【文章內容簡介】 單，且價格低廉。 缺點：直接與人體相接觸，容易因為人體肌肉的顫動等而產生干擾。并且容易受到外界其他信號的干擾。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點 :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 :降低了本任務的難度 ,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機即可實現功能，且價格非常昂貴。 考慮到種種情況，結合本系統的設計要求以及經費的考慮，最終選擇壓電式傳感器。該傳感器價格較低，而且輸出電壓變化較為明 顯，可以實現我們的實驗目的。 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 46 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實現本次設計的目的，先要對其進行實驗，來確定它的輸出電壓是否符合要求。 使 用實驗室砝碼來測試，其結果如下表表 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，就可以實現設計要求 [14]。由本次試驗，可以得知壓電陶瓷片可以實現我們所要達到的目標。 單片機的選擇 本設計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻 率。以單片機作為信息處理中心，通過對單片機進行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。 （ 1） AVR 單片機 AVR 單片機 [15][16]是 ATMEL 公司生產的單片機。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 設計中心的 A 先生與 V 先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技術 , 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8 位單片機，簡稱 AVR。相對于出現較早也較為成熟的 51 系列單片機， AVR系列單片機片內資源更為豐富，接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51 系列單片機。其特點是 高速度 (50ns)、低功耗 ,硬件應用 Harward 結構，具有預取指令功能，使得指令可以在一個時鐘周期內執(zhí)行，而 MSC51 要 12 個時鐘周期執(zhí)行一條指令。 AVR 單片機如 LPC2131 等。 （ 2）凌陽單片機 凌陽是臺灣凌陽公司推出的單片機，具有高速度、低價、可靠、實用、體積小、功耗低和簡單易學等特點， 它的 CPU 內核采用凌陽推出的 Microcontroller and Signal Processor 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?！痭SP 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 第 9 頁 共 46 頁 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。’nSP 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?！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’nSPTM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 指令系統的單片機的統稱。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)測控系統之中。目前很多公司都有 51 系列的兼容機型推出，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 第 10 頁 共 46 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。這部分電路的框圖如圖 所示。 圖 信號調理單元框圖 系統軟件設計方案 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 [19]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??；缺點是 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， 第 11 頁 共 46 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 。 顯示電路方案的選擇 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?？梢赃x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 驅動方式： 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。 3 系統硬件設計 第 12 頁 共 46 頁 本設計中，脈搏波動頻率測量的實現是通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經信號放大電路對其進行放大。然后，將放大后的脈搏信號經過整形電路將模擬信號轉化成數字信號，將脈搏信號轉換為同頻率的脈沖。通過對單片機進行編程來實現對脈搏波動頻率的測量和計算，并在顯示電路中直觀的顯示出來。本章對各部分電路的設計進行詳細論述與分析。 一級放大電路的設計 一級放大電路 [20]是整個系統設計的重點 ,脈搏測量儀要求在脈搏信號頻率范圍內，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 ,低失調參數 ,高共模抑制比 ,高輸入阻抗 ,線形度小等特點。 為了達到上述要求 ,并聯型雙運放放大電路 [21]能滿足其要求 圖 并聯型雙運放放大電路 前兩個運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之間 ,當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放，在調試的時候會比較復雜?，F在的很多儀表放大器的內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 ,只需調整外界電阻就可以調整放大器的放大倍數，準確而且方便。 第 13 頁 共 46 頁 以下是幾種常用的集成儀表放大器 [22][23],其主要參數如表 31 表 31 三種集成醫(yī)用放大器參數 器件 輸入失調電壓 輸入偏置電流 輸入失調電流 輸入噪聲 AD620 50uV 13 INA128 125nV 10 OPA131 1mV 50pA 50pA 21 脈搏信號是在強噪聲下的微弱信號，它對前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調電壓有較嚴格的要求，由表 31 知 AD620 是最為理想的。 AD620 參數如表 32 所示。 表 32 AD620 參數表 項目 規(guī)格 備注 增益范圍 1～ 1000 只需一個電阻 就可以設定 電源供應范圍 ~ 18V 低耗電量 最大供應電流 = 可用電池供電， 方便 運用于便攜式器材 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 轉換 資料拾取系統等 AD620 的芯片引腳如圖 所示 第 14 頁 共 46 頁 x?? KG 圖 AD620 芯片引腳圖 其中增益為