【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 21 所示 : L E D 顯 示電 源晶 振傳 感 器 放 大 整 形 電 路 單 片 機(jī) 圖 21 系統(tǒng)硬件組成總框圖 本系統(tǒng)是由傳感器將人的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，通過前置電路對(duì) 電脈沖信號(hào)整形、放大、濾波以后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)送來的電脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和定時(shí)，具體為：?jiǎn)纹瑱C(jī)以 T0 方式 1 計(jì)數(shù)， T1 方式 1 定時(shí)，定時(shí) 125ms 中斷一次，循環(huán) 8 次就為 1s，再到一分鐘計(jì)數(shù)結(jié)束。顯示模塊用 8155 擴(kuò)展 I/O 并作為 LED 顯示接口，通過 74LS244 提高驅(qū)動(dòng)能力，最后將信號(hào)送至七段數(shù)碼管顯示。安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 6 第三章 心率計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件組成及原理圖 經(jīng)過比較，我選擇了壓電陶瓷傳感器將人的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，并且通過整形放大電路將電脈沖信號(hào)整形放大，選用 AT89C51 單片機(jī)對(duì)傳送來的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) 和定時(shí)，用 8155 擴(kuò)展 I/O 口作為 LED 顯示接口 ， 通過 74LS244 緩沖器與數(shù)碼管相連。 硬件原理圖 如圖 31: 圖 31 心率計(jì)系統(tǒng) 硬件原理圖 單片機(jī) AT89C51 AT89C51是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes的可反復(fù)擦寫的 Flash 程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元， 功能強(qiáng)大 [5]。 AT89C51 單片機(jī)性價(jià)比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 ， 所以我選用 AT89C51 作為本設(shè)計(jì)的主芯片。 AT89C51 的主要性能 8 位微處理器和控制器。 內(nèi)含一個(gè)布爾運(yùn)算器，可直接對(duì)數(shù)據(jù)的位進(jìn)行操作和運(yùn)算，特別適用于邏輯控制。 內(nèi)含 4KB 可重擦寫的程序 E2PROM。 內(nèi)含 128B 的數(shù)據(jù) RAM。 4 個(gè) 8 位 (32 根 )雙向且可獨(dú)立尋址的 I/O 口線。 2 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù) /定時(shí)器。 內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器。 全雙工方式的串行接口 (UART)。 兩級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)的 6 個(gè)中斷源 /5 個(gè)中斷矢量 的中斷邏輯。 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 7 哈佛結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器組織，支持 4KB 的程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址空間。 指令集有 111 條指令，其中 64 條為單周期指令，支持 6 種尋址方式。 最高時(shí)鐘振蕩頻率可達(dá) 12MHz，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1us，乘、除指令為 4us。 AT89C51 的引腳功能 89C51 單片機(jī)為 40 腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其引腳排列順序及引腳符號(hào)參看圖 32。 圖 32 89C51 單片機(jī)引腳圖 各引腳功能如下 : ⑴ 電源及地 VSS:源接地端。 VCC:正常運(yùn)行和 編程校驗(yàn)時(shí)為 +5V 電源 (士 10%)。 ⑵ 時(shí)鐘及復(fù)位信號(hào) XTAL1:是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器為時(shí)鐘源時(shí)，此腳必須接地。 XTAL2:是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。使用外部振蕩器時(shí)，可由此腳引入外部時(shí)鐘信號(hào)。 RST:復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。若此腳出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，即將 89C51復(fù)位。此外，該引腳也可作為掉電保護(hù)后備電源引腳。 ⑶ I/O 引腳 P0 口 :P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 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 P0 寫 “1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 8 P1口 :P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1的輸出緩沖極可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫 “1”，通過內(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 （ IIL） 。 P2 口 :P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P2 的輸出緩沖極可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL邏輯門電路。對(duì)端口 P2 寫 “1”，通過內(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（ IIL） 。 P3 口 :P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖極可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫 “1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻拉高并作為輸入口。此時(shí)被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 （ IIL） 。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能， 詳見 表 31： 表 31 P3 口第二功能 口線 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接受 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外中斷 0 申請(qǐng) INT1 外中斷 1 申請(qǐng) T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ⑷ 控制信號(hào) ALE/PROG:地址鎖存允許 /編程信號(hào)。當(dāng)訪問外部 存儲(chǔ)器時(shí)，此信號(hào)可用來鎖存地址總線的低 8 位， ALE 輸出脈沖頻率為振蕩頻率的 1/6。因此即使當(dāng)不用外部存儲(chǔ)器時(shí)，也可用做外部電路的時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。當(dāng)對(duì) EPROM 編程時(shí)，此管腳輸入編程脈沖信號(hào)。 PSEN:外部程序存儲(chǔ)器使能信號(hào)。為讀取外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。當(dāng) CPU 訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，在每一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)， PSEN 會(huì)跳變兩次。當(dāng) CPU 訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 又不跳變。 EA/VPP:訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。當(dāng) EA 端接高電平時(shí)， CPU 訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 (除非程序存儲(chǔ)器值超過 0FFFH)，當(dāng) EA 接低 電平 時(shí) ，則強(qiáng)調(diào) CPU 訪問外部存儲(chǔ)器，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 9 而不管程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容是多少。此外，該引腳還用做 EPROM 編程電壓的輸入端。 AT89C51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 89C51 單片機(jī)內(nèi)部主要由運(yùn)算器和控制器 (CPU)，內(nèi)部程序 EEPROM，內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM，I/O 接口，計(jì)時(shí) /定時(shí)器，中斷等幾部分組成。 運(yùn)算器和控制器 89C51 的運(yùn)算器和控制器功能類似于一般微機(jī)中的微處理器 (CPU)，它完成邏輯算術(shù)運(yùn)算并協(xié)調(diào)單片機(jī)其它各部分的工作。各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算所涉及到的寄存器包括 :累加器A，寄存器 B，暫存器 1(TEMP1)和暫存器 2(TEMP2)，程序狀態(tài)寄存器 PSW，程序計(jì)數(shù)器PC，堆棧指針 SP，數(shù)據(jù)指針寄存器 DPTR 等。它們位于 CPU 內(nèi)部，又稱 CPU 專用寄存器，以區(qū)別于 I/O 接口專用寄存器。 存儲(chǔ)器 : MCS51 系列單片機(jī)存儲(chǔ)器組成是所謂的哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別尋址，而不是程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。在 89C51 單片機(jī)中，程序存儲(chǔ)器采用EEPROM，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用 RAM。它們又可以進(jìn)一步分成內(nèi)部或外部?jī)深悺? ① 程序存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器內(nèi)部和外部是統(tǒng)一連續(xù)編址的，內(nèi)部占用地址 空間的低4KB，地址 0000H～ 0FFFH，外部地址范圍 1000H～ FFFFH，共 60KB。程序存儲(chǔ)器主要用來存放程序和常數(shù)。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器 PC 由內(nèi)部 ROM 開始執(zhí)行到外部 ROM 時(shí)，會(huì)自動(dòng)尋址外接程序存儲(chǔ)器。 ② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MCS51 系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也有內(nèi)部、外部之分。但與程序存儲(chǔ)器不同，片內(nèi)、片外存儲(chǔ)器是分別獨(dú)立編址的，片內(nèi)地址為 00H～ FFH，共 256B。外部 RAM地址范圍 0000H～ FFFFH，共 64KB。內(nèi)部存儲(chǔ)器可直接尋址。盡管片內(nèi)、片外地址空間的低 256B 有重疊 ，但尋址并不會(huì)造成混亂。這是因?yàn)槠瑑?nèi)、片外存儲(chǔ)器使用不同的指令(MOV 和 MOVX)。擴(kuò)展的 I/O 地址也占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。對(duì) I/O 端口操作無須特殊指令。 ③ 寄存器區(qū) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為 4 個(gè)區(qū)域，數(shù)據(jù) RAM 用于存放臨時(shí)變量，下面介紹其他三個(gè)寄存器區(qū) ： a) 工作寄存器區(qū) 它占用地址 00～ FFH 的 32 個(gè)內(nèi)存單元，又分成 4 個(gè)區(qū)。每個(gè)區(qū)有R0～ R7 共 8 個(gè)工作寄存器。工作寄存器區(qū)的選擇又由程序狀態(tài)寄存器 PSW 的第 4 位和第3 位 (RS1 和 RS0)共同指定。單片機(jī)復(fù)位時(shí)， RS1 和 RS0 為零 ，故指向 0 區(qū)。通過位操作改變 RS1 和 RS0 的值，可以方便地指向任 一個(gè) 區(qū)間。 b) 位尋址區(qū) 每位都有一個(gè)獨(dú)立的 8 位地址 (占據(jù)空 間 00～ 7F)，共 128 位。此外，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 10 在專用寄存器 SFR 中還有一部分是可以位尋址的 (有些位可能無定義 )。位尋址區(qū)的字節(jié)地址與位地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系請(qǐng)參看有關(guān)書籍。 c) 專用寄存器區(qū) 共有 21 個(gè)專用寄存器 SFR，位于 80～ FFH 地址空間。這些寄存器又可以分為 CPU 專用寄存器和接口專用寄存器。 CPU 專用寄存器前面己經(jīng)提過，而接口專用寄存器包括兩部分。一部分就是單片機(jī)的 I/O 端口 P0～ P3， 分別編址為 80H、 90H、A0H、 B0H，共 4 個(gè)單元， 32 位，每一位都可以獨(dú)立尋址。另一部分為定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行口、中斷的一些控制寄存器。具體可參見有關(guān)書籍。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 89C51 有兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (T0， T1)。在定時(shí)功能中，每個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器加 1，由于 l 個(gè) 機(jī)器周期包含 12 個(gè)振蕩周期，因而它的計(jì)數(shù)頻率為 1/12，即由定時(shí)器計(jì)數(shù)到的脈沖為振蕩周期頻率的 1/12。 在計(jì)數(shù)器功能中，在外部事件相應(yīng)輸入腳 (T0 或 T1)產(chǎn)生負(fù)跳變 .時(shí)，計(jì)數(shù)器加 1。 由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過程需要 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 )， 所以，最高的計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/24。 這兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài) (定時(shí) /計(jì)數(shù) )及工作方式 (方式 0～方式 3)的選擇是由定時(shí) /計(jì)數(shù)器方式寄存器 (TMOD)中的每位值所決定的。定時(shí) /計(jì)數(shù)器的控制由控制寄存器(TCON)完成。具體可參見 MCS51 單片機(jī)的有關(guān)書籍。 I/O 口 89C51 不僅有 4 個(gè) 8 位并行口，供單片機(jī)和外部 RAM、 EEPROM 等擴(kuò)展連接用或與其它設(shè)備交換信息用，它還有一個(gè)全雙工串行口，能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在前面的引腳功能中已對(duì)并行口作了簡(jiǎn)要介紹，在此就主要介紹一下串行口。 串行口也就 是 和 的第二功能。它既能工作在異步方式，又能工作在同步方式。該串行口是全雙工的，它在物理上分為兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖器和接收緩沖器 SBUF，但它們占用一個(gè)特殊功能寄存器的地址 99H，只需對(duì) SBUF 進(jìn)行寫或讀的操作，就可以同時(shí)發(fā)送和接收了。串行口的工作方式選擇、波特率選擇、串行通信協(xié)議的完成，由兩個(gè)特殊功能寄存器，即串行口控制寄存器 SCON 和功耗控制寄存器 PCON 完成。在這里就不詳述了。 中斷 89C51單片機(jī)提供了 5個(gè)中斷源，而每一個(gè)中斷源都能被程控為高優(yōu)先級(jí)或低優(yōu)先級(jí)。這 5 個(gè)中斷源包括 2 個(gè)外 部中斷和 3 個(gè)內(nèi)部中斷。兩個(gè)外部中斷源為 INT0 和 INT1，外部安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 11 設(shè)備的中斷請(qǐng)求信號(hào)、掉電等故障信號(hào)都可以從 INT0 而和 INT1 引腳輸入，向 CPU 提出中斷申請(qǐng)， INT0 和 INT1 的中斷請(qǐng)求標(biāo)志 IE0、 IE1 分別設(shè)在 TCON 寄存器的 、。 3 個(gè)內(nèi)部中斷源為 T0、 Tl 溢出中斷源及片內(nèi)串行發(fā)送或接收中斷源， T0、 Tl 中斷請(qǐng)求標(biāo)志 TF0 和 TF1 分別設(shè)在 TCON 寄存器的 、 ，串行發(fā)送或接收中斷標(biāo)志 TI 或 RI 設(shè)在 SCON 寄存器的第 、 。 5 個(gè)中斷源中的一個(gè)、幾個(gè) 或全部中斷源的開、關(guān)由中斷允許寄存器 (IE)完成，而每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)別的高低由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 (IP)完成。 89C51 單片機(jī)中斷源簡(jiǎn)要特性見表 32。 表 32 中斷源特性表 名稱 符號(hào) 標(biāo)志符號(hào) 標(biāo)志符號(hào)位置 矢量地址 優(yōu)先級(jí)別 外部中斷 INT0 IE0 0003H 最高 最低 定時(shí)器 0 溢出中斷 TF0 TF0 000BH 外部中斷 1 INT1 IE1 0013H 定時(shí)器 1 溢出中斷 TF1 TF1 001BH 串行口中斷 R1+T1 R1 0023H T1 傳感器介紹及整形放大電路 傳感器簡(jiǎn)介 心率檢測(cè)儀使用的傳感器有 很多種，經(jīng)過對(duì)成本和性能等各方面的考慮，我選用了 壓電陶瓷傳感器， 其作用是將人微弱的脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便，易于成型，耐濕，耐高溫等。幾十年以