基于AVR及無線收發(fā)模塊的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1、摘 要 隨著人們生活的水平不斷提高，生活方式、飲食結(jié)構(gòu)不斷改變，習(xí)慣的變化和高節(jié)奏的生活導(dǎo)致了高血壓、冠心病等心血管疾病成為常見病與多發(fā)病。要避免和減少高血壓、冠心病這類心血管疾病給人類健康帶來的嚴重危害，有效的旱期診斷治療方法和設(shè)備，快速的發(fā)病后的救治手段都是非常重要的,這些也正是當(dāng)前廣大醫(yī)學(xué)界專家正在共同努力研究的重點。而脈搏是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信息源，是反映人體健康狀況的重要窗口，而對脈搏的提取速度又快，因此利用脈搏信號快速的發(fā)現(xiàn)病因也是一個有效的方法。 本課題采用嵌入式與無線通訊技術(shù)，提出處理脈信號的新方案,即采集及處理與無線發(fā)送部分（前端系統(tǒng)）+無線接收與PC機顯示部分

2、（后端系統(tǒng)）。 前端系統(tǒng)主要負責(zé)脈搏信號的采集和初步處理并發(fā)送，能夠單獨工作；通過無線接收和串口接口連接到PC機上顯示，后端系統(tǒng)主要負責(zé)跟蹤顯示由前端系統(tǒng)傳遞來的信號。正是有了無線接收模塊的作用，使得系統(tǒng)具備了遠程監(jiān)測的能力。 本文論述了課題研究的現(xiàn)狀和意義以及設(shè)計方案；介紹了主要的芯片的原理和他們的使用方法；闡述了硬件設(shè)計與軟件設(shè)計方案；說明了相應(yīng)軟件的流程和方法，并解說了相應(yīng)硬件與軟件的調(diào)試。最后對所做的工作進行了分析和總結(jié)，指出了系統(tǒng)涵待改進和提高的地方，展望了系統(tǒng)今后的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞 : 嵌入式系統(tǒng);無線收發(fā)模塊;串口;傳感器 Abstract With people's

3、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

4、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

5、 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 wi

6、th 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 t

7、he 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 rece

8、iver 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 so

9、ftware 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 system's future development direction.Key words: Embedded sys

10、tems; wireless transceiver module; Serial; sensor 目 錄引言11 課題現(xiàn)狀及研究意義21.1 課題現(xiàn)狀21.2 研究意義32 方案論證42.1 方案選擇42.2 系統(tǒng)框圖53 主要芯片介紹73.1 光電傳感器73.2 Atmega851573.3 無線收發(fā)模塊113.4 MAX232芯片134 硬件設(shè)計164.1 采集部分164.2 濾波部分164.3 放大部分184.4 555施密特整形電路194.5 下位機處理部分204.5.1單片機復(fù)位電路204.5.2數(shù)碼管顯示部分電路204.5.3無線發(fā)送模塊部分214.5.4單片機的晶振和中央處理部

11、分224.6 上位機部分224.6.1無線接收模塊部分224.6.2接收數(shù)據(jù)處理部分234.6.3串口部分235 軟件設(shè)計265.1 下位程序設(shè)計的流程圖265.2 無線模塊部分265.3 上位機部分流程圖275.4 VB界面276 系統(tǒng)調(diào)試與驗證296.1 硬件調(diào)試296.1.1 采集部分296.1.2 濾波部分296.1.3 放大部分306.1.4 555整形部分的調(diào)試306.1.5 下位機處理部分306.1.6 上位機處理部分316.2 軟件調(diào)試316.2.1下位機處理部分326.2.2上位機部分336.3 整體調(diào)試356.4 抗干擾措施366.4.1硬件抗干擾措施366.4.2軟件抗干

12、擾措施367 結(jié)果分析與展望38謝辭39參考文獻40附錄41附錄一41附錄二42 引 言 當(dāng)今在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，生物醫(yī)學(xué)參數(shù)的測試研究是醫(yī)學(xué)界和工程技術(shù)界都很關(guān)心的新興學(xué)科。運用近代傳感器測試技術(shù)來解決臨床診斷及實驗室研究多種參數(shù)的計量檢測，無論對于臨床診斷與監(jiān)護還是對于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究，都具有極其重要的價值和意義。用傳感器測試技術(shù)來對脈搏信息進行定量分析，是目前國內(nèi)外醫(yī)學(xué)專家普遍關(guān)注的課題之一。人體脈搏系統(tǒng)是心血管系統(tǒng)的重要組成部分，它是人體輸送養(yǎng)料、傳遞能量和傳播各種生理病理信息的重要途徑，脈搏包含有豐富的人體健康狀況信息。研究脈搏信息無論是在中醫(yī)還是西醫(yī)中都具有重要的臨床診斷價值和實用意義。 計

13、算機是現(xiàn)代先進的高速運算和控制工具，因此計算機技術(shù)在脈搏研究方面有著其內(nèi)在的必然性。利用計算機靈敏的反映、快速的計算、數(shù)據(jù)存儲能力、以及高分辨率的顯示設(shè)備等功能和優(yōu)勢，使得對脈搏的處理更加準(zhǔn)確和有效。因為脈搏檢測是帶有我國中醫(yī)特色和獨有的生物信號檢測技術(shù)，因此開發(fā)研制這樣的監(jiān)測儀器，可以同時滿足醫(yī)、患兩方面的需求。根據(jù)對它的特點的分析，預(yù)計它的用途將是非常廣泛的，特別是如果加有其他的措施之后，如加上自我分析能力部分，它就有著非常明顯的社會效益與經(jīng)濟效益，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:臨床診斷、早期診斷、同步監(jiān)測、指導(dǎo)用藥、中醫(yī)脈象原理的研究。本課題結(jié)合理論研究和具體實踐的基礎(chǔ)上，對于嵌入式脈搏檢測系

14、統(tǒng)的硬、軟件和算法作了一些有意義的研究和探討，提出了一種新的脈搏檢測和分析的系統(tǒng)方案。即采用前端嵌入式+后端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，前端嵌入式系統(tǒng)負責(zé)脈搏信號的采集與初步處理，后端系統(tǒng)進行顯示。前端和后端系統(tǒng)通過無線收發(fā)模塊CC1100進行通訊。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用無線收發(fā)模塊與最小系統(tǒng)，這樣傳遞速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也簡單。被監(jiān)控點實時采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)通信及時地傳輸給上位機的PC機，實時動態(tài)地反映被監(jiān)測點的情況。不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印1 課題現(xiàn)狀及研究意義1.1 課題現(xiàn)狀現(xiàn)代社會，人們生活水平不斷提高，生活方式、飲食結(jié)構(gòu)不斷改變，習(xí)慣的變化和高節(jié)奏的生活導(dǎo)致了高血壓、冠心病等心血管疾病成為常見

15、病與多發(fā)病。據(jù)統(tǒng)計，目前我國城市人口中每5個成年人中就有1個不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心臟與循環(huán)系統(tǒng)的不健康而導(dǎo)致的心肌梗塞、腦卒中、碎死等惡性后果時有發(fā)生，而且發(fā)病率逐年提高，發(fā)病年齡也呈下降趨勢。中國每年有100萬人死于腦卒中，并且有更多的人致殘。特別是在最近，中國、日本和新西蘭研究人員發(fā)現(xiàn)高血壓是東方人腦卒中的主要原因。要避免和減少高血壓、冠心病這類心血管疾病給人類健康帶來的嚴重危害，有效的旱期診斷治療方法和設(shè)備，快速的發(fā)病后的救治手段都是非常重要的，這些也正是當(dāng)前廣大醫(yī)學(xué)界專家正在共同努力研究的重點。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，生物醫(yī)學(xué)參數(shù)的測試研究是醫(yī)學(xué)界和工程技術(shù)界都很關(guān)心的新興學(xué)科。運

16、用近代傳感器測試技術(shù)來解決臨床診斷及實驗室研究多種參數(shù)的計量檢測，無論對于臨床診斷與監(jiān)護還是對于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究，都具有極其重要的價值和意義。用傳感器測試技術(shù)來對脈搏信息進行定量分析，是目前國內(nèi)外醫(yī)學(xué)專家普遍關(guān)注的課題之一。近年來日本、美國等國家的醫(yī)生、學(xué)者在醫(yī)學(xué)研究、針灸研究中設(shè)計了一些脈象客觀描記儀器或裝置，例。這些儀器的主要功能是描記脈象波形，是用作臨床觀察脈象變化的工具。但是這些儀器裝置大多數(shù)沒有形成產(chǎn)品，也沒有見到廣泛臨床應(yīng)用的報道。其中比較有代表性的儀器有美國醫(yī)學(xué)博士John.H.研制的一種針灸臨床用的新型無創(chuàng)脈波記錄儀，日本的田口賢輝發(fā)明的一種 “壓力、脈搏測定裝置”、日本的代田文彥

17、設(shè)計了一種“局部加壓型可償還脈裝置”、日本Colin公司研制的一種CBM一3000/2000型撓動脈脈波檢測儀以及日本Sony公司曾經(jīng)推出的一種利用三個駐體微音器作為脈波傳感元件的脈波檢測儀等等。 而雖然目前己有的心血管診療儀器設(shè)備多種多樣，例如:比較成熟的技術(shù)有心電圖檢測.x光透視、CT掃描檢查、核磁共振、靜脈數(shù)字減影造影等，還有目前臨床應(yīng)用較多的:超聲心動圖、放射性核素心血管造影 (核素顯像)、心電機械圖、阻抗心動圖和阻抗微分波圖等，但這些手段要么操作復(fù)雜、費用昂貴，不容易反復(fù)進行檢查，要么獲得的診斷指標(biāo)過少，對確診疾病作用有限，特別是當(dāng)要全面了解對病人診斷治療非常重要的心臟血流動力學(xué)情況

18、時，大部分體外檢測儀器都無能為力了，目前臨床只能采取體內(nèi)插入式導(dǎo)管的檢測方法，但這種方法對病人是有著非常大的創(chuàng)傷和風(fēng)險的，而且要求實施的意愿有相當(dāng)高的技術(shù)與設(shè)備條件等等問題。1.2 研究意義 脈搏是常見的生理現(xiàn)象，是心臟和血管狀態(tài)等重要生理信息的外在反映;因此，脈搏檢測不僅為血壓測量、血流測量及其他生理檢測提供了生理參考信息，而且脈搏波本身也能給出許多有診斷價值的信息。中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量技術(shù)在中醫(yī)診斷上的卓有成效的應(yīng)用。采用傳感器檢測脈搏，可較客觀地得到盡可能多的信息，更因為此法對人體無創(chuàng)傷，且使用方便，易于被人們接受。此外，近百年來，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)充分利用基礎(chǔ)學(xué)科及有關(guān)技術(shù)的進步而發(fā)

19、展迅速，形成了現(xiàn)代科學(xué)的一部分。而祖國醫(yī)學(xué)由于歷史的和社會的諸多原因，沒有充分利用現(xiàn)代科學(xué)的種種條件，盡管有合理的內(nèi)涵和豐富的經(jīng)驗卻一直停留在古代的形勢和方法上。整個祖國醫(yī)學(xué)如此，脈學(xué)當(dāng)然亦不例外，所以，利用現(xiàn)代最新科學(xué)手段進行有關(guān)現(xiàn)代化的脈診研究探索是一項必須的工作。而脈診的前提是能有效提出脈搏信號的情況下。所以對脈搏的提取醫(yī)療工作的前提。本課題采用光電傳感器提取脈搏信號，用嵌入式處理脈搏信號，通過無線收發(fā)模塊（CC1100）遠距離傳送,并在PC機上顯示.這樣就既能減少對人體的創(chuàng)傷的同時，也能遠距離并可以在PC機上監(jiān)視，形成能遠程監(jiān)測人體脈搏的系統(tǒng)，為醫(yī)生的研究提供一個有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2 方

20、案論證2.1方案選擇要選擇合理的方案，之前就應(yīng)該知道要測量這個物體的特點，這樣才能有準(zhǔn)確的處理方案。因此在選擇方案之前就先來了解一下脈搏信號的特點。脈搏信號具有如下具體特點:信號弱、干擾強由于脈搏信號屬于主動信號，其信號源不可觸及，一般來說，信號幅度很小，大約是微伏到毫伏的數(shù)量級范圍。因此，極容易引入干擾，這些干擾有來自50Hz的工頻干擾，有來自肌體動作、精神緊張帶來的假象信號等。因為生物體的各部分是不可分割、相互影響的，因此，研究一個系統(tǒng)時，來自另一個系統(tǒng)的信號有可能成為噪聲，而且這種噪聲有時可能比所需的信號強得多。頻率低人體脈搏信號頻率較低，屬次聲波，其頻譜主要分布在0-4Hz之間。變異性

21、脈搏信號的變異性來自脈搏系統(tǒng)的變異性，這是由于人體生命過程具有一種借助自身內(nèi)在的調(diào)節(jié)機制以適應(yīng)環(huán)境變化的能力，因此，表現(xiàn)在不同的疾病會具有不同的脈搏信號(即脈象)，相同的疾病在不同人身上也會表現(xiàn)出不同的脈象，同一個人的同一疾病在不同時期也會出現(xiàn)不同的脈象，同類脈象在不同病癥之間也略有差異。對于脈搏信號的特點，可以知道，選擇測量傳感器對脈搏信號的提取最為關(guān)鍵，以下是幾種可測量脈搏信號的傳感器： 1、壓力傳感器：用壓力傳感器采集脈搏信號，原理是將脈搏跳動產(chǎn)生的力通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號。他的特點是跳動的脈搏信號要強，如果跳動信號弱，那么傳感器可能不能有效的反映出脈搏信號。要么就提高傳感器的精度，大家

22、都知道提高一個器件的精度的代價是什么樣，而且使用時要用東西把他固定住，這也使得使用起來比較麻煩。 2、光電傳感器：用光電傳感器采集脈搏信號，原理是吸收紅外線穿透血管時血液濃度的改變而導(dǎo)致紅外線強度的改變使紅外線吸收傳感器產(chǎn)生電信號的變化來反映脈搏的變化。無論要測量的部位是否有強度的脈搏信號的跳動，他基本都沒受到干擾，只要有血液濃度的變化就能導(dǎo)致電信號的改變。在體育方面測量，用的脈搏測量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測量方式各有優(yōu)缺點，指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降；耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護。但因耳脈較弱，尤其是

23、當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。對一般測量，本課題采用指脈的測量方式，第一，可以簡便快速的測量；第二，考慮到性價比。 對指脈的測量有兩種方法;光電容積法和阻抗容積法。這兩種方法都是采用光電傳感器從人體指尖上獲取脈搏波。光電傳感器有兩種類型，即透射型和反射型。 透射型是指光源和光電接收器分別位于被測手指的上下兩側(cè)，它是利用肌肉比較容易透射光線，而血液對光線有選擇吸收作用的原理制成。光源用紅色發(fā)光二極管置于指尖上方，光電接收器用光敏三極管或者光敏二極管置于指尖下方。發(fā)光二極管發(fā)出的光線透過指尖被光敏只極管接收，手指指尖血管血液容積在血液循環(huán)過程中呈現(xiàn)博動性變化，于是光

24、敏三極管或者光敏二極管獲得的信號便反映了手指動脈血液容積搏動變化的情況，光敏三極管的輸出信號呈現(xiàn)周期性變化，經(jīng)放大后即得到周期性變化的指尖脈搏波信號。如圖2.1.1所示。 反射型是指光源和光電接收器同置于被測指尖的下方，并靠在一起，發(fā)光二極管發(fā)出光纖，光敏三極管對血壓變化所引起的光線發(fā)射率變化做出響應(yīng)，經(jīng)過相似的處理后也可以得到周期性變化的指尖脈搏波信號。如圖2.1.2所示。 本課題采用透射式探頭。 2.2系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如下圖2.2.1所示 數(shù)碼管顯示脈搏信號采集信號的濾波與放大波形轉(zhuǎn)換電路 前端MCU處理部分無線發(fā)送部分圖2.2.1系統(tǒng)整體框圖 后端MCU部分數(shù)碼管跟蹤顯示 串口部分PC機

25、顯示部分無線接收部分3 主要芯片介紹3.1 光電傳感器BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940 nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。3.2 Atmega8515 ATmega8515是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8515 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega8515 有如下特點 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flas

26、h( 具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，512字節(jié)SRAM，一個外部存儲器接口，35個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，兩個具有比較模式的靈活的定時器計數(shù)器 (T/C)片內(nèi)外中斷，可編程串行 USART，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及三個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能

27、力。他具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器 軟件仿真器、仿真器及評估板。ATmega8515除有AT90S4414/8515的所有特性外，還有一些新的特性。ATmega8515 基本上對 AT90S4414/8515 向下兼容。但兩者間還會存在不兼容的問題?？赏ㄟ^對AT90S4414/8515的S8515C熔絲位編程，選擇兼容模式來解決該問題，ATmega8515 引腳與 AT90S4414/8515 引腳 100% 兼容，也可在電路印刷板上替換 AT90S4414/8515，但二者的熔絲位位置及電氣特性間存在差異。ATmega8515的引腳結(jié)構(gòu)如圖3.2

28、.1所示： 圖3.2.1ATmega8515引腳他的I/O口以及第2功能跟MCS-51系列單片機是差不多的，但是它比MCS-51系列更能節(jié)省能量而且他的運算速度也更快。AVR系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2.2所示： 圖3.2.2 AVR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。 CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令 在本文稱為預(yù)取。這個概念實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的 Flash ?？焖僭L問寄存器文件包括 32 個 8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實

29、現(xiàn)了單時鐘周期的 ALU 操作。在典型的 ALU操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運算，結(jié)果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。寄存器文件里有 6 個寄存器可以用作 3 個 16 位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效的地址運算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為 16 位的 X、 Y 、Z 寄存器。ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運算。ALU也可以執(zhí)行單寄存器操作。運算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。程序流程通過有 無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，從而直接尋址整個地址大多數(shù)指令長

30、度為 16 位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條 16 位或 32 位的指令。程序空間存儲器分為兩個區(qū)，程序存儲器 (Boot 區(qū) ) 和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實現(xiàn)讀和讀 寫保護。用于寫應(yīng)用程序區(qū)的 SPM 指令必須位于引導(dǎo)程序區(qū)。在中斷和調(diào)用子程序時返回地址的程序計數(shù)器 (PC) 保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù)SRAM，因此其深度僅受限于 SRAM 的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指針SP。這個指針位于I/O SRAM可以通過5 種不同的尋址模式進行訪問。AVR 存儲器空間為一線性的平面結(jié)構(gòu)：AVR有一個靈活的中斷模塊?？刂萍拇嫫魑挥贗/O空間，狀態(tài)空間有全局中斷使

31、能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。I/O 存儲器 64 個可以直接尋址的地址，作為 CPU 外設(shè)的控制寄存器、SPI，以及其他 I/O 功能。映射到數(shù)據(jù) 0x20 - 0x5F。I/O口介紹：端口A（PA0PA7） 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 A處于高阻狀態(tài)。端口B（PB0PB7） 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程

32、的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 B處于高阻狀態(tài)。端口B第二功能如下：端口C（PC0PC7） 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。端口D（PD0PD7）為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大

33、電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。端口D第二功能如下：端口E（PE0PE2） 為 3 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 E 處于高阻狀態(tài)。端口E第二功能如下： /RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時間見P42Table 18。持續(xù)時間小于門限時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XA

34、LT1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。 XATL2 反向振蕩放大器的輸出端。3.3 無線收發(fā)模塊無線收發(fā)模塊采用由ETC公司生產(chǎn)的CC1100芯片，這個芯片的特點是：CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。電路主要設(shè)定為在315、433、868和915MHz的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以容易地設(shè)置為300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他頻率。RF收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的

35、前向誤差校正選項，能使性能得到提升。 CC1100為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。 CC1100的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO（先進先出堆棧）可通過SPI接口控制。在一個典型系統(tǒng)里，CC1150和一個微控制器及若干被動元件一起使用?；?.18微米CMOS晶體的Chipcon的SmartRF 04技術(shù)。主要特性： 體積?。≦LP 4×4mm封裝，20腳） 真正的單片UHF RF收發(fā)器 頻率波段：300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz 高靈敏度（1.2kbps下-110dBm，1數(shù)

36、據(jù)包誤差率） 可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，可達500kbps 較低的電流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz） 可編程控制的輸出功率，對所有的支持頻率可達+10dBm 優(yōu)秀的接收器選擇性和模塊化性能 極少的外部元件：芯片內(nèi)頻率合成器，不需要外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換 可編程控制的基帶調(diào)制解調(diào)器 理想的多路操作特性 可控的數(shù)據(jù)包處理硬件 快速頻率變動合成器帶來的合適的頻率跳躍系統(tǒng) 可選的帶交錯的前向誤差校正 單獨的64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO 高效的SPI接口：所有的寄存器能用一個“突發(fā)”轉(zhuǎn)換器控制 數(shù)字RSSI輸出 與遵照EN 300 220(歐洲)和FCC CFR47 Part 1

37、5 (美國)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)相配 自動低功率RX拉電路的電磁波激活功能 許多強大的數(shù)字特征，使得使用廉價的微控制器就能得到高性能的RF系統(tǒng) 集成模擬溫度傳感器 自由引導(dǎo)的綠色數(shù)據(jù)包 對數(shù)據(jù)包導(dǎo)向系統(tǒng)的靈活支持：對同步詞匯偵測的芯片支持，地址檢查，靈活的數(shù)據(jù)包長度及自動CRC處理 可編程信道濾波帶寬 OOK和靈活的ASK整型支持 2-FSK，GFSK和MSK支持 自動頻率補償可用來調(diào)整頻率合成器到接收中間頻率 對數(shù)據(jù)的可選自動白化處理 對現(xiàn)存通信協(xié)議的向后兼容的異步透明接收/傳輸模式的支持 可編程的載波感應(yīng)指示器 可編程前導(dǎo)質(zhì)量指示器及在隨機噪聲下改進的針對同步詞匯偵測的保護 支持傳輸前自動清理信道訪

38、問（CCA），即載波偵聽系統(tǒng) 支持每個數(shù)據(jù)包連接質(zhì)量指示CC1100引腳圖如圖3.3.1所示：圖3.3.1 CC1100引腳圖他的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3.3所示圖3.3.3 CC1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)CC1100的使用說明： VCC腳 接電壓范圍為1.9-3.6V之間，不能在這個區(qū)間之外，超過3.6V， 將會燒毀模塊，最佳電壓是在 3.3V 。硬件上面沒有SPI 的單片機也可以控制本模塊，用普通單片機I/O口模擬SPI不需要單片機真正的串口介入， 只需要普通的單片機I/O口就可以了，當(dāng)然用串口也可以了。與51系列單片機P0口連接時候，需要加的上拉10K電阻，與其余口連接不需要。其他系列的單片機，如果是5

39、V 的，請參考該系列單片機I/O口輸出電流大小，如果超過10mA 需要串聯(lián)電阻分壓，否則容易燒毀模塊的，如果是 3.3V是可以直接和模塊的I/O口線連接。3.4 MAX232芯片 該產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口rs232電平是-10v +10v，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平0 +5v,max232就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)

40、送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。主要特點 ：1、 單5V電源工作2、 LinBiCMOSTM工藝技術(shù)3、 兩個驅(qū)動器及兩個接收器4、 ±30V輸入電平5、 低電源電流：典型值是8mA6、 符合甚至優(yōu)于ANSI標(biāo)準(zhǔn) EIA/TIA-232-E及ITU推薦標(biāo)準(zhǔn)V.287、 ESD保護大于MIL-STD-883（方 法3015）標(biāo)準(zhǔn)的2000V其管腳以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4.1所示： 圖3.4.1 MAX232的引腳以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)它工作溫度（自然通風(fēng)）范圍內(nèi)的極限參數(shù)（除非另有說明）輸入電源電壓范圍，Vcc -0.3V至6V正輸出電源電壓范圍，VS+ Vcc-0

41、.3V至15V負輸出電源電壓范圍，VS - 0.3V至-15V輸入電壓范圍，VI：驅(qū)動器 - 0.3V至Vcc+0.3V 接收器 ±30V輸出電壓范圍，VO：T1OUT，T2OUT VS0.3V至VS+0.3V R1OUT，R2OUT -0.3V至Vcc+0.3V短路持續(xù)時間：T1OUT，T2OUT 未限制工作溫度（自然通風(fēng)）范圍，TA：MAX232 0至70 MAX232I -40至85存儲溫度范圍，Tstg -65至150引線溫度，離外殼1.6mm(1/16英寸)，10秒 260 使用時如果強度超出所列的極限參數(shù)可能導(dǎo)致器件的永久性損壞。這些僅僅是極限參數(shù)，并不意味著在極限參數(shù)條

42、件下或在任何其它超出推薦工作條件所示參數(shù)的情況下器件能有效地工作。延長在極限參數(shù)條件下的工作時間會影響器件的可靠性。4 硬件設(shè)計4.1 采集部分 圖4.1脈搏信號采集電路 脈搏信號采集電路如圖4.1所示，LM393的UA接為單位增益緩沖器以產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓。 由于紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個二極管能產(chǎn)生O.4 V電壓，0.5 mA電流。圖4-1中D2是紅外接收二極管（BPW83型）和D1是紅外發(fā)射二極管（IR333型），他們的工作波長都是940 nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)

43、射強度就越大。在圖4.l中，R5選100 是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R5過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R0過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時，UB的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“O”。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有l(wèi)A的暗電流會造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指

44、透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。因為紅外線是不可見光，在接上電源時不能直觀的知道他是否導(dǎo)通，因此在R5后面節(jié)上一個指示燈來判別他是否正常工作。 因此脈搏信號的采集實際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經(jīng)過UB的放大而得到的。所采集到的信號為2V左右的電壓信號。4.2 濾波部分 按人體脈搏在運動后最高跳動次數(shù)達240次/分計算來設(shè)計低通放大器。低通濾波器是一種用來傳輸?shù)皖l段信號，抑制高頻段信號的電路，當(dāng)信號的頻率高于某一特定的截止頻率fh時，通過該電路的信號就會被衰減，而頻率低于fh的信號則能無阻通過該濾波器。能通過的信號頻率范圍定義為通帶：阻止信

45、號通過的范圍定義為阻帶，通帶與阻帶的分界點就是截止頻率fh。A0為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，稱為通帶電壓增益。當(dāng)輸入信號的頻率由小到大增加到使濾波器的放大倍數(shù)等于0.707A0時，所對應(yīng)的頻率就是截止頻率fh。 圖4.2為壓控電壓源（VCVS）有源二階低通濾波器電路。他由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，信號從運放的同相端輸入，故濾波器的輸入阻抗很大，其輸出阻抗很小。運放OP07與R13和R14組成電壓控制的電壓源，因此稱為壓控電壓源LPF。優(yōu)點是電路性能較穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。A0=Auf+1+Rf/R1 圖4.2中同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益A0，即：A（s）=U

46、0(s)/Ui(s)=Auf/1+(3-Auf)sCR+(sCR)2這種濾波器的傳遞函數(shù)為：令w0=1/RC,稱為特征角頻率：Q=1/（3-Auf），稱為等效品質(zhì)因素；則 A（s）=Auf*w02/(s2+w0*s/Q+w02)=A0*w02/(s2+w0*s/Q+w02)用s=jw代入上式，可得到幅頻響應(yīng)表達式：20lg|A(jw)/Auf| 因此上限截止頻率公式為：f h= 1/(2*3.14*R*C)A=U1/U0 放大倍數(shù)公式為：低通放大電路原理如圖4.2所示： 圖4.2 濾波電路 由上面截止頻率計算公式，圖4.2的截止頻率為：fh=1/(2*3.14*R12*C)=1/（6.48*1

47、0*103*0.47*10-6)=33.8Hz采集到的信號由J1接入，這個信號中含有幾種干擾信號，主要有50Hz的電源信號干擾，所以這部分的主要任務(wù)就是把主要干擾濾掉。因此濾波電路的截止頻率為33.8Hz，于是對于50Hz的干擾則不能通過濾波電路輸出。而放大倍數(shù)A=U1/U0，在這個電路U1/U0=R14/R13=235，所以圖4.1不僅只是濾波作用，還可以對電壓進行放大作用。然而對于50Hz干擾信號來說，16.4Hz已經(jīng)足夠消除他了，對于2uV這樣弱的信號來說235倍的放大是遠遠達不到單片機最小識別高電平（3V）信號的，所以必須還要一個放大電路。可以用個精密的滑動變阻器來代替R13，提高放大

48、倍數(shù)。4.3 放大部分由于脈搏傳感器阻抗高的特點，可以采用傳統(tǒng)的同相放大電路如圖4.3所示，由放大電路原理可以知道放大倍數(shù)公式為：A=U1/U0=R17/R15因為同相比例運算電路在輸入差摸信號的同時伴隨著共摸信號輸入，因此共摸抑制比成為影響運算誤差的重要因素。而在理想運放的情況下的輸出電壓：U輸出= （R17/R15）+1*U輸入 所以相對誤差公式為：相對誤差=（1+1/Kcmr）/（1+1/AodF）-1*100% 所以當(dāng)開環(huán)差摸增益Aod，共摸抑制比Kcmr越大，相對誤差的數(shù)值就越小。 圖4.3 信號經(jīng)過濾波電路之后，電源50Hz的強干擾信號都已經(jīng)被濾掉。他從C9的2端輸入，而C9則對信

49、號再次過濾，把前面留有的暗電流進一步濾掉。運放OP07、R15與R17組成一個放大倍數(shù)可調(diào)的主電路。為了防止放大電壓高過單片機可以處理的+5V電壓，于是只給運放OP07提供5V是供電電壓，這樣就可以讓信號放大超過5V時，也只有5V。經(jīng)過濾波放大電路之后的信號有高低電平，可以讓MCU系統(tǒng)識別了，但還不是很完美的方波，因此在通過一個波形整形電路，把他整成一個完美的方波信號。4.4 555施密特整形電路555構(gòu)成了施密特電路的基本電路如圖4.4.1所示： 施密特電路的工作特點是： 1、有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但是這兩個穩(wěn)定狀態(tài)要靠輸入信號來維持，而且轉(zhuǎn)換也要靠輸入信號的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)2、輸出電壓和輸入電壓具有迂

50、回特性，抗干擾能力強。施密特電路的用途是： （1）整形：將不好的矩形波，變?yōu)檩^好的矩形波。（2）波形轉(zhuǎn)換：將三角波、正弦波和其它波形轉(zhuǎn)換為矩形波；轉(zhuǎn)換后的輸出波形與輸入波形相同。555的內(nèi)部與外部引腳結(jié)構(gòu)如圖4.4.2所示： 555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的電路圖如圖4.4-3所示，波形圖如圖4.4-4所示。施密特觸發(fā)器的工作原理和多諧振蕩器基本一致，原則也基本相同。只不過多諧振蕩器是靠電容器的充放電去控制道路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，而施密特觸發(fā)器是靠外加電壓信號去控制電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。所以在施密特觸發(fā)器中，外加信號的高電平必須大于等于2/3V ，低電平則必須小于等于1/3V ，否則電路不能翻轉(zhuǎn)。 由于施密特

51、觸發(fā)器采用外加信號，所以放電端7腳就空閑了出來。因此整形電路如圖4.4.3所示：信號從J1通過，整形后基本是個方波從J2輸出，進入到下一個部分。圖4.4.34.5 下位機處理部分 下位機單片機部分又分為：單片機復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示部分電路、無線發(fā)送模塊部分、以及單片機的晶振和中央處理部分。4.5.1 單片機復(fù)位電路 復(fù)位電路圖如4.5.1所示： 圖4.5.1 復(fù)位電路有多種，如上電復(fù)位，按鍵復(fù)位等，由于VCC（5V電壓）是對整個下位單片機部分的供電，因此如果采用上電復(fù)位，那么整個模塊在復(fù)位時就會使整個電路處于開，或者通的兩個狀態(tài)，所以考慮到整個電路的供電問題，采用按鍵復(fù)位 ，這樣可以在復(fù)位時候

52、，不需要復(fù)位的部分還可以繼續(xù)處于通電狀態(tài)。復(fù)位電路中安裝發(fā)光二級管的作用是，指示電路是否正常得到供電，也可以用來判斷復(fù)位電路的按鍵是否已經(jīng)按下，即是否復(fù)位。RST是接到單片機上的復(fù)位鍵。4.5.2 數(shù)碼管顯示部分電路 按人體最高時候心跳240次/分的要求，數(shù)碼管最少用到3位，由于考慮到硬件的制作過程，因此選擇4位數(shù)碼管來顯示。其原理圖如圖4.5.2所示 圖4.5.2 圖4.5.2中，J2是一個4.7K的排阻與單片機的PA與VCC口相連，然后跟數(shù)碼管相連，數(shù)碼管是采用共陽的，共陽的數(shù)碼管因為有較高的電源電壓，所以亮度比共陰的亮。用單片機的PC口的PC4-PC7口來做數(shù)碼關(guān)的片選信號接入端。在調(diào)試

53、數(shù)碼管的時候?qū)懙某绦蚓捅仨毞辖尤牍苣_的要求，否則數(shù)碼管就會顯示不正常，或者不顯示的現(xiàn)象。三級管（8550）則可以選擇個人熟悉的來代替。排阻對數(shù)碼管的作用也是比較大的，如果選擇的排阻阻值過低，那么可能因為電路中電流過大，而燒壞數(shù)碼管，選擇的阻值過大而又可能由于輸出電流過小而，使數(shù)碼管顯示暗淡，或者不顯示。4.5.3 無線發(fā)送模塊部分 CC1100無線收發(fā)模塊，他有自己的工作范圍，以及引腳電路，所以使用時要特別注意，否則容易被燒壞。前面雖然介紹了他的主要功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及管腳圖和使用說明等，但他在電路中實際用到的管腳如圖4.5.3.1所示，只用到10個引腳，所以在制作電路的時候要對他合理的封裝。

54、圖4.5.3.2是無線發(fā)送模塊在下位機的連接圖。 圖4.5.3.1 圖4.5.3.2 圖4.5.3.2的左端電路是無線模塊，他的引腳通過J4的那個排針接到單片機的I/O口上，分別對應(yīng)為PB7-SCK、PB6-SO、PB5-SI、PB3-GDO0、PB2-CSn、PD2（INT0）-GDO2。圖中最右端就一個提供給CC1100供電的電路，因為這個芯片所用到的最佳電壓為VDD=3.3V，所以采用電阻分壓法提供VDD，由電路可以知道：VDD=5*R12/（R11+R12）因此VDD=5*39/（39+20）=3.305V4.5.4 單片機的晶振和中央處理部分 單片機的晶振和中央處理部分電路圖如圖4.5.4所示：由于ATmega8515的使用晶振范圍是0-8MHz