【文章內(nèi)容簡介】 格低廉。 缺點(diǎn)：直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫動等而產(chǎn)生干擾。并且容易受到外界其他信號的干擾。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點(diǎn) :集成度高 ,包含了濾波 ,放大電路 ,可以直接輸出信號 ,便于操作 ,有效的減少了各種干擾。 缺點(diǎn) :降低了本任務(wù)的難度 ,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能，且價(jià)格非常昂貴。 考慮到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，最終選擇壓電式傳感器。該傳感器價(jià)格較低，而且輸出電壓變化較為明顯，可以 實(shí)現(xiàn)我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 壓電陶瓷片 [12][13]的外觀和電路符號如下圖 所示。壓電片包括三個部分，鍍銀層，壓電陶瓷，以及銅片。外部壓力作用于銅片時，壓電陶瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號，并最終通過鍍銀層將該信號輸出。在使用時， 壓電陶瓷片要通過導(dǎo)線與電路板連接 ,注意在焊接壓電陶瓷片時 ,時間不能太長以免燙壞壓電陶瓷片的鍍銀層 。 圖 壓電陶瓷片的符號及外觀 第 8 頁 共 40 頁 由于壓電陶瓷片的資料比較少，為了確定使用該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的，先要對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來確定它的輸出電壓是否符合要求。 使用實(shí)驗(yàn)室 砝碼來測試，其結(jié)果如下表表 21 所示。 表 21 壓電陶瓷片輸出電壓測試表 壓力 (N) 輸出電壓 (mV) 由于只需要 4mv5mv 左右的電壓輸出，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求 [14]。由本次試驗(yàn)，可以得知壓電陶瓷片可以實(shí)現(xiàn)我們所要達(dá)到的目標(biāo)。 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。以單 片機(jī)作為信息處理中心，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。 （ 1） AVR 單片機(jī) AVR 單片機(jī) [15][16]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 精簡指令集的高速 8 位單片機(jī)，簡稱 AVR。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機(jī)， AVR系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時由于其價(jià)格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 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時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51 要 12 個時鐘周期執(zhí)行一條指令。 AVR 單片機(jī)如 LPC2131 等。 （ 2）凌陽單片機(jī) 凌陽是臺灣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、功耗低和簡單易學(xué)等特點(diǎn)， 它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽推出的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微機(jī)處理器芯片，以下簡稱 amp。micro?！痭SP 。圍繞 micro?！痭SP 所形成的 16位 u’nSP 系列單片機(jī)，以下簡稱 amp。micro?！痭SP 家族。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以amp。micro?！痭SP 內(nèi)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。amp。micro。’nSP 內(nèi)核是一個通用的和結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。以及 第 9 頁 共 40 頁 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，以適合不同場合，這樣做無疑會使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。 amp。micro。’nSP 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。amp。micro?！痭SP 家族把各功能把各功能部 件模塊化地集成在一個芯片里。內(nèi)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。 μ’nSPTM家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個中斷向量及 10 余個中斷源，適合實(shí)時應(yīng)用領(lǐng)域。高性能價(jià)格比： μ’nSPTM家族片內(nèi)帶有高尋址能力的 ROM，靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O 口，另外μ’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)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了 DSP 功能，使得 μ’nSPTM家族運(yùn)用在復(fù)雜 的數(shù)字信號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，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控 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的一段時間內(nèi)將占有大量市場。 51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個單片機(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。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。 本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對脈搏信號的波動頻率進(jìn)行測量、計(jì)算和顯示，對單片機(jī)的要求不是很高。而對 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 ATMEL 公司推出的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。 信號調(diào)理電路的選擇 信號調(diào)理電路包括對信號的放大和濾波兩個部分 [17][18]。由于傳感器輸出的電壓比較 第 10 頁 共 40 頁 小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。肌電干擾可能會導(dǎo)致放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，甚至使放大器達(dá)到飽和，所以第一級放大 器的放大倍數(shù)不能太高。因此還需要另一個放大器。此外，為了濾去高頻信號和市電的干擾，還需要設(shè)計(jì)一個低通濾波器。這部分電路的框圖如圖 所示。 圖 信號調(diào)理單元框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 脈搏波動頻率測量方案的選擇 脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即/fx N t? ?？梢钥闯鰷y量 fx 必須將 N 或 t 兩個量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個量進(jìn)行測量。對于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。 （ 1）周期測量法：適用于低頻信 號。采用單片機(jī)內(nèi)的一個定時 /計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號 Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時基進(jìn)行計(jì)數(shù)得 nx，因此被測信號周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動次數(shù)為60/N Tx? 。 （ 2）多周期同步法：適用于中頻信號。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。 （ 3）頻率測量法：適用于高頻信號。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個定時 /計(jì)數(shù)器，一個作為定時器 ，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號，另一個作為計(jì)數(shù)器。 人體脈搏波動頻率一般為 60～ 80 次 /min，其頻率成分主要分布在 0～ 20Hz 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。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測量法。 單片機(jī)工作方式的選擇 單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送方式 [19]一般有以下幾種： （ 1）查詢方式：由于 CPU 與外設(shè)之間存在時序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測接口狀態(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)簡單，硬件開銷?。蝗秉c(diǎn)是 CPU 在整個傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)， 第 11 頁 共 40 頁 因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。 （ 2）中斷方式： CPU 無需檢測外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不占據(jù) CPU 時間，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)時要求。 本設(shè)計(jì)中，選擇 中斷 方式 。 顯示電路方案的選擇 脈搏信號經(jīng)過單片機(jī)處理，得到脈搏波動頻率之后，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)備及顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。 人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號。脈搏波動頻率一般為60～ 80 次 /min。本 設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多。可以選擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動頻率信息進(jìn)行顯示。它具有： 電參數(shù) (VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 顯示內(nèi)容： 16 字符 x 2 行 字符點(diǎn)陣： 5 x 8 點(diǎn) 驅(qū)動方式： 1/16D 可供型號： TN STN(黃綠?；夷：诎啄?) 反射型帶 EL 或 LCD 背光源 LCD 常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。 （ 1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個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)送到接口電路，就不用管 它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，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。 （ 2）動態(tài)掃描顯示：所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個位（掃描），對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，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，用靜態(tài)顯示所需的 I/O 太多，一般采用動態(tài)顯示的方法。 本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動頻率，同時顯示脈搏次數(shù)和測試時間，選用動態(tài)顯示。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 40 頁 本設(shè)計(jì)中，脈搏波動頻率測量的實(shí)現(xiàn)是通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經(jīng)信號放大電路對其進(jìn)行放大。然后，將放大后的脈搏信號經(jīng)過整形電路將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。通過對單片機(jī)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量和計(jì)算，并在顯示電路中直觀的顯示出來。本章對各部分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。 一級放大電路的設(shè)計(jì) 一級放大電路 [20]是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn) ,脈搏測量儀要求在脈搏信號頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號 ,這要求所用的放大器必須具有低噪聲 ,低漂移 ,低失調(diào)參數(shù) ,高共模抑制比 ,高輸入阻抗 ,線形度小等特點(diǎn)。 為了達(dá)到上述要求 ,并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路 [21]能滿足其要求 圖 并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路 前兩個運(yùn)放為同向比例放大器 ,輸入阻抗很高 ,它對共模信號有很高的抑制比。由于Rx連接于這兩個放大器的求和點(diǎn)之間 ,當(dāng)一個差分電壓加到醫(yī)用放大器的輸入端時 ,整個輸入的電壓都呈現(xiàn)在 Rx 兩端。由于 Rx兩端的電壓等于 V2V1,所以流過 Rx的電流等于(V2V1)/Rx,因此輸入信號將通過放大器獲得增益并且得到放大。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于： a,高共模抑制比； b,通常只需改變電阻 Rx 大小可改變增益。 以上電路需要三個運(yùn)放，在調(diào)試的時候會比較復(fù)雜?，F(xiàn)在的很多儀表放大器的內(nèi)部電路與這個電路相同，而且儀表放大器都有成品可以買到 ,只需調(diào)整外界電阻就可以調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，準(zhǔn)確而且方便。 第 13 頁 共 40 頁 以下是幾種常用的集成儀表放大器 [22][23],其主要參數(shù)如表 31 表 31 三種集成醫(yī)用放大器參數(shù) 器件 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流 輸入噪聲 AD620 50uV 13 INA128 125nV 10 OPA131 1mV 50pA 50pA 21 脈搏信號是在強(qiáng)噪聲下的微弱信號，它對前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴(yán)格的要求，由表 31 知 AD620 是最為理想的。 AD620 參數(shù)如表 32 所示。 表 32 AD620 參數(shù)表 項(xiàng)目 規(guī)格 備注 增益范圍 1～ 1000 只需一個電阻 就可以設(shè)定 電源供應(yīng)范圍 ~ 18V 低耗電量 最大供應(yīng)電流 = 可用電池供電， 方便 運(yùn)用于便攜式器材 精確度高 40ppm 的最大非線性度； 最大偏置電壓為 50181。V ； 最大漂移電壓 ℃ 低訊號 1khz 時低輸入噪聲 9nV/Hz 使用場合 ECG 量測量與用以器材、壓力測量 ,V/I 轉(zhuǎn)換 資料拾取系統(tǒng)等 AD620 的芯片引腳如圖 所示 第 14 頁 共 40 頁 x?? KG 圖 AD620 芯片引腳圖 其中增益為