基于AVR單片機(jī)的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

無線發(fā)送部分(前端系統(tǒng))+無線接收與PC機(jī)顯示部分(后端系統(tǒng))。前端系統(tǒng)主本文論述了課題研究的現(xiàn)狀和意義以及設(shè)計(jì)方案；并解說了相應(yīng)硬件與軟件的調(diào)試。最后對所edcontinfdiet,habitschangeandthehightdiseaseandotherfrequently-occurringdisease.Topretreatmentofthedrymethodandequipment,rapidonsetoftreatmentmethimportant,thesearepreciselythecurrentThebroadmassesofmedicalexpertworkingtogetherthefocusofthestudy.Thepulseofhumanactivitiesisthemostimportantandmostsensitiveandmostreliablesourceofinformation,toreflecttheheastatusofanimportantwindowonthepulseofthefastspeedofextraction,useofrapidpulsesignalsthatcauseTheissuewiththeuseofembeddedwirelesstechnology,networbythenewprogramme,acquisitionandprocessi(front-endsystems)+wirelessreceiverandPCrevealedthatsosystems).Front-endsystemismainlyresponsibleforthesignalpulshatthefrontendtothetransmissifthewirelessreceivermodules,makingtheremotemonitoringsystemhastheability.Thisarticlediscussestheprogrammes;OnthemainchipandtheprincipleoftheuseoftheirmethodsonthedesignofhardwareandsoftwaincreasedlocalandlookingforwardtKeywords:Embeddedsystems;wirelesstransceivermodule;Serial;sensor 1課題現(xiàn)狀及研究意義 21.1課題現(xiàn)狀 21.2研究意義 2 42.1方案選擇 42.2系統(tǒng)框圖 53主要芯片介紹 73.1光電傳感器 7 3.3無線收發(fā)模塊 4.1采集部分 4.2濾波部分 4.3放大部分 4.4555施密特整形電路 4.5下位機(jī)處理部分 204.5.1單片機(jī)復(fù)位電路 4.5.2數(shù)碼管顯示部分電路 4.5.3無線發(fā)送模塊部分 4.5.4單片機(jī)的晶振和中央處理部分 4.6上位機(jī)部分 234.6.1無線接收模塊部分 4.6.2接收數(shù)據(jù)處理部分 4.6.3串口部分 5.1下位程序設(shè)計(jì)的流程圖 5.4VB界面 6系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證 306.1硬件調(diào)試 6.1.1采集部分 6.1.2濾波部分 306.1.3放大部分 6.1.5下位機(jī)處理部分 6.1.6上位機(jī)處理部分 326.2軟件調(diào)試 326.2.1下位機(jī)處理部分 6.2.2上位機(jī)部分 6.3整體調(diào)試 6.4抗干擾措施 376.4.1硬件抗干擾措施 6.4.2軟件抗干擾措施 7結(jié)果分析與展望 錯誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯誤!未定義書簽。1.課題現(xiàn)狀及研究意義我國城市人口中每5個成年人中就有1個不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心臟率逐年提高，發(fā)病年齡也呈下降趨勢。中國每年有100萬人死于腦卒中，并且有更多的了一種“局部加壓型可償還脈裝置”、日本Colin公司研制的一種CBM一3000/2000型撓動脈脈波檢測儀以及日本Sony公司曾經(jīng)推出的一種2.1方案選擇是微伏到毫伏的數(shù)量級范圍。因此，極容易引入干擾，這些干擾有來自50Hz的工頻干人體脈搏信號頻率較低，屬次聲波，其頻譜主要分布在0-4Hz之間。信號(即脈象),相同的疾病在不同人身上也會表現(xiàn)出不同的脈象，同一個人的同一疾病1、壓力傳感器：用壓力傳感器采集脈搏信號，原理是將脈搏跳動產(chǎn)生的力通過傳2、光電傳感器：用光電傳感器采集脈搏信號，原理是吸收紅外線穿透血管時血液濃度的改變而導(dǎo)致紅外線強(qiáng)度的改變使紅外線吸收傳感器產(chǎn)生電信號的變化來反映脈2.2系統(tǒng)框圖信號的濾波波形轉(zhuǎn)換電路脈搏信號采信號的濾波波形轉(zhuǎn)換電路前端MCU處理部分前端MCU處理部分無線接收部分無線接收部分后端MCU部分PC機(jī)顯示部分3主要芯片介紹進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8515的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1即RWW),512字節(jié)EEPROM,512字節(jié)SRAM,一個外部存儲器接口，35個通用I/O基本上對AT90S4414/8515向下兼容。但兩者間還會存在不兼容的問題?？赏ㄟ^對腳與AT90S4414/8515引腳100%兼容，也可在電路印刷板上替換AT90S4414/8515,123456789他的I/O口以及第2功能跟MCS-51系列單片機(jī)是差不多的，但是它比MCS-51系列更能節(jié)省能量而且他的運(yùn)算速度也更快。AVR系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2.2所示：GeneralPurpose圖3.2.2AVR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為了獲得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運(yùn)行。CPU在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令在本文稱為預(yù)取。這個概念實(shí)現(xiàn)了指令的單時鐘周期運(yùn)行。程序存儲器快速訪問寄存器文件包括32個8位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實(shí)現(xiàn)了單時鐘周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，兩個位于寄存器文件中寄存器文件里有6個寄存器可以用作3個16位的間接尋址寄存器指針以尋址些附加的功能寄存器即為16位的X、Y、Z寄存器。程序流程通過有無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，從而直接尋址整個地址大多數(shù)指令長度為16位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條16位或32位的指令。程序空間存儲器分為兩個區(qū)，程序存儲器(Boot區(qū))和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實(shí)現(xiàn)讀和讀寫保護(hù)。用于寫應(yīng)用程序區(qū)的SPM指令必須位于引導(dǎo)在中斷和調(diào)用子程序時返回地址的程序計(jì)數(shù)器(PC)保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù)SRAM,因此其深度僅受限于SRAM的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指針SP。這個指針位于I/OSRAM可以通過5種不同的尋址模式進(jìn)行訪問。AVR有一個靈活的中斷模塊?？刂萍拇嫫魑挥贗/O空間，狀態(tài)空間有全局中斷使能I/O存儲器64個可以直接尋址的地址，作為CPU外設(shè)的控制寄存器、SPI,以及其他I/O功能。映射到數(shù)據(jù)0x20-0x5F。端口B第二功能如下：引腳SCK(SPI總線串行時鐘)MOSI(SPI總線的主機(jī)輸出7從機(jī)輸入信號)AIN1(模擬比較器負(fù)極輸入)AINO(模擬比較器正極輸入)T1(T/C1外部計(jì)數(shù)器輸入)TO(T/C0外部計(jì)數(shù)器輸入)OC0(T/C0輸出比較匹配輸出)端口D(PDO……PD7)為8位雙向I/O口，具有可編程的端口D第二功能如下：RD(讀出外部存儲器選通)WR(寫入外部存儲器選通)XCK(USART外部時鐘輸入/輸出)INT1(外部中斷1的輸入)INTO(外部中斷0的輸入)振，端口E處于高阻狀態(tài)。端口E第二功能如下：引腳OC1B(T/C1輸出比較B匹配輸出)ALE(外部存儲器地址鎖存使能)ICP(T/C1輸入捕獲引腳)INT2(外部中斷2輸入)/RESET復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門XALT1反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。3.3無線收發(fā)模塊是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。電路主要設(shè)定為在315、433、868和915MHz的ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)備)頻率波數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性CC1100為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示CC1100的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO(先進(jìn)先出堆棧)可通過SPI接口體積小(QLP4×4mm封裝，20腳)真正的單片UHFRF收發(fā)器高靈敏度(1.2kbps下-110dBm,1%數(shù)據(jù)包誤差率)可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，可達(dá)500kbps較低的電流消耗(RX中15.6mA,2.4kbps,433MHz)可編程控制的輸出功率，對所有的支持頻率可達(dá)+10dBm極少的外部元件：芯片內(nèi)頻率合成器，不需要外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換單獨(dú)的64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO數(shù)字RSSI輸出自動低功率RX拉電路的電磁波激活功能許多強(qiáng)大的數(shù)字特征，使得使用廉價的微控制器就能得到高性能的RF系統(tǒng)自由引導(dǎo)的綠色數(shù)據(jù)包對數(shù)據(jù)包導(dǎo)向系統(tǒng)的靈活支持：對同步詞匯偵測的芯片支持，地址檢查，靈活的數(shù)據(jù)包長度及自動CRC處理0OK和靈活的ASK整型支持2-FSK,GFSK和MSK支持MODULATORMODULATOR%VCC腳接電壓范圍為1.9-3.6V之間，不能在這個區(qū)間之外，超過3.6V,將會燒毀模塊，最佳電壓是在3.3V。硬件上面沒有SPI的單片機(jī)也可以控制本模塊，用普通單片機(jī)I/O口模擬SPI不需要單片機(jī)真正的串口介入，只需要普通的單片機(jī)I/O口就可以了，當(dāng)然用串口也可以了。與51系列單片機(jī)PO口連接時候，需要加的上拉10K電阻，與其余口連接不需要。其他系列的單片機(jī)，如果是5V的，請參考該系列單片機(jī)I/O口輸出電流大小，如果超過10mA需要串聯(lián)電阻分壓，否則容易燒毀模塊的，如果是3.3V是可以直接和模塊的I/O口線連接。用來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的，該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供主要特點(diǎn)：7、ESD保護(hù)大于MIL-STD-883(方法3015)標(biāo)準(zhǔn)的2000V00它工作溫度(自然通風(fēng))范圍內(nèi)的極限參數(shù)(除非另有說明)工作溫度(自然通風(fēng))范圍，TA:MAX232引線溫度，離外殼1.6mm(1/16英寸),10秒0℃至70℃-40℃至85℃-65℃至150℃圖4.1脈搏信號采集電路型),他們的工作波長都是940nm,在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有1μA的暗電流會造成Vi電位略低于2.5V。4.2濾波部分按人體脈搏在運(yùn)動后最高跳動次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器。低通濾波器是一種用來傳輸?shù)皖l段信號，抑制高頻段信號的電路，當(dāng)信號的頻率高于某一特定的截止頻率fh時，通過該電路的信號就會被衰減，而頻率低于fh的信號則能無阻通過該濾波器。能通過的信號頻率范圍定義為通帶：阻止信號通過的范圍定義為阻帶，通帶與阻帶的分界點(diǎn)就是截止頻率fh。A0為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，稱為通帶電壓增益。當(dāng)輸入信號的頻率由小到大增加到使濾波器的放大倍數(shù)等于0.707A0時，所對應(yīng)的頻率就圖4.2為壓控電壓源(VCVS)有源二階低通濾波器電路。他由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，信號從運(yùn)放的同相端輸入，故濾波器的輸入阻抗很大，其輸出優(yōu)點(diǎn)是電路性能較穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。圖4.2中同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益A0,即：令w0=1/RC,稱為特征角頻率：Q=1/(3-Auf),稱為等效品質(zhì)因素；則A(s)=Auf*w0^2/(s^2+wO*s/Q+w0^2)=A0*w0^2/(s^2+wO*s/Q用s=jw代入上式，可得到幅頻響應(yīng)表達(dá)式：201g|A(jw)/Aufl因此上限截止頻率公式為：fh=1/(2*3.14*R*C)放大倍數(shù)公式為：A=U1/U0低通放大電路原理如圖4.2所示：圖4.2濾波電路fh=1/(2*3.14*R12*C)=1/(6.48*10*10^3*0.47*10^-6)=33.8Hz采集到的信號由J1接入，這個信號中含有幾種干擾信號，主要有50Hz的電源信號干擾，所以這部分的主要任務(wù)就是把主要干擾濾掉。因此濾波電路的截止頻率為33.8Hz,于是對于50Hz的干擾則不能通過濾波電路輸出。而放大倍數(shù)A=U1/U0,在這個電路U1/U0=R14/R13=235,所以圖4.1不僅只是濾波作用，還可以對電壓進(jìn)行放大作用。然而對于50Hz干擾信號來說，16.4Hz已經(jīng)足夠消除他了，對于2uV這樣弱的信號來說235倍的放大是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到單片機(jī)最小識別高電平(3V)信號的，所以必須還要一個放大電路?？梢杂脗€精密的滑動變阻器來代替R13,提高放大倍數(shù)。4.3放大部分由于脈搏傳感器阻抗高的特點(diǎn)，可以采用傳統(tǒng)的同相放大電路如圖4.3所示，由放U輸出=[(R17/R15)+1]*U輸入所以相對誤差公式為：所以當(dāng)開環(huán)差摸增益Aod,共摸抑制比Kcmr越大，相對誤差δ的數(shù)值就越小。信號經(jīng)過濾波電路之后，電源50Hz的強(qiáng)干擾信號都已經(jīng)被濾掉。他從C9的2端R17組成一個放大倍數(shù)可調(diào)的主電路。為了防止放大電壓高過單片機(jī)可以處理的+5V電壓，于是只給運(yùn)放OPO7提供5V是供電電壓，這樣就可以讓信號放大超過5V時，也只4.4555施密特整形電路555構(gòu)成了施密特電路的基本電路如圖4.4.1所示：1、有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但是這兩個穩(wěn)定狀態(tài)要靠輸入信號來維持，而且轉(zhuǎn)換也要靠(1)整形：將不好的矩形波，變?yōu)檩^好的矩形波。作過程，因此選擇4位數(shù)碼管來顯示。其原理圖如圖圖4.5.3.2的左端電路是無線模塊，他的引腳通過J4的那個排針接到單片機(jī)的I/O-GDO2。圖中最右端就一個提供給CC1100供電的電路，因?yàn)檫@個芯片所用到的最佳電壓為VDD=3.3V,所以采用電阻分壓法提供VDD,由電路可以知道：因此VDD=5*39/(39+20)=34.5.4單片機(jī)的晶振和中央處理部分單片機(jī)的晶振和中央處理部分電路圖如圖4.5.4所示：由于ATmega8515的使用晶振范圍是0-8MHz,所以在選擇晶振的時候必須在其范圍內(nèi)，否則就容易出錯。考慮到寫程序的時候用到定時器定時，因此選擇6MHz的晶振，中央處理部分主要負(fù)責(zé)處理從PBO進(jìn)來的方波信號，這個信號是經(jīng)過前面的555施密特整形電路整成方波之后送給單片機(jī)，因?yàn)榉讲ㄓ芯褪俏覀兯赖木匦尾?，它的高電平也達(dá)到單片機(jī)的要求，所以讓CC1100發(fā)送給上位機(jī)的接收部分，而數(shù)碼管則顯示1分鐘內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)。4.6上位機(jī)部分上位機(jī)部分包含無線接收模塊部分、數(shù)碼顯示部分(數(shù)碼顯示部分原理跟下位機(jī)是一樣的)、接收數(shù)據(jù)處理部分、串口部分。整的這部分它完成的主要功能是接收下位機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行串口通訊，因?yàn)镃C1100無線模塊不能跟PC機(jī)直接通訊。下面分開說明每個接收，他們兩個和起來才能完成無線傳送的功能。他與MCU的接口電路與下位機(jī)部分的接口電路基本是一樣的，只是兩種單片機(jī)的I/O口的名字不一樣。接收模塊部分原4.6.2接收數(shù)據(jù)處理部分接收數(shù)據(jù)處理部分，其原理圖如圖4.6.2所示。他由單片機(jī)，復(fù)位電路已經(jīng)晶振電路組成，信號經(jīng)過CC1100接收之后，傳給它處理，他主要是負(fù)責(zé)對進(jìn)來的信號進(jìn)行重樣，不一樣則重新發(fā)送。在一個是他通過MAX232芯片以及串口接口和串口程序跟PC4.6.3串口部分它的原理圖如4.6.3.1所示。在圖中可以知道只有一個芯片——MAX232,這個芯片入，一個輸出)經(jīng)過串口接口與PC口通訊。那么串行傳送的時間至少為NT,而實(shí)際上總是大于NT。題，通常采用通訊雙方都認(rèn)可的兩種傳送方式(即通信方式)。在異步傳送方式中，字符是按幀格式進(jìn)行發(fā)送的。每幀的格式如圖3.1所示。在幀格式中，先是一個起始位“0”,然后是5至8位數(shù)據(jù)。異步傳送方式規(guī)定低位在前，高位在后；接下來是奇偶校驗(yàn)位(可略);最后一位是停止位“1”。異步通信的幀格式如圖4.6.3.2(a)所示。第N個字符(一串行幀)P0P0圖4.6.3.2(a)異步通信的幀格式加上起止位，而是在要傳送的數(shù)據(jù)塊前加上同步字符SYN,而且數(shù)據(jù)沒有間隙，如圖開始終止同步字符同步字符數(shù)據(jù)段CRC字符#1CRC字符#2圖4.6.3.2(b)串行通訊的同步傳送方式SMO,SM1為串行口工作方式選擇位?？蛇x擇四種工作方式，如表4.6.3.3所示。表中f方式波特率000同步移位寄存器01110位異步收發(fā)可變10211位異步收發(fā)F/64或f/3211311位異步收發(fā)可變在方式1狀態(tài)下，串行口為8位異步通信接口。一幀信息位10位八位數(shù)據(jù)位(低位在前)和1位停止位(1)。TXD位發(fā)送端，RXD為接收端，波特率可方式1接收是在REN位置1的前提下，從搜索到存器，直到9位數(shù)據(jù)(包括1位停止位)全部收齊。在9位數(shù)據(jù)收齊之后，還必須同時當(dāng)滿足兩個條件：(1)RI=0;(2)SM2=0或接收到地停止位為1時，便將接收判斷有無Y判斷是否有數(shù)碼管顯示8888NN圖5.15.2無線模塊部分圖5.25.3上位機(jī)部分流程圖NY通過串口判NYN來N來5.4VB界面VB界面是終端的顯示部分，它也是構(gòu)成這個部分不可缺少的一部分。如圖5.4所圖5.4由于對儀器的要求也很高，所以只能粗略的調(diào)試。將手指放于做好的光電傳感器之間，6.1.2濾波部分濾波部分的調(diào)試，主要是看他是否能滿足設(shè)計(jì)時候低生器產(chǎn)生50Hz的信號，讓他通過濾波部分，用示波器觀察其輸出端，是否還有50Hz我們設(shè)的理論值，那么說明，濾波部分沒有問題，假如有40Hz以下的頻率可以正常通過時，這個濾波電路還是可以用的，因?yàn)樗梢杂行У臏p少電源50Hz的干擾信號了。6.1.3放大部分的最小高電平3V,因此對脈搏采集的信號(大約2uV)就必須把放大倍數(shù)到1.5*10^66.1.4555整形部分的調(diào)試這部分的調(diào)試主要是檢測單片機(jī)有沒有能工作、數(shù)碼管部分能否亮以及提供給的部分管腳——VDD是否為在1.9-3.6V之內(nèi)，最好是3.3V。如超過3.6V為避免燒壞是否起振，方法是用萬用表來檢測連接晶振的兩個管腳是否是2.2V左右的電壓，最后6.1.6上位機(jī)處理部分這部分的調(diào)試方法跟6.1.5下位機(jī)處理部分方法是一樣的，不同的是它多了串口部發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)也能正常傳輸出來。從而確定是軟件上出現(xiàn)了問題，軟件又分為上PC機(jī)的軟的程序，通過參數(shù)的變化、波特率的調(diào)整、查詢/中斷方式的運(yùn)用等方法，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)6.2軟件調(diào)試口D:\亂編的程序\數(shù)碼管顯示.priImageCrafImageCraf計(jì)數(shù)定時部分1/開中斷imalcew-r計(jì)數(shù)定時部分.makD:\亂編的程序\i十?dāng)?shù)定時部分.C[D\亂編的程序\i計(jì)數(shù)定時部分pCvoidmain(void)_changeiccavr的程--D_rccICe計(jì)數(shù)定時部分 t6.2.2上位機(jī)部分由于上位機(jī)是用AT89S52來代替Atmega8515的。而他們的編譯器不同所以對串口調(diào)試的時候要用到AT89S52的編譯器——KeiluVision2,他們的操作大部分都是一樣的，只是有一點(diǎn)的小區(qū)別在于他在建立工程文件的時候需要選擇選用的芯片，如圖6.2.2.1所示。還有一點(diǎn)是它需要輸出進(jìn)行選擇，如圖6.2.2.2表示沒選上。圖6.2.2.3所示表示選上“CreateHEXFi:”這項(xiàng)了。xx國UseExtendedLinker0LX51)insteadof□UsoExtendedAsskFoshmmor3,Ti256確定取消pytunorchipetorruptssofA51[D:\亂編的程序\1.c]ectFolderforQbjects.NameofExCCreateLibrary:.A1.LIBRunUserProgran#硫硫ision2-[D:\亂編的程序\1.c]EileEditYiewProjectDtbugFlaselectFolderforQbjects.