【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)換的功能。另外其 A/D 轉(zhuǎn)換還可以在休眠狀態(tài)下進行，由 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷重新激活單片機。采用這種方式，在 A/D 采樣和轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，單片機主頻關閉，干擾小，既提高了 A/D 轉(zhuǎn)換精度，以減少了功耗。 A/D 轉(zhuǎn)換的設置有以下幾個步驟： (1)、 AD 轉(zhuǎn)換時鐘源的選取 ： 定義每一位 A/D 轉(zhuǎn)換時間為 TAD，為保證正確地進行 A/D 轉(zhuǎn)換， A/D 轉(zhuǎn)換時鐘必須滿足最小 TAD要求，即 TAD不小于 。而 A/D 轉(zhuǎn)換的時鐘源可用軟件設置進行選擇。對于 TAD 有以下四種選擇 ： a)2Tosc； b)8Tosc； c)32Tosc； 基于單片機的血壓測量計設計 12 d)A/D 模塊內(nèi)部的 RC 振蕩器 (2~6181。s)。 選擇單片機的時鐘源為 4MHZ，則 Tosc=。故 TAD 可選擇 8Tosc。表 31 是PI16F87X 芯片在各種工作頻率下不同 A/D 轉(zhuǎn)換時鐘源的 TAD。 由于通道數(shù)目有限，僅只有滿足需要的 8 個，故 A/D 轉(zhuǎn)換所需要的參考電壓 VREF+只能由 PIC 供電電壓來提供，即選擇供電壓內(nèi)部連接到 A/D，就避免了占用 2 個引腳來實現(xiàn)這種功能。對于傳感器，輸出與其供電電壓成比例，并且用 PIC 供電壓作為參考電壓，使 VREF等于 VDD是較好的選擇。選擇 VREF=VDD， PIC 16F874 器件就可有 8 個 引腳為 A/D 模擬輸入。 表 31 TAD與器件工作頻率關系表 A/D 時鐘源 最大器件頻率 選擇 ADCS1： ADCS0 Max 2 00 8 01 5 MHz 32 10 20 MHz RC 11 （注） 注 ： 內(nèi)部 RC振蕩器典型的 TAD=4181。s，但是在 26181。s范圍內(nèi)變化當工作頻率高于 1MHz時， A/D 轉(zhuǎn)換的 RC 時鐘推薦值僅適合在休眠方式正式下工作。 (2)、 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的調(diào)整： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，其 10 位的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于寄存器對 ADRESH 和 ADRESL，這個寄存器對為 16 位寬， A/D 格式選擇位（ ADFM） 控制 10 位轉(zhuǎn)換結(jié)果在 16 位寄存器中左移或右移。 本 設計 選擇將 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果左移，則 ADRESL 的低 6 位為 0。左移后 ADRESL 中的高 2 位即表示 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的最低 2 位值，這 2 位值占結(jié)果的比例最大為 3/210 約等于 %。相對于課題所要求的精度值 3%，則 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的最低 2 位值完全可以省略掉。也就是說用 ADRESH*4 來代替 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這樣傳送的數(shù)據(jù)就只是經(jīng)左移位后的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 ADRESH*4。 由前面的分析可知， A/D 轉(zhuǎn)換模 塊寄存器的初始化如圖 31 所示 ： 為實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換模塊的等時采樣，本文選用了 PIC16F874 單片機的捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (CCP)模塊和定時器 TMR。 基于單片機的血壓測量計設計 13 圖 31 A/D 模塊的寄存器設置 根據(jù)設計要求，本文將選擇 CCP2 工作在比較工作方式，產(chǎn)生特殊事件觸發(fā)，讓CCP2 將 TMR1 復位，并且啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進行 A/D 轉(zhuǎn)換。則 CCP2CON=0BH。當CCP2 工作在比較工作方式時，不斷地用 16 位的 CCP2 寄存器中的值與 TMR1 寄存器中的值作比較，如果二者相等，在特殊事件觸發(fā)方式下， 將產(chǎn)生一個內(nèi)部硬件觸發(fā)信號，用它來啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 (但觸發(fā)不會將中斷標志位 TMR1IF 位置為 1，也即不會產(chǎn)生 TMR1的中斷 )，當 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，將產(chǎn)生一個中斷信號， CPU 就去執(zhí)行 A/D 中斷服務程序。 輸入系統(tǒng)設計 血壓傳感器的選擇 血壓信號首先經(jīng)過壓力傳感器抬取，并進行適當?shù)姆糯蠛驼{(diào)理然后才能送入 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入口。本文選擇 Motorola 公司的壓力傳感器 MPX5050GP，其內(nèi)部含有信號運放和信號調(diào)節(jié)功能，可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為。 0~ 的電信號，其對應的血 壓值為 0~375mmHg。 MPX5050GP 壓力傳感器的模型如圖 31 所示。 MPX5050GP 壓力傳感器具有如下特點： (1)、在 0℃到 85℃范圍的最大誤差為 %。 (2)、非常適合基于單片機 (微處理器 )的系統(tǒng)。 (3)、溫度補償范圍： 40℃到 25℃。 基于單片機的血壓測量計設計 14 (4)、具有專利的抗剪應力疲勞技術。 (5)、耐用環(huán)氧單元；芯片選擇容易。 (6)、最大電流 ；電源電壓為 到 。 (7)、最大壓力 200Kpa。 (8)、靈敏度 ： 90mV/Pa，反應時間 ，精度177。 %VFS。 我們 對單片機 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的設置可知： A/D 轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓為電源電壓 5V，而 MPXSO50GP 壓力輸出為 0~，對應的血壓值為 0~375mmHg，則 5V 滿量程對應的血壓值約為 399mmHg(由 375*5/ 計算可得 )。 由于 A/D 轉(zhuǎn)換器為 10 位，則 1LSB所對應的血壓值約為 (由 399/210 計算可得 )，根據(jù)這樣計算 造成的滿刻度誤差為 (*210399)/1024≈ %，完全能滿足設計需要。這樣血壓測量值就應該等于ADRES* +BIAODZ。 BIAODZ 為儀器的標定值 ， ADRES 為 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 低通濾波電路 傳感器和電路中的器件常會產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲。為提高模擬輸入信號的信噪比，可以用信號濾波器 (Filter)來衰減這些噪聲，即通過濾波器來去除許多與測量無關的頻率成分，濾去不必要的高頻、低頻或無關信號，或是取得某些特定頻段的信號。濾波器可以用 R， L， C 等無源元件組成，也可用無源和有源元件組合而成。前者稱之為無源濾波器 (Passive Filter)，后者稱為有源濾波器 (Active Filter)。 有源濾波器中的有源元件可以用晶體三極管，也可以使用運算放大器。采用運算放大器組成的有源濾波器具有體積小、重量輕、損耗低等優(yōu)點，并且可以提供一定的增益，還可以起到緩沖作用，所以采用運放形式組成的有源濾波器使用特別廣泛。本設計所用的濾波器也采用了二階有源濾波器這種形式。其結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。其中元件的選擇對其性能有很大影響。 圖 32 二階有源濾波器結(jié)構(gòu)圖 基于單片機的血壓測量計設計 15 一 、 集成運放的選擇 (1)、 開環(huán)增益 A0(S)的影響 由于在無限增益多路反饋型濾波電路中將集成運放的開環(huán)增益 A0(S)視為無窮大，故 A0(S)之影響較大 。對此電路就選用高增益集成運放。當此電路工作頻率較高時，尚應考慮到 A0(S)之頻率特性，即 A0(S)截止頻率較高的集成運放。 (2)、 輸入阻抗的影響 在有源 RC 濾波電路中所用電容器和電阻器的阻抗值一般均較大，故要求集成運放有較高的輸入阻抗，以免影響返饋系數(shù)等參數(shù)。優(yōu)先選用 FET 輸入級的集成運放。 (3)、 輸入失調(diào)的影響 考慮到輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電壓對輸出端漂移的影響。根據(jù)對濾波器的使用要求，選用輸入失調(diào)小的集成運放，或在電路中采用必要的補償措施。 (4)、 轉(zhuǎn)換速率的影響 轉(zhuǎn)換速率主要影響截止頻率高或中心 頻率高的有源 RC 濾波器，特別是在高通濾波器中。如采用轉(zhuǎn)換速率低的集成運放將造成波形較大失真或 Q 值明顯下降。 (5)、 運算放大器的選擇 本文選擇的是 LM324 低電壓運算放大器，其內(nèi)部由 4 個獨立的、高增益的、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器組成。特別適合較大電壓范圍的單電源供電情況。 LM324 可以直接運用于單電源供電系統(tǒng)，如數(shù)字系統(tǒng)中的標準的 5V 電源，其提供了所需的電氣接口，而不需要另外的 177。 15V 電源。 LM324 的一些主要參數(shù)如下 ： 輸入電壓范圍 ： ~+32V 消耗電流 ： 3mA 溫度補償范圍： 0℃ ~70℃ 直流 放大系數(shù) ： 100db 大信號電壓放大倍數(shù) ： 最小 25V/mV，典型值 100V/mV 共模抑制比 ： 最小 65db，典型值 85db 二、電容器的選擇 有源 RC 濾波電路對所用電容器應考慮的主要參數(shù)有電容量、允許誤差、工作溫度系數(shù)以及頻率特性等。當所需容量較小時，常選用云母電容、 CCI 和 CCZ 型瓷介電容器，以及玻璃釉電容器等。當所需要容量較大時，一般選用聚苯乙烯電容器、聚碳酸脂薄膜電容器等。對工作頻率較高的濾波器注意慎用金屬化類的薄膜電容器，因為在高頻時金屬粒子會滲透到絕緣薄膜中去，從而造成電容器損耗上升，絕緣電阻下降 ，結(jié)果造成電路性能惡化。 基于單片機的血壓測量計設計 16 本設計所選擇的電容為聚苯乙烯薄膜電容，其絕緣電阻 R50000MΩ，損耗角正切值在 104，量級范圍，電容器的吸收系數(shù) Kα 最小為 左右，電感量為 4*103 ~6*103μ H。 C1= F， C2=。 三 、 電阻器的選擇 在有源 Rc 濾波電路中，主要考慮電阻器的阻值、精度、溫度系數(shù)及工作頻率等參數(shù)。對于要求不高的濾波器，可選用價格低廉的電阻器，如碳膜電阻器。對于高 Q 及要求參數(shù)隨溫度變化小的濾波器應選用金屬膜、線繞及金屬玻璃釉電阻器等。對于工作頻率較高的濾波器應 選用無感繞法和無感刻槽的電阻器，因為這種電阻器的自身分布電感較小。 濾波器所用的電阻均選用碳膜電阻。 鍵盤與接口設計 鍵盤與單片機的接口包括硬件與軟件兩部分。硬件是指鍵盤的組織，即鍵盤結(jié)構(gòu)及其與主機的連接方式。軟件是指對按鍵操作的識別與分析，稱為鍵盤管理程序。雖然對不同的鍵盤組織其鍵盤管理程序存在很大的差異，但任務大體可分為下列幾項： 識鍵：判斷是否有鍵按下。若有，則進行譯碼 ； 若無，則等待或轉(zhuǎn)作別的工作。 譯鍵：識別出哪一個鍵被按下并求出被按下鍵的鍵值。 鍵值分析：根據(jù)鍵值，找出對應的處理程序的 入口的鍵值。 一、鍵盤的組織： 鍵盤按其工作原理可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。按其結(jié)構(gòu)中分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。鍵盤的擴展也可以通過一些特殊功能的數(shù)字芯片，如各種移位寄存器等 圖 33 鍵盤輸入電路 基于單片機的血壓測量計設計 17 實現(xiàn)。雖然程序較為復雜，但占用的單片機的接口較少?？芍苯佑脝纹瑱C的引腳作為鍵 盤的行列線，對單片機的 I/O 口的拉電流和灌電流特性有較高的要求。本設計采用這種非編碼矩陣式鍵盤，這樣成本低，使用靈活，且編程簡單，擴展容易。如圖 33 所示。 為了使硬件設計簡單化，利用單片機的 RB1 ,RB2 和 RB4,RB5 進行擴展成矩陣式鍵盤。 B5 和 B4 與單片機的變位中斷輸入引腳 RB5 和 RB4 相連，將其設置為輸入 ； B1 和B2 與單片機的引腳 RB1 和 RB2 相連，將其設置為輸出，對鍵盤的掃描可采用查詢方式或中斷方式 。 PIC16F874 單片機的 RB5 和 RB4 可以產(chǎn)生變位中斷，是微軟 公司專門為設計鍵盤中斷功能使用的。 二、鍵抖動及消除 鍵盤按鍵一般都采用觸點式按鍵開關。當按鍵被按下或釋放時，按鍵觸點的彈性會產(chǎn)生一抖動現(xiàn)象。即當按鍵按下時，觸點不會迅速可靠地接通，當按鍵釋放時，觸點也不會立即斷開，而是要經(jīng)過一 段時間的抖動才能穩(wěn)定下來，抖動時間視按鍵材料的不同一般在 5ms~10ms 之間。 健抖動可能導致計算機將一次按鍵操作識別為多次操作，為克服這種由鍵抖動所致的誤判，本設計采用軟件延時法，這樣可以簡化硬件設計。軟件延時法即：當判定按鍵按下時，用軟件延時 10ms~20ms,等待鍵穩(wěn)定后重新再判斷一次，以躲過觸點抖動期。 三、鍵連擊的處理 當我們按下某鍵時，對應的功能便會通過鍵盤分析程序得以執(zhí)行。如果在操作者釋放鍵之前，對應的功能得以多次執(zhí)行，如同操作者在不斷操作一樣，這種現(xiàn)象就稱為連擊。連擊現(xiàn)象軟件方法來解決，當某 鍵被按下時，首先進行軟件去抖動處理，確認鍵被近下后，便執(zhí)行對應的功能，執(zhí)行完后不是立即返回，而是等待鍵釋放之后再返回，從而使一次按鍵只被響應一次，避免連擊現(xiàn)象。 四、本設計中鍵盤的工作原理 本次設計鍵盤工作的查詢方式，矩陣式鍵盤的查詢工作原理如下： 如圖 33 所示， B4, BS 為列線， B 1, B2 為行線。列線通過上拉電阻連接到電源上；因此當無鍵按下時，各列線 (B4,B5)均為高電平。當行線 (B1,B2)分別輸出低電平時，有鍵按下，相應的列線 B4 或 B5 上會出現(xiàn)低電平。根據(jù)此原理， CPU 對整個鍵盤進行掃描。 所謂掃描，即 CPU 不斷輪流對行線置低電平，然后檢查列線輸入狀態(tài)，確定按鍵情況。在確定有鍵按下后，先把 B1 置為低電平、 B2 置為高電平，再讀入 B4,B5 的值。若 B5 為“ 1” , B4 為“ 0”，則 S2 鍵按下 ； 若 B5 為“ 0”， B4 為“ 1”，則 S1 鍵被按下；若 B4,B5 皆為“ 1”，則證明按下的鍵不在該行，應進行下一行的掃描。下一行掃描時，令 B1 為高電平、 B2 為低電平，判斷方法同前。掃描鍵盤的時間很短，僅為幾微秒，而基于單片機的血壓測量計設計