基于AVR单片机的脉搏监测系统设计论文

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)。前端系统主本文论述了课题研究的现状和意义以及设计方案；并解说了相应硬件与软件的调试。最后对所edcontinfdiet,habitschangeandthehightdiseaseandotherfrequently-occurringdisease.Topretreatmentofthedrymethodandequipment,rapidonsetoftreatmentmethimportant,thesearepreciselythecurrentThebroadmassesofmedicalexpertworkingtogetherthefocusofthestudy.Thepulseofhumanactivitiesisthemostimportantandmostsensitiveandmostreliablesourceofinformation,toreflecttheheastatusofanimportantwindowonthepulseofthefastspeedofextraction,useofrapidpulsesignalsthatcauseTheissuewiththeuseofembeddedwirelesstechnology,networbythenewprogramme,acquisitionandprocessi(front-endsystems)+wirelessreceiverandPCrevealedthatsosystems).Front-endsystemismainlyresponsibleforthesignalpulshatthefrontendtothetransmissifthewirelessreceivermodules,makingtheremotemonitoringsystemhastheability.Thisarticlediscussestheprogrammes;OnthemainchipandtheprincipleoftheuseoftheirmethodsonthedesignofhardwareandsoftwaincreasedlocalandlookingforwardtKeywords:Embeddedsystems;wirelesstransceivermodule;Serial;sensor 1课题现状及研究意义 21.1课题现状 21.2研究意义 2 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 7 3.3无线收发模块 4.1采集部分 4.2滤波部分 4.3放大部分 4.4555施密特整形电路 4.5下位机处理部分 204.5.1单片机复位电路 4.5.2数码管显示部分电路 4.5.3无线发送模块部分 4.5.4单片机的晶振和中央处理部分 4.6上位机部分 234.6.1无线接收模块部分 4.6.2接收数据处理部分 4.6.3串口部分 5.1下位程序设计的流程图 5.4VB界面 6系统调试与验证 306.1硬件调试 6.1.1采集部分 6.1.2滤波部分 306.1.3放大部分 6.1.5下位机处理部分 6.1.6上位机处理部分 326.2软件调试 326.2.1下位机处理部分 6.2.2上位机部分 6.3整体调试 6.4抗干扰措施 376.4.1硬件抗干扰措施 6.4.2软件抗干扰措施 7结果分析与展望 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。1.课题现状及研究意义我国城市人口中每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2.1方案选择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。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2.2系统框图信号的滤波波形转换电路脉搏信号采信号的滤波波形转换电路前端MCU处理部分前端MCU处理部分无线接收部分无线接收部分后端MCU部分PC机显示部分3主要芯片介绍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。可通过对脚与AT90S4414/8515引脚100%兼容，也可在电路印刷板上替换AT90S4414/8515,123456789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：GeneralPurpose图3.2.2AVR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些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。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/OSRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。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。端口B第二功能如下：引脚SCK(SPI总线串行时钟)MOSI(SPI总线的主机输出7从机输入信号)AIN1(模拟比较器负极输入)AINO(模拟比较器正极输入)T1(T/C1外部计数器输入)TO(T/C0外部计数器输入)OC0(T/C0输出比较匹配输出)端口D(PDO……PD7)为8位双向I/O口，具有可编程的端口D第二功能如下：RD(读出外部存储器选通)WR(写入外部存储器选通)XCK(USART外部时钟输入/输出)INT1(外部中断1的输入)INTO(外部中断0的输入)振，端口E处于高阻状态。端口E第二功能如下：引脚OC1B(T/C1输出比较B匹配输出)ALE(外部存储器地址锁存使能)ICP(T/C1输入捕获引脚)INT2(外部中断2输入)/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XALT1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。3.3无线收发模块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接口体积小(QLP4×4mm封装，20脚)真正的单片UHFRF收发器高灵敏度(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转换单独的64字节RX和TX数据FIFO数字RSSI输出自动低功率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0OK和灵活的ASK整型支持2-FSK,GFSK和MSK支持MODULATORMODULATOR%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PO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。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主要特点：7、ESD保护大于MIL-STD-883(方法3015)标准的2000V00它工作温度(自然通风)范围内的极限参数(除非另有说明)工作温度(自然通风)范围，TA:MAX232引线温度，离外壳1.6mm(1/16英寸),10秒0℃至70℃-40℃至85℃-65℃至150℃图4.1脉搏信号采集电路型),他们的工作波长都是940nm,在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有1μA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5V。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，其输出优点是电路性能较稳定，增益容易调节。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：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*w0^2/(s^2+wO*s/Q+w0^2)=A0*w0^2/(s^2+wO*s/Q用s=jw代入上式，可得到幅频响应表达式：201g|A(jw)/Aufl因此上限截止频率公式为：fh=1/(2*3.14*R*C)放大倍数公式为：A=U1/U0低通放大电路原理如图4.2所示：图4.2滤波电路fh=1/(2*3.14*R12*C)=1/(6.48*10*10^3*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U输出=[(R17/R15)+1]*U输入所以相对误差公式为：所以当开环差摸增益Aod,共摸抑制比Kcmr越大，相对误差δ的数值就越小。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OPO7提供5V是供电电压，这样就可以让信号放大超过5V时，也只4.4555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：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(1)整形：将不好的矩形波，变为较好的矩形波。作过程，因此选择4位数码管来显示。其原理图如图图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-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：因此VDD=5*39/(39+20)=34.5.4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PBO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。4.6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4.6.2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PC4.6.3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,这个芯片入，一个输出)经过串口接口与PC口通讯。那么串行传送的时间至少为NT,而实际上总是大于NT。题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式(即通信方式)。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。第N个字符(一串行帧)P0P0图4.6.3.2(a)异步通信的帧格式加上起止位，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SMO,SM1为串行口工作方式选择位。可选择四种工作方式，如表4.6.3.3所示。表中f方式波特率000同步移位寄存器01110位异步收发可变10211位异步收发F/64或f/3211311位异步收发可变在方式1状态下，串行口为8位异步通信接口。一帧信息位10位八位数据位(低位在前)和1位停止位(1)。TXD位发送端，RXD为接收端，波特率可方式1接收是在REN位置1的前提下，从搜索到存器，直到9位数据(包括1位停止位)全部收齐。在9位数据收齐之后，还必须同时当满足两个条件：(1)RI=0;(2)SM2=0或接收到地停止位为1时，便将接收判断有无Y判断是否有数码管显示8888NN图5.15.2无线模块部分图5.25.3上位机部分流程图NY通过串口判NYN来N来5.4VB界面VB界面是终端的显示部分，它也是构成这个部分不可缺少的一部分。如图5.4所图5.4由于对仪器的要求也很高，所以只能粗略的调试。将手指放于做好的光电传感器之间，6.1.2滤波部分滤波部分的调试，主要是看他是否能满足设计时候低生器产生50Hz的信号，让他通过滤波部分，用示波器观察其输出端，是否还有50Hz我们设的理论值，那么说明，滤波部分没有问题，假如有40Hz以下的频率可以正常通过时，这个滤波电路还是可以用的，因为他可以有效的减少电源50Hz的干扰信号了。6.1.3放大部分的最小高电平3V,因此对脉搏采集的信号(大约2uV)就必须把放大倍数到1.5*10^66.1.4555整形部分的调试这部分的调试主要是检测单片机有没有能工作、数码管部分能否亮以及提供给的部分管脚——VDD是否为在1.9-3.6V之内，最好是3.3V。如超过3.6V为避免烧坏是否起振，方法是用万用表来检测连接晶振的两个管脚是否是2.2V左右的电压，最后6.1.6上位机处理部分这部分的调试方法跟6.1.5下位机处理部分方法是一样的，不同的是它多了串口部发现数据也能正常传输出来。从而确定是软件上出现了问题，软件又分为上PC机的软的程序，通过参数的变化、波特率的调整、查询/中断方式的运用等方法，最终发现当6.2软件调试口D:\乱编的程序\数码管显示.priImageCrafImageCraf计数定时部分1/开中断imalcew-r计数定时部分.makD:\乱编的程序\i十数定时部分.C[D\乱编的程序\i计数定时部分pCvoidmain(void)_changeiccavr的程--D_rccICe计数定时部分 t6.2.2上位机部分由于上位机是用AT89S52来代替Atmega8515的。而他们的编译器不同所以对串口调试的时候要用到AT89S52的编译器——KeiluVision2,他们的操作大部分都是一样的，只是有一点的小区别在于他在建立工程文件的时候需要选择选用的芯片，如图6.2.2.1所示。还有一点是它需要输出进行选择，如图6.2.2.2表示没选上。图6.2.2.3所示表示选上“CreateHEXFi:”这项了。xx国UseExtendedLinker0LX51)insteadof□UsoExtendedAsskFoshmmor³,Ti256确定取消pytunorchipetorruptssofA51[D:\乱编的程序\1.c]ectFolderforQbjects.NameofExCCreateLibrary:.A1.LIBRunUserProgran#硫硫ision2-[D:\乱编的程序\1.c]EileEditYiewProjectDtbugFlaselectFolderforQbjects.