畢業(yè)設計：基于單片機的語音智能心率儀設計（終稿）

1、1 引言當前，在世界范圍內(nèi)，一個以微電子技術(shù)，計算機和通信技術(shù)為先導的，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為中心的信息革命方興未艾。為使我國盡快實現(xiàn)經(jīng)濟信息化，趕上發(fā)達國家水平，必須加速發(fā)展我國的信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)。而計算機技術(shù)怎樣與實際應用更有效的結(jié)合并有效的發(fā)揮其作用是科學界最熱門的話題，也是當今計算機應用中空前活躍的領域4。單片機以其集成度高、運算速度快、體積小、運行可靠、價格低廉、等優(yōu)勢，在過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術(shù)等方面得到了廣泛的應用。特別是單片機嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與應用，標志著計算機發(fā)展史上又一個新的里程碑。作為計算機兩大發(fā)展方向之一的單片機，以面向?qū)ο蟮牡?/p>

2、實時控制為己任，嵌入到如家用電器、汽車、機器人、儀器儀表等設備中使其智能化11。目前單片機滲透到人們生活的各個領域。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù)傳輸，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，一級程控玩具、電子寵物等，都離不開單片機。單片機在智能儀器儀表中的應用便是其中最多、最活躍的領域之一。在各種儀器儀表中引入單片機，不但使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，更能簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比1。心率是指單位時間內(nèi)心臟搏動的次數(shù)。一般指每分鐘的心跳次數(shù)，是臨床常規(guī)檢查的生理指標,也是了解人體健康

3、的重要參數(shù)之一。實時準確顯示心率在生物、醫(yī)學以及體育運動方面都有廣泛的應用2。語音智能心率儀是通過紅外光電傳感采集手指動脈波信號，經(jīng)過放大和整形處理，經(jīng)可調(diào)分頻器后送入單片機進行計算4,快速地轉(zhuǎn)換為一分鐘心率，同時利用溫度傳感器測出人體的溫度，并將結(jié)果予以led顯示，同時有語音播報心率功能，并且可根據(jù)心率值自動辨別心率的高低，由語音播報器播報心率異常易得何種疾病，應如何解決等，起到心率知識的普及作用。目前測量心率的儀器很多，但是并沒有語音提示的功能，本次設計的創(chuàng)新點就是使用語音提示來進行心率的科普知識宣傳（比如正常的心率是多少，高心率可能引起什么疾病等等）；另外考慮到心率的測量和溫度的測量就是

4、一個傳感器的區(qū)別，這里還考慮一個附加功能，就是溫度的測量（有時溫度的也會影響到心率）；因此實現(xiàn)的功能中包含溫度測量，這也是其中一個創(chuàng)新點。2 課題研究背景21 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在我國古代，就把心率跳動的快慢作為診斷疾病的一個重要依據(jù)，古代的醫(yī)生通常通過把脈了解脈象來診斷病人，速率便是其中脈象之一。由于我國一直處于生產(chǎn)力低下的封建社會，因此幾千年來，測量心率只是依靠把脈來人為的大致了解，并不能精確的反應一個人的心率變化，這種方式一般在現(xiàn)代也比較普遍，主要用于病情不是很嚴重的患者和體能運動較少的人中。在病情嚴重的病人中，手測比較耗費時間且容易拖延病情；在體育比賽中，對運動員進行手測心率也不太現(xiàn)實

5、且耗費人力和時間。隨著物理學生物學的發(fā)展，在國外首先出現(xiàn)了電阻法和壓力法測量心率的方法，電阻法是根據(jù)動脈血流動時的電阻率的改變，檢測出改變即可獲得心率，該法誤差明顯，受皮膚的影響很大且因人、因時而異；壓力法往往和測血壓連用，測量結(jié)果精確，缺點是體積大且需氣泵，本法可用于醫(yī)學臨床心率檢測。另外還有紅外法，此法是將光電傳感器至于手指尖，利用動脈搏動時血管的血液容積變化，紅外光的透射性就會發(fā)生變化，從而進行采集波動變化4,7，該法受皮膚影響會造成測量誤差，主要用于個人保健，該法是最常用的保健心率測量法。此外還有心電位法，是測量心電圖的方法，精確且能獲得多種心跳參數(shù)，但因使用方法和電極安放均非常專業(yè)化

6、，且這種心電圖儀往往體積龐大，不便于移動，則無法應用于作業(yè)現(xiàn)場5,故僅用于某些心臟病患者的遠程監(jiān)控。隨著電力電子和無線技術(shù)的發(fā)展，國外已經(jīng)研制出利用心率傳輸帶采集人的心臟電波（如同醫(yī)院的心電圖測試傳感原理），通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送到心率表中，更有效地提醒運動監(jiān)視對象控制心率，防止猝死，同時通過控制心率范圍，達到最佳的鍛煉效果。其中芬蘭博能(polar)心率表處于世界領先地位，目前在歐美等發(fā)達國家及地區(qū)深受運動愛好者歡迎。 22 語音智能心率儀發(fā)展前景 目前，醫(yī)院中還沒有帶語音提示的心率儀，醫(yī)院中一般采用心電儀來獲取心電圖觀察病情，這主要是針對心臟疾病患者，普通的患者只要用手大概測一下就行了，但是

7、這樣并不能給人們帶來快捷和知識的普及。此外運動員所用的心率表只適合專業(yè)人士，價格較昂貴。語音智能心率儀恰恰適合最廣大的群眾的需求，它體積小，重量輕，抗干擾能力強，穩(wěn)定性能好，電路成本低，使用方便等，相信不久的將來，語音智能心率儀將廣泛應用于醫(yī)療事業(yè)且逐步轉(zhuǎn)向家用。 23 課題研究重點本課題重點是如何把單片機技術(shù)、語音技術(shù)、心率檢測技術(shù)這三者完美的結(jié)合,同時還要看到這三門技術(shù)各自的發(fā)展趨勢,在設計的過程當中力求用到各自的新技術(shù)。我們主要運用at89c55,ds18b20,max232,isd4004等芯片完成基于單片機的語音智能心率儀的設計,并協(xié)作軟件設計實現(xiàn)課題所要求的功能。并且搭建硬件電路、

8、用protel制作pcb板、協(xié)作軟件對系統(tǒng)進行功能仿真、對遇到的問題能通過查閱資料解決，對智能心率檢測、語音技術(shù)、單片機技術(shù)有進一步的了解,并能把他們有機的結(jié)合，另外添加了對人體溫度的測量，有時候人體溫度也會影響到心率，這里的溫度起到一個參考作用。本人負責該課題的硬件部分，能夠正確理解心率檢測儀的工作原理；熟悉相關(guān)科研設備和工具；按要求設計出整個語音報警系統(tǒng)的硬件電子電路，包括鍵盤掃描、單片機控制、語音電路、顯示、通信等部分，并完成原理圖及pcb板的繪制，最終進行系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào)，完成設計目標；另外還需對相關(guān)科研情況有所了解。3 方案總體設計基于單片機的語音智能心率儀其主要功能是：采人體脈搏，

9、然后與標準脈搏相比較，倘若溫度超過標準脈搏就會實現(xiàn)語音報警。該系統(tǒng)的硬件部分包括心率采集及處理模塊、溫度采集模塊、語音芯片及其外圍電路模塊、數(shù)碼管顯示模塊、通訊模塊、鍵盤模塊、單片機處理模塊等。具體工作過程是：系統(tǒng)輸入由紅外光電傳感器采集的脈搏信號，由數(shù)字溫度傳感器采集人體溫度，心率采集通過濾波放大整形處理后輸入到單片機，再由單片機控制語音芯片發(fā)出語音，該語音是由錄音電路事先錄制入isd4004的語音段，并且用數(shù)碼管同步顯示脈搏或溫度。系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。心率采集及處理按鈕控制溫度采集及處理單片機心率及溫度顯示語音報警及知識普及圖3.1 系統(tǒng)框圖4 硬件總體設計41 元器件的選型根據(jù)系統(tǒng)的

10、需要本人選擇at89c55單片機作為核心的控制芯片，用isd4004作為語音報警芯片，紅外光電作為心率傳感器，ds18b20作為溫度傳感器，max232作為通信部分芯片，數(shù)碼管選用四位一體的共陽極數(shù)碼管并且采用動態(tài)掃描顯示方式，用74ls244和四個pnp組成的電路分別作為段驅(qū)動和位驅(qū)動。42 關(guān)鍵器件介紹421 at89c55at89c55是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含20k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令

11、系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大的at89c55單片機可為大家提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。主要性能參數(shù)： 與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)可重復擦寫flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0hz-24mhz 三級加密程序存儲器 1288字節(jié)內(nèi)部ram 32個可編程i/o口線 兩個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 可編程串行uart通道 低功耗空閑和掉電模式功能特性概述：at89c55提供以下標準功能：4k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個5向量

12、兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通行口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，at89c55可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時器/計數(shù)器，串行通行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保護ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。引腳結(jié)構(gòu)：圖4.2.1 at89c55引腳結(jié)構(gòu)引腳功能說明： vcc：電源電壓 gnd：地 p0口：p0口是一組8位漏級開路型雙向i/o，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序

13、存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序效驗時，輸出指令字節(jié)，效驗時，要求外接上拉電阻。 p1口：p1口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。flash編程和程序效驗期間，p1接收低8位地址。 p2口：p2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸

14、出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movxri指令）時，p2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中r2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。flash編程或效驗時，p2亦接收高位地址和其它控制信號。 p3口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io口。p3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電

15、流）4 個ttl邏輯門電路。對p3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的p3 口將用上拉電阻輸出電流。p3口除了作為一般的io口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表4.1.1所示：p3口還接收一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 rst：復位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 aleprog： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale 仍以時鐘振蕩頻率的l6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目

16、的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要可通過對特殊功能寄存器區(qū)中的8eh單元的do 位置位，可禁止ale 操作。該位置位后，只有一條movx和movc指令ale才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ale無效。1,6表4.2.1.1 p3口第二功能端口引腳第二功能p3.0rxd(串行輸入口)p3.1txd(串行輸出口)p3.2(外部中斷0)p3.3(外部中斷1)p3.4t0(定時計數(shù)0外部輸入)p3.5t1(定時計數(shù)1外部輸入)p3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)p3.7(

17、外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) psen：程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89c55 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的psen信號出現(xiàn)。 eavpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當然這必須是該器件是使用12v

18、編程電壓vpp。 xtal1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。表4.2.1.2 at89c55的極限工作參數(shù)4工作溫度 55 to +125儲藏溫度 55 to +125任一腳對地電壓 1.0v to +7.0v最高工作電壓 6.6v直流輸出電流 15.0 ma422 isd4004isd4004語音系列芯片是美國isd公司推出的產(chǎn)品，具有多次重復錄放，存儲時間長，使用時不需擴充存儲器，所需外圍電路簡單等特點。isd4004芯片工作電壓3v,單片錄放時間8至16分鐘,音質(zhì)好,適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用cmos技術(shù),內(nèi)含振蕩

19、器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(spi或microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù), 每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0khz,頻率越低,錄放時間越長,而音質(zhì)則有所下降,片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中,可在斷電情況下保存100年(典型值),反復錄音10萬次。isd4004引腳排列：圖4.2.2 isd4004引腳

20、結(jié)構(gòu)引腳描述：電源:(vcca,vccd) 為使噪聲最小,芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線,并且分別引到外封裝的不同管腳上,模擬和數(shù)字電源端最好分別走線,盡可能在靠近供電端處相連,而去耦電容應盡量靠近器件。同相模擬輸入(ana in+) 這是錄音信號的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動。單端輸入時,信號由耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值32mv,耦合電容和本端的3k電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅(qū)動時,信號最大幅度為峰峰值16mv，為isd33000系列相同。反相模擬輸入(ana in-) 差分驅(qū)動時,這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值1

21、6mv。音頻輸出(aud out) 提供音頻輸出,可驅(qū)動5k的負載。片選(ss) 此端為低,即向該isd4004芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。串行輸入(mosi) 此端為串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端,供isd輸入。串行輸出(miso) isd的串行輸出端。isd未選中時,本端呈高阻態(tài)。串行時鐘(sclk) isd的時鐘輸入端,由主控制器產(chǎn)生,用于同步mosi和miso的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在sclk上升沿鎖存到isd,在下降沿移出isd。中斷(/int) 本端為漏極開路輸出。isd在任何操作(包括快進)中檢測到eom或ovf時,本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一

22、個spi周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用rint指令讀取。行地址時鐘(rac) 漏極開路輸出。每個rac周期表示isd存儲器的操作進行了一行(isd4004系列中的存貯器共2400行)。該信號175ms保持高電平,低電平為25ms。快進模式下,rac的218.75s是高電平,31.25s為低電平。該端可用于存儲管理技術(shù)。200ms 25ms外部時鐘(xclk) 本端內(nèi)部有下拉元件。芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校,誤差在 +1%內(nèi)。商業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內(nèi), 頻率變化在+2.25%內(nèi)。工業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內(nèi),頻率變化在-6/+4%內(nèi),此時建議使用穩(wěn)壓電源。若要求更高精度,可從本

23、端輸入外部時鐘(如前表所列)。由于內(nèi)部的防混淆及平滑濾波器已設定,故上述推薦的時鐘頻率不應改變。輸入時鐘的占空比無關(guān)緊要,因內(nèi)部首先進行了分頻。在不外接地時鐘時,此端必須接地。自動靜噪(amcap) 當錄音信號電平下降到內(nèi)部設定的某一閾值以下時,自動靜噪功能使信號衰弱,這樣有助于養(yǎng)活無信號(靜音)時的噪聲。通常本端對地接1mf的電容,構(gòu)成內(nèi)部信號電平峰值檢測電路的一部分。檢出的峰值電平與內(nèi)部設定的閾值作比較,決定自動靜噪功能的翻轉(zhuǎn)點。大信號時,自動靜噪電路不衰減,靜音時衰減6db。1mf的電容也影響自動靜噪電路對信號幅度的響應速度。本端接vcca則禁止自動靜噪。423 ds18b20ds18b

24、20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)11,12ds18b20采用3腳pr35封裝，如圖4.2.3.1所示。 圖4.2.3.1 ds18b20封裝ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.2.3.2所示11：圖4.2.3.2 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl、配置寄存器。1) 64位光刻rom。光刻rom中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址序列碼。64位光刻rom的排列是：開始8位（28h）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該ds18b20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（crc=x8+x5

25、+x4+1）。光刻rom的作用是使每一個ds18b20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個ds18b20的目的12。64位閃速rom的結(jié)構(gòu)如下：8b檢驗crc48b序列號8b工廠代碼（10h） 2）溫度傳感器。 ds18b20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/lsb形式表達，其中s為符號位。3) 非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報警上下限值。4) 配置寄存器。可以設置ds18b20溫度轉(zhuǎn)換的精度。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存ram和一個非易失性的可電擦除的e2pra

26、m。高速暫存ram的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖4.2.3.2所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)th和tl的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。ds18b20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應精度的溫度數(shù)值。它的內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)和字節(jié)定義如圖4.2.3.3所示。低5位一直為，tm是工作模式位，用于設置ds18b20在工作模式還是在測試模式， byte0溫度測量值lsb（50h）byte1溫度測量值msb（50h）byte2th高溫寄存器byte3tl低溫寄存器byte4配位寄存器byte5預留（ffh）byte6

27、預留（0ch）byte7預留（ioh）byte8循環(huán)冗余碼校驗（crc）圖4.2.3.3 ds18b20內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)ds18b20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設置分辨率，如圖4.2.3.4。tm r1r0 1 1 1 1 1圖4.2.3.4 ds18b20字節(jié)定義由表4.2.3.1可見，分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應用要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存ram的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的crc碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當ds18b20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開

28、始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625lsb形式表示。當符號位s0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當符號位s1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表4.2.3.2是一部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)6。表4.2.3.1 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時間表：r1r0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms00993.750110187.510113751112750表4.2.3.2 一部分溫度對應值表溫度/二

29、進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00000191h+10.1250000 0000 1010 000100a2h+0.50000 0000 0000 00100008h00000 0000 0000 10000000h-0.51111 1111 1111 0000fff8h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90hd

30、s18b20的測溫原理6：每一片dsl8b20在其rom中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)rom 中。主機在進入操作程序前必須用讀rom(33h)命令將該dsl8b20的序列號讀出。程序可以先跳過rom，啟動所有dsl8b20進行溫度變換，之后通過匹配rom，再逐一地讀回每個dsl8b20的溫度數(shù)據(jù)。ds18b20的測溫原理如圖4.2.3.5所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系

31、數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入。計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4.2.3.5中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法

32、計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。圖4.2.3.5 ds18b20測溫原理示意圖424 max232a) 一般說明 max232是由德州儀器公司(ti)推出的一款兼容rs232標準的芯片。由于電腦串口rs232電平是-10v +10v，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電+5v,max23

33、2 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標準，每一個接收器將tia/eia-232-f 電平轉(zhuǎn)換成5v ttl/cmos 電平。每一個發(fā)送器將ttl/cmos 電平轉(zhuǎn)換成tia/eia-232-f 電平。這些接收器具有1.3v 的典型門限值及0.5v的典型遲滯，而且可以接收30v的輸入。所有的驅(qū)動器、接收器及電壓發(fā)生器都可以在德州儀器公司的linasic元件庫中得到標準單元。max232的工作溫度范圍為0至70。 b) 特點 單5v電源工作 linbicmos 工藝技術(shù) 兩個驅(qū)動器及兩個

34、接收器 30v輸入電平 低電源電流：典型值是8ma 符合甚至優(yōu)于ansi標準eia/tia-232-e及itu推薦標準v.28 可與maxim公司的max232互換 esd保護大于mil-std-883（方法3015）標準的2000v c) 引腳排列dw或n封裝（頂視）圖4.2.4 max232封裝圖d) 應用范圍eia/tia-232-e電池供電系統(tǒng) 終端調(diào)制解調(diào)器計算機 43 心率采集及處理模塊a) 采集及處理部分整體框圖 如圖4.3.1所示有源濾波放大整形傳感器 圖4.3.1 放大與整形電路框圖1) 傳感器：傳感器采用了紅外光電傳感器，將測得的信號傳給放大電路。血液是一種高度不透明液體，

35、血液中含有大量的血紅細胞，這種細胞具有很強的吸收紅外線的功能。因此，紅外線在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。當人體動脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張，動脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時，動脈所在部分的人體組織對于紅外光的透射性就會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯，因而取手指作為信號采集部位，將人的脈搏信號轉(zhuǎn)換成電信號4。紅外光電傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示,d1和d4組成光電傳感器。圖4.3.2 光電傳感器2) 放大濾波電路：由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采用了同相放大器，因光電傳感器輸出的電脈沖信號是非常微弱的信號，而且頻率很低(如脈搏5o次分鐘為078hz，20

36、0次分鐘為333hz)，并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要先經(jīng)過r2、c2低通濾波，去除高頻干擾。當傳感器檢測到較強的干擾光線時，其輸出端的直流電壓信號會有很大變化。為避免干擾信號傳到u2b輸入端，造成錯誤指示，用c1耦合電容將其隔離。運放u2b將信號放大200倍，并與r7、c7組成截止頻率為10hz左右的低通濾波器，進一步濾除殘留干擾。如圖4.3.3 所示，運放采用了lm324，電源電壓5v，放大電路的電壓放大倍數(shù)為200倍左右。 圖4.3.3 放大濾波電路3) 整形電路：如圖4.3.4所示，u2b輸出的是疊加有噪聲的脈動正弦波信號，此信號由比較器u2d轉(zhuǎn)換成方波。用r2可將該比較器的閾值調(diào)

37、節(jié)在正弦波的幅值范圍之內(nèi)。 圖4.3.4 整形電路4) 微分電路、單穩(wěn)多諧振蕩器及分壓電路：u2d的輸出信號經(jīng)c10、r25組成的微分電路微分后將正、負相間的尖脈沖加到單隱多諧振蕩器u2c的反相輸入端。當有輸入信號時,u2c在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平,使c8通過r8充電，約20ms后，因c8充電電流減少而使u2c同相輸入端的電壓降低，當其低于反相輸入端的電位時(尖脈沖已過去很久)，u2c改變狀態(tài)并再次輸出低電平，該20ms長的脈沖信號與脈搏同步，并通過紅色發(fā)光二級管d2閃爍指示。該脈沖信號通過r28送單片機t0口計算，得到每分鐘的脈搏次數(shù)。5v電源電壓由r4、r5分壓后得到2.

38、5v電壓，經(jīng)u2a緩沖后用作u2b、u2d、u2c的參考電壓。圖4.3.5 微分電路和單穩(wěn)多諧振蕩器及分壓電路b) 傳感器部分整體電路圖如4.3.6所示圖4.3.6 傳感器及處理部分電路圖44 溫度采集模塊圖4.4. 溫度傳感器電路圖采用3腳pr35封裝或8腳soic封裝，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比,它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)12位（二進制）的數(shù)字值讀值讀數(shù)方式。dsl8b20的測量范圍從-55+125，增量值為0.062510，1s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。ds18b20最大的特點是可采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，即ds18b20的數(shù)據(jù)i/o公口公用一條輸出

39、線。由于系統(tǒng)溫度采集點數(shù)不多，采用一對一的接線方式，即每一個ds18b20的數(shù)據(jù)線與單片機一個i/o口相連10,11。45 語音芯片及其外圍電路模塊 如圖中所示89c55與isd4004之間的連接較少，單片機p2.3接isd4004的片選/ss,控制isd4004的選通與否。p2.4接isd4004的sclk,p2.5接isd4004的串行輸入引腳mosi,從該引腳讀入放音的地址。p2.6接isd4004的miso,p2.7接isd4004的中斷引腳/int。對于isd4004的連接還有音頻信號輸出引腳audout及接功率放大器放大后將信號輸入給喇叭。錄音電路接isd4004的amcap。is

40、d4004的連接如下圖：圖4.5 isd4004的連接圖錄音過程：當單片機的控制錄放的按鍵接通高電平時，此時錄音指示燈亮，表明可以錄音了。isd4004的片選信號為低電平，并且保持到錄音結(jié)束；同時，由單片機向isd4004發(fā)送一串行指令：8位控制碼16位地址碼，通過串行輸入口mosi輸入，表示從此地址開始錄音，直到到達存儲器的末尾或新的串行指令要求它結(jié)束，這樣就形成一錄音段。放音過程：單片機的錄放鍵是接通低電平的情況下，當單片機檢測到溫度過限時，它會通過mosi向isd4004發(fā)送一串行指令，同樣是8位控制碼16位地址碼，控制碼表示放音，地址碼表示從此地址開始放音，直到到達存儲器的末尾或放音結(jié)

41、束指令再次輸入停止，這樣就實現(xiàn)了放音功能。語音信號的固化：語音信號固化時，控制命令要遵循spi串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如上電命令(power up)，錄音命令(rec)等。將語音信號固化到語音庫時，首先根據(jù)芯片的時序發(fā)送上電命令并相應地進行延時處理，再將地址信息發(fā)送給isd4004芯片，接著發(fā)送錄音設置及錄音命令，直到出現(xiàn)錄音結(jié)束標志ovf后結(jié)束錄音。isd4004芯片工作電壓3v,單片錄放時間8至16分鐘,音質(zhì)好,適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用cmos技術(shù),內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制

42、,操作命令可通過串行通信接口(spi或microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù), 每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。 46 數(shù)碼管顯示模塊顯示部分采用共陽極led顯示 ，數(shù)碼管的引腳圖以及接線圖見下圖4.6.1：圖4.6.1數(shù)碼管接線圖本課題采用dpy-4-sec-dp型數(shù)碼管。每個段的驅(qū)動電流大概是10ma,8段全亮時大約是80ma，由于單片機低電平驅(qū)動p0口提供16ma電流，因此外加74ls244進行段控輸出的驅(qū)動和單片機的p0口相接，以提供足夠的電流。四個

43、位選信號接四個pnp管子的集電極,共發(fā)射極接電源,由于單片機低電平驅(qū)動p1、p2、p3口提供8ma電流，而三極管有個放大倍數(shù)(假設=100,位驅(qū)動需要驅(qū)動電流為100ma，那么基極只需要給1ma的電流)，所以四個三極管的基極接限流電阻后分別接單片機的p2.0、p2.1、p2.2、p3.7。具體連接圖見圖4.6.2所示： 圖4.6.2數(shù)碼管連接圖47 通訊模塊通信電路的功能是將單片機測量的心率數(shù)據(jù)上傳pc機。本電路采用一片max232e芯片將ttl電平轉(zhuǎn)換成pc機所能識別的電平，再通過一個標準的9針接口與pc機連接，外圍電路豐富簡單，只需要5個1f的電容器，具體電路如圖4.7.1所示圖4.7.1

44、 通訊部分整體電路圖48 鍵盤模塊鍵盤的6個鍵分別接到單片機的p10-p15上，采用查詢方式進行工作。因為p0口是弱上拉，所以開關(guān)斷開p0口就是高電平，開關(guān)接通，弱上拉能力很弱，就被拉到低電平，相當于單片機p0口內(nèi)部的mos管做了上拉電阻到電源。按鍵1按下，測量心率；鍵2按下，測量體溫；按鍵3按下，錄音，其他按鍵備用。鍵盤部分的電路圖如圖4.7所示。圖4.8 鍵盤部分電路圖測量開始應先設置需檢測的人的心率范圍，例如我們需要測的是一個人的心率，先把檢測心率裝置夾于手指、把檢測溫度裝置夾在腋窩下，然后按下k1鍵，單片機從p15口得到一個低頻信號，開始測量人體心率，一段時間后，顯示心率值并語音播報，

45、測量所得的數(shù)自動與60-100比較，如在次數(shù)范圍內(nèi)則語音輸出“您的心率正常，健康成人的心率為60100次/分，大多數(shù)為6080次/分，女性稍快；3歲以下的小兒常在100次/分以上；老年人偏慢。隨著體溫的升高，心率值也會有相應的提高。為了保持您的健康您可在平時多鍛煉身體，保持良好的心情”。如不在，當高于100次/分時，則輸出語音 “您的心率偏高，請注意，運動、情緒激動、精神緊張及有發(fā)熱癥狀，貧血或者心功能不全者都可能引起心率過高。心率過高容易引發(fā)心臟的舒張及收縮不完全，從而引起胸悶，呼吸不暢”報警；當?shù)陀?0次/分時，則輸出語音“您的心率偏低，請注意，主要的原因有1.心率不齊引起的病竇綜合癥2.

46、 心絞痛引起的急性心肌梗死3. 情緒低下引起的甲狀腺功能低下4. 頭痛引起的顱內(nèi)壓高5.一些藥物也可以導致心率慢，如異博定、地高辛等。”報警。再按下k2鍵顯示人體溫度，這個溫度起到參考作用，若體溫偏高，則語音輸出“您的體溫偏高，請注意身體”，若體溫偏低則語音輸出“您的體溫偏低，請注意身體”，若體溫正常則輸出“您的體溫正常,人體正常體溫平均在3637之間，超出這個范圍就是發(fā)熱，38以下是低熱，39以上是高熱。40 以上隨時有生命危險?！?9 單片機處理模塊4.9.1 心率處理模塊語音心率檢測儀是通過光電傳感器采集手指動脈波信號經(jīng)過放大和整形成方波后送入單片機進行計算快速地轉(zhuǎn)換為一分鐘心率。本設計

47、采用紅色發(fā)光二極管led發(fā)出的光線通過人手指照射在光敏三極管的感光窗口上,當指尖的血流量隨心臟跳動而改變時從led通過指尖到達光敏三極管的光線強弱隨之改變,這樣光敏三極管的電流也發(fā)生波動性變化,從而采集到心臟搏動信號。心率值計算方法：設k個連續(xù)的動脈搏動所用時間為 t 秒,在時間 t 內(nèi)心率的平均值為 n 次/分，則 n=60k/t （1）為了能夠用單片計算機測定 t 值,我們利用脈搏信號控制（在k個連續(xù)的脈搏周期內(nèi)）單片機的定時/計數(shù)器t0定時(定時1ms中斷一次)用工作寄存器對中斷次數(shù)進行計數(shù)然后讀取計數(shù)值。設該計數(shù)值為n于是有： t=0.001n （2）可以得到： n=60k/0.001

48、n （3）上式就是利用單片計算機測定心率值的數(shù)學模型14。at89c55單片機接收到傳感器電路傳過來的第一個脈沖信號后，隨即產(chǎn)生外部中斷，在中斷服務程序中啟動定時器t0定時(定時1ms中斷一次)。當定時器t0溢出時產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷程序?qū)Χ〞r器中斷次數(shù)n進行累加，在t0接收到傳感器部分輸出的第二個脈沖信號后，執(zhí)行外部中斷程序停止定時器t0定時，關(guān)閉t0中斷，同時讀取中斷次數(shù)n，利用公式(3)計算出心率數(shù)n。4.9.2 溫度處理模塊溫度檢測采用芯片ds18b20， dq端與單片機at89c55的int1相連。在按鍵2按下時，即p1.4為低電平時，中斷，調(diào)用溫度測量子程序。ds18b20溫度采集轉(zhuǎn)

49、化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。5 軟件部分概述本系統(tǒng)軟件由單片機c語言編寫而成，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計。主程序流程圖如下：開始初始化按鍵掃描調(diào)用心率檢測與處理模塊調(diào)用溫度測量與處理模塊錄音語音播報led顯示led顯示語音播報按鍵1按鍵2按鍵3nnnyyy圖5.1 主流程框圖本系統(tǒng)軟件由單片機c語言編寫而成，軟件編程時采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設計方案。將整個程序進行細化，分成若干

50、個子程序模塊，最后再將子程序模塊在主程序中連接起來，形成整個軟件控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)可以分成鍵盤掃描子模塊、心率信號檢測與處理子模塊、溫度檢測與處理子模塊、語音播報與提示子模塊、led顯示子模塊，通信模塊。整個系統(tǒng)實現(xiàn)的功能為：掃描按鍵，若按鍵1按下，調(diào)用心率檢測模塊，進行心率測量與處理，并調(diào)用語音進行語音報警與提示，心率值由led顯示出來；若按鍵2按下，調(diào)用溫度檢測模塊，進行溫度的測量與處理，并調(diào)用語音進行語音報警與提示，溫度值由led顯示出來；若按鍵3按下，錄音顯示燈點亮，可以對著麥克風進行錄音。6單片機系統(tǒng)硬、軟件的調(diào)試6.1硬件調(diào)試 根據(jù)設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調(diào)試階段

51、。調(diào)試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。1.脫機檢查：用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。2.調(diào)試：暫時排除目標板的cpu和eprom，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調(diào)試，調(diào)試各部分接口電路是否滿足設計要求。這部分工作是一種經(jīng)驗性很強的工作，一般來說，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調(diào)試的。通常的方法是，先編調(diào)試軟件，逐一檢查調(diào)試硬件電路系統(tǒng)設計的準確性。其次是調(diào)試monitor程序，

52、只有monitoer程序正常工作才可以進行下面的應用軟件調(diào)試。印刷線路板是測控系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，其設計合理與否，對系統(tǒng)的抗干擾性影響很大。所以在設計印刷線路板時，要遵循一定的抗干擾設計原則。本系統(tǒng)在設計時所采取的抗干擾措施如下：a)采用隔離法消除各板塊間的相互串擾將模擬信號輸入和轉(zhuǎn)換電路、功率輸出控制電路、開關(guān)量輸入電路、cpu主控電路分別設計在不同的線路板上；采用光電隔離切斷主控板與輸出控制、開關(guān)量輸入部分的uo口通道間的電聯(lián)系。從而有效防止各部分電路間的相互干擾，以及防止某些干擾從過程通道竄入主機。b)防止線間串擾：對弱信號線進行屏蔽保護；各板卡間選用可靠的線路連接件；電源線與信號線分開走線。c)合理布局地線：在微型機系統(tǒng)中，地線主要有系統(tǒng)地、屏蔽地、數(shù)字地和模擬地等類型。d)布線所注意事項1)任何信號線都不形成環(huán)路；走線盡量短直；盡量減少過孔量；盡量用450折線而不用90的折線布線。2)布電源線時，根據(jù)電流大小，盡量加粗導線寬度，并使電源線、地線走向與數(shù)據(jù)傳送方向一致，這有助于增強系統(tǒng)的抗干擾性。3)時鐘線盡量垂直于v0口線，這比平行于i/o口線的干擾小。4)模擬信號輸入線、參考電壓端盡量遠離數(shù)字電路信號線：ad574a的數(shù)字部分與模擬部分不交叉。e)芯片管腳處理由于cmos芯片輸入阻抗高，易受感應，所