自動(dòng)化呼吸檢測(cè)儀

1、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文摘要基于對(duì)睡眠障礙的研究，如果在睡眠中呼吸發(fā)生10秒或10秒以上的暫停，就會(huì)對(duì)生命構(gòu)成威脅。家用呼吸檢測(cè)儀能準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、高效的反映人們的身體狀況，當(dāng)人們睡眠呼吸發(fā)生異常：呼吸暫停大于等于10秒時(shí)，能及時(shí)的發(fā)出報(bào)警并顯示當(dāng)前日期、時(shí)間，所提供的數(shù)據(jù)也將為醫(yī)生制定治療方案提供重要依據(jù)。家用呼吸檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，是以熱敏電阻作為傳感器，首先對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行提取，在對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行處理，包括信號(hào)濾波、信號(hào)放大等。通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制處理后的信號(hào)，最后為顯示報(bào)警模塊，以便及時(shí)準(zhǔn)確的了解被測(cè)人的信息。信號(hào)提取模塊采用熱敏電阻作為傳感器，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行提取。所提取的呼吸信號(hào)在進(jìn)行放大濾波的

2、處理，這里采用CA3140作為運(yùn)算放大器，電阻和電容構(gòu)成高通濾波和低通濾波，隔除直流。 峰值檢測(cè)同樣運(yùn)用到運(yùn)算運(yùn)算放大器，這里采用CA3140運(yùn)算放大器。將所得平均值與模擬值進(jìn)行比較，選用CA3130運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)此功能。再選用液晶LCM128645ZK對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)采用蜂鳴報(bào)警器報(bào)警。此家用呼吸檢測(cè)儀經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試和試用后可以適用于具有睡眠障礙的患者。家用呼吸檢測(cè)儀的研制和應(yīng)用具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞 家用呼吸檢測(cè)儀 熱敏電阻 單片機(jī) 睡眠障礙Title Home breath test instrumentAbstractBased on the stud

3、y of sleep disorders, sleep breathing occur if 10 seconds or 10 seconds or more of the suspension, would pose a threat to life. Home breath test instrument can be accurate, dynamic, efficient reflection of people's physical condition. Exception occurs when people sleep apnea: apnea> 10 second

4、s, an alarm can be timely and displays the current date, time, The data they provide medical treatment plan will also provide an important basis. Home breath test instrument design is based on thermistor as a sensor.First, the respiratory signals extracted in the extracted signal processing, includi

5、ng signal filtering, signal amplification and so on. Processed through the microcontroller to control signal, and finally for the alarm module in order to timely and accurate information about the tested person. Signal extraction module thermistor as a sensor, the temperature signal is extracted. Th

6、e extracted respiratory signal during amplification and filter processing. Here, as with CA3140 operational amplifiers, resistors and capacitors constitute a high pass filter and low pass filter, filters to remove DC. Respiratory signal is very weak, where once again the need to extract the respirat

7、ory signals compared to enlarge, use CA3130 operational amplifier to achieve this functionality. Re-use LCD LCM128645ZK measured results show that when the result of abnormal alarm when the alarm by Fengming. This home breath tester after rigorous testing and trial can be applied after the patients

8、with sleep disorders. Home breathing monitors the development and application of important research value and practical significance.Keywords sleep disorder breathing detector home alarm module thermistor SCM目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 家用呼吸檢測(cè)儀目的及意義11.2 家用呼吸檢測(cè)儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀11.3 主要研究?jī)?nèi)容2第2章 系統(tǒng)整體方案論證32.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

9、及概述32.2 各模塊方案的確定3第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)83.1 信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)83.1.1 溫度傳感器的選擇83.1.2 信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)93.2 放大電路的設(shè)計(jì)103.2.1 運(yùn)算放大器的選擇103.2.2 放大電路的設(shè)計(jì)113.3 濾波電路的設(shè)計(jì)133.4 峰、谷值檢測(cè)提取平均值電路的設(shè)計(jì)163.4.1 峰值檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)163.4.2 谷值檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)193.4.3 平均值提取電路設(shè)計(jì)203.5 比較放大電路的設(shè)計(jì)213.6 主控單元的設(shè)計(jì)223.6.1 ATmega16單片機(jī)簡(jiǎn)介223.6.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)253.6.3 ATmega16最小系統(tǒng)263.7 顯示電路的設(shè)計(jì)2

10、73.7.1 液晶顯示芯片LCM128645ZK的簡(jiǎn)介273.7.2 LCM128645ZK的顯示電路293.8 按鍵電路的設(shè)計(jì)303.9 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)313.10 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)313.11 通信電路的設(shè)計(jì)323.12 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)363.12.1 穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介363.12.2 穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)373.13 單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾方法38第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)414.1 軟件主程序流程圖414.2 顯示程序流程圖424.3 報(bào)警程序流程圖434.4 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流程圖44結(jié)論45致謝46參考文獻(xiàn)47附錄 整體硬件電路圖4947第1章 緒論1.1 家用呼吸檢測(cè)儀目的及意義在今天這個(gè)高速發(fā)展的社

11、會(huì)，睡眠質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的生活。只有高質(zhì)量的睡眠才能保證高質(zhì)量的生活。良好的睡眠可以消除疲勞、恢復(fù)體力、保護(hù)大腦、恢復(fù)精力、增強(qiáng)免疫力、利于機(jī)體自我恢復(fù)、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、保證機(jī)體功能、促進(jìn)長(zhǎng)壽等。同樣，如果睡眠質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題也會(huì)一起很多問(wèn)題，如心血管系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌代謝紊亂、腎臟功能損害等1。呼吸是人體重要的生理過(guò)程，對(duì)人體呼吸的監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。人們無(wú)論是呼吸系統(tǒng)本身的病變，或者是其他重要臟器的病變，發(fā)展到一定程度都會(huì)影響到呼吸中樞。多臟器系統(tǒng)功能衰竭，往往累及呼吸功能的衰竭，呼吸功能的衰竭又導(dǎo)致其他臟器功能的衰竭，互為因果19。人們?cè)谝归g睡眠

12、的過(guò)程中，偶爾會(huì)發(fā)生呼吸停止10秒以上的生命狀態(tài)，將會(huì)危及人類正常的生命活動(dòng)，如嚴(yán)重者將會(huì)導(dǎo)致死亡。因此，非常有必要研制一種用于檢測(cè)呼吸暫停儀器，及早發(fā)現(xiàn)異常睡眠并進(jìn)行相應(yīng)的治療。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)睡眠生理，病理的了解日益增多。一門新興的邊緣學(xué)科睡眠醫(yī)學(xué)，作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要組成部分正在建立和發(fā)展起來(lái)，廣泛地受到重視。在美國(guó)有數(shù)百家大型研究機(jī)構(gòu)正在從事睡眠呼吸方面的研究，他們?cè)谒呒膊?，尤其是上呼吸道阻塞引起的“阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥”的病因、危害、診斷及治療方法等方面進(jìn)行了大量的研究工作。研究發(fā)現(xiàn)：打鼾通常并不是睡眠呼吸暫停的標(biāo)志，但是10個(gè)成年人中有一個(gè)打鼾，而10個(gè)打鼾者中就有患

13、有睡眠呼吸暫停綜合癥的。也就是說(shuō)“打鼾”這種現(xiàn)象很有可能潛伏著睡眠呼吸暫停綜合癥，正常人有輕度鼾聲不屬呼吸暫停，呼吸暫停的定義是指呼吸道停止氣流達(dá)10s以上。如夜間打鼾且伴有間歇性呼吸暫停30次以上，每次暫停時(shí)間超過(guò)10s以上既可被診為“呼吸暫停綜合癥”。這是一種潛在的致死性疾病。其特點(diǎn)是睡眠時(shí)上呼吸道阻塞導(dǎo)致進(jìn)行性缺氧，酸中毒，呼吸困難。造成白天嗜睡，頭暈，頭痛，記憶力減退，乏力，反應(yīng)遲緩，睡眠行為異常等癥狀。長(zhǎng)期患“呼吸暫停綜合癥”可引起高血壓，心律失常及猝死2。1.2 家用呼吸檢測(cè)儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀最近幾年各國(guó)研究者更加注重以可靠、準(zhǔn)確的檢測(cè)手段檢測(cè)呼吸暫停的發(fā)生，區(qū)分呼吸暫停的類型，以便于臨

14、床選擇合理的治療方案。由于呼吸暫停大都發(fā)生在睡眠過(guò)程中，且需要檢測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)，所以對(duì)檢測(cè)的方法要求方便，病人易接受，呼吸暫停的判斷準(zhǔn)確率高國(guó)外醫(yī)學(xué)界對(duì)此類疾病的研究十分重視，且已取得重大成果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類患者的診斷大多采用多導(dǎo)儀或其他呼吸診斷儀器。1965年Gastant等人明確了呼吸暫停的概念，呼吸暫停是指口、鼻氣流消失、動(dòng)脈血氧飽和度下降，呼吸停止10秒以上的生命狀態(tài)。睡眠呼吸暫停綜合癥（Sleep apnea Syndrome,SAS）是指成年人于7小時(shí)的夜間睡眠時(shí)間內(nèi)，至少有30次呼吸暫停，每次暫停時(shí)間至少10秒以上，或呼吸暫停指數(shù)（apnea index,A1）（即每小時(shí)呼吸暫停的平

15、均次數(shù)）大于5。呼吸暫停綜合癥是危及人類正常生命活動(dòng)的疾病之一。更嚴(yán)重的是，如果呼吸發(fā)生10S或10S以上的暫停，就會(huì)對(duì)生命構(gòu)成威脅。所以非常有必要研制一種用于檢測(cè)呼吸暫停儀器，及早發(fā)現(xiàn)異常睡眠并進(jìn)行相應(yīng)的治療20。國(guó)外廠家生產(chǎn)的較先進(jìn)的病人檢測(cè)儀，均能在檢測(cè)病人心臟功能的同時(shí)檢測(cè)病人的呼吸情況，這對(duì)臨床有重要的意義。這類儀器有丹麥DANICA公司生產(chǎn)的DIALDGUE2000系列中心，床邊檢測(cè)儀。德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的SIRECUST730系列檢測(cè)儀等。檢測(cè)病人的呼吸參數(shù)不需要外接任何換能器，只要給病人安裝好心電電極，接好導(dǎo)聯(lián)線，在檢測(cè)心電信號(hào)的同時(shí)，即可由鍵盤選擇檢測(cè)呼吸參數(shù)，屏幕上顯示心電

16、信號(hào)的同時(shí)顯示呼吸波形。使用ECG電極檢測(cè)呼吸信號(hào)，對(duì)ECG波形的正常顯示和紀(jì)錄沒有任何干擾2。1.3 主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容是檢測(cè)人體呼吸狀態(tài)。當(dāng)人體呼吸發(fā)生異樣時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。首先對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行提取，在進(jìn)行放大、濾波等處理，進(jìn)過(guò)中央處理器的處理后，進(jìn)行顯示、報(bào)警。其中包括：傳感器電路的設(shè)計(jì)；放大電路的設(shè)計(jì)；濾波電路的設(shè)計(jì)；峰、谷值檢測(cè)、提取平均值電路的設(shè)計(jì)；比較放大電路的設(shè)計(jì)；中央控制系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)；顯示電路的設(shè)計(jì)；按鍵電路的設(shè)計(jì)；報(bào)警電路的設(shè)計(jì)；通信電路的設(shè)計(jì)；穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)。第2章 系統(tǒng)整體方案論證2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖及概述根據(jù)所選擇的系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。主

17、要包括：熱敏傳感器提取呼吸信號(hào)、放大濾波、峰谷值檢測(cè)提取平均值、比較放大電路、存儲(chǔ)模塊、通信模塊、單片機(jī)、顯示模塊、報(bào)警模塊、按鍵。圖2-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖通過(guò)口腔，采用溫度檢測(cè)的方法，既用熱敏電阻作為傳感器來(lái)進(jìn)行信號(hào)提取。所提取的信號(hào)比較微弱，并且受環(huán)境的影響比較大，所以要通過(guò)放大濾波電路對(duì)所提取的信號(hào)進(jìn)行初步處理，在提取平均值。此時(shí)的呼吸信號(hào)仍然十分微弱，所以要進(jìn)行再次放大。再通過(guò)單片機(jī)由軟件來(lái)控制顯示模塊和報(bào)警模塊，顯示當(dāng)前日期、時(shí)間及結(jié)果，當(dāng)呼吸暫停大于10秒時(shí)，則報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警。2.2 各模塊方案的確定一、信號(hào)提取方案的確定在呼吸檢測(cè)中對(duì)呼吸信號(hào)的提取方法主要有：壓力傳感器法、阻

18、抗法和溫度傳感器法。壓力傳感器法是根據(jù)呼氣和吸氣的周期性變換使呼吸管道及胸腹部產(chǎn)生周期性形變的現(xiàn)象，設(shè)法感受這種形變以測(cè)定呼吸頻率的方法。壓力傳感器一般成年人需安置在呼吸道上，小兒需將傳感器用帶子捆于腹部，給受試者帶來(lái)不適感，并且束縛壓力對(duì)呼吸的影響會(huì)帶入測(cè)量結(jié)果，造成誤差。阻抗法是根據(jù)呼吸隨胸壁肌肉張弛，胸廓交替變形，機(jī)體組織的電阻抗也將產(chǎn)生交替的變化原理，在測(cè)量電極兩端加一個(gè)交變的高頻電信號(hào)，并檢測(cè)其變化，提取呼吸信號(hào)。阻抗法須將該高頻電流通過(guò)測(cè)量電極直接加到受試者的胸壁，安全控制和激勵(lì)源的選擇限制了其應(yīng)用。溫度傳感器法是根據(jù)氣體通過(guò)鼻腔與外界氣體進(jìn)行交換時(shí)會(huì)引起鼻腔內(nèi)溫度的變化，某些材料

19、或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，從而測(cè)得呼吸的變化。溫度傳感器法實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單易行，并且成本較低，在測(cè)量時(shí)不會(huì)給受試者帶來(lái)太強(qiáng)的不適感，不影響正常的睡眠。綜合各因素考慮，本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器法來(lái)提取呼吸信號(hào)。二、顯示方案的確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD（液晶顯示器）兩種。這兩種器件都具有成本低、配置靈活的特點(diǎn)，并且與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單方便。本設(shè)計(jì)中可以采用數(shù)碼管顯示或液晶顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的功能。數(shù)碼管的特點(diǎn)十分明顯，它能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光 ；能與CMOS、ITL電路兼容；發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短（<0.1s）；高頻特

20、性好；單色性好；亮度高；體積??；重量輕；抗沖擊性能好；壽命長(zhǎng)。但數(shù)碼管適合顯示較少的數(shù)據(jù)，不適合顯示復(fù)雜的數(shù)字或字符。由于本設(shè)計(jì)中要求顯示當(dāng)前日期、時(shí)間等，更適合用液晶顯示，同時(shí)，液晶顯示也數(shù)碼管顯示相比，具有工作電壓低、功耗低、顯示信息量大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。并且在移動(dòng)通信、儀器儀表、電子設(shè)備和家用電器等方面有著日益廣泛的應(yīng)用，所以本設(shè)計(jì)采用液晶顯示。三、按鍵方案的確定在單片機(jī)應(yīng)用中，人機(jī)交互對(duì)話最通用的方法就是通過(guò)鍵盤進(jìn)行。操作者通過(guò)鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設(shè)計(jì)的好壞 ,直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。常用的按鍵接口一般分為“獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)”、“專用芯片式設(shè)

21、計(jì)”和“矩陣式接口設(shè)計(jì)”幾種。下面對(duì)這幾種按鍵接口方式進(jìn)行簡(jiǎn)介。（1）獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯，每個(gè)按鍵需要占用一根口線，若按鍵數(shù)量較多，資源浪費(fèi)將比較嚴(yán)重，電路結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。因此本方法主要用于按鍵較少或?qū)Σ僮魉俣纫筝^高的場(chǎng)合。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式。（2）專用芯片式設(shè)計(jì)專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善，芯片本身能完成對(duì)按鍵的編碼、掃描、消抖和重鍵等問(wèn)題的處理，甚至象 8279還集成了顯示接口功能。專用鍵盤處理芯片的優(yōu)點(diǎn)很明顯，可靠性高，接口簡(jiǎn)單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。但在很多應(yīng)用場(chǎng)合，考慮成

22、本因素，可能并不是最佳選擇。（3）矩陣式接口設(shè)計(jì)矩陣式按鍵設(shè)計(jì)適應(yīng)于按鍵數(shù)量較多，又不想使用專用鍵盤芯片的場(chǎng)合。這種方式的按鍵接口由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是相對(duì)于獨(dú)立接口方式可以節(jié)省很多 I/O資源，相對(duì)于專用芯片式可以節(jié)省成本，且更為靈活。缺點(diǎn)就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問(wèn)題。矩陣式按鍵接口根據(jù)采用的按鍵識(shí)別方法不同基本有兩種接法:線反轉(zhuǎn)法和掃描法。其中掃描法的列線始終為輸入 ，行線始終為輸出；線反轉(zhuǎn)法則需要改變列線和行線的方向。由于本設(shè)計(jì)中的按鍵模塊主要實(shí)現(xiàn)的是控制功能，需要的按鍵比較少，采用獨(dú)立式按鍵的接口方式就可以實(shí)現(xiàn)要求的功能，并考慮到成本問(wèn)題，

23、獨(dú)立式接口方式是最優(yōu)選擇。四、單片機(jī)方案的確定 單片機(jī)的種類有很多種，如：凌陽(yáng)系列單片機(jī)、MCS51系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)等。這里設(shè)計(jì)兩種方案：方案一：選用MCS51系列單片機(jī)。MCS51系列單片機(jī)是80年代推出的8位單片微型計(jì)算機(jī)，共有P0P3四個(gè)這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，其余用于芯片控制的寄存器中。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是P0P3，它們實(shí)際上是4個(gè)八位鎖存器（每個(gè)I/O口一個(gè)），每個(gè)鎖存器附加有相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器就構(gòu)成了一個(gè)并行口。MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品為8051，8751，8031.它們的基本組成和基本性能都是一樣的.常用的M

24、CS-51這個(gè)術(shù)語(yǔ)，泛指以8051為內(nèi)核的單片機(jī)。8051型單片機(jī)出廠時(shí)，程序已由生產(chǎn)廠家固化在程序存儲(chǔ)器中.因此，本設(shè)計(jì)采用8051控制整個(gè)系統(tǒng)，不僅控制程序較為簡(jiǎn)單，而且能達(dá)到較好的控制效果。MCS51系列單片機(jī)是80年代推出的8位單片微型計(jì)算機(jī)，共有P0P3四個(gè)這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，其余用于芯片控制的寄存器中。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是P0P3，它們實(shí)際上是4個(gè)八位鎖存器（每個(gè)I/O口一個(gè)），每個(gè)鎖存器附加有相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器就構(gòu)成了一個(gè)并行口。8051是MCS-51的典型產(chǎn)品，其基本特性如下：* 8位CPU、片內(nèi)振蕩器* 4k字節(jié)ROM、

25、128字節(jié)RAM* 21個(gè)特殊功能寄存器* 32根并行I/O線* 可尋址的64k字節(jié)外部數(shù)據(jù)、程序存貯空間* 2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器* 中斷結(jié)構(gòu)：具有二個(gè)優(yōu)先級(jí)、五個(gè)中斷源* 一個(gè)全雙口串行口* 位尋址（即可尋找某位的內(nèi)容）功能，適于按位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的位處理器。方案二：選用AVR系列的單片機(jī)。 ATMEL公司新推出的90系列單片機(jī)內(nèi)含高速閃存FLASH，是基于增強(qiáng)精簡(jiǎn)指令RISC(Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR單片機(jī)。該系列單片機(jī)在吸收PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，做出了重大的改進(jìn)。AVR單片機(jī)的特點(diǎn)：（1）速度快AVR單片機(jī)在單一時(shí)

26、鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令，每MHz可實(shí)現(xiàn)階段MIPS的處理能力，是具有最高M(jìn)IPS/mW能力的確良8位單片機(jī)。AVR單片機(jī)采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32個(gè)通用工作寄存器組成。AVR用32個(gè)通用寄存器代替累加器，避免了傳統(tǒng)的累加器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令來(lái)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，代碼效率比常規(guī)CISC微控制器快十倍。AVR單片機(jī)是用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的，即在執(zhí)行前一條指令時(shí)就取出下一條指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令(與DSP類似),是8位單片機(jī)中第一種真的RISC單片機(jī)。（2）性能價(jià)格比高AVR單片機(jī)中既有引腳少

27、的器件(8腳)，也有存儲(chǔ)容量較大。引腳較多的器件，給用戶以充分的選擇余地。AVR單片機(jī)采用Harvard結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開的，可以直接訪問(wèn)8M字節(jié)程序存儲(chǔ)器和8M的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AVR單片機(jī)片內(nèi)資源豐富。包括：1K-128K字節(jié)可下載的Flash存儲(chǔ)器。64-4K字節(jié)EEPROM，128-4K字節(jié)RAM，5-32條通用的I/O線，32個(gè)通用工作寄存器。摸擬比較器。定時(shí)器/計(jì)數(shù)?？删幊坍惒酱锌?。內(nèi)部及外部中斷。帶內(nèi)部晶振的可編程看門狗定時(shí)器。為下載程序而設(shè)計(jì)的SPI串行口。10位AD轉(zhuǎn)換器。以及閑置摸式和掉電摸式2個(gè)可選擇的省電摸式等。AVR單片機(jī)具有高度保密性。程序存儲(chǔ)器FLA

28、SH具有多重密碼保護(hù)鎖死(LOCK)功能，絕不可能解密。（3）系統(tǒng)內(nèi)從新編程(ISP In-System Programming)功能AVR單片機(jī)片內(nèi)可下載FLASH存儲(chǔ)器，可以通過(guò)SPI串行接口或一般的編程器進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)重新編程(ISP In-System Programming),給新產(chǎn)品的開發(fā)。老產(chǎn)品的級(jí)和維護(hù)帶來(lái)極大的方便。（4）工作電壓范圍寬(2.7-6V)，抗干擾能力強(qiáng)AVR單片機(jī)在一個(gè)芯片內(nèi)將增強(qiáng)性能的RISC 8位CPU與可下載的FLASH相結(jié)合使其成為適合于許多要求。具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。（5）I/O口功能強(qiáng),具有A/D轉(zhuǎn)換等電路 1.AVR單片機(jī)的I/O

29、口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實(shí)情況。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，具有大電流(灌電流)1040 mA,可直接驅(qū)動(dòng)可控硅SCR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動(dòng)器件。 2.AVR單片機(jī)內(nèi)帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉(zhuǎn)換，可組成廉價(jià)的A/D轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 3.部分AVR單片機(jī)可組成零外設(shè)元件單片機(jī)系統(tǒng)，使該類單片機(jī)無(wú)外加元器件即可工作，簡(jiǎn)單方便，成本又低。 4AVR單片機(jī)可重設(shè)啟動(dòng)復(fù)位,以提高單片機(jī)工作的可靠性。有看門狗定時(shí)器實(shí)行安全保護(hù),可防止程序走亂飛,提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。 （6）有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口 定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C有8

30、位和16位,可用作比較器。計(jì)數(shù)器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用于控制輸出，某些型號(hào)的AVR單片機(jī)有34個(gè)PWM，是作電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的理想器件。AVR單片機(jī)有串行異步通訊UART接口，不占用定時(shí)器和SPI同步傳輸功能，因其具有高速特性，故可以工作在一般標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)頻率下，而波特率可達(dá)576K。AVR系列單片機(jī)具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。這樣省去了很多硬件電路，使硬件電路更加簡(jiǎn)單。AVR系列單片機(jī)有很多種，常用的有ATmega16、ATmega8、ATmega128等。這里選用AVR系列單片機(jī)中的ATmega16。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)3.1

31、.1 溫度傳感器的選擇溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。目前國(guó)際上用的較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。常用的溫度傳感器由集成溫度傳感器、P-N結(jié)溫度傳感器、熱電阻、熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器。各種傳感器的特性如下。集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器。集成溫度傳感器與熱敏電阻等其它溫度傳感器相比具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快和良好的線性度和一致性等特點(diǎn)。同時(shí)，具有功能單一(僅測(cè)量溫度)、測(cè)溫誤差小

32、、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。P-N結(jié)溫度傳感器是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)溫手段，總所周知，P-N結(jié)的反向電流隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化，而當(dāng)正向電流不變時(shí)，其正向壓降隨溫度近似線性變化?，F(xiàn)代的P-N結(jié)溫度傳感器都是利用正向壓降進(jìn)行測(cè)溫。P-N結(jié)溫度傳感器有較好的線性度，熱時(shí)間常數(shù)約0.2s2s,靈敏度高，其測(cè)溫范圍為-50 +50。這種溫度傳感器的缺點(diǎn)是，同一型號(hào)的二極管或三極管的特性不一致。熱電阻的基本材料有鉑、銅和鎳，其阻值隨溫度的升高而增大。其中鉑電阻有很好的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，測(cè)溫范圍寬，為-200600

33、，但價(jià)格高。銅電阻測(cè)溫范圍窄，為-50+150。熱電偶測(cè)溫范圍寬，一般為-50+1600，最高的可達(dá)2800，并且有較好的測(cè)量精度。另外，熱電偶已標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，易于選用，可以方便的用計(jì)算機(jī)做非線性補(bǔ)償。熱敏電阻傳感器用作溫度敏感元件的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)。熱敏電阻傳感器利用阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。熱敏式傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適用溫度較低的情況。一般把由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料經(jīng)成型、燒結(jié)等工藝制成的測(cè)溫元件叫做熱敏電阻。熱敏電阻的非線性嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，不可用于精確測(cè)量，主要用于電路溫度補(bǔ)償和保護(hù)。通過(guò)測(cè)量熱敏電阻阻值的變化，便可以得知被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。熱敏電阻具

34、有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域廣泛用作測(cè)溫控溫及溫度補(bǔ)償?shù)拿舾性?。熱敏電阻溫度傳感器的缺點(diǎn)是線性度低、穩(wěn)定性差4。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，并考慮各溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用熱敏電阻作為溫度傳感器。經(jīng)比較及考慮，本文采用NTC(NegativeTemperatureCoeffieient)型MF52熱敏電阻作呼吸氣流檢測(cè)的傳感元件。所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)敏電阻器。它是以錳、鉆、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數(shù)目少，以其

35、電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC敏電阻器在室溫下的變化范圍在101，000，000歐姆，溫度系數(shù)2%6.5%。NTC熱敏電阻器廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合。（1）MF52熱敏電阻特點(diǎn):外形結(jié)構(gòu)及尺寸小，呈滴珠狀，滴珠直徑為2mm，引線長(zhǎng)25mm。測(cè)試精度高；體積??；質(zhì)量輕；反應(yīng)速度快；靈敏度高；能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；互換性；一致性好；性價(jià)比高；經(jīng)濟(jì)實(shí)用。（2）MF52熱敏電阻參數(shù):工作溫度:-40C+120C。額定功率:<=50mW(在最高工作溫度下)。（3）熱敏電阻熱電溫度特性分析：溫度特性：熱敏電阻的溫度特性為阻值變化與溫度變化為指數(shù)關(guān)系，隨溫度升

36、高，熱敏電阻阻值迅速下降，靈敏度高是熱敏電阻測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)。熱電特性：NTC熱敏電阻的溫度系數(shù)是負(fù)值，且與溫度變化有關(guān)。溫度越低，溫度系數(shù)越大，靈敏度越高，所以NTC熱敏電阻常用于低溫測(cè)量5。3.1.2 信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)傳感器是熱敏電阻，通過(guò)熱敏電阻檢測(cè)人體呼吸時(shí)呼出與吸入氣流溫度的變化情況從而得呼吸信號(hào)，為了提高呼吸氣流溫度變化測(cè)量的靈敏度，應(yīng)將熱敏電阻置于呼道中氣流速度最大的地方。呼吸檢測(cè)采用電橋電路將熱敏電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)變化，經(jīng)放大處理后經(jīng)濾波送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理和顯示。采用熱敏電阻作為測(cè)溫元件時(shí)，溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化，對(duì)溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)電阻的測(cè)量。介于使用電橋測(cè)量

37、有靈敏度高，線性好，測(cè)量范圍寬且容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)，在呼吸信號(hào)的感應(yīng)第一級(jí)電路中采用電橋測(cè)量考慮到環(huán)境溫度的影響，以及在實(shí)際操作中為了減少誤差，準(zhǔn)確測(cè)量呼吸氣流溫度的變化，所以將電橋電路作了如圖3-1的改進(jìn)。圖3-1 改進(jìn)后熱敏電阻測(cè)溫電橋圖3-1中采用電橋測(cè)溫平衡原理，熱敏電阻作為測(cè)量電阻，選用1K的鉑電阻。其中一根串聯(lián)接在電橋的電源上，對(duì)電橋的平衡與否毫無(wú)影響，另外兩根分別串接在電橋的相鄰兩臂里，根據(jù)電橋的原理對(duì)于平衡也沒有影響。輸出電壓U0可從下式求的：3.2 放大電路的設(shè)計(jì)3.2.1 運(yùn)算放大器的選擇運(yùn)算放大器的種類有很多種，如： 1通用型運(yùn)算放大器 通用型運(yùn)算放大器就是以通用

38、為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。 2高阻型運(yùn)算放大器 這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小，一般rid1G1T，IB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高

39、輸入阻抗的CA3130、CA3140等。 3低溫漂型運(yùn)算放大器 在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。 4高速型運(yùn)算放大器 在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、A715等。5低功

40、耗型運(yùn)算放大器 由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±2V±18V,消耗電流為50250A。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)W級(jí)，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。 6高壓大功率型運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成

41、運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V。 7可編程控制運(yùn)算放大器 在儀器儀表得使用過(guò)程中都會(huì)涉及到量程得問(wèn)題。為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)。例如:有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為10倍,輸入信號(hào)為1mv時(shí)，輸出電壓為10mv，當(dāng)輸入電壓為0.1mv時(shí),輸出就只有1mv，為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100。程控運(yùn)放就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生得。例如PGA103A,通過(guò)控制1、2腳的電平來(lái)改變放大的倍數(shù)。3.2.2 放大電路的設(shè)計(jì)由于熱敏電阻通過(guò)電橋后輸出的電壓信號(hào)是幾百毫伏級(jí)，而A/D轉(zhuǎn)換必須是伏級(jí)

42、信號(hào)，所以必須進(jìn)行放大處理。由于電橋的輸出是兩點(diǎn)電壓之差，所以必須使用差分放大器作為連接電橋第一級(jí)放大。且差分放大器的差分相減可以對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制而使測(cè)量得到較真實(shí)的測(cè)量值。AD620是AnafogDevice公司生產(chǎn)的低成本，低功耗集成儀表放大器，它是個(gè)典型的三運(yùn)放同相并聯(lián)差動(dòng)放大器的集成。由于其體積小，功耗低，噪聲小供電電源范圍廣等特點(diǎn)，使其特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用場(chǎng)合。AD620是高性能單片集成的儀器放大器，它在同相并聯(lián)差動(dòng)放大的基礎(chǔ)上，采用激光晶片校準(zhǔn)技術(shù)，使用戶僅用一個(gè)外接電阻就能對(duì)增益進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，無(wú)需調(diào)節(jié)，易于使用。使用時(shí)只需在1腳和8腳接入電阻以設(shè)置所

43、需要的增益G。集成的儀器放大器的電壓增益為：當(dāng)電阻取不同值時(shí)，可以得到11000的電壓增益。 AD620的突出優(yōu)點(diǎn)是低頻噪聲小，從0.110Hz的噪聲電壓p-p（峰-峰）值為0.28µV，失調(diào)電壓、溫漂都很小，共模抑制比為110Db,寬帶120kHz（G=100）。使用時(shí)應(yīng)注意，引線端REF通常接地，確保其良好接地是保持高共模抑制比所必需的。電阻的穩(wěn)定性、溫漂將影響放大器增益的穩(wěn)定，在外接電阻很小時(shí)（即高增益設(shè)置時(shí)）應(yīng)選用精密線繞組電阻。電源端通常外接0.1µF電容，是為了去除電源的耦合干擾，應(yīng)用時(shí)電容要注意就近接地。AD620的高輸入阻抗、高共模抑制比以及其他優(yōu)越的性能，

44、使其可以用于ECG測(cè)量電路中。AD620作為前置放大器，其增益為10左右，加上后級(jí)放大，總增益可以達(dá)到1000。AD620性能特點(diǎn)所下:輸入失調(diào)電壓<=50V；輸入失調(diào)電壓漂移<=0.6V /；輸入失調(diào)電流<=1.0nA；共模抑制比CMRR>=100dB；建立時(shí)間為15s；增益調(diào)節(jié)范圍是11000。其引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 AD620引腳圖由AD620設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大電路如圖3-3所示。圖3-3 運(yùn)算放大電路如圖3-3所示，管腳1和管腳8腳之間連接電阻，差分信號(hào)由管腳2、3輸入，管腳6是輸端，管腳5是參考端。放大倍數(shù)可由電阻來(lái)確定，其與增益G之間的關(guān)系如下：=+1

45、3.3 濾波電路的設(shè)計(jì)一、高通濾波電路的設(shè)計(jì)由于呼吸頻率很低(一般為0.1Hz1Hz)，加之鼻腔基溫、環(huán)境溫度等因素的影響，基線漂移很嚴(yán)重，甚至?xí)斐尚盘?hào)阻塞。因此，呼吸信號(hào)檢測(cè)電路中需要設(shè)置抑制基線漂移的高通濾波器。早期的濾波器主要采用R、C和L等無(wú)源元件組成，成為無(wú)源濾波器。為了使負(fù)載不影響濾波特性，可在無(wú)源濾波電路和負(fù)載之間加一個(gè)高輸入電阻、低輸出電阻的隔離電路，最簡(jiǎn)單的辦法是加一個(gè)電壓跟隨器，這樣就構(gòu)成了有源濾波電路。通常，直流電源中整流后的濾波電路均采用無(wú)源電路，且在大電流負(fù)載時(shí)，應(yīng)采用LC（電感、電容）電路。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情

46、況下才能起濾波作用，于此同時(shí)還可以放大，組成電路時(shí)應(yīng)選用帶寬合適的集成運(yùn)放。由集成運(yùn)放和RC電路組成的有源濾波器具有體積小、效率高、阻抗特性好的優(yōu)點(diǎn)并具有一定的電壓放大作用和緩沖作用，同時(shí)適用于信號(hào)處理，所以的到廣泛應(yīng)用。由于所提取的信號(hào)不是直流并且呼吸信號(hào)也比較微弱，所以不適合采用無(wú)源濾波器。而有源濾波器所具有的特性則符合此設(shè)計(jì)的需求，體積小、效率高、阻抗特性好等，并能對(duì)所提取的信號(hào)整流后進(jìn)行放大處理，信號(hào)處理等。所以采用有源濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波?；A(chǔ)的有源濾波電路如圖3-4所示。圖3-4 基礎(chǔ)有源濾波電路此部分的重點(diǎn)設(shè)計(jì)是運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。運(yùn)算放大器（常簡(jiǎn)稱為“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的

47、電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在。現(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。本設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器選用LF356。選擇無(wú)限增益多路反饋型(MBF)二階濾波電路。電路如圖3-5所示。圖3-5 高通濾波電路無(wú)源器件的參數(shù)是由電路形式，濾波器的類型決定的。傳遞函數(shù)為濾波器的參數(shù)為:其中為增益，因?yàn)殡娐贩糯蟊稊?shù)已經(jīng)確定，在此濾波器中不必再

48、增加，所以取為1。而可由巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)求得，為1.414，為截止頻率，設(shè)為0.1。則根據(jù)方程式可得：R1=0.7MR2=4.1MC1=1FC2=1FC3=1F二、低通濾波電路的設(shè)計(jì)呼吸頻率在0.11Hz之間，相對(duì)來(lái)說(shuō)頻率很低，若有高頻信號(hào)的干擾會(huì)造很大影響，電源的不穩(wěn)定，或是其他的工頻干擾等，這些信號(hào)通常都在幾十赫，相對(duì)呼吸信號(hào)的1Hz來(lái)說(shuō)大很多。所以，截止頻率設(shè)計(jì)為1Hz，使用最簡(jiǎn)單的一階RC無(wú)源濾波路可以滿足要求。如圖3-6所示。圖3-6 一階RC無(wú)源濾波路根據(jù)設(shè)計(jì)一階濾波器，R=0.16MK,C=1F。3.4 峰、谷值檢測(cè)提取平均值電路的設(shè)計(jì)3.4.1 峰值檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)峰值檢測(cè)

49、電路是（PKD,Peak Detector）的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo=Vpeak，為了實(shí)現(xiàn)這樣的目的，電路輸出值會(huì)一直保持，直達(dá)一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。常用的峰值檢測(cè)電路有很多種，如：分立二極管電容型、無(wú)二極管型、集成峰值檢測(cè)電路等。峰值檢測(cè)電路在AGC（自動(dòng)增益 控制）電路和傳感器最值求取電路中廣泛應(yīng)用6。峰值檢測(cè)就是要對(duì)信號(hào)峰值進(jìn)行采集并保持，其效果圖如圖3-7所示。圖3-7 峰值檢測(cè)效果圖我們用一個(gè)二極管和電容器就能組成一個(gè)最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)電路，如圖3-8所示。這種最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)電路可以工作，但是性能并不是很理想。而且，由于沒有輸入輸出的緩沖，在實(shí)際應(yīng)用

50、中，電容器中的電荷會(huì)被其他部分電路負(fù)載消耗，造成峰值檢測(cè)電路無(wú)法保持信號(hào)峰值電壓。圖3-8 基本峰值檢測(cè)電路對(duì)基本峰值檢測(cè)電路進(jìn)行改進(jìn)，與電容并聯(lián)一個(gè)電阻，用于放電，如圖3-9所示。這種簡(jiǎn)單電路的工作過(guò)程是, 在交流電壓的每一周期中, 可分為電容充電和放電兩個(gè)過(guò)程。在交流電壓的作用下, 在正半周的峰值附近一段時(shí)間內(nèi), 通過(guò)二極管對(duì)電容 C 充電，而在其它時(shí)段電容 C上的電壓將對(duì)電阻R放電。當(dāng)然，當(dāng)外界交流電壓剛接上時(shí)，需要經(jīng)歷多個(gè)周期, 多次充電, 才能使輸出電壓接近峰值。但是, 困難在于二極管是非線性元器件,當(dāng)交流電壓較小時(shí)，檢測(cè)得的直流電壓往往偏離其峰值較多。圖3-9 簡(jiǎn)單峰值檢測(cè)電路這里

51、的泄放電阻R，是指與 C并聯(lián)的電阻、下一級(jí)的輸入電阻、二極管的反向漏電阻、以及電容及電路板的漏電等效電阻。不難想到，放電是不能完全避免的。同時(shí)，適當(dāng)?shù)姆烹娨彩潜匾摹Ｌ貏e是當(dāng)輸入電壓變小時(shí)，通過(guò)放電才能使輸出電壓再次對(duì)應(yīng)于輸入電壓的峰值。實(shí)際上，檢測(cè)器的輸出電壓大小與峰值電壓的差別與泄放電流有關(guān)。僅當(dāng)泄放電流可不計(jì)時(shí)，輸出電壓才可認(rèn)為是輸入電壓的峰值。用于檢測(cè)儀器中的峰值檢測(cè)器要求有較高的精度。檢測(cè)儀器通常 R值很大，且允許當(dāng)輸入交流電壓取去后可有較長(zhǎng)的時(shí)間檢波輸出才恢復(fù)到零。可以用較小的電容，從而使峰值電壓建立的時(shí)間較短。經(jīng)再次改進(jìn)的峰值檢測(cè)電路包括三個(gè)模塊：（1）模擬峰值存儲(chǔ)器，即電容器；

52、（2）單相電流開關(guān)，即二極管；（3）輸入輸出緩沖隔離，即運(yùn)算放大器10。第三部分是運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。在放大濾波模塊的設(shè)計(jì)中已經(jīng)提及到運(yùn)算放大器的相關(guān)知識(shí)，同樣此部分也選用高阻型運(yùn)算放大器。為保證該電路不影響前級(jí)，且使電容能將峰值電壓保存適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，都需要放大器的輸入阻抗要高，于是，我們選擇了CA3140，它有高的輸入阻抗和低輸入偏置電流，且能用單電源供電。其引腳圖如圖3-10所示。圖3-10 CA3140引腳圖經(jīng)再次改進(jìn)的峰值檢測(cè)電路如圖3-11所示。圖3-11 峰值檢測(cè)電路峰值檢測(cè)電路的工作過(guò)程是，經(jīng)過(guò)濾波放大的呼吸信號(hào)接運(yùn)算放大器CA3140的同相輸入端，當(dāng)呼吸信號(hào)電壓大于電容C3上的電

53、壓時(shí)，D1導(dǎo)通，給C3充電。當(dāng)呼吸信號(hào)電壓升至峰值并開始下降時(shí)，C3充電至峰值電壓,D1截止，C3上保持峰值電壓，從而檢測(cè)到峰值。3.4.2 谷值檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 由于都是對(duì)極值的檢測(cè)，并且其應(yīng)用環(huán)境相同，所以谷值檢測(cè)電路與峰值檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)基本相同，運(yùn)算放大器也選用CA3140。只是二極管的方向不同，谷值檢測(cè)電路的二極管方向正好與峰值檢測(cè)電路的方向相反。所以谷值檢測(cè)電路如圖3-12所示。圖3-12 谷值檢測(cè)電路谷值檢測(cè)電路的工作原理是當(dāng)運(yùn)算放大器的同相輸入端電壓小于電容C4上的電位時(shí)， D2導(dǎo)通，C4通過(guò)D2放電。當(dāng)輸入端電壓下降時(shí)，電容就保持放電。當(dāng)輸入電壓Vi降至谷值并開始上升時(shí)，C4就取

54、得谷值電壓，D2截止，C4保存谷值電壓。3.4.3 平均值提取電路設(shè)計(jì)提取出的峰值電壓和谷值電壓需經(jīng)處理得到平均值。如圖3-13所示。圖3-13 提取平均值電路令流經(jīng)R1、R2的電流為I，峰值電壓為V1，谷值電壓為V2，平均值電壓為V0，且R1=R2，則有：I=2*R1*V1-2*R1*V0=R1*V1-R1*V2R1*V1+R1*V2=2*R1*V0V0= 所以圖3-13即為提取平均值的電路。分別從峰值檢測(cè)電路和谷值檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)電阻R1、R2，再?gòu)乃鼈冎g提取平均值電壓。由于峰值電壓會(huì)經(jīng)R1、R2向谷值電壓存儲(chǔ)電容充電，為防止這一現(xiàn)象R1、R2選的應(yīng)盡量較大，所以該電路中取R6=

55、R7=10M。3.5 比較放大電路的設(shè)計(jì)呼吸電信號(hào)十分微弱，在檢測(cè)呼吸電信號(hào)的同時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，如工頻50Hz 和極化電壓等干擾。前者主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾伏甚至幾十伏，所以呼吸電放大器必須具有很高的共模抑制比。后者是由于測(cè)量電極與呼吸信號(hào)之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mV，因此，呼吸電放大器的前級(jí)增益不能過(guò)大，或者需要采用超低頻的交流放大器。由于信號(hào)源內(nèi)阻可達(dá)幾十K、乃至幾百K。所以，生物電放大器的輸入阻抗必須在幾M以上。綜上所述，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的呼吸電放大器有許多技術(shù)困難。因此，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的呼吸電放大器一直受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者重視14。近年來(lái)，微電子技術(shù)得到迅猛

56、的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀器放大器，如TI 公司、ADI 公司和Linear公司等生產(chǎn)了很多不同檔次的集成化儀器放大器，為設(shè)計(jì)呼吸電放大器提供了充分的選擇。本模塊的設(shè)計(jì)仍然采用CA3130放大器，此放大器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，不需調(diào)試，性能比較優(yōu)異。將提取的平均值加到運(yùn)放的反相端，原呼吸模擬信號(hào)加到同相端，電路圖如圖3-14所示。圖3-14 比較放大電路呼吸模擬信號(hào)是一個(gè)固定值，其值可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻來(lái)改變呼吸模擬信號(hào)的值。如圖3-15所示。圖3-15 固定模擬信號(hào)輸出3.6 主控單元的設(shè)計(jì)3.6.1 ATmega16單片機(jī)簡(jiǎn)介一、單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)分支，是一種專門面向控制的微處理器件，故又稱之為微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。單片機(jī)通常以單一芯片的形式出現(xiàn)，但是它已具有了微型計(jì)算機(jī)所包含的基本組成結(jié)構(gòu)和