基于51单片机心设计率计脉搏仪 - 图文

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南 京 理 工 大 学

毕业设计说明书(论文)

作 者: 冯旗 学 号: 104913252049 教学点: 扬州职业大学 专 业: 电子工程

题 目: 基于51单片机心率计买博仪设计

指导者： 方小坤

讲师

评阅者： 朱海星

副教授

2015年4月

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南 京 理 工 大 学

毕业设计（论文）评语

学生姓名冯旗班级、学号：13级、104913252065

题 目： 基于51单片机设计心率计脉搏仪 综合成绩： 指导者评语： 该同学能在老师的严格要求下顺利完成整个毕业设计工作、任务书和论文的撰写。任务书完成情况良好。 该论文选题为基于51单片机设计心率计脉搏仪，具有实用性，能够提供大学生一个创新的平台。该同学在此次设计中充分应用单片机的软硬件资源，加强综合性，提高了设计的复杂性。 程序能正确的运行，论文的规范化符合要求，论文的逻辑性和科学性基本合理。在设计过程中，该同学表现出良好的学习作风，比较扎实的基本理论。课题有一定的实用价值和现实意义，设计的基本任务和要求初步达到。 建议成绩为良好。 可以提交答辩。 指导者(签字)： 2015年5月7日 3

毕业设计（论文）评语

评阅者评语： 同意指导教师的意见。 该生能够按时完成毕业设计任务，课题新颖，设计所用知识点多，具有实用性，难度适中。整个设计有一定的工作量，成果完成情况良好。论文等提交的材料格式规范，条理清楚，论述正确，文字通顺，书写工整。设计资料完备、整洁、正确。 同意答辩，建议成绩为良好。 评阅者(签字)： 2015年5月9日 4

答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 2015年5月10日 I

毕业设计说明书（论文）中文摘要

脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用,通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统以STC89C52单片机为核心，以光电传感器利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号，单片机通过对信号累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。 本设计利用红外光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒，除此外用户还可以设定每天闹钟提醒测量，时间可以自行设定，结果最终可以把采集到的脉搏信号显示在LCD1602上。 关键词 STC89C52 脉搏测量仪 LCD显示器 光电传感器

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烁说明测量值准确。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

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2 总体方案的论证与设计

2.1 系统整体设计

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心率计的总体设计电路框图如图2-1所示，主要包括光电传感器、放大电路、比较电路、转换电路、单片机处理电路和显示电路，用其5V的电源。

图2.1 总体设计电路框图

光电传感器：光电感应主要是由光电指套式传感器实现的，LED发出的光线通过手指照射在三极管的感应窗上，随着微血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏三极管的电流也发生波动性的变化，这样也完成了将光敏三极管转换为电压信号，完成可第一步工作过程。

放大电路：由于通过光电传感器接收到的信号极其微弱，容易被其外围电路所干扰，因此系统必须为信号处理电路提供电源。检测到的信号经过LM324放大器放大后仍存在较大的偏置电压，因此必须在信号输入端加滤波电容，将电路中的直流成份滤掉并保证不影响交流信号的传递。

比较电路：比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。运用比较电路的原理，对两个或多个测量数据项进行比较，用来检测

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测量结果是否精确。 A/D转换电路：将模拟信号转换为数字信号，方便其读数。

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单片机处理电路：单片机处理电路是设计的核心电路，起着统筹的作用。 显示电路：将脉搏（心率）测量结果显示出来。 电源：提供的单片机运行所需要的电压。

2.2 主控模块的选型和论证

方案一：

采用MSP430系列单片机，该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。

方案二：

采用51系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的8位单片机，32个IO口，且STC系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。

2.3 显示模块的选型和论证

方案一：

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，对于显示文字比较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示。

方案二：

采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。

方案三：

采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个LCD1602的液晶屏即可，价格也还能接受，

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需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。

所以本设计中方案三中的LCD1602液显示屏作为显示模块。

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2.4 传感器的选型和论证

方案一：

采用压电传感器用来提取人的脉搏信号，压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。通过此现象可以提取出人的脉搏信号。

方案二：

采用光电传感器提取人体脉搏信号，授予手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。

由于光电传感器较压电传感器容易在一般的地方可以买得到，因此这里选用光电传感器来提取人体脉搏信号。

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3 系统硬件电路设计

3.1 主控模块

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主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘等各种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。

本设计采用STC89C52用于设计，STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，3个16位定时/计数器。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。

STC89C52单片机的基本组成框图见图3.1所示。

图3.1 STC89C52基本组成框图

STC89C52单片机主要特性 1. 一个8 位的微处理器(CPU)。

2. 片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的RAM。

3. 片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将RAM 和ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的89 系列单片机分别集成了16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。

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4. 四个8 位并行I/O 接口P0-P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。 5. 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52 系列单片机都会提供3 个16 位定时器/计数器。 6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5 个中断源，例如SST89E58RD 就有9 个中断源。

7. 一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。

8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。

3.2 单片机最小系统设计

图3.2为单片机最小系统电路图，单片机最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路选用了12MHZ的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，其中执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期，单片机的复位电路，按下复位按键之后可以使单片机进入刚上电的起始状态。图中10K排阻为P0口的上拉电阻，由于P0口跟其他IO结构不一样为漏极开路的结构，因此要加上拉电阻才能正常使用。

图3.2 单片机最小系统电路图

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3.3 LCD显示电路模块设计

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由于本设计中要求显示界面显示一些参数，因此这里选用了LCD1602作为界面显示，可以把一些相关的参数进行显示。

液晶显示器(LCD)英文全称为Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。

显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是LCD液晶模块，采用一个16×2的字符型液晶显示模块。

点阵图形式液晶由 M 行×N 列个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有64行，每行有 128列，每 8列对应 1 个字节的 8 个位，即每行由 16 字节，共 16×8=128个点组成，屏上 64×16 个显示单元和显示 RAM 区 1024 个字节相对应，每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。一个字符由 6×8 或 8×8点阵组成，即要找到和屏上某几个位置对应的显示 RAM区的 8 个字节，并且要使每个字节的不同的位为‘1’，其它的为‘0’，为‘1’的点亮，为‘0’的点暗，这样一来就组成某个字符。但对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

LCD1602液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系， CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM，LCD1602液晶模块的引脚图如图3.3

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所示。 RS 0 0 R/W 0 1 操作说明 写入指令寄存器（清除屏等）

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读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值 写入数据寄存器（显示各字型等） 从数据寄存器读取数据 图3.3 LCD液晶模块引脚图

1 1 0 1 3.4 液晶显示电路

如图3.4所示,用STC89C52的P0口作为数据线，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：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，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。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。

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图3.4 液晶显示电路

3.5 光电传感器电路模块设计

此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。选择电路：所选放大整形电路框图如图3.5所示。

光电传感器 放大电路 有源滤波电路 整形电路 图3.5 放大整形电路框图

3.6 传感器简介

传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图3.6所示。

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图3.6 传感器信号调节原理电路

如图3.6中，红外管VD采用ST188。用+5V电源供电，R1取150Ω，R2取33kΩ,当人把手指放在发光二极管和光电二极管之间的时候，光电二极管接收到的信号会随人脉搏强度的变化而变化。

3.7 滤波电路

图3.7 放大滤波电路

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图3.7为脉搏计的放大滤波信号，由于脉搏信号输出的信号十分微弱，一般在uV级别，除此外输出的信号一般会伴随很大的噪声干扰，因此在这里用LM358搭建起一个放大和滤波电路。

3.8 放大整形电路

经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图3.8所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM358，除此外LM358还接上了一个LED用作指示脉搏跳动的状态。

图3.8 波形整形电路

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3.9 整体电路图

将3.1-3.8画为一个图，整体电路如图3.9所示：

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图3.9 整体电路图

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4 系统软件设计

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4.1 主程序设计

4.1（a） 4.1（b） 4.1（c）

图4.1 系统流程图

主程序流程图如图4.1所示，单片机上电后先进行初始化，清楚一些参数的初值，然后等待用户按下对应的按键并进入对应的功能，当用户按下测量按键的时候流程如图4.1(c)所示，单片机通过定时15s测量人体的脉搏次数流程如图4.1(b)所示，然

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后再换算出对应的真实的脉搏次数再在液晶屏幕上显示流程如图4.1(a)所示，当用户按下设置脉搏范围设定按键后，单片机根据用户按下的按键进行增加或减少范围。

4.2 子程序设计

调用自定义字库设置DDRAM地址，在第一行显示设置显示数据首地址设置DDRAM地址，在第一行显示设置显示数据首地址循环量设置循环量设置取字符代码取字符代码循环完？循环完？

结束 图4.2 LCD1602初始化子函数流程图

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5 系统调试

5.1 Keil软件介绍

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Keil软件是目前开发8051系列单片机的常用软件，Keil软件提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案。它具有编译时间短、可产生最少的代码量、支持浮点和长整数、重入和递归等特点。

具有以下优点:

1、Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

2、与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

3、Keil C51单片机软件工具包的整体结构，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

使用独立的Keil仿真器时的注意事项:

1、仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。

2、仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。

3、仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。

5.2 keil软件调试过程及结果

Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：

编写源程序并保存—建立工程并添加源文件—设置工程—编译/汇编、连接，产生目标文件—程序调试。

首先选择菜单File-New，在源程序编辑器中输入C语言源程序（直接打开已用其它编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.c。

然后选择菜单Project-New Project，建立新工程并保存，工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，如图5.1所示，选择C8051F310单片机的型号后点确定返回主

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界面。

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图5.1 选取单片机型号

这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group ‘Source Group1’”，出现一个对话框，加入源文件后点close返回主界面。如图5.2所示：

图5.2 建立工程并加入源文件

选择工程管理窗口的Target1，再选择Project-Option for Target‘Target1’打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，设置晶振频率,在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其它选项卡内容一般可取默认值，如图5.3所示。

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图5.3 Target选项卡

工程设置后按F7键进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

5.3 硬件调试

基于单片机的脉搏计系统是多功能的数字型设计，所以对于它的程序也较为复杂,所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下： 问题1：烧入程序后，LCD液晶显示闪动,而且亮度不均匀。

解决：首先对调用的延时进行逐渐修改，可以解决显示闪动问题。其次，由于本作品使作动态扫描方式显示的数字，动态扫描很快，人的肉眼是无法看出,但是调用的显示程序时，如果不在反回时屏蔽掉最后的附值，则会出现很亮的现象，所以在显示的后面加了屏蔽子令，最后解决了此问题。

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问题2：当用户按下按键的时候，单片机读取的数值跟设定的数值不对。 解决：重新检查矩阵键盘电路的连接，重新建立一个新的对应关系。

5.4 系统测试

基于单片机的脉搏计系统的电路较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。

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在本脉搏计的设计调试中遇到了很多的问题。回想这些问题只要认真多思考都是可以避免的，以下为主要的问题：

问题1：最开始的时候以为单片机I/O口直接可以驱动蜂鸣器发声，后来调试的时候久久不能出声音。

解决：经过查找相关资料，知道扬声器需要三极管来驱动，后来把三极管放大器加上系统便可以正常工作。

问题2：开始的时候由于没想到脉搏信号十分微弱大概在uV级别，因此没有放大足够的倍数，单片机最后没有检测到脉搏的信号。

解决：经过查找相关资料，确定脉搏信号的幅值范围后，增加放大器的放大倍数就解决问题。

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结 论

通过这次毕业设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。经过我长时间的设计及调试，本系统基本能实现基于单片机的脉搏计的所有功能。不足之处有：1.硬件的稳定性有待进一步提高2.系统人性化还不足。

我的综合设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。基本掌握了Protel99SE原理图的方法，并设计了一个单片机最小系统。通过开发板的设计和硬件搭建的过程，使我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LCD液晶，键盘等。并且我学会了分析问题解决问题的能力，加深了对所学理论知识的理解和运用。我的动手能力得到了很大的提高，创新意识得到了锻炼。

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致 谢

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在这次课程设计的过程中，我的指导老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的课程设计作品给予了指导和支持。使我顺利圆满的完成了此次课称设计设计。在此，向方老师表示衷心的感谢！同时，也要感谢学院领导的关心，使我的设计得以顺利完成。

古人云：预则立，不预则废。祖先曾经教导我们：一年之计在于春，一日之计在于晨。作为即将走向社会的我们又何尝不是如此？一个没有规划的人生，就像一场没有球门的足球赛，满场乱踢；一个没有规划的人生，就像一叶在茫茫大海上漫无目标的小舟，随波飘荡。在我们即将走向社会的时候，我们必须对自己的职业生涯进行规划。罗素曾说：选择职业就是选择你自己的将来。因此我们要针对社会需要，结合自身的情况及早做好相应准备，为我们走向社会打下坚实的基础。俗话说：磨刀不误砍柴功。为适应社会需要，促进自我发展，我们除了学好本专业外，还应辅修相关专业知识，积极参加社会实践活动，培养工作能力，努力提高综合素质，同时努力培养特长，形成自身竞争优势。

最后，再次感谢南理工给了我读本科的机会，以及感谢学院领导、方老师、许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，谢谢你们！

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参 考 文 献

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[1]陈权昌.李兴富.单片机原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社,2007.8. [2]李庆亮.C语言程序设计实用教程[M].北京:机械工业出版社,2005.3.

[3]及力.Protel 99 SE原理图与PCB设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.8. [4]徐江海.单片机实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006.12 [5]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008.6.

[6]刘宁.单片机多功能时钟的设计[M].浙江:浙江海洋学院,2009.

[7]汪文.陈林.单片机原理及应用[M].湖北:华中科技大学出版社,2007. [8]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社,2008.

[9]邓奕、马双宝、谢龙汉，Protel 99 SE原理图与PCB设计[M]，北京：人民邮电出版社，2010.

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[11]陈凯，液晶显示万年历、时间、星期及温度[D]，湖南：湖南理工学院，2009. [12]王新颖，单片机原理及应用[M]，北京：北京大学出版社，2008. [13]赵广林，新型语音芯片应用手册[M]，北京：电子工业出版社，2008. [14]吴建平，传感器原理及应用[M]，北京：机械工业出版社，2009.

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