基于usb接口的脉搏检测仪的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于usb接口的脉搏检测仪的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

我们采用 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 900nm 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。 R2 选 500Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。 R2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，R2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，电容 C1起到隔直通交的作用，因为从光电二 极管拾取的电压信号是直流和交流叠加的信号。 光电传感器电路原理图如图 22所示。 +5VGND1KR1500R2C1D1IR333D2BPW8323 图 22 光电式传感器电路 光电式脉搏传感器实验测量和噪声分析 在测量过程中，前端测量到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境的干扰，因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析，从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰，使之能够准确测量到脉搏信号，光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、工频干扰、测量过程运动噪声，下面对上述情况结合仪器软硬件设计做进一步的分析。 在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅有包含 脉搏信息的反射光的信号，而且有测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。 在同时考虑到传感器使用的方便性，本仪器采用特制的指夹封装形式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小背景光的影响。 工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工 频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。 第二章 系统硬件设计 7 放大滤波电路设计 由光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为 微伏量级或 毫伏量 级，所以首先要对信号进行放大，介于此系统的特点，我们使用了两级放大电路，分别为初级放大和次级放大。 在信号采集过程中，工频、人体位移、呼吸作用等都会对原始信号产生干扰，所以必须对信号进行滤波处理。 放大电路的设计 由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为微伏量级或毫伏量级，所以要求前置级满足下述要求：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。 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，尽管 AD620 由传统的三运放组成，但一些主要性能却优于由三个分立运放构成的仪表放大器。 它的电源范围宽 (177。 — 177。 18V)，体积小 ,功耗低 (最大供电电流仅为 A)，因而经常使用在低电压、低功耗的应用场合。 AD620 的工作原理是： AD620 是在传统的三运放组合方式的基础上研制的单片仪用放大器。 输入三极管 Q1 和 Q2 提供了唯一双极差分输入，因内部的超 β 处理 ，它的输入偏移电流比一般情况低 10 倍。 通过 Q1A1R1 环路和 Q2A2R2 环路的反馈，保持了 Q1， Q2 集电极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻 R 的两端，从输入到 A1/A2 输出的差分放大倍数为 G=（ R1+R2） /RG +1，由 A3 组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与 REF 管脚电位有关的单路输出。 AD620 原理图如图 23 所示。 内部增益电阻 R1 和 R2 被精确确定 ,使得运放增益精确地由确定： G= /RG +1 或 RG = /(G1)。 由于经光电传感器采集到的信号为毫伏量级，并且在信号的次级放大中还可以设置 25 倍的放大倍数，所以在前级放大电路的设计中令放大倍数为 101 倍，经过计算 RG =R3=500Ω，交流信号由 3 引脚输入经放大后通过低通滤波器进行处理。 信号初级放大电路原理图如图 25 所示。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 图 23 AD620 原理图 AD62012348765RgIN+INVsRg+VsOUTPUTREFTOP VIEW 图 24 AD620 封装引脚图 8 16234 5 7+5VGND5VAD620R3500AD620 图 25 信号初级放大电路 第二章 系统硬件设计 9 低通滤波电路设计 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的 电子装置。 工程上常用它处理信号、传送数据和抑制干扰。 有源滤波和无源滤波相比，有源滤波采用了集成运放，集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 通常脉搏信号的频率范围在 － 20Hz 之间，因此通过低通滤波器可以有效滤除 50Hz 工频干扰及其他的高频噪声干扰。 本文采用二阶有源低通滤波器对经初级放大后的信号进行滤波处理。 二阶低通滤波电路图如图 26所示。 R 1 = 1 . 6 k R f = 4 8 k+_△∞+R = 1 . 6 k R = 1 . 6 kC 2 = 0 . 1 u FC 1 = 0 . 1 u F6V iV o 图 26 二阶低通滤波电路 USB 总线简介 USB（ Universal Serial Bus，通用串行总线）是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。 是应用在 PC 领域的接口技术。 USB 是在 1994 年底由英特尔、康柏、 IBM、 Microsoft 等多家公司联合提出的。 与其它老式 PC 机接口相比， USB 的有如下优点： (1)热插拔。 用户可以把 USB 外设连接到一台正在运行的 PC 机上，操作系统能自动识别，并且用户可以立即使用，而不需要重新启动 PC 机。 用户可以在任何时候断开 USB 外设，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏 PC 机和 外设。 (2)即插即用。 USB 实现了自动配置，它不需要用户手工配置 I/O 地址和中断请求。 当 USB 外设接入 PC 机时，操作系统会自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。 (3)共享式接口。 USB 端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式。 通过 US淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 B集线器，一个 USB 主控制器上最多可连接 127 个外设。 (4)低成本。 USB 能实现强大的功能，它比以前的接口更加复杂，但是它的组件和电缆并不贵，带有 USB 接口的外设和具有同样功能的老外设接口相比，所需费用差不多，有时会更少一些。 (5)性能可靠。 USB 系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。 (6)提供电源。 USB 电缆向外设提供了一根 +5V 的电源线，电流的大小取决于集线器，最小为 100mA，最大不会超过 500mA，用户可以直接使用这个总线电源。 另外， USB 支持低功耗模式，如果其连续 3ms 没有总线活动的话， USB 就会自动进入挂起状态，以节省电能消耗。 USB 体系结构 USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。 由主机预定的标准协议使各种设备分享 USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加 、设置、使用以及拆除外设。 (1)USB系统的描述 一个 USB系统主要被定义为三个部分 :USB的互连； USB的设备 (device)；USB的主机 (host)。 USB的互连是指 USB设备与 USB主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：总线的拓扑结构： USB设备与主机之间的各种连接方式；内部层次关系：根据性能叠置， USB的任务被分配到系统的每一个层次；数据流模式：描述了数据在系统中通过 USB从产生方到使用方的流动方式； USB的调度： USB提供了一个共享的连接。 对可以使用的连接进行调度，以支持同步数据 传输，无须进行优先级判别。 (2)电源 主要包括两方面：电源分配：即 USB的设备如何通过 USB分配得到由主计算机提供的能源；电源管理：即通过电源管理系统， USB的系统软件和设备如何与主机协调工作。 (3)总线协议 USB总线是一种轮循方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。 每一次总线执行动作最多传送三个数据包。 第二章 系统硬件设计 11 (4) 系统设置 USB设备可以随时的安装和拆卸，因此，系统软件在物理的总线布局上必须支持这种动态变化。 (5)USB设备 USB设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类。 集线器类指的是一种提供 USB连接点的设备， USB设备需要提供自检和属性设置的信息， USB设备必须在任何时刻执行与所定义的 USB设备的状态相一致的动作。 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的 USB地址。 设备就是通过该 USB地址被操作的，每一个 USB设备通过一个或多个通道与主机通讯。 所有 USB设备必须在零号端口上有一指定的通道，每个 USB设备的 USB控制通道将与之相连。 通过此控制通道，所有的 USB设备都列入一个共同的准入机制，以获得控制操作的信息。 MCU 及外围电路设计 C8051F320 介绍 美国 Cynical 公司是一家专业从事混合信号片上系统单片机设计与制造的半导体公司，它在市场上推出了 53 个品种的 C8051F 系列片上系统单片机。 C8051F 系列单片机是集成的混合信号片上系统 SOC（ System Onchip），具有与 MCS51 内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准 8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 C8051F系列单片机的功能部件包。