（生物医学工程专业论文）用于HIFU实时声功率监测的PVDF压电传感器的设计与研究.pdfVIP

重庆医科大学硕士研究生学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c ho nt h ep v d f p i e z o e l e c t r i cs e n s o r ar e a l t i m em o n i t o r o fa c o u s t i co u t p u ti nh i g h i n t e n s i t yf o c u s e d u i r a s o u n d a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e s i g nap v d fp i e z o e l e c t r i cs e n s o r l o c a t e da tas p e c i f i cp o s i t i o ni na c o u s t i cf i e l do fah i f ut r a n s d u c e r i tw a s d e s i g n e da sar e a l t i m em o n i t o rf o rt h ea c o u s t i cp o w e rs oa st og u a r a n t e e s e c u r i t ya n de f f i c a c yo fh i f ut r e a t m e n t d u r i n go p e r a t i o no f t h et r a n s d u c e r ， t h e c o m p u t e r w a su s e dt od e t e c tt h es m a l le l e c t r i c a l s i g n a l o ft h e p i e z o e l e c t r i c s e n s o r t h r o u g hc h a r g ea m p l i f i c a t i o n ， s m o o t h i n g ， a n a l o g - d i g i t a l - c o n v e r s i o n ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n do t h e r p r o c e s s e s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p u t e rs t a b l yd e t e c t e dt h ev o l t a g eo u t p u to ft h e s e n s o r ，w h i c hw a sr e l e v a n tt ot h ed r i v i n gv o l t a g eo ft h et r a n s d u c e r t h a t m e a n tt h e r ew a sac o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g eo ft h es e n s o ra n d t h ea c o u s t i cp o w e ro u t p u tf r o mt h et r a n s d u c e r i ti m p l i e st h a tt h ep v d f p i e z o e l e c t r i cs e n s o rc a nb eu s e dt om o n i t o rt h er e a l t i m ea c o u s t i co u t p u to f t h et r a n s d u c e r k e yw o r d s ：h i f u ，p v d f ，m o n i t o r ， a c o u s t i cp o w e r 3 重庆医科大学硕士研究生学位论文 英汉缩略语名词对照 英文缩写英文全称 h i f u p v d f p z t a d 中文全称 h i g hi n t e n s i 妙f o c u s e d 高强度聚焦超声 u l t r a s o u n d p o l y v i n y l i d e n e f l u o r i d e 聚偏氟乙烯 p l u m b o u sz i r c o n a t et i t a n a t e锆钛酸铅 a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t模拟量到数字量转换 重庆医科大学 研究生学位论文独创性声明 本人申明所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆医科大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料，与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：尊嗥日期垫o q 牛硝 学位论文版权使用授权书 本人完全了解重庆医科大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属重庆医科大学。本人保证毕业离校后，发表论 文或使用论文工作成果时署名单位为重庆医科大学。学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容( 保密内容除外) ，可以采用影印、缩印或其他手段保 存论文。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 酋目螽 桫 、 。z o o q 牛2 1 重庆医科大学硕士研究生学位论文 用于h i f u 实时声功率监测的p v d f 压电传感器的 设计与研究 上- l 一 刖昌 高强度聚焦超声( h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ，h i f u ) 治疗技术是近些年来 发展起来的一种非介入性无创肿瘤治疗技术【l - 3 】。它利用超声波在生物组织内的可 聚焦性和可穿透性等物理特点，将超声能量聚焦在体内病灶上一个很小的焦域内， 该区域内的声强可达到1 0 0 0 w c m 2 以上，使温度瞬时( o 5 - 2 s ) 上升到6 5 0 c 以上， 在对焦域周围正常组织没有明显损伤的前提下，使焦域内组织产生不可逆转的凝 固性坏死，从而达到“切除”或热消融肿瘤的目的。 安全性和有效性是所有医疗器械，尤其是用于治疗目的医疗器械必须满足的 两个重要指标【4 】。h i f u 治疗系统是利用超声波在生物组织中的热效应和空化效应 等物理机制对病变细胞进行消融，治疗过程中换能器发射的超声能量的稳定性无 疑是保证其治疗安全有效的基础。 超声声功率【5 】是反映声场中能量关系的一个基本物理量，在液体媒质中测量声 功率可采用力学【每9 1 、热学【l o 】、光学【l l 】等多种方法。在小振幅平面波的声场中，两 种媒质间交界面上的时间平均压力称为辐射压力，其大小等于界面两边声能密度 的差值，可以用一个置于超声声场中的靶来测量辐射压力，从而计算出超声声功 率，这就是采用辐射力法测量声功率的基本原理。热学法是通过测量超声波对媒 质或吸收物质的作用而产生的热量所引起的温升来计算声功率的方法。光学法包 括声光衍射法【1 2 1 和激光干涉测量法f 1 3 】，其特点是测量过程对整个辐射声场没有任 何干扰。声光衍射法是通过超声声束在透明液体中所产生的位相光栅，利用光栅 所形成的各级衍射光的强度与超声强度的函数关系来测定声功率。激光干涉测量 法是以测量辐射声源表面的速度振幅( 或位移振幅) 来测定辐射声功率。 目前在国内外【体1 刀，h i f u 换能器在制造完成后一般都是在脱气水中用辐射 压力法测出换能器在不同驱动电压下所对应的输出声功率，在h i f u 治疗过程中， 4 重庆医科大学硕士研究生学位论文 通过调节换能器驱动电压来获得所需的超声功率，并没有一种能实时监控换能器 工作过程中输出超声能量的有效方案。 许多因素影响着换能器发射的超声能量的稳定性【1 8 - 2 0 1 ，例如换能器驱动电压 的波动、驱动电流的变化以及换能器压电陶瓷材料的退极化等。即使采取某些技 术方案对驱动电压和电流进行检测和反馈控制，也不能完全可靠地保证在整个治 疗过程中换能器输出超声能量的稳定性。因此，在治疗过程中对换能器输出的超 声能量进行在线实时监测对于保证治疗的安全性和有效性具有重要意义。 本课题设计一种p v d f 压电薄膜传感器，安装在h i f u 换能器声场中某一固定 位置，通过实验探讨换能器工作过程中计算机采集到的传感器输出电压与换能器 驱动电压之间的关系，旨在为h i f u 治疗过程中超声输出功率的在线实时监测提供 依据和方法。 5 重庆医科大学硕士研究生学位论文 第一章p v d f 压电传感器理论基础 1p v d f 压电薄膜 p v d f 是一种高分子聚合物传感材料。1 9 6 9 年，k a w a i 在对聚偏氟乙烯 ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，简称p v d f ) 的研究中发现，在高温强电场下，经过单轴拉 伸、极化后的p v d f 薄膜，在合成的高分子材料中具有最强的压电效应。近几十年 来，人们对p v d f 薄膜的研究一直没有停止，研究表明【2 1 2 4 1 ，p v d f 与现代微电子 技术相结合，能够制作出满足不同需要的多功能传感元件。p v d f 压电薄膜的优点 主要有【2 5 】： ( 1 ) 频响范围宽，一般在室温下为l0 - 5 10 9 h z ，并且响应平坦，即在各频 段均能有效转换机电效应。 ( 2 ) 声阻抗与水和人体组织很接近，用作医用仪器的传感元件时，不需要进 行阻抗匹配。 ( 3 ) 作为传感元件的重要特征参数g 值，p v d f 是p z t 的2 0 多倍。 ( 4 ) 具有高介电强度、高化学稳定性、高耐疲劳性和高热稳定性。 ( 5 ) 柔性好，质量轻，易于加工，可根据需要制成5 u m 到1 m m 厚度，形状任 意的薄膜，因此可满足特殊环境下对传感元件的苛刻要求。 1 1p v d f 的组成及其压电性能 p v d f 是由c f 2 c h 2 键接而成的长链分子，其分子量数量级为1 0 5 ，其中有1 0 3 个重复单元结构，伸展长度为1 0 3 1 0 4n m 。因为两个氟原子都偏向于一侧并与一 个碳原子相结合，所以称为偏氟乙烯v d f 。p v d f 是半结晶高聚物，结晶度约为 5 0 ，其存在多种结晶形态，目前己测得的p v d f 晶体型态有4 种【2 6 】：i 型( d 相) ， i i 型( 0 【相) ，i i i 型( 丫相) ，型( 6 相) 。图1 1 为p v d f 的四种晶体型态结构示意图。 6 重庆医科大学硕士研究生学位论文 图1 - 1p v d f 的四种晶体型态结构示意图 f i gi - i s c h e m t i cd i a g r a mo fp v d fc r y s t a l l i t e ss t r u c t u r e 在晶型i 型( d 相) 中，晶体内的每个晶胞有两个分子链，分子链取t t 构象( 平 面锯齿形) ，c f 2 偶极子朝同一方向，其分子链在b 轴方向的排列相互平行，因此 其具有很大的自发极化特性。其中每个单体的偶极矩长为7 0 1 0 刁oc m ，自发极 化强度p 。为1 3 0mc m 。所以i 型( p 相) 为一种极性晶体，它经过极化处理后， 晶粒的b 轴能更好地沿着极化方向取向，因此p v d f 具有很大的压电效应。 p v d f 是晶体与非晶体的混合物，结晶度一般为5 0 左右。i i 型( a 相) 是四种 晶体形态中能量最低并且最稳定的结构。p v d f 由溶液流延或由液态慢慢冷却形成 薄膜时，通常都会形成0 l 相。虽然仅相势能是最低的，但其各相间势能间差值最小。 所以在适当的条件下，各相间容易互相转变。在不同的热处理条件、外加电场、 机械应力、或选择不同的溶剂，都可能形成不同的晶相。目前，单轴拉伸是将0 【相 p v d f 转变为压电b 相的最常用方法。 1 2p v d f 传感器的等效电路 p v d f 传感器的等效电路如图1 2 所示。 7 重庆医科大学硕士研究生学位论文 ( a )( b ) 图1 - 2p v d f 压电传感器等效电路 f i g1 - 2ap v d fp i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e re q u i v a l e n tc i r c u i t 图1 2 中， c 。、r 。分别为p v d f 压电传感器等效电容和漏电阻，艮一般在 1 0 9 q 1 0 1 4 q 之间，c 。为电缆电容，、c i 为运算放大器输入电阻和电容。图中( a ) 、 ( b ) 分别为p v d f 压电传感器的电荷等效电路和电压等效电路，它们的工作原理完 全相同，只是电路的表示方式不一样。因为p v d f 传感器的漏电阻r 。不能无限大， 所以有电荷通过电阻泄漏，导致电压不能保持稳定大小。 p v d f 传感器的等效电路可简化为如图1 3 所示。 r 图1 - 3p v d f 压电传感器简化电路 f i g1 - 3s i m p l i f i e dc i r c u i to fp v d fp i e z o e l e c t r i cs e n s o r 图l 一3 中r 为系统的绝缘漏电阻， r = 些r a + r 。；c 是系统的等效电容， c = c i - t - c f - c a 。 当t = o 时，电容器c 的两极板因为恒压作用产生电荷q ，使电容器两极板间产 8 重庆医科大学硕士研究生学位论文 生电压u 。电荷q 通过r 逐步漏掉，泄漏电流为i ，使电容器的电压u 下降。根据 欧姆定律，在任意时间t 有： u = i r i ：辈，q = c u 讲 将式( 1 2 ) 代入式( 1 1 ) ，得： c d u ：一u 出r 将初始条件t = 0 ，u = u o 代入式( 1 3 ) 中，解这个一阶线性微分方程， 两端电压u 随时间变化规律为： u = u o e - 了 式( 1 4 ) d pt 称为时间常数，f = r c ，代入式( 1 4 ) d p ，得： 一一 u = u o e 厅c 将式( 1 5 ) 按级数展开并取前两项，可得： u 州1 一争= u o ( 1 - 去) 由于电荷泄漏而产生的电压值为： ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 得电容器 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) u 2 u 棚= u 蠢 ( 1 7 ) 以相对误差e 的形式表示，则有： e 2 瓦a u2 去 ( 1 8 ) e 2 一= 一 ii 苓l u o尺c 、 实际应用中，一般r 。r j ，即r = r i 2 ，代入( 1 8 ) 得： c 一斋 ( 1 9 ) e 2 一 t1 y l r i c 、。 由式( 1 9 ) 知输出电压的衰减速率由c 和的乘积，即时间常数来确定。为降 低因漏电而产生的测量误差，需使时间常数取值尽量大，由于电容c 值取决于对 灵敏度的要求，不易随意取值，因此只能增大测量电路的输入电阻。 2p v d f 压电传感器的测量电路 p v d f 压电传感器的内阻很高并且输出信号很微弱，所以它不仅自身要有高的 绝缘电阻，而且负载电阻( 即前置运算放大器的输入电阻) 也要求有足够高的阻抗 【2 7 1 ，以防止因电荷迅速泄漏而引起的测量误差，所以与p v d f 连接的测量电路的 重庆医科大学硕士研究生学位论文 前置放大部分主要有两个要求：( 1 ) 将p v d f 压电传感器的微弱信号放大；( 2 ) 将p v d f 压电传感器的高阻抗输入量转换成低阻抗的输出量。根据图1 2 中所示两 种等效电路可知，它的输出信号可以是电压信号，也可是电荷信号，所以前置放 大电路部分也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 2 1 电压放大器 电压放大器也称为阻抗变换器，它是把p v d f 压电传感器的高输入阻抗转换 成低输出阻抗，同时将p v d f 压电传感器的微弱电压信号放大。将图1 - 2 ( b ) 的电压 等效电路后接增益为a 的运算放大器，并对其进行简化可得出电压放大器等效电 路，如图1 4 。 图1 - 4 电压放大器的等效电路 f i g1 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fv o l t a g ea m p l i f i e r 图l - 4 中，等效电阻r = 羔，等效电容c = c c + c t 。若p v d f 受到交变压力 为f ，f = f 。s i n o ) t ，则p v d f 传感器所产生的电压按正弦规律变化： u = u m s i n o ) t ( 1 1 0 ) 式中：u m 是电压幅值，u m _ 之尝，d 为p v d f 的压电常数。运放放大器的输 入电压为： u t 2 d f 而而j c o r ( 1 1 1 ) l + j 缈r ( c + c a ) 、7 式中：为被测信号的角频率；从式( 1 1 1 ) 可知电压u j 的幅值和它与所测信 1 0 重庆医科大学硕士研究生学位论文 号之间的相位差q 可表示为： u 护兰丝竺之 l + 国2 r 2 ( c a + g + g ) 2 = ：t , 一a r c t 9 0 3 ( c a + c c + c i ) r( 1 12 ) z 由式( 1 1 2 ) 礅n ，当很大时，2 r 2 ( c a + g + c 02 1 ，则放大器输入端的电压 幅值与被测频率0 3 无关。放大器输入电压幅值为： u i 。：一一竺三一 ( ，1 1 3 ) c a + c c + c i 从式( 1 1 3 ) 可以看出，当连接p v d f 传感器与前置运放的电缆长度改变时，u t m 因c 。的变化也随之改变，即使前置运放的输出电压u 。( u 。- a u t 。) 也随之变化，输 出灵敏度也因此发生变化。因此，p v d f 传感器与前置电压放大器连接时，系统的 输出电压与电缆长度有关。所以采用电压放大器作前置放大器时，一般使电缆的 长度不变，如需要改变其长度时，则必须重新校准其电压灵敏度，否则因电缆电 容c 。的改变会带来测量误差。因此使用电压放大器作前置放大器在实际应用中受 到很大的限制。由上可知，对于p v d f 传感器来说，电压放大器的优点在于电路 简单，稳定性和线性度好；其缺点是电压放大器的电压灵敏度为系统阻抗的函数， 它随连接电缆长度的变化而变化。 2 2 电荷放大器 电荷放大器是具有深度电容负反馈特性的高开环增益运算放大器，它把p v d f 压电传感器的高输入阻抗转转换为低输出阻抗，其输出的电压值正比于输入电荷 量。为了减少电荷损失，电荷放大器对运算放大器的输入阻抗要求非常高。电荷 放大器一般利用高增益的运算放大器和绝缘性能很好的电容来实现。图1 5 是 p v d f 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图。 重庆医科大学硕士研究生学位论文 图l 。5p v d f 压电传感器与电荷放大器连接的电路图 f i g1 - 5c i r c u i td i a g r a mo fp v d fp i e z o e l e c t r i cs e n s o rb i n d i n gc h a r g ea m p l i f i e r 图i 5 中，p v d f 压电传感器可以等效为一个电荷源和一个电容c 。f 2 8 1 。g ，是 反馈电容，它的作用是将输出信号u o 反馈到反向输入端；鼬是并联在反馈电容两 端的漏电阻。假设运算放大器为理想放大器，根据虚地原理，同向端接地，所以 u i = o 。由图1 5 可知：q = ( 0 - u o ) c f ，即： u 一罟 ( 1 1 4 ) c f 式( 1 1 4 ) 中，可知使用电荷放大器的测量电路中，输出电压u o 与q 理论上只 与反馈电容有关，和其他参数无关，这就使得测量结果受电缆影响很小。 由上述分析可知，两种p v d f 压电传感器测量电路的主要区别为：使用电压 放大器时的测量系统对电缆电容的变化敏感，测量系统的输出受连接电缆长度的 变化影响明显。而使用电荷放大器时的测量系统对电缆长度变化的影响可忽略不 计，但它与电压放大器相比电路要复杂得多，调整也相对困难。 3 本章小结 本章介绍了p v d f 压电薄膜的结构，压电特性，以及其作为传感器的理论基 础。在后面章节中就p v d f 传感器模拟电路的设计与实现方法进行讨论。 1 2 重庆医科大学硕士研究生学位论文 第= 章p v d f 传感器模拟电路设计 1p v d f 传感器电路组成 p v d f 传感器电路组成框图如图2 1 所示。 高通滤 波电路 温度传 感器 电压放 大电路 鉴频器 电路 8 9 c 5 2 单片机 全波整 流电路 a d 转 换电路 妻星h 计算机 通信 i 丹“ 图2 1p v d f 传感器电路组成框图 f i g2 - 1p v d fp i e z o e l e c t r i cs e n s o rf r a m e w o r kd i a g r a m 图2 1 中，p v d f 压电传感器输出的电荷量q 首先经过电荷放大电路，转换成 为低内阻电压信号，再经高通滤波电路后进入电压放大电路，然后分别通过模数 转换和鉴频器电路输入到单片机系统中。本课题中，电路的设计在p r o t e ld x p 【2 9 】 平台上完成，电路设计图见附图l 、2 。 2 电荷放大电路 2 1 电荷放大的基本原理 电荷放大器为一种负反馈放大器，它能获得与输入电荷量成比例的电压输出， 其实它并不把电荷放。其实它并不是将电荷放大，而是把一个高内阻电荷源转换 成一个低内阻电压源。下面在第一章的基础上，详细分析一下它的基本原理。图 2 2 是p v d f 压电传感器与电荷放大器连接的原理图： 重庆医科大学硕士研究生学位论文 图2 - 2p v d f 传感器与电荷放大器连接的原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n n e c t i o nb e t w e e nc h a r g ea m p l i f i e ra n d p v d fp i e z o e l e c t r i cs e n s o r 电荷放大器中的集成运放采用电容负反馈，对于直流工作点相当于开环，因 此零漂很大。为了使电荷放大器能稳定工作，y f 减d , 其零漂，可以在反馈电容c r 的 两端并联一个反馈电阻艮，形成直流负反馈【3 0 1 ，能稳定运算放大器的直流工作点。 假设运放开环增益为a ，则其输出电压： u 。臣曩甭- j 忑c o a q 丽 亿1 ) 式( 2 1 ) 中，由于a l ( 约1 0 4 1 0 6 ) ，所以有警 面1 + 瓦1 ， ( 1 + a ) c f c a + c c + c i 。此时p v d f 压电传感器的自身电阻r 。、电容c 。，运算 放大器的输入电阻、输入电容c i ，以及电缆电容c 。均可忽略不计，即p v d f 压电传感器本身的电容大小和电缆长度对电荷放大器的输出影响可忽略。则 式( 2 1 ) 可化简为： 妒丽- j c o a q2 蕊- j c o a o ( 2 2 ) 从式( 2 2 ) 可以看出，电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷q 和反馈电路 中的c r 、艮。当信号频率足够高时有：面1 v i 时，说明数字过大， 这个l 应当去掉；当v o v i 时，说明数字还不够大，这个l 应保留。后面再以同 样的方法将次高位置l ，并比较v o 与v ；的大小以判定这一位的1 是否应保留。这 样逐位比较直至最低位比较完为止。最后寄存器里所存的数即所求的输出数字量。 2 2 基于a d c 0 8 0 9 的a d 转换电路设计 本课题中a d 转换电路是将经过整流的两路0 5 v 可调电压转换成为数据信 号，以便单片机进行处理、存储、控制和显示。因为在a d 转换电路之前设计了 有效值电路，这里对a d 转换器的要求并不高，本课题选用a d c 0 8 0 9 4 2 作为a d 转换器。a d c 0 8 0 9 是采样频率为8 位、以逐次逼近原理进行模一数转换的器 件。它内部有一个8 通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的信号，选 择8 路模拟输入信号中的一路进行a d 转换。a t 8 9 c 5 2 单片机与a d c 0 8 0 9 连接 系统的电路图见附图2 。附图2 中，由于a t 8 9 c 5 2 单片机内部r a m 的容量不能满 足本文中数据采集的需要，所以外接了一个a t 2 4 c 0 2 a 存储器，a t 2 4 c 0 2 a 的容 量为2 k 。其a d 转换工作过程如下： 重庆医科大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) a d c 0 8 0 9 的转换时钟c l k 信号的获得。提供给单片机的1 1 0 5 9 2m h z 晶 振频率经内部6 分频后得到1 8 4 3 2m h z 的正脉冲信号( 由a l e 脚输出) ，再经外部 4 分频后作为a d c 0 8 0 9 的转换时钟c l k 信号( 其时钟频率为4 6 0 8k h z ) 。 ( 2 ) a d c 0 8 0 9 的8 条数据线d o d 7 与单片机的数据总线p o 0 p 0 7 直接相连。 ( 3 ) a d c 0 8 0 9 的地址端a d d a ，a d d b ，a d d c 分别与7 4 1 5 3 7 3 锁存器的地 址总线l q ，2 q ，3 q 相连接，各通道的译码地址如表l 所示。 表3 - 1 各通道译码地址 t a b3 - 1d e c o d i n ga d d r e s so f a l lc h a n n e l s 通道 译码地址 0 d p t r = f e f o h 1d p t r = f e f o h 2d p t r = f e f o h 3d p t r = f e f o h 4 d p t r = f e f o h 5d p t r = f e f o h 6d p t r = f e f o h 7 d p t r = f e f o h ( 4 ) a d c 0 8 0 9 的a d 转换结束信号e o c 通过一个与非门与单片机( a t 8 9 c 5 2 ) 的 p 3 31 2 1 连接，用来查询转换是否结束。 ( 5 ) a l e 信号线与s t a r t 信号线连在一起，在信号的前沿写入地址信号，后沿 启动转换。 本课题采用中断方式将a d 转换结果读入单片机，即每次写信号起动a d 转 换后，立即查询状态标志，当e o c 端呈高电平时( 即p 3 3 为低电平时) ，表示a d 转换结束，可将转换结果读人单片机外接存储器a t 2 4 c 0 2 a 中。 由于单片机a t 9 8 c 5 2 采用串行口w d ) ( p 3 0 ) ，t x d ( p 3 1 ) 输出( 异步串行通信 方式为1 ) 因此，串行通信的传输速率为： 波特率= 鲎些1 坚6 ( 3 1 ) 重庆医科大学硕士研究生学位论文 f o , r 溢出速率2 可f 刁琵芴夏2 瓦瓦五面 3 2 ) 。为振荡器的频率( 本文中采用的晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z ) ，( r c a p 2 h ， r c a p 2 l ) 为1 6 为寄存器的初值( 定时常数= f f f 7 ) 。代入公式( 3 2 ) 得：溢出速率 = 61 4 4 0 0 b i t s ，代入公式( 3 1 ) 得：波特率= 3 8 4 0 0 b i t s 。 2 3 监控电路 由于单片机a t 8 9 c 5 2 无“看门狗”功能，为了防止系统死循环，需要外加看门 狗电路；另外，系统上电时还需给c p u 供可靠的复位信号。本课题采用m a x 8 1 3 芯片来完成这些功能【4 3 】，其与单片机连接的电路图如附图2 所示。m a x 8 1 3 是具 有电源监控电路的微处理芯片，它不仅能对电源电压进行实现监控，而且其还具 有看门狗定时电路。它的4 个主要功能为：( 1 ) 电压监测功能，即掉电或电源监 测电压低于1 2 5 v 时产生掉电输出；( 2 ) 看门狗计时器功能，即看门狗输人信号 在1 6 s 内无变化产生看门狗输出；( 3 ) 上电复位功能，即系统上电复位时产生脉 宽2 0 0 m s 的复位脉冲；( 4 ) 人工复位功能，即以人工方式在复位端输人低电平时 产生复位输出信号。 本课题中，单片机p 2 1 脚不断有脉冲信号输出，若单片机进人死循环，则p 2 1 脚无脉冲输出，1 6 s 后在m a x 8 1 3 的8 脚有低电平输出，该低电平加到第l 脚， m a x 8 1 3 则产生复位输出，使单片机摆脱死循环。当电源电压低于门限值4 6 5 v 时，m a x 8 1 3 也会产生复位输出，使单片机一直处于复位状态，不执行任何指令， 直至电源电压恢复正常，可有效防止电源电压较低时单片机产生错误。 3 串口通信 本课题计算机c o m l 接口通过基于r s 2 3 2 c 4 4 】的串口通信与a t 8 9 c 5 2 单片机 连接进行数据采集的控制。r s 2 3 2 c 标准是美国e 1 a 与b e l l 等公司在1 9 6 9 年开 发完成并公布的通信协议。它适用于传输速率在0 2 0 0 0 0