毕业设计（论文）基于zigbee的小区心电监控设计

1、 电气信息学院 毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书 题题 目：目： 基于 zigbee 的小区心电监控设计 专专 业：业： 测控技术与仪器 年年 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 完成日期：完成日期： 基于基于 zigbeezigbee 的小区心电监控设计的小区心电监控设计 摘摘 要要：本文主要介绍一种智能便携心电采集分析仪的设计及关键技术。该仪 器具有体积小、抗干扰能力强、灵敏度高和超低功耗等特点；其主要由数据采集 模块、数据分析处理模块、数据显示和保存模块、zigbee模块、上位机显示、串 口通讯等组成。处理芯片采用stc90le516ad单片机。该系统

2、性能可靠，成本低廉， 抗干扰能力强、体积小、重量轻、携带方便等特点。 关键词：关键词：便携式心电仪；心电信号；zigbee；lcd 显示；sd 卡存储 abstract: this paper describes an intelligent portable ecg acquisition and analysis instrument design and key technologies. the instrument is small, anti- interference ability, high sensitivity and low power consumption, etc

3、; the main by the data acquisition module, data analysis and processing module, data display and save the module, zigbee module, the host computer display, serialcommunications component . processing chip stc90le516ad microcontroller. the system is reliable, low cost, anti-interference ability, smal

4、l size, light weight, portable and convenient. keywords: portable rapid electrocardiograph;ecg;zigbee;lcd display;sd card storage 目目 录录 1 1 前言前言.1 2 2 总体方案设计总体方案设计.2 2.1 方案比较.2 2.2 方案论证与选择.3 3 3 单元模块设计单元模块设计.5 3.1 心电调理电路.5 3.1.1 前置放大电路.7 3.1.2 50hz 陷波电路.8 3.1.3 带通滤波器电路.9 3.1.4 100hz 陷波电路.9 3.1.5 后级放

5、大电路.10 3.2 心电信号数字处理电路设计.11 3.2.1 单片机系统模块设计.11 3.2.2 lcd 显示模块电路.12 3.2.3 sd 卡存储电路.13 3.2.4 子机 zigbee 模块电路.14 3.3 主机监控模块.14 3.3.1 单片机电路.15 3.3.2 rs232 转换电路.15 3.3.3 主机 zigbee 模块.16 3.4 特殊器件的介绍.17 3.4.1 stc90le516ad.17 3.4.2 lm358.18 3.4.3 zigbee 模块.19 4 4 软件设计软件设计.22 4.1 开发环境与语言.22 4.2 程序设计思想.22 4.3 程

6、序设计结构总流程图.23 4.4 主要模块软件设计.23 4.4.1 stc90le516ad 模块软件设计.23 4.4.2 sd 卡存软件设计.24 4.4.3 lcd 液晶显示软件设计.25 4.4.4 串口通讯子程序设计.26 4.4.5 上位机程序设计.27 5 5 调试调试.28 5.1 软件仿真调试.28 5.2 硬件调试.32 5.1.1 心电调理电路调试.32 5.1.2 单片机调试.32 5.1.3 系统整体调试.32 5.3 软件调试.33 6 6 结论结论.34 7 7 总结与体会总结与体会.35 8 8 谢辞（致谢）谢辞（致谢）.36 9 9 参考文献参考文献.37

7、附录附录 1 1：电路原理图：电路原理图.38 附录附录 2 2：设计程序：设计程序.41 附录附录 3 3：外文资料翻译：外文资料翻译.68 1 1 前言前言 心电信号是人体重要的生理信号，再有人体心血管系统的生理和病理信息。目前 心电图仪在医院临床中也已经有了广泛的应用，给医生诊断病症带来很大的帮助。但 随着社会的发展和变化，对医疗诊断也提出了新的要求，不再是单纯的在院诊断和治 疗，现在应急医疗、社区保健作为常规医疗的补充有着更为重要的意义。这些非常规 医疗场所的应急需求兼有经常性和突发性，正是由于这些特征，对于迅捷检测人体常 规生理信号，如心电信号等，提出了新的要求。同时随着计算机技术和

8、数字信号处理 技术发展，生活水平的提高，人们越来越关注自己的体健康，从而产生了许多有关医 疗方面的器械，对心电信号的定量分析工作也取得了很大进展，但是对心电信号的量 化分析需要有大量可靠的数据样本。为此本文介绍一种新的便携式快速心电仪的设计 与实现，解决了难度较大的微弱信号检测，具有广泛的临床应用和医疗价值。便携式 心电监护仪对心电信号进行采集、存储，并用 zigbee 无线技术传送到小区卫生站或医 院，以备专业人员对心电信号进行分析，发现病情，让患者尽早采取措施。 本文所设计的内容包括心电信号的放大与测试和串口电平转换电路。由于要采集 的是微弱的心电信号，所以必须把它放大到 v 级，同时要对

9、心电信号进行滤波。为了 得到比较理想的心电图，为此，设计了一种能安全、有效地采集心电信号电路。该电 路具有 50hz 工频干扰陷波、几种在人体的机电干扰陷波和精密放大、滤波等环节，在 保证了采集过程中病人安全的同时，较好的解决了外界干扰问题，具有采集数据准确 可靠、噪声小、成本低等特点。 串口电平转换电路是为了在不改变系统的任何硬件和软件的基础上，实现心电仪 和卫生站或者医院中的电脑主机之间的串口通讯。电路结构简单，性能稳定，兼容性 强。 2 2 总体方案设计总体方案设计 本设计整体思路本设计整体思路：根据设计要求，本设计主要友两部分组成：主机和子机。子机： 利用导联电极将心电信号采集进行调理

10、处理后，通过单片机的控制输出到 lcd 液晶显 示器显示，并送入 sd 卡进行存储，通过 zigbee 无线模块将心电信号发送 zigbee 网络 中心节点。主机：接收由 zigbee 无线终端节点发送过来的心电信号，送入主机单片机 处理，通过 rs232 电平转换与 pc 机通信，由 pc 机作为上位机，通过 labview 虚拟仪 器程序界面显示心电信号，完成远程监控的目的。主机设计框图如图所示： zigbee 无线模 块 cpu pc 上位机 图 2.1 主机设计框图 2.12.1 方案比较方案比较 主机的设计无可争议，但是关于子机的设计，实现用户的便携式心电仪设计却有 多种思路具体方案

11、比较如下： 方案一：利用导联电极将需要测量的心电信号进行调理处理，然后应用放大器将 电信号放大成所需要量程的电信号，将该电信号传输给a/d转换器，将模拟电信号转换 为数字信号。然后将信号传给单片机，由单片机控制上位机程序界面显示。该系统设 计连有上位机键盘输入，可以手动控制系统。通过串口，将单片机与上位机相连。 导联 电极 模拟 采集 及调 理电 路 a/d 转换 器 cpu zigbee 模块 lcd 显示器 sd 卡存储 图 2.2 方案一框图 方案二：利用导联电极将需要测量的心电信号采集到并做适当放大、陷波等处理 后，再将电信号送给以51为内核的stc90le516ad单片机内部集成的8

12、路10位a/d转换器， 由adc847单片机内部的51单片机内核来控制a/d转换器将模拟信号转换为数字信号。 在单片机内部进行数据处理后，将结果发送到lcd液晶显示器上显示，达到实时监控的 功能，并将结果送入sd卡存储电路进行存储。同时通过控制单片机与zigbee通信将数 据数据结果上发至zigbee网络中心节点接收。 导联电极 lcd 显示器 zigbee 模块 stc90le51 6ad 模拟采集 及调理电 路 sd 卡存储 电路 图 2.3 方案二框图 2.22.2 方案论证与选择方案论证与选择 方案一中由导联电极输出的电信号太微弱，需要经过放大器放大，这样就会产生 工频干扰，影响到测量

13、数据的准确性；由分立元件组成的积分电路和单个模数转换 (adc)芯片。积分电路构成的系统外围电路复杂，对个别元器件要求高，存在功耗大、 可靠性不高、温度性能差的缺点。 方案二中采用新型先进的stc90le516ad单片机芯片，是高速/低功耗/超强扛干扰 的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，蛋速度快8-12倍，内部集成8路高 速10位adc，数据处理速度达250k/s,即25万次/秒，且设计简单，噪声低，非常适用于 精密仪器仪表，无需外接放大电路，可以直接将称信号调理电路输出的低电压输入到 a/d。构成的系统具有高精度、低功耗、高稳定性的特点，且外围电路简单有利于生产 及维护。

14、方案二可以使测量的准确性大大提高。 因此，我们选用方案二作为我们的设计方案。 3 3 单元模块设计单元模块设计 3.13.1 心电调理电路心电调理电路 根据美国心电学会确定的标准，正常心电信号的幅值范围在10uv-4mv之间，典型 值为lmv。心电信号频率较低，去掉直流，主要频率范围是0.05-100hz，而90的ecg 频谱能量集中在o.25-35hz之间。 心电信号的主要特征有以下四个方面： 1微弱性：从人体体表获取的心电信号一般只有10uv-4mv，典型值为lmv。在测 量中，对如此微弱的信号，很难进行直接观测和记录，必须通过放大器进行适当地放 大，再输出给显示或记录装置； 2不稳定性：

15、人体信号处于不停的动态变化之中，由于人体是一个与外界有密切 关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部 的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从一种状念变化到另一种状态，从而使人体 信号发生相应的变化； 3低频性：人体心电信号的频率多集中在0.05-100hz； 4随机性：人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部分，由 于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干扰的变化而变 化，具有一定的随机性。 在采集心电信号的时候，必然受到多种噪声的干扰，主要的干扰形式有以下几种： 1电极噪声：一般为数十mv，有的达数百mv甚至v级，这个电压

16、是一定值，但会 随环境条件而改变，如电极糊剂干燥引起电压的缓慢变化，另外还与使用的频率有关。 2电子器件噪声：在某些生理变量的测量中，被测信号往往非常微弱，所以电子 器件噪声也成为测量的大障碍。这些噪声有电阻器件的热噪声、有源电子器件中的散 粒噪声、晶体管器件的低频噪声及两种不同材料接触时所产生的接触噪声等。 3无线电波及高频设备的干扰：人体大体上可作为导体来考虑，接上电极导线就 会起到收信天线的作用，它接受无线电波以及高频设备来的电磁波。由于放大器特性 的非线性，它可把高频检波并构成了对心电信号的干扰。 4被测生理量以外的人体电现象所引起的噪声在人体上有种种电现象混杂在一起， 当测量某一生理

17、量时，其他的电现象就成为干扰。所以某一生理量有时候是信号，而 在另一场合则成为噪声。在测量心电信号时，肌电信号、脑电信号以及眼电信号等均 为噪声。 5电路实际布线的因素所造成的干扰：仪器装置内部的50hz工频干扰及电源整流 电路的纹波基本上是叠加的，这将导致各通道间和各不同功能板上的交叉干扰。此外， 还有电路的布线不当也会导致测量电路工作的不稳定性。 650hz交流干扰：50hz的交流干扰是由室内的照明及动力设备所引起的干扰，它 是一个主要的干扰源，其频率也处于心电信号的频带范围内，所以提高对50hz的抗干 扰能力，是心电信号检测和处理的重要部分。 因此，想要采集到良好的心电信号，必须有效地抑

18、制各种干扰。 心电调理电路的主要作用是将心电信号高保真放大，以便进行进一步的记录或处 理，信号调理电路一般包括放大和去除干扰两部分。上面介绍了心电信号的特征以及 在心电采集时可能存在的干扰，因此，对心电信号的调理电路的设计总体上有以下几 点要求： 1设计合理的导联系统，选择合适的传感器，最大限度地降低电极噪声； 2设计合理的有源滤波器，能够进行o.05-100hz的带通滤波以及50hz陷波； 3实现800-1000倍的信号放大，其中前置放大器应该具有高输入阻抗、高共模抑 制比cmrr、低噪声以及宽的线性工作范围等特点； 4实现信号的电压抬升，使提升后的电压范围满足ad转换芯片的输入要求。 早期

19、的心电图前置放大电路的主要方法有： 1)场效应管差动式放大器； 2)电子管串接型前置放大器； 3)混合式串接型前置放大器，即将晶体三极管和场效应管组成串接型差动式放大 器作为前置放大器。 随着电子技术的发展，能满足心电信号前置放大器技术要求的电路很多，本设计 中的心电调理电路采用差动放大电路和仪表运算放大器配合使用，可以达到同相输入、 对称放大、输入阻抗高、共模抑制比高的特点。 由于存在高频电磁波干扰和50hz市电干扰，为了提高心电信号的质量，使用二阶 低通滤波电路滤除了100hz以上频率的干扰信号，使用高通滤波电路滤除了0.05hz以下 的低频信号，同时使用50hz陷波器进行滤波。 在完成对

20、系统的硬件电路模块划分的基础上，重点对便携式心电仪所选用的芯片、 电路的组成结构及其组成原理进行了叙述。整体系统的硬件结构框图3-1所示： 导联电极 带通滤波电 路 后置放大电路 50hz 陷 波电路 100hz 陷 波电路 前置放 大电路 50hz 陷波电 路 输出 图3.1 心电信号调理电路硬件结构 3.1.13.1.1 前置放大电路前置放大电路 3 2 1 411 u1a tl 0843 2 1 84 u4a lm358 5 6 7 u1b tl 084 10 9 8 u1c tl 084 c91 0.01u r86 1m r7 10k r4 10k r8 10k r3 5.2k r1

21、18k r2 18k r63 r1 r9 10k r5 10k r6 10k r62 r1 c49 10u c50 10u c47 10u c48 10u c57 104 c58 104 c55 104 c56 104 vcc vcc vdd vdd 1 2 j12 con2 c77 0.47 c78 0.47 1 2 j13 con2 1 2 j17 con2 一一一一 一一一一10一 图 3.2 前置放大电路 前置放大具体电路如上图所示。前文已经提及，心电检测主要是对人体产生的毫 伏级甚至是微伏级的信号进行检测，但是其外界噪声背景却较强，通常都会有价值的 心电信号强几个数量级，故一级放大1

22、000倍甚至更高的倍数是不现实的，而且考虑到 心电信号比较微弱，若前置级放大倍数过大，噪声也会被放大，这样对后期心电信号 的处理带来不便，所以必须采用多级放大的形式，所以其测试条件比较复杂。为不是 真的检测出具有临床价值的干净的心电信号，这就要求心电采集系统具备高精度、高 稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。前置放大电路 成为心电数据采集的关键环节。本设计采用lm358双运算放大器作为内部频率补偿元件， 与外围器件组合形成浮置反馈后，送入由tl084组成的前置放大电路，前置放大10倍。 由于采集到的心电信号包括各种干扰信号，故前置放大倍数不能太大，以免将干扰信 号放大

23、至不可控制。 3.1.23.1.2 50hz50hz 陷波电路陷波电路 12 13 14 u1d tl 084 1 2 j14 con2 1 2 j15 con2 c60 104 c62 104 c59 104 c64 104 c61 104 c66 104 c63 104 c65 104 r64 r1 r79 786 r65 r1 r66 r1 r87 320k r10 r1 r78 786 r59 r1 50hz一一 图 3.3 50hz 陷波电路 50hz的交流干扰是由室内的照明及动力设备所引起的干扰，它是一个主要的干扰 源，其频率也处于心电信号的频带范围内，所以提高对50hz的抗干扰能

24、力，是心电信 号检测和处理的重要部分。 在心电信号经过前置级放大电路放大后，然后需要将放大后的信号进行滤波，因 为经过分析知道，所设计的电路需要完成的主要任务是要将采集到的心电信号中的 50hz干扰信号进行滤除，因此所选滤波电路为带通滤波电路，如果从输入信号中减去 带通滤波电路汇总处理过的信号，为了去除人体或测试系统中产生的工频50hz干扰， 需要使用陷波器进行滤波处理，对50hz的工频干扰进行抑制，最后通过主放大器将心 电信号进一步放大，便于后面波形的显示。 3.1.33.1.3 带通滤波器电路带通滤波器电路 3 2 1 411 u2a tl 084 1 2 j15 con2 1 2 j16

25、 con2 r90 6.8m r60 r1 r84 7.87k r61 r1 r85 14.7k c79 0.47u c80 104 c81 104 c83 104 c84 104 c51 10u c52 10u vcc vdd c82 104 1 r? r1 图 3.4 带通滤波电路 由于心电信号的频率范围在o.05-100hz以内，而90的ecg频谱能量集中在o.25- 35hz之间，低于0.05hz和高于100hz的信号均被视为噪声干扰。为了消除电磁场、肌电 干扰等对心电信号的干扰，采用带通滤波器进行滤波处理，滤波的下限设为0.05hz， 上限设为100hz。本设计中所采用的是截止频率为

26、o.05hz的和截止频率为100hz组成的 带通滤波器，以滤除这一频率范围外的噪声干扰。 3.1.43.1.4 100hz100hz 陷波电路陷波电路 5 6 7 u2b tl 084 1 2 j19 con2 c86 104 c88 104 c90 104 c89 104 r67 r1 r80 786 r68 r1 r88 320k r70 r1 r69 r1 r81 786 r71 r1 1 100hz一一 图 3.5 100hz 陷波电路 3.1.53.1.5 后级放大电路后级放大电路 10 9 8 u2c tl 084 12 13 14 u2d tl 084 1 2 j19 con2

27、r93 100k r92 1k 1 2 j20 con2 一一一一100一 r72 r1 图 3.6 后级放大电路 3.23.2 心电信号数字处理电路设计心电信号数字处理电路设计 3.2.13.2.1 单片机系统模块设计单片机系统模块设计 c5 30p c6 30p x1 cy1 x1 x2 一一一一 c2 10u vcc k1 key4 r4 10k rst 一一一一 x1 15 x2 14 p3.7/rd 13 p3.6/wr 12 p3.2/int0 8 p3.3/int1 9 p3.4/t0/int/clock 0 10 p3.5/t1/int/clock 1 11 p1.0/clo

28、ck2 40 p1.1 41 p1.2 42 p1.3 43 p1.4 44 p1.5 1 p1.6/int/rxd 2 p1.7/txd 3 p0.0 37 p0.1 36 p0.2 35 p0.3 34 p0.4 33 p0.5 32 p0.6 31 p0.7 30 p2.0 18 p2.1 19 p2.2 20 p2.3 21 p2.4 22 p2.5 23 p2.6 24 p2.7 25 p3.1/txd 7 p3.0/int /rx d 5 vcc 38 gnd 16 p4.0 17 p4.1 28 p4.2 39 p4.3 6 na/p4.4 26 ale /p4.5 27 na/

29、p4.6 29 rst /p4.7 4 ic1 st c90le 516ad 1 2 3 j7 con3 rxd txd 一一一一 x1 x2 vcc lcd-rst p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 r2 r1 r3 r1 vcc 一一一一 p20 p21 adc0 p22 p23 adc0 p24 p25 p26 rxd p27 txd 1 2 j4 con2 c1 104 r1 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 j1 con11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 j2 con11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1

30、1 j5 con11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 j6 con11 sd-di sd-do sd-clk rst rxd 6 txd 8 9 10 11 12 13 x2 x1 gnd 17 vcc 39 adc0 43 sd-cs p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 gnd sd-cs sd-clk sd-di sd-do lcd-wr lcd-wr lcd-rd lcd-rdlcd-cs lcd-cs lcd-rs lcd-rs sd-insert sd-insert sd-wp

31、 sd-wp 8 9 10 11 12 13 43 17 39 6 图3.7 stc90le516ad系统模块电路图 在单片机系统电路中，包括了复位电路、时钟电路。本便携式心电监护仪要求选 用低功耗单片机。在程序的编制优化后还是超过了 2kb 的运行空间，需要大容量 ram 来满足要求，由此，选用了宏晶 stc90le 系列单片机中的 stc90le516ad。stc90le516ad 可通过一个片内锁存环 pll 产生一个 12.58mhz 的高频时 钟，以使之运行于 32khz 外部晶振。该时钟可通过一个从 mcu 核心时钟工作频率分离 的可编程时钟发送。片内微控制器是一个优化的单指令周期

32、 8052 闪存 mcu。该 mcu 在 保持与 8051 指令系统兼容的同时，具有 12.58mips 的性能。 3.2.23.2.2 lcdlcd 显示模块电路显示模块电路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 j3 con30 c4 104 r9 1k vcc y+ y- x+ x- vcc lcd- rd lcd- w r lcd- rs t lcd- cs lcd- rs p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p20 p21 p22 p

33、23 p24 p25 p26 p27 lcd一一一一 图 3.8 lcd 液晶显示电路 为提供友好的人机界面，增强监护功能，本监护仪采用了液晶显示器显示菜单和 心电波形。本设计采用 2.4 寸 tft 点阵液晶显示模块，分辨率为 320240，实时显示颜 色能力 262,144，驱动芯片为：is2102b，抖动图像处理实施提供 16.7 万色显示质量，具备高 速 ram 突发写入功能，并提供单片机接口、控制器接口，带中文字库版等多种接口方式，及 蓝底白字和白底黑字两种显示效果可选，供电电压：3.3v。本电路主要用于接收由子机单片机 处理过的心电信号，并显示。配合专门开发的人机界面，方便用户对实

34、时采集到的心电图或存 储的历史记录进行查询和浏览。 3.2.33.2.3 sdsd 卡存储电路卡存储电路 sd-cs sd-di sd-clk sd-do dat2 1 dat3/cs 2 cm d/di 3 vss1 4 clk 6 vss2 7 dat0/do 8 vdd 5 dat1/irq 9 card_insert 10 card_wp 11 gnd 12 gnd 13 gnd 14 gnd 15 sd vcc vcc sd一一一 sd-wp sd-insert r5 10k r6 10k r7 10k r8 10k r11100 r12100 r13 10k r14 10k c3

35、104 图 3.9 sd 卡存储电路 心电仪存储心电信息 24 小时需要的存储空间大概为 33m，因此，需要一款大容量 存储芯片。设计中采用的闪存卡是 kingston micro sd/tf 卡（4gb），kingston micro sd/tf 卡（4gb）是金士顿公司生产的 4gflash 存储器。该存储器的工作电压为 2.73.6v，8 位 io 端口采用地址、数据和命令复用的方法，如此既可减少引脚数， 又可使接口电路简洁，并带有写保护开关，用以保护卡内数据安全。片内的写控制器 能自动执行写操作和擦除功能，包括必要的脉冲产生，内部校验等，完全不用外部微 控制器考虑，简化了器件的编程控制

36、难度。 sd 卡引脚功能详述： sd 模式spi 模式引脚 编号名称类型描述名称类型描述 1cd/dat3io 或 pp卡检测/ 数据线3 #csi片选 2cmdpp命令/ 回应 dii数据输入 3vss1s电源地vsss电源地 4vdds电源vdds电源 5clki时钟sclki时钟 6vss2s电源地vss2s电源地 7dat0io 或 pp数据线0doo 或 pp数据输出 8dat1io 或 pp数据线1rsv 9dat2io 或 pp数据线2rsv 注：s：电源供给 i：输入 o：采用推拉驱动的输出 3.2.43.2.4 子机子机 zigbeezigbee 模块电路模块电路 zigbe

37、e一一 rxd txd rxd txd 图 3.10 zigbee 模块电路 子机 zigbee 模块电路与子单片机电路串口相连，主要完成将模拟采集电路获得的 信号经子单片机模数转换并处理后，通过此模块电路及 zigbee 无线协议，远程传送给 主机接收，以便送入 pc 机进行上位机显示观察。 3.33.3 主机监控模块主机监控模块 主机模块主要完成的功能是接收由 zigbee 无线终端节点发送过来的心电信号，送 入主机单片机处理，通过 rs232 电平转换与 pc 机通信，由 pc 机作为上位机，通过 labview 虚拟仪器程序界面显示心电信号，完成远程监控的目的。 3.3.13.3.1

38、单片机电路单片机电路 x1 15 x2 14 p3.7/rd 13 p3.6/wr 12 p3.2/int0 8 p3.3/int1 9 p3.4/t0/int/clock0 10 p3.5/t1/int/clock1 11 p1.0/clo ck2 40 p1.1 41 p1.2 42 p1.3 43 p1.4 44 p1.5 1 p1.6/int/rxd 2 p1.7/txd 3 p0.0 37 p0.1 36 p0.2 35 p0.3 34 p0.4 33 p0.5 32 p0.6 31 p0.7 30 p2.0 18 p2.1 19 p2.2 20 p2.3 21 p2.4 22 p2

39、.5 23 p2.6 24 p2.7 25 p3.1/txd 7 p3.0/int /rx d 5 vcc 38 gnd 16 p4.0 17 p4.1 28 p4.2 39 p4.3 6 na/p4.4 26 ale /p4.5 27 na/p4.6 29 rst /p4.7 4 ic1 st c90le 516ad x1 x2 vcc rxd txd gnd c5 30p c6 30p x1 cy1 x1 x2 一一一一 c2 10u vcc k1 key4 r4 10k rst 一一一一 d1 le d1 r10 220 vcc 一一一一一 txd0 rxd0 一一一一一一一 图 3.1

40、1 主机单片机电路 主机单片机电路由晶振电路、复位电路组成。主要完成接收由子机 zigbee 模块上 发至主机的信号，通过串口通讯实现主控单片机与 pc 机通信。 3.3.23.3.2 rs232rs232 转换电路转换电路 r1 in 13 r2 in 8 t1 in 11 t2 in 10 v+ 2 v- 6 r1 out 12 r2 out 9 t1 out 14 t2 out 7 c1+ 1 c1 - 3 c2+ 4 c2 - 5 u1 max232 c8 104 c7 104 c5 104 c6 104 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j6 rs232b rxd txd vcc

41、rs232一一一一一一 图 3.12 rs232 转换电路 rs-232-c 是美国电子工业协会 eia（electronic industry association）制定的 一种串行物理接口标准。rs 是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号，c 表示修改次 数。rs-232-c 总线标准设有 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。 eia-rs-232c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在 txd 和 rxd 上： 逻辑 1(mark)=-3v-15v 逻辑 0(space)=+3+15v 在 rts、cts、dsr、dtr 和 dcd 等控制线上： 信号有效

42、（接通，on 状态，正电压）+3v+15v 信号无效（断开，off 状态，负电压)=-3v-15v 以上规定说明了 rs-232c 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑 “1”（传号）的电平低于-3v，逻辑“0”（空号）的电平高于+3v；对于控制信号； 接通状态（on）即信号有效的电平高于+3v，断开状态(off)即信号无效的电平低于- 3v，也就是当传输电平的绝对值大于 3v 时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3v 之间的电压无意义，低于-15v 或高于+15v 的电压也认为无意义，因此，实际工作时， 应保证电平在(315)v 之间。 eia rs-232c 与 ttl 转换：

43、eia rs-232c 是用正负电压来表示逻辑状态，与 ttl 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的 ttl 器 件连接，必须在 eia rs-232c 与 ttl 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种 变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换 器件，如 mc1488、sn75150 芯片可完成 ttl 电平到 eia 电平的转换，而 mc1489、sn75154 可实现 eia 电平到 ttl 电平的转换。max232 芯片可完成 ttleia 双向电平转换。 3.3.33.3.3 主机主机 zigbeezigbee 模

44、块模块 zigbee一一 rxd txd txd0 rxd0 zigbee一一一一 图 3.13 zigbee 模块电路 主机 zigbee 模块电路与主控单片机电路串口相连，主要完成接收通过子机 zigbee 模块电路及 zigbee 无线协议远程发送来的数字信号，由主控单片机经 rs232 电平转换 电路与 pc 通信，将采集到的数字信号送入 pc 机进行上位机显示观察。 3.43.4 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 3.4.13.4.1 stc90le516adstc90le516ad stc190le系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1t)的单片机，是高速/ 低功耗/超强抗干扰

45、的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍。内部集成max810专用复位电路,2路pwm,8路高速10位a/d转换(250k/s，即25万次/ 秒),针 对电机控制，强干扰场合。 1. 增强型 8051cpu，1t，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 2. 工作电压： stc90le516ad系列工作电压：5.5v - 3.3v（5v单片机） stc12le5a60s2 系列工作电压：3.6v - 2.2v（3v单片机） 3. 工作频率范围：035mhz，相当于普通8051的0420mhz 4. 用户应用程序空间 8k /16k / 20k / 32

46、k / 40k / 48k / 52k / 60k / 62k 字节. 5. 片上集成4.2k字节 ram 6. 通用i/o口（36/40/44个） ，复位后为： 准双向口/弱上拉（普通8051传统i/o 口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏强 推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个i/o口驱动能力均可达到20ma，但整个芯片最 大不要超过120ma 7. isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真 器可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8. 有eeprom功能(stc12c5a62s2

47、/ad/pwm无内部eeprom) 9. 看门狗 10.内部集成max810专用复位电路（外部晶体12m以下时，复位脚可直接1k电阻到 地） 11.外部掉电检测电路: 在p4.6口有一个低压门槛比较器 5v单片机为1.32v，误差为5%,3.3v单片机为1.30v，误差为3% 12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部r/c振荡器(温漂为5%到10%以内)用 户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部 r/c 振荡器频率为：5.0v单片机为： 11mhz15.5mhz 3.3v单片机为：8mhz 12mhz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和

48、温漂，以实际测试 为准 13.共4 个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器t0和t1， 没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路pca模块 可再实现2个16位定时器 14.2个时钟输出口，可由t0的溢出在p3.4/t0输出时钟，可由t1的溢出在p3.5/t1 输出时钟 15.外部中断i/o口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中 断的pca模块，power down模式可由外部中断唤醒， int0/p3.2,int1/p3.3,t0/p3.4,t1/p3.5,rxd/p3.0,ccp0/p1.3(也可通过寄存器设置到

49、 p4.2), ccp1/p1.4(也可通过寄存器设置到p4.3) 16.pwm(2路）/pca（可编程计数器阵列,2路） - 也可用来当2路d/a使用 - 也可用来再实现2个定时器 - 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时 支持) 17.a/d 转换,10位精度adc，共8路，转换速度可达250k/s(每秒钟25万次) 18.通用全双工异步串行口(uart)，由于stc12系列是高速的8051，可再用定时器 或pca软件实，可再用定时器或pca软件实可再用定时器或pca软件实现多串口 19.stc12c5a60s2系列有双串口，后缀有s2标志的才有双串口，rxd2

50、/p1.2(可通过 寄存器设置 到p4.2)，txd2/p1.3(可通过寄存器设置到p4.3) 20.工作温度范围：-40 - +85(工业级)/0-75(商业级) 21.封装：lqfp-48, lqfp-44, pdip-40, plcc-44, qfn-40 i/o 口不够时，可用2 到3根普通i/o口线外接74hc164/165/595（均可级联）来扩展i/o口, 还可用a/d 做按 键扫描来节省i/o口，或用双cpu,三线通信，还多了串口。 3.4.23.4.2 lm358lm358 lm358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于 电源电压范围很宽的单电源

51、使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有 可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 lm358 的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 特性(features): 内部频率补偿 直流电压增益高(约100db) 单位增益频带宽(约1mhz) 电源电压范围宽：单电源(330v)； 双电源(1.5 一15v) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0 至vcc-1.5v) 3.4.33.4.3 zigb

52、eezigbee 模块模块 zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本的双向无线通 信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“homerf lite”或“firefly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准， 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接 力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率 非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如wimax 收集。 zigbee的基础是ieee802.15.4这是ieee无线个人区域网(perso

53、nal area network，pan)工作组的一项标准，被称作ieee802.15.4(zigbee)技术标准。 zigbee技术的特点： 1 功耗低 工作模式情况下,zigbee技术传输速率低,传输数据量很小,因此信号的收发时间很 短;在非工作模式时,zigbee节点处于休眠模式设备搜索时延一般为30ms,休眠激活时延 为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。由于工作的时间较短、收发的信息功耗较低且 采用了休眠模式,使得zigbee节点非常省电,zigbee节点的电池工作时间可以长达6个月 到2年左右。 2 数据传输可靠 zigbee的媒体接入控制层(mac层)采用talk-when

54、-ready的碰撞避免机制在这种完 全确认的数据传输机制下, 当有数据传送需求时则立刻传送, 发送的每个数据包都必 须等待接收方的确认信息, 并进行确认信息回复, 若没有得到确认信息的回复就表示 发生了碰撞,将再传一次,采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。 3 网络容量大 zigbee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件zigbee定 义了两种器件:全功能器件(ffd)和简化功能器件(rfd)。对全功能器件,要求它支持所 有的49个基本参数。 4 兼容性 zigbee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(coordinator)自动 建立网络,采用载波侦听

55、/冲突检测(csma-ca)方式进行信道接入。 5 安全性 zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,在数据传输中提供了三级安全性。第 一级实际是无安全方式,对于某种应用,如果安全并不重要或者上层已经提供足够 的安全保护, 器件就可以选择这种方式来转移数据。 zigbee网络结构主要包括协调器、路由器和终端网络节点. 协调器是一种特殊的 全功能设备( ffd ) , 它可以完成zigbee协议所设置的大量任务. 网络中的路由器必 须由ffd构成, 而终端网络节点可能是ffd, 也可能是精简功能设备( rfd ). rfd 是一 个小的、简单的zigbee 协议节点, 仅可以与ffd 进行通信

56、, 实现zigbee协议所提供服 务中的最小部分. zigbee的网络拓扑结构有星型网络、簇状型网络和网状型网络, 如 图所示. 图 3.14 zigbee 网络拓扑结构 与普通rf技术比： 蓝牙技术复杂度高。因为蓝牙的传输量较大，往往几百kbps，而nordic的在 100kbps以内。因此蓝牙硬件设计、软件及其协议编程不但复杂而且昂贵。 蓝牙成本高，我们rf芯片较之便宜得多。因此普通rf可实用、经济地实现无线 通信。 蓝牙很少有实用的例子，而我们2.4g无线技术已经投入实用了，如2001新款奔 驰轿车的安全系统就采用了我们2.4g无线技术。 4 4 软件设计软件设计 4.14.1 开发环境

57、与语言开发环境与语言 设计使用的开发软件为keil编程环境软件以及上位机所用labview编程开发软件。 keil软件是目前最流行开发mcs-51系列单片机的软件。keil提供了包括c编译器、宏汇 编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个 集成开发环境（uvision）将这些部份组合在一起。labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛 地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 本设计下位机程序采用的是使用最广泛

58、的c51语言进行程序设计。c51语言是一种 结构化语言。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试、维护和移植。c51 语言的表现能力和处理能力极强，能完成较大或较复杂工程的编写。上位机程序采用 labview编程，labview集成了与满足gpib、vxi、rs-232 和 rs-485 协议的硬件及数 据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、activex 等软件标准的库函 数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图 形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “g” 语言。 使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，

59、取而代之的是流程图或框图。它尽可能 利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个 面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现 仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器 系统时，可以大大提高工作效率。 利用 labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。 4.24.2 程序设计思想程序设计思想 本设计主要功能是对心电信号进行采集，同时控制信号显示、存储和传送。因此 在编程中主要涉及三个模块：lcd液晶显示模块、stc90le516ad模块、sd卡模块、上位 机

60、显示模块和串口通讯模块。由单片机控制a/d进行数据采集后送入单片机内进行处理， 扫描控制按键得到相应的控制信号，再将采集的数据在相应的控制信号实现液晶显示、 sd卡存储、zigbee上发。 4.34.3 程序设计结构总流程图程序设计结构总流程图 初 始 化 adc、tft、sd 卡 初 始 化 infat 系统 采集心电信号 sd 卡存储 tft 液晶显示 启动 zigbee 读取 sd 卡数据 zigbee 上发数据 图 4.1 程序设计流程图 程序设计结构主要包括：程序初始化模块、扫描模块、数据采集模块、显示程序 模块和串口通讯模块。初始化程序对定时器 t0，t1 的方式控制寄存器等进行初