【正文】 主來討論。 串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。 一個字符幀包括： 起始位：位于字符幀開頭，只占一位，始終為邏輯 0低電平，用于向接收設備表示發(fā)送端開始發(fā)送一幀信息； 數(shù)據(jù)位：緊跟起始位之后，用戶根據(jù)情況可取 5位、 6位、 7位或 8位，低位在前高位在后。在異步通信中，接收端是依靠字符幀格式來判斷發(fā)送端是何時開始發(fā)送及何時結束發(fā)送。字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送，通過傳輸線為接收設備一幀一幀地接收。 串行通信分為同步通信和異步通信。通過查詢狀態(tài)寄存器，就可以了解和控制發(fā)送和接收過程。轉換后并格式化的二進制位串被送入發(fā)送移位寄存器，按照選定的波特率發(fā)送輸出。發(fā)送數(shù)據(jù)時， CPU將數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖寄存器。系統(tǒng)送到串行接口的控制字包括發(fā)送 和接收串行數(shù)據(jù)的波特率、二進制位串行數(shù)據(jù)格式等。或者將接收到的串行數(shù)據(jù)，送交 CPU。串行通信方式的主要缺點是傳送速度比并行通信要慢，這因為串行通信是一位位傳送的，而并行則是所有并行數(shù)據(jù)位同時傳送的。而串行通信只需要一對傳送線，故串行通信能節(jié)省傳送線， 特別是當數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距離數(shù)據(jù)傳送時，這一優(yōu)點更加突出。 串口通信 串口通信簡介 在計算機系統(tǒng)中， CPU與外部通信的基本通信方式有兩種：并行通信，數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。二進制分數(shù)碼是一種單極性編碼，這種編碼的原理如下： 一個十進制數(shù) D 的量化電平可以表示如下式所示： nnni iaaaaD 2...222 22111 ???????? 式 ai或為 0，或為 1，所以 D 的值就是所有非 0 位的值與它的權值積的累加和，因此 D的值是一個小數(shù)。數(shù)碼的最左邊的位叫做最高有效位，簡稱最高位，用符號 MSB（ Most Significant Bit）表示；數(shù)碼的最右邊的位叫做最低有效位，簡稱最低位，用符號 LSB（ Least Significant Bit ）表示。 (3)量化過程 因為二進制代碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個信號電平，故在編碼成計算機能 識別的二進制之前，必須對采樣信號進行量化，即把采樣信號的幅值與某個最小單位的一系列整倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來代替該幅值，這一過程稱為“量化過程”。這 種信號畸變叫做混疊 (alias)。 采樣定理： 為使采樣輸出信號 fs(t)能完全恢復連續(xù)信號 f (t)，包含任何干擾在內的信號 f (t)的最高有效頻率――奈奎斯特頻率 fH 必須小于采樣頻率 fs 的一半；或者說采樣頻率 fs至少是信號頻率 fH的兩倍。測量的周期稱為采樣周期 Ts，采樣周期的倒數(shù)稱為采樣頻率 fs=1/Ts， Ts稱為采樣時間。前兩步在采樣保持電路中完成，后兩步在 ADC 電路中實現(xiàn)。直接 ADC 是將模擬電壓直接轉換成數(shù)字代碼，比如有逐次逼近式 ADC、計數(shù)式 ADC、并行轉換式 ADC 等；間接 ADC 是將模擬電壓先變成中間變量，如脈沖周期、脈沖頻率、脈沖寬度等，再將中間變量變成數(shù)字代碼，常用的有單積分式 ADC、雙積分式 ADC 等。 A/D 轉換器是指將模擬電壓信號進行量化、編碼，轉換為 ｎ 位二進制數(shù)字量信號的電路。這些模擬量并不能直接被計算機所認識和接收，必須先把它們變成計算機能認識的二進制數(shù)字量，這個過程叫做模擬／數(shù)字轉換，完成這種轉換的裝置則被稱為模／數(shù)轉換器（ Analog to Digital Converter），簡稱為 A/D 轉換器或 ADC。但在各種自動測量、采集和控制系統(tǒng)中遇到的變量，時間上和幅度上大多是連續(xù)變化的物理量，即模擬量。模擬的非電量（電流、電壓）必須先通過傳感器，把非電量的模擬信號，如濕度、溫度、壓力、流量等模擬量轉換為電信號。 將氣壓傳感器置于已知截面積的細管中，在被測量者向管中吹氣時，便可 通過各時刻的氣壓與流速的關系得出相應的氣流速，再結合測量時間計算得出氣體總流量。在標準條件下，760mmHg 的氣壓等于 。 氣壓傳感器 氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量?；挤巫枞苑尾考膊≌咄枰?5～ 6 秒或更多時間才能呼出全部肺活量；呼吸運動受限的許多病理狀態(tài)下，第 1 秒時間肺活量增加，并可提前呼完全部肺活量。同時分別記錄第 3 秒末呼出的氣量。測定肺活量因不限呼氣的速度，而測不出呼吸道通氣不暢的疾病，因此采用時間肺活量測定法，作為肺功能的動態(tài)指標較為理想。因此， 肺活量明顯減小是限制性通氣障礙的表現(xiàn)。壯年人的肺活量最大，幼年和老年人較小。肺活量是一次呼吸的最大通氣量，在一定意義上可反映呼吸機能的潛在能力。主要有本課題的研究意義、肺活量的相關理論知識以及簡要的分析了一下所用到芯片相關理論知識；第三章主要從總體方面分析系統(tǒng)的設計以及用到的相關原理；第 四 章是本次系統(tǒng)設計的硬件電路設計部分，詳細分析了每一模塊的原理、功能、相關原理圖以及元件和參數(shù)的選擇；第五 章系統(tǒng)的軟件部分設計，分模塊介紹顯示功能的軟件編程；第 六 章 主要講述了 誤差的分析 情況；最后是主要是總結和參考的文獻。 課題的主要研究工作和各章內容安排 本課題主要研究肺活量測量并與上位機通信的 問題，由于關鍵問題在通信上 ，所以必須對單片機與上位機間的通信有一定的研究，以及如何實現(xiàn)，實際上整個課題的難點就在于單片機與上位機間的通信上。而非電子類肺活量測量儀，在人工記錄測量結果時存在 誤差，且無法實現(xiàn)與上位機的通信以及顯示和語音播報等功能。在傳感器、微電子等高新技術的支持下，肺活 量測量儀向著智能化、高精度、能與電腦通信等方面發(fā)展。 雖然比成百上千元精密的肺活量儀便宜且容易實現(xiàn)，但其缺點是不夠精確不夠智能化，無法實現(xiàn) 顯示以及語音播報等功能。在塑料桶中裝滿水后倒過來放在水中，通過導管向桶內吹氣，利用氣體上升把桶底的水排出、水受重力自動向下流而水面下降的原理，可以進行肺活量測量。 其原理為： 肺活量是指一次深吸氣后的最大呼出的氣體容積。 市場上急需一種可以替代現(xiàn)有產(chǎn)品的便攜式電子肺活量計 。 電子類肺活量測量儀 主要通過 氣壓傳感器或者氣體流量傳感器來對肺活量進行測量。從價格和功能上比較，國內和國外產(chǎn)品存在較大的差異 :國外的肺活量測量儀，功能較全，精度較高，但價格比較昂貴 ； 而國內產(chǎn)品其功能和精度相對較低，但價格自然相對便宜。 隨著單片機、微電子、傳感器、總線接口等高新技術的迅速發(fā)展，肺活量測量儀的研制有了長足的進步，以 適應越來越高的應用要求。 因此具有廣泛的發(fā)展前景。實現(xiàn)液晶顯示、語音播報、并由上位機進行處理等功能。 但是 氣體流量傳感器 成本 較 高 。 用 氣體壓力傳感器 測量 肺活量 具有下述突出的優(yōu)點 :氣壓傳感器體積小，精度高，受外界干擾影響較??；價格較低， 降低了整機的成本。 無論從精度還是 從可靠性 方面，氣體壓力傳感器做得都比較好。測量肺活量，可判斷健康人呼吸機能的強弱、某些呼吸機能減低的性質和程度以及疾病恢復后的勞動能力 。肺活量測量儀是體質測量儀中的一部分，當然也不例外。運動 成為生活的一部份，因此 『終身運動 』 成為全民所關心的重大議題 。 引言 隨著社會經(jīng)濟的繁榮，周休二日的實施，人們的生活方式有了重大的改變。加上人口日趨高齡化，隨之而起的健康養(yǎng)生意識逐漸受到大家重視。 終身運動的提出必然帶動體質測量儀的發(fā)展。 肺活量 在一定意義上反映了呼吸機能的潛在能力。 肺活量測量儀中普遍使用氣體壓力傳感器來進行測量。利用氣體壓力傳感器 檢測即迅速，方便 ，計算簡單，又易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到相應 的要求。 目前國內一般使用 氣體壓力傳感器來 設計 肺活量測量 儀 ,同時也有通過氣體流量傳感器來實現(xiàn)肺活量測量儀的設計。本文中所討論的 肺活量 測量 儀 由于使用了價格 較 低的 ATP015G 氣體壓力傳感器 及 單片機 ,并且可通過 RS232與上位機進行通信， 將所測得的數(shù)據(jù)直接傳送至上位機。 具有價格低、直觀、使用方便的特點。 1 緒論 本課題的研究意義 肺活量測量儀在醫(yī)療部門以及學校等地方應用廣泛，實現(xiàn)智能化、高精度、便攜化是 肺活量測量儀現(xiàn)在的發(fā)展方向。 目前，市場上的肺活量測量儀功能各有所長，價格差異也較大。 本課題的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)肺活量測量儀的結構分為：電子肺活量測量儀和非電子簡易肺活量測量儀兩大類。 隨著全民健身計劃的提出以及《學生 體質健康標準》試行方案的出臺 ， 市場上對肺活量計產(chǎn)品的需求量越來越大 .然而中國的體質檢測儀器與國外相比還比較落后 ， 如肺活量計還沿用三十年前的機械式產(chǎn)品 。 非電子類肺活量測量儀 不通過傳感器以及其他電子元器件，而是由一些生活中容易取得的材料例如 帶蓋兒透明塑料桶（如裝金龍魚食用油的塑料桶， 5 升；或鮮橙多塑料瓶， 2升）， 60 ~80 長的乳膠管，玻璃管 等材料制作簡易的肺活量測量儀。由于人體呼出的氣體密 度比水輕，在水中會上升，所以可以用 “排水法 ”制作簡易肺活量計。人體吹出氣體的體積，就是桶內被排出的水所占的體積，即桶內被排空部分的容積。 本課題的發(fā)展趨勢 目前肺活量測量儀的種類并不是很多，所以客戶的選擇相應也不多。 智能 肺活量測量儀研究目的及其可行性 當前的電子肺活量測量儀雖有液晶顯示以及語音播報功能，有足夠的精度，但 在 人工讀取并記錄數(shù)據(jù) 時 效率并不高。 智能肺活量測量儀除了可以實現(xiàn)液晶顯示和語音播報等功能外，還可與上位機進行通信，提高了效率，更加適合在學校中應用。 各章內容安排：第一二章兩章主要是基礎理論知識的介紹。 2 相關技術和基礎理論介紹 肺活量 測量 相關概述 肺活量 肺活量是指一次盡力吸氣后，再盡力呼出的氣體總量。成年男子肺活量約為 3500 毫升，女子約為 2500 毫升。健康狀況愈好的人肺活量愈大，肺組織損害如 肺結核 、肺纖維化、肺不張或肺葉切除達一定程度時都可能使肺活量減??；脊柱后凸，胸膜增厚，滲出性胸膜炎或氣胸等，也可使肺擴張受限，肺活量減小。由于肺活量的測定方法簡單，重復性較好，故是健康檢查常用的指標。時 間肺活量就是最大吸氣后用力作最快速度呼氣，直至呼完為止。正常人應分別呼出其肺活量的 83%、 96%和 99%。所以，時 間肺活量可作為鑒別阻塞性或限制性通氣障礙的參考。氣象上使用的所有氣壓表的刻度均應以 hPa 分度。壓阻式氣壓傳感器的原理是大氣壓作用于覆蓋有抽空的小盒的敏感元件上，通過它電阻受到壓縮或拉伸應力的作用，由于壓電效應，電阻值的變化與氣壓成正比。 測量的原理框圖如下： 圖 計算機內部能識別的是二進制的數(shù)字信號，因此輸入計算機的信號必須轉換為離散的數(shù)字信號，即將連續(xù)的模擬信號轉換為離散的數(shù)字信號。 A/D 轉換器 微型計算機只能對以二進制形式表示的信息進行運算和處理，運算 和處理的結果也只能是這種數(shù)字量。比如用計算機對導彈、衛(wèi)星的飛行過程進行監(jiān)視和控制時，被監(jiān)控對象大都是電壓、電流、角度、速度、位移、溫度等模擬量。 由于 A/D 轉換是將數(shù)字氣體壓力 氣體流速 氣體流量 計算機應 用于生產(chǎn)過程、科學實驗和軍事系統(tǒng)以實現(xiàn)更有效的自動控制的必不可少的環(huán)節(jié)，因此如何實現(xiàn) A/D 轉換器與計算機的接口也就成為計算機控制系統(tǒng)設計中的一項十分重要的工作。根據(jù) A/D 轉換原理和特點的不同，可將 ADC 分成兩大類：直接 ADC 和間接 ADC。 A/D 轉換的基本原理 連續(xù)的模擬信號轉換為離散的數(shù)字信號必須經(jīng)歷的四個過程：采樣→保持→量化→編碼。 (1)采樣過程 采樣就是周期性地讀出或者測量一種連續(xù)信號。 (2)保持過程 采樣輸出的信號在采樣時間內是連續(xù)的模擬量，其 幅度值為連續(xù)的，為使采樣過后的信號的幅度變?yōu)橛邢拗?，同時采樣到某一時刻的信號值，因此引入保持過程，即在保持狀態(tài)下電路的輸出保持著前一次采樣結束時刻的瞬時輸入模擬信號，直至進入下一次采樣狀態(tài)為止。用 如下 公式表示 ： 式 采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。出現(xiàn)的混頻偏差 (alias frequency)是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。 (4)編碼過程 模 /數(shù)轉化的最后階段是編碼，就是把量化信號的電平用數(shù)字代碼來表示，編碼有多種形式，最常用的是二進 制編碼，即用 1 和 0 所組成的 n 位數(shù)碼來代表量化電平。編碼因為實際問題的模擬電平極性不同有兩種方式，即單極性編碼和雙極性編碼。一個模擬信號采樣轉換的結果可以表示 如下式所示： 式 式中， U0 是 A/D 轉換器模擬輸出電壓， FSR 是滿量程， n 為量化器的位數(shù)。在并行通信中，數(shù)據(jù)有多少位就需要多少條傳送線。串行通信方式之所以被廣泛應用的其它特點還包括：相對于并行通信方式它需要的設備簡單；串行通信有大量標準化的技術準則可以遵守；其通信的距離比并行方式遠的多；而且可以利用電話線通信，成本低的多。 串行接口的主要功能是接收來自 CPU的數(shù)據(jù)，并轉換為串行數(shù)據(jù)格式發(fā)送出去。與系統(tǒng)連