脉搏监测系统设计资料

摘 要 随着人们生活的水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的,这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。而脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源，是反映人体健康状况的重要窗口，而对脉搏的提取速度又快，因此利用脉搏信号快速的发现病因也是一个有效的方法。 本课题采用嵌入式与无线通讯技术，提出处理脉信号的新方案,即采集及处理与无线发送部分（前端系统）+无线接收与PC机显示部分（后端系统）。 前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作；通过无线接收和串口接口连接到PC机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。正是有了无线接收模块的作用，使得系统具备了远程监测的能力。 本文论述了课题研究的现状和意义以及设计方案；介绍了主要的芯片的原理和他们的使用方法；阐述了硬件设计与软件设计方案；说明了相应软件的流程和方法，并解说了相应硬件与软件的调试。最后对所做的工作进行了分析和总结，指出了系统涵待改进和提高的地方，展望了系统今后的发展方向。 关键词 : 嵌入式系统;无线收发模块;串口;传感器 Abstract With peoples lives has improved continuously, lifestyle, the changing structure of diet, habits change and the high tempo of life has led to hypertension, coronary heart disease and other cardiovascular diseases became common diseases and frequently-occurring disease.To prevent and reduce hypertension, coronary heart disease such cardiovascular disease to the serious human health hazards, effective diagnosis and treatment of the dry method and equipment, rapid onset of treatment methods are very important, these are precisely the current The broad masses of medical experts are working together the focus of the study.The pulse of human activities is the most important and most sensitive and most reliable source of information, to reflect the health status of an important window on the pulse of the fast speed of extraction, use of rapid pulse signals that cause is also an effective method. The issue with the use of embedded wireless technology, network signal processing by the new programme,acquisition and processing and wireless transmitter part (front-end systems) + wireless receiver and PC revealed that some of (back-end systems).Front-end system is mainly responsible for the signal pulse of the collection and initial processing and send to separate work and a wireless receiver connected to the serial interface on a PC, back-end system is mainly responsible for the tracking system shows that the front end to the transmission signal.It is precisely because of the role of the wireless receiver modules, making the remote monitoring system has the ability. This article discusses the issue of the status and significance of research and design programmes;On the main chip and the principle of the use of their methods on the design of hardware and software design; note the corresponding software processes and methodologies and explain the corresponding hardware and software debugging.Finally, the work done by an analysis and concluded that the culvert system to be improved and increased local and looking forward to the systems future development direction.Key words: Embedded systems; wireless transceiver module; Serial; sensor 目 录引言11 课题现状及研究意义21.1 课题现状21.2 研究意义32 方案论证42.1 方案选择42.2 系统框图53 主要芯片介绍73.1 光电传感器73.2 Atmega851573.3 无线收发模块113.4 MAX232芯片134 硬件设计164.1 采集部分164.2 滤波部分164.3 放大部分184.4 555施密特整形电路194.5 下位机处理部分204.5.1单片机复位电路204.5.2数码管显示部分电路204.5.3无线发送模块部分214.5.4单片机的晶振和中央处理部分224.6 上位机部分224.6.1无线接收模块部分224.6.2接收数据处理部分234.6.3串口部分235 软件设计265.1 下位程序设计的流程图265.2 无线模块部分265.3 上位机部分流程图275.4 VB界面276 系统调试与验证296.1 硬件调试296.1.1 采集部分296.1.2 滤波部分296.1.3 放大部分306.1.4 555整形部分的调试306.1.5 下位机处理部分306.1.6 上位机处理部分316.2 软件调试316.2.1下位机处理部分326.2.2上位机部分336.3 整体调试356.4 抗干扰措施366.4.1硬件抗干扰措施366.4.2软件抗干扰措施367 结果分析与展望38谢辞39参考文献40附录41附录一41附录二42 引 言 当今在医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，它是人体输送养料、传递能量和传播各种生理病理信息的重要途径，脉搏包含有丰富的人体健康状况信息。研究脉搏信息无论是在中医还是西医中都具有重要的临床诊断价值和实用意义。 计算机是现代先进的高速运算和控制工具，因此计算机技术在脉搏研究方面有着其内在的必然性。利用计算机灵敏的反映、快速的计算、数据存储能力、以及高分辨率的显示设备等功能和优势，使得对脉搏的处理更加准确和有效。因为脉搏检测是带有我国中医特色和独有的生物信号检测技术，因此开发研制这样的监测仪器，可以同时满足医、患两方面的需求。根据对它的特点的分析，预计它的用途将是非常广泛的，特别是如果加有其他的措施之后，如加上自我分析能力部分，它就有着非常明显的社会效益与经济效益，主要体现在以下几个方面:临床诊断、早期诊断、同步监测、指导用药、中医脉象原理的研究。本课题结合理论研究和具体实践的基础上，对于嵌入式脉搏检测系统的硬、软件和算法作了一些有意义的研究和探讨，提出了一种新的脉搏检测和分析的系统方案。即采用前端嵌入式+后端系统的结构，前端嵌入式系统负责脉搏信号的采集与初步处理，后端系统进行显示。前端和后端系统通过无线收发模块CC1100进行通讯。整个监控系统采用无线收发模块与最小系统，这样传递速度快，系统结构也简单。被监控点实时采集的数据通过无线网络通信及时地传输给上位机的PC机，实时动态地反映被监测点的情况。不要删除行尾的分节符，此行不会被打印 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 51 页 共 51 页1 课题现状及研究意义1.1 课题现状现代社会，人们生活水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。据统计，目前我国城市人口中每5个成年人中就有1个不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心脏与循环系统的不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、碎死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。中国每年有100万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。特别是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。近年来日本、美国等国家的医生、学者在医学研究、针灸研究中设计了一些脉象客观描记仪器或装置，例。这些仪器的主要功能是描记脉象波形，是用作临床观察脉象变化的工具。但是这些仪器装置大多数没有形成产品，也没有见到广泛临床应用的报道。其中比较有代表性的仪器有美国医学博士John.H.研制的一种针灸临床用的新型无创脉波记录仪，日本的田口贤辉发明的一种 “压力、脉搏测定装置”、日本的代田文彦设计了一种“局部加压型可偿还脉装置”、日本Colin公司研制的一种CBM一3000/2000型挠动脉脉波检测仪以及日本Sony公司曾经推出的一种利用三个驻体微音器作为脉波传感元件的脉波检测仪等等。 而虽然目前己有的心血管诊疗仪器设备多种多样，例如:比较成熟的技术有心电图检测.x光透视、CT扫描检查、核磁共振、静脉数字减影造影等，还有目前临床应用较多的:超声心动图、放射性核素心血管造影 (核素显像)、心电机械图、阻抗心动图和阻抗微分波图等，但这些手段要么操作复杂、费用昂贵，不容易反复进行检查，要么获得的诊断指标过少，对确诊疾病作用有限，特别是当要全面了解对病人诊断治疗非常重要的心脏血流动力学情况时，大部分体外检测仪器都无能为力了，目前临床只能采取体内插入式导管的检测方法，但这种方法对病人是有着非常大的创伤和风险的，而且要求实施的意愿有相当高的技术与设备条件等等问题。1.2 研究意义 脉搏是常见的生理现象，是心脏和血管状态等重要生理信息的外在反映;因此，脉搏检测不仅为血压测量、血流测量及其他生理检测提供了生理参考信息，而且脉搏波本身也能给出许多有诊断价值的信息。中医脉象诊断技术就是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。采用传感器检测脉搏，可较客观地得到尽可能多的信息，更因为此法对人体无创伤，且使用方便，易于被人们接受。此外，近百年来，现代医学科学充分利用基础学科及有关技术的进步而发展迅速，形成了现代科学的一部分。而祖国医学由于历史的和社会的诸多原因，没有充分利用现代科学的种种条件，尽管有合理的内涵和丰富的经验却一直停留在古代的形势和方法上。整个祖国医学如此，脉学当然亦不例外，所以，利用现代最新科学手段进行有关现代化的脉诊研究探索是一项必须的工作。而脉诊的前提是能有效提出脉搏信号的情况下。所以对脉搏的提取医疗工作的前提。本课题采用光电传感器提取脉搏信号，用嵌入式处理脉搏信号，通过无线收发模块（CC1100）远距离传送,并在PC机上显示.这样就既能减少对人体的创伤的同时，也能远距离并可以在PC机上监视，形成能远程监测人体脉搏的系统，为医生的研究提供一个有效的数据基础。2 方案论证2.1方案选择要选择合理的方案，之前就应该知道要测量这个物体的特点，这样才能有准确的处理方案。因此在选择方案之前就先来了解一下脉搏信号的特点。脉搏信号具有如下具体特点:信号弱、干扰强由于脉搏信号属于主动信号，其信号源不可触及，一般来说，信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50Hz的工频干扰，有来自肌体动作、精神紧张带来的假象信号等。因为生物体的各部分是不可分割、相互影响的，因此，研究一个系统时，来自另一个系统的信号有可能成为噪声，而且这种噪声有时可能比所需的信号强得多。频率低人体脉搏信号频率较低，属次声波，其频谱主要分布在0-4Hz之间。变异性脉搏信号的变异性来自脉搏系统的变异性，这是由于人体生命过程具有一种借助自身内在的调节机制以适应环境变化的能力，因此，表现在不同的疾病会具有不同的脉搏信号(即脉象)，相同的疾病在不同人身上也会表现出不同的脉象，同一个人的同一疾病在不同时期也会出现不同的脉象，同类脉象在不同病症之间也略有差异。对于脉搏信号的特点，可以知道，选择测量传感器对脉搏信号的提取最为关键，以下是几种可测量脉搏信号的传感器： 1、压力传感器：用压力传感器采集脉搏信号，原理是将脉搏跳动产生的力通过传感器转化为电信号。他的特点是跳动的脉搏信号要强，如果跳动信号弱，那么传感器可能不能有效的反映出脉搏信号。要么就提高传感器的精度，大家都知道提高一个器件的精度的代价是什么样，而且使用时要用东西把他固定住，这也使得使用起来比较麻烦。 2、光电传感器：用光电传感器采集脉搏信号，原理是吸收红外线穿透血管时血液浓度的改变而导致红外线强度的改变使红外线吸收传感器产生电信号的变化来反映脉搏的变化。无论要测量的部位是否有强度的脉搏信号的跳动，他基本都没受到干扰，只要有血液浓度的变化就能导致电信号的改变。在体育方面测量，用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。对一般测量，本课题采用指脉的测量方式，第一，可以简便快速的测量；第二，考虑到性价比。 对指脉的测量有两种方法;光电容积法和阻抗容积法。这两种方法都是采用光电传感器从人体指尖上获取脉搏波。光电传感器有两种类型，即透射型和反射型。 透射型是指光源和光电接收器分别位于被测手指的上下两侧，它是利用肌肉比较容易透射光线，而血液对光线有选择吸收作用的原理制成。光源用红色发光二极管置于指尖上方，光电接收器用光敏三极管或者光敏二极管置于指尖下方。发光二极管发出的光线透过指尖被光敏只极管接收，手指指尖血管血液容积在血液循环过程中呈现博动性变化，于是光敏三极管或者光敏二极管获得的信号便反映了手指动脉血液容积搏动变化的情况，光敏三极管的输出信号呈现周期性变化，经放大后即得到周期性变化的指尖脉搏波信号。如图2.1.1所示。 反射型是指光源和光电接收器同置于被测指尖的下方，并靠在一起，发光二极管发出光纤，光敏三极管对血压变化所引起的光线发射率变化做出响应，经过相似的处理后也可以得到周期性变化的指尖脉搏波信号。如图2.1.2所示。 本课题采用透射式探头。 2.2系统框图系统框图如下图2.2.1所示 数码管显示脉搏信号采集信号的滤波与放大波形转换电路 前端MCU处理部分无线发送部分图2.2.1系统整体框图 后端MCU部分数码管跟踪显示 串口部分PC机显示部分无线接收部分3 主要芯片介绍3.1 光电传感器BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。3.2 Atmega8515 ATmega8515是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8515 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega8515 有如下特点 8K 字节的系统内可编程 Flash( 具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，512字节SRAM，一个外部存储器接口，35个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，两个具有比较模式的灵活的定时器计数器 (T/C)片内外中断，可编程串行 USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及三个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。他具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、 程序调试器 软件仿真器、仿真器及评估板。ATmega8515除有AT90S4414/8515的所有特性外，还有一些新的特性。ATmega8515 基本上对 AT90S4414/8515 向下兼容。但两者间还会存在不兼容的问题。可通过对AT90S4414/8515的S8515C熔丝位编程，选择兼容模式来解决该问题，ATmega8515 引脚与 AT90S4414/8515 引脚 100% 兼容，也可在电路印刷板上替换 AT90S4414/8515，但二者的熔丝位位置及电气特性间存在差异。ATmega8515的引脚结构如图3.2.1所示： 图3.2.1ATmega8515引脚他的I/O口以及第2功能跟MCS-51系列单片机是差不多的，但是它比MCS-51系列更能节省能量而且他的运算速度也更快。AVR系列的内部结构如图3.2.2所示： 图3.2.2 AVR内部结构图为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。 CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令 在本文称为预取。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的 Flash 。快速访问寄存器文件包括 32 个 8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的 ALU 操作。在典型的 ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。寄存器文件里有 6 个寄存器可以用作 3 个 16 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为 16 位的 X、 Y 、Z 寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。程序流程通过有 无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址大多数指令长度为 16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条 16 位或 32 位的指令。程序空间存储器分为两个区，程序存储器 (Boot 区 ) 和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读 写保护。用于写应用程序区的 SPM 指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器 (PC) 保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于 SRAM 的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O SRAM可以通过5 种不同的寻址模式进行访问。AVR 存储器空间为一线性的平面结构：AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间，状态空间有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。I/O 存储器 64 个可以直接寻址的地址，作为 CPU 外设的控制寄存器、SPI，以及其他 I/O 功能。映射到数据 0x20 - 0x5F。I/O口介绍：端口A（PA0PA7） 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A处于高阻状态。端口B（PB0PB7） 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B处于高阻状态。端口B第二功能如下：端口C（PC0PC7） 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。端口D（PD0PD7）为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口D第二功能如下：端口E（PE0PE2） 为 3 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 E 处于高阻状态。端口E第二功能如下： /RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P42Table 18。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。 XALT1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XATL2 反向振荡放大器的输出端。3.3 无线收发模块无线收发模块采用由ETC公司生产的CC1100芯片，这个芯片的特点是：CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他频率。RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。 CC1100的主要操作参数和64位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口控制。在一个典型系统里，CC1150和一个微控制器及若干被动元件一起使用。基于0.18微米CMOS晶体的Chipcon的SmartRF 04技术。主要特性： 体积小（QLP 44mm封装，20脚） 真正的单片UHF RF收发器 频率波段：300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz 高灵敏度（1.2kbps下-110dBm，1数据包误差率） 可编程控制的数据传输率，可达500kbps 较低的电流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz） 可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm 优秀的接收器选择性和模块化性能 极少的外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF转换 可编程控制的基带调制解调器 理想的多路操作特性 可控的数据包处理硬件 快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统 可选的带交错的前向误差校正 单独的64字节RX和TX数据FIFO 高效的SPI接口：所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制 数字RSSI输出 与遵照EN 300 220(欧洲)和FCC CFR47 Part 15 (美国)标准的系统相配 自动低功率RX拉电路的电磁波激活功能 许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的RF系统 集成模拟温度传感器 自由引导的绿色数据包 对数据包导向系统的灵活支持：对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，灵活的数据包长度及自动CRC处理 可编程信道滤波带宽 OOK和灵活的ASK整型支持 2-FSK，GFSK和MSK支持 自动频率补偿可用来调整频率合成器到接收中间频率 对数据的可选自动白化处理 对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持 可编程的载波感应指示器 可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护 支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统 支持每个数据包连接质量指示CC1100引脚图如图3.3.1所示：图3.3.1 CC1100引脚图他的内部结构如图3.3.3所示图3.3.3 CC1100内部结构CC1100的使用说明： VCC脚 接电压范围为1.9-3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V， 将会烧毁模块，最佳电压是在 3.3V 。硬件上面没有SPI 的单片机也可以控制本模块，用普通单片机I/O口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入， 只需要普通的单片机I/O口就可以了，当然用串口也可以了。与51系列单片机P0口连接时候，需要加的上拉10K电阻，与其余口连接不需要。其他系列的单片机，如果是5V 的，请参考该系列单片机I/O口输出电流大小，如果超过10mA 需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块的，如果是 3.3V是可以直接和模块的I/O口线连接。3.4 MAX232芯片 该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。主要特点 ：1、 单5V电源工作2、 LinBiCMOSTM工艺技术3、 两个驱动器及两个接收器4、 30V输入电平5、 低电源电流：典型值是8mA6、 符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.287、 ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000V其管脚以及内部结构如图3.4.1所示： 图3.4.1 MAX232的引脚以及内部结构它工作温度（自然通风）范围内的极限参数（除非另有说明）输入电源电压范围，Vcc -0.3V至6V正输出电源电压范围，VS+ Vcc-0.3V至15V负输出电源电压范围，VS - 0.3V至-15V输入电压范围，VI：驱动器 - 0.3V至Vcc+0.3V 接收器 30V输出电压范围，VO：T1OUT，T2OUT VS0.3V至VS+0.3V R1OUT，R2OUT -0.3V至Vcc+0.3V短路持续时间：T1OUT，T2OUT 未限制工作温度（自然通风）范围，TA：MAX232 0至70 MAX232I -40至85存储温度范围，Tstg -65至150引线温度，离外壳1.6mm(1/16英寸)，10秒 260 使用时如果强度超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。这些仅仅是极限参数，并不意味着在极限参数条件下或在任何其它超出推荐工作条件所示参数的情况下器件能有效地工作。延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性。4 硬件设计4.1 采集部分 图4.1脉搏信号采集电路 脉搏信号采集电路如图4.1所示，LM393的UA接为单位增益缓冲器以产生2.5V的基准电压。 由于红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。图4-1中D2是红外接收二极管（BPW83型）和D1是红外发射二极管（IR333型），他们的工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图4.l中，R5选100 是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R5过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，UB的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。因为红外线是不可见光，在接上电源时不能直观的知道他是否导通，因此在R5后面节上一个指示灯来判别他是否正常工作。 因此脉搏信号的采集实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过UB的放大而得到的。所采集到的信号为2V左右的电压信号。4.2 滤波部分 按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器。低通滤波器是一种用来传输低频段信号，抑制高频段信号的电路，当信号的频率高于某一特定的截止频率fh时，通过该电路的信号就会被衰减，而频率低于fh的信号则能无阻通过该滤波器。能通过的信号频率范围定义为通带：阻止信号通过的范围定义为阻带，通带与阻带的分界点就是截止频率fh。A0为通带内的电压放大倍数，称为通带电压增益。当输入信号的频率由小到大增加到使滤波器的放大倍数等于0.707A0时，所对应的频率就是截止频率fh。 图4.2为压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。他由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，信号从运放的同相端输入，故滤波器的输入阻抗很大，其输出阻抗很小。运放OP07与R13和R14组成电压控制的电压源，因此称为压控电压源LPF。优点是电路性能较稳定，增益容易调节。A0=Auf+1+Rf/R1 图4.2中同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益A0，即：A（s）=U0(s)/Ui(s)=Auf/1+(3-Auf)sCR+(sCR)2这种滤波器的传递函数为：令w0=1/RC,称为特征角频率：Q=1/（3-Auf），称为等效品质因素；则 A（s）=Auf*w02/(s2+w0*s/Q+w02)=A0*w02/(s2+w0*s/Q+w02)用s=jw代入上式，可得到幅频响应表达式：20lg|A(jw)/Auf| 因此上限截止频率公式为：f h= 1/(2*3.14*R*C)A=U1/U0 放大倍数公式为：低通放大电路原理如图4.2所示： 图4.2 滤波电路 由上面截止频率计算公式，图4.2的截止频率为：fh=1/(2*3.14*R12*C)=1/（6.48*10*103*0.47*10-6)=33.8Hz采集到的信号由J1接入，这个信号中含有几种干扰信号，主要有50Hz的电源信号干扰，所以这部分的主要任务就是把主要干扰滤掉。因此滤波电路的截止频率为33.8Hz，于是对于50Hz的干扰则不能通过滤波电路输出。而放大倍数A=U1/U0，在这个电路U1/U0=R14/R13=235，所以图4.1不仅只是滤波作用，还可以对电压进行放大作用。然而对于50Hz干扰信号来说，16.4Hz已经足够消除他了，对于2uV这样弱的信号来说235倍的放大是远远达不到单片机最小识别高电平（3V）信号的，所以必须还要一个放大电路。可以用个精密的滑动变阻器来代替R13，提高放大倍数。4.3 放大部分由于脉搏传感器阻抗高的特点，可以采用传统的同相放大电路如图4.3所示，由放大电路原理可以知道放大倍数公式为：A=U1/U0=R17/R15因为同相比例运算电路在输入差摸信号的同时伴随着共摸信号输入，因此共摸抑制比成为影响运算误差的重要因素。而在理想运放的情况下的输出电压：U输出= （R17/R15）+1*U输入 所以相对误差公式为：相对误差=（1+1/Kcmr）/（1+1/AodF）-1*100% 所以当开环差摸增益Aod，共摸抑制比Kcmr越大，相对误差的数值就越小。 图4.3 信号经过滤波电路之后，电源50Hz的强干扰信号都已经被滤掉。他从C9的2端输入，而C9则对信号再次过滤，把前面留有的暗电流进一步滤掉。运放OP07、R15与R17组成一个放大倍数可调的主电路。为了防止放大电压高过单片机可以处理的+5V电压，于是只给运放OP07提供5V是供电电压，这样就可以让信号放大超过5V时，也只有5V。经过滤波放大电路之后的信号有高低电平，可以让MCU系统识别了，但还不是很完美的方波，因此在通过一个波形整形电路，把他整成一个完美的方波信号。4.4 555施密特整形电路555构成了施密特电路的基本电路如图4.4.1所示： 施密特电路的工作特点是： 1、有两个稳定状态，但是这两个稳定状态要靠输入信号来维持，而且转换也要靠输入信号的转换来实现2、输出电压和输入电压具有迂回特性，抗干扰能力强。施密特电路的用途是： （1）整形：将不好的矩形波，变为较好的矩形波。（2）波形转换：将三角波、正弦波和其它波形转换为矩形波；转换后的输出波形与输入波形相同。555的内部与外部引脚结构如图4.4.2所示： 555定时器构成施密特触发器的电路图如图4.4-3所示，波形图如图4.4-4所示。施密特触发器的工作原理和多谐振荡器基本一致，原则也基本相同。只不过多谐振荡器是靠电容器的充放电去控制道路状态的翻转，而施密特触发器是靠外加电压信号去控制电路状态的翻转。所以在施密特触发器中，外加信号的高电平必须大于等于2/3V ，低电平则必须小于等于1/3V ，否则电路不能翻转。 由于施密特触发器采用外加信号，所以放电端7脚就空闲了出来。因此整形电路如图4.4.3所示：信号从J1通过，整形后基本是个方波从J2输出，进入到下一个部分。图4.4.34.5 下位机处理部分 下位机单片机部分又分为：单片机复位电路、数码管显示部分电路、无线发送模块部分、以及单片机的晶振和中央处理部分。4.5.1 单片机复位电路 复位电路图如4.5.1所示： 图4.5.1 复位电路有多种，如上电复位，按键复位等，由于VCC（5V电压）是对整个下位单片机部分的供电，因此如果采用上电复位，那么整个模块在复位时就会使整个电路处于开，或者通的两个状态，所以考虑到整个电路的供电问题，采用按键复位 ，这样可以在复位时候，不需要复位的部分还可以继续处于通电状态。复位电路中安装发光二级管的作用是，指示电路是否正常得到供电，也可以用来判断复位电路的按键是否已经按下，即是否复位。RST是接到单片机上的复位键。4.5.2 数码管显示部分电路 按人体最高时候心跳240次/分的要求，数码管最少用到3位，由于考虑到硬件的制作过程，因此选择4位数码管来显示。其原理图如图4.5.2所示 图4.5.2 图4.5.2中，J2是一个4.7K的排阻与单片机的PA与VCC口相连，然后跟数码管相连，数码管是采用共阳的，共阳的数码管因为有较高的电源电压，所以亮度比共阴的亮。用单片机的PC口的PC4-PC7口来做数码关的片选信号接入端。在调试数码管的时候写的程序就必须符合接入管脚的要求，否则数码管就会显示不正常，或者不显示的现象。三级管（8550）则可以选择个人熟悉的来代替。排阻对数码管的作用也是比较大的，如果选择的排阻阻值过低，那么可能因为电路中电流过大，而烧坏数码管，选择的阻值过大而又可能由于输出电流过小而，使数码管显示暗淡，或者不显示。4.5.3 无线发送模块部分 CC1100无线收发模块，他有自己的工作范围，以及引脚电路，所以使用时要特别注意，否则容易被烧坏。前面虽然介绍了他的主要功能、内部结构以及管脚图和使用说明等，但他在电路中实际用到的管脚如图4.5.3.1所示，只用到10个引脚，所以在制作电路的时候要对他合理的封装。图4.5.3.2是无线发送模块在下位机的连接图。 图4.5.3.1 图4.5.3.2 图4.5.3.2的左端电路是无线模块，他的引脚通过J4的那个排针接到单片机的I/O口上，分别对应为PB7-SCK、PB6-SO、PB5-SI、PB3-GDO0、PB2-CSn、PD2（INT0）-GDO2。图中最右端就一个提供给CC1100供电的电路，因为这个芯片所用到的最佳电压为VDD=3.3V，所以采用电阻分压法提供VDD，由电路可以知道：VDD=5*R12/（R11+R12）因此VDD=5*39/（39+20）=3.305V4.5.4 单片机的晶振和中央处理部分 单片机的晶振和中央处理部分电路图如图4.5.4所示：由于ATmega8515的使用晶振范围是0-8MHz，所以在选择晶振的时候必须在其范围内，否则就容易出错。考虑到写程序的时候用到定时器定时，因此选择6MHz的晶振，中央处理部分主要负责处理从PB0进来的方波信号，这个信号是经过前面的555施密特整形电路整成方波之后送给单片机，因为方波有就是我们所知道的矩形波，它的高电平也达到单片机的要求，所以ATmega8515通过程序可以直接处理他，并将处理出来的信号传给CC1100和数码管，让CC1100发送给上位机的接收部分，而数码管则显示1分钟内脉搏跳动的次数。 图4.5.44.6 上位机部分上位机部分包含无线接收模块部分、数码显示部分（数码显示部分原理跟下位机是一样的）、接收数据处理部分、串口部分。整的这部分它完成的主要功能是接收下位机发送过来个数据，并用数码管显示，看是否接收到的数据跟发送的数据比配，通过串口与PC机进行串口通讯，因为CC1100无线模块不能跟PC机直接通讯。下面分开说明每个部分的作用以及对应的原理图。4.6.1 无线接收模块部分 无线接收模块部分与无线发送模块部分连接电路是一样的，不同的是他只是做为一个接收，他们两个和起来才能完成无线传送的功能。他与MCU的接口电路与下位机部分的接口电路基本是一样的，只是两种单片机的I/O口的名字不一样。接收模块部分原理图如图4.6.1所示。 图4.6.14.6.2 接收数据处理部分 接收数据处理部分，其原理图如图4.6.2所示。他由单片机，复位电路已经晶振电路组成，信号经过CC1100接收之后，传给它处理，他主要是负责对进来的信号进行重处理：把接收到的信号放到用数码管显示出来，人为的观察是否与下位机的数据是否一样，不一样则重新发送。在一个是他通过MAX232芯片以及串口接口和串口程序跟PC机进行通信。从而达到整个监测系统的完整行。 图4.6.2 图4.6.3.14.6.3 串口部分 它的原理图如4.6.3.1所示。在图中可以知道只有一个芯片MAX232，这个芯片前面已经介绍，他放在这里的主要作用是，通过单片机的RXD与TXD两个引脚（一个输入，一个输出）经过串口接口与PC口通讯。 串口通讯应用：串行通信是指数据的各位是一位一位得按顺序传送的通讯方式。它的突出优点是只需要一根传输线，甚至可以利用电话线作为传输线，这样就大大降低了传输成本，特别使用于远距离通讯。其缺点是传送速度较低。假如并行传送N位数据所需要的时间为T，那么串行传送的时间至少为NT，而实际上总是大于NT。1、串行通讯的两种基本方式：围绕着当两个设备进行串行通讯时，如何才能保证接受机接受到正确的字符这个问题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式（即通信方式）。异步传送方式在异步传送方式中，字符是按帧格式进行发送的。每帧的格式如图3.1所示。在帧格式中，先是一个起始位“0”，然后是5至8位数据。异步传送方式规定低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（可略）；最后一位是停止位“1”。异步通信的帧格式如图4.6.3.2(a)所示。n-1 第N个字符（一串行帧） n+1 P 10D0D1D2D3D4D5D6D7P10D0 起始位 数 据 位 校验位 停止位 图4.6.3.2（a） 异步通信的帧格式这种传送方式利用每一顿的起、止信号来建立发送与接收之间的同步。其特点是：每一帧内部各位均采用固定的时间间隔，但帧与帧之间的时间间隔是随机的。接收机完全靠每一个帧的起始位与停止位来识别字符传送是正在进行还是已经结束，或是一个新的字符。这也就是“异步”的涵义所在。必须指出，在异步传送时，同步时钟脉冲并不传送到接收方，即双方各用自己的时钟源来控制发送和接收。同步传送方式同步传送方式是一种连续传送的方式，它不必像异步传送方式那样要在每个字符都加上起止位，而是在要传送的数据块前加上同步字符SYN，而且数据没有间隙，如图4.6.3.2（b）所示，使用同步传送方式，可以实现高速度，大容量的数据传送。开始 终止同步字符同步字符数据段CRC字符1CRC字符2图4.6.3.2(b) 串行通讯的同步传送方式在同步传送中，为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要将时