毕业设计 基于51单片机智能手环的设计

序
🔥 毕业设计和毕业答辩的要求和难度不断提升，传统的毕设题目缺少创新和亮点，往往达不到毕业答辩的要求，这两年不断有学弟学妹告诉学长自己做的项目系统达不到老师的要求。
为了大家能够顺利以及最少的精力通过毕设，学长分享优质毕业设计项目，今天要分享的是：基于51单片机智能手环的设计

第1章  硬件设计实现

本章通过前期系统方案的论证确定了基本需要实现的功能以及需要用到的功能模块，以此进行基础的硬件设计，首先总体确定整个电路的设计并确定框图，之后再通过输入与输出分别对不同功能模块进行电路设计，

1.1硬件总体电路

通过对功能模块的选择，确定了51单片机最小系统模块、MPU6050陀螺仪模块、LCD1602液晶显示模块、Pulse Sensor脉搏检测模块、DS18B20体温监测模块、蜂鸣器模块、按键模块。现将这些模块通过软件绘制成简单框图如下：

图1-1 完整设计框图

通过上述的硬件结构，预期在硬件方面实现以下几个功能：

l数据处理：51单片机最小系统处理物理量信息得到我们熟悉的模拟信息。

l心率数据采集：通过红外技术将人体心率的变化采集回来。

l温度数据采集：通过温度传感器阻值随温度的变化而变化，获得相关数据。

l步数信息采集：通过陀螺仪三轴重力传感器的电压变化而采集到相关数据。

l按键效果：通过四个按键并联的形式，当按键按下触发对应功能。

l报警模块：最小系统监控阈值和采集数据的大小，当出现异常便触发报警。

1.2单片机最小系统设计

整个系统最为核心的控制部分是由STC89C52芯片、电源电路、复位电路和晶振时钟电路组成的51单片机最小系统。

l时钟电路中：接入XTAL1（19引脚）：内部晶振电路输入端口

            接入XTAL2（18引脚）：内部晶振电路输出端口

l复位电路中：接入RST（9引脚）：单片机的复位引脚。

l电源电路中：接入VCC（31引脚）：EA（Vpp）电源引脚。

51单片机最小系统主要依靠时钟模块的晶振得到周期性时钟信号，从而实现计时器作用，可以在一定时间内实现数据采集处理和转换。原理图如图1-2。

图1-2 单片机最小系统

（1）时钟电路

51单片机的节拍由晶体振荡器提供，而时钟电路就是晶体振荡器的角色。主控芯片的操作须在这个节拍的控制下进行。因此主控芯片是通过软件让单片机根据时钟来做相应工作。

时钟电路的正常工作是由外部时钟方式提供工作时序。本次采用了一个11.0592MHZ的晶振和两个22PF的瓷片电容器件构成了震荡电路为单片机提供时钟。51单片机的时钟电路原理图如图1-3

图1-3 时钟电路        图1-4 复位电路

（2）复位电路

51单片机的复位电路分为：手动复位方式，和上电复位。本次系统设计中，复位电路采用上电系统自动复位的方式进行系统复位。

51单片机上电复位电路由220UF电容器件和10K电阻构成。因为电容内的电压是不能突变的，所有当上电时刻电容没有充电时两端电压就为零，此时，给予复位脉冲，电源给电容充电，直至电容两端电压等于电源电压，电路进入正常工作状态。

复位电路用于控制主控芯片的状态。在系统受到干扰出现程序错误或系统死机的时候，启动复位操作，主控芯片内烧录的代码会重新执行。复位电路原理图如图1-4

1.3 输入模块电路

1.3.1 陀螺仪电路设计

人体在运动过程中，重心会随着人体的运动，在一定范围内出现规律性变化，三轴重力传感器对此敏感，随重力变化，其输出电压也会发生规律性变化。

由此可知陀螺仪的工作流程。如图3-5 MPU6050的电路由5V/3.3V电源输入。SDA，SCL连接到单片机，INT产生中断信号连接至单片机。注意到使用的主控芯片为52单片机需给SDA和SCL加上上拉电阻。

图1-5 MPU6050电路

1.3.2 体温监测电路设计

DS18B20的工作原理：

因为低温振荡器的频率随温度变化较小，而高温度振荡器频率变化明显，当低温度振荡器变化，减法计数器触发减1，当初值减到0时，温度寄存器(根据硬件特性最低-55°，所以基数为-55)加1。当高温度振荡器触发减法计数器减到0时，停止工作。此时温度寄存器内的数值就是监测到的温度值。

DS18B20无需外部电源。但需通过开漏模式连接总线，并给控制引脚加上上拉电阻。结构图如图1-6内部结构图：

图1-6 DS18B20内部结构图

DS18B20高速暂存存储器由9个字节组成，分为：

表1-1 寄存器对应表

序号	寄存器名称	作 用	序号	寄存器名称
0	温度低字节	以16位补码形式存放	4	配置寄存器
1	温度高字节		5、6、7	保留
2	高温阈值	存放温度上限	8	CRC
3	低温阈值	存放温度下限

器件断电时，EEPROM寄存器的数据将会被保留，再次上电后，数据将重新加载到对应寄存器，通过命令也可随时将数据从EEPROM重新加载到暂存器。

表1-2 温度寄存器数据格式

	字节 7	字节 6	字节 5	字节 4	字节 3	字节 2	字节 1	字节 0
低字节	23	22	21	20	2-1	2-2	2-3	2-4
	字节 15	字节 14	字节 13	字节 12	字节 11	字节 10	字节 9	字节 8
高字节	S	S	S	S	S	26	25	24

S = SIGN

DS18B20中数据是以16位二进制形式显示，S为符号位（正数S=0，负数S=1）。默认分辨率为12位时，寄存器中所有位都将是有效数据。

表1-3 主要指令代号表格

指令	约定代码	操作说明
温度转换	44H	启动DS18B20进行温度转换，结果存入RAM中
读暂存器	0BEH	读暂存器9字节内容
写暂存器	4EH	将数据写入暂存器的TH、TL字节

写时序：主控芯片向DS18B20写入逻辑1或0至少要60us，且两次独立的“写时隙”之间至少需lus的恢复时间。

读时序：在单片机发出读数据指命后，立刻产生读时序，先将总线拉低至少1us，DS18B20才开始向总线发送逻辑1或0。

1.3.3 心率监测电路设计

红外光源和三极管光敏设备在同一侧，红外光源的光经手指反射到感光设备。当手指组织的半透明度较大，红外光二级管发射出透过手指的光强很弱，光敏三极管无法导通，导致输出端高电平，当手指半透明度数值较小，输出端为低电平。

图1-7反射式心率检测方法工作原理

通过图3-8信号采集电路，U3为红外发射二极管和光敏三极管。二极管中电流越大，发射角越小，产生强度就越大。基于光敏三极管灵敏度，R21选择270Ω。当干扰光线较强的时，输入端电压变化大，用C8、C9串联组成双极性耦合电容隔断。

图1-8 信号采集电路

1.4 输出模块电路

1.4.1 LCD1602液晶显示电路设计

LCD1602液晶屏可以存储160种不同的字符编码，一个字符在存储器中仅有一个编码，使显示更简单。工作过程中，微机提前获取显示的点阵码，一个字符占32B。通过给予显示的X轴与Y轴(行列号)每个位置的列数就可以找到显示位置显示字符的第一个字节，光标逐渐加1送上下一位，直到32B显示完毕就完成一个字的显示。

在本次系统中，通过连接液晶屏DB0-DB7与主控芯片P0.0-P0.7；液晶屏RS、RW、EN分别与芯片P2.5、P2.6、P2.7连接。LCD1602液晶屏原理图与接线如图1-9：

图1-9 LCD1602液晶显示模块接线图

1.4.2 按键电路设计

设计采用4个独立按键串联连接完成输入操作。通过物理按压使内部接通通电。当松手就自动抬起，从而切断电路。当其中一个按下执行对应功能。按键是K1、K2、K3、K4，完成数据发送，阈值选择、阈值+1、阈值-1。

图1-10 按键电路接线图

1.4.3 蜂鸣器报警电路设计

设计中，报警信号通过有源蜂鸣器元件实现。在蜂鸣器响起的同时还带动一个达到声音报警的效果。

蜂鸣器通过8550三极管驱动，当主控芯片输出低电平时，三极管产生电流而驱动蜂鸣器发声。只有主控芯片输出下一次低电平，蜂鸣器才关闭。

LED灯通过二极管驱动，当单片机输出低电压时，LED灯点亮。当单片机下次输出高电压后，LED灯才会灭。

蜂鸣器上接口接入单片机P2.5，LED灯接口接入单片机P2.6。具体接线如图1-11

图 1-11 蜂鸣器与LED接线图

第2章  系统调试

结合前面的设计，实物的大体功能都已经基本实现。结合预期效果，智能手环可以实现较准确的检测心率、温度随人体温度变化而变化、步数按照实际行走情况统计，最后还可以比对数据与阈值的大小给予反馈。最后进行各功能的测试，观察与预期不同的效果，加以更正达到最后理想的数值。

2.1功能模块测试

2.1.1心率监测数值有误差

对实物进行调试时发现得到数值与水银测量数值存在误差，原因是红外传感器通过监测血液流动产生的透光度不同而产生非常微弱的电信号。有时候过于弱而无法发生脉冲电平触发定时器中断，导致数值不正常(如图2-1)正常情况下应该在60-100之间。因而在调试过程中通过多次修改传感器参数，使这一电信号处理得到较稳定的脉冲电平。最后得到与水银测量数据出入不大的数值。

图2-1 心率因电信号过低无法正常测量

图2-2 温度显示异常

2.1.2温度监测数据出错

初次调试时，发现温度传感器反馈数值每次都不改变(如图5-2)，且数值明显不是人体温度。一开始认为是寄存器发送出现问题，于是多次修改程序。但效果不明显，数值仍然是不合理数。最后通过对电路及接口的分析，发现是没有给传感器一个上拉电阻。

2.1.3陀螺仪数值不合理跳变

运行陀螺仪程序时发现，当单片机处于倾斜状态时步数快速累加。而当平放单片机时步数却不累加。先是检测了程序代码，基本检测没有出现问题。之后是查看接口连接是否出现接口错误，但也没有出现致命失误。最后研究陀螺仪工作原理，发现是传感器阻值过小，导致其灵敏度过大。加上之前接口的小失误，最后解决了这个问题。

2.2 测试总结

2.2.1目标代码测试

本设计用的代码为C语言，在校期间学习最多的就是C语言。开发工具是用到学习过的KEIL4，不仅编写代码界面简洁，函数调用也简单，支持编译。在编译过程中经常出现参数错误、函数调用与指针问题，多次进行修正。直至编译生成目标文件(.HEX)。最后通过下载到开发板上进行调试。在这一步注意到52单片机在一次下载后需要单片机掉电，电量放光后上电（冷启动）才能进行下一次下载。同时需要为PC端安装单片机对应的驱动，再通过USB口连接才能识别到主控芯片。

最后总结整个软件程序流程为：单片机驱动安装；项目驱动程序编写；通过KEIL软件进行编译得到目标文件，下载目标文件到主控芯片。检测系统正常运行，如不满足要求则重复上面过程。

2.2.2数据反馈测试

在通过串口助手对所有收集的数据进行观察的过程中，多次遇到数据出现明显错误的情况，并回到硬件和软件进行检查。发现许多错误是不经意间犯下。在多次修正后得到如下正常的数据反馈图：

图2-1 串口助手数据反馈

在图中可以清楚看到：

第一行为初始数据，温度为室温，心率尚未检测，步数未移动

第二行进行了心率检测，仅仅心率改变了，测得此时心率为75次/分钟

 第三行进行了步数检测，仅仅改变了步数从000变化到008

 第四行进行了温度检测，用手去捂住温度传感器，测定手温度为30°。

在提高了功能模块数据的准确度以后，基于52单片机的智能手环也基本完成预期设想。

总体原理图：

如果学弟学妹们在毕设方面有任何问题，随时可以私信我咨询哦，有问必答！学长专注于单片机相关的知识，可以解决单片机设计、嵌入式系统、编程和硬件等方面的难题。
愿毕业生有力，陪迷茫着前行！