脉搏测量器设计说明书.doc

. . . . .就目 录第1章 绪论3第1.1节 课题背景3第1.2节 脉搏测量原理3第1.3节 设计任务5第1.4节 设计的意义5第2章 无线传输方案选择6第2.1节 系统设计62.2.1 方案172.2.2 方案28第2.2节 方案讨论9第3章 脉搏测量原理10第3.1节 脉搏信号的拾取10第3.2节 信号的放大12第3.3节 波形整形15第4章 温度测量及声光报警原理16第4.1节 数字温度传感器DS18B20介绍164.1.1 DS18B20的主要特性164.1.2 DS18B20工作原理174.1.3 DS18B20的4个主要的数据部件：174.1.4 高速暂存存储器204.1.5 DS18B20的应用电路224.1.6 DS1820使用中注意事项24第4.2节声光报警电路25第5章 主要开发工具27第5.1节 工具介绍275.1.1 Protus软件介绍275.1.2 Protues提供的资源285.1.3基于Protues的软件仿真29第5.2节 Altium designer 6.9原理图与电路板制作30第六章 主要器件介绍33第6.1节 编码和解码芯片33第6.2节 单片机AT89C51366.2.1 AT89C51的特点366.2.2 AT89C51的功能描述376.2.3 AT89C51引脚功能386.2.4 操作方法40第6.3节 LCD1602A显示器416.3.1 1602A引脚说明416.3.2 1602A指令表426.3.3 基本操作时序42参考文献44附录45完整程序45第1章 绪论第1.1节 课题背景现代社会，随着人们生活水平的不断提高，生活方式、饮食结构的不断改变，高血压、冠心病、动脉硬化等心血管疾病已成为常见病和多发病。据统计，目前我国城市人口中每5个成年人中就有1个不同程度的患有心血管方面的疾病，由此而致的心肌梗塞、脑中风、猝死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。中国每年有100多万人死于脑猝中，并且有更多的人致残。在心血管疾病的初期，虽然患者还没有自觉症状，但血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液黏性等一系列心血管、血流参数却已经发生了变化，并首先反应在脉搏波的波形变化中因此通过对脉搏波的采集分析，可以将心血管疾病潜在的危险及早诊断出来，为心血管疾病的预防和治疗争取宝贵时间。第1.2节 脉搏测量原理血液是一种高度不透明的液体。近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。皮肤内的血液容积在心脏作用下呈波动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，而心脏舒张时则外周血容量减小。血容积搏动使组织中血液透光率随之变化，当光源和光敏元件置于被测部位(如手指)的同一侧(或两侧)，光源发出的光照射在组织上，经反射(或透射)后被光敏元件接收，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。在检测系统中将变化量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波。在本设计采用IR333型红外发射二极管作为光源，BPW83型红外接收二极管作为光电转换器件，两种二极管的峰值波长都在900 nm附近，在指夹中，红外发射二极管和红外接收二极管并排摆放由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为毫伏量级，所以要求前置放大电路满足下述要求:(1)高输入阻抗。光电信号是不稳定的内阻变化的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗，所以要求放大器具有高的输入阻抗。(2)低噪声、低漂移。可以减小信号源的影响，增强信号的拾取能力，使输出稳定。AD620是一种仅需在其引脚跨接一个电阻就能调节放大倍数的低功耗、高精度仪表放大器，其放大倍数调节范围为11000倍。它的电源范围宽(2.3 V18 V)，体积小，功耗低，因而经常使用在低电压、低功耗的应用场合。AD620的外围电路十分简单。只需在1脚与8脚之间外接电阻RG，其放大增益为G=49.4kRG+1。本系统选择RG为500 ，即前置放大增益约为100。通常脉搏信号的频率范围在0.0520 Hz，因此通过低通滤波器可以有效滤除50 Hz工频干扰及其他的高频噪声干扰。滤波部分采用有源二阶低通滤波器，设置截止频率为30 Hz。经过计算取R3=R4=20k，C3=C4=0.1 F。集成运放采用LM324四运放集成芯片。后级放大采用典型的同相放大电路，放大增益为1+R8R7=6。经过前后两级放大，脉搏信号约被放大了600倍。脉搏测量属于检测有无脉搏的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。第1.3节 设计任务将检测到的脉搏数据以脉冲信号输出给红外线发射模块，并由红外线发射模块将接收到的脉冲信号传输给相应的接收模块，由单片机实现多路信号的数据接收及处理，并将数据显示并存储。第1.4节 设计的意义脉波图能作慢性心血管疾病患者的检查，以及作为体育锻炼前后效果检测指标。能直观地观察心血管系统异常情况：如心律失常、早搏、高血压、动脉硬化、心衰、心动过速、过缓等都可从图形直接看出。也可作为用药后有无缓解的指标。脉波图图形有相对稳定性，在一段时间内很少改变，如有明显改变，即反映心血管某些功能异常。第2章 无线传输方案选择第2.1节 系统设计无线传输，有基于电磁波和红外线两种。红外遥控距离短，只能直线方向遥控。电磁波的遥控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遥控时也不需要直线。电磁波无线遥控，就是在发射端发射一定频率的电磁波，接收端只提取出相同频率的电磁波信号，并经过解码得到发射端的数据。信号采集及发射部分框图如图2.1键盘模块编码芯片发射电路图2.1信号采集及发射部分接受及控制部分框图如图2.2单片机控制解码芯片接收电路LCD显示图2.2接受及控制部分2.2.1 方案1采用玩具遥控芯片TX-2/RX-2编码解码芯片。TX-2/RX-2是一对采用CMOS工艺制造的遥控专用集成电路。它具有功耗低，电源电压适用范围宽，工作稳定可靠，外围元件少等特点。TX-2是编码发射电路，RX-2是与TX-2配套使用的译码接收电路。图2.3 TX-2引脚图 图2.4 RX-2引脚图TX-2/RX-2的典型的应用电路如：图2.5图2.5TX-2/RX-2的典型的应用电路（1）发射模块：采用带放大三极管S8050的发射电路模块，一个串行数据输入，另外两个引脚供电，发射距离远。在不带电线的情况下也能有5-6 m的距离，安装上电线发射距离达100 m左右。天线设计采用鞭型天线。（2）接受模块：采用自带天线的接受模块，一般为印刷天线，这样可以减少电路的体积，同时减轻天线的调试工作。2.2.2 方案2采用PT2262和PT2272的编码解码芯片。PT2262和PT2272最多支持6位数据编码，一般支持4位数据编码。PT2262和PT2272有三态地址编码功能，只有地址匹配时才能传输数据。PT2262和PT2272的典型应用电路如：图2.7，图2.8图2.7 PT2262的典型应用电路图2.8 PT2272的典型应用电路第2.2节 方案讨论基于以上的提出的两个方案，结合现实考虑。在医疗应用中，同一个病房中会有多台脉搏测量器，由于电磁波传播方向是全方位的，一个遥控器的遥控可能会对多台仪器产生影响。假如没有地址配对，那么在多台仪器工作时，遥控将会变得混乱，所以使遥控器与仪器的一一配对显得非常重要。基于以上考虑，采用第二种方案能达到现实的要求。发射接受模块，应该要满足体积小，通信距离远，抗干扰性强等要求，所以应该采用有发射放大三极管的发射电路，外加天线设计；接受模块采用印刷天线的设计方法。第3章 脉搏测量原理第3.1节 脉搏信号的拾取硬件电路中，关键部分在于脉搏信号的检测，基于光电容积描记法原理，设计了透射式脉搏传感器，它主要由红色发光二极管和硫化镉光敏电阻组成，红色发光二极管稳定性好，遮光指套式的装置减少了外界光的干扰，只需将待测手指插入，便可进行测量。测量时，被测手指正好处在发光二极管和光敏电阻之间，这样一来，光敏电阻的阻值便将随着手指的血容量的变化而变化。脉搏信号拾取电路如图3.1所示，IC1A接为单位增益缓冲器以产生2.5 V的基准电压。图3.1脉搏信号拾取电路红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生0.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图1中，R0选100是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“0”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有1 A的暗电流会造成Vi电位略低于2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IC1B的放大而得到的。所拾取的信号为2 V左右的电压信号。第3.2节 信号的放大按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图3.2所示。图3.2 信号的放大转折频率由、和决定，放大倍数由和的比值决定。根据二阶低通滤波器的传递函数，可得：公式右对齐 （3.1）放大倍数为： （3.2）取0.707倍零频增益计算高频转折频率，即： （3.3）按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么： （3.4） 由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。二级放大器兼比较器如图3所示。Rp11用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在0.1 V左右。所以将比较器的阈值电压设计成0.25 V，以确保滤除干扰信号。采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。图3.3.2级放大器兼比较器第3.3节 波形整形波形整形电路如图3.4所示：图3.4波形整形电路IC3A是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s。其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240 ms。D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。第4章 温度测量及声光报警原理第4.1节 数字温度传感器DS18B20介绍4.1.1 DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5 V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内（5）温范围55125 ，在-10+85 时精度为0.5 （6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5 、0.25 、0.125 和0.0625 ，可实现高精度测温（7）在9位分辨率时最多在93.75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字，速度更快（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。4.1.2 DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2 s减为750 ms。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55 所对应的一个基数值。生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。4.1.3 DS18B20的4个主要的数据部件：（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625 /LSB形式表达，其中S为符号位。表4.1 DS18B20温度值格式表Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8MS ByteSSSSS这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125 的数字输出为07D0H，+25.0625 的数字输出为0191H，-25.0625 的数字输出为FF6FH，-55 的数字输出为FC90H。表4.2DS18B20温度数据表TEMPERATUREDIGITAL OUTPUTDIGITAL OUTPUT+125 0000 0111 1101 000007D0H+85 0000 0101 0101 00000550H+25.0625 0000 0001 1001 00010191H+10.125 0000 0000 1010 001000A2H+0.5 0000 0000 0000 10000008H0 0000 0000 0000 00000000H-0.5 1111 1111 1111 1000FFF8H-10.125 1111 1111 0101 1110FF5EH-25.0625 1111 1110 0110 1111FE6FH-55 1111 1100 1001 0000FC90H（3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM。（4）配置寄存器该字节各位的意义如下：表4.3配置寄存器结构TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表4.4温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75 ms0110位187.5 ms1011位375 ms1112位750 ms4.1.4 高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。表4.5DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位（LS Byte）0温度值高位（MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后 释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表4.6ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820使之作出响应，为下一步对该 DS1820的读写作准备。搜索ROM0FOH用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向 DS1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。4.1.5 DS18B20的应用电路DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。如下面图4.2所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。独特的寄生电源方式有三个好处：（1）行远距离测温时，无需本地电源（2）以在没有常规电源的条件下读取ROM（3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1 mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7 k上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，图4.2电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。图4.2DS18B20常用电路4.1.6 DS1820使用中注意事项（1）DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50 m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150 m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容和阻抗匹配问题。（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。第4.2节声光报警电路蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，本文介绍如何用单片机驱动蜂鸣器，他广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.515 V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5 kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 (1)电磁式蜂鸣器驱动原理蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。图4.3声光报警电路如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5 V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P1.6引脚控制，当P1.6输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P1.6输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P1.6脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P1.6引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P1.6输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小。图中绿灯表示当前温度正常，当室内温度超过50 时将由路灯转为红灯并且蜂鸣器发出紧促的报警声响。第5章 主要开发工具第5.1节 工具介绍5.1.1 Protus软件介绍 Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：(1)原理布图(2)PCB自动或人工布线(3)SPICE电路仿真革命性的特点：(1)互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。(2)仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。5.1.2 Protues提供的资源(1)Protues可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。(2)Protues可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。(3)除了现实存在的仪器外，Protues还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 (4)Protues可提供的调试手段 Protues提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。5.1.3基于Protues的软件仿真Protues支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。(1)提供软件调试功能(2)提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。(3)提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。(4)具有强大的原理图绘制功能在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTUES是单片机课堂教学的先进助手。PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTUES也能茯得愈来愈广泛的应用。第5.2节 Altium designer 6.9原理图与电路板制作传统的嵌入式开发流程是：系统级设计PCB板硬件制作硬件调试嵌入式软件开发软件调试整个系统的软硬件综合调试，发现问题后再从流程开始检查调试。这是一个串行的开发流程，造成的问题是一个系统开发时间过长和调试不方便，发现问题再修改会很麻烦。现在很多嵌入式开发存在的问题是，在硬件开发阶段，那些软件开发工程师无从下手，非得等硬件PCB板做出来才可以基本进行开发，从而浪费了人力和时间。而Altium Designer 6.9提供了一个软硬件并行的开发方法。当系统级设计完成以后，PCB板硬件工程师可以进行制作板子，嵌入式软件工程师可以进行芯片级的嵌入式软件开发，而到最后调试时出现问题可以很方便地进行软硬件各自的修改。这种软硬件并行的开发方法已经在国外慢慢流行起来，在不久的将来将成为嵌入式系统开发的主流方法。Altium Designer提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能，使得Altium Designe成为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。Altium Designer 6.9加强了FPGA-PCB协同设计能力Windows电子设计软件开发商Altium公司宣布其最新一体化电子产品开发系统Altium Designer 6.9极大地增强了FPGA-PCB协同设计的能力，工程师可以充分利用FPGA作为系统平台，而且简化大型FPGA与物理PCB平台的集成。虽然人们早就认识到了FPGA给逻辑开发带来的好处，但把这些器件集成到PCB设计流程所带来的挑战，会使得PCB线路板设计变得十分复杂并导致整体设计时间超长。通常无需考虑PCB版图即进行FPGA管脚分配，而在大规模可编程器件中使用的密集封装技术将使得PCB板布线成为极大的挑战。Altium Designer打破了FPGA的使用障碍，把硬连接的PCB平台和软件及软连接的逻辑开发集成在一起，后者构成的嵌入式智能通过在PCB线路板上编程以创建完整的应用。Altium Designer 6.9改进了FPGA级设计和PCB级设计间的集成，开发了很多新功能，与现在的大型可编程器件相结合，它们精简了产品开发。Altium designer 6.9在电路设计方面，提供了从原理图设计到PCB制作的完整的集合。Altium designer 6.9在PCB制作方面的很灵活，不但有从原理图转到PCB的功能，也提供了自动布线的功能。这更有利于我们实现各个模块的电路板制作。在原理图库里有大量预综合的元器件，设计者可以调用到FPGA设计上。包括很多IP模块可以直接调用。有大量免费使用的IP库可以放心使用。在设计中需要的元件基本上都可以在IP库里找到，包括51核和DSP模块等。这给IP资源复用（IP Reuse）带来了很大的方便。IP资源复用（IP Reuse）是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的智力产权内核，然后再利用EDA工具进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程，降低开发风险。IP Reuse已逐渐成为现代集成电路设计的重要手段，在日新月异的各种应用需求面前，超大规模集成电路设计时代正步入一个IP整合的时代。第六章 主要器件介绍第6.1节 编码和解码芯片图6.1 PT2262引脚图 图6.2 PT2272引脚图PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315 MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315 MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315 MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100的调幅。PT2262/PT2272特点：（1）CMOS工艺制造，低功耗（2）外部元器件少（3）RC振荡电阻（4）工作电压范围宽：2.6-15 v（5）数据最多可达6位（6）地址码最多可达531441种PT2262常用震荡电阻（直接接在OSC1-OSC2端）：1.2 M 1.5 M 2.2 M 3.3 M 4.7 M 与编码芯片PT226相对应的解码芯片PT227震荡电阻参见百度词条PT2272PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4)，对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6)，对应的地址编码应该是6位。PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改：在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的18脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。第6.2节 单片机AT89C5189C51是由ATMEL公司推出的一种小型单片机，95年出现在中国市场。其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，且采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。其程序的电可泦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案15。89C51有很宽的工作电源电压，可为2.76 V，当工作在3 V时，电流相当于6 V工作时的1/4。89C51工作于12 Hz时，动态电流为5.5 mA，空闲态为1 mA，掉电态仅为20 nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。6.2.1 AT89C51的特点AT89C51具有以下几个特点：（1）AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；（2）片内有4 k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；（3）全静态工作，工作范围：0Hz24 MHz；（4）1288位内部RAM；（5）32位双向输入输出线；（6）两个十六位定时器/计数器；（7）五个中断源，两级中断优先级；（8）一个全双工的异步串行口；（9）间歇和掉电两种工作方式。6.2.2 AT89C51的功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4 k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4 k，四个I/O口全部提供给用户。可用5 V电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12 V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7 V6 V），全静态工作，工作频率宽在0 Hz24 MHz之间，比8751/87C51等51系列的6 MHz12 MHz更具有灵活性，系统能快能慢。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作17。6.2.3 AT89C51引脚功能图6.3 AT89C51单片机引脚图AT89C51单片机为40引脚芯片，如上图6.3。地址总线和数据总线：P0、P1、P2、P3共四个八位口：（1）P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。（2）P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。（3）P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。（4）P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如下表所示。表6.1 P3口引脚功能端口引脚各个功能P3.0RXD(串行口输入端)P3.1TXD(串行口输出端)P3.2INT0(外部中断0请求输入端，低电平有效)P3.3INT1(外部中断1请求输入端，低电平有效)P3.4T0（定时/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时/计数器1计数脉冲输入端）P3.6WR(外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效)P3.7RD(外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效)控制口线RESET(复位控制)、PSEN(片外选取控制)、ALE/PROG(地址锁存控制)、PSEN（选通信号）、EA/VPP(片外存储器选择)、XTAL1/XTAL2（晶震）；RST：当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲；在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，