【文章內(nèi)容簡介】 TSTG——貯存溫度范圍 65~150℃（2）7805簡介7805是一個輸出正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，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)符號測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)計為單片機控制數(shù)碼管顯示型便捷式脈搏測量儀，硬件整體電路如圖37所示。整個電路圖可以分為脈搏信號采集電路、脈搏信號處理電路和單片機控制顯示電路三部分組成。圖37 硬件整體電路圖 脈搏信號采集電路脈搏采集由自制光電式脈搏傳感器電路實現(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 脈搏信號采集的基本原理：在人體心臟的不斷地跳動過程中，人體各個組織的半透明度會隨著心臟的跳動而發(fā)生改變，當(dāng)血液被送到人體的組織時，人體組織的半透明度會減小；當(dāng)血液流回到心臟時，人體組織的半透明度會隨之增大。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)在不同的場合得到了不同的運用，這里運用了光的穿透性和不同物質(zhì)濃度對光的吸收頻率的不同的特點，利用這兩個特點，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檢測被測機體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。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而改變的，也就是光電管接收到得光信號是隨心臟跳動的改變而改變得，接收到的光信號被轉(zhuǎn)換成的電信號也隨光信號的改變而改變，因此此信號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、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測人體脈搏次數(shù)的目的。這里之所以使用紅外發(fā)光二極管，是因為通過實驗檢測得到,當(dāng)采用紅外發(fā)光二極管用作照射光源時，基本上可以抑制由于人在呼吸運動過程中造成的脈搏波曲線的漂移。由于脈搏信號的檢測是以光電檢測技術(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恢復(fù)原來的脈搏信號，而不會導(dǎo)致信號失真。 脈搏信號處理電路為了從脈搏信號中得到有關(guān)人體的生理、病理信息，需要對采集的脈搏信號進(jìn)行處理。首先在采集脈搏信號的過程中，由于儀器、人體活動等因素而是采集的信號常伴有各種干擾，包括人體呼吸和手指抖動引起的基線漂移、肌肉緊張引起的干擾以及工頻干擾等。因此對采集到的脈搏信號進(jìn)行處理是一項極其重要的工作。脈搏信號處理電路如圖39所示。該部分電路主要由信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊兩個主要的電路模塊組成。圖39 脈搏信號處理電路其中R15與C1和LM324_a共同構(gòu)成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對信號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則共同組成了信號整形電路模塊。脈搏信號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)時脈搏一般在50次/分左右；當(dāng)人體進(jìn)行激烈的運動過程中，脈搏會達(dá)到200次/分左右），~，因此經(jīng)紅外檢測采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率往往非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，必須先將信號進(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，考慮到在脈搏測量儀的使用過程中存在發(fā)光物體，如日光、白熾燈光和其他放光物體的作用，因此它必然會受到強光輻射的干擾。為了避免在接收正常脈搏紅外線時受到強光輻射的干擾，電路中設(shè)計使用了雙極性耦合電容C4構(gòu)成一個非常簡單的光電隔離電路，從而使干擾光線得到了較為有效的隔離。另外，為了防止前面對于高頻干擾的濾除過程不夠徹底影響到后面的電路的實現(xiàn)，電路中還設(shè)計連接了由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，同時將前面的檢測到得脈搏信號放大200倍左右。經(jīng)前面處理后得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波信號，接下來的工作就是要對這個信號進(jìn)行整形處理，以便于后面的顯示。首先是通過比較器LM324_b將此正弦波轉(zhuǎn)換成方波。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R21的阻值就可以實現(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，從LM324_b的7引腳輸出的方波信號經(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。為了加強輸出脈沖的穩(wěn)定性，在電路的電路設(shè)計過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的輸出脈沖來作為后極單片機工作的實際使用脈沖。LM324_c在工作時，一旦有信號輸入，它會在輸入信號后沿到來時輸出一個高電平，從而使C2通過R16進(jìn)行充電。時間大約持續(xù)20ms，LM324_c同相輸入端的電位會因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(尖脈沖已過去很久)LM324_c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時間是與脈搏脈沖同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發(fā)光二極管D2的閃爍情況相對應(yīng)的。經(jīng)過LM324_c之后的脈沖就是后面單片機控制電路所需的實際脈沖，就可實現(xiàn)后面的計數(shù)和顯示了。LM324_a、LM324_b、在電路中是通過R1R13對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，本電路也能實現(xiàn)正常工作。 單片機控制顯示電路此部分電路主要由AT89C2051單片機、7段4位數(shù)碼管顯示器、12MHz的晶振電路以及復(fù)位電路等幾個部分組成。電路主要完成的工作是對于前面采集處理得到的脈搏信號進(jìn)行計算和顯示。單片機控制顯示電路如圖310所示：圖310 單片機控制顯示電路。單片機被設(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)單片機時，單片機就會被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計時；而當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時，單片機就對兩次脈沖間的時間間隔進(jìn)行運算，運算的結(jié)果就是心率。這個結(jié)果值，將通過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。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軟件調(diào)試來實現(xiàn)的。第4章 軟件設(shè)計 系統(tǒng)總體軟件流程本次設(shè)計的主體部分主要由硬件實現(xiàn)，軟件部分的主要作用在于開機初始化單片機，一分鐘方波個數(shù)的客觀計算，數(shù)碼管動態(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，復(fù)位脈率計算LED數(shù)碼顯示圖41 主程序流程圖 整體程序設(shè)計整個程序是用C語言編寫的，主要由主程序、定時器T0中斷服務(wù)程序、外部中斷程序，延時子程序四個模塊組成。主程序主要實現(xiàn)程序的初始化，定時中斷程序主要由計時、動態(tài)顯示掃描、無測試信號判斷等部分組成，外部中斷服務(wù)程序主要由測量、計算、讀數(shù)等部分組成。程序中用變量m對脈搏信號個數(shù)計數(shù)，用n變量對時間計數(shù)。，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。由于脈沖信號的頻率很低，所以不適合用計數(shù)的方法進(jìn)行測量，所以采用測量脈沖周期的方法進(jìn)行測量，就是用脈沖來控制計時的信號，通過計時數(shù)計算脈沖的周期，再由脈沖的周期計算出脈沖的頻率。定時器T0的中斷時間為5ms，每中斷一次計時變量n就加1，因此計時的單位是5ms，例如一個脈搏脈沖周期對應(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秒鐘仍然沒有發(fā)生外部中斷，則表示沒有脈沖信號進(jìn)入單片機，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)硬件平臺的核心是AT89C2051芯片，其芯片內(nèi)微控制器是一個優(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)測系統(tǒng)或計算機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸。本文選用ATMEL公司的單片機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速度出發(fā)，為便于計算，將過采樣倍數(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計算，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。過采樣和數(shù)字濾波的實現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。集成于單片機上的ADC由定時器產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號，，設(shè)置ADCCON1＝0B2H，ADCCON2＝00H。定時器2是一個具有16位自動重裝載功能的定時器，作定時器用時，TH2和TL2計的是機器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)。對這四個寄存器都進(jìn)行初始化，自動裝載值為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。人體脈搏正常跳動約為60次/分左右,即跳動頻率在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)輸出率輸出的一個數(shù)據(jù)點。經(jīng)過上述對信號的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時實現(xiàn)了過采樣算法中的濾波和下抽取。脈率計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AT89C2051的數(shù)據(jù)存儲器RAM中。從0000H 開始，在60個樣本數(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波峰，采用軟件計數(shù)器計算兩者間的距離即其點數(shù)，然后按照脈率計算公式：脈率＝采樣頻率/相鄰兩波峰60 ＝5060/相鄰兩波峰，計算出脈率，并將其存儲。當(dāng)脈搏檢測系統(tǒng)與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計算機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸時，通過設(shè)置定時器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)送握手信號與系統(tǒng)機建立通信，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)實物確定方案以后，為了讓實物盡量達(dá)到預(yù)期的效果，在焊實物之前，采用了軟件模擬仿真的辦法對電路進(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軟件對編寫的程序進(jìn)行調(diào)試編譯，在確定程序正確無誤的條件下，生成單片機能識別的hex文件，將生成的hex文件