基于ARM的數(shù)字式人體脈搏儀的設(shè)計(jì)說明

1、. . . . 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目：基于ARM的數(shù)字式人體脈搏儀的設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程與其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)：K030941441 ：雄 2011年11月14日26 / 26一 數(shù)字式人體脈搏器測(cè)量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案數(shù)字式人體脈搏器是通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大。然后，將放大后的脈搏信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為單片機(jī)易于處理的脈沖信號(hào)。通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率的測(cè)量和計(jì)算，最終在顯示電路中直觀的顯示出來。硬件原理框圖如圖1.1所示： 圖1.1 數(shù)字式人體脈搏儀測(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖由圖可知，本系統(tǒng)硬件部分主要由以下部分構(gòu)成：

2、脈搏傳感器部分、信號(hào)放大電路部分、A/D轉(zhuǎn)換電路部分、單片機(jī)處理電路部分與顯示電路部分。其中各部分實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）脈搏傳感器部分。選用合適的脈搏傳感器，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力與安裝方式?jīng)Q定了脈搏測(cè)量精度，因此其選型對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)具有決定性的作用。（2）信號(hào)放大電路部分。脈搏傳感器出來的電壓信號(hào)較弱，一般在毫伏級(jí)，需要進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，便于后續(xù)電路的處理。（3）A/D轉(zhuǎn)換電路部分。單片機(jī)是數(shù)字信號(hào)處理工具，輸入單片機(jī)的信號(hào)必須是離散的數(shù)字信號(hào)或者是脈沖信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化，便于單片

3、機(jī)處理。（4）單片機(jī)處理電路部分。本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡(jiǎn)單脈搏測(cè)量?jī)x，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率，以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號(hào)輸入檢測(cè)、信息分析處理與信息顯示。（5）顯示電路部分。單片機(jī)處理得到的脈搏波動(dòng)頻率信息，最后在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備與顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。1.1.1 脈搏傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動(dòng)脈搏動(dòng)壓力這樣一些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換成為便于測(cè)量的電量。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力與安裝方式?jīng)Q定了脈搏測(cè)量精度，因此其選型對(duì)

4、整個(gè)設(shè)計(jì)具有決定性的作用。目前，脈搏信號(hào)的測(cè)量方式主要有：（1）光電脈搏波傳感器。血管不受壓力時(shí)，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無脈搏信號(hào)輸出；當(dāng)血管受壓血液不流動(dòng)時(shí)，傳感器也無輸出信號(hào)；只有當(dāng)血管受到擠壓，血管中的血液斷續(xù)流動(dòng)時(shí)，反射光也隨之變化，這時(shí)傳感器輸出脈搏信號(hào)，達(dá)到了測(cè)量脈搏的作用。這種傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，主要用于測(cè)量脈搏的跳動(dòng)次數(shù)。人體不同部位的脈搏波波形存在差異，光電脈搏波傳感器不適合用于提取不同部位的脈搏波信號(hào)。（2）壓力傳感器測(cè)量。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小

5、、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測(cè)量大的壓力，也可以用來測(cè)量微小的壓力。圖1.2 信號(hào)發(fā)生部分其測(cè)量原理是，將測(cè)力傳感器的受力端壓在人體橈動(dòng)脈處，模仿人的指頭。這種方式通常采用壓阻式傳感器，它具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于動(dòng)脈血管產(chǎn)生的力很小，故量程小，抗沖擊力不強(qiáng)。脈搏信號(hào)還表現(xiàn)為皮膚振動(dòng)，因此可以

6、用加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、波形測(cè)量精度較高。本設(shè)計(jì)中的脈搏傳感器用MPX4115壓力傳感器3，如圖2.2所示。表2.1表明了引腳連接，腳1接運(yùn)算放大電路輸入端，腳2接地，腳3接+5V電源等。表2.2，2.3分別為傳感器的一些參數(shù)。表1.1 MPX4115引腳功能Vout地VsN/CN/CN/C表1.2 最大額定值(Tc=25)參 數(shù)符 號(hào)數(shù) 值單 位 最大壓力（P1>P2）Pmax400KPa 存貯溫度Tstg-40+125 操作溫度TA-40+125表1.3 傳感器工作特性參數(shù) （VS=5.1Vdc,T=25）參 數(shù)符 號(hào)最 小典 型最 大單 位壓力圍Pop15

7、-115KPa供電電壓Vs4.855.15.35Vdc 供電電流Lo-7.010mAdc 最大壓力偏置 （085） Vs=5.0VVpss0.1350.2040.273Vdc滿量程輸出 （085）Vs=5.0VVoff4.7254.7944.863Vdc滿量程比例 （085）Vs=5.0V VFSS4.5214.5904.695Vdc精度 （085） -±1.5%VPSS 靈敏度V/P-45.9-mV/KPa響應(yīng)時(shí)間（10%90%）tR-1.0-ms 上升報(bào)警時(shí)間-20-ms偏置穩(wěn)定性 -±0.5-%VFSS1.1.2 信號(hào)放大電路的選擇脈搏傳感器出來的電壓信號(hào)較弱，一般在

8、毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來的信號(hào)進(jìn)行放大，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，便于后續(xù)電路的處理。MPX4115型壓電式脈搏傳感器輸出電壓大約為-10mv40mv，在后續(xù)電路中需要將其通過差動(dòng)式放大電路，將信號(hào)放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)。差動(dòng)放大電路廣泛地應(yīng)用于模擬集成電路中，它具有很高的共模抑制比。諸如由電源波動(dòng)、溫度變化等外界干擾都會(huì)引起工作點(diǎn)不穩(wěn)定，它們都可以看作是一種共模信號(hào)。差動(dòng)放大電路能抑制共模信號(hào)的放大，對(duì)上述變化有良好的適應(yīng)性，使放大器有較高的穩(wěn)定度。所以本設(shè)計(jì)選擇了差動(dòng)放大電路。1.1.3 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡(jiǎn)單脈搏

9、測(cè)量?jī)x，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號(hào)輸入檢測(cè)、信息分析處理與信息顯示。（1）AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)4是ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)。1997年,由ATMEL公司挪威設(shè)計(jì)中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術(shù), 共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR。相對(duì)于出現(xiàn)較早也較為成熟的51系列單片機(jī)，AVR系列單片機(jī)片資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在很多場(chǎng)合可以替代51系列單片機(jī)。其特點(diǎn)是高速度(50ns)、低功耗,硬件應(yīng)用Harward結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行，

10、而MSC-51要12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。AVR單片機(jī)如LPC2131等。（2）凌陽單片機(jī)凌陽是凌陽公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，它的CPU核采用凌陽推出的Microcontroller and Signal Processor 16位微機(jī)處理器芯片，以下簡(jiǎn)稱µnSP 。圍繞micro;nSP 所形成的16位unSP 系列單片機(jī)，以下簡(jiǎn)稱µnSP 家族。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以µnSP 核為中心集成不同規(guī)模的ROM PAM和功能豐富的各種外設(shè)部件。µnSP 核

11、是一個(gè)通用的和結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。以與這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無，借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可成為各種系列的派生產(chǎn)品，以適合不同場(chǎng)合，這樣做無疑會(huì)使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。µnSP 家族有有以下特點(diǎn)：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴(kuò)展。µnSP 家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里。部采用總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)闇p少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。具有較強(qiáng)的中斷處理能力。nSPTM家族的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量與10余

12、個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。高性能價(jià)格比：nSPTM家族片帶有高尋址能力的ROM，靜態(tài)RAM和多功能的I/O口，另外nSPTM的指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的16位，16位的乘法運(yùn)算指令和積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，使得nSPTM家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理方面既很便利又比專用的DSP芯片廉價(jià)。如SPCE061等。（3）51單片機(jī)51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT

13、89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。51單片機(jī)是INTEL公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。通用型，有總線擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對(duì)較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓圍窄。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對(duì)脈搏信號(hào)的波動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和顯示，對(duì)單片機(jī)的要求不是很高。而對(duì)51單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇51單片機(jī)作為信息處理中心。在51系列單片機(jī)中，AT89系列單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司推出的

14、一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。AT89S51就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且，AT89S51的價(jià)格較低。1.2 系統(tǒng)軟件方案選擇1.2.1 脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量方案的選擇通過放大電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)為脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即?？梢钥闯鰷y(cè)量fx必須將N或t兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于不同的頻率圍，有三種不同的測(cè)量方法。（1）周期測(cè)量法：適用于低頻信號(hào)。采用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)Ts。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開關(guān)對(duì)時(shí)基進(jìn)行

15、計(jì)數(shù)得nx，因此被測(cè)信號(hào)周期為，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為。（2）多周期同步法：適用于中頻信號(hào)。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來填充待測(cè)信號(hào)的周期，而是與待測(cè)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。（3）頻率測(cè)量法：適用于高頻信號(hào)。充分利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。人體脈搏波動(dòng)頻率一般為6080次/min，其頻率成分主要分布在020Hz之間，屬于次聲，最高頻率不超過40Hz，一般情況下為1Hz左右，屬于低頻信號(hào)。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測(cè)量法。1.2.2 單片機(jī)工作方式的選擇單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送方式一般有以下幾種：（1）查詢方式：由于CPU與外設(shè)之間存在時(shí)序、速

16、度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測(cè)接口狀態(tài)，探查外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件開銷小；缺點(diǎn)是CPU在整個(gè)傳送過程中需要不斷檢測(cè)外設(shè)狀態(tài)，由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。（2）中斷方式：CPU無需檢測(cè)外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不占據(jù)CPU時(shí)間，因此CPU與外設(shè)并行工作，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。本設(shè)計(jì)中，只對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)算，CPU工作不是很繁忙，可以選擇查詢方式。1.2.3 顯示電路方案的選擇脈搏信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理，得到脈搏波動(dòng)頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備與顯示電路，

17、來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。人體脈搏信號(hào)從時(shí)域上看，是一個(gè)周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號(hào)。脈搏波動(dòng)頻率一般為6080次/min。本設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多?？梢赃x擇LCD字符液晶屏來對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。它具有：電參數(shù)(VDD=5.0V 10%,VSS=0V,Ta=25 )顯示容：16字符x 2 行字符點(diǎn)陣：5 x 8點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式：1/16D可供型號(hào)：TN STN(黃綠模灰模黑白模)反射型帶EL或LCD背光源5LCD常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。（1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O接口用于筆劃段字形顯示。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)

18、送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開銷小，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時(shí)。（2）動(dòng)態(tài)掃描顯示：所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃描），對(duì)于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)，用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動(dòng)頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測(cè)試時(shí)間，選用動(dòng)態(tài)顯示。二 數(shù)字式人體脈搏儀測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是

19、通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大。然后，將放大后的脈搏信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)易于處理的脈沖信號(hào)。通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率的測(cè)量和計(jì)算，并在顯示電路中直觀的顯示出來。為達(dá)到電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)目的，從設(shè)計(jì)要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)處理電路與LCD顯示電路等。本章對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。2.1 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)脈搏傳感器6出來的電壓信號(hào)較弱，在毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，將脈搏傳感器出來的信號(hào)進(jìn)行放大 ，使之成為一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)男盘?hào)，便于后續(xù)電路的處理。本設(shè)計(jì)中采用的是差動(dòng)

20、式放大電路，如圖2.1所示：圖2.1 差動(dòng)式放大電路基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)稱的共發(fā)射極單管放大電路組成，該電路的輸入端是兩個(gè)信號(hào)的輸入，這兩個(gè)信號(hào)的差值，為電路有效輸入信號(hào)，電路的輸出是對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)之差的放大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生一樣的干擾，通過二者之差，干擾信號(hào)的有效輸入為零，這就達(dá)到了抗共模干擾的目的。差動(dòng)放大電路的基本形式對(duì)電路的要：兩個(gè)電路的參數(shù)完全對(duì)稱兩個(gè)管子的溫度特性也完全對(duì)稱。 它的工作原理是：當(dāng)輸入信號(hào)Ui=0時(shí)，則兩管的電流相等，兩管的集點(diǎn)極電位也相等，所以輸出電壓Uo=UC1-UC2=0。溫度上升時(shí)，兩管電流均增加，則集電極電位

21、均下降，由于它們處于同一溫度環(huán)境，因此兩管的電流和電壓變化量均相等，其輸出電壓仍然為零。共模信號(hào)的作用，對(duì)兩管的作用是同向的，將引起兩管電流同量的增加，集電極電位也同量減小，因此兩管集電極輸出共模電壓Uoc為零。因此:于是差動(dòng)電路對(duì)稱時(shí)，對(duì)共模信號(hào)的抑制能力強(qiáng)差模信號(hào)的作用，由于信號(hào)的極性相反，因此T1管集電極電壓下降，T2管的集電極電壓上升，且二者的變化量的絕對(duì)值相等，所以，由此我們可以看出差模電壓放大倍數(shù)等于單管電壓的放大倍數(shù)。圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)放大后的脈搏信號(hào)，幅值為-1V4V，而在后續(xù)電路中，需要把放大后的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于單片機(jī)處理得到脈搏波動(dòng)頻率信

22、息的脈沖信號(hào)。單片機(jī)是數(shù)字信號(hào)處理工具，輸入單片機(jī)的信號(hào)必須是離散的數(shù)字信號(hào)或者是脈沖信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化，便于單片機(jī)處理。其原理圖如圖3.2所示。只有當(dāng)信號(hào)幅值在一定圍時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，以便記錄脈搏次數(shù)。2.3 單片機(jī)微處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡(jiǎn)單脈搏測(cè)量?jī)x，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率，以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號(hào)輸入檢測(cè)、信息分析處理與信息顯示。從實(shí)用性、設(shè)計(jì)、貨源與價(jià)格的角度出發(fā)，并且考慮到本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)沒有特殊的要求，選用了常用的AT89S51單片機(jī)7，其引腳如圖2.3所示：圖2.3 AT89S51單片機(jī)引腳圖在AT89S51單片機(jī)引腳圖中，P3口是一個(gè)

23、帶部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示。本設(shè)計(jì)正是利用T0口的定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率的測(cè)量。AT89S51單片機(jī)不僅完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量的控制要求，而且可以在線編程調(diào)試，符合設(shè)計(jì)的要求。表2.1 P3口第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INTO（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）本設(shè)計(jì)中對(duì)脈搏頻率的測(cè)量，采用周期

24、測(cè)量法。將單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0定為16位定時(shí)器，對(duì)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。將A/D轉(zhuǎn)換出來的脈沖信號(hào)接到單片機(jī)的P2.5口上，則定時(shí)器的開關(guān)由程序根據(jù)P2.5口上的狀態(tài)進(jìn)行控制。檢測(cè)到上升沿時(shí)開T0計(jì)數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個(gè)上升沿被檢測(cè)到時(shí)關(guān)T0計(jì)數(shù)。單片機(jī)微處理系統(tǒng)硬件電路如圖3.4所示。圖2.4 單片機(jī)微處理系統(tǒng)硬件電路P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出；P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）；P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）；P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）；P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）。圖2.5 LCD1602液晶顯示 表2.2

25、1602液晶時(shí)序參數(shù)時(shí)序參數(shù)符號(hào)最大值典型值最小值單位測(cè)試條件E信號(hào)周期tC400-ns引腳EE脈沖寬度tRW150-ns引腳EE上升/下降時(shí)間tR tF-25ns引腳E地址建立時(shí)間tSP130-ns引腳ERSRW地址保持時(shí)間tHD110-ns引腳ERSRW數(shù)據(jù)建立時(shí)間（讀操作）tD-100ns引腳DB-DB7數(shù)據(jù)保持時(shí)間（讀操作）tHD220-ns引腳DB-DB7數(shù)據(jù)建立時(shí)間（寫操作）tSP240-ns引腳DB-DB7數(shù)據(jù)保持時(shí)間（寫操作）tHD310-ns引腳DB-DB72.4 LCD顯示硬件電路的設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理，得到脈搏波動(dòng)頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要

26、選用合適的顯示設(shè)備與顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。本設(shè)計(jì)中，采用1602字符液晶屏8動(dòng)態(tài)顯示方式來顯示脈搏波動(dòng)頻率信息。顯示電路如圖2.5所示，1602字符液晶屏?xí)r序參數(shù)如表2.2所示，硬件端口定義與軟件資源分配如表2.3所示。表2.3 液晶驅(qū)動(dòng)程序硬件端口資源分配表硬件端口分配資源說 明RSP0.0寄存器選擇控制線RWP0.1LCD讀寫控制線EP0.2啟用控制線，高電平動(dòng)作LCDP2雙向數(shù)據(jù)總線POS_FLAG20H字符串顯示位置標(biāo)志，為0時(shí)顯示在第一行，為1時(shí)顯示在第二行BLANK30H清行時(shí)填入的空格個(gè)數(shù)控制變量LCD初始化液晶顯示模塊1602的控制指令：1602的控制指令共

27、11條,其中9條針對(duì)命令寄存器IR的，另外2條是針對(duì)數(shù)據(jù)寄存器DR的，具體指令如表3.4所示。表2.4 1602指令表（注：×表示可以為0或1）編號(hào)指 令RSRWD7 D6D5D4D3D2D1D01清屏顯示00000000012光標(biāo)返回000000001×3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L××6置功能00001DLNF××7置字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址0001字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址(AGG)8置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址(ADD)9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)

28、器地址(AC)10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)據(jù)11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)表2.4的相關(guān)命令設(shè)置如表2.5所示：表2.5 1602指令相關(guān)設(shè)置命 令設(shè)置命 令設(shè)置I/D1增量方式，0減量方式S/C1顯示器移位，0光標(biāo)移位S1不移動(dòng)，0移動(dòng)R/L1右移，0左移D1顯示，0不顯示DL18BIT，06BITC1顯示光標(biāo)，0不顯示光標(biāo)N12 行，01 行B1光標(biāo)閃爍，0光標(biāo)不閃爍F15*10 字型，05*7 字型BF1正在執(zhí)行部操作，0可接收命令控制信號(hào)（RS、RW、E）與對(duì)應(yīng)功能的真值表如表3.6所示：表2.6 控制使能端真值表RSRWE功能RSR/WE功能00下降沿

29、寫指令代碼10下降沿寫數(shù)據(jù)01上升沿讀忙標(biāo)志和AC碼10上升沿讀數(shù)據(jù)三 數(shù)字式人體脈搏儀測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)從脈搏傳感器出來的脈搏信號(hào)，經(jīng)過放大電路、電壓基準(zhǔn)變化電路、過零比較器，轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)之后，需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率的測(cè)量、計(jì)算和顯示。本設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)定功能，將軟件劃分為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，主要有系統(tǒng)主程序和脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量模塊。本章給出主要模塊的程序設(shè)計(jì)思想和流程圖。3.1 脈搏頻率測(cè)量原理脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即fx=N/t可以看出測(cè)量fx必須將N或t兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)

30、另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。周期測(cè)量法：適用于低頻信號(hào)。采用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)Ts，如圖3.1所示。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開關(guān)對(duì)時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得nx，因此被測(cè)信號(hào)周期為。圖3.1周期測(cè)量法原理多周期同步法：適用于中頻信號(hào)。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來填充待測(cè)信號(hào)的周期，而是與待測(cè)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。首先，由單片機(jī)給出閘門開啟信號(hào)，此時(shí)，計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來時(shí)，才真正開始計(jì)數(shù)。然后，兩級(jí)計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)。當(dāng)單片機(jī)給出閘門關(guān)閉信號(hào)后，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)而是等到被測(cè)信號(hào)上升沿來到的時(shí)

31、刻才真正結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過程。如圖3.2所示，可以看出，實(shí)際閘門與參考閘門并不嚴(yán)格相等，但最大差值不超過被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。設(shè)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Nx，對(duì)時(shí)基信號(hào)的計(jì)數(shù)值為N0，時(shí)基信號(hào)的頻率為f0，則被測(cè)信號(hào)的頻率為： 。圖3.2 多周期測(cè)量法原理頻率測(cè)量法：適用于高頻信號(hào)。充分利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)Tz，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器，對(duì)fx的變化次數(shù)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)得Nx，如圖3.3所示。圖3.3 脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量法原理人體脈搏信號(hào)從時(shí)域上看，是一個(gè)周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號(hào)。脈搏波動(dòng)頻率為6080次/min，其頻率一般情況下為1Hz左右，屬于低頻信號(hào)。所以，本設(shè)

32、計(jì)中采用周期測(cè)量法。3.2 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行，是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.4所示。圖3.4 系統(tǒng)主程序流程圖上電后，首先進(jìn)行整機(jī)初始化處理。主程序的初始化模塊主要完成儀器硬件、軟件的初態(tài)設(shè)置，單片機(jī)專用寄存器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式與各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。整機(jī)初始化結(jié)束后，檢測(cè)P3.2口的狀態(tài)，如果檢測(cè)到上升沿，則進(jìn)入脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量子程序，測(cè)得脈搏波動(dòng)頻率之后，送到LCD顯示單元進(jìn)行顯示。3.3 數(shù)字式人體脈搏儀測(cè)量子程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中對(duì)脈搏頻率的測(cè)量采用周期測(cè)量法?？蓪纹瑱C(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0定為16位定時(shí)器，對(duì)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，

33、即方式控制字為#01H。脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量子程序流程圖如圖3.5所示。定時(shí)器的開關(guān)由程序根據(jù)P3.2口上的狀態(tài)進(jìn)行控制，檢測(cè)到上升沿時(shí)開T0計(jì)數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個(gè)上升沿被檢測(cè)到時(shí)關(guān)T0計(jì)數(shù)。T0中的計(jì)數(shù)值為nx，則被測(cè)脈搏信號(hào)周期（對(duì)于12MHz晶振，Ts=1s），每分鐘跳動(dòng)次數(shù)。圖3.5 脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量子程序流程圖考慮到脈搏的頻率很低，大約為1Hz左右，而16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535，這樣定時(shí)/計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出，且最后脈搏波動(dòng)頻率的計(jì)算涉與到雙字節(jié)除法，編程較復(fù)雜。為此，采用定時(shí)器中斷方式，即在一個(gè)脈搏周期，隔一段時(shí)間T1，T1即為中斷周期。設(shè)N為每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)，T為脈搏

34、跳動(dòng)周期，則本設(shè)計(jì)中，設(shè)定顯示的每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)誤差不超過1次，則若T=2，則定時(shí)器周期不超過1/15秒。若T=1，則定時(shí)器周期不超過1/60秒。取T=1，即定時(shí)器周期不超過1/60秒。設(shè)中斷周期為T1，中斷次數(shù)為n，則：為方便計(jì)算，?。?。由于定時(shí)器周期不超過1/60秒，即， ，故取m=7。即中斷周期為。每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)，為方便計(jì)算，取。系統(tǒng)程序見下。數(shù)字式脈搏器的設(shè)計(jì)程序#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include <absacc.h>#include <math.h>#define uchar

35、 unsigned char#define uint unsigned int#define BUSY 0x80 / LCD #define DATAPORT P0/ 參sbit LCM_RS=P20;/ 數(shù)sbit LCM_RW=P21; / 配sbit LCM_EN=P22; / 置sbit reset=P37;sbit bj=P30;sbit time_start=P32; sbit time_over=P33;sbit EOC=P23; /OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。sbit START=P24; /START為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)START上跳沿時(shí)，所有部寄

36、存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。sbit OE =P25; /EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。sbit AD_ALE=P26; /ad 轉(zhuǎn)換sbit CLK=P27;unsigned long int getdata;void ADC0809();uchar code str0="Throb: "uchar code str1="Time:" ;void delay(uint k); /延時(shí)void lcd_wait(); /LCM忙檢測(cè)void WriteCom

37、mandLCM(uchar WCLCM,uchar BusyC); /寫指令到LCM子函數(shù)void WriteDataLCM(uchar WDLCM); /寫數(shù)據(jù)到LCM子函數(shù)void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData); /顯示指定坐標(biāo)的一個(gè)字符子函數(shù)void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar code *DData); /顯示指定坐標(biāo)的一串字符子函數(shù)void initLCM( void); /LCD初始化子程序uchar m=0;uint counter=0,counter_0=0;uchar s

38、econd_0=0;uint totle_1;float totle_0;void main()uint i,j,k; TMOD=0x02;TL0=0xfe;TH0=0xfe; /AD頻率TR0=1;ET0=1;TH1=0x60;TL1=0x78;/定時(shí)5msET1=1;PX1=1;EX0=1;IT0=1;EX1=1;IT1=1;EA=1;delay(100); /系統(tǒng)延時(shí)500ms啟動(dòng) initLCM( ); WriteCommandLCM(0x01,1); /清顯示屏 DisplayListChar(0,0,str0);DisplayListChar(0,1,str1);AD_ALE=0;

39、START=0;OE=0;while(1)ADC0808();/v=getdata;if(getdata>=300&&getdata<400)delay(60);if(getdata>=300&&getdata<400)counter+; if(m=1)PT1=1;TR1=1;m=0;/DisplayOneChar(7,0,0x30+getdata/100);/DisplayOneChar(8,0,0x30+getdata%10);/DisplayOneChar(9,0,0x30+getdata/10%10);if(counter<

40、100)DisplayOneChar(8,0,0x30+counter/10);DisplayOneChar(9,0,0x30+counter%10);if(counter>=100) DisplayOneChar(7,0,0x30+counter/100);DisplayOneChar(8,0,0x30+counter/10%10);DisplayOneChar(9,0,0x30+counter%10); if(second_0>59) second_0=0;DisplayOneChar(7,1,0x30+second_0%10);DisplayOneChar(6,1,0x30+

41、second_0/10);if(reset=0)counter=0;counter_0=0;second_0=0;totle_0=0;totle_1=0;bj=0;totle_1=(int)totle_0;DisplayOneChar(9,1,0x30+totle_1/100);DisplayOneChar(10,1,0x30+totle_1/10%10);DisplayOneChar(11,1,0x30+totle_1%10);DisplayOneChar(12,1,'/');DisplayOneChar(13,1,'m');DisplayOneChar(14

42、,1,'i');DisplayOneChar(15,1,'n');if(totle_1>120)for(k=0;k<100;k+)for(i=0;i<25;i+)bj=0;for(j=0;j<25;j+)bj=1;if(reset=0)counter=0;counter_0=0;second_0=0;totle_0=0;totle_1=0;bj=0;if(totle_1<40&&totle_1>0)for(k=0;k<100;k+)for(i=0;i<25;i+)bj=0;for(j=0;j<

43、25;j+)bj=1;if(reset=0)counter=0;counter_0=0;second_0=0;totle_0=0;totle_1=0;bj=0;/*外部中斷0*/void intr0_int() interrupt 0 using 3m=1;/*外部中斷1*/ void intr1_int() interrupt 2 using 3PT1=0;TR1=0;totle_0=(float)counter/second_0*60;/*定時(shí)中斷0*/void timer0_int() interrupt 1 using 1 CLK=CLK; /*定時(shí)中斷1*/void timer1_i

44、nt() interrupt 3 using 2TH1=0x60;TL1=0x78;counter_0+; if(counter_0=190)counter_0=0;second_0+;/*延時(shí)K*1ms,12.000mhz*/void delay(uint k) uint i,j; for(i=0;i<k;i+) for(j=0;j<100;j+);/*lcm部等待函數(shù)*/ /從這里到AD前面都是 LCD的驅(qū)動(dòng)程序void lcd_wait(void) DATAPORT=0xff; /讀LCD前若單片機(jī)輸出低電平,而讀出LCD為高電平,則沖突,Proteus仿真會(huì)有顯示邏輯黃色L

45、CM_EN=1; LCM_RS=0; LCM_RW=0; LCM_RW=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); while(DATAPORT&BUSY) LCM_EN=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCM_EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); LCM_EN=0;/*寫指令到LCM子函數(shù)*/void WriteCommandLCM(u