【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)鐘輸入電壓GND to V+ 4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、信號(hào)采集、信號(hào)放大、比較電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路五部分。單片機(jī)采用AT89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)由傳感器OPT101信號(hào)采集電路輸出的信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的四位LED數(shù)碼管，信號(hào)用OP07放大，比較電流用LM324N。仿真主要包括放大電路與5V電源電路與比較電路。 單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89S52是片內(nèi)有EPROM的單片機(jī)。因此，用這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。用AT89S52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路以及擴(kuò)展的簡(jiǎn)單I/O口即可，如圖41所示。由于受集成度、片內(nèi)功能的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)為：有可供用戶使用的較多的I/O口線。由于不需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，EA應(yīng)接高電平，P0、PPP3均作為用戶I/O口使用。內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。如AT89S52的應(yīng)用軟件須依靠半導(dǎo)體廠家用半導(dǎo)體掩膜技術(shù)置入，故AT89S52應(yīng)用系統(tǒng)一般用作大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)。另外，P0、P2口的應(yīng)用與開發(fā)環(huán)境差別較大。圖41 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 信號(hào)采集電路信號(hào)采集電路如圖42所示。D1與Vb組成光電傳感器。因光電傳感器輸出的點(diǎn)脈沖信號(hào)時(shí)非常微弱的信號(hào)，而且頻率很低（如脈搏50次/，200次/），并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號(hào)要經(jīng)過RC1低通濾波，去除高頻干擾。當(dāng)傳感器檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，其輸出端的直流電壓信號(hào)會(huì)有很大變化。圖42 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大電路與仿真 信號(hào)放大電路與仿真如圖43所示，R5與RRR3的電阻和之比為放大器的放大倍數(shù)，經(jīng)過計(jì)算所得改放大器的理論值為200倍，但由于11號(hào)接口上5V供壓不足再加上材料限制和人為的因素，該放大倍數(shù)只有20倍左右。 圖中C2為耦合電容，作用為隔直流通交流，之所以使用10u的電容，是為了讓所有的信號(hào)通過。C3同C2一樣。信號(hào)放大電路仿真圖如圖44所示。圖 43 信號(hào)放大電路圖 44 信號(hào)放大電路仿真圖 電源模塊設(shè)計(jì)5V電源由555定時(shí)器生成，原理圖如圖45 所示：圖45 5V電源電壓原理圖5V電源電壓仿真圖如圖46 所示： 圖 46 5V電源電壓仿真圖 信號(hào)比較電路電壓比較器是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、測(cè)量技術(shù)，也可用于V/F 變換電路、A/D 變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測(cè)電路等。我們主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖47 所示。圖47 電壓比較器 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路如圖48所示。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上圖 48 A/D轉(zhuǎn)換器連線圖 顯示電路LED采用3位8段加提示符的液晶顯示模塊LCM046，34線串行接口，低功耗特性；顯示狀態(tài)功耗為50Ua。省電模式下1uA?！Ｒ暯菍?duì)比度可調(diào)，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，可加背光。~：圖 49 顯示電路 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖心率計(jì)的總體電路如圖410所示，主要包括取樣整型電路，單片機(jī)處理電路和顯示電路．先用紅外光電傳感器采集與心跳同頻率的信息，當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較大時(shí)，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度很弱，光敏三極管無(wú)法導(dǎo)通，所以輸出端為高電平；當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較小時(shí)，紅外光電二極管Dl發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度較強(qiáng)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為低電平，這樣就形成了頻率與脈搏次數(shù)成正比的低頻信號(hào)，它近似于正弦波形．圖 410 系統(tǒng)原理總圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)心率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序流程圖、中斷程序流程圖及顯示子程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而心率計(jì)的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（時(shí)間t內(nèi)的平均值），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)間），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。 測(cè)量計(jì)算原理設(shè)K個(gè)連續(xù)的動(dòng)脈搏動(dòng)所用時(shí)間為t（秒），在時(shí)間 t 內(nèi)心率的平均值為n（次/分），則： n = 60K/t (1)為了能夠控制用單片機(jī)計(jì)算機(jī)測(cè)定t值，我們利用脈動(dòng)信號(hào)控制（在K個(gè)連續(xù)的脈搏周期內(nèi)）單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0定時(shí)（定時(shí)1ms中斷一次），工作寄存器對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后讀取計(jì)數(shù)值。設(shè)該計(jì)數(shù)值為N，于是有： t = （2）把（2）帶入（1）得到： n = 60k/ =60000K/N （3）式（3）就是利用單片計(jì)算機(jī)測(cè)定心率值的數(shù)學(xué)模型（%）。在該單片機(jī)系統(tǒng)中，K = 1~~9（用戶可通過按鍵自行設(shè)置）?？蓽y(cè)心率范圍20次/分~~200次/分（N的范圍：300~~30000）. 主程序流程圖程序流程圖如圖51所示。程序初始化是每個(gè)單片機(jī)程序所必備的，它的主要任務(wù)是確定程序人口和中斷人口地址。接下來(lái)是顯示為全零，主要目的是為了區(qū)分是否有信號(hào)送人，當(dāng)沒有信號(hào)送人時(shí)，顯示為全零，則說明心率計(jì)沒有工作，反之，則正常工作。定時(shí)lOOms是設(shè)計(jì)中比較重要的一部分，它主要是為采樣6s打下基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中運(yùn)用定時(shí)器T1的定時(shí)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)100s的定時(shí)，等待中斷占用了程序執(zhí)行的大部分時(shí)間，它主要是一個(gè)死循環(huán)語(yǔ)句，只有當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，才執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，對(duì)計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行累加，累加之后，判斷采樣的次數(shù)，如果采樣未滿60次，說明不到6 s，返回繼續(xù)采樣、等待中斷，直到采樣60次為止，之后把6s內(nèi)采樣得到的次數(shù)由二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，送到數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。 N Y 開始二翻十等待中斷第一次顯示全零程序初始化關(guān)中斷定時(shí)器賦值