盆花自動澆水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、盆花自動澆水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)THE DESIGN AND IMPLEMENTATIONOF THE AUTOMATIC FLOWERWATERING SYSTEM專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：指導教師姓名：論文提交日期：2012年6月10日隨著社會經濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，花卉逐漸收到人們的宵睞，可以說 綠色植物正逐漸成為人們生活中不可或缺的一部分。很多家庭都種植有花卉植 物，這些植物不僅美化了人們的生活，工作環(huán)境，還能凈化空氣，陶冶情操，人 們看見往往會賞心悅目。眾所周知，花沒有了水就會枯萎，當主人外出旅游或出 差時，這些花卉植物就會處丁無人澆水的境地， 所以設計一種可以自動對花卉按

2、時澆水，且澆水量可根據土壤的實際濕度而按時調整的盆花自動澆水系統(tǒng)是十分 必要的。而單片機作為能實現(xiàn)這一功能的元器件當然當仁不讓的成為了主角。利用單片機設計一款家庭智能澆花器， 小者來說實現(xiàn)自動澆花，節(jié)省人力，當人們 外出的時候，不至丁影響花卉的生長，如果在家也可以關斷澆花器，手動澆花。往大的方面，盆花自動澆水系統(tǒng)還可以拓展到農業(yè)的莊稼自動澆水， 果樹自動澆 水和園林的草地自動噴灌等好多方面。 盆花自動澆水系統(tǒng)雖然有局限性，但是弄 懂其精髓，會有舉一反三的效果關鍵詞：數碼管；單片機；濕度傳感器；按鍵；DS1302;繼電器；定時；切 換；濕度檢測ABSTRACTPulse information

3、in traditional Chinese medicine and Western medicine is very important significance, as this information has always been the clinical diagnosis and treatment of medical attention. This thesis is based on microprocessor-type pulse detector means, the main research work are as follows: pulse with infr

4、ared photoelectric sensor that detects the body's pulse signal, after two second-order, low pass filter circuit effectively removes frequency noise. Get the analog signal and then through the A / D converted into digital signals, input microcontroller. Single chip pick digital signal pulse of re

5、al-time acquisition and analysis of the data processing. Meanwhile, in order to ensure the effective pickup pulse signals, to reduce unnecessary interference power, specially designed for the entire system of linear DC power supply. System can display real time measured by the pulse beats, per minut

6、e and the pulse will be measured by comparing the situation with the normal. If the results are quite different, the system will automatically set sound and light alarm. After debugging, the system can more accurately read the pulse of the pulse sensors pick up information, and can display and alarm

7、, so as to achieve the desired design goals. The whole system has a simple structure, small size, high reliability, low cost and easy to use and so on, with higher versatility and value in applications.Keywords： LCD1602; SCM; Pulse transducer; Low amplifier circuit第一章緒論1.第一節(jié)本課題的研究背景和意義1.第二節(jié)盆花白動澆水系統(tǒng)的

8、研究狀況 2第二章盆花白動澆水系統(tǒng)的結構設計 4第一節(jié) 盆花白動澆水系統(tǒng)簡介 4.第二節(jié) 系統(tǒng)的總體結構 7.第三章系統(tǒng)硬件設計9.第一節(jié)溫濕度傳感器模塊9.第二節(jié) DS1302 塊10第三節(jié)數碼管模塊18第四章 系統(tǒng)軟件設計 26第一節(jié)軟件主程序26第二節(jié)各模塊驅動程序29第五章結論35參考文獻致謝附錄1附錄2天津科技大學2010屆本科生畢業(yè)設計第一章緒論第一節(jié)本課題的研究背景和意義隨著社會的進步經濟的發(fā)展，人們生活質量的逐漸提高，花卉受到了人們的 宵睞?；ɑ芷撩烙^，不但能陶冶情操、還能豐富人們的生活，最重要的是，花 卉可以進行光和作用，吸收二氧化碳釋放氧氣，有花草的地方空氣中有大量的陰

9、離子，空氣因此而活新。許多花草還吸收空氣中的有害氣體， 因此花草成為了人 們生活中幾乎不可或缺的一部分。養(yǎng)殖花草，一個問題由此而來。在生活中，人們不可能每天都能經營自己的 花草，總會有沒有時間從而無法照顧花草的時候，例如工作忙、外出旅游、外地 出差等，這些花草就會處丁無人澆水的境地。 現(xiàn)在市場上自動澆水系統(tǒng)的實物種 類比較少，有的是根據物理原理自動滲水，還有經濟的缺水報警器，提醒人們及 時的澆水，但僅限報警不能澆水。還有只能定時澆水的自動澆水系統(tǒng)。 這些系統(tǒng) 總的來說功能還不完善。因此，設計一種基丁單片機，集定時澆水和濕度澆水為 一體的多功能自動澆水系統(tǒng)是十分必要的， 多樣的功能可以讓人們有更

10、多的澆花 選擇。在人們生活追求精致的今天，自動澆水系統(tǒng)的普及絕對是大勢所趨。微噴系統(tǒng)是近幾年利用國內外先進技術組裝的新型灌溉設施，主要是利用水流通過低壓管道系統(tǒng)以一定速度從特制的噴頭噴出，在空氣中分散成細小的水 滴，著落在花草植物、作物及周圍的地面上，從而達到及時補充水分的目的。該 系統(tǒng)具有用水量少、沖擊力小的灌溉特性，適用丁栽培密度大、植株柔軟細嫩的 植物。自動澆花器的誕生是隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快而誕生的 一種懶人園藝用品。它把微噴的概念應用丁家庭盆花澆灌中，通過相應的改進， 達到合理給盆花自動澆水的目的。早在很多年前，國外就已經開始普及，國內使用的電子類自動澆花器多數從 國

11、外進口的，價格昂貴，但質量比較可靠。不過這并不太適用丁國內，目前國內 外比較流行的是玻璃制作的自動澆花器。 這種類型的澆花器多數在我國山西和浙 江一帶加工生產的，價格比較低廉，實用性沒有電子類自動澆花器好。 隨著國內 居民消費水平和生活質量的提高，居家園藝市場異常火爆，但是由丁生活節(jié)奏加 快，種花容易養(yǎng)花難的問題暴露出來， 而養(yǎng)花最重要的問題就是澆水問題， 研究 表明花草80恕上的死亡由丁澆水不及時引起， 因此國內商家已經看到了這種需 求潛力。目前這類小居家用品的廠家主要集中在廣東，上海，浙江一帶?，F(xiàn)在市 面上所出售的自動澆花器主要有以下幾類：電子類自動澆花器電子類自動澆花器乂叫時控噴淋裝置，

12、系統(tǒng)構成為：主機（或者控制器） 、 主管（可以是花園管也可以是 4/7mm的微噴淋管）、分水接頭（3通、4通、5通、 6通、分水器）、副管（3/5mm）噴淋管（霧化噴頭、旋轉噴頭、折射霧化噴頭等）。電子類自動澆花器根據電源的不同分為交流電自動澆花器和電池自動澆花 器兩種?？刂破鞯囊话阈阅苡校弘姶砰y控制；智能時控電路？微電腦芯片控制；適用電源為AC220V/50HI;最適宜水壓0.3-0.6Mpa ;待機功率（4VA澆水時 12VQ ;可控制連續(xù)作業(yè)時間是1分鐘至168個小時；可每天自動完成十次以上 澆水作業(yè)，可每天、隔天、隔多天自動循環(huán)進行澆水，手動自動兩用；每天計時 誤差小丁正負3秒；電器適

13、應環(huán)境溫度為-1050C；相對濕度 90%RH 玻璃、陶瓷類自動澆花器玻璃、陶瓷類自動澆花器乂叫自動滲水裝置，它由本身材質的物理結構構成， 根據器具的物理滲水原理完成自動澆灌，當自動澆水器內部存水，自身形成一定的壓力，當遇到干燥的土壤，水就會自上而下的流出，當土壤濕潤以后，會形成 一個堵塞壓力，從而導致水流速度變慢或者停止。器具工藝不同，效果也不一樣， 當然也因土壤的疏松情況決定器具內水流的速度。當前傳感器技術與單片機技術發(fā)展迅速， 其應用逐步由工業(yè)、軍事等領域向 其他領域滲透，已經和我們的日常生活息息相關。而且智能家居概念也越來越受 人們的推崇，因此，微電腦控制的電子類自動澆花系統(tǒng)有很好的發(fā)

14、展前景。本次畢業(yè)設計是設計一種單片機控制的自動澆水系統(tǒng) ，實現(xiàn)室內盆花澆水的 自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對土壤的溫濕度進行監(jiān)控 ，并對作物進行適時、適量的澆 水。其核心是單片機和溫濕度傳感器以及澆水驅動電路構成的檢測控制部分。主要研究土壤濕度與澆水量之間的關系、澆灌控制技術及設備系統(tǒng)的硬件、軟件編 程各個部分。檢測部分，單片機選用 AT89C51單片機，溫濕度傳感器選用SHT11 溫濕度傳感器。SHT-11采用COMSenS利傳感器技術將溫度濕度傳感器、A/D 轉換器、數字接口、校準數據存儲器、標準I2C總線等電路全部集成在一個芯片 內。軟件選用C51語言編程。土壤溫濕度傳感器可將檢測到的土壤溫濕度

15、模擬量 放大轉換成數字量通過單片機內程序控制精確的將溫度與濕度分別顯示在LCD顯示屏上，同時通過單片機內的中斷服務程序判斷是否要給盆花澆水，若需澆水，則單片機系統(tǒng)發(fā)出澆水信號，并經放大驅動設備，開啟電磁閥進行澆水，若不需澆 水，則進行下一次循環(huán)檢測。在澆水系統(tǒng)中也同時設計一個手動澆水部分，系統(tǒng) 工作時通過設置鍵的按下與否來選擇澆水系統(tǒng)的工作方式。土壤澆水驅動電路采 用繼電器開關電路，蓄水箱水位報警以及自動上水部分采用純硬件控制。第二節(jié) 盆花自動澆水系統(tǒng)的研究狀況隨著科技的發(fā)展，自動化的普及，人們勤丁思考，研制出了多種自動澆水系 統(tǒng)，下面就是幾種自動澆水系統(tǒng)。第一種是由盆體、澆水管、定時開關、加

16、壓盒、水袋組成，其特征是：在盆 體內裝入充滿水的軟質水袋，在水袋上面壓一個加壓盒，花盆再壓在上面，加壓 盒上開有穿管孔；在水袋上聯(lián)接一個澆水管，管中段安裝一個定時開關，澆水管 穿過穿管孔，伸入種花的花盆中。這種裝置是借助加壓盒及花盆的重量給水袋內 的水加壓，借助定時開關到時打開一定時間，達到定時、定量澆水的目的。這種 自動澆水花盆結構簡單、價格便宜，不需要用電或其它動力，也不需要安裝很長 的供水管，就能自動澆水。還有由時間控制器，進水管，微型潛水泵，水池，水位控制器，送水管，分 流器，流量控制器，分水管，滲透嘴組成。運用水位控制器使進水自動進入，水 池的水位保持不變；運用時間控制器控制微型潛水

17、泵的運行周期和每次運行的時 間達到控制每次出水總量；運用流量控制器控制分水管的流量，實現(xiàn)滿足每盆花 每次所需水量的自動運行。這兩種自動澆水系統(tǒng)都是可行的第一種經濟適用，但是不能控制澆水的用 量。第二種運用時間控制器來控制每次的出水量， 因為不知道土壤的濕度也容易 澆水過量或者澆水沒澆透。所以設計一種有多重方式自動澆水的系統(tǒng)十分必要。 在花盆內安裝濕度傳感器，所述濕度傳感器與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)與水箱連 接。當主人外出時，通過濕度傳感器將花盆內的濕度信息傳遞到控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)控制水箱的開合，水箱置丁花盆上方，因此可實現(xiàn)對花盆的自動澆水。當濕度到達你的設定值時則停止?jié)菜?當家里有人時，可

18、以設定澆水時間，并設 定警告音，由主人控制澆水的多少。另外對丁水箱我們也可以做一個自動補水系 統(tǒng)，當水箱里的水位低丁某個設定值時，系統(tǒng)自動發(fā)動電機帶動水泵抽水到水箱， 當到達指定水位時則停止抽水。38第二章脈搏檢測儀結構設計隨著電子技術的發(fā)展，其應用領域不斷擴大，特別是電子技術的應用已經深 入到人類日常生活中，智能化電子產品將成為新的潮流趨勢。目前市場上所推出 的家庭醫(yī)療電子產品大多以測量血壓為主，智能脈搏測試儀器尚不多見。本課題針對市場上的家用醫(yī)療設備的需要，設計了AT89C52單片機為核心，采用光電式脈搏傳感器拾取脈搏信息，最終通過LCD1602顯示結果的脈搏檢測儀。該系統(tǒng)的主要功能有：拾

19、取指尖脈搏信號，在線顯示脈搏次數，脈搏信號與 正常狀態(tài)相差較大時自動進行聲光報警。該系統(tǒng)特點有：測量簡單方便，數據可靠，功耗小，成本低，體積小攜帶方 便，良好的顯示界面使得該系統(tǒng)更加適合丁家庭使用。設計要求：(1) 該檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,硬件電路包括數據采集電路、放 大濾波電路、控制電路及電源電路。其中數據采集部分可以采用光電脈搏傳感器； 采集到的信號經放大電路、濾波電路經 A/D轉換后傳送至單片機進行顯示。(2) 要求儀器的硬件、軟件各部分配合良好，測試所得脈搏波形能夠正確反 映人體脈搏的真實特征。(3) 能夠準確檢測脈搏跳動次數，顯示脈搏跳動次數，聲光報警(靜態(tài)時 脈搏正常次數

20、范圍為參考)，該儀器同時具有使用、攜帶方便等優(yōu)點。第一節(jié)光電式脈搏傳感器簡介一、光電式脈搏傳感器的原理動脈管壁隨著心動周期周而復始、 一起一伏的搏動，稱為動脈搏動，簡稱脈 搏。當心室收縮時，血液沖開主動脈瓣，并把血液射入主動脈中，主動脈內壓突 然增高，迫使血管迅速膨脹，當心室舒張時，主動脈壓降低，主動脈壁因其具有 彈性而回縮。這樣，動脈管壁就隨著心室的收縮出現(xiàn)周期性的起伏搏動，形成脈搏，它存在丁身體的每個部位，中醫(yī)學的切脈，就是用手指的觸覺和壓覺分析饒 動脈脈搏的頻率、深淺、強弱及其他特征，作為診斷疾病的重要指標之一。本課題采用的光電式脈搏傳感器是根據光電容積法制成的脈搏傳感器。就容積式脈搏波

21、的探測而言，指尖是較理想的部位，因為它位丁肢體前端，容易實現(xiàn) 非接觸檢測；其次，由手指的解剖結構可知，每個指尖的血液都是經過手指總動 脈分兩路從指干兩側通向指尖，再經豐富的冠狀小動脈彌散至毛細血管， 然后從 靜脈回流。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液 組織的光吸收量是包定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對丁動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起，那么在包定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體 的脈搏信號。由丁指骨和指甲的密度均明顯大丁其它組織成分，所以，透射傳感方式只能采取回避這2處高密度組織

22、的位置，光束的入射點和出射點都在指尖腹 部曲率變化很大的部位，這將很難進行準確的測量。而若采用反射式傳感，則有 利丁增大光束從高密度區(qū)域反射至低密度區(qū)域的強度。當光源和光敏元件置丁被測部位（如手指）的同一側（或兩側），光源發(fā)出 的光照射在組織上，經反射（或透射）后被光敏元件接收，其示意圖如圖2.1所示，光敏元件將脈動的光強度信號轉變?yōu)槊}動的電信號。 在檢測系統(tǒng)中將變化 量與直流量相互分離，從而得到光電容積脈搏波6。圖2.1 反射式和透射式光電傳感器二、光電脈搏傳感器的結構光電式脈搏傳感器由丁采用不同的光敏元件有著多種實現(xiàn)方法，其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。在傳統(tǒng)的光電式

23、脈搏傳感器設 計中，通常采用的是獨立光敏元件，利用半導體的光電效應改變輸出的電流，通常光敏元器件輸出的電流極低，容易受到外界干擾，而且對后續(xù)的放大器的要求 比較嚴格，需要放大器空載時的電流輸出較小，避免放大器空載輸出電流對脈搏 信號測量的干擾，這樣對丁普通的放大器就不能直接應用在光敏元件的后端。在本課題中，采用一種新型的光敏元件 OPT101其內部結構如圖2.214。 該元件將感光部件和放大器集成在同一個芯片內部， 這種集成化的設計方式有效 地克服了后端運算放大器空載電流輸出對光敏部件輸出電流的影響， 而且芯片輸 出的電壓信號可以通過外部的精密電阻進行調節(jié)， 有利丁芯片適應整體的電路設 計，同

24、時芯片的集成化設計也能夠減小系統(tǒng)的功耗。(Pin availableV+on DIP only.) 亍(SIP)DIP圖2.2 OPT101內部結構圖光電式脈搏傳感器主要由光源、光敏器件，以及相應的信號調理控制電路構 成。為了充分利用器件的效果，光源和光敏元件的選擇是綜合考慮的，光源的波長應該落在光敏元件檢測靈敏度較高的波段內，圖2.3為OPT101的光波長響應曲線氣圖2.3 OPT101 光波長響應曲線脈搏信號主要由動脈血的充盈引起，而血液中還原血紅蛋白（Hb）和氧合血紅蛋白（HbO2 ）含量變化將造成透光率的變化，當氧合血紅蛋白和還原血紅 蛋白對光的吸收量相等時，透射光的強度將主要由動脈血

25、管的收縮和舒張引起， 此時能夠比較準確地反映出脈搏信號。圖 2.4為血紅蛋白的光吸收曲線，從圖 中可以看出，血液中HbO2和Hb對丁不同波長光的吸收系數的差異明顯，而且 2條曲線好幾個不同的交點，考慮到在 805 nm波長處，血紅蛋白的光吸收率比 較低，那么透射過手指的光強較大，有利丁光敏器件的接收，因此發(fā)射光源的波 長選擇為805 nm1。圖2.4血紅蛋白的光吸收曲線第二節(jié)系統(tǒng)的總體結構該系統(tǒng)以AT89S5州單片機為核心，采用指式脈搏傳感器拾取被測者指尖的 脈搏信息，通過二階、低通濾波電路去除信號干擾，在經過A/D轉換將模擬信號 轉換成為數字信號輸入單片機，利用液晶顯示與用戶建立了良好的交互

26、界面，同時還可以實時顯示脈搏次數，在必要時還有聲光報警，起到提醒用戶健康狀況的 作用。該系統(tǒng)的硬件總體結構如圖2.5所示。脈搏信號拾取和調理電路結構如圖 2.6所示。圖2.5脈搏檢測儀電路方框圖圖2.6 脈搏信號拾取和調理方框圖由圖2.6可知，在硬件電路上主要包括：電源電路，脈搏傳感器電路和信號 調理電路，單片機最小系統(tǒng)電路，聲光報警電路等。在整個電路設計和實現(xiàn)過程 中脈搏傳感器電路是最大的難點。 電路和元件的具體情況詳見第三章，完整的電 路圖詳見附錄1。第三章系統(tǒng)硬件設計第一節(jié)電源模塊為了達到攜帶方便的目的，本系統(tǒng)采用7.2V充電電池供電。為了消除電源給系統(tǒng)帶來不必要的干擾，本課題專門設計了

27、低功耗、高穩(wěn)定性的線性直流電源 為系統(tǒng)供電。與市場上常用的lm7805相比較，LM2576擁有較大的輸入轉換電壓區(qū) 間（7V40V%較高的輸出電壓精度（土 3%的誤差），以及較少的外圍輔助電路， 而且功耗低，精度高，紋波小等優(yōu)點。因此使用了在性價比較為適中的LM2576為系統(tǒng)提供5V正電源，電路圖如圖3.1圖3.1 LM2576電源轉換電路圖系統(tǒng)中有信號拾取和放大電路，其中使用的運算放大器需要正負電源供電。 為了保證電路能夠準確的拾取脈搏信號并將信號放大，系統(tǒng)電源必須是非常穩(wěn)定 的線性直流電源。為此本課題通過 MC34063戒現(xiàn)DC-DC電壓轉換，將LM2575 輸出的5V電壓轉換成-9V直流

28、電壓如圖3.2，但是經過MC34063敬換后的電壓 屆丁開關電壓，有較大的紋波。再經過穩(wěn)壓芯片LM7905將電壓穩(wěn)定在-5V如圖3.3,從而達到線性電壓的目的。圖3.2 基于MC34063制 DC-DC電壓轉換電路D41N414SU3-_= nsr outC8GINO0.1 uF0.1 liF1 .M7VO5CT圖3.3 LM7905電源轉換電路圖第二節(jié)脈搏傳感器前面曾提到光電式脈搏傳感器主要由光源、 光敏器件，以及相應的信號調理 控制電路構成。下面將對傳感器的各個模塊進行詳細介紹。一、光源前面提到在805 nm波長處，血紅蛋白的光吸收率比較低，那么透射過手指的光強較大，為了能夠更好的接收信號

29、和元件性價比，本課題采用了 940nm波長的紅外發(fā)光管IR333。在脈搏信號測量過程中，為了盡量減少光源供電波動對測 量脈搏信號的影響，需要包流電路來控制光源的穩(wěn)定供電。包流驅動電路中D3為穩(wěn)壓管，作為包流源加在晶體管 Q1的基極上，由丁基極偏壓穩(wěn)定，集電極電 流也穩(wěn)定，從而使紅外 二極管發(fā)光穩(wěn)定15，如圖3.4所示。圖3.4恒流驅動電路二、信號采集模塊（一）光敏元件光電式脈搏傳感器由丁采用不同的光敏元件有著多種實現(xiàn)方法，其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器 設計中，通常采用的是獨立光敏元件， 利用半導體的光電效應改變輸出的電流， 通常光敏元器件輸出的

30、電流極低， 容易受到外界干擾，而且對后續(xù)的放大器的要 求比較嚴格， 需要放大器空載時的電流輸出較小，避免放大器空載輸出電流對 脈搏信號測量的干擾，這樣對丁普通的放大器就不能直接應用在光敏元件的后 端。本課題中的傳感器采用了新型的光敏器件OPT101在芯片內部集成光敏器件和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾。這種集成化的設計方式有效地克服了后端運算放大器空載電流對光電二極管輸出電流 的影響，輸出電壓和光強具有良好的線性關系， 能夠有效減小器件問匹配引起的 干擾，提高脈搏測量精度。OPT10伯勺特性：OPT101是一種新型的將感光部件（光電二極管）和放大器集成在同一個芯片

31、內部的光電傳感器，其內部結構如圖2所示。它可以在單電源或雙電源供電條件 下工作，也可以在電池供電條件下工作。OPT101的光敏二極管集成丁放大器內部，并且充分考慮了漏電流、噪聲等因素對輸出信號的影響。OPT101的光敏二極管結構為0.2286cm X 0.2286cm,其主要特性如下：高的響應速度，0.45 AM； 寬頻帶，14 kHz;非線性度，低丁 1 %;工作溫度，-2570 C。OPT101對主 要集中在紅光光譜和紅外光譜的光信號的響應具有最佳靈敏度和較高的響應速 度，即在該光譜區(qū)域電信號輸出幅度最大7。OPT101的性能指標和光譜響應特性 正好滿足本課題傳感器設計的要求。（二）信號采

32、集電路在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息，而且還包含測量環(huán)境下的背景光（二次反射光）。由丁動脈搏動引起的光強變化比背景光 的變化微弱得多，因此在測量過程中要保持測量背景光的包定，減少背景光的干 擾。針對傳統(tǒng)信號采集電路 ，同時采用兩塊OPT10光敏芯片的方法，一塊用丁 采集原始的脈搏信號，一塊用丁采集背景光信號，然后再對原始脈搏信號進行處 理，減去背景光信號，從而提取出消除背景光干擾后的脈搏信號。將混在原始信(3-1)號Vo1中的背景光信號Vo2®過獨立的采集后，在高信噪比運放 AD62帥進行相減 運算，實現(xiàn)抑制背景光的干擾，從而提高檢測精度 四。在圖3.5

33、所示的抑制背景 光電路中，輸出光可表示為：錯誤！未找到引用源。原為PRTE畫的電路圖，因附件太大，刪除幾個圖以減小空間圖3.5 信號采集電路三、信號濾波處理電路脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的 抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在 0.34Hz之間，小丁工頻50 Hz,因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾。 在信號調理電路中，同時還設計高通濾波器濾除直流信號， 就能夠實現(xiàn)對脈搏信 號的提取。本課題采用二階、低通濾波電路進行濾波處理，如圖 3.6。原為PRTEL畫的電路圖，因附件太大，刪除幾個圖以減小空間圖3.6 兩級二階、低通濾

34、波電路由圖3.6可知，C23起到隔直流的作用，能夠有效的將信號采集電路輸出的 直流電壓和脈搏信號分離開來。圖中由R7、R8和C12、C13組成的低通濾波電路， 通過計算可得當 Wn為-3dB時fo = 1 / 2兀RC經過合理選擇 RC電路的電容、 電阻可以使得f0=7.2HZ。該電路中R9K R10 R13 R14構成了比例放大電路，決 定了該電路的對信號的放大程度。為了提高精度，該電路所選的電阻都是金屆膜 電阻。在人處丁安靜狀態(tài)下的測試脈搏信號波形如圖3.7所示，運動后的脈搏信號波形如圖3.8所示。圖3.7 靜態(tài)下的脈搏波形圖圖3.8 運動后的脈搏波形圖四、運算放大器簡介以上的信號采集電路

35、和信號濾波處理電路的核心部件都是運算放大器。 運算 放大器是目前應用最廣泛的一種器件， 雖然各中不同的運放結構不同，但對丁外 部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由 4個部分組成，偏置電路， 輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源） ， 中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數），輸出級一般采用互 補對稱輸出級電路（提高電路驅動負載的能力）。工業(yè)上，用來衡量一個運算放大器的性能的指標有很多， 一般認為實際運算 放大器越接近理想狀態(tài)運放就越好，課堂上我們涉及到的只是要求輸入端等效電 阻無窮大，開環(huán)增益無窮大，其實還有很多其他的指標。運算放大器的性能指

36、標 主要參數有：輸入偏置電流，輸入失調電流，最大差模輸入電壓，最大共模輸入 電壓，開環(huán)差模電壓增益，溫度漂移，輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比cmrR1LUi圖3.7運算放大器輸入輸出端圖示如圖3.7所示。U-對應的端子為“-”，當輸入U-單獨加丁該端子時，輸出電 壓與輸入電壓U-反相，故稱它為反相輸入端。U+M應的端子為“ + ”，當輸入U+ 單獨由該端加入時，輸出電壓與U制相，故稱它為同相輸入端。輸出：U0= A（U+ - U-） ; A稱為運算放大器的開環(huán)增益在實際運用經常將運 放理想化，這是由丁一般說來，運放的輸入電阻很大，開環(huán)增益也很大，輸出電 阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得

37、到：Rqs, Rq0, A8。由aQ8，得到Uz U-, 丁是兩個輸入端可以近似看作短路（稱為“虛短”），如果 同向輸入端接地，反向輸入端與地幾乎同電位（稱為“虛地”）。由 RQ8可知， 輸入端電路近似等丁 0,故可把輸入端看作是斷路（稱之為“虛斷”）。在這主要介紹下信號采集電路中用到的儀用放大器 AD620AD620為一個低成本，高精度的單片儀器放大器。盡管AD620由傳統(tǒng)的三運 算放大器發(fā)展而成,但一些主要性能卻優(yōu)丁三運算放大器構成的儀表放大器的設 計，如電源范圍寬（土 2.3土 18 V ），設計體積小，功耗非常低（最大供電電流 僅1.3 mA ）,因而適用丁低電壓、低功耗的應用場合。A

38、D620勺單片結構和激光晶體調整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證 電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結構，為保護增益控制的 高精度,其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入，并采用B工藝獲得更低的輸 入偏置電流，通過輸入級內部運放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流包定，并 使輸入電壓加到外部增益控制電阻 R上。AD620勺兩個內部增益電阻為24.7k，因 而增益方程式為：錯誤！未找到引用源。（3-2）AD620由丁體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點，使AD620I別 適宜應用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、精密電壓電流轉換等應用場合。在儀表放大器的電路設計中，尚

39、有一些實際問題在設計時需要注意，主要有 以下幾點：(1) AD620勺增益是通過改變編程電阻R來實現(xiàn)的，為了使AD62殷計提供 精確增益，應使用0.11%K差的電阻，同時為了保持增益的高穩(wěn)定性，避免高 的增益漂移，應選擇低溫度系數的電阻。(2) 為獲得較高的共模抑制比(CM0參考端應連接丁低阻抗點，因為AD620 的輸出電壓與參考端的電位有關，它能夠通過簡單地將參考端連接到“局部地”來提高共模抑制比。并使兩輸入端的輸入電容與輸入電阻差異為最小。(3) 在許多數據采集系統(tǒng)中，通常有模擬地和數字地的問題。由丁電流通過接地線和印刷電路板中的電流能產生幾白毫伏的誤差，所以為了達到模擬與數字噪聲的隔離，

40、應采用分立的接地回路，使敏感點到系統(tǒng)接地的流過電流為最小， 這些接地回路必須在某些點連接在一起10。五、555施密特觸發(fā)器電路在本課題中，數模轉換電路采用555連接的施密特觸發(fā)器，將模擬脈搏信號 轉換成為脈沖信號。只要將555定時器的2號腳和6號腳接在一起，就可以構成施 密特觸發(fā)器，如圖3.8所示。VCC555施密特觸發(fā)器的內部電路如圖3.9。由丁比較器C和G的電壓參數不同， 因而S做存器的置0信號(VC1=0)和置1信號(Vc2=0)必然發(fā)生在輸入信號V的電 平。因此，輸出電壓V。由高電平變?yōu)榈碗娖胶鋈粊V低電平變?yōu)楦唠娖剿鶎肰值也不相同，這樣就形成了施密特觸發(fā)特性。為了提高比較器參考電壓

41、Vr#V的穩(wěn)定性，通常在VC端接有0.01uF左右的濾波電容。圖3.9 555施密特觸發(fā)器內部電路圖首先，分析V從0逐漸升高的過程：當V<1/3VccH, VCi=1、乂2=0、Q=1,故VO=Vs當 1/3Vcc<V<2/3VccW, VC1=VC2=1,故 V=VO保持不變；當 V>2/3Vc以后，VC=0、VC2=1、Q=0 故 VO=H。因此,Vr=2/3Vcc=其次，再看VI從高丁 2/3VccFF始下降的過程：當 1/3Vcc < Vi < 2/3Vc(M, VC1=VC2=1,故VO = Vol保持不變；當V<1/3VccW, VC1=1

42、、VC2=0、Q=1,故V=VOf 因此,Vt-=1/3Vcc。由此得到電路的會差電壓為： Vt=V+ - V T- =1/3V cc。圖3.10電路的電壓傳輸特性這個施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是反相的如圖 3.10。當5號腳懸空時，正 向閾值電壓和負向閾值電壓分別為1/3VcW2/3Vcc。當5號腳連接控制電壓VcO寸, 正向閾值電壓和負向閾值電壓分別為 Vc濟日1/2Vco。通過改變VcOS：可以調節(jié)回差電 壓的大小11。六、擴展A/D轉換電路如果需要將脈搏波形圖顯示出來，那么經過濾波處理的脈搏信號最終需要 A/D數模轉換才能進入單片機進行處理。而且經過單片機計算和數字濾波后，可 以還原更

43、多的脈象信息，通過申口將脈象信息上傳到上位機，以供醫(yī)生判斷被測 者的病情。在擴展電路中我采用 ADC080魅行信號的數模轉換，電路如圖3.11 o 由丁 AT89C52單片機采用12MHz晶振，所以ALE的頻率為1MHz經過74LS112 觸發(fā)器后將頻率降為500kH為ADC0809!供時鐘頻率。圖3.11 A/D 轉換電路74LS112是JK觸發(fā)器。事實上只要將JK觸發(fā)器的兩個輸入端連在一起作為 T跚，就可以構成T觸發(fā)命。當T觸發(fā)命的控制跚接到周電平時，Q = Q，即每 次CLK信號作用后觸發(fā)器必然翻轉與初態(tài)相反的狀態(tài)。從而實現(xiàn)頻率輸入頻率除 2。ADC080丸8路8位逐次逼近式A/D,最大

44、不可調誤差小丁 +1LSB典型的始 終頻率為640kHz;每一通道的轉換時間需要 66隔73個始終脈沖，約100us, 可以和AT89C52單片機通過總線直接接口。對ADC080吐要信號引腳的功能說明如下：IN7IN0 模擬量輸入通道AL -一地址鎖存允許信號。對應 ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址 鎖存器中。START一轉換啟動信號。STAR仆升沿時，復位ADC0809 STARTF降沿時 啟動芯片，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，STARTS保持 低電平。本信 號有時簡寫為ST.A、B、C地址線。 通道端口選擇線,A為低地址，C為高地址，引腳圖 中為ADDA ADD*日ADD

45、C其地址狀態(tài)與通道對應關系見表 9-1。CL -一時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提 供，因此有時鐘信號引腳。其頻率為50kHz800kHz通，常使用頻率為500KHz的時鐘信號EO 一轉換結束信號。EOC=0正在進行轉換；EOC=1轉換結束。使用中該 狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志,乂可作為中斷請求信號使用。D7D -一數據輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接 相連。D0為最低位，D7為最高O-一輸出允許信號。用丁控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數 據。OE=0輸出數據線呈高阻；OE=1輸出轉換得到的數據。VC+5V 電源。Vre參考電源

46、參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近 的基準。其典型值為 +5V（Vref（+）=+5V, Vref（-）=-5V）13.第三節(jié)基丁 AT89C52的最小系統(tǒng)本章節(jié)主要介紹基丁 AT89C52型單片機的最小系統(tǒng)的外圍電路以及相關的 元件。一、AT89C5烈單片機概述AT89C52單片機是一種低功耗，高性能 CMOS8單片機具有8K字節(jié)的閃存 和可擦除可編程只讀存儲器（PEROM該設備是采用Atmel的高密度非易失性內 存技術，是兼容工業(yè)標準80C51和80C52指令集和引腳。片上閃存程序存儲器允 許在系統(tǒng)內由傳統(tǒng)的非易失性存儲器重新編程。通過將通用的8位CPU付帶一個 單片閃存芯

47、片,AT89C52®一個強大的微型計算機，它提供了高度靈活和成本有 效地解決許多嵌入式控制申請。 AT89C52具有以下標準功能：與 MCS - 51 ?產品兼容， 在系統(tǒng)內有8K字節(jié)的可編程閃存，1000寫/擦除周期，全靜態(tài)工作： 0赫茲至24MHZ三級 程序存儲器鎖定，256 X 8位內部RAM 32個可編程I/O 口線，3個16位定時器/計數器， 8個中斷源，可編程串行通道，低功耗空閑和掉電模式。下面是AT89C52的管腳特性和功能：PDIP(T2 PI OE ex) pi, 1Pl.3Pl.SPl.T RST (RXD) P3.O (TXDJ P3 (t HT0 P3 (IN

48、TI ) P3 (TC) PM )八 )八# )P3.7 XTAL2 XTAL 1GND匚匚LILIILJ匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚LlUU匚匚-0 9 B 7 & 5 1 321D9B7fi-5J3_2fl 43333 3 3 33332222222 3 2n vcc PO O ADO) PD. 1 (AD 1 J PD.2 (AO2> 森0L3 (AO3J 二I P&.4 (ADJ 二1 Pd.5 (AO5 J 1 PQ.6 .(ADS) Z PQ.7 (AD7) Zl eX/vpp=1 ALE/PROG Zl PS ElP2 .7 (Al 5) 3重尊(A 14) P2S

49、 (A1Sj P2.4 (AIJ P2.1 A 1 1 JP2 .2 1 A10) P2.1l M引Z1 P2JJ (AS)圖3.12 AT89C52管腳分布圖端口 0是一個8位漏極開路雙向I/O端口。作為一個輸出端口，每個引腳可 以驅動8個TTL邏輯低電平輸入。當1被寫入端口 0引腳，該引腳可作為高阻 抗輸入。在外部程序訪問數據總線和數據存儲器時端口 0也可以配置為復低位地 址。在這種模式下，P0具有內部上拉功能。端口 0還接收到Flash編程的代碼 字節(jié)并且在程序核查時輸出代碼字節(jié)。在程序的核查時，必須使用外部上拉。端口 1是一個自配內部上拉電阻的8位雙向I/O 口。端口 1輸出緩沖器驅動

50、 4個TTL高/低電平輸入。當1被寫入端口 1引腳，它們是由內部上拉到高電平 也可以作為輸入使用。作為輸入，因為內部上拉，端口 1引腳會被外部的來源電 流拉低。此外,P1.0和P1.1可配置為定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2 ） 和定時器/計數器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）,分別為列丁下表3.1。表3.1 端口 1復用功能端口引腳其他功能P1.0T2 （外部計數輸入與定時器/計數器2）,時鐘輸出P1.1T2EX （定時器/計數器2捕捉/重裝觸發(fā)和方向控制）端口 2是一個自配內部上拉電阻的8位雙向I/O 口。端口 2輸出緩沖器驅動4個TTL高/低電平輸入。當1被寫入端口 2個

51、引腳，它們是由內部上拉到高電 平也可以作為輸入使用。作為輸入，因為內部上拉，端口 2引腳被外部的來源電 流拉低。使用16位地址（執(zhí)行MOVXDPTR從外部程序存儲器中提取地址和訪 問外部數據存儲器期間，端口 2發(fā)出的字節(jié)作為高位地址。在此應用程序中，當 端口 2置位1時，使用強大的內部上拉。在訪問外部數據存儲器時，使用8位地 址（執(zhí)行MOVX RI,端口 2輸出的是P2的特殊功能寄存器的內容。端口 3是一個8位自配內部上拉的漏極開路雙向I/O 口。作為普通I/O 口和 端口 2相同，端口 3除了作為普通I/O 口還擔任各種對應AT89C52的特殊功能的功能，如在下面的表3.2。表3.2 端口

52、3復用功能端口引腳其他功能P3.0RXD的（串行輸入端口）P3.1TXD的（串行輸出端口）P3.2INT0 （外部中斷0）P3.3INT1 （外部中斷1）P3.4T0 （定時器0外部輸入）P3.5T1 （定時器1外部輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD （外部數據存儲器讀選通）RS -一復位輸入。在該引腳保持兩個機器周期以上的高電平可使振蕩器復 位。ALE/ PROG地址鎖存使能是一個閉鎖輸出脈沖低字節(jié)的外部存儲器中訪問 的地址。該引腳也是編程脈沖輸入（PROG在Flash編程。在正常運行，ALE 產生1/6機器周期包定的頻率，并且可以作為外部定時或時鐘使用。但是請注 意，每

53、次外部數據存儲器訪問都有一個 ALE脈沖跳過。如果需要，ALE （SFR的位置8EH可以通過設置位 0。隨著位設置，ALE 只在執(zhí)行MOV雙MOV拚令時起作用的。否則，該引腳弱上拉。如果微控制器為 外部執(zhí)行模式設置ALE無效。PSEN-一讀選通外部程序內存。當AT89C52單片機正在執(zhí)行從外部程序代碼 內存,PSENft每個機器周期兩次被激活。每個外部數據存儲器訪I可都在兩個 PSEN 被激活的過程。EA/VP 外部訪問啟用，為了使該設備從外部獲取的程序代碼內存位置的 0000H到FFFF也始，EA必須接地。但是請注意，如果加密位 1被置位，EA將 在復位時被內部鎖存。當EA接VCC寸，單片機

54、從內部存儲器開始獲取程序代碼。 當該器件使用12V編程電壓VPP在Flash存儲器編程時，該引腳也會得到 12V 電壓。二、復位電路和時鐘電路AT89C5烈片機的最高時鐘脈沖頻率已經達到了 24MHz ,它內部已經具備了 振蕩電路，只要在AT89C52的兩個引腳（即19、18腳）連接到簡單的石英振蕩 晶體的2個管腳即可，同時晶體的2個管腳也要用27pF的電容耦合到地。由丁精確定時的需要，本系統(tǒng)選擇12MH基英振蕩晶體為單片機提供時鐘電路，如圖3.13所示。| |?CATL口27pF圖3.13 時鐘電路AT89C52的復位引腳（RESET是第9腳，當此引腳接高電平超過 2個機器 周期，即可產生復

55、位的動作。以12MH力勺時鐘脈沖為例，每個時鐘脈沖為1 S, 兩個機器周期為2 S,因此，在第9腳上連接一個2 S的高電平脈沖，即可產 生復位動作。復位分為自動復位和手動復位兩種方式。 本系統(tǒng)采用手動復位中的 按鍵高電平復位，如圖3.14。復位電路中的10K電阻、10uF電容是為了保證在 RST® 口能夠保持兩個機器周期以上的高電平已完成復位而設定的。1 =r|。次1 5 L1親：,一 .ZRSTT圖3.14 復位電路三、MAX232&路設計由丁系統(tǒng)的程序調試過程中需要實現(xiàn)單片機與PC機之間的通信。AT89C52單片機輸入、輸出電平為TTL電平，而PC機配置的是RS-232C

56、標準接口，二者 的邏輯電平不一致。因此在實際應用時，必須把單片機的信號電平轉換成 RS-232 電平，或者對兩者進行逆轉換12。本系統(tǒng)采用專用電平轉換新芯片 MAX23以現(xiàn) 這一功能，電路如圖3.15。Q, 1 店 11。Q.luFU13VDDci-kVCCCl-dC2-T1OUTTIINT2OUTT2FNR1INR1OUTR21NR2OUTVEEGND4X1AX232AEJETXDRXD圖3.15 MAX232電平轉換電路MAX23珀片的優(yōu)點有：一片芯片可以完成發(fā)送轉換和接受轉換的雙重功能， 代替了 MC148剖MC148亦片；單一電源+5V供電。MAX232S片的引腳說明如下：(1) C1 +、C1-、C2* C2-是外接電容端。(2) Run、Rin則是2路RS-232C電平信號接收輸入端。(3) R1ou下Rou是2路轉換后的TTL電平接收信號輸出端，與 AT89C52的 RXDg收端相連。(4) Tiin、T21N是2路TTL電平信號發(fā)送輸入端。與 AT89C52勺TXD發(fā)送端 相連。(5) Tiou下T2OU是2路轉換后發(fā)送RS-232電平信號輸出端，接傳輸線。(6) V+經電容接電源+5V。(7) V-經電容接地。四、LCD1602®晶顯示器在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌