传输产品必须配备接收器；而蓝牙传输的标准是在2.402-2.480G这些频段中，这样的蓝牙产品只要有蓝牙功能的产品都可以连接操作，不需要使用专门的接收器，如蓝牙鼠标，它不需要接收器就能连接，只需要带有蓝牙工功能的终端产品即可实现连接。

方案二：WIFI传输技术，该技术主要采用IEEE802.11b局域网协议，最大速度能够达到11Mbps并且传输范围达到100米之广，之所以能达到这样的速度以及这样广的传输范围，主要是用到BPSK(相移键控)，QPSK和DSSS，主要通过22MHz的带宽，该技术的最重要的优势在于能够实现多个终端的传输。

方案三：GSM传输数据。SIM800是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。近年来随着网络设施设备的发展，GSM网络得到了不断的完善与优化，而它的优秀品质也愈发的显现出来，例如它容易集成，使用它不仅能够在较短的时间内开发新品，而且投入开发的资金也比较少。并且它涉及的范围比较广泛，在各个领域都发挥着重要作用，例如POS终端、无线公话和远程监控等领域都能看到它的身影，它是产品性能和质量的保障。

GSM模块如图2.7所示：

图2.7 GSM模块

使用GSM模块SIM800A当做该设备的传输介质，只要移动卡实现世界各地保持网络连接的状态。由于该设备的性价比相对较高，与笔者设计的需求相符，因此本次研究选择这一模块实现短信功能的收发。该模块的与正常运行时建立在智能终端产品短信交互的基础上实现的，所以能够达到远距离操作的需求，达到远程开锁的门禁要求。SIM800模块实物图如图2.8所示：

图2.8 SIM800模块实物图

结合以上，其实wifi和蓝牙皆是无线通信网络标准，并且都是在ISM2.4GHz公共频段上工作。然而它们即使同为网络标准，却又有着不相同的地方，举例来说，蓝牙使用的是FHSS（跳频扩谱）方式，它的通信距离正常情况下只有10米，每一秒钟能够跳变1600次，能把83.5MHz的频道分开至79个频带信道，而每一个时刻只占用1MHz的带宽。因此本次选用蓝牙模块HC-05 模块作为无线模块方案。

2.2.6.LCD1602模块选取

方案一：采用LED数码管动态扫描显示

LED数码管整体质量较轻，且造价低廉，可以快速显示各种字母和数字，不过在实际使用过程中需要占用大量的单片机I/O口，同时受到I/O输出电流的限制，需要借助驱动电路的辅助才能正常运行，一旦显示的字母或数字比较多的情况下，焊接的难度也会随之增加。

方案二：采用LCD1602液晶显示屏

LCD1602液晶屏可以实现较大的显示需求，无论字母还是数字，可以全部显示32个字符的内容，甚至一些自定义的字符内容都能直接显示。LCD1602液晶显示器跟市场上常见的HD44780液晶屏的控制原理是一模一样的，LCD1602显示器给人的直观感觉是非常简单的，主要原因是它采用的是5*7点阵组成一个字符，通过串行数据的方法实现数据传输的需求。

方案三：采用LCD12864液晶显示屏

LCD12864主要特点在于显示屏较大，能够达到128*64的分辨率，总共有8192个，分别由由4位/8位并行和串行的构成，该显示屏接口方式操作简易，便于日常操作，能够达到系统的人机交互，通过该显示屏能够达到大量信息的显示，能够有效降低能耗，虽然功能上较为齐全，但如果在实际使用中对显示屏大小要求不严格，并不建议使用，不仅导致成本上升，也会占据一定空间。

综上所述，综合考虑本次设计需要显示内容较多，最后选择LCD1602液晶显示屏。

LCD1602模块实物图如图2.9所示：

图2.9 LCD1602模块实物图

2.2.7.心率模块选取

方案一

由于压力传感器能够传出的电信号十分的微弱，不仅容易受到外界的干扰还大大的增加了测量的难度，对于本次设计而言这样的选择会造成本次系统难以实现，

方案二

我们所了解到的授予手指组织大致分为两大种类，一种是血液组织，另一种是非血液组织包括骨骼、肌肉、皮肤等，非血液组织对于光的吸收量是恒定不变的，另外一方面静脉血的搏动在血液里面相对动脉血的搏动而言是非常微弱的，基本可以忽略不计，因此可判定动脉血的充盈是引起光透过手指后变化的主要原因，也就是说如果在一直保持相同波长的光源照射下，人体的脉搏信号可以通过测试透过手指的光源的强度来间接测量。

又因为压电传感器的普及程度较低，比较难采购，而光电传感器相对而言较为普遍，方便采购，所以本次使用的是光电传感器ST188，并用其来提取人体的脉搏信号。

故选择方案二。

第三章 系统硬件设计

　3.1单片机及最小系统

3.1.1 STC89C52单片机的介绍

笔者本次选用STC89C52处理器主要是通过高密度非易失性的方式进行储存，其为Atmel公司专门为单片机打造的一款芯片产品，其具有能耗小、成本低的特点，能够容纳8K储存需求，储存空间较大，能够用于编程，该处理器目前在多个领域广泛应用。本章节将对该处理器的引脚结构选择性分析和解读。

引脚结构如图3.1所示：

图3.1 STC89C52引脚结构

VCC : 电源

GND : 地

如下图所示，P1.0与P1.2是外输入引脚，P1.0/T2是触发输入引角，其它引脚号的功能请对引脚号的功能表3.1所示：

表3.1 引脚号的功能表

引脚号	第二功能
P1.0	T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1	T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5	MOSI（在系统编程用）
P1.6	MISO（在系统编程用）
P1.7	SCK（在系统编程用）

P3口除了本身所具备的功能外还可以作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示：

表3.2 STC89C52特殊功能表

引脚号	第二功能
P3.0	RXD （串行输入）
P3.1	TXD （串行输出）
P3.2	(外部中断0)
P3.3	(外部中断0)
P3.4	T0 （定时器0外部输入）
P3.5	T1 （定时器1外部输入）
P3.6	(外部数据存储器写选通)
P3.7	(外部数据存储器写选通)

RST: 是电路的复位输入。能够在看门狗计时完成后对其进行复位操作。

3.1.2 STC89C52单片机的最小系统

从单片机系统的设计来看，要加强对不同部件和安置进行仔细研究和分析，该系统由两种电路组成，分别为复位电路和时钟电路，并采用两种复位模式，分别为按键复位和自动复位。该系统的电路设计难度适中，操作较为便捷，便于后期维护和修理。此种复位模式主要以VCC和RST端经进行连接从而达到通电的需求。形成独立工作的状态，侧重点时钟电路。控制时钟信号是这次设计的首选，可以有效凸显不同部件的运行状况。内部时钟和外部时钟本身属于两种不同的形式，基于此，本次设计选择内不是时钟电路，其可以保证及时高效显示各零部件的运行状态，下图所示是单片机的最小工作系统的电路设计图

3.4图呈现的是STC89C52单片机最完整的最小系统电路

详细设计图如图3.2所示：

图3.2 STC89C52单片机最完整的最小系统电路详细设计图

接着是晶振电路，XTAL1和XTAL2作为独立运行的放大器，两者呈现反相作用状态，通常将其设置于内部电路振荡器之上，起到转化驱动信息的作用，从3.2得知，本研究通过时钟模式，结合振荡电路的基础原理，分别外接XTAL1和XTAL2元件，利用电路作为主要输送载体，推动震荡反应，晶振的频率和能耗成正比。在工作过程中，晶振的频率通常维持在1.2MHz到12MHz的区间，不过特殊情况下也会出现翻倍的现象。

由于AS608温湿度传感器识别识别模块与单片机直接采用的是串口方式进行通讯，而选用11.0592MHz晶振可以产生9600波特率0%误差，主要采用的11.0592MHz 的石英晶振。电容的主要作用在于削弱晶振，降低频率。石英材质的晶振电容的选择范围在20~40pF的区间，本次实验选的是范围内的中间值30pF，而陶瓷材质的谐振器选择范围却要比石英要大些，在30~50pF这个区间，晶振电路如图3.3所示：

图3.3晶振电路图

复位电路设计通常分为手动和自动两种，图3.3所示的复位电路涵盖以上两种方式。在通电过程中，电容负极和RESET产生连接状态，电压从电阻上通过，如果RESET一段与高电平相接并输入过程中，芯片被还原。此时芯片处于持续工作状态，一旦电源增加，电压不断变小。从下图得知，电容和复位键两者相互连接，如果复位键处于不做功状态，无法连接电路。可以理解为唯有保证芯片接通才能正常工作，如果电平高于10ms，单片机复位键自动闭合，形成连通状态，复位电路结构图如图3.4所示：

图3.3 复位电路结构

　3.2心率传感器电路设计

该部分通过传感器将脉搏信号转化为电信号的，电压为几十毫伏，在此过程中必须提升电压，保持其与电路运行要求的电压相符，通常达到几伏即可。信号波形呈不规则脉冲信号状态，所以通过滤波整形，确保其电压输出符合计数器的要求。

选择电路：所选放大整形电路框图如图3.4所示：

图3.4　放大整形电路框图

3.2.1传感器简介

传感器通过红外光电作为转化器，其主要作用是利用红外光照的作用将脉搏跳动转化为脉冲信号，其原理电路如图3.5所示：

图3.5　传感器信号调节原理电路

如图3.9中，红外管主要通过+5V的电池供电，其中R7和R2的值分别为220Ω和22kΩ，如果此时将手指放置在光电二极管之间，将会接收到人体的脉动强度上的变化，从而发生不同程度的变动[11]。

3.2.2滤波电路

放大滤波电路图如图3.6所示：

图3.6放大滤波电路

图3.10的信号来自脉搏计的放大滤波，该信号输出并不强，通常保持在uV级，输出信号通常出现较大噪声，所以搭载LM358滤波电路。

3.2.3放大整形电路

随着试验发展到该阶段，将滤波放大之后的脉搏信号出现了脉搏信号不规则或受到干扰等情况，与计数器要求不符，进而需要通过整形电路来代替。本次研究采用滞回电压比较器，如图3.11所示，最终目的在于有效提升各类干扰因素的能力。通过LM358和LED显示屏来显示脉搏的实时动态。波形整形电路如图3.7所示：

图3.7波形整形电路

　3.3体温传感器电路设计

DS18B20技术参数（1）单线接口方式不同于其他传感器电路，该设备只需要单一口线就能与微处理器形成连接状态。

（2）测温范围 －55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。

（3）能够满足多点组网的需求，将若干个DS18B20并联在一起，不得超过8个，从而达到多点测温的目的，一旦超过规定数量，将会造成电压过低，无法保证电压输出的稳定性。

（4）工作电源: 3.0~5.5V/DC （可以数据线寄生电源）

（5）不需要外接其他元件

（6）通过9-12位数字量串行传输测试结果，

关于DS18B20温度传感器的封装常见的有两种，第一种具有防水功能，其主要通过不锈钢管进行密封，通常用于检测水温灯液体温度，而另一种是直接裸露芯片，主要是用于检测空气温度，而这两种方式的使用方法都是一样的，主要是根据使用环境来区别选择。

实物图如图3.8所示：

图3.8 DS18B20传感器实物图（防水）

DS18B20的工作原理如下，确保上拉电阻为4.7K，能够达到读取数据的稳定性。其余通过P37接到单片机，进行数据传输。如图3.9所示：

图3.9 温度传感器电路

　3.4.声光报警电路设计

报警电路通常用于对模块检测过程中遇到异常情况发出的信号，主要以控制蜂蜜器和LED显示屏实现报警的作用，主要原理如下图所示。在设计过程中，两个电阻都是1KΩ，从图中来看，但报警信号发出之后通过8550将电路信号放大，传输到LED和蜂蜜器两端，达到报警的目的。

报警电路原理图如图3.10所示：

图3.10报警电路原理图

LED通常是电子电路中使用范围最广的显示仪器，它是一种典型的二极管元件，两端用压降进行连接，通常保持在1.3V即可，一旦两端高于该压降，就能达到导通状态，为了保证安全性，可增加一个限流电阻就能防止上电过程中被烧坏。如单片机P13-P16处于低电平状态时，LED灯亮起，反之则灯灭。LED驱动电路如图3.11所示

图3.11LED驱动电路

3.5.蓝牙模块电路设计

蓝牙实物图如图3.12所示：

图3.12 蓝牙实物图

蓝牙模块功能齐全，但本次研究仅作为串口连接载体，在手机和蓝牙连接时，要求用户输入密码，初始密码为1234，

HC-05蓝牙模块特点：

搭载CSR主流芯片，采用V2.0网络协议：

输入电压不得超过7V，通常维持在3.6V-6V，

用户可自行设置波特率，主要的波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200；

连接后有指示灯提示，LED快闪说明正在连接蓝牙状态，慢闪说明因进入连接状态；

用于GPS导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统；

能够与手机、电脑、蓝牙适配器等终端设备连接，（8）该蓝牙模块能够实现自动连接模式和命令响应两种模式，而自动连接工作模式一般有三种工作状态，分别是主工作模块、从工作模块和回环工作模块，在模块连续工作过程中，数据将会根据事先设定进行自动传输，当其处于命令响应模式状态下，可根据需求下达各类AT命令，用户能够发出各类AT命令。采用对模块的控制达到工作状态的转换。

电路图如图3.13所示：

图3.13 蓝牙电路图

3.6显示器电路设计

3.6.1LCD1602的特性及使用说明

基本操作时序1）第一步读状态：当RS=L，RW=H，E=H时

2）第二步写指令：当RS=L，RW=L，D0～D7=指令码，E=高脉冲时

3）第三步读数据：当RS=H，RW=H，E=H时

4）第四步写数据：当RS=H，RW=L，D0～D7=数据，E=高脉冲时

初始化设置

3.6.2LCD1602与MCU的接口电路

如图3.5所示。通过STC89C52的PO口作为传输数据线，采用P1.2、P1.1、P1.0分别作为LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：模块处于初始化状态，；清屏之后再设置8位接口数据，显示未1行行数，并以5×7点阵排列，再对整体显示进行设计，关闭字体和光标闪烁功能，设置正向增量。向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

LCD1602液晶显示电路如图3.14所示：

图3.14 LCD1602液晶显示电路图

　3.7电源模块电路设计

必须保证稳定电压，一旦高出平衡值将会中导致电路损坏，如果达不到平衡值无法正常运行，所以通过稳压电路提供保障。稳压电路如图3.15所示：

图3.15稳压电路图

电源模块搭载L7805CV芯片。当连接外部电源之后，即可通过9V电压正常导入稳压器中，从1脚到3脚。此外，该芯片同样适用于电源模块出现过载的现象，由于其能够限制内部电流的特点，并不需要专门与其他外部元件衔接，一旦模块内部出现过热现象，将会开启保护模式。

3.8按键模块电路设计

三个按键分别为设置，加减三个按钮，，一段接入电源负极，一段接入单片机P10-P11-P12，按键模块电路图如图3.16所示：

图3.16按键模块电路图

第四章 系统软件设计

4.1 软件环境简介

本次设计采用的软件主要是Keil μVision4，通过进行编程工作。该软件是由XKeil Software公司研发的51系列单片机C语音软件开发系统，和其他编程模式相比，C语言具备极强的优势，具体体现在结构、可读性、功能上，该编程模式简单易学。Keil 共有宏汇编、库管理、C编译器、连接器等多种功能于一体的开发程序，并搭载满足多种需求的仿真调试器，综合运用集成环境将上述部件组建。该软件兼容的操作系统为WIN2000、WINXP等。它在相类似的软件中是数一数二的，其优点数不胜数，即便指示用汇编语言，其仿真调试工具同样能帮助你提高效率的。

4.2 主程序工作流程图

关于编程语言，比较常见的是C语言，而这次设计的编程语言也是主打C语言，软件部分的程序全部都是用C语言来制作的，主要是它具有很多的优点，不仅可阅读性很强、可移植性很高，而且功能十分的强大，使用起来灵活性也非常的强大。另外，单片机这样的微控制芯片，只要是用标准的C语言来进行编程的，那么用标准C语言编制的那一部分一般都不用改动。除了C语言，还有一种汇编语言，汇编语言属于硬件底层的语言，它的开发相对比较麻烦，要结合对应的芯片说明书或者文档才能对程序进行开发，不仅难以读懂，而且大大的增加了后期调整的难度以及维护的难度。虽然它可以直接操控寄存器的工作状态，但它不能结构化编程而且代码移植非常的复杂。基于本设计子程序很多，因此编写的语言选择了C语言，这样可以让代码更加的简洁和容易看懂，方便调试。主要流程如下：当程序正式开启运行后，首先对液晶屏和定时器进行初始化处理。在此之后全面检测传感器，明确传感器上的脉搏和温度阀值。通过主循环上呈现出来的温度和脉搏等数据，检查单片机的定时中断函数的运行状态，如果按键已按下，就需要调整温度和脉搏的阀值，将数据传输到APP,APP 可以发送控制命令到单片机控制脉搏温度的上下限的变化。

主程序工作流程图如图4.1所示：

图4.1主程序工作流程图

　4.3.LCD显示模块工作流程图设计

通过STC89C52进行数据接口连接，选取P1.2、P1.1、P1.0进行各个端口的连接接口。注意EN是其中主要负责下降沿触发的片选信号，R\W指的是读写,RS通常为信号寄存模块。本次设计的关键点在于，保证模块的初始化状态，确保清屏之后设置8数据接口，设置行数1行，5×7点阵字型，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位[10]。向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

第五章 系统调试和制作

5.1实物的焊接

1.焊前准备

焊接前期要明确各电路板配装图的细节和原理，依据图纸要求的各个元件进行配置，仔细核查规格、型号、数量，仔细检查线路的具体情况，防止出现接触不良的现象。

2.焊接顺序

先安装电阻，随后安装电容器，安装完毕之后连接二极管和三极管，接着才开始集成各电路，器件的安装应当遵循从小到达的流程。

3.对元器件焊接要求

（1）电容器焊接

在安装电容过程中要注意正负两极是否摆放正确，一旦接错电容器的方向，极易造成电路板短路现象，安装时首先要安装玻璃釉电容器、磁介质电容器以及有机介质电容器，电解电容器的安装需要放置在最后环节。

（2）二极管的焊接

在焊接二极管过程中，需要注意几点，首先要正确摆放正负两极方向，各个二极管都有相应的标注，安装过程中要仔细比对和检查。焊接过程中确保焊接时间维持在2秒，这个时间主要以引线最短的情况来说的。

（3）三极管焊接

在焊接三极管过程中，需要通过引线进行焊接，引线不应用手直接拿取，而是通过镊子夹紧，防止焊接过程中被烫伤。如果有大量散热的需求，应当在焊接过程中接上散热片，必须保证平面光滑的状态下才能安装。在设施绝缘设置时，可添加绝缘薄膜。

（4）集成电路

电路的正常工作离不开不同部件的共同作用，所以在焊接过程中要将各部件焊接上去，明确各部件的型号和焊接位置，其中引脚位置是焊接过程中的重点。首先要保持引脚的稳定，再根据先后顺序进行引脚的焊接工作，遵循从左到右的顺序，如果焊接过程中引脚不整齐，可直接齐根剪。

　5.2系统硬件调试

硬件调试的过程中的关键问题是要仔细检查电路，查看其焊接情况，确保其是否接触完整，同时确保元件的方向是否正确。

全面焊接元件和漏焊等情况通常采用PCB图以及通过实物对比两种方式，对比元件跟导线是否与实物电路板一致，发现不一致的地方要及时进行修正，例如漏焊的地方及时补焊，元件方向错误的及时纠正。

数字万用表主要是检测虚焊、短路、断路等问题的，在把红表笔和黑标笔触碰的之前打到二极管档位，碰到有问题的地方就会发出轰鸣声，此种类型的检测方法操作简单，具有较强的可比性，能够有效检测出电路板的短路或短路情况。将事先准备的红黑比放置于元件部位，一旦出现蜂鸣声，检查人员就能及时排查问题。

在调试的过程中一般都会发现很多不足的地方，需要一步步地去检查与完善，持续发现问题并提出科学合理的解决方案，这是该模块在设计过程中体现的优势所在。为了能够提高软件和硬件的兼容度和运行效率，符合运行目标，本次设计过程中同样遇到不少缺陷和问题，以下为问题的记录内容：

程序不能正常下载到单片机的解决思路：

1.首先对转芯片进行检查，查看其运行状态，是否处于正常工作的情况下，如果不是，则需要安装一个全新的芯片驱动，重启软件或电脑，最后根据实际情况全面检查RXD/TXD的接触情况。

2.明确为单片机的问题，应当及时更换另一个单片机

3. 将软件中的下载模式转化为低速下载。

4.可尝试多次重复按下复位键，检查其的运行状态。

步进电机无法运转的解决思路下：

1. 在运转过程中，通常步进电机的进电量较多，应当结合ULN2003A驱动电路配合运行，全面检查电路的运行情况。

2. 对程序中的delay（） 函数进行修改，一旦该函数过低，将无法支持点击正常运行。

3. 和步进电机相比，单片机输出的电流相对较小，如果与PO连接，应当加上拉电阻，如果将其与P1连接则正常运行。

4. 电压过低造成无法正常供电，可更换新的电池再检测。

红外对管传输器显示灯常亮的解决思路：

一般情况下，这种问题的出现是由于模块电位器运行不正常导致的，一旦设置探测距离过大，就会导致模块持续输出，可通过降低电位器探测距离，如果依旧无法正常运行，可尝试更换传感器模块。

　5.3系统软件调试

单片机型号的选择。本次研究采用STC89C52单片机作为主要设备，不过在实际试验过程中Keil 的芯片库中无法找到与之兼容的单片机。因此只能采用AT89C52代替，试验结果不受影响。弹窗口上简要概述了AT89C52的主要特性和功能，从中发现两者参数一致。点击确定。选择单片机型号步骤如图5.1所示：

图 5.1 选择单片机型号

当代码编写完成后，点击Translate，具体的语法错误主要通过编译器自动检查得出，在保证语句正确的情况下，点选Option for Target 选项的 Output 标签，注意在点选时候选择勾选Create HEX file，如图5.7所示。点击Buid按钮，就能开始正常使用HEX文件，并开始生成相应的设置，HEX 文件步骤如图5.2所示：

图 5.2 设置生成.HEX 文件

3. 烧录.HEX 文件。由于STC89C52本身的特点，可以使用 ISP 软件方便的进行程序烧录，但是需要使用USB转TTL芯片。ISP 软件的使用如图5.3所示：

图 5.3 ISP 软件的使用

　5.4 实物调试结果

误差分析如表5.1所示：

表5.1误差分析表

实际的脉搏次数	测量得出脉搏次数1	测量得出脉搏次数2	测量得出脉搏次数3	测量得出脉搏次数4	测量得出脉搏次数5
64	65	66	65	64	64
70	72	72	71	70	72
75	74	75	76	74	74
80	81	79	80	81	80
83	84	83	83	83	85

表3.1列出了测量值，但存在误差，本次采用的传感器和相关配件与理想线性存在差距，因此在测试过程中对其进行线性补偿。

由均方差公式得：

误差分析：经校准，非线性补偿后，误差以基本达到要求。

实物展示：STC89C52单片机+LCD1602液晶+HC-05蓝牙模块+DS18B20+心率检测电路+声光报警电路，

1.实现通过蓝牙模块与手机APP进行蓝牙无线通信。

2.实现测量当前心率值的功能。

3.实现显示实时温度的功能。

4.对心率值可设置上下限，当测量结束后心率值过高或过低都会触发对应的报警。

实物图如图5.4所示：

图 5.4.实物图

5.5仿真

由于仿真中没有红外，手指也模拟不了，其实就是单片机的IO口检测脉冲信号，那样用个方波信号模拟就ok

由于蓝牙无法仿真，本设计只仿真蓝牙以外的模块

未启动，如图5.5所示：

图5.5 未启动

测量心率，如图5.6所示：

图5.6测量心率

设置按键可以设置心率上下限，如图5.7所示：

图5.7设置心率上下限

测量心率超过上限蜂鸣器报警，如图5.8所示：

图5.8测量心率超过上限蜂鸣器报警

测量心率低于下限蜂鸣器报警，如图5.9所示：

图5.9测量心率低于下限蜂鸣器报警

再次按下设置按键可以设置温度上下限，如图5.10所示：

图5.10再次按下设置按键可以设置温度上下限

测量温度低于下限蜂鸣器报警，如图5.11所示：

图5.11测量温度低于下限蜂鸣器报警

测量温度超过上限蜂鸣器报警，如图5.12所示：

图5.12测量温度超过上限蜂鸣器报警

结论

本设计是一套基于52系列人体健康数据采集系统设计，便于携带，能够随时随地进行检测，该设备最大的优势在于造价低廉。生命体征检测指的是通过长时间、持续性的监测病患的人体参数指标，尤其针对中老年患者。通过设置相应的模块，能够达到检测人体心率、温度等多种生命体征的检测。不同模块检测的参数传输到单片机自动展开信号处理，再通过蓝牙连接发送至医护人员终端设备中，主要针对老人独自在家可能存在突发疾病，当事人又不在身旁照顾着，因此会导致生命，采用蓝牙可以短时间把体温，脉搏，血压的异常发到当事人手机上，更加方便当事人快捷采取对策，是智能家居的创新之一。

本次的功能设计任务基本完成。由于本人研究水平、时间限制、设计经验等因素，本次设计的作品依然存在不少缺陷和不足。在硬件和软件的研究和认识中，碰到诸多难点。因此，本人的设计最终得以完成，离不开孜孜不倦导师的悉心教导，并提供极为宝贵的建议，在导师的关怀和帮助下，笔者对单片机的智能家电控制系统的设置有了更为深入和全面的认识，并以此为基础为笔者的论文撰写奠定良好的理论基础，再次表示诚挚的感谢。

毕业设计的完成预示着我的大学生涯即将结束，在本次毕业设计过程中，让笔者深刻感受到理论知识与实践紧密结合的重要性，从导师的教导中学会探究问题并解决问题的思路和方法，为今后的学习和工作奠定良好的基础。本次设计除了我的导致对我的孜孜教导之外，还离不开同学的帮助与支持，通过集体讨论和实践的方式，发挥团队协作的价值。

参考文献

[1]李精华等. 51单片机原理及应用[M].电子工业出版社，2017.

[2]刘传玺等.自动检测技术[M].机械工业出版社，2015.

[3]陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.

[4]刘守义等.单片机技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2007.

[5]钟富昭等.8051单片机典型模块设计与应用[M].人民邮电出版社，2007.

[6]李延珩等.C语言程序设计教程.中国铁道出版社[M]，2014

[7] 张丽娜,刘美玲,姜新华.51单片机系统开发与实践.[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013.10.

[8]郑诚，余珊南，祝永华，徐进.一种基于ARM的便携式心率监测仪的设计《微型机与应用》2014年第5期.

[9]丁磊. 基于ARM的嵌入式人体健康监测系统的研究[D].兰州理工大学,2006.

[10]代永陆,唐晓英,刘伟峰.基于嵌入式系统的便携式多参数健康监护仪设计.电子技术应用,2006.

[11]陈峰.基于嵌入式系统的分布式结构健康监测系统设计[J].计算机测量与控制,2008.

[12]董静涵.用于人体健康监测的检测系统设计与开发[J].电子技术与软件工程,2020.

[13]丁青锋,王丽姚.基于复合传感器的人体健康监测系统设计[J].传感器与微系统,2019.

[14]高明华,许丽金,柯成成,杨根红.基于Android便携式人体健康监测系统设计[J].现代电子技术,2017.

[15]吕峻达,王景泰.基于单片机的人体心率监测系统的设计与实现[J].电子元器件与信息技术,2018.

致谢

在这次毕业设计中，让我对大学生涯的所学所想做了一次全面且深入的总结，更是对本人大学专业课学习的全面检验，在此过程中，能够有效提升本人的综合能力和理论实践基础，学会通过实践寻找问题并解决问题，懂得理顺解决问题的思路。首先笔者在开展设计之前，对相关文献资料进行大量查阅和梳理，向教师和同学请教相关设计问题，为后续的设计提供理论基础，从中让我感受到问题的解决并非靠蛮力，而是理清思路，同时加强执行力，在本次设计中能够获得导师和同学们的帮助与支持，让我受益匪浅。在此由衷地感谢我的导师的悉心教导，为我的毕业设计的各个环节提供珍贵的建议和细心的帮助，正是您的帮助我的毕业设计才能最终成型。许老师为了我们的毕业设计，孜孜不倦地教导，让我们在理论学习之余，学会如何运用到实践中。