【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 TSTG——貯存溫度范圍 65~150℃（2）7805簡(jiǎn)介7805是一個(gè)輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，CC2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。7805外形引腳圖如圖36所示，其引腳從左到右依次為輸入引腳（INPUT）、接地引腳（GND）、輸出引腳（OUTPUT）[22，23]。圖36 7805外形引腳圖7805電參數(shù)如表32所示：表32 7085電參數(shù)表　　 參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=25℃V1oPo15W ，Vi=V線性調(diào)整率△VoTj=25℃，Vi=100mVTj=25℃，Vi=8V12V50mV負(fù)載調(diào)整率△VoTj=25℃lo= 9100mVTj=25℃lo=250mA750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=25℃8mA靜態(tài)電流變化率△IQlo=mAVi=8V25VmA輸出電壓溫漂△Vo/△Tlo=5mAmV/℃輸出噪音電壓VNf=10Hz100KHz，Ta=25℃42μV紋波抑制比RRf=120Hz，Vi=8V18V6273dB輸入輸出電壓差Volo=，Tj=25℃2V輸出阻抗Rof=1KHz15mΩ短路電流1SCVi=35V，Ta=25℃230mA峰值電流1PKTj=25℃A 整體電路分析本次設(shè)計(jì)為單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示型便捷式脈搏測(cè)量?jī)x，硬件整體電路如圖37所示。整個(gè)電路圖可以分為脈搏信號(hào)采集電路、脈搏信號(hào)處理電路和單片機(jī)控制顯示電路三部分組成。圖37 硬件整體電路圖 脈搏信號(hào)采集電路脈搏采集由自制光電式脈搏傳感器電路實(shí)現(xiàn)，主要由紅外線發(fā)射二極管D1和紅外光電管Q1兩部分組成，其電路如圖38所示。圖38 脈搏采集電路圖 脈搏信號(hào)采集的基本原理：在人體心臟的不斷地跳動(dòng)過(guò)程中，人體各個(gè)組織的半透明度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)而發(fā)生改變，當(dāng)血液被送到人體的組織時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)減??；當(dāng)血液流回到心臟時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)隨之增大。這種現(xiàn)象在人體較薄的組織或器官中表現(xiàn)得最為明顯，比如在人體的指尖和耳垂等部位。我們都知道，光具有很多重要的性質(zhì)，其不同的性質(zhì)在不同的場(chǎng)合得到了不同的運(yùn)用，這里運(yùn)用了光的穿透性和不同物質(zhì)濃度對(duì)光的吸收頻率的不同的特點(diǎn)，利用這兩個(gè)特點(diǎn)，將紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光照射到人體的手指或耳垂等比較薄的部位，然后將裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)被測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光穿透了手指和被手指中的血液吸收了一部分，由于手指中的血液濃度隨心臟的跳動(dòng)而改變，引起了手指的透明度的改變，因此紅外光電管接收到得光會(huì)隨血液濃度也就是手指的透明度的改變而改變，而手指中血液濃度是隨心臟的跳動(dòng)而改變的，也就是光電管接收到得光信號(hào)是隨心臟跳動(dòng)的改變而改變得，接收到的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也隨光信號(hào)的改變而改變，因此此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，所以只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)人體脈搏次數(shù)的目的。這里之所以使用紅外發(fā)光二極管，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到,當(dāng)采用紅外發(fā)光二極管用作照射光源時(shí)，基本上可以抑制由于人在呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成的脈搏波曲線的漂移。由于脈搏信號(hào)的檢測(cè)是以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此很容易受到周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。為了克服這一問(wèn)題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號(hào)的采樣值，只要采樣頻率是奈奎斯特采樣頻率，就可以用采樣脈沖來(lái)恢復(fù)原來(lái)的脈搏信號(hào)，而不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。 脈搏信號(hào)處理電路為了從脈搏信號(hào)中得到有關(guān)人體的生理、病理信息，需要對(duì)采集的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理。首先在采集脈搏信號(hào)的過(guò)程中，由于儀器、人體活動(dòng)等因素而是采集的信號(hào)常伴有各種干擾，包括人體呼吸和手指抖動(dòng)引起的基線漂移、肌肉緊張引起的干擾以及工頻干擾等。因此對(duì)采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理是一項(xiàng)極其重要的工作。脈搏信號(hào)處理電路如圖39所示。該部分電路主要由信號(hào)抗干擾電路模塊、信號(hào)整形電路模塊兩個(gè)主要的電路模塊組成。圖39 脈搏信號(hào)處理電路其中R15與C1和LM324_a共同構(gòu)成了信號(hào)抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對(duì)信號(hào)的殘余高頻干擾的濾除、干擾光線的光電隔離、低通濾波等任務(wù)。另外，LM324_b、C2與R1LM324_c則共同組成了信號(hào)整形電路模塊。脈搏信號(hào)處理電路工作原理如下：首先，由于正常人體脈搏一般在50次/分~200次/分之間（當(dāng)人進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)脈搏一般在50次/分左右；當(dāng)人體進(jìn)行激烈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，脈搏會(huì)達(dá)到200次/分左右），~，因此經(jīng)紅外檢測(cè)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率往往非常低。為了防止信號(hào)因外界高頻信號(hào)干擾而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，必須先將信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，以便能使絕大部分的高頻干擾被濾除。然后，考慮到在脈搏測(cè)量?jī)x的使用過(guò)程中存在發(fā)光物體，如日光、白熾燈光和其他放光物體的作用，因此它必然會(huì)受到強(qiáng)光輻射的干擾。為了避免在接收正常脈搏紅外線時(shí)受到強(qiáng)光輻射的干擾，電路中設(shè)計(jì)使用了雙極性耦合電容C4構(gòu)成一個(gè)非常簡(jiǎn)單的光電隔離電路，從而使干擾光線得到了較為有效的隔離。另外，為了防止前面對(duì)于高頻干擾的濾除過(guò)程不夠徹底影響到后面的電路的實(shí)現(xiàn)，電路中還設(shè)計(jì)連接了由LM324_a、R1C1組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進(jìn)一步濾除干擾，同時(shí)將前面的檢測(cè)到得脈搏信號(hào)放大200倍左右。經(jīng)前面處理后得到的信號(hào)為疊加有噪聲的脈沖正弦波信號(hào)，接下來(lái)的工作就是要對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行整形處理，以便于后面的顯示。首先是通過(guò)比較器LM324_b將此正弦波轉(zhuǎn)換成方波。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R21的阻值就可以實(shí)現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在正弦波的幅值范圍之內(nèi)。接下來(lái)，從LM324_b的7引腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)CR17構(gòu)成的微分電路進(jìn)行微分處理后就能得到正負(fù)相間的尖脈沖信號(hào)。為了加強(qiáng)輸出脈沖的穩(wěn)定性，在電路的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器LM324_c的反相輸入端，并利用LM324_c的輸出脈沖來(lái)作為后極單片機(jī)工作的實(shí)際使用脈沖。LM324_c在工作時(shí)，一旦有信號(hào)輸入，它會(huì)在輸入信號(hào)后沿到來(lái)時(shí)輸出一個(gè)高電平，從而使C2通過(guò)R16進(jìn)行充電。時(shí)間大約持續(xù)20ms，LM324_c同相輸入端的電位會(huì)因C4充電電流減小而降低，當(dāng)此電位低于反相輸入端的電位時(shí)(尖脈沖已過(guò)去很久)LM324_c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時(shí)間是與脈搏脈沖同步的，這種脈沖在電路工作時(shí)是與紅色發(fā)光二極管D2的閃爍情況相對(duì)應(yīng)的。經(jīng)過(guò)LM324_c之后的脈沖就是后面單片機(jī)控制電路所需的實(shí)際脈沖，就可實(shí)現(xiàn)后面的計(jì)數(shù)和顯示了。LM324_a、LM324_b、在電路中是通過(guò)R1R13對(duì)9V分壓并經(jīng)LM324_d緩沖而得到的。這樣的設(shè)置，就使得即使電源電壓降低到6V，本電路也能實(shí)現(xiàn)正常工作。 單片機(jī)控制顯示電路此部分電路主要由AT89C2051單片機(jī)、7段4位數(shù)碼管顯示器、12MHz的晶振電路以及復(fù)位電路等幾個(gè)部分組成。電路主要完成的工作是對(duì)于前面采集處理得到的脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和顯示。單片機(jī)控制顯示電路如圖310所示：圖310 單片機(jī)控制顯示電路。單片機(jī)被設(shè)置為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達(dá)單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計(jì)時(shí)；而當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)就對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間間隔進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果就是心率。這個(gè)結(jié)果值，將通過(guò)P1口傳送到7段4位數(shù)碼管顯示芯片的數(shù)據(jù)端口，最后被顯示出來(lái)。數(shù)碼管顯示的數(shù)字就是人體一分鐘的脈搏次數(shù)。這部分功能主要是通過(guò)軟件調(diào)試來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第4章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體軟件流程本次設(shè)計(jì)的主體部分主要由硬件實(shí)現(xiàn)，軟件部分的主要作用在于開機(jī)初始化單片機(jī)，一分鐘方波個(gè)數(shù)的客觀計(jì)算，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃面顯示等。程序流程圖如圖41所示。主程序開始系統(tǒng)初始化開中斷10s接收不到脈搏信號(hào)，復(fù)位脈率計(jì)算LED數(shù)碼顯示圖41 主程序流程圖 整體程序設(shè)計(jì)整個(gè)程序是用C語(yǔ)言編寫的，主要由主程序、定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序、外部中斷程序，延時(shí)子程序四個(gè)模塊組成。主程序主要實(shí)現(xiàn)程序的初始化，定時(shí)中斷程序主要由計(jì)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示掃描、無(wú)測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成，外部中斷服務(wù)程序主要由測(cè)量、計(jì)算、讀數(shù)等部分組成。程序中用變量m對(duì)脈搏信號(hào)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，用n變量對(duì)時(shí)間計(jì)數(shù)。，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。由于脈沖信號(hào)的頻率很低，所以不適合用計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行測(cè)量，所以采用測(cè)量脈沖周期的方法進(jìn)行測(cè)量，就是用脈沖來(lái)控制計(jì)時(shí)的信號(hào)，通過(guò)計(jì)時(shí)數(shù)計(jì)算脈沖的周期，再由脈沖的周期計(jì)算出脈沖的頻率。定時(shí)器T0的中斷時(shí)間為5ms，每中斷一次計(jì)時(shí)變量n就加1，因此計(jì)時(shí)的單位是5ms，例如一個(gè)脈搏脈沖周期對(duì)應(yīng)的n值為240，由此可以得到每分鐘的脈搏數(shù)為50，如果變量n值達(dá)到2000，即10秒鐘仍然沒(méi)有發(fā)生外部中斷，則表示沒(méi)有脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，于是就把變量n的值清0，數(shù)碼管顯示為0.讀數(shù)采用三位顯示。定時(shí)器T0每中斷一次就顯示一位，因此3次中斷就能刷新一次數(shù)據(jù)，即15ms刷新一次數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心是AT89C2051芯片，其芯片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8051 閃存MCU，它的指令系統(tǒng)保持與8051指令系統(tǒng)兼容。單片機(jī)內(nèi)程序主要功能為：（1）系統(tǒng)初始化；（2）改變電平狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)紅外光二極管；（3）管理ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；（4）數(shù)字濾波處理；（5）與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。本文選用ATMEL公司的單片機(jī)AT89C2051，其內(nèi)部集成了速度可達(dá)400k的12位逐次逼近型ADC，模擬輸入范圍是0~。從軟件需求和單片機(jī)速度出發(fā)，為便于計(jì)算，將過(guò)采樣倍數(shù)k設(shè)定為64，則下抽取后采樣率為f為：fs/k=1600Hz，是頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過(guò)采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來(lái)計(jì)算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達(dá)到約15位精度。過(guò)采樣和數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。集成于單片機(jī)上的ADC由定時(shí)器產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號(hào)，，設(shè)置ADCCON1＝0B2H，ADCCON2＝00H。定時(shí)器2是一個(gè)具有16位自動(dòng)重裝載功能的定時(shí)器，作定時(shí)器用時(shí)，TH2和TL2計(jì)的是機(jī)器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動(dòng)重裝載通過(guò)寄存器RCAP2H和RCAP2L來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動(dòng)裝載值為0FFCAH。在數(shù)據(jù)采集中, 為了保證采集數(shù)據(jù)的不失真和適當(dāng)?shù)木_度, 必須選擇合適的采樣頻率。人體脈搏正常跳動(dòng)約為60次/分左右,即跳動(dòng)頻率在1Hz 左右，本系統(tǒng)為了更好的消除50Hz工頻干擾，系統(tǒng)以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下抽取，抽樣比為2048。中斷程序中的數(shù)字處理包括如下步驟：(1) 將脈沖載波的高電平時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）＝16次；(2) 將脈沖載波低電平時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）＝16次；(3) 用步驟(1)中的數(shù)據(jù)減去步驟(2)中的數(shù)據(jù)，便得到了解調(diào)后以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率輸出的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)上述對(duì)信號(hào)的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過(guò)采樣算法中的濾波和下抽取。脈率計(jì)算程序包括如下步驟：將得到的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)存入單片機(jī)AT89C2051的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中。從0000H 開始，在60個(gè)樣本數(shù)據(jù)中尋找最大值，并確定其位置即波峰位置，之后尋找緊挨著它的第二個(gè)波峰，采用軟件計(jì)數(shù)器計(jì)算兩者間的距離即其點(diǎn)數(shù)，然后按照脈率計(jì)算公式：脈率＝采樣頻率/相鄰兩波峰60 ＝5060/相鄰兩波峰，計(jì)算出脈率，并將其存儲(chǔ)。當(dāng)脈搏檢測(cè)系統(tǒng)與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器T3的控制寄存器T3CON為86H，T3FD為08H，得到9600的串口串列傳輸速率。ADuC841發(fā)送握手信號(hào)與系統(tǒng)機(jī)建立通信，當(dāng)握手成功后，系統(tǒng)開中斷并將轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)送交系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行處理[24]。 第5章 軟件仿真與系統(tǒng)實(shí)物確定方案以后，為了讓實(shí)物盡量達(dá)到預(yù)期的效果，在焊實(shí)物之前，采用了軟件模擬仿真的辦法對(duì)電路進(jìn)行了調(diào)試仿真，這里用到了Protues軟件將硬件總體電路進(jìn)行了繪制，繪制完成的電路如圖51所示，繪制完成后，首先利用Keil軟件對(duì)編寫的程序進(jìn)行調(diào)試編譯，在確定程序正確無(wú)誤的條件下，生成單片機(jī)能識(shí)別的hex文件，將生成的hex文件