【文章內(nèi)容簡介】 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，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。中斷方式：CPU無需檢測外設是否數(shù)據(jù)準備就緒，不占據(jù)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，只對過零比較后的脈沖信號進行頻率計算，CPU工作不是很繁忙，可以選擇查詢方式。 顯示電路方案的選擇脈搏信號經(jīng)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，設定顯示的每分鐘脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，顯示位數(shù)為2位?？梢赃x擇7段LED數(shù)碼顯示器來對脈搏波動頻率信息進行顯示。它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長、使用方便等特點，使用非常廣泛。它由若干個發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通，就能顯示出各種數(shù)字或字符。LED常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。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(shù)據(jù)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(shù)較少時。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(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。本設計中，顯示的脈搏波動頻率位數(shù)取2位，顯示位數(shù)少，所以，選擇靜態(tài)顯示。 本章小結本章主要介紹了脈搏波動頻率測量系統(tǒng)硬件原理框圖及軟件實現(xiàn)方案，并通過比較硬件電路組成部分和軟件部分各種實現(xiàn)方案，最終確立了最佳方案。3 脈搏波動頻率測量系統(tǒng)硬件電路設計本設計中，脈搏波動頻率測量的實現(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行放大。然后，將放大后的脈搏信號通過電壓基準變化電路和過零比較器轉換為單片機易于處理的脈沖信號。通過對單片機進行編程來實現(xiàn)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。為達到電路低成本、結構簡單實用的設計目的，從設計要求出發(fā)，設計了信號放大電路、電壓基準變化電路、過零比較器，單片機處理電路及LED顯示電路等。本章對各部分電路的設計進行詳細論述與分析。 信號放大電路部分的設計脈搏傳感器出來的電壓信號較弱，在毫伏級，需要對其進行放大。所以，設計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當?shù)男盘枺阌诤罄m(xù)電路的處理。本設計中采用的是由OP07組成的同相比例運算放大電路，電路原理圖如圖31。圖31 同相比例運算放大電路從圖 31中可以得到：V+=V=Vi1 （31）Vo1Vi1R2=Vi1R1 （32）Vo=1+ R2R1Vi1 （33）Avf=Vo1Vi1=1+ R2R1 （34）MP100型壓電式脈搏傳感器輸出電壓大約為10mv～40mv，在后續(xù)電路中需要將其通過過零比較器，轉換為脈沖信號，只要將其放大100倍，就可以滿足后續(xù)電路處理的要求?？紤]到每個人個體之間的差異，人與人之間脈搏信號的強弱不同，反映在脈搏波形中即是幅度不同。為了使該設計能適用于不同的人，在設計的時候，R2采用滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)其電阻，可以改變放大倍數(shù)。 電壓基準變化電路的設計放大后的脈搏信號，幅值為1～4V，一個周期內(nèi)，電壓為零值的地方有很多。而在后續(xù)電路中，需要把放大后的脈搏信號通過過零比較器，轉換為易于單片機處理得到脈搏波動頻率信息的脈沖信號。所以，根據(jù)脈搏信號特點，可以通過電壓基準變化電路，將脈搏信號電壓基準調(diào)低，使其在一個周期內(nèi)過零點只有兩個。本設計中，采用同相輸入加法電路，來實現(xiàn)電壓基準變化。其原理圖如圖32： 圖32 同相輸人加法電路在圖32中:Vo2=1+R6R7Vp （35）Vp=R9 R8+R9Vi2+R8R8+R9Vio （36）即：Vo2=1+R6R71R8+R9R9Vi2+ R8Vio （37）當R6=R7=R8=R9的時候，可以得到：Vo2=Vi2+Vio （38）當Vio為負的時候，輸出電壓Vo2就降低了。而Vio由R4和R5分壓，并經(jīng)過一個電壓跟隨器獲得。本設計中，把電壓基準降低1V就可以滿足設計要求。 過零比較器的設計單片機是數(shù)字信號處理工具，輸入單片機的信號必需是離散的數(shù)字信號或者是脈沖信號。過零比較器就用于把周期性脈搏信號變?yōu)槊}沖信號，便于單片機處理。過零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖33：圖33 過零比較器電路圖集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或UOM。當輸入電壓uI0V時，UO=+UOM；當輸入電壓uI0V時，UO=UOM。因此，電壓傳輸特性如圖34：圖34 過零比較器電壓傳輸特性 當脈搏信號經(jīng)過過零比較器之后，就轉換為易于單片機處理的脈沖信號。 單片機微處理系統(tǒng)的設計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。從實用性、設計、貨源及價格的角度出發(fā)，并且考慮到本設計對單片機沒有特殊的要求，選用了常用的AT89S51單片機。AT89S51單片機的引腳如圖35：圖35 AT89S51單片機引腳圖在AT89S51單片機引腳圖中，P3口是一個帶內(nèi)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31：表31 P3口第二功能端口引腳第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INTO（外中斷0） INT1（外中斷1） T0（定時/計數(shù)0外部輸入） T1（定時/計數(shù)1外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）本設計正是利用T0口的定時功能實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量。AT89S51單片機不僅完全可以實現(xiàn)對脈搏波動頻率測量的控制要求，而且可以在線編程調(diào)試，符合設計的要求。復位電路：由電容串聯(lián)電阻構成，由圖并結合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。C 可取30u。 晶振電路：，因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場合，或者12MHz，因為產(chǎn)生精確的μs級時歇，方便定時操作。與前端電路連接：本設計中對脈搏頻率的測量，采用周期測量法。將單片機內(nèi)定時/計數(shù)器T0定為16位定時器，對內(nèi)部機器周期計數(shù)。檢測到上升沿時開T0計數(shù)，當緊接著的另一個上升沿被檢測到時關T0計數(shù)。T0中的計數(shù)值為nx，則被測信號周期Tx=nxTs，頻率Fx=1/Tx，對于12MHz晶振，Ts=1μs。單片機微處理系統(tǒng)硬件電路如圖36：圖36 單片機微處