單片機(jī)心率監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1477單片機(jī)心率監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)案例 1201221.1主控模塊電路設(shè)計(jì) 143871.1.1主控模塊介紹 1261411.1.2主控模塊外圍電路設(shè)計(jì) 3303051.2直流電機(jī)調(diào)速模塊電路設(shè)計(jì) 4105411.2.1直流電動(dòng)機(jī)模塊介紹 4292951.2.2電機(jī)模塊接線圖 531741.3測(cè)速模塊電路設(shè)計(jì) 5197751.1.1測(cè)速模塊介紹 5201371.1.2測(cè)速模塊接線圖 8281551.4心率監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì) 858931.2.1心率監(jiān)測(cè)模塊介紹 8291491.2.2心率監(jiān)測(cè)模塊接線圖 111.1主控模塊電路設(shè)計(jì)1.1.1主控模塊介紹主控模塊選用的單片機(jī)STC89C52RC，它由STC集團(tuán)研發(fā)，其優(yōu)勢(shì)在于性能強(qiáng)、能耗小，是一個(gè)CMOS8位微控制器，其內(nèi)存為8K字節(jié)，為可編程FLASH存儲(chǔ)器。該單片機(jī)采用MCS-51內(nèi)核，并對(duì)其進(jìn)行了一定優(yōu)化，與51單片機(jī)相比，其功能得到了豐富。對(duì)于單芯片，其內(nèi)部包括可編程的FLASH以及8位CPU，這種STC89C52單片機(jī)在很多嵌入式控制系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用，具有較好的效果與靈活性。其功能包括：512字節(jié)RAM，8K字節(jié)FLASH，32位I/O口線，內(nèi)置4KEEPROM，看門狗定時(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，MAX810復(fù)位電路，全雙工串行口，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，并與51單片機(jī)的5向量2級(jí)中斷完全兼容。而且這個(gè)單片機(jī)支持0Hz的靜態(tài)邏輯工作，其內(nèi)部裝有2種軟件，支持節(jié)電功能。當(dāng)單片機(jī)處于空閑狀態(tài)時(shí)，CPU不運(yùn)行，但定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、RAM、串口、中斷不會(huì)停止運(yùn)行。當(dāng)處于掉電保護(hù)模式時(shí)，將存儲(chǔ)RAM內(nèi)容，振蕩器停止工作，整個(gè)單片機(jī)的全部進(jìn)程都不運(yùn)行，這個(gè)狀態(tài)持續(xù)到硬件復(fù)位或下一個(gè)中斷。工作頻率的最大值為35MHz，包括6T/12T兩種內(nèi)存[15]。STC89C52的特征包括：程序存儲(chǔ)容量為8K字節(jié)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為512字節(jié)；包含4KBEEPROM存儲(chǔ)空間;能夠利用串口進(jìn)行直接下載。STC89C52重要參數(shù)包括：強(qiáng)化后的8051單片機(jī)，可在6個(gè)時(shí)鐘/機(jī)周期與12個(gè)時(shí)鐘/機(jī)周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換，指令碼和8051單片機(jī)的兼容性好；運(yùn)行電壓：3.5V~1.3V（5V單片機(jī)）/1.8V~2.0V（3V單片機(jī)）；運(yùn)行頻率區(qū)間：0~40MHz，與一般8051型單片機(jī)的0~80MHz相似，實(shí)際最大運(yùn)行頻率為48MHz；具有8K字節(jié)的客戶應(yīng)用程序空間；內(nèi)部含有512字節(jié)的RAM；具有32個(gè)通用I/O口，經(jīng)過復(fù)位：P1/P2/P3表示準(zhǔn)雙向端口/弱上拉，P0表示漏極開路輸出，當(dāng)起到總線擴(kuò)展功能時(shí)，不必引入拉阻，但起到I/O端口作用時(shí)需要拉阻；REF_Ref19854\r\h[8]具有ISP/IAP兩個(gè)模式，不需要專用的仿真器與程序，利用串口（RxD/P1.0,TxD/P1.1）就可對(duì)程序進(jìn)行直接下載，時(shí)間在幾秒之間；支持EEPROM功能；包含3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。依次為T0、T1、T2；包含4個(gè)外部中斷，當(dāng)處于低電平或中斷時(shí)，電路將被啟動(dòng)，在PowerDown模式下，利用可外部中斷能夠喚醒低電平啟動(dòng)中斷模式；通用異步串行口（UART），可通過定時(shí)器來支持UART；運(yùn)行溫度區(qū)間：工業(yè)級(jí)為-40～+85℃，商業(yè)級(jí)為0～75℃；PDIP封裝。STC89C52單片機(jī)的主要引腳及其內(nèi)容闡述，如圖3-1所示：圖3-1STC89C52單片機(jī)引腳原理圖GND表示接地。VCC表示供電電壓。P1.1/TXD表示串行輸出口。P1.0/RXD表示串行輸入口。P1.3/INT1表示外部中斷1。P1.2/INT0表示外部中斷0。P1.5/T1表示記時(shí)器1外部輸入。P1.4/T0表示記時(shí)器0外部輸入。P1.7/RD表示外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。P1.6/WR表示外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通。RST表示復(fù)位輸入。如果振蕩器對(duì)部件進(jìn)行復(fù)位，需要控制RST腳2個(gè)機(jī)器周期處于高電平狀態(tài)下的時(shí)長(zhǎng)。REF_Ref20089\r\h[9]ALE/PROG：對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問的過程中，地址鎖存器的輸出電平對(duì)地址的狀態(tài)字節(jié)進(jìn)行鎖存。當(dāng)處于閃存編程階段，它起來了輸入編程脈沖的作用。一般而言，ALE輸出頻率只有為1/6的振蕩器頻率，其為周期不變的一個(gè)正脈沖信號(hào)。所以，我們將其用于定時(shí)、外部輸出脈沖。但是我們需關(guān)注，該引腳充當(dāng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能時(shí)，將跳過ALE脈沖。想要確保ALE輸出不存在，則將SFR8EH地址調(diào)整為0。這個(gè)階段，ALE只有運(yùn)行MOVX，同時(shí)MOVC指令對(duì)ALE提供服務(wù)。而且，稍被局部向上拉起。當(dāng)微處理器為外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止時(shí)，這個(gè)調(diào)整不起作用。PSEN在外部程序存儲(chǔ)器中起到選通信號(hào)作用。外部程序存儲(chǔ)器運(yùn)行過程中，各個(gè)機(jī)器周期中PSEN的有效次數(shù)為2。對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問過程中，則不存在2個(gè)有效的PSEN信號(hào)。EA/VPP：如果EA處于低電平狀態(tài)，此時(shí)不管內(nèi)部程序內(nèi)存的存在與否，都將開始運(yùn)行外部程序內(nèi)存（0000h-ffffh）。但需重視：如果處于加密模式1，EA將對(duì)內(nèi)部進(jìn)行鎖定并重置；如果EA處于高電平狀態(tài)時(shí)，則采用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。處于閃存編程過程中時(shí)，它也在12V編程電源（VPP）內(nèi)運(yùn)用。XTAL1表示內(nèi)部時(shí)鐘工作電路與反向振蕩放大器的輸入。XTAL2表示反向振蕩器的輸出[16]。1.1.2主控模塊外圍電路設(shè)計(jì)在選定了主控芯片后，還需要對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠具有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路與電源電路、下載電路等外圍模塊，如圖3-2所示為主控模塊外圍電路原理圖。圖3-2主控模塊外圍電路原理圖復(fù)位電路的構(gòu)成包括電解電容EC1、按鍵S1與電阻R1。支持上電自動(dòng)復(fù)位與手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種。當(dāng)上電復(fù)位按鍵接口獲取兩個(gè)高端信號(hào)，此時(shí)為手動(dòng)復(fù)位；如果電壓從低電平增強(qiáng)為高電平并保持一定時(shí)間，那么這個(gè)時(shí)間之后，系統(tǒng)在電阻和接地兩者間將構(gòu)成通路，可以將高電平自動(dòng)降低，將單片機(jī)由高電位轉(zhuǎn)換成低電位，這種自動(dòng)復(fù)位就是上電復(fù)位。時(shí)鐘電路的構(gòu)成部件包括瓷片電容C1、C2與晶振Y1。數(shù)字電路具有控制芯片時(shí)，必須存在時(shí)鐘電路的支持，該電路可以自動(dòng)顯示系統(tǒng)時(shí)間，確保控制芯片能夠穩(wěn)定運(yùn)行，將時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送給控制芯片的過程就是“拍”，它是保證控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。因此我們大部分都結(jié)合30PF電容與11.0592MHZ晶振的方式，來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，以及增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行性能。其中電容的的作用在于為晶振提供起振服務(wù)，確保數(shù)字控制器上電之后系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。單片機(jī)的下載接口是JD1，該下載模塊的主要實(shí)現(xiàn)原理為串口，通過與上位機(jī)的串口通信實(shí)現(xiàn)程序下載。1.2直流電機(jī)調(diào)速模塊電路設(shè)計(jì)1.2.1\t"/item/%E7%94%B5%E5%8A%A8%E9%A9%AC%E8%BE%BE/_blank"直流電動(dòng)機(jī)模塊介紹直流電機(jī)運(yùn)行機(jī)制：直流電動(dòng)機(jī)的具體工作狀態(tài)，實(shí)際上是基于帶電導(dǎo)體于磁場(chǎng)力所產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的機(jī)制運(yùn)行，其中勵(lì)磁線圈和電流相連，但要反向，所以線圈即可基于此扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要確保該位置電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，最重要的是線圈因?yàn)闃O性不同的刺激做出變化需要第一時(shí)間讓線圈通過的電流方向所改變，也就是實(shí)現(xiàn)電流換向，具體的運(yùn)行原理如圖3-3所示。圖3-3直流電機(jī)工作原理圖利用電刷，直流電源為電樞繞組供電，此時(shí)，電樞表面的N極下導(dǎo)體流動(dòng)方向保持一致，按照左手定律，導(dǎo)體會(huì)因?yàn)槟鏁r(shí)針轉(zhuǎn)矩受到相應(yīng)干擾，而另外在S極下的導(dǎo)體，隨之產(chǎn)生同方向的移動(dòng)，按照這樣的規(guī)律，結(jié)合左手定律，導(dǎo)體因?yàn)槟鏁r(shí)針轉(zhuǎn)矩干擾而產(chǎn)生變化，所以電樞繞組實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，而所輸入的直流電能，被處理以后，即轉(zhuǎn)子軸機(jī)械能REF_Ref20253\r\h[10]。直流電機(jī)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：較大的調(diào)速區(qū)域，而且具有較好平滑性；有較大的啟停和過載轉(zhuǎn)矩；方便調(diào)控，有良好可靠、穩(wěn)定性；調(diào)速能耗比較低。1.2.2電機(jī)模塊接線圖如圖3-4所示，系統(tǒng)利用純模擬電路對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，SW2表示電源開關(guān)，DC表示電源插座，PR是一個(gè)10K的大功率電阻。如果系統(tǒng)上電，閉合電源開關(guān)，控制電位器PR，就可以對(duì)速度進(jìn)行控制。當(dāng)控制PR時(shí)，此時(shí)電機(jī)電壓處于0-5V，對(duì)電機(jī)電壓進(jìn)行控制也可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制。電位器在電機(jī)上的電壓直接決定了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速[17-18]。圖3-4直流電機(jī)調(diào)速電路原理圖1.3測(cè)速模塊電路設(shè)計(jì)1.1.1測(cè)速模塊介紹測(cè)速模塊所選傳感器，按照霍爾元件A3144展開研發(fā)得到的模塊，A3144屬于磁傳感器，在實(shí)際應(yīng)用里也比較常見，所以傳感器可通過半導(dǎo)體集成技術(shù)、霍爾效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其包含了多個(gè)部分，比如差分放大器、電壓調(diào)節(jié)器、溫度補(bǔ)償電路、電壓發(fā)生器、施密特觸發(fā)器等，其中，霍爾器件的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：重量小、頻率高、污染物少、體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、頻率高、不受水蒸氣影響、便于安裝、耐振動(dòng)性好等。和LM393比較器聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)比傳感器采集到的信號(hào)和電位器分壓數(shù)據(jù)，即可按照需求，傳輸電平信號(hào)，信號(hào)具有較理想的波形，并且噪音少，具有良好的驅(qū)動(dòng)性。本次所選的傳感器模塊整體而言，具有較好的靈敏性，并且其空間占用小，精度和可靠性，都遠(yuǎn)比其他同類產(chǎn)品理想。模塊的參數(shù)：其運(yùn)行的電壓值不超過5V，也不能在1.3V之下。其為3144E開關(guān)型霍爾傳感器。傳感器獲取磁場(chǎng)信息即可輸出低電平，此時(shí)信號(hào)燈點(diǎn)亮，否則輸出的就是高電平，燈不亮。設(shè)備里包含了信號(hào)、電源指示燈。輸出包括了數(shù)字開關(guān)量以及模擬量，前者即0、1接口輸出，而后者AO口不參與傳輸。結(jié)合LM393比較器，信號(hào)具有較理想的波形，并且噪音少，具有良好的驅(qū)動(dòng)性，在15mA以上。電機(jī)位置、速度等檢測(cè)，都可應(yīng)用。接口介紹：VCC、GND分別和電源的正、負(fù)極相連。DO、AO分別輸出數(shù)字量、模擬量，前者主要是磁感應(yīng)信號(hào)，一般為低電平，后者則根據(jù)距離，決定所輸出的電壓信號(hào)。應(yīng)用簡(jiǎn)介：A3144霍爾開關(guān)元件具有較高的集成性，對(duì)于該傳感器而言，通過這一開關(guān)元件，不但可以讓模塊芯片所傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)進(jìn)行放大處理，而且還能驅(qū)動(dòng)電路。另外，所輸出的電壓信號(hào)，處理以后，可轉(zhuǎn)換成方脈沖信號(hào)。傳感器外形、對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)可參考如圖示3-5。在該裝置里，磁鋼形成了磁場(chǎng)，因?yàn)樵趹?yīng)用時(shí)，磁鋼和傳感器是同時(shí)運(yùn)行的，具體設(shè)計(jì)是把磁鋼置于材料表面，一般位于其盤邊緣。當(dāng)傳感器運(yùn)行，輸出脈沖時(shí)，其對(duì)應(yīng)的頻率即圓盤轉(zhuǎn)速。圖3-圖3-5A3144霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖對(duì)于傳感器而言，還配置了LM393比較器，因?yàn)橐_保輸出信號(hào)有效、穩(wěn)定，所以整個(gè)模塊的輸出波形，可參考如圖示3-6：圖3-6霍爾傳感器波形示意圖霍爾傳感器模塊電路圖可參考如圖示3-7。根據(jù)圖示3-7，其R1是分壓電阻，功能為傳感器模塊所獲取的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，以得到模擬信號(hào)AO，該信號(hào)傳輸至LM393比較器，然后和模擬電壓對(duì)比，模擬值出自LM393里的芯片的電位器分壓輸出，對(duì)比以后，所得結(jié)果即數(shù)字信號(hào)，包括了高電平、低電平兩種。另外，該模塊包含了2個(gè)濾波電容，其中C1是電源濾波，提升電源質(zhì)量，而C2是模擬信號(hào)濾波，可以讓輸出更為可靠。模塊還有2個(gè)限流電阻，主要作用是避免電流過高，讓LED燈受損或是出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，低電平時(shí)LED燈亮，另外上拉電阻即R4，可以利用電阻鉗位，讓未知信號(hào)處于高電平，而且還可以限流，以確保比較器可以按照要求傳輸相關(guān)信號(hào)，保持系統(tǒng)連接電路的安全，同時(shí)也保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，更為可靠。圖3-7霍爾傳感器原理圖如圖3-8a)所示為本設(shè)計(jì)選用的傳感器模塊的相關(guān)接口介紹，3-8b)所示為霍爾傳感器實(shí)物圖：a)接口介紹b)霍爾傳感器實(shí)物圖圖3-8霍爾傳感器實(shí)物介紹1.1.2測(cè)速模塊接線圖如圖3-9所示為本設(shè)計(jì)的測(cè)速模塊原理圖，如圖3-9可見本文選用的測(cè)速模塊為霍爾傳感器A3144，其數(shù)據(jù)引腳DO接到控制模塊的P33引腳以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，其電能通過引腳接到主控模塊的VVC和GND引腳。圖3-9測(cè)速模塊接線原理圖1.4心率監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)1.2.1心率監(jiān)測(cè)模塊介紹對(duì)于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域而言，心率傳感器是不可或缺的醫(yī)療器材之一，其包含了噪音消除器、放大器，基于光學(xué)理論設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中-，利用該傳感器實(shí)現(xiàn)心率相關(guān)檢查和工作。一般傳感器比較小，可戴于手指或是耳垂即可。傳感器能夠轉(zhuǎn)換原本的脈沖信號(hào)傳遞電信號(hào)，在使用時(shí)，手指和其中的刻度盤接觸，并且另外一側(cè)設(shè)計(jì)了可發(fā)光二極管。在脈搏跳動(dòng)的過程中，人體的動(dòng)脈血會(huì)隨之出現(xiàn)周期性的改變，REF_Ref20488\r\h[11]所以利用傳感器的光來檢測(cè)其變化，還有一側(cè)設(shè)計(jì)了光電三極管，這一器件則是收集紅外光信號(hào)并處理得到電信號(hào)。Pulsesensor脈搏心率傳感器的實(shí)物圖，如圖示3-10，即：圖3-1圖3-10Pulsesensor脈搏心率傳感器實(shí)物圖在相關(guān)資料里，脈搏心率傳感器所傳輸?shù)男盘?hào)波形，理論圖即如圖示3-11：圖3-11圖3-11心率脈搏傳感器輸出波形圖進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)，基于示波器，能夠?qū)λ占拿}搏心率傳感器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)，其波形可參考圖示3-12，基本和理論波形相差不明顯。圖3-12圖3-12心率脈搏傳感器實(shí)際輸出信號(hào)波形從圖示3-12來看，所呈現(xiàn)的波形不屬于標(biāo)準(zhǔn)方波，而要滿足單片機(jī)的傳輸要求和其辨識(shí)格式，可通過LM393比較器做濾波處理，把傳感器信號(hào)處理為標(biāo)準(zhǔn)方波，提高單片機(jī)的有效采集，促進(jìn)信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性提升。波形處理以后，即如圖示3-13。圖3-13心率脈搏傳感器經(jīng)比較器濾波后輸出的波形圖LM393比較器的具體原理，可參考圖示3-14。根據(jù)圖示，其R1是分壓電阻，功能為轉(zhuǎn)換模塊所獲取的模擬數(shù)據(jù)，以得到電壓信號(hào)，該信號(hào)傳輸至比較器，然后和模擬電壓對(duì)比，模擬值出自裝置里的芯片的電位器分壓輸出，對(duì)比以后，所得結(jié)果即方波信號(hào)。另外，該模塊包含了2個(gè)濾波電容，其中C1是電源濾波，提升電源質(zhì)量，而C2是模擬信號(hào)濾波，可以讓輸出更為可靠。還有2個(gè)限流電阻，主要作用是避免電流過高，讓LED燈受損或是出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，低電平時(shí)LED燈亮，另外上拉電阻即R4，可以利用電阻鉗位，讓未知信號(hào)處于高電平，而且還可以限流，以確保比較器可以按照要求傳輸相關(guān)信號(hào)，同時(shí)也保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，更為可靠。圖3-14LM393比較器模塊內(nèi)部電路圖LM393比較器如圖示3-15：圖3-15LM393比較器模塊實(shí)物圖1.2.2心率監(jiān)測(cè)模塊接線圖心率檢測(cè)傳感器模塊接口電路原理圖如圖3-16所示:圖3-16心率傳感器接口電路原理圖1.5顯示模塊電路設(shè)計(jì)1.5.1顯示模塊的介紹顯示模塊選用的字符型液晶顯示，它的功能是對(duì)數(shù)字、字母、圖像等進(jìn)行輸出，通常其控制器是LCD，并且集成了存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，連接液晶屏構(gòu)成了整個(gè)顯示模塊，便于安裝應(yīng)用，在市場(chǎng)中非常受歡迎[19-20]。在本次所應(yīng)用的液晶顯示模式里，其引腳數(shù)量為十六。具體的功能即如下表格3-1內(nèi)容：表3-1LCD引腳表編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極LCD1602液晶屏的運(yùn)行流程：（1）明確其顯示模式在所選液晶屏中，對(duì)于顯示模式，是利用相關(guān)的命令，完成控制器操作而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的內(nèi)容顯示。具體命令為以下表格3-2內(nèi)容：表3-2LCD1602常用的控制指令指令名稱指令功能指令的二進(jìn)制代碼顯示模式設(shè)置設(shè)置為16×2顯示，5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口00111000顯示開/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置D=1，開顯示；D=0，關(guān)顯示