基于C8051单片机的心血管参数测试系统

1、山东科技大学学士学位论文 摘要基于c8051单片机的心血管参数测试系统摘要本文设计了一种以80c51作下位机控制的智能化的心血管参数测试系统。整个系统采用模块化设计,包括血液循环系统血流动力流变学参数无创检测及实现方法，检测心血管传感器特性和使用方法，表征心血管参数波形及特征点的识别方法，以及单片机与pc机之间基于串行接口rs一232标准的串行通信接口电路。该测试系统通过传感器，检测人体脉搏信号，经放大、滤波、a/d转换后送单片机存储及处理后，经串行通信送至上位机，其脉搏信号波形可在pc机上实时显示。检测方法简便、无创,除可用于临床监护外,还可以用于社区或家庭检测心血管血流参数;如结合网络技术

2、,还可实现远程医疗,为心血管血流参数的监测提供了简便易行的方法。本系统具有性能可靠、抗干扰能力强、功耗低、性价比高等优点。在医学监护与测试领域具有重要的应用价值和良好的发展前景。关键词：心血管参数测试、无创检测、c8051单片机、串行通信abstractthis paper designs to 80c51 for a lower position control of the intelligent test system for cardiovascular parameters. modular design of the entire system, including the blo

3、od circulation system blood rheological parameters and realization of non-invasive detection methods, detection of sensor characteristics and use of cardiovascular, cardiovascular parameters waveform characterization and identification of feature points, and the mcu and pc, based on a serial interfa

4、ce between the rs 232 standard serial communication interface circuits. the test system through the sensor to detect pulse signals, after amplification, filtering, a / d conversion single chip storage and handling of evacuation, via serial communication sent to the host computer, the pulse waveform

5、can be pc, real-time display. detection method is simple, noninvasive, except for clinical care, the community or family can also be used to detect cardiovascular blood flow parameters; if combined with network technology, but also for remote medical care, cardiovascular blood flow parameters for th

6、e monitoring to provide a simple and yi line method. the system has reliable performance, anti-interference ability, low power consumption, cost performance advantages. in the field of medical care and testing has important application value and good prospects for development. keyword: cardiovascula

7、r parameters testing, non-invasive detection, 80c51 single chip microcontroller, serial communication,山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论11.1 设计心血管参数测试系统的目的和意义11.2 心血管参数测试的现状及发展21.3 主要内容和特色32 总体方案设计及论证42.1 方案的比较42.2 技术指标73 硬件电路83.1 脉搏波信号采集电路.83.2 信号放大电路.133.3 信号滤波电路153.4a/d转换电路163.5单片机控制电路193.6 存储器扩展电路.233.7 串行通信

8、电路263.8 电源电路294 配套软件设计324.1 a/d转换软件设计334.2定时器软件设计344.3数据存储软件设计364.4 串行通信软件394.5主程序及系统初始化软件424.6中断服务子程序软件445 系统性能的改善455.1 提高系统可靠性措施455.2 提高系统测量精度的措施465.3 降低功耗的措施47总结49参考文献50致谢53附录54附录1 外文文献54附录2 中文翻译59附录3 程序清单64山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论1.1 设计心血管参数测试系统的目的和意义据世界心脏联盟统计,全世界范围内每死亡3人中,就有1人的死因是心血管病症。心血管疾病的死亡率仍远高于

9、包括癌症、艾滋病在内的其他疾病,成为人类健康的“第一杀手”。在我国近年来随着居民生活水平的不断提高,自然环境的不断恶化,老年人心血管疾病的患病率、发病率和死亡率都普遍升高，由此及时检测出心血管方面的问题越来越受到人们关注。因此为满足生物医学工程专业教学和科研的需要，进行生物医学信号采集处理系统的研究和设计是十分必要的。尽管我国血管研究已经取得一定成绩，但仍存在一些发展上的问题，如长时间以来心血管学界都重视“心”而忽视了“血管”，未能认识到全身血管研究的统一性，对心血管的认识也存在局限性，因此电子仪器的智能化、家庭化成为研究的重点。1.2心血管参数测试的现状及发展1.2.1国内外现状血压测量技术

10、发展到今天，出现了各种测量技和多种商品化的产品。a.从技术角度分类：有柯氏音法、示波法、恒定容积法、超声法、张力法、脉搏延时法、脉搏波传导时间法等。b.从产品应用角度分类：1)水银血压计(柯氏音听诊法);2)自动、半自动血压计(示波法或柯氏音法);3)腕部测量装置(示法);4)指端测量装置(示波法、恒定容积法或脉搏法);5)全自动血压监护仪(示波法);6)便携式血记录仪(示波法或柯氏音法)。目前大多数无创自动血压测量装置采用的都是示波法测量技术，其他测量技术仍处于探索完善阶段，有相当一部分人在探索新的血压测量方法。1.2.2最新进展随着人们对人体生理信号特征认识的深人，以及大量新技术应用于生物

11、医学工程领域，近几年无创血压测量技术又有了新的发展:随着心脏的间歇性收缩和舒张，血流压力、血流速度和血流量的脉动以及血管臂的变形和振动在血管系统中的传播，统称为脉搏波或脉搏波在血管中的传播。本质角度讲上述的柯氏音听诊法、示波法、恒定容积法等血压测量方法者阿称之为基于脉搏波特征的测量方法，但是都存在一定的缺陷。脉搏波是一种以低频成分为主的生理信号，可通过对数字微分信号的特殊处理来实现。焦学军、房兴业提出了利用脉搏波特征参数连续测量血压的方法，具有较高的测量精度，国外专利中提到了利用脉搏波特征和血液动力学特征来快速测量血压的方法;脉搏波传导时间(pwtt)法用于无创血压测量，nihonkohden

12、公司已经开发出利用pwtt (pulsewavetransittime)测量技术的血压监护仪;空军第四研究所的俞梦孙院士正在进行有关pwtt法和血压关系的研究，显示出很好的发展前景。在探索新方法的同时，仍有相当多的国内外学者致力于示波法的研究，或者在原理上作进一步改进，或者结合其他的测量方法，使仪器在测量精度和抗干扰能力上进一步提高。随着人们对人体生理信号特征认识的进一步加深，各种技术如数字信号处理、模式识别应用于生物医学工程领域，无创血压测量装置必将向着更加方便可行、准确可靠的方向发展。1.3 主要内容和特色本论文需要完成的主要内容如下：1、传感器：将脉搏跳动信号转换为与此对应的电脉冲信号。

13、2、放大与整形电路：将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。3、a/d转化，采集信号数字化；4、单片机实现信号的运算和存储；5、脉搏波的显示；84山东科技大学学士学位论文 总体方案设计及论证2 总体方案设计及论证2.1 方案的比较2.1.1 方案一系统主要是通过对光电传感器采集到的容积脉搏波信号进行放大、滤波、a/d转换后，再对波形经行分析计算得出心血管血流参数，从而反映人体的心血管功能。其总体结构框图如图2.1所示：传感器放大整形电路倍频器基准时间产生电路控制电路显示电路图2.1 方案一方框图系统主控制模块的核心芯片选用samsung公司的s3c2410嵌入式微处理器，软件环境选用micr

14、osoft windowsce操作系统。系统首先通过光电传感器采集容积脉搏波，并将采集到的容积脉搏波，经过电路的放大、滤波，送入到s3c2410的内部10位a/d进行数模转换。转换后的数据进行软件滤波、分析处理后在液晶上显示波形。在显示的同时，结合人体的一些生理参数对波形数据进行计算，从而得到人体的心血管血流参数，反映出当前人体的心血管功能。经检测得到的心血管系统的相关参数，以及受检者的生理参数和相关信息存储在sd卡中，这样便于建立数据库并实现动 态查询整个系统通过键盘进行操作。2.1.2 方案二该方案采用压阻式脉搏传感器对人体微弱的脉搏波信号进行采集，人体微弱的脉动的脉搏波信号经压力传感器将

15、压力变化转化为电压变化。脉搏波数据采集模块由前端脉搏波模拟信号放大滤波电路、单片机控制的数据采集及存储电路构成。单片机通过电位器调节差动放大器的增益，使微弱的电压信号得到放大，方便后续的检测与处理;为了在截止频率附近获得较快的衰减速度,使用低通、高通滤波器级连组成的带通滤波器滤除掉高频干扰和低频基线漂移;偏置可调放大器通过可调电阻调节信号的偏置从而使其在模数转换器的输入范围内，同时避免输出信号出现负电位。cpu模块通过定时中断来控制脉搏波的数据采集。单片机以一定的采样率进行模数转换,由于脉搏信号的能量主要集中在020hz,所以采用100hz的采样率。单片机收到启动命令时立即启动模数转换,采样率

16、通过设置定时器的溢出率实现;收到中止命令时,单片机立即关掉定时。存储在单片机中的脉搏波信号经串行通信电路与上位机通信，上位机依据所确定的数学模型，对测试的数据进行分析、鉴别、计算、处理，最终获得一系列的心血管参数值。 图2.4 方案三框图2.1.3 方案的比较与确定方案一利用容积血流脉搏波可以无创、连续、实时地获得心排出量、心脏指数、外周阻力等重要的心血管血流参数。模块由光电容积脉搏波传感器获得容积血流脉搏波,经信号调理电路放大滤波后,通过a/d转换进入单片机进行实时处理,得到相应的参数。本模块的检测方法简便、无创,除可用于临床监护外,还可以用于社区或家庭检测心血管血流参数;如结合网络技术,还

17、可实现远程医疗,为心血管血流参数的监测提供了简便易行的方法。设计的系统体积小巧、功能齐全、操作简单，在心血管疾病备受关注的今天，更适合人们在日常生活中对血压、血流、心率等生理参数进行长期监测，为心血管疾病的预防和治疗争取到宝贵的时间，帮助更多的人关注自己的健康状况和心血管功能的状况。方案二采用硅压阻式脉搏传感器对人体微弱的脉搏波信号进行采集，人体微弱的脉动的脉搏波信号经压力传感器将压力变化转化为电压变化。然后进行放大、滤波、ad转换后，再对波形经行分析计算得出心血管血流参数，从而反映人体的心血管功能。 但光电更便捷，省事，功率高，所以采用光电。2.2 技术指标测量范围0-50g精度误差20mv

18、/f.sa/d转换精度:1/256a/d转换时间：100us分辨率为8位通信规程：rs232山东科技大学学士学位论文 配套软件设计3 硬件电路3.1 脉搏波信号采集电路脉搏测量属于检测有无脉博的测量，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3.1.1光电式传感器的基本原理光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。由光的粒子学说可知，光可以认为是由一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量e与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量的e的粒子轰击在物

19、体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为e的光后产生的电效应。从传感器的角度看，光电效应可分为两大类：即外光电效应和内光电效应。1、外光电效应外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光电极就是用具有这种特性的材料制造的。（1）、光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的电子表面逸出功。这意味着每一种物体都有一个对应的光频率值，称为极限频率。（2）、在入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比，光强越强意味着入射的光子数目越多，逸出的电子数目也就越多。（3）、光电子逸出物体表面具有初始动能。因此，光电管即使没加阳极电

20、压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。2、内光电效应内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象，光敏电阻即属此类。3、光生伏特效应光生伏特效应利用光势垒效应形成的，光势垒效应指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电动势。 光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，pn结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（µa），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时

21、，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流iceo=（1+）icbo（很小），比一般三

22、极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流ic=（1+）ib，可见光电三极管要比光敏二极管具有更高的灵敏度。 3.1.2光电器件光电管和光电倍增管（1）光电管。根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。图1是光电管结构示意图和连接电路。它由一个阴极k和一个阳极a组成，阴极k表面涂有光电材料，和阳极a共同封装在一个真空玻璃泡内。（2）光电倍增管。当入射光很微弱时，光电管产生的电流很小，只有零点几微安，不易被检测，误差也大。为了提高灵敏度，常用光电倍增管对光电流进行放大。在光电管的阴极和阳极之间安装若

23、干个倍增极vd1，vd2，vdn，就构成了光电倍增管。 3.1.3测量电路及应用光电器件把光转化成电图3：光电转换电路由光电池特性得知，光电池的开路电压vop与入射光强度的对数成正比，成非线性关系，而短路电流ish却是与照度成正比，所以一般转换电路大都采用短路电流做转换，而不采用开路电压。图6-24的u1为一个电流-电压转换电路，可将光电池的短路电流转换成电压。因运算放大器有虚接地的特性，且光电池接在运算放大器的正负两端相当于光电池短路。又因运算放大器的输入电流几乎为零，所以全部的ish流到r6与r7，使u1的输出电压v1=ish(r6+r7)。所以可调整r7的大小，使得输出电压为1mvl x

24、3.1.4信号采集模块硬件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o.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l中，ro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

25、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“o”。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la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。3.2 信号放大电路低通滤波器根据二阶低通滤波器的传递函数，可得 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： 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。

26、rpll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o.1 v左右。所以将比较器的阈值电压设计成o.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。 二阶放大器和比较器3.3 信号滤波电路 整形滤波电路 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240ms。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

27、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。 3.4 a/d转换电路a/d转化模块采用可编程八路模拟输入的adc0809实现将模拟信号以足够高的精度转化为数字量。a/d转化电路在单片机的控制下10ms采集一次经过放大及滤波处理后的脉搏波信号，并且将它转化为数字量以便进行后续的存储和传输等操作。根据系统的要求,a/d转换器可以选用具有8路模拟量输入的adc0809。adc0809是一个逐次逼近型的a/d转换器,分辨率为8位,带有三态输出锁存器,转换结束时,可由cpu打开三态门,读出8位的转换结果;有8个模拟量的输入端,可引入8路待

28、转换的模拟量。众所周知,所有的a/d转换器都必须由外部施加满足要求的控制信号才能启动。启动方式有脉冲启动和电平启动两种。adc0809的启动方式为正脉冲有效,即要启动adc0809进行一次转换,只要在它的start引脚上施加一个正脉冲即可,至于脉冲的宽度,读写脉冲就可满足要求。正脉冲的上升沿将所有的寄存器清零,下降沿开始转换。虽然adc0809有8通道的模拟量输入端,能引入8路模拟量,但由于内部进行转换的转换器只有一个,所以只能对8路模拟量信号进行分时转换,某一时刻只能转换其中的一个模拟量。这样在启动转换的同时还要进行通道选择。adc0809设置了3根模拟量通道地址信号线addc,addb,a

29、dda,用以编码来选择8个模拟量输入通道,并且还设置了1根地址锁存允许信号ale,当ale变高时,锁存由addc,addb,adda编码所确定的通道号,将该通道的模拟量接入a/d转换器进行转换。依据这样的特性,我们将start信号和ale信号连在一起,并用iow信号进行控制。在发启动控制信号的同时,将通道号送给adc0809的通道选择输入端addc,addb,adda,这样,它就可以根据用户选择的通道号进行译码选择in0in7中的一个输入作为转换对象,同时启动该次转换。adc0809报告转换是否结束的信号是eoc,在转换过程中为低电平,其余时间为高电平。在查询方式中,由cpu读取该信号,判断转

30、换是否结束,是否有转换结果可以读出。adc0809的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器,所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态缓冲器由oe控制,当oe为高电平时,三态缓冲器打开,将转换结果送出;当oe为低电平时,三态缓冲器处于阻断状态,内部数据对外部的数据总线没有影响。因此,在实际应用中,如果转换结束,要读取转换结果,则只要在oe引脚上加一个正脉冲,adc0809就会将转换结果送到数据总线上。adc0809的主要特性1）8路8位ad转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5v电源供电 5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻

31、度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mwadc0809是根据逐位逼近的方法产生数据的。 参考电压为0-5v的话。以0809八位255的转换精度每一位的电压值为(5-0)/2550.0196v 设输入电压为x则： x-*0.0196=0则ad7=1否则ad7=0。 x-*0.0196=0则ad6=1否则ad6=0。 。x-*0.0196=0则ad0=1否则ad0=0。 若参考电压为0-1v (1-0)/2550.0039v精度自然高了。可测量范围小了。 切记运放的精度也要上去，否则精度下降。a/d转化电路如图所示:adc0809内部原理图及管脚图3.5 单片机控制电路

32、 该部分电路是整个设计的核心，是整个系统的控制中心，主要实现a/d转化的控制、信号的存储及其信号串行通信的控制。单片机采用目前普遍使用的80c51来实现。3.5.1 80c51的介绍：80c51的主要功能特点有：（1）8为cpu;（2）片内128b ram(mcs-52子系列由256字节ram)；（3）片内4kb rom/eprom;（4）特殊功能寄存器区；（5）2个优先级的5个中断源结构；（6）4个8位并行i/o口（p0、 p1、 p2 、p3）；（7）2个16位定时/计数器；（8）全双工串行口；（9）布尔处理器；（10）64kb 外部数据存储器地址空间；（11）64kb 外部程序存储器地址

33、空间；（12）片内振荡器及时钟电路。mcs-51系列单片机具有体积小、功能全、价廉、面向控制、开发应用方便等优点，具有极强的竞争力。3.5.2 单片机对a/d转化的控制 单片机通过定时中断来实现对a/d转化的控制，定时计数器t0采用定时模式，待定时至10ms则产生定时中断，使a/d转化器开始采集外部的模拟信号并开始转化，从而信号的采样频率为100hz。而通常脉搏波信号的频率不大于3hz, 95%的能量主要集中在06hz, a/d的采样频率设在100hz能够满足乃奎斯特定理的要求。单片机与a/d转化器的接口电路如下所示：（见protel图）3.5.3 单片机对信号存储的控制单片机与外部扩展的存储

34、器的连接方式决定了数据存储的地址。连接方式不同，数据存储的起止地址也不同。a/d转化结束后，在单片机的控制下将转化后的数字信号存储到指定的存储单元中。3.5.4 单片机对串行通信的控制 单片机对串行通信的控制是通过计数来实现的，在数字信号存储的过程中，通过一个寄存器对存储的数据的个数进行计数，当计数至指定的个数（本设计中为1000个数）时单片机开始以1200的波特率将采集到的数据传至上位机，即开始进行串行通信。传输的数据个数由寄存器r4、r5来计数，由这两个寄存器构成16位寄存器进行计数，当计数至1000时，则结束这次传输，给定时器t1重新装入初值，并关闭定时器t1。等下一次进行通信时再开启。

35、此时对脉搏波信号进行了一个周期的采样。单片机控制电路是连接信号采集、处理及上位机运算显示的枢纽，在整个设计中具有非常重要的地位。3.5.5 单片机复位电路复位电路也是单片机控制系统的一部分，这里采用的复位有上电复位，手动复位和掉电复位（moen接高电平，允许了内部vdd监视器工作）三种形式，本次设计中用到了按键复位和上电复位两种方式，复位电路如图3.1所示。图3.1 复位电路图 3.5.6 单片机晶振电路单片机晶振一般选用11.0592mhz，因为它能准确地划分成时钟频率，可以准确得到9600波特率和19200波特率，与通信口的波特率相关，方便通信。单片机晶振的两个电容叫晶振的负载电容，分别接

36、在晶振的两个脚上和地之间，一般在几十pf，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。电路如图3.2所示。图3.2 晶振电路图3.6 存储器扩展电路存储器扩展电路主要完成外部ram的扩展。在该设计中要实现信号的采集和存储，为了使最后显示出来的脉搏波信号尽量不失真，则必须有足够高的采样频率，这就要求该系统要有足够多的存储单元来满足存储需要。而该设计中使用的单片机8051只有256b的内部ram存储单元远远不能满足存储大量数据的需要，因此必须要对存储器进行扩展。该存储器扩展电路采用芯片6264扩展8kb的内存空间。同时为了以后扩展系统功能的需要本设计中对单片机的端口也进行了扩展，端口的扩展选用可编程端口扩

37、展芯片8255来实现。3.6.1 可编程端口扩展芯片82558255内部包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位总线缓冲器。各部分功能概括如下：（1）端口a、b、ca口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。b口：是一个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。c口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。通常a口、b口作为数据输入/输出端口。c口作为控制/状态信息端口，它在“方式控制字”的控制下可分为两个4位端口，每个端口有一个4位锁存器，分别与a口、b口配合使用，作为控制信号输出或

38、状态信息输入端口。（2）工作方式控制电路工作方式控制电路有两个，一个是a组控制电路，另一个是b组控制电路。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接受中央处理器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字的要求对c口按位清“0”或者按位置“1”。a组控制电路用来控制a口和c口的上半部分（pc7-pc4）。b组控制电路用来控制b口和c口的下半部分（pc3-pc0）。（3）总线数据缓冲器总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。（4）读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接受cpu发来的控制信号rd、wr、re

39、set、地址信号a1-a0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，发往cpu，或者将cpu送来的数据写入端口。单片机与芯片8255的连接方式决定了扩展口pa、pb、pc口的地址，而单片机写入8255的程序状态字决定了三个端口的状态。经扩展后pa、pb、pc口作为单片机的可编程端口使用，来满足复杂系统对端口数目的要求。3.6.2 存储器扩展芯片6264存储器是计算机的记忆部件。cpu 要执行的程序、要处理的数据、处理的中间结果等都存放在存储器中。目前微机的存储器几乎全部采用半导体存储器。存储容量和存取时间是存储器的两项重要指标，它们反映了存储记忆信息的多少与工作速度的快慢。6264是8k*8

40、位静态随机存储器芯片,采用cmos工艺制造,单一+5v供电,额定功耗200mw,典型存取时间200ns,28线双列直插式封装.a0-a12为地址线;ce是片选线;oe是读允许线;we是写允许线. mcs-51 单片机对外没有专用的地址总线（ab）、数据总线（db）和控制总线（cb），所以在进行系统扩展时，首先需要扩展系统的三总线。在该设计当中，单片机通过芯片8255与扩展ram相连。6264的数据总线与单片机的p0口相连，而6264的13位地址线则与扩展端口芯片8255的pb口及pc口的低五位相连。而6264的读写控制则直接与单片机的读写端相连。6264可实现8kb数据的存储，可以满足系统的需

41、要。为简化设计，该设计中仅用6264的前1000个存储单元来存储转化后的1000个数字信号。整个存储器扩展电路由单片机、8255芯片、及外部ram扩展芯片6264构成。存储器扩展电路的电路图如下：（见protel图） 3.7 串行通信电路 串行通信电路主要实现单片机与上位机的数据传递，从而为后续的上位机中对采集的数字信号的运算、波形的显示做准备。 存储信息的采集器,对信息量的大小有严格的要求，由于采集器的存储量有限和进一步针对性处理与显示的需要，信息需要传入微机内.采集器与微机通过微机的串口实现通信。利用mcs51单片机的串行口与pc机的串行口com1或com2进行串行通信，将单片机采集的数据

42、传送到pc机中，由pc机的高级语言或数据库语言对数据进行整理及统计等复杂处理。pc机串行口给出的信号是一个rs-232信号。它是一个基于37v正电压、37v负电压的脉冲链，这一信号必须转化为一个05v的脉冲链，以便处理器读取。中间转换电路采用max232芯片来实现。在实际应用中，实现信号传递的方法有二种方式：并行传输、串行传输。串行通信电路用一根信号线将数据逐位顺序传送。与并行通信相比，串行通信的通信线路少，在远距离通信时可以极大地降低成本；适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高的近距离数据传送。本设计中单片机与上位机的距离通常不远，为实现其通信该系统采用串行通信方式。串行通信有两种方式：

43、串行异步通信不传送时钟信号；串行同步通信传送时钟信号。单片机中使用的串行通信通常都是异步方式的。异步传送的特点是数据在线路上的传送是不连续的。在线路上数据是以一个字(或称字符)为单位来传送的。异步传送时，各个字符可以是接连传送的，也可以是间断传送的，这完全由发送方根据需要来决定的。另外，在异步传送时，同步时钟脉冲并不传送到接收方，即双方各用自己的时钟源来控制发送和接收。通常在串行通信中，数据在两个站之间是双向传送的，既可以a站作发送端，b站作接收端;也可以b站作发送端，a站接收端。3.7.1通信过程的实现rs一232标准接口为了便于计算机和各种外围设备的串行通信连接，更广义地来讲是为了各种数据

44、终端设备(dte)和数据通信设备(dce)之间的连接，制定了若干种串行通信接口标准。只要是符合某种标准的设备之间就可以直接互相连接、互相通信。rs一232串行接口标准是目前最常用的标准之一。rs一232一串行通信接口是美国电气工业协会(e工a)与bell公司等一起开发的一种标准通信协议，现在它在终端、外设与计算机中被广泛应用。完整的rs一232接口有25根线，采用一种25芯(针)的插头座，彼此连接十分方便。现在经常采用一种9针的插座来互相连接，因为25条线种最经常使用的只有9条线.rs-232典型工作电路如下：pc机有两个标准的rs一232串行口，其电平采用的是eia电平，而单片机的串行通信是

45、由txd(发送数据)和rxd(接收数据)来进行全双工通信的，它们的电平是ttl电平，为了pc机与单片机之间能可靠地进行串行通信，需要用电平转换芯片。由于mc1488和mc1489需要士12v、+5v电源供电，故采用掀xim公司生产的低功耗、单电源的max232芯片，因为它自身带有电源电压变换器，可以把十5v电源变换成rs一232输出电平所需的士10v电压，能实现rs一232的技术指标，并只需要+5v的电源，为串行通信带来了较好的性能和低廉的价格。3.7.2 8051单片机与pc机串行通信的硬件电路实现单片机与rs一232的连接电路如下图：3.8 电源电路该设计中用到的电压源有5v的模拟稳压源，

46、12v的模拟稳压源，设计的电源电路如下图所示（见protel图）图3.10 电源电路图直流电源的输入为220v、50hz的电网电压（即市电），因为直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要对输入电压进行变压器降压以后，才能对电压进行处理。此时需用到变压器，首先经送入110：8的变压器使电压的有效值降为16v，然后经过桥式整流电路、滤波电路、倍压整流电路，最后送入集成稳压电路输出满足要求的电压。此外，变压器还起到了隔离的作用，减少了电网中的噪声14。因为三端稳压器的外形便于自身散热和安装散热器，使电源性能更加稳定，因此集成串联型稳压电路利用7800系列和7900系列的固定式三端稳压器产生

47、5v和12v的稳压电源。而3v的数字电压源（vdd）则由数字芯片lm317输出。变压器副边的电压信号仍为交流信号，需要利用整流电路将交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压变换为单一方向的脉动电压23。 电源设计采用的是单向全波整流电路中最常用的单向桥式整流电路。单向桥式整流电路由四支二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，电路输出的电压和电流方向始终不变。设变压器副边的电压u2 = u2 ，u2为其有效值，则整流电路输出电压平均值uo(av) = u2 0.9 u2 = 14.4v (3.5)在选择二极管时，考虑电网电压 10 % 的波动范围，二极管的最高反向工作电压为ur

48、1.1u2 23v (3.6)整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的要求。因此，在整流后还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。为了能够输出较大的电流，满足测量系统对电流的需求，直流滤波电路均采用无源滤波，无源滤波可以输出较大电流。测量系统配套电源设计中采用的最常见最简单的电容滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路。滤波电容容量一般较大，因此常采用电解电容。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。另外利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管构成倍压整流电路，可以获得几倍于变压器副边电

49、压的输出电压。在电压信号进入稳压电路之前，也经过二倍压整流电路，是输出电压为变压器副边电压的两倍。三端稳压器输出交流噪声很小，温度稳定性很好，因此设计中采用三端稳压器来达到稳定电压的额目的。因为w7800和w7900系列的三端稳压器性能稳定、价格低廉，且输出电流较大，系统电源设计中使用了这两个系列的三端稳压器。他们都属于固定式稳压电路，其中，w7800系列输出正电压，w7900系列输出负电压。这两个系列的固定稳压电路输出电压的数值（极性相反）均为5v、6v、9v、12v、15v、18v和24v七个档次，型号后面的两个数字表示输出电压的值。输出电流的档次也完全相同，有1.5a（w7800）、0.

50、5a(w78m00)和0.1a(w78l00)三个档次。w7800和w7900相配合，可以得到正负输出的稳压电路。在电源硬件电路图中，w7800和w7900系列三端稳压器输入端连接的0.1f的小容量电容用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡。稳压器输出端接的470f的电容用于消除输出电压中的高频噪声。通常该电容可取小于1f的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲电流。但是若该电容容量太大，如中的470f的电容，一旦输入端断开，该电容将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏。因此，在稳压器的输入端和输出端之间跨接了一个二极管，起保护作用。从已有的电源得到3v

51、电源的方案受很多因素影响。主要因素有电源的可靠性和系统电源的来源（即是电池还是交流电经过整流）。可以考虑对5 v电源进行调节提供3v电源24，但将增加设计的元件数，并有附加的功率消耗，考虑实际情况和综合成本，电源设计中利用7800系列中的7808和7805集成稳压器和lm317稳压器产生+3v电压，接模拟地产生av+，向模拟器件提供稳定的3v电源，接数字地产生vdd，供系统中的数字器件使用。4 配套软件设计系统软件包括大部分：一是系统初始化软件;二是a/d转化软件；三是定时10ms软件；四是信号数字滤波软件；五是存储器扩展软件；六是串行通信软件。由于汇编语言比高级语言对硬件的操作能力强,所生成

52、的代码更优化,所以整个应用软件都采用汇编语言编写。 对任何a/d转换器的控制均分为三个步骤：启动、判断转换是否结束、读取转换结果。在程序中,首先启动对第0路模拟量的转换,转换结后将结果读出并存于存储单元中,然后调用数字滤波子程序对信号进行数字滤波，进一步消除干扰。当第0路数据采集完成后,重复前面的过程,直到采集到指定个数的数据。此时开始调用串行通信子程序与上位机进行通信，将这些数据传至上位机，在上位机中完成信号的运算和波形的显示等操作。4.1 a/d转换软件设计 该系统通过压阻式传感器采集到的脉搏波信号经过前向电路的放大及滤波处理后送至可编程8路模拟输入a/d转化器adc0809进行转化，在定

53、时器的控制下，10ms采集一次信号，启动a/d转化器的开始端，开始进行a/d转化，转化后从端口eoc发出一个高电平信号，经过反相器后送至单片机的外中断口int0，作为转化结束的信号。其中int0采用查询方式实现。由系统的硬件连接可知我们为adc0809分配的地址为fff8h。该系统中,启动转换和进行通道选择是同时完成的,并通过写操作进行控制;读取转换结果的端口是一个只读端口,故为了节省端口地址的开支,将二者的地址设计成相同而用读写操作进行区分。即fff8h作为启动转换并锁存通道号和读取转换结果共用的端口地址。对fff8h进行写操作,写入通道号并启动转换。待查询到转化结束信号时，对fff8h进行

54、读操作,打开数据输出锁存器,将转换结果读出。a/d转化软件的流程图如下：（用visor画）图4.1a/d转化软件流程图4.2定时器软件设计 定时器软件部分实现10ms的定时操作，从而控制a/d转化的采样频率，实现10ms采集一次信号。定时10ms采用中断方式，利用定时计数器t0实现。定时计数器t0可以用作定时和计数两种方式。当作为计数器工作时，通过引脚t0对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。作为定时器使用时，计数脉冲是由单片机内部产生的，这个信号的频率和幅值都是稳定的；当用软件给定时器设置了某种工作方式后，例如该设计中的定时方式，定时器就会按设定的工作方式自动运行，不再占用cpu的操作

55、时间，除非定时器计满溢出，才可能中断cpu当前操作。定时器是一种可编程部件，它不会自动开始工作，必须通过软件按确定工作方式，并启动它开始工作，所以在定时器开始工作之前，cpu必须将要一些命令写入定时器的特殊功能寄存器，包括工作方式寄存器tmod，定时器控制寄存器tcon。这个过程为定时器的初始化过程，在初始化程序中完成该操作。在确定了定时器的工作方式以后，就要预置定时的初值，可直接把初值写入th0、tl0。并开放定时器的中断，直接对et0赋值1即可。在t0初始化完成后，将tr0置1即可启动定时器工作。该设计中t0采用工作方式1即16位的计数器，若单片机的时钟频率为12mhz，则要实现10ms的定时操作需对th0、tl0分别写入d8,f0h，定时器从初值开始对内部时钟信号进行计数，当tl0的低8位溢出时向th0进位，而th0溢出时向tf0进位，并申请中断。从而10ms