呼吸监测设计

1、亠、八0 前言在科学技术高度发展的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代，人们在从事工 业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处 于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生 产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的原始信息，都要通过传感器转换为容 易传输与处理的电信号。同时由于科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术，计算机 技术及信息处理技术的发展，人们对住处资源的需要日益增长，作为提供信息的传感器技 术及传感器愈来愈引起人们的重视，而各种先进技术的传感器技术了也进入了一个飞速发 展的阶段。 1同时由于工业化的

2、影响使得空气污染越来越严重，肺方面的疾病也有增加的趋势，呼 吸疾病是威胁人类健康的主要疾病之一 ,早期诊断和治疗是预防呼吸疾病的有效途径 ,而呼 吸监护仪在其中发挥着至关重要的作用。然而以往由于呼吸监测措施的缺乏和不成熟，不 能准确地反映出呼吸通道的流量、 压力和人（主要是病人） 的呼吸的气体容积等生理参数， 不能为临床提供丰富的参考数据，从而容易给病人带来气压力、容积伤、循环紊乱及肺膨 胀不全等不良作用。购买国外提供提供呼吸参数监测功能的监护仪则价格昂贵。所以呼吸 监护仪的作用也日益突出，研究新的呼吸监护仪是一个新的课题。基于这种情况，将传感 器技术和呼吸监护仪结合在一起也是一种趋势。而本文

3、所研究的正是这种技术。本文所介绍的新型呼吸监测仪与传统的呼吸监护仪只能测量一个呼吸参数不同，本系 统可同时测量多个呼吸参数，同时在传感器中应用单片机技术，单片机的可编程性使得其 适应性、灵活性大大增强。它使用方便，只需将人（主要是病人）的气道对准流量传感器， 而流量传感器将感受到的信号经过一系列的处理，最后通过显示屏显示出来。 21系统总体设计1.1方案比较方案一：压力传感器检测压力传感器也称为应变式传感器。呼吸运动时，随着呼气和吸气的周期性变换，呼吸 管道以及胸腹部都会产生周期性的形变。压力传感器就是从这个现象出发的，设法感受呼 吸时呼吸管道和胸腹部的这种周期性形变，以此测定呼吸频率。压电式

4、传感器的输出信号非常微弱，一般需要将电信号放大后才能检测出来。按照压 力传感器的工作原理，传感器输出的是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种形 式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压成正比，这种放大器通常称作阻抗变换器 另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。由于单单使用压力传感器只能检测呼吸参量中的某个量，而不能同时检测到丰富的参 考数据，所以单单使用压力传感器是不可取的。1.1.2 方案二 :温度传感器检测呼吸实质上是人体内外环境之间的交换，正常人的呼吸是由呼吸中枢支配呼吸肌有节 奏地张弛，造成肺内压和大气压之间的压力差，此压力差在克服了肺通气阻力之后，方能 实现气体交

5、换。 而此气体通过鼻腔与外界气体进行交换时， 必然会引起鼻腔内温度的变化。 实验证明，在气道管径不变的条件下，温度的变化量（何）与气体流速的变化量（/）线性相关。利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的产业化转化为电量的 变化，这就是温度传感器。常用的温度传感器有热敏电阻、 PN 结、热电偶、石英晶体、 红外热探测器和液晶测温膜等。因呼吸气流的温度变化不大（C2 C）,故可选用热电阻式传感器对呼吸温度进行采样。半导体热敏电阻分为三类，即负温度系数（NTC）型、正温度系数（PTC）型和单晶掺杂的半导体型。它们的阻值与温度的变化关系有关，温度 系数为正，表示电阻值随温度的升高而增大

6、，温度系数为负，则反之亦然。如果在这些传 感器装在呼吸管道上，则在呼、吸气时产生的温度变化会引起传感器的电量的变化。一般 系统主要由温度传感器、前置直流放大器、基线稳定电路、低频放大器、 Smith 触发器、 A/D转换器、数字信号处理电路、CRT显示等部分组成。系统框图如图1-1所示。温度传 感器中的传感元件采用灵敏度很高的 NTC 型球状热敏电阻， 其时间常数 t<0 。 5ms ，在使 用范围内呈良好的线性。温度传感器桥路电阻选用了严格配对的 NTC 热敏电阻及精密调 零电位器，以消除环境温度变化造成的桥路失衡。前置直流放大器是由多级运放构成的高 灵敏度、高增益、高信噪比的放大电路

7、。如睡眠监护仪通常将传感器安放在夹子的平直片 前端外测，使用时将热敏电阻置入鼻孔， 通过感测温度的变化来检测是否呼吸和呼吸频率。图1-1温度传感器系统框图Fig1-1 The temperature sen sor system diagram以往的呼吸监测护仪的传感器一般都采用热敏法，虽然用热敏法有很多的优点，但是 由于它只能监测到是否有呼吸和呼吸频率，所以显然不能满足现在人们的需求，所以现在 的呼吸监护仪一般都不采用这个检测方法了。方案三:阻抗法测量阻抗法是利用人体某部分阻抗的变化来进行某些参数的测量，以帮助监护及诊断。测量的关键在于电极系统的选择，在低频段一般采用电桥法、双电极法、四电极

8、法和四环电 极法。但在呼吸测量方面，阻抗技术发展较慢。虽然国外学者早就研究出胸阻抗变化与呼 吸活动有直接关系图，但是由于心动、血流等低频信号的干扰，给检测呼吸波形带来很大 困难，使得利用阻抗法检测呼吸信号尚未得到广泛应用。方案四:新型呼吸监测法新型呼吸监测法主要由流量传感器、气路连接管路、压力传感器、压差放大器、模数转换电路和单片机系统等组成。呼吸监护仪在使用时，将流量传感器接在呼吸机和病人的呼吸道是。当呼吸气流通过流量传感器时，其内部的限流孔会感应到一个压力差。这个压力差经气路连接管传递给压力传感器一测量，最终用于计算呼吸气道中的流量。压力传感器二用于测量病人呼吸气道中的压力。输出的两路压力

9、信号经过放大滤波和模数转换后得到数字化的气路状态信息，再进一步通过相应的算法和波形特征识别出有关参数和曲线。 这些参数和曲线将是构成评价气路状态的客观指标。通过上述的比较，可以发现在一个呼吸监测系统中如果单单使用一个传感器是不能满 足系统的要求同时测量多个参数的。所以我们在这个设计中，充分考虑到这点，同时通过 对呼吸力学的研究，我们发现只要一个系统能同时检测到呼吸力学中的最基本的三个量： 流量、压力和时间，就能通过这三个基本物理量计算得到十多个呼吸的基本量，如呼吸频 率、吸气呼气时间比、峰值流量等。而本文所用的系统恰能检测到这三个参量。所以我们 选用方案四来做。 31.2 医学常识潮气量：每次

10、吸气吸进的氧气量，范围为 1001000ml/次；每分钟的通气量：每分钟吸入的氧气量，范围为420L/min ;正常情况下，潮气量（VT）和每分钟通气量（VE）因性别、年龄和体表面积不同而 有差异，男性VT约为7。8ml/kg，女性为6。6ml/kg ，VE为57L/min。呼吸抑制（如 麻醉、镇痛药、肌松药等）和呼吸衰竭时 VT 减少，手术刺激和 PaCO2 升高时， VT 增加。 如潮气量减少，频率相应增加（VE=VT Xf），若超过2530bpm ，则提示呼吸机械运动已 不能满足机体需要，并且可导致呼吸肌疲劳。机械通气时，成人 VT 需要 810ml/kg ，小 儿为1012ml/kg

11、，可根据PaCO2或呼气末CO2分压（PETCO2）进行调节，VT过大时，使气道压力升高，影响循环功能。 VE>10L/mi n，不能撤离呼吸机。呼吸频率：每分钟吸气或呼气的次数，一般在 1530/次/min，允许误差：土 15% ;呼吸比：吸气时间与呼气时间的比值，一般为1 : 2 ;吸气时间：每次吸气气用的时间，单位为 s;41.3新型呼吸监测仪系统总框图G320240E图1-2新型呼吸监测仪的系统框图'system block diagramFig1-2 The new breath ing mon itor1.4智能传感器呼吸监测仪工作原理本呼吸监护仪主要由流量传感器、气

12、路连接管路、压力传感器、压差放大器、模数转换电路和单片机系统等组成。呼吸监护仪在使用时，将流量传感器接在呼吸机和病人的呼 吸道两端。当呼吸气流通过流量传感器时，其内部的限流孔会感应到一个压力差。这个压 力差经气路连接管传递给压力传感器一测量，最终用于计算呼吸气道中的流量。压力传感 器二用于测量病人呼吸气道中的压力。输出的两路压力信号经过放大滤波和模数转换后得 到数字化的气路状态信息，再进一步通过相应的算法和波形特征识别出有关参数和曲线。 这些参数和曲线将是构成评价气路状态的客观指标。 52 硬件设计2.1 传感器相关理论本论文是智能传感器技术在呼吸监护仪中的应用，所以在设计中我们不得不提到相关

13、的传感器，在这之前，我们先介绍一下传感器的基本知识。2.1.1 传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。通常有敏感元件和转换元件组成。其中，终身敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的组成和分类传感器由敏感元件和转换元件组成，需要有信号调节和转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，其组成框图如图2-1所示信号调理转换电路辅助电源图2-1传感器组成方块图Fig 2-1 Sen sor comp onent block diagram传感器的类型根据不同折分

14、类方法可以分为很多种，具体的类型如表2-1所示:表2-1传感器的分类Tablet 2-1 The classification of sensor分类方法传感器的种类说明按输入量分位移传感器、速度传感器、温传感器以被测物理量命名 度传感器、压力传感器等应变式、电容式、电感式、压按工作原理分电式、热电式、压阻式、压力传感器以工作原理命名式等传感器依赖其结构参数变化结构型传感器实现信息转换按物理关系分物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换传感器直接将被测量的能量能量转换性传感器转换为输出量的能量按能量关系分能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量模拟式传

15、感器输出为模拟量按输出信号分数字式传感器输出为数字量传感器的静态和动态特性1) 传感器的静态特性传感器在稳态信号的作用下，其输出一输入关系称为静态特性。衡量传感器的静态的 重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。线性度：表示的是传感器的输出与输入之间的线性程度。其理想的输出和输入是线性 的，但实际上许多传感器的输出输入特性是非线性的，一般用下列多项式表示：123na3y= ao+ aix + a2x a3x anx其中，y是输出量，x是输入量，a0是零位输出，ai是传感器线性灵敏度，a2,待定常数Sn表示，即灵敏度：表示传感器在稳态下输出输入变化的比值，用c 输出量的变化 d y Sn输入量的

16、变化 dX对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即Sn非线性的传感器灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏高，在满量程的范围内是恒定的，即传感器的 输出一输入特性为直线。迟滞性：表明传感器在正反行程期间输出输入特性曲线不重合的程度。也就是说，对 应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，这就是迟滞现象。产 生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷。迟滞大小一般要由实验方法确定，用最大输出差值 max对满量程输出y的百分比表 示eimax100%max2y100%重复性：表示传感器的输入量按同一方向做全量程多次测试时所得特性曲线不一致性 程度。多次重复测

17、试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的， 与产生迟滞现象有相同的原因。不重复性指标一般采用最大不重复误差 max与满量程输出y的百分比表示:max100%2)传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器激励对响应的特性。各动态性好的传感器，其输出随时 间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应和频率响应法来分 析。在时域内我们一般研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等 响应特性；在频域内采用正统函数得到频率响应特性。在对传感器进行动态特性的分析和 动态标定时，为了方便比较

18、和评价，常常采用正弦变化和阶跃变化的输入信号。2.2 模拟电路部分2.2.1 传感器的选型1 ） 差压式流量传感器差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流 体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。差压式流量传感器流量测量 系统主要由节流装置和差压计（或差压送器）组成。其工作的基本原理是：充满管道的流 体，当它流经管道内节流件时，如图 2-2 所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流 速增加，静压力隆低，于是在节流件前后便产生了压差， 流体流量愈大， 产生的压差愈大， 因而可依据压差来衡量流量的大小，这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）

19、 和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的，压差大小不公与流量还与其它因素有关，如节 流装置型式、流体的物理性质（密度、粘度等）以及雷诺数等。ASh-arp凶戢OriRLC phlcprt ssurt图2-2差压式流量传感器Fig2-2 Differe ntial pressure flow sen sor差压式流量传感器的检测系统如图2-3所示前后的压力差K1.变压信号管路开方器r/显示仪表图2-3差压式流量传感器的检测系统Fig2-3 The differe ntial pressure flow sen sor detecti on system2)压力传感器本设计中压力传感器选用压阻式压力

20、传感器。压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓的压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而变化。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。本设计中的两个压差传感器分别选用NPC 103陶瓷封装硅压力传感器和 NPC 12010系列中的任何一款。NPC 103陶瓷封装硅压力传感器的电路如图 2-4所示：Fig2-4 NPC 103 Pressure sen sor circuit structure表2-2 NPC 103的技术特性Tablet 2-2 NPC 103 tech n

21、i cal characteristics特性数值备注特性数值备注一般特性物理特性压力范围/kPa105重量/g0.25取大过载210兼容介质清洁、干700噪等气体3X额定压力电特性（22 C,除非有其它说明）性能参数数值供电电压/V DC3最大零点输出/ （mv/v ）±10输入阻抗/5000 ±20%12VDC满度输出/mv60 ±20输出阻抗/5000 ±20%非线性/%FS±0.20环境条件迟滞/%FS±0.05温度范围零点温漂/%FS±0.04工作温度/C-40 -125-40275 T电阻温度系数/%/ C0.2

22、2存储温度/C-55 -125-67302 T零点温度迟滞/%FS±0.1满度长期稳定性/%FS±0.2NPC 1210低压系列传感器是一种在宽温度范围内具有补偿校准性能，性价比较 高的压阻电桥式压力传感器。它具有适合PCB板的双列直插封装，可选的压力口和管腿结 构，在对压力连接方向很挑剔的低剖面应用场合下提供了优良的灵活性。NPC 1210系列基于LucasNovaSe nsor先进的Sen Stable压阻传感技术，使用硅显机械加工技术把压 阻应变计离子植入惠斯通电桥结构中。对于压阻效应温度系数大的影响，NPC 1210系列提供了 0 C到60 C范围内优良的温度补偿特

23、性。NPC 1210内部还集成一个恒流源设 定电阻，规范化了满量程输出（FSO），以满足现场互换性的要求。其电路如图2-5所示:Fig2-5 NPC 1210circuit structure放大电路的设计呼吸气流通过呼吸道时，流量传感器内部的限流装置感应出的压差是一个非常微弱的 呼吸生理信号。如果将此微弱信号放大滤波，以获得低噪声的呼吸生理信号，这对于后端 数字信号的处理和人体呼吸信息的识别、计算都有非常重要的意义。在本设计中，压力传 感器的输入电阻典型值为4000，输出电阻典型值为5000 ，接到放大电路做信号源的输出电阻很大，且差模电压在满量程输出的情况仅为50mV左右，其模干扰很大，所

24、以这里采用仪用放大器结构。仪用放大器是一种高性能的放大器，除了完成对低电平信号进行线性放大外，还担负 着阻抗匹配和抗共模干扰的任务。其对称结构可同时满足对放大器的抗干扰能力、输入阻 抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。仪用放大器的内部基本结构如图2-6所示、它由三个通用的放大器组成，第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差动 放大器。Fig2_6 internal circuit structure of Instrument amplifier本设计中的仪用放大器用具有 8引脚的INA114仪用放大器。INA114仪用放大器是一个低成本的普通仪用放大器，不需要外接失调调整电路

25、就可以获得很高的精度。在使用时，只需要外接一只普通电阻就可以得到任意增益，其增益范围为110000可变，正、负输入端具有内部过压保护电路，其保护范围可达土40V，具有很高的共模抑制比和很低的失调电压及漂移电压。它可在土 2.25V的电压下工作，适合电池供电及单一 +5V供电系 统使用。其内部的电路结构如图2-7所示：Fig2_7 INA114 internal circuit structure of Instrument amplifier其八角封装的基本接法如图2-8所示:U0Fig2-8 INA114 en capsulati on anise conn ecti on该放大器的增益A通

26、过外接电阻Rg获得调整，并由公式A=1+50K /Rg确定。本 设计中有两路放大，压力传感器1这一路通过Rg变化将A设定在A=180 ；压力传感器2 这一路通过Rg变化将A设定为A=36。5。仪用放大器INA114的主要性能参数如下： 失调电压：50uV温度漂移：0.25uV/ C输入偏置电流：2nA(最大值)输入失调电流：2nA共模抑制比：115 dB(G=1000)长期稳定性："土0.2 uV/月输入共模电压：土 13.5V输入过载保护：± 40V电源电压范围：土 2.25V土 18V静态电流：3 Ma滤波电路的设计由于现在的有源滤波器一般价格都比较高，容量小，同时国际

27、上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600Kvar，其运行的可靠性也这及无源滤波器。所以本设计中滤波电路用无源低通滤波电路，其性能也满足本设计的要求，其截止频 率为f=1/2 nRC=32Hz，可滤除各种高频干扰，其放大倍数 A1。其电路如图2-9所示:Fig2-9 RC passive filter224三通阀控制电路三通阀校准的目的是抑制压力传感器漂移、放大电路中的漂移以及工作中的温度漂移。当这个压力传感器与外界相通时，压力输入应该是为0，放大电路的输出也应该是一个恒定的基准电压值，这时将所得到基准电压值的 AD值作为零力参考点。但由于传感器、 放大器、电阻等器件的参

28、数会随温度、时间的变化而微小变化，使得上述的零压力考参点 发生漂移，这时零压力参考点数值将直接影响压力的测量，为此，需要不断地定期切换三 通阀来获得当前的零压力点的电压基准值。通过软件的方法可实现上述的零点自动校准。三通阀的作用是使2个压力传感器同时通向大气，使压力传感器的输入差压为 0。压 力传感器为2路气管输入，每个气管需要接一个三通阀，共需要 2个三通阀。在硬件上使 用单片机上的一个端口来控制 2个三通阀的驱动电路。225电源电路压力传感器属于电流驱动型，1.5mA的激励电流对应一定的压力满量程输出。适当减小压力传感器的激励电流可以扩大测量范围。恒流源电路以3.3V电压基准为参考，通过精

29、密电阻（1%的精度）分压得到约1.2V 电压，再通过恒流源电路产生1.5mA的激励电流。本设计中用的直流稳压电源的工作框图如图 2-10所示：交流输入50HZ图2-10直流稳压电源的工作原理框图Fig2-10 The working principle diagram of de voltage stabilizer power电流变压器：将交流电网电压 U1变为合适的交流电压U2 ;整流电路：将交流电压U2变为脉动的直流电压U3 ;滤波电路：将脉动直流电压 U3转变为平滑的直流电压U4 ;稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压U0的稳定其电路原理图如图2-11 "I所

30、示:D164审吨I.M-175127 liTjorr3匕*RLie*C1I.r1.*ir匸30D.ldT图2-11电源电路Fig2-11 Power supply circuit性能指标：1 三路直流稳压输出，两路固定，分别是+5V和+12V，另一路可调输出：1。5V12V , 通过R4的调节，我们让它输出3.3V电压。2电源指示采用绿色LED发光二极管，点亮时表示电路已通电工作。3 输入为交流220V。2.3数字电路部分231微处理器的选型TI公司于2000年推出的MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位Flash单片机，他们针对不同的应用而由不同的模块组成的。成功的解决了功能强大又功耗

31、低的难题，比较适合于便携式控制系统应用。这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。MSP430系列单片机器件包含CPU、程序存储器（RAM ）、运行控制、外围模块、振荡器和倍频器等主要功能模块。他们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄储器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码率；灵活的时钟源可以使器件 达到最高的代码效率，数字控制的振荡器可以使器件从低功耗模块迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。其基本结构如图2-12所示："1SMCIKwciaOKICtai t 仙诩HO Rntl 号GWMenLptCifWH7(A JlA（O

32、wilMrUM"图2-12 MSP430 结构图Th!jp-li iUSCCIbgFig2-12 MSP430 structural draw ing其中MSP430F系列具有FLASH存储器，不同型号单片机的存储器容量和外围模块 各不相同，使用者可以根据需要具体选择。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围不断扩大，主要取决于以下的特点：1）强大的处理能力MSP430F系列单片机，为16位的精简指令集结构，具有丰富的寻址方式（7种源操 作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄 存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；还有高效的查表处理方法

33、；有较高的处理 速度，在8MHZ晶体驱动下，指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源 程序。2）低电压、超低功耗MSP430系列单片机为64引脚PQFP封装，芯片为1cm的正文形，体积很小。能够 实现在1.8V3.6V、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流因不同的工作模式不同而不同； 具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6us， 可编制出实时性特别高的源代码，可将 CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。3）丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设，其中的看门狗可以使程序 失控时迅速复位；比较器进行模拟电压的

34、比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时 器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有两个串口， 可方便实现多级通信等应用；为系统的单片解决方案提供了极大的方便。4）方便高效的弄好环境目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开 发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片； 对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境， 因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有电可 擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内的通过软件控制程 序的运行，由 JTAG 接

35、口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。 8 本设计中。我们选用 MSP430F149 型单片机，它具有以下特点：低电源电压范围：1.8V3.6V超低功耗：2.5uA 4KHZ , 2.2V160uA 1MHZ ， 2.2V5种节电模式：等待方式 0.7Ua ;RAM 保持的节电方式 0.1Ua从等待方式唤醒时间：6us16位RISC结构，150ns指令周期基本时钟模块配置：高速晶体（最高8MHZ）;低速晶体（32768HZ）;配合外部器件可构成单斜边A/D转换器12位200Kbps的A/D转换器，自带采样保持内部温度传感器具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A、Timer

36、_B两通道串行通信接口可用于异步或同步（软件选择 UART/SPI模式）硬件乘法器多达 60KBFLASH ROM 和 2KB RAM串行在系统编程安全熔丝的程序代码保护MSP430F149引脚图如图2-13所示:>?1£H, nmgrl L<W9Jxn 乏 szss 玺10<苗丘 Eocct盍 -LnQEfZ-E Btoe 貝DV« P6.3/A3 P6.4fA4 C P.5/A6 Pd.6/Afi P6.7fVrL XIN'亠 " ” 、64 fl? 621 60 59 58 57 56 S5 54 53 52 St 50 49434

37、64S444342PMHAOPI 2TTAJPl,3nA2P1.<SMCIK9 4010 M11 3812 3713 36侶3B15 3416 33i 17 1 ft 19 20 21 23 23 24 25 26 27 29 ?9 30 31 3?.、 _ _” _ _一.一- f2P5r4fliCLK Pfl.3/UCLK1 jP5r27SOMH P5.VSJMO1 JP5WSTE1 P4.7JTDCLK Hpj &TB6 jFM &TB5 P4.4/TB1 P4 -VTB3 3P+-2/TB2 >4.irrei JP4.Q/TB0 JP3.7/URXD1 2P

38、3 6AHXD1 JP3 5/URXOO番 JJWEd r'Tzm 記 won 匣 L.£ twl/Eff 55 wa JeyEvak ££ mano吒呂m JWNEL 乞 hgDcd jLHXma.图2-13 MSP430F149的引脚图Fig2-13 MSP430F149 Pin figureMSP430F149单片机引脚说明如表2-3所示：表2-3 MSP430F149 引脚说明Tablet 2-3 MSP430F149 pin expla in引脚序 I/O说明名称号P1.0/TACLK12 I/O 通用数字I/O引脚/Timer A ，TACLK

39、时钟信号输入通用数字I/OP1.1/TA013I/OOUT0输出通用数字I/OP1.2/TA114I/OOUT1输出通用数字I/OP1.3/TA215I/OOUT2输出P1.4/SMCLK16I/O通用数字I/OP1.5/TA017I/O通用数字I/OP1.6/TA118I/O通用数字I/OP1.7/TA219I/O通用数字I/OP2.0/ACLK20I/O通用数字I/OP2.1/TAINCLK21I/O通用数字I/O通用数字I/OP2.2/CA0UT/TA022I/OOUT0输出通用数字I/OP2.3/CA0/TA123I/OOUT1输出P2.4/CA1/TA224I/O通用数字I/OP2.

40、5/ROSC25I/O通用数字I/OP2.6/ADC12CLK26I/O通用数字I/OP2.7/TA027I/O通用数字I/OP3.0/STE028I/O通用数字I/OP3.1/SIMO029I/O通用数字I/O引脚/Timer_A ,捕获；CCIOA输入，比较;引脚/Timer_A ,捕获；CCI1A输入，比较;引脚/Timer_A ,捕获；CCI2A输入，比较;引脚，SMCLK信号输出引脚 /Timer_A，比较；OUT0输出引脚 /Timer_A，比较；OUT1输出引脚 /Timer_A，比较；OUT2输出引脚；ALCK输出端引脚 /Timer_A，比较，INCLK时钟信号引脚 /Tim

41、er_A，捕获；CCI0B输入，比较;引脚/Timer_A，捕获；CCI1B输入，比较;引脚/Timer_A，比较；OUT2输出引脚/外接电阻用以决定 DCO频率引脚/12位A/D转换器的转换时钟引脚/Timer_A，比较；OUTO输出引脚/从机传输使能一USARTO/SPI模式引脚/USART0/SPI模式的从输入或主输出P3.2/SOMIO30I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输出或主输入通用数字I/O引脚/外部时钟输入一 USARTO/UART 或P3.3/UCLK031I/OSPI模式,时钟输出一USART0/SPI模式P3.4/UTXD032I/O通用数字I/O引

42、脚/发送数据输出一USARTO/UART模式P3.5/URXD033I/O通用数字I/O引脚/发送数据输入一USART0/UART模式P3.6/UTXD134I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出一USART1/UART模式P3.7/URXD135I/O通用数字I/O引脚/发送数据输入一USART1/UART模式通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.0/TB036I/OB-7CCR0通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.1/TB137I/OB-7CCR1通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.2/TB238I/OB-7CCR2通用数字I

43、/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.3/TB339I/OB-7CCR3通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.4/TB440I/OB-7CCR4通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.5/TB541I/OB-7CCR5通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口一定时器P4.6/TB642I/OB-7CCR6P4.7/TBCLK43I/O通用数字I/O引脚/定时器B-3的输入时钟TBCLKP5.0/STE144I/O通用数字I/O引脚/从机发送使能一USART1/SPI模式P5.1/SIM0145I/O通用数字式I/O引脚/USART1的从输入，

44、主输出或SPI方P5.2/SOMI146I/O通用数字式I/O引脚/USART1的从输出，主输入或SPI方P5.3/UCLK147I/O通用数字I/O引脚/外部时钟输入一USART1/UART1 或UART或SPI模式，时钟输出一USART1/SPI模式P5.4/MCLK48I/O通用数字I/O引脚/主系统时钟MCLK输出P5.5/SMCLK49I/O通用数字I/O引脚/子系统时钟SMCLK输出P5.6/ACLK50I/O通用数字I/O引脚/辅助时钟ACLK输出通用数字I/O引脚/切换所有的PWM数字输出口为高阻P5.7/TBOUTH51I/O抗一定时器B-3 TB0 -TB2P6.0/A05

45、9I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道0P6.1/A160I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道1P6.2/A261I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道2P6.3/A362I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道3P6.4/A463I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道4P6.5/A54I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道5P6.6/A65I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道6P6.7/A76I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道7复位输入/不可

46、屏敝中断输入口，或自动加载程序启动RST/NMI58（FLASH版本有此功能）测试时钟，TCK是用于器件测试与自动加载程序启动的TCK57I时钟输入接口（FLASH版本有此功能）TMS56I测试方式选择，器件编程与测试的输入口TDI55I测试数据输入口，器件的保护熔丝被连接到TDITDO/TDI54I/O测试数据输出口，编程数据输入口VeRe f +10I/P送到模数转换器ADC外部基准电压V Re f +7O模数转换器ADC12内部基准电压的正输出端模数转换器 ADC12内部基准电压或外部加的基准电压V Re f - VeRe f -11O负端XIN8I晶体振荡器XT1的输入口XOUT/TC

47、LK9I/O晶体振荡器XT1的输出口或测试时钟的输入口XT2IN53I晶体振荡器XT2的输入口，只能接标准晶体XT2OUT52O晶体振荡器XT2的输出口模拟电源的正输入端，送到模数转换器 ADC12的模拟部Avcc64分模拟电源的负输入端，送到模数转换器 ADC12的模拟部Avss62分DVcc1数字电源的正输入端DVss63数字电源的负输入端2.3.2 A/D采样模块A/D采样模块的是单片机自带的模块.MSP430仆149单片机中共集成了 12路12位 A/D 转换，其中 8 路属于外部的信号转换， 3 路是对内部参考电压的检测， 1 路是接温控 的传感电压转换，每一路转换都有一个可控制的转

48、换存储器与之相对应，而且内部提供了 1.5V 和 2.5V 参考电压基准。可以外部提供的，转换时钟脉冲可由内部提供，也可切换至 主频率脉冲等，这给使用上带来很大的灵活性。该采用模块原理上不同于一般积分和逐步 比较等 A/D 转换原理，它的输入信号是加在 A/D 的电容网络上的，通过电容的充电来采 样信号进行 A/D 转换的。在使用 A/D 转换模块过程中，有几点必须注意的地方：1) 由于 MSP430F149 是采用加载信号到电容上充电的采样， 因此必须要给一定的采 样时间才能到达一定的精度并保证时间不会溢出，否则会出现时间溢出而触发中断。该采 样时间主要受外部电压源电阻、 内部输入电阻和电容

49、三个方面的影响， 其中任意一项增大， 都将使得采样时间的增长；2) 当 ENC 为“ 1”时，控制寄存器中的绝大多数位不能更改，如电位基准开关位、 采样保持时间控制位等，如需更改，必须将 ENC 置为“ 0”；3) 采用外参埏电压时，必须要在相应引脚加一个稳定电压，不能认为悬空即为 0V 。2.3.3 液晶控制芯片的选型SID13700 是 SeikoEPSON 公司生产的专为传统黑白(或灰阶) STN 液晶面板所设 计的液晶控制芯片， 内嵌有字符产生器， 可直接显示所需要的字型， 其内部的 CGROM 支 持160种5 X7点阵的字符，CGRAM支持64种8X16点阵的字符。14条内部指令，

50、多 数指令带有参数，这些参数可以由用户根据液晶显示器的特点和控制的需要设置。 SID13 700 还可以实现一些特殊功能，如文字数据重迭显示于绘图数据上、画面可在任意方向滚 动、分割画面、显示图片等。 SID13700 芯片的文要特点有以下几点：1）存储器接口。内嵌的 32KB的SRAM显示内存，地址0000H-7FFFFH 作为显示 数据存储器区，8000H-8002F 作为寄存器区，8030H-FFFFH 为保留地址。2）CPU接口。SID13700芯片提供了与多种微理器的8位数据总线接口，在直接地 址总线模式下支持通用总线（Z80 ）微处理器和M68K微处理器的接口；在间接地址总线 模式下支持通用总线（Z80 ）、M68K、M6800 接口。3） 显示支持。SID13700支持4位单色被动型LCD接口，在黑白（1bpp ）显示 模式下支持80行X30列字符或640 X240点阵图形显示；在4灰阶（2bpp ）显示模式下 支持40行X30列字符或320 X240点阵图形显示；在16灰阶（4bpp ）显示模式下支持 30行X20列字符或240 X160点阵图形显示。4） 显示模式。SID13700支持1/2/4bpp 模式。支持文本，图形和文本图形混和 显示模式。SID13700能同时控制3个或4个显示区，在控制单屏结构液晶显示驱动系统 时可以分别或同时使用