电子体温远程监测系统

毕业设计说明书 电子体温远程监测系统的设计 学生姓名 学号 学 院 专 业 计算机控制技术 指导教师 2009 年 6 月 电子体温远程监测系统的设计电子体温远程监测系统的设计 摘摘 要要 论述了一种电子体温远程监测系统的设计及实现方法 该系统通过以 AT89C51 单片机为核心的前端体温测量装置实时采集病人的体温 然后通过 PTR2000 将体温传送到病区 PC 机 病区的 PC 机通过 C S 模式连接到主服务器 的数据库 在服务器和病区 PC 机中运行体温管理软件 实现对每个病人的体温采 集 处理和显示 关键词 关键词 体温监测 传感器 RS232 单片机 MAX232 PTR2000 显示 The design of the remote electronic body temperature monitoring system Abstract This paper describes the study of an intelligent body temperature measurement System The monitoring system for body temperature of medical use is designed and realized in this paper Patients body temperature is gathered in real time by a measuring device whose kernel is AT89C51 and is transmitted to PC by PTR2000 Body temperature management software is operated on PC which connects to the database server through C S mode the software can recollect process and display the data of body temperature KeyKey words words body temperature measurement Sensor RS232 MCU MAX232 PTR2000 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 I 页 共 页 目 录 1 引言 1 2 系统结构及其原理 4 2 1 系统结构 4 2 2 系统设计基本原理 4 2 2 1 数据采集 5 2 2 2 数据的无线发送和接收 5 2 2 3 数据的处理和显示 5 3 系统硬件设计 6 3 1 单片机模块的设计 6 3 2 单片机控制流程图 6 3 3 单片机选型 7 3 4 MAX232 芯片 7 3 5 MAX232 接口电路 7 3 6 传感器工作原理 8 3 7 RS232C 总线标准接口 9 3 8 体温检测模块 10 3 8 1 无线数据传输模块 11 3 9 发射端接口电路 11 3 9 1 接收及显示 11 4 系统软件设计 13 4 1 单片机软件设计 13 4 1 1 波特率 13 4 2 通信软件设计 14 4 2 1 通信协议概述 14 4 2 2 通信协议处理流程 14 4 3 通信协议设计结论 15 4 3 1 通信可靠性分析 15 4 3 2 通信速度分析 16 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 II 页 共 页 4 4 单片机端软件 16 4 5 PC 机端软件 17 5 系统优点 19 6 结论 20 参考文献 21 致 谢 22 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 1 页 共 22 页 1 引言引言 人体的健康状况 人体的某些生理特征与许多因素有关 但其中重要的因素 之一就是体温 测试体温的方法和手段很多 如水银体温计 电子体温计 胶布 体温计 戒指式体温计 吞服式体温计等 本文论述一种电子体温远程监测系 统的设计及其实现方法 该系统包括信号检测 放大 转换 存贮 数字显示 模拟曲线显示 报警等电路 整个系统硬件设计合理 软件编制模块化 使其具 有分辨力小 精度高 线性度良好 适用于人体体温的精密监测 同时对体温变化 情况具有存贮 数字显示 模拟曲线显示等功能 在微机测控技术和工业自动化控制领域中 由 PC 机与多台单片机构成的主 从系统得到广泛应用 在这种主从系统中 由单片机并行采集 处理现场信号并 控制执行机构动作以完成多参数实时控制 PC 机对各单片机集中管理 PC 机与单 片机以通讯方式交换信息 在众多的通讯接口中 RS232C 口应用普遍 本系统实现对多点体温数据的采集 处理 实时显示以及对体温报表的管 理 体温采集模块以单片机作为核心部件 加上体温传感器检测电路组成的 采集到的体温参数在单片机中进行预处理 并按照一定的编码格式通过串口送 至无线发送模块 实现与 PC 机的无线通信 传感器部分采用了高精度传感器 要准确检测体温 首先应全面了解健康人 的正常体温通常是多少度 据有关资料报道 美国科学家用口腔电子体温计对几 十名健康男女测试 表明健康人的平均体温应是 36 8 早晨醒来时体温最低 晚 下午 体温最高 平均体温为 36 8 现在一般认为早晨体温大于等于 37 2 下午体温大于等于 37 8 都是发烧体温 根据这些资料和实际情况 又 考虑到整个监测系统的成本 A D 转换采用价廉的 8 位芯片 设计时量程范围确 定为 36 00 41 10 系统定标 将 36 00 时 输入到 A D 芯片的电压处理 调 整为 0 V 温度 41 10 时 输入到 A D 芯片的电压处理 调整为 5 V 温度每升 高 0 02 电压升高 5V 255 0 0196V 保证系统分辨力为 0 02 0 02 255 5 10 图 2 显示 查询 报警功能温度上限为 36 00 5 10 41 10 2 数据采集部分是由 8031 74LS373 EPROM2732 等构成的单片机最 小系统加 ADC0809 等电路 ADC0809 的 IN 通道输入来自传感器的经放大 处理 的电压信号 该信号经过模拟量到数字量的转换 再由 8031 进行一系列处理 加 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 2 页 共 22 页 工 以便传送 存贮 显示 数字显示是由 8031 的 RXD TXD 串行口输出数据到 74LS164 移位寄存器 带 动数码管显示温度值 记录查询功能是由 8031 的外部中断 INT0 INT1 完成的 当开关 K 合到 K3 位置时 系统处于正常测温状态 当 K 合到 K2 位置时 执行 INT0 中断 进入中断服务子程序 查询一天的温度变化情况 并显示出最高 最 低温度值 当 K 合到 K1 位置时 执行 INT1 中断 进入中断服务子程序 查询 12 天中的温度变化情况 并显示出最高 最低温度值 超温报警电路很简单 当温 度达到 40 00 以上时 执行报警功能 从 8155PA 口输出的八位信息分别去控制 CC4514 CC4515 的四位输入端 使 8031 每一给定输出都有一个发光二极管被选通发亮 发光二极管采用点阵方 式连接 通过软件管理 控制 使整个动态扫描的温度变化曲线呈现良好的直观 性 软件是智能型体温检测系统中极为重要的组成部分 软件设计仔细考虑了 对整个系统的严格管理 灵活运用了中断 查表 定时等处理手段 充分利用了 计时 查询 存贮等功能 软件设计采用了模块化结构 可读性 通用性强 主程序的主要功能是实时 循环测温 有条不紊地控制 并进行数据处理 存贮 显示 判断报警等 外部中断服务子程序有两个 其流程图类似 外部中断服务子程序包括 INT0 和 INT1 分别用来查询每一天的温度变化曲线 代表了变化趋势 一天中的 最高 最低温度 查询 12 天中的每天平均温度变化曲线与 12 天中的最高 最低 温度情况 曲线处理子程序为温度变化曲线显示做准备工作 温度模拟曲线显示是该 系统设计中的独到之处之一 为了直观 正确的进行显示 必须设计好曲线显示 子程序 使其能按要求将 R0 地址对应单元的内容 温度数据 送入 8155PA 口输出 推 动 4 16 译码器顺序点亮二极管点阵 完成温度曲线的显示 4 系统主要内存分配如下 10H 1FH 0809 采集数据存放地址 20H 25H 定时器的定时参数存放地址 26H 29H INT0 中断服务子程序延时参数存放地址 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 3 页 共 22 页 2AH 2BH 每天中最高 最低温度存放地址 36H 39H INT1 中断服务子程序延时参数存放地址 3AH 3BH 每 12 天的最高 最低温度存放地址 数据记录处理模块通过串行通信的方式接收无线数据传输模块传输的数据 并送到由 PC 机构成的基站进行记录 处理和显示 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 4 页 共 22 页 2 系统结构及其原理系统结构及其原理 利用计算机技术 单片机技术和数据通信以及数据库技术等完成对不同病 房 不同病人体温的采集 在计算机内自动汇总形成数据库 并能够进行适当的 分析 给医护人员以动态的显示 使医护人员能够及时 准确地获取病人的体温 信息及分析结果 以便制定相应的治疗方案 2 1 系统结构系统结构 本系统实现对多点体温数据的采集 处理 实时显示以及对体温报表的管 理 系统结构如图 2 1 所示 采用模块化设计 由体温采集模块 通讯模块 数据记录处理模块三部分组成 病房中每一病床前安置一体温采集装置 采集 到的体温数据在 RS232 单片机中进行预处理 并按照一定的编码格式通过串口 送至无线通讯模块 实现与病区 P C 机的无线通信 病区的 P C 机通过 C S 模 式同时连接到医院的主服务器 在服务器和病区 P C 机中运行体温管理软件 实现对每个病人体温数据的自动或手动选择采集 处理 实时显示和对温度报 表的查询 打印等 体温采集模块以单片机作为核心部件 加上体温传感器检 测电路组成的 采集到的体温参数在单片机中进行预处理 并按照一定的编码 格式通过串口送至无线发送模块 实现与病区基站 P C 机的无线通信 图 2 1 系统结构框图 2 2 系统设计基本原理系统设计基本原理 测量准备和系统自检 系统在体温采集模块上设置一个按钮 在每次测量前 按 此按钮启动系统自检 通过单片机检查与之相连的各个部件 如存储器 体温传 感器等的状态以及无线通信系统能否正常工作 通过无线数据传输模块 体温检 测 CE 测 单片机模 块 PTR2000 PTR2000 PC 机 显示处理 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 5 页 共 22 页 PTR2000 将检测到的各个部件的状态发送到接收端 若接收端收到正常的信号 则通知可以开始测量 若接收不到 则必须检查 调试 或者更换测量系统 直到 接收端收到正常的信号才可开始测量 如图 2 2 为测量温度分段线限等效图 图 2 2 温度分段线限等效图 2 2 1 数据采集 在系统自检完成之后 若各个部件工作正常 就可以开始生理参数测量了 由体温传感器模块将采集的数据保存在发送缓冲区 2 2 2 数据的无线发送和接收 在单片机数据采集完成以后 即开始数据的无线发送 将数据按照从高位到 低位的顺序发送 在发送之前 对采集的数据按照无线数据传输模块的要求进行 编码 然后将数据通过无线数据传输模块进行发送 在无线接收端 把接收到的数 据通过电平转换和 RS232 串行接口送 PC 机进行处理和显示 2 2 3 数据的处理和显示 由 PC 机构成的基站从 RS232 串行接口接收到数据后 通过生理参数处理软 件进行数据处理 存储 显示和分析 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 6 页 共 22 页 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 单片机模块的设计单片机模块的设计 单片机模块由 AT89C51 微处理器 A D 转换器 传感器电路等组成 单片 机模块主要完成控制 AD590 进行温度采集和转换 然后由无线传输模块送基站 PC 处理 传感器 AD590 获取的病人体温信号要经过相应的信号调理 变为可用 的信号 然后通过 A D 转换器件将模拟信号转换成为数字信号 再送入单片机中 进行处理 由于测温点较多 多个测温点对应于一个 A D 转换 需要多路转换开 关来分时采集每一路的信号 为了提高系统的集成度 选择带有模拟转换开关的 A D 转换器 根据一个病房测温点不会很多的情况 系统选择常用的 8 位逐次逼 近型 A D 转换器 ADC0809 3 2 单片机控制流程图单片机控制流程图 图 3 1 单片机控制流程图 开始 初始化 PIC16F877A 单片机端口地址 读入预设温度值 启动 A D 转换 A D 转换结果送入 NX 单元 NX FF 0 F0 NX 0 降温 加热 工程量变换 温度非线性温度转 换 发送数据到串口 命令识别 程序 从串口接受数据 Y Y Y N N N 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 7 页 共 22 页 3 3 单片机选型单片机选型 下面就目前国内较多的两种单片机 讨论一下与 89C2051 的性价比 1 与 80C31 系统相比较 如果需要构成一个 80C31 的最小系统的话 除了 CPU 之外 至少需要一片 27C64 而系统的有效引脚和 89C2051 基本相同 从元器件的成本 电路板的面 积和加密性来看 使用 89C2051 都是合算的 2 与 PIC 单片机比较 目前 国内小型的单片机全胜较多的有 PIC 系列 89C2051 与 PIC 相对应 芯片比较有如下特点 89C2051 的价格高于 PIC 的 OTP 型号 但大大低于 PIC 的 EPROM 型 89C2051 片内不含 Watch Dog 这是 89C2051 的不足之处 中断系 统堆栈结构 串等通讯笔定时器系统都大大强于 PIC 系统 由于 PIC 芯片中无 标准串等口 所以在单片机的联网应用上面 PIC 不太适合 与 PIC 相比 2051 更适合于较复杂的应用场合 适合一些软件需要多次修改的应用 就目前中国市场的情况来看 89C2051 有很大的市场 其原因有下列 4 点 1 2051 采用的是 MCS51 的核心 十分容易为广大用户所接受 2 2051 内部基本保持了 80C31 的硬件 I O 功能 3 2051 的 Flash 存贮器技术 可重复擦 写 1000 次以上 容易解闷调 试手段 4 更适合小批量系统的应用 容易实现软件的升级 3 4 MAX232 芯片芯片 MAX232 芯片是 MAXIM 公司生产的 包含两路接收器和驱动器的 IC 芯片 适 用于各种 EIA 232C 和 V 28 V 24 的通信接口 MAX232 芯片内部有一个电源电 压变换器 可以把输入的 5V 电源电压变换成为 RS232C 输出电平所需的 10V 和 10V 电压 所以 采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的 5V 电源就可以 了 加之其价格适中 硬件接口简单 所以被广泛采用 3 5 MAX232 接口电路接口电路 MAX232 如图 3 2 是一种双组驱动器 接收器 片内含有一个电容性电压发 生器以便在单 5V 电源供电时提供 EIA TIA 232 C 电平 每个接收器将 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 8 页 共 22 页 EIA TIA 232 C 电平输入转换为 5VTTL CMOS 电平 这些接收器具有 1 3V 的典 型门限值及 0 5V 的典型迟滞 而且可以接收 30V 的输入 MAX232 为 RS232 收发器 简单易用 单 5V 电源供电 仅需外接四个 1uF 电容 即可完成从 TTL 电平到 RS232 电平的转换 图 3 2 Max232 结构图 3 6 传感器工作原理传感器工作原理 温度测量装置原理图见图 3 3 所示 温度传感器 ds18b20 将被测环境温度 转化成带符号的数字信号 以十六位补码形式 占两个字节 传感器可置于离 装置 150 米以内的任何地方 输出脚 i o 直接与单片机的 p1 1 相连 r1 为上 拉电阻 传感器采用外部电源供电 89c2051 是整个装置的控制核心 89c2051 内带 1k 字节的 flatiron 用户程序存放在这里 显示器模块由四位一体的共 阳数码管和 4 个 9012 组成 用以医护人员在病人身边巡视时对病人体温的实时 监测 系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分 传感器控制程序是按 照 ds18b20 的通信协议编制 系统的工作是在程序控制下 完成对传感器的读 写和对温度的显示 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 9 页 共 22 页 图 3 3 温度测量装置原理图 3 7 RS232C 总线标准接口总线标准接口 标准异步串行通信总线接口主要有几类 本文主要以 RS232C 为主 RS232C 标准接口的全称是 使用二进制进行交换的数据终端设备和数据通信设备 DCE 之间的接口 它适合于数据传输速率在 0 20000b s 范围内的通信 通用的有 25 芯 DB25 和 9 芯 DB9 两种插头和插件 本设计使用的是较简易的 9 芯串口 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行 通讯二种方式 由于串行通讯方式具有使用线路少 成本低 特别是在远程传 输时 避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用 在串行通讯时 要求通讯 双方都采用一个标准接口 使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯 RS 232 C 接口 又称 EIA RS 232 C 是目前最常用的一种串行通讯接口 它是在 1970 年由美国电子工业协会 EIA 联合贝尔系统 调制解调器厂家及计算机 终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准 它的全名是 数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间 串行二进制数据交换接口技术标准 该标 准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以 规定 还对各种信 号的电平加以规定 接口的信号内容 实际上 RS 232 C 的 25 条引线中有许多是很少使用的 在计算机通讯中一般只使用 3 9 条引线 RS 232 C 最常用的 9 条引线的信号 接口的电气特性 在 RS 232 C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系 即 逻辑 1 5 15V 逻辑 0 5 15V 噪声容限为 2V 即 要求接 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 10 页 共 22 页 收器能识别低至 3V 的信号作为逻辑 0 高到 3V 的信号 作为逻辑 1 接口的物理结构 RS 232 C 接口连接器一般使用型号为 DB 25 的 25 芯 插头座 通常插头在 DCE 端 插座在 DTE 端 一些设备与 PC 机连接的 RS 232 C 接口 因为不使用对方的传送控制信号 只需三条接口线 即 发送数据 接收 数据 和 信号地 所以采用 DB 9 的 9 芯插头座 传输线采用屏蔽双绞线 传输电缆长度 由 RS 232C 标准规定在码元畸变小于 4 的情况下 传输 电缆长度应为 50 英尺 其实这个 4 的码元畸变是很保守的 在实际应用中 约有 99 的用户是按码元畸变 10 20 的范围工作的 所以实际使用中最大距 离会远超过 50 英尺 3 8 体温检测模块体温检测模块 体温检测模块选用了美国 ANALOG DEVICE 公司生产的集成温度传感器 AD590 1 AD590 是一种电流输出型温度传感器 以电流输出作为温度指标 在 激励电压为 4 30 V 时 AD590 输出的电流与绝对温度成正比 输出电流按 1 A K 的恒定比率输出一个与温度成正比的电流值 当外界温度为 0 时其输出电流为 273 A AD590 可以和数欧姆的电阻串联使用 不易受接触电阻 引线电阻和电 压噪声的干扰 适合多点温度测量和远距离温度测量控制 体温检测原理图如图 3 4 图 3 4 体温检测原理图 集成温度传感器 AD590 具有重复性好 精度高等优点 其测量范围为 55 150 在电路中为了把 AD590 输出电流信号转换成电压信号 在 AD590 输 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 11 页 共 22 页 出端串接一高精度采样电阻 温度信号经放大后进行 A D 转换后 再送入单片机 进行数据处理 3 8 1 无线数据传输模块 该部分采用基于 RF 芯片 nRF401 的无线数据传输模块 PTR2000 模块 nRF401 是 NORDIC 公司推出的单片无线收发一体化的芯片 包括高频发射 高频 接收 PLL 合成 FSK 调制 FSK 解调及多频道切换等部件 具有体积小 功耗 低 频率稳定 灵敏度高等特点 是目前集成度最高的无线数据传输芯片之一 PTR2000 既可与 80C51 68HC08 PIC 等各种单片机的串口或 I O 口直接连接 也 可通过电平转换芯片 MAX232 与 PC 机进行串口通信 3 9 发射端接口电发射端接口电路路 发射端接口电路把 PTR2000 的数据输入端 DI 输出端 DO 分别同单片机 AT89C 2051 的串行数据输出端 TXD 输入端 RXD 相连 使之实现 PTR2000 与单 片机的数据共享 这样数据采集系统采集到的体温数据才能通过 PTR2000 无线 发射出去 同时 还要把 PTR2000 的其它端口同单片机的 I O 相连 发射端接 口电路如图 3 5 所示 图 3 5 发射端接口电路 3 9 1 接收及显示 接收及显示部分 PTR2000 将接收到的数据送给 AT89C2051 进行处理后 再 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 12 页 共 22 页 通过串口传给 PC 终端进行处理显示 其中 AT89C2051 与 PTR2000 的接口电路图 与发射部分相似 这里不再详述 AT89C2051 单片机通过普通 I O 口与 PC 机 RS232 串口实现通信 由于 PC 系列机串行口为 RS232 标准接口 与输入 输出 均采用 TTL 电平的 AT89C2051 单片机在接口规范上不一致 因此需要转换 这里 TTL 电平到 RS232 接口电平的转换采用 MAXIM 公司的 MAX232 标准 RS232 接口芯 片 10 采用 VB 编程实现串口通讯和实时的图形显示 用 SQL Server 数据库对 数据进行存储 由于要监测多个病人的体温 为了避免出现信号混淆 不知接收 的是哪个病人体温的现象 采取查询方式来实现无线收发 收发模块 PTR2000 是无线收发一体化的装置 由于单片机端的 PTR2000 主要 用来发射采集的体温 而 PC 机端的 PTR2000 主要用来接收采集的体温 故可把他 们分别叫做发射装置和接收装置 在系统自检完成之后 若各个部件工作正常 就可以开始对体温无线监测了 首先把发射装置设置为接收状态来接收监测命令 同 时把接收装置设置为发送状态用以发射监测指令 控制程序通过接收装置发出监 测体温参数后 就把其状态变为接收状态来接收监测到的体温数据 发射装置接 收到指令后传给单片机 单片机根据指令转入对应病人的体温监测子程序开始监 测 同时把发射装置设置为发射来发射监测到的体温数据 这样单片机控制监测 到的体温数据通过发射装置 接收装置传给 PC 机进行处理 对一个病人体温的 监测结束后 接收装置的状态又设为发射 用来发射指令 发射装置的状态又设为 接收来接受指令 当控制程序再发出另一个病人的体温监测指令后 又开始另一 个病人的体温监测过程 重复这一过程 直到监测完所有的参数数据 整个过程 通过软件编程实现 保证了系统对各个病人体温数据的无混淆监测 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 13 页 共 22 页 4 系统软件设计系统软件设计 4 1 单片机软件设计单片机软件设计 我们知道影响数据转输产生错误的因素有 转输线分布参数上下位机间的 波特率误差现场干扰等 而针对近程小批量数据的通信 下位机的波特率误差 性是影响可靠通信的最主要因素 所以在单片机软件的设计时应重点考虑并设 置好波特率 4 1 1 波特率 1 波特率误差来源分析 单片机的振荡电路是由晶体及电容C1和C2构成 晶振频率主要由晶体的 因有频率决定 同时也与电容C1 C2及外界温度有一定的关系 另外 晶体频 率的标称值与实际值也不可能完全一致 波特率最大允许误差分析 在异步串行通信方式1中单片机以16倍波特率的采样速率对接收数据 RXD 不断采样 一旦检测到由1到0的负跳变 16分频计数器立刻复位 使之 满度翻转的时刻恰好与输入位的边沿对准 16分频计数器把每个接收位的时间 分为16份 在中间三位即7 8 9 状态时位检测器对RXD端的值采样 并以3取 2的表决方式确定所接收的数据位 由此可见 当波特率的误差使得在接收某位 数据位时 采样点离该位的中点半位间隔时将会对该位采样两次 即 欲使接 收的第N位为正确位时 须满足下式成立 所允许的波特率误差N 0 54 故当 所传输的一帧数据为10 位时 所允许的最大的波特率允许误差为5 对于其它 常用的8位 9位 11位 一帧的串行传输 其最大的波特率允许误差分别为 6 25 5 56 和4 5 减小波特率误差的措施 我们知道使用离散度小的晶振是减小波特率误差的关键 如果 晶振的离 散度已超过所允许的范围 此时不宜用其标称值 可以采用测量其波特率的方 法来得出实际的晶振波特率值 2 单片机软件的实现 设置通信方式和波特率的值例 MOV SCON 50H 初始化串口设为方式1 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 14 页 共 22 页 MOV TMOD 20H 利用定时器1为波特率发生器并设为模式2 MOV PCON XXH 设置SMOD值 MOV TH1 XXH 设置定时器初始值 SETB TR1 启动定时器1 等待接收PC机发来的信号帧并按通信协议做出相应响应 4 2 通信软件设计通信软件设计 在进行数据通信的软件设计时 必须解决好两个方面的问题 一是可靠性 二是速度 而这两方面的问题 可靠性是第一位的 速度只能是在可靠的基础上 的速度 可靠快速转输的实现 需要 PC 单片机软件以及通信协议等各个环节 的可靠和其间的相互配合 4 2 1 通信协议概述 在设计 PC 单片机通信协议时 需说明一点 在本系统的实际通信中 PC 机是主控者单片机只是被动接收者 采用这种通信协议比较双方互为主控者时 简单 本通信协议的设计思想是基于传输方式 即在向 RS232 串口发送命令信号 应答信号及数据信号时 是一帧一帧地发送的 为了使数据快速可靠地传输 将每一帧数据唯一对应一命令帧 此时传输数据即执行命令具体如下 1 在 PC 读数据时 遵循 读命令 等数据 报告 即 PC 下达命令 等待 接收数据 根据所接收数据的正误向应用程序报告此命令的执行情况 2 在 PC 写数据时 遵循 写命令 等回应 报告 即 PC 下达一写命令 此时所要写的数据含于此命令中 等待单片机发来的 已正确接收 的回应 信号 并向应用程序报告此命令执行完毕 3 如果在转输过程中 其间 PC 或 MCU 所接收任何一帧信号出现错误时 均会向对方发送重发此帧信号的请求 如果连续三次转输失败 则退出通信并 向应用程序报告 4 2 2 通信协议处理流程 1 数据分帧与数据重组 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 15 页 共 22 页 图 4 1 串口数据发送过程 图 4 2 串口数据接受过程 将应用程序发送过来的数据作为一个数据流放在发送缓冲区中 通过通信 协议进行分帧 切割 发送 在接收端 分帧的数据去掉帧头重新组合到 接收缓冲区中 交给应用程序处理 发送过程的示意如图 4 1 接收过程的示 意图如图 4 2 4 3 通信协议设计结论通信协议设计结论 4 3 1 通信可靠性分析 通信的可靠性主要体现在所使用通信协议的可靠性上 本通信协议的可靠 性主要有两点理论基础 1 通过判断帧头起始字符来决定一帧的开始 这样就避免了部分数据进入 到内部数据处理之中 这个可能性在1 256 通过停止位的判断可将这个可能 性再降低1 256 另外通过类型字节的判断可使之进一步降低 2 校验字将整帧信号进行异或校验则使误收的可能很小 如果将此异或校 验改为CRC校验则出错的可能性更是微乎其微了 本通信所用协议具有纠错功能 这体现在当PC 发送或接收数据时 当所接收的应答信号出现失误时 将重新发 送或接收此帧数据 直至接收到了正确的应答 具体在程序中最多允许连续出 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 16 页 共 22 页 错三次 超过后则放弃通信 在实际应用中 应用本通信时传输距离只有几米 以内而且环境干扰比较小 从而从外部因素上进一步保证了通信的可靠性 4 3 2 通信速度分析 如果在不考虑错误发生的情况下 PC 机每发送一帧数据时需要附加12个字 节 其中8个字节用于发送4个字节用于应答PC 机 每接收一帧数据时 需要附 加13个字节其中5个字节用于接收8个字节用于应答 如 按每帧传送32个字节 计算的话 其发送和接收的效率为忽略PC和单片机的处理时间计算 发送数据 速率 接收数据速率计算公式如下 发送数据速率 9600 32 44 6981bit s 接收数据速率 9600 32 45 6826bit s 这是理论上的速率 实际中还应包含PC和单片机的处理信号帧 等待信号 帧的时间 在本通信协议中 不会出现某信号帧已到达但PC或单片机还未开始 准备接收的现象 在实际应用中 因具体应用环境不同PC和单片机处理信号帧 的时间会有不同 所以具体速率值依具体应用而变化 4 4 单片机端软件单片机端软件 单片机部分的软件用 80C51 单片机汇编语言开发 其主要作用是采集数据 控制 PTR2000 发射和接收数据 可以分为以下几个模块 自检模块 发射模块和 体温数据采集模块 单片机的主程序流程图如图 4 3 所示 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 17 页 共 22 页 图 4 3 单片机端主程序流程图 4 5 PC 机端软件机端软件 PC 机端软件主要包括用 VB 实现的串口通信 监测数据的显示和 SQL Server 数据库的访问 采用 VB 语言进行编程 是因为在 RS 232 串口通信方面 VB 提供的 Ma com 控件功能强大 可以设置串行通信的数据发送和接收 对串 口状态 信息格式和协议进行设置 图 4 4 是 PC 机接收端显示处理程序的界面 点击体温采集菜单下的病区 1 病人 3 选项 将显示病区 1 中 3 号病人的体温变 化 点击数据查询菜单可对病人的历史数据进行查询 点击体温曲线菜单可看 到某一病人在一段时间内的体温变化曲线等等 测得的数据能实时显示和存储 在数据库中 也能对测得的数据进行分析 从而达到研究分析病人体温变化状 况的目的 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 18 页 共 22 页 图 4 4 PC 机接收端显示处理程序的界面 为了准确获知 AD590 的准确度大小 要确定 AD590 的线性度 将 AD590 的测量范围分成若干点 分别在这些温度点上测得输出电流值 根据测量结果描绘出一条特性曲 线 用拟合的方法确定非线性误差 获得了线性度后 为提高测量准确度 要对其进行误差修正补偿 采用硬件电路对 AD590 进行误差修正补偿 即通过对外部高精度电阻器进 行调整来实现的 在对 PTR2000 进行编程时 当无信号时 PTR2000 串口输出 是随机数据 为了区分信号数据 需要定义一个通信协议 13 在发送时在有效 数据前加两个字节的固定标志 在接收一方的软件中 检测到该固定标志后作 为正式数据的开发 另外 由于无线通信的特点 为了可靠通信 通信协议采 用了数据的 CRC 效验方式 通过测试 得到了系统的主要性能参数 测量精度 0 1 测量范围 5 50 数据传输速率 1 200 b s 数据处理和显示 采用微机接收数据并进行处理 绘 制体温曲线图 测量模块工作电压 直流 5 V 10 用干电池或充电电池供电 中北大学 2009 届毕业设计说明书 第 19 页 共 22 页 5 系统优点系统优点 经过实际运行 本系统具有如下