1 引言
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当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。为使我国尽快实现经济信息化，赶上发达国家水平，必须加速发展我国的信息技术和信息产业。而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域[4]。单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉、等优势，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的应用。特别是单片机嵌入式系统的开发与应用，标志着计算机发展史上又一个新的里程碑。作为计算机两大发展方向之一的单片机，以面向对象的的实时控制为己任，嵌入到如家用电器、汽车、机器人、仪器仪表等设备中使其智能化[11]。目前单片机渗透到人们生活的各个领域。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，一级程控玩具、电子宠物等，都离不开单片机。单片机在智能仪器仪表中的应用便是其中最多、最活跃的领域之一。在各种仪器仪表中引入单片机，不但使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，更能简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比[1]。
心率是指单位时间内心脏搏动的次数。一般指每分钟的心跳次数，是临床常规检查的生理指标,也是了解人体健康的重要参数之一。实时准确显示心率在生物、医学以及体育运动方面都有广泛的应用[2]。
语音智能心率仪是通过红外光电传感采集手指动脉波信号，经过放大和整形处理，经可调分频器后送入单片机进行计算[4],快速地转换为一分钟心率，同时利用温度传感器测出人体的温度，并将结果予以LED显示，同时有语音播报心率功能，并且可根据心率值自动辨别心率的高低，由语音播报器播报心率异常易得何种疾病，应如何解决等，起到心率知识的普及作用。
目前测量心率的仪器很多，但是并没有语音提示的功能，本次设计的创新点就是使用语音提示来进行心率的科普知识宣传（比如正常的心率是多少，高心率可能引起什么疾病等等）；另外考虑到心率的测量和温度的测量就是一个传感器的区别，这里还考虑一个附加功能，就是温度的测量（有时温度的也会影响到心率）；因此实现的功能中包含温度测量，这也是其中一个创新点。
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2 课题研究背景
2．1 国内外研究现状
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早在我国古代，就把心率跳动的快慢作为诊断疾病的一个重要依据，古代的医生通常通过把脉了解脉象来诊断病人，速率便是其中脉象之一。由于我国一直处于生产力低下的封建社会，因此几千年来，测量心率只是依靠把脉来人为的大致了解，并不能精确的反应一个人的心率变化，这种方式一般在现代也比较普遍，主要用于病情不是很严重的患者和体能运动较少的人中。在病情严重的病人中，手测比较耗费时间且容易拖延病情；在体育比赛中，对运动员进行手测心率也不太现实且耗费人力和时间。随着物理学生物学的发展，在国外首先出现了电阻法和压力法测量心率的方法，电阻法是根据动脉血流动时的电阻率的改变，检测出改变即可获得心率，该法误差明显，受皮肤的影响很大且因人、因时而异；压力法往往和测血压连用，测量结果精确，缺点是体积大且需气泵，本法可用于医学临床心率检测。另外还有红外法，此法是将光电传感器至于手指尖，利用动脉搏动时血管的血液容积变化，红外光的透射性就会发生变化，从而进行采集波动变化[4,7]，该法受皮肤影响会造成测量误差，主要用于个人保健，该法是最常用的保健心率测量法。此外还有心电位法，是测量心电图的方法，精确且能获得多种心跳参数，但因使用方法和电极安放均非常专业化，且这种心电图仪往往体积庞大，不便于移动，则无法应用于作业现场[5],故仅用于某些心脏病患者的远程监控。随着电力电子和无线技术的发展，国外已经研制出利用心率传输带采集人的心脏电波（如同医院的心电图测试传感原理），通过无线传输技术发送到心率表中，更有效地提醒运动监视对象控制心率，防止猝死，同时通过控制心率范围，达到最佳的锻炼效果。其中芬兰博能(Polar)心率表处于世界领先地位，目前在欧美等发达国家及地区深受运动爱好者欢迎。
2．2 语音智能心率仪发展前景
目前，医院中还没有带语音提示的心率仪，医院中一般采用心电仪来获取心电图观察病情，这主要是针对心脏疾病患者，普通的患者只要用手大概测一下就行了，但是这样并不能给人们带来快捷和知识的普及。此外运动员所用的心率表只适合专业人士，价格较昂贵。语音智能心率仪恰恰适合最广大的群众的需求，它体积小，重量轻，抗干扰能力强，稳定性能好，电路成本低，使用方便等，相信不久的将来，语音智能心率仪将广泛应用于医疗事业且逐步转向家用。
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2．3 课题研究重点
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本课题重点是如何把单片机技术、语音技术、心率检测技术这三者完美的结合,同时还要看到这三门技术各自的发展趋势,在设计的过程当中力求用到各自的新技术。我们主要运用AT89C55,DS18B20,MAX232,ISD4004等芯片完成基于单片机的语音智能心率仪的设计,并协作软件设计实现课题所要求的功能。并且搭建硬件电路、用Protel制作PCB板、协作软件对系统进行功能仿真、对遇到的问题能通过查阅资料解决，对智能心率检测、语音技术、单片机技术有进一步的了解,并能把他们有机的结合，另外添加了对人体温度的测量，有时候人体温度也会影响到心率，这里的温度起到一个参考作用。本人负责该课题的硬件部分，能够正确理解心率检测仪的工作原理；熟悉相关科研设备和工具；按要求设计出整个语音报警系统的硬件电子电路，包括键盘扫描、单片机控制、语音电路、显示、通信等部分，并完成原理图及PCB板的绘制，最终进行系统软、硬件联调，完成设计目标；另外还需对相关科研情况有所了解。
3 方案总体设计
基于单片机的语音智能心率仪其主要功能是：采人体脉搏，然后与标准脉搏相比较，倘若温度超过标准脉搏就会实现语音报警。该系统的硬件部分包括心率采集及处理模块、温度采集模块、语音芯片及其外围电路模块、数码管显示模块、通讯模块、键盘模块、单片机处理模块等。具体工作过程是：系统输入由红外光电传感器采集的脉搏信号，由数字温度传感器采集人体温度，心率采集通过滤波放大整形处理后输入到单片机，再由单片机控制语音芯片发出语音，该语音是由录音电路事先录制入ISD4004的语音段，并且用数码管同步显示脉搏或温度。系统框图如图3.1所示。
心率采集及处理 心率及温度显示 按钮控制 单片机 语音报警及知识普及 温度采集及处理
图3.1 系统框图
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4 硬件总体设计
4．1 元器件的选型
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根据系统的需要本人选择AT89C55单片机作为核心的控制芯片，用ISD4004作为语音报警芯片，红外光电作为心率传感器，DS18B20作为温度传感器，MAX232作为通信部分芯片，数码管选用四位一体的共阳极数码管并且采用动态扫描显示方式，用74LS244和四个PNP组成的电路分别作为段驱动和位驱动。
4．2 关键器件介绍
4．2．1 AT89C55
AT89C55是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含20k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C55单片机可为大家提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数：
与MCS-51产品指令系统完全兼容 4k字节可重复擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz 三级加密程序存储器 128×8字节内部RAM 32个可编程I/O口线 两个16位定时器/计数器 6个中断源
可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 功能特性概述：
AT89C55提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通行口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C55可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件
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可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时器/计数器，串行通行口及中断系统继续工作。掉电方式保护RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
引脚结构：
图4.2.1 AT89C55引脚结构
引脚功能说明：
Vcc：电源电压 GND：地
P0口：P0口是一组8位漏级开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。作为输出
口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序效验时，输出指令字节，效验时，要求外接上拉电阻。
P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱动
（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
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Flash编程和程序效验期间，P1接收低8位地址。
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P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动
（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或效验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸
收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。 P3口除了作为一般的I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表4.1.1所示： P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单
片机复位。
ALE／PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出
脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的l／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要可通过对特殊功能寄存器区中的8EH单元的DO 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。[1,6]
表4.2.1.1 P3口第二功能
端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 第二功能 RXD(串行输入口) TXD(串行输出口) ————INT0(外部中断0) 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 ————第 7 页 共 32 页
INT1(外部中断1) T0(定时计数0外部输入) T1(定时计数1外部输入) ——WR(外部数据存储器写选通) ——RD(外部数据存储器读选通) PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C55 由
外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号出现。
EA／VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），
EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
表4.2.1.2 AT89C55的极限工作参数[4]
工作温度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ —55℃ to +125℃ 储藏温度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ —55℃ to +125℃ 任一脚对地电压„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ —1.0V to +7.0V 最高工作电压„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6.6V 直流输出电流„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15.0 mA 4．2．2 ISD4004
ISD4004语音系列芯片是美国ISD公司推出的产品，具有多次重复录放，存储时间长，使用时不需扩充存储器，所需外围电路简单等特点。ISD4004芯片工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、
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音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和\"金属声\"。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。ISD4004引脚排列：
图4.2.2 ISD4004引脚结构
引脚描述：
电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。
同相模拟输入(ANA IN+) 这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3KΩ电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000系列相同。
反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV。
音频输出(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动5KΩ的负载。
片选(SS) 此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。 串行输入(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周
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期将数据放到本端,供ISD输入。
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串行输出(MISO) ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端呈高阻态。
串行时钟(SCLK) ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。
中断(/INT) 本端为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。
行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存贮器共2400行)。该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC的218.75μs是高电平,31.25μs为低电平。该端可用于存储管理技术。
200ms
外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。
自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。
4．2．3 DS18B20
DS18B20的内部结构[11,12]DS18B20采用3脚PR－35封装，如图4.2.3.1所示。
25ms 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）
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引脚说明：地数据线可选
图4.2.3.1 DS18B20封装
DS18B20内部结构如图4.2.3.2所示[11]：
存储器和控制逻辑温度传感器内部VDD64位ROM和单线端口DQ暂存器上线触发TH下线触发TLVDD电源探测8位CRC产生器图4.2.3.2 DS18B20内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
1) 64位光刻ROM。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的[12]。64位闪速ROM的结构如下：
8b检验CRC 48b序列号 8b工厂代码（10H） 2）温度传感器。 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
3) 非挥发的温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。
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4) 配置寄存器。可以设置DS18B20温度转换的精度。
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DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EPRAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图4.2.3.2所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的内部存储器结构和字节定义如图4.2.3.3所示。低5位一直为１，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，
Byte0 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7 Byte8 温度测量值LSB（50H） 温度测量值MSB（50H） TH高温寄存器 TL低温寄存器 配位寄存器 预留（FFH） 预留（0CH） 预留（IOH） 循环冗余码校验（CRC） 2
图4.2.3.3 DS18B20内部存储器结构
DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率，如图4.2.3.4。
TRR
M 1 0 1 1 1 1 1 图4.2.3.4 DS18B20字节定义
由表4.2.3.1可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2
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字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表4.2.3.2是一部分温度值对应的二进制温度数据[6]。
表4.2.3.1 DS18B20温度转换时间表：
R1 0 0 1 1 R0 0 1 0 1 分辨率/位 9 10 11 12 温度最大转向时间/ms 93.75 187.5 375 750 表4.2.3.2 一部分温度对应值表
温度/℃ +125 +85 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 [6]
二进制表示 0000 0111 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0000 0000 0000 1010 0001 0000 0000 0000 0010 0000 0000 0000 1000 1111 1111 1111 0000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 十六进制表示 07D0H 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FE6FH FC90H DS18B20的测温原理：
每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。
程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。
DS18B20的测温原理如图4.2.3.5所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度
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变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入。
计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图4.2.3.5中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
预置斜坡累加器计数比较器减法计数器预 置低温度系数振 荡 器减到0温度寄存器高温度系数振 荡 器减法计数器减到0图4.2.3.5 DS18B20测温原理示意图
4．2．4 MAX232
a) 一般说明 MAX232是由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口
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RS232电平是-10v +10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电+5V,MAX232 就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F 电平转换成5V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将TTL/CMOS 电平转换成TIA/EIA-232-F 电平。这些接收器具有1.3V 的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。所有的驱动器、接收器及电压发生器都可以在德州仪器公司的LinASIC元件库
中得到标准单元。MAX232的工作温度范围为0℃至70℃。
b) 特点
单5V电源工作
LinBiCMOS 工艺技术
两个驱动器及两个接收器
±30V输入电平
低电源电流：典型值是8mA
符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28
可与Maxim公司的MAX232互换 ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V c) 引脚排列
DW或N封装（顶视）
图4.2.4 MAX232封装图
d) 应用范围
EIA/TIA-232-E 电池供电系统 终端
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调制解调器 计算机
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4．3 心率采集及处理模块
a) 采集及处理部分整体框图 如图4.3.1所示
传感器 放大整形 有源滤波 图4.3.1 放大与整形电路框图
1) 传感器：传感器采用了红外光电传感器，将测得的信号传给放大电路。血液是一种高度不透明液体，血液中含有大量的血红细胞，这种细胞具有很强的吸收红外线的功能。因此，红外线在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。当人体动脉血管随心脏周期性地收缩和舒张，动脉血管的血液容积随之发生变化时，动脉所在部分的人体组织对于红外光的透射性就会发生变化。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显，因而取手指作为信号采集部位，将人的脉搏信号转换成电信号[4]。红外光电传感器结构如图所示,D1和D4组成光电传感器。
图4.3.2 光电传感器
2) 放大滤波电路：由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，因光电传感器输出的电脉冲信号是非常微弱的信号，而且频率很低(如脉搏5O次／分钟为0．78Hz，200次／分钟为3．33Hz)，并且还伴有各种噪声干扰，故该信号要先经过R2、C2低通滤波，去除高频干扰。当传感器检测到较强的干扰光线时，其输出端的直流电压信号会有很大变化。为避免干扰信号传到U2B输入端，造成错误指示，用C1耦合电容将其隔离。运放U2B将信号放大200倍，并与R7、C7组成截止频率为10Hz左右的低通滤波器，进一步滤除残留干扰。如图4.3.3 所示，运放采用了LM324，电源电压
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±5V，放大电路的电压放大倍数为200倍左右。
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图4.3.3 放大滤波电路
3) 整形电路：如图4.3.4所示，U2B输出的是叠加有噪声的脉动正弦波信号，此信号由比较器U2D转换成方波。用R2可将该比较器的阈值调节在正弦波的幅值范围之内。
图4.3.4 整形电路
4) 微分电路、单稳多谐振荡器及分压电路：U2D的输出信号经C10、R25组成的微分电路微分后将正、负相间的尖脉冲加到单隐多谐振荡器U2C的反相输入端。当有输入信号时,U2C在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平,使C8通过R8充电，约20ms后，因C8充电电流减少而使U2C同相输入端的电压降低，当其低于反相输入端的电位时(尖脉冲已过去很久)，U2C改变状态并再次输出低电平，该20ms长的脉冲信号
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与脉搏同步，并通过红色发光二级管D2闪烁指示。该脉冲信号通过R28送单片机T0口计算，得到每分钟的脉搏次数。5V电源电压由R4、R5分压后得到2.5V电压，经U2A缓冲后用作U2B、U2D、U2C的参考电压。
图4.3.5 微分电路和单稳多谐振荡器及分压电路
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b) 传感器部分整体电路图如4.3.6所示
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图4.3.6 传感器及处理部分电路图
4．4 温度采集模块
图4.4. 温度传感器电路图
采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现12位（二进制）的数字值读值读数方式。DSl8B20的测量范围从-55～+125℃，增量值为0.0625℃[10]，1s(典型值)内把温度变换成数字。DS18B20最大的特点是可采用单总线数据传输方式，即DS18B20的数据I/O公口公用一条输出线。由于系统温度采集点数不多，采用一对
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4．5 语音芯片及其外围电路模块
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一的接线方式，即每一个DS18B20的数据线与单片机一个I/O口相连[10,11]。
如图中所示89C55与ISD4004之间的连接较少，单片机P2.3接ISD4004的片选/SS,控制ISD4004的选通与否。P2.4接ISD4004的SCLK,P2.5接ISD4004的串行输入引脚MOSI,从该引脚读入放音的地址。P2.6接ISD4004的MISO,P2.7接ISD4004的中断引脚/INT。对于ISD4004的连接还有音频信号输出引脚AUDOUT及接功率放大器放大后将信号输入给喇叭。录音电路接ISD4004的AMCAP。
ISD4004的连接如下图：
图4.5 ISD4004的连接图
录音过程：当单片机的控制录放的按键接通高电平时，此时录音指示灯亮，表明可以录音了。ISD4004的片选信号为低电平，并且保持到录音结束；同时，由单片机向ISD4004发送一串行指令：8位控制码＋16位地址码，通过串行输入口MOSI输入，
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形成一录音段。
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表示从此地址开始录音，直到到达存储器的末尾或新的串行指令要求它结束，这样就
放音过程：单片机的录放键是接通低电平的情况下，当单片机检测到温度过限时，它会通过MOSI向ISD4004发送一串行指令，同样是8位控制码＋16位地址码，控制码表示放音，地址码表示从此地址开始放音，直到到达存储器的末尾或放音结束指令再次输入停止，这样就实现了放音功能。
语音信号的固化：语音信号固化时，控制命令要遵循SPI串行数据传输协议，如上电命令(POWER UP)，录音命令(REC)等。将语音信号固化到语音库时，首先根据芯片的时序发送上电命令并相应地进行延时处理，再将地址信息发送给ISD4004芯片，接着发送录音设置及录音命令，直到出现录音结束标志OVF后结束录音。
ISD4004芯片工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和\"金属声\"。
4．6 数码管显示模块
显示部分采用共阳极LED显示 ，数码管的引脚图以及接线图见下图4.6.1：
图4.6.1数码管接线图
本课题采用DPY-4-SEC-DP型数码管。
每个段的驱动电流大概是10mA,8段全亮时大约是80mA，由于单片机低电平驱动
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P0口提供16mA电流，因此外加74LS244进行段控输出的驱动和单片机的P0口相接，以提供足够的电流。四个位选信号接四个PNP管子的集电极,共发射极接电源,由于单片机低电平驱动P1、P2、P3口提供8mA电流，而三极管有个放大倍数(假设β=100,位驱动需要驱动电流为100mA，那么基极只需要给1mA的电流)，所以四个三极管的基极接限流电阻后分别接单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P3.7。具体连接图见图4.6.2所示：
图4.6.2数码管连接图
4．7 通讯模块
通信电路的功能是将单片机测量的心率数据上传PC机。本电路采用一片MAX232E芯片将TTL电平转换成PC机所能识别的电平，再通过一个标准的9针接口与PC机连接，外围电路丰富简单，只需要5个1μF的电容器，具体电路如图4.7.1所示
图4.7.1 通讯部分整体电路图
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4．8 键盘模块
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键盘的6个键分别接到单片机的P10-P15上，采用查询方式进行工作。因为P0口是弱上拉，所以开关断开P0口就是高电平，开关接通，弱上拉能力很弱，就被拉到低电平，相当于单片机P0口内部的MOS管做了上拉电阻到电源。按键1按下，测量心率；键2按下，测量体温；按键3按下，录音，其他按键备用。键盘部分的电路图如图4.7所示。
图4.8 键盘部分电路图
测量开始应先设置需检测的人的心率范围，例如我们需要测的是一个人的心率，先把检测心率装置夹于手指、把检测温度装置夹在腋窝下，然后按下K1键，单片机从P15口得到一个低频信号，开始测量人体心率，一段时间后，显示心率值并语音播报，测量所得的数自动与60-100比较，如在次数范围内则语音输出“您的心率正常，健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁以下的小儿常在100次/分以上；老年人偏慢。随着体温的升高，心率值也会有相应的提高。为了保持您的健康您可在平时多锻炼身体，保持良好的心情”。如不在，当高于100次/分时，则输出语音 “您的心率偏高，请注意，运动、情绪激动、精神紧张及有发热症状，贫血或者心功能不全者都可能引起心率过高。心率过高容易引发心脏的舒张及收缩不完全，从而引起胸闷，呼吸不畅”报警；当低于60次/分时，则输出语音“您的心率偏低，请注意，主要的原因有1.心率不齐引起的病窦综合症2. 心绞痛引起的急性心肌梗死3. 情绪低下引起的甲状腺功能低下4. 头痛引起的颅内压高5.一些药物也可以导致心率慢，如异博定、地高辛等。”报警。再按下K2键显示人体温度，这个温度起到参考作用，若体温偏高，则语音输出“您的体温偏高，请注意身体”，若体温偏低则语音输出“您的体温偏低，请注意身体”，若体温正常则输出“您
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的体温正常,人体正常体温平均在36～37℃之间，超出这个范围就是发热，38℃以下是低热，39℃以上是高热。40℃ 以上随时有生命危险。”
4．9 单片机处理模块
4.9.1 心率处理模块
语音心率检测仪是通过光电传感器采集手指动脉波信号经过放大和整形成方波后送入单片机进行计算快速地转换为一分钟心率。
本设计采用红色发光二极管LED发出的光线通过人手指照射在光敏三极管的感光窗口上,当指尖的血流量随心脏跳动而改变时从LED通过指尖到达光敏三极管的光线强弱随之改变,这样光敏三极管的电流也发生波动性变化,从而采集到心脏搏动信号。
心率值计算方法：设K个连续的动脉搏动所用时间为 t 秒,在时间 t 内心率的平均值为 n 次/分，则
n=60K/t （1）
为了能够用单片计算机测定 t 值,我们利用脉搏信号控制（在K个连续的脉搏周期内）单片机的定时/计数器T0定时(定时1ms中断一次)用工作寄存器对中断次数进行计数然后读取计数值。设该计数值为N
于是有： t=0.001N （2） 可以得到： n=60K/0.001N （3） 上式就是利用单片计算机测定心率值的数学模型[14]。
AT89C55单片机接收到传感器电路传过来的第一个脉冲信号后，随即产生外部中断，在中断服务程序中启动定时器T0定时(定时1ms中断一次)。当定时器T0溢出时产生中断，执行中断程序对定时器中断次数N进行累加，在T0接收到传感器部分输出的第二个脉冲信号后，执行外部中断程序停止定时器T0定时，关闭T0中断，同时读取中断次数N，利用公式(3)计算出心率数n。 4.9.2 温度处理模块
温度检测采用芯片DS18B20， DQ端与单片机AT89C55的INT1相连。在按键2按下时，即P1.4为低电平时，中断，调用温度测量子程序。DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
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5 软件部分概述
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本系统软件由单片机C语言编写而成，采用模块化结构设计。主程序流程图如下：
开始 初始化 按键扫描 N N 按键1 Y 调用心率检测与处理模块 按键2 Y 调用温度测量与处理模块 录音 N 按键3 Y 语音播报 LED显示 语音播报 LED显示
图5.1 主流程框图
本系统软件由单片机C语言编写而成，软件编程时采用模块化结构程序设计方案。将整个程序进行细化，分成若干个子程序模块，最后再将子程序模块在主程序中连接起来，形成整个软件控制系统。整个控制系统可以分成键盘扫描子模块、心率信号检测与处理子模块、温度检测与处理子模块、语音播报与提示子模块、LED显示子模块，通信模块。
整个系统实现的功能为：扫描按键，若按键1按下，调用心率检测模块，进行心率测量与处理，并调用语音进行语音报警与提示，心率值由LED显示出来；若按键2按下，调用温度检测模块，进行温度的测量与处理，并调用语音进行语音报警与提示，温度值由LED显示出来；若按键3按下，录音显示灯点亮，可以对着麦克风进行录音。
6 单片机系统硬、软件的调试
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6.1 硬件调试
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根据设计的原理电路做好实验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。
1.脱机检查：用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各 引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。
2.调试：暂时排除目标板的CPU和EPROM，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，调试各部分接口电路是否满足设计要求。这部分工作是一种经验性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不可能一次性完好，总是需要调试的。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。
印刷线路板是测控系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，其设计合理与否，对系统的抗干扰性影响很大。所以在设计印刷线路板时，要遵循一定的抗干扰设计原则。本系统在设计时所采取的抗干扰措施如下：
a)采用隔离法消除各板块间的相互串扰
将模拟信号输入和转换电路、功率输出控制电路、开关量输入电路、CPU主控电路分别设计在不同的线路板上；采用光电隔离切断主控板与输出控制、开关量输入部分的UO口通道间的电联系。从而有效防止各部分电路间的相互干扰，以及防止某些干扰从过程通道窜入主机。
b)防止线间串扰：对弱信号线进行屏蔽保护；各板卡间选用可靠的线路连接件；电源线与信号线分开走线。
c)合理布局地线：在微型机系统中，地线主要有系统地、屏蔽地、数字地和模拟地等类型。
d)布线所注意事项
1)任何信号线都不形成环路；走线尽量短直；尽量减少过孔量；尽量用450折线而不用90的折线布线。
2)布电源线时，根据电流大小，尽量加粗导线宽度，并使电源线、地线走向与数据传送方向一致，这有助于增强系统的抗干扰性。
3)时钟线尽量垂直于V0口线，这比平行于I/O口线的干扰小。
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模拟部分不交叉。
e)芯片管脚处理
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4)模拟信号输入线、参考电压端尽量远离数字电路信号线：AD574A的数字部分与
由于CMOS芯片输入阻抗高，易受感应，所以其不用的管脚接地或接正电源；闲置不用的运算放大器的正输入端接地，负输入端接输出端。
f)去藕电容的配置
在电路板上合理配置去耦电容，可起到很好的抗干扰作用。电路图中去耦电容是独立画的，分六组每组一个10uF电解电容，一个0.01uF瓷片电容，给一个数字芯片的电源去耦，PCB布线的时候放到芯片的电源端。具体做法如下:
1)在电源输入端跨接一个10uF的高频电容。
2)每个集成芯片都配置一个0.01uF的去藕电容，起两方面作用：一是作为集成芯片的蓄能电容，提供和吸收芯片开门、关门的瞬间充放电能量；二是旁路掉该芯片的高频噪声。焊接时，去耦电容引脚尽量剪短，以防止分布电感使其本身发生共振。
g)印刷线路板的大小适中。过大，印刷线条长，阻抗增加，抗干扰能力差，成本也高；过小，散热不好，同时易受邻近线条干扰。
h)器件布局
相关器件尽量靠近，这样既能获得较好的抗噪声效果，又方便布线；因时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，所以将它们靠近放置。此外，将易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等尽量的放置在印刷板边，让其尽量远离逻辑电路。
6.2 软件调试
软件调试根据开发的设备情况可以有以下方法：
a)交叉汇编：用IBM PC/XT机对MCS—51系列单片机程序进行交叉汇编时，可借助IBM PC/XT机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到PC机，生成MCS—51 HEX目标代码和LIST文件。
b)用汇编语言：现在有些单片STD工业控制机或者开发系统，可直接使用汇编语言，借助CRT进行汇编语言调试。
c)手工汇编：这种方法是最原始，但又是一种最简捷的调试方法，且不必增加调试设备。这种方法的实质就是对照MCS—51指令编码表，将源程序指令逐条地译成机器码，然后输入到RAM重新进行调试。在进行手工汇编时，要特别注意转移指令、调
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错。
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用指令、查表指令。必须准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量，以免出
6.3 硬件、软件仿真调试
经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合仿真调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。实验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。
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结 论
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目前测量心率的仪器很多，但是并没有语音提示的功能，本课题是在传统的单片机心率仪系统中引入了语音技术，实现语音报警，从而代替传统的单调的“嘀嘀”的报警声音并且进行心率的科普知识宣传（比如正常的心率是多少，高心率可能引起什么疾病等等），而且加入了心率显示模块，这样更方便地看出心率；另外考虑到温度有时也会影响到心率，因此实现的功能中包含温度测量，起到参考的作用，这也是其中的创新点。该课题主要讲述了基于单片机的语音智能心率仪的硬件设计与实现，采用ATMEL公司的AT89C55单片机作为核心元件，另加带录音/放音电路的ISD4004作为语音芯片，心率传感器采用红外光电传感器，在显示模块中用74LS244和四个PNP组成的电路分别作为段驱动和位驱动，这样增加的段控线和位控线的驱动能力并且增加了数码管的亮度。在通讯部分用MAX232单片机来实现与PC机的资源共享。
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致 谢
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通过这次设计，使我受益非浅。毕业设计是本科四年学习的大综合；是一场综合的考试；是一次社会实践。设计所涉及到的东西，是前所未有的。要求知识的综合性较高，各方面都要用到一点，但是我们的知识是不能达到这样的要求的，我们在困难面前没有低头，通过各方面的渠道来弥补。这恰恰就是我们在平时里没有注意到的自学能力，通过这次设计，培养了自学能力，为以后的继续学习打下基础。同时这次设计是一个小型的社会团体，在这个小社会中如何相处等都是一个锻炼。
本次设计是在杨银贤老师的悉心指导和帮助下完成的，他对本次设计的构思、框架和理论运用给予了许多深入的指导，使得设计及论文得以顺利完成。在论文撰写过程中，他提供了许多宝贵的思路和建议，结合工作体会和经历，提出了很多有价值的观点，为完成本次设计和论文给予了极大的帮助。在此，献上我最诚挚的感谢！
设计的另一重要环节是程序的编写。和我同组的王琼花同学负责软件的编写，她花了大量的时间查阅资料，请教老师和同学。一遍一遍的在仿真软件上模拟仿真，最后终于功夫不负苦心人，她编写出了整个的软件程序。该程序基本上满足了设计之初的设想要求。在这里我要感谢他。
再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师和同学们！
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参 考 文 献
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5 王东云.便携式自动心率检测仪的设计.郑州纺织工学院学报.第7卷第1期 6 欧阳文.ATMEL89系列单片机的原理与开发实践.北京:中国电力出版社,2007.6.
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VCCJ2C8R2347nFDC5VU2C108951ΩGNDLM3242D2R28C2410uFC2510uFC2610uFC2710uFC2810uFC2910uFC30103C31103C32103C33103C34103C35103GND220kΩR912131nFLM32410kΩC1014U2D123VCCVCCC7R1270ΩR230kΩR747nF1MC1U2B575V电源D1LEDD4PHOTO2.2uFC2220nFR330kΩ6LM324R647kΩ电源去耦D2S1R3010KLEDVCCR10l0kΩ1MR29DIODE680ΩR81MD3R24R25VCCVCC4附录A 原理图
20kΩR4U2AVCC347kΩ1录音指示灯2R547kΩC9LM3241.0uF11GND温度采集U5DS18B20K1U6RP1VCC DALLSDS18B20GNDDOVCCGND脉搏采集K2K3K4K5K6GNDVCCC142uf123VCCGND10k1312INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89C5110K*8R2612345678P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17VCC2718P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332P00P01P02P03P04P05P06P07C160.1pf4ISD4004VCCDVCCAU?C17R3115KR33220KC23Q530PS9012C181.0ufC152433PRACR32100K103PR342KMK1C11VCCY112M1918933pP37GNDC12311514MICU333pR2710kLS1GNDDPY4aVCCbcQ1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNPfgde220uFSPEAKERC21816 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）
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附录B PCB图
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