【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可編程串行 UART 通道 （ 11） 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計(jì)所使用的 AT89C51 的封裝形式是 DIP40。如圖 所示 。 6 圖 AT89C51 的封裝形式 引腳功能： Vcc：電源電壓 GND： 接 地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I／ 0 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫 “ 1” 可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。 Pl 口： P1 是 — 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫 “ 1” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用 時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電萌 。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸 出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫 “ 1” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí) ，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 。 P3 口 ： ① 可以作為輸入 /輸出口，外 接輸入 /輸出設(shè)備。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。 7 表 P3 口的第二功能 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG： 當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振器頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 PSEN：程序存儲(chǔ)允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序 存儲(chǔ)器取指令 (或數(shù)據(jù) )時(shí)．每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的 PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 EA ＝ 1，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTALI： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 脈搏信號(hào)采集 目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來(lái) , 光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快 , 這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息 ,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn) 。用光電法提取指尖脈 搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。 8 光電 傳感器的原理 根據(jù)朗伯一比爾 (Lamber— Beer)定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后 ， 測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。 脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖 組織中的動(dòng) 脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。 手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定 的，而在血液中，靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略。 因此可以認(rèn)為光 透過(guò)手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長(zhǎng)的光源 照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。 光電 傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。采用 GaAs 紅外 發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。 紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電 能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 在 本設(shè)計(jì)中 ，紅外接收三 極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回， 其余部分透射出來(lái)。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2 種 。 其中透射式的發(fā)射光源與光敏 接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用 了指套式的透射型光電傳感器 , 實(shí)現(xiàn)了 光電隔離 ,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾 。 結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 透 射式光電傳感器 光電傳感器檢測(cè)原理 9 檢測(cè) 原理是 : 隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此本設(shè)計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的 手指 部位， 經(jīng)過(guò)手指組織的反 射和衰減由 裝在該部位旁邊的 光敏三 管來(lái) 接收其透 射光 并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì) 光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng)的 , 于是紅外接收 三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。 故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)的測(cè)出脈搏的次數(shù)。 信號(hào)采集 電路 圖 是脈搏信號(hào)的 采集 電路， U3 是 紅外發(fā)射和接收裝置，由于 紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì) R21 阻值的選取要求較高 。 R21 選擇 270Ω 同時(shí)也是基于 紅外接收 三 極管感應(yīng)紅外光靈敏度 考慮的 。 R21 過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小， 紅外接收 三 極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之 ， R21 過(guò)小，通過(guò)的電流偏大， 紅外接收 三極管 也不能準(zhǔn)確 地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開(kāi)傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線 時(shí)， 輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到 U2B 輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用 C C9 串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。 當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情 況：一是無(wú)脈期。 雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸出電壓 略低 。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小， 輸出 電壓 上升。 但 該傳感器輸出信號(hào) 的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次 /分鐘時(shí)， 只 有 ， 200 次 /分鐘時(shí)也只有 ，因此信號(hào)首先經(jīng) R2 C10 濾波以濾除高頻干擾 ，再由耦合電容 C C9 加到線性放大輸入端。 10 圖 信號(hào)采集電路 信號(hào) 放大 整形 脈搏信號(hào)介紹 由于光電傳感器所輸出的信號(hào)波源強(qiáng)度比較弱，且為類似于正弦波波形， 如圖 所示， 所以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形處理，使其以較強(qiáng)方波形式輸出。 圖 脈搏仿真信號(hào)正弦波 放大 整形 電路 11 圖 放大整形電路 圖 為正弦信號(hào)通過(guò)放大整形電路之后得到的方型波。 圖 整形后的方波 圖 為脈搏信號(hào)在放大整形前后的對(duì)比。 圖 脈搏信號(hào)對(duì)比 單片機(jī)處理電路 12 如圖 ，本部分運(yùn)用了 ATMEL 公司的 89C51單片機(jī)作為核心元件，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行 編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。 來(lái)自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī) 89C51 的 ，單片機(jī)設(shè)為 下降沿 中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí) ，來(lái) 一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一 ； 定時(shí)器中斷 主要完成 十秒鐘 的定時(shí)功能 。 單片機(jī)對(duì) 十秒鐘 內(nèi)的脈沖 次數(shù) 進(jìn)行累加 并進(jìn)行計(jì)算得出所測(cè)人一分鐘的脈搏次數(shù) ，通過(guò) P0、 P2 口把測(cè)量過(guò)程和結(jié)果 送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。 圖 單片機(jī)處理電路 顯示電路 LED 的綜述 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常 需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外 部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到 CRT 顯示器， 都可以與微機(jī)配接。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯 示器，簡(jiǎn)稱 LED 顯示器。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、 13 安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。 如圖 為共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)。 圖 共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管的顯示方法 靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個(gè) LED 數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè) 8 位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機(jī)本身提供的 I/O 口有限，實(shí)際使用中，通常通過(guò)擴(kuò)展 I/O口的形式 解決輸出口數(shù)量不足的問(wèn)題。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)， CPU 才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了 CPU 的時(shí)間，又提高了 CPU 的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個(gè) LED 數(shù)碼管需要獨(dú)占 8 條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的 I/O 口線也將增加。 動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。對(duì)于每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔 一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過(guò)調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)