【文章內容簡介】 or 16 位微機處理器芯片，以下簡稱 amp。micro。’nSP 。圍繞 micro?！痭SP 所形成的 16 位 u’nSP 系列單片機，以下簡稱 amp。micro。’nSP 家族。采用的是模塊式集成結構，它以 amp。micro?！痭SP 內核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設部件。amp。micro。’nSP 內核是一個通用的和結構。除此之外的其它功能模塊均為可選結構。以及這種結構可大可小可有可無，借助這種通用結構附加可選結構的積木式的構成，便可成為各種系列的派生產品，以適合不同場合，這樣做無疑會使每種派生產品具有更強的功能和更低的成本。 amp。micro?！痭SP 家族有有以下特點：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴展。amp。micro。’nSP 家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個芯片里。內部采用總線結構，因為減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，模塊化的結構易于系列的擴展，以適應不同用戶的需求。具有較強的中斷處理能力。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，適合實時應用領域。高性能價格比： μ’nS PTM 家族片內帶有高尋址能力的 ROM，靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O口，另外 μ’nSPTM 的指令系統(tǒng)提供出具有較高運算速度的 16位， 16 位的乘法運算指令和內積運算指令，為其應用添加了 DSP功能，使得 μ’nSPTM 家族運用在復雜的數字信號處理方面既很便利又比專用的 DSP 芯片廉價。 如 SPCE061 等。 （ 3） 51單片機 51單片機是對目前所有兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術的發(fā)展， 8031 單片機取得了長足的進展，成為目前應 用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有 51 系列的兼容機型推出，中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 10頁 共 46頁 在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市場。 51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。 51單片機是 INTEL 公司生產的。它具有結構簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點。通用型，有總線擴展，有較強的位處理功能，有全雙工異步串行通信 口。但是其功能相對較少，訪問外部數據有瓶頸，作電壓范圍窄。 本設計中，單片機只需要對脈搏信號的波動頻率進行測量、計算和顯示，對單片機的要求不是很高。而對 51單片機，本人比較熟悉，所以，本設計中選擇 51 單片機作為信息處理中心。 在 51 系列單片機中， AT89 系列單片機是美國 ATMEL 公司推出的一種新型高性能低價位、低電壓低功耗的 8位 CMOS 微型計算機。 AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設計的設計要求，而且， AT89S51 的價格較低。 信號調理電路的選擇 信號調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。肌電干擾可能會導致放大器的靜態(tài)工作點偏移，甚至使放大器達到飽和，所以第一級放大器的放大倍數不能太高。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，還需要設計一個低通濾波器。 系統(tǒng)軟件設計方案 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由信號所產生的交變次數或脈沖個數，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，對另一個量進行測量。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。采用單片機內的一個定時 /計數器，以單片機內的標準機器周期作為標準時基信號 Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關對時基進行計數得 nx，因此被測信號周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動次數為中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 11頁 共 46頁 60/N Tx? 。 （ 2）多周期同步法：適用于中頻信號。其特點是標準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數器進行同步計數。 （ 3）頻率測量法：適用于高頻信號。充分利用單片機內的兩個定時 /計數器，一個作為定時器，給出標準閘門信號，另一個作為計數器。 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，本設計中選擇周期測量法。 單片機工作方式的選擇 單片機數據傳送方式一般有以下幾種： （ 1）查詢方式：由于 CPU 與外設之間存在時序、速度等差異，在數據傳送前必須檢測接口狀態(tài)，探查外設是否數據準備就緒。查詢方式優(yōu)點是結構簡單，硬件開銷?。蝗秉c是 CPU 在整個傳送過程中需要不斷檢測外設狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠遠高于外設，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。 （ 2）中斷方式： CPU 無需檢測外設是否數據準備就緒，不占據 CPU 時間，因此 CPU與外設并行工作，提高了 CPU 的工作效率，還滿足了外設的實時要求。 本設計中，選擇中斷方式。 顯示電路方案選擇 脈搏信號經過單片機處理，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備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。 人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強的準周期信號。脈搏波動頻率一般為60～ 80次 /min。本設計中，顯示位數較多。可以選擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動頻率信息進行顯示。它具有： 電參數 (VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 顯示內容： 16 字符 x 2 行 字符點陣： 5 x 8 點 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 12頁 共 46頁 驅動方式： 1/16D 可供型號： TN STN(黃綠模灰模黑白 模 ) 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，直到要顯示新的數據時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中 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。當顯示位數較多時，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。 本設計中，顯示的脈搏波動頻率，同時顯示脈搏次數和測試時間，選用動態(tài)顯示。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 13頁 共 46頁 4 基本 元器件介紹 AT89C51 介紹 AT89C5l 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內含 4k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機存取數據存儲器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89CSl 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 AT89C51 的主要性能 AT89C2051 是 ATMEL 公司生產的帶 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器 (EEPROM)的 8 位單片機 ,它具有如下主要特性， 和 MCS51產品的兼容 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲器 耐久性： 1,000 寫／擦除周期 ～ 6V 的操作范圍 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 兩級加密程序存儲器 128 8 位內部 RAM 15 根可編程 I/O 引線 兩個 16 位定時器 /計數器 六個中斷源 可編程串行 UART 通道 直接 LED 驅動輸出 片內模擬比較器 低功耗空載和掉電方式 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 14頁 共 46頁 AT89C51 的結構框圖 AT89C2051 是一帶有 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲體 (EEPROM)的低電壓 ,高性能 8 位 CMOS 微型計算機。如圖 所示。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準 MCS— 51 指令集和引腳結構兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPL1 和閃速存儲器 ,ATMEL AT89C2051 是一強勁的微型計算機 ,它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。 此外 ,從 AT89C2051內部結構圖也可看出 ,其內部結構與 8051內部結構基本一致（除模擬比較器外） ,引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51系列單片機相應引腳一致 ,但 P1口、 P3 口有其獨特之處。 圖 AT89C2051內部結構圖 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 15頁 共 46頁 AT89C51 的引腳說明 AT89C2051是一個有 20個引腳的芯片 ,與 8051內部結構進行對比可發(fā)現(xiàn) ,AT89C2051減少了兩個對外端口（即 P0、 P2 口） ,使它最大可能地減少了對外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。如表 所示： AT89C2051 芯片的主要引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。 2. GND：地。 3. P1 口： P1口是一 8位雙向 I/O 口?？谝_ ～ 提供內部上拉電阻。 和 要求外部上拉電阻。 和 還分別作為片內精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（ AIN1)。 P1口輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅動 LED 顯示。當 P1 口引腳寫入“ 1”時 ,其可用作輸入端。當引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時 ,它們將因內部的上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P1 口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數據。 4. P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內部上拉電阻的七個雙向 I/0 引腳。 用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問。 P3口緩沖器可吸收 20mA 電流。當 P3 口引腳寫入“ 1”時 ,它們被內部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時 ,被外部拉低的 P3口引腳將用上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P3 口還用于實現(xiàn) AT89C2051 的各種功能 ,如下表 101所示。 P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 5. RST：復位輸入。 RST 一旦變成高電平 ,所有的 I/O 引腳就 復位到“ 1”。當振蕩器正在運行時 ,持續(xù)給出 RST 引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需 12 個振蕩器或時鐘周期。 6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入。 7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 端口引腳 功能 RXD(串行輸入端口 ) TXD(串行輸出端口 ) 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 16頁 共 46頁 INT0(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時器 0外部輸入 ) T1(定時器 1外部輸入 ) 表 P3口的功能 從上述引腳說明可看出， AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設備所需的地址、數據、控制信號 ,因此利用 AT89C2051 構成的單片機應用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設備，也即 AT89C2051 本身即構成了最小單片機系統(tǒng)。 復位電路 時鐘電路工作后，在 REST 管腳上加兩個機器周期的高電平，芯片內部開始進行初始復位，如圖 ： 振蕩電路 本設計晶振選擇頻率為 12MHz，電容選擇 30pF 如圖 。經計算得單片機工作胡機器周期為： 12（ 1247。 12M） =1us。 圖 復位電路圖 C30 .4 7 u fR11kG NDV C CSs w P B中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 17頁 共 46頁 光電傳感器簡介 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點