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电子设计毕业设计肺活量测量仪设计论文资料
引言
随着社會经济的繁荣，周休二日的实施，人們的生活方式有了重大的改变。
加上人口日趋高龄化，随之而起的健康养生意识逐渐受到大家重视。
运动成為生活的一部份，因此『终身运动』成為全民所关心的重大议题。
终身运动的提出必然带动体质测量仪的发展。
肺活量测量仪是体质测量仪中的一部分，当然也不例外。
肺活量在一定意义上反映了呼吸机能的潜在能力。
测量肺活量，可判断健康人呼吸机能的强弱、某些呼吸机能减低的性质和程度以及疾病恢复后的劳动能力。
肺活量测量仪中普遍使用气体压力传感器来进行测量。
无论从精度还是从可靠性方面，气体压力传感器做得都比较好。
利用气体压力传感器检测即迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到相应的要求。
用气体压力传感器测量肺活量具有下述突出的优点:
气压传感器体积小，精度高，受外界干扰影响较小；价格较低，降低了整机的成本。
目前国内一般使用气体压力传感器来设计肺活量测量仪,同时也有通过气体流量传感器来实现肺活量测量仪的设计。
但是气体流量传感器成本较高。
本文中所讨论的肺活量测量仪由于使用了价格较低的ATP015G气体压力传感器及单片机,并且可通过RS232与上位机进行通信，将所测得的数据直接传送至上位机。
实现液晶显示、语音播报、并由上位机进行处理等功能。
具有价格低、直观、使用方便的特点。
因此具有广泛的发展前景。
1绪论
**本课题的研究意义
肺活量测量仪在医疗部门以及学校等地方应用广泛，实现智能化、高精度、便携化是肺活量测量仪现在的发展方向。
随着单片机、微电子、传感器、总线接口等高新技术的迅速发展，肺活量测量仪的研制有了长足的进步，以适应越来越高的应用要求。
目前，市场上的肺活量测量仪功能各有所长，价格差异也较大。
从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异:
国外的肺活量测量仪，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。
**本课题的发展现状
根据肺活量测量仪的结构分为：
电子肺活量测量仪和非电子简易肺活量测量仪两大类。
**电子类肺活量测量仪
主要通过气压传感器或者气体流量传感器来对肺活量进行测量。
随着全民健身计划的提出以及《学生体质健康标准》试行方案的出台，市场上对肺活量计产品的需求量越来越大.然而中国的体质检测仪器与国外相比还比较落后，如肺活量计还沿用三十年前的机械式产品。
市场上急需一种可以替代现有产品的便携式电子肺活量计。
**非电子类肺活量测量仪
不通过传感器以及其他电子元器件，而是由一些生活中容易取得的材料例如带盖儿透明塑料桶（如装金龙鱼食用油的塑料桶，5升；或鲜橙多塑料瓶，2升），60~80长的乳胶管，玻璃管等材料制作简易的肺活量测量仪。
其原理为：
肺活量是指一次深吸气后的最大呼出的气体容积。
由于人体呼出的气体密度比水轻，在水中会上升，所以可以用“排水法”制作简易肺活量计。
在塑料桶中装满水后倒过来放在水中，通过导管向桶内吹气，利用气体上升把桶底的水排出、水受重力自动向下流而水面下降的原理，可以进行肺活量测量。
人体吹出气体的体积，就是桶内被排出的水所占的体积，即桶内被排空部分的容积。
虽然比成百上千元精密的肺活量仪便宜且容易实现，但其缺点是不够精确不够智能化，无法实现显示以及语音播报等功能。
**本课题的发展趋势
目前肺活量测量仪的种类并不是很多，所以客户的选择相应也不多。
在传感器、微电子等高新技术的支持下，肺活量测量仪向着智能化、高精度、能与电脑通信等方面发展。
**智能肺活量测量仪研究目的及其可行性
当前的电子肺活量测量仪虽有液晶显示以及语音播报功能，有足够的精度，但在人工读取并记录数据时效率并不高。
而非电子类肺活量测量仪，在人工记录测量结果时存在误差，且无法实现与上位机的通信以及显示和语音播报等功能。
智能肺活量测量仪除了可以实现液晶显示和语音播报等功能外，还可与上位机进行通信，提高了效率，更加适合在学校中应用。
**课题的主要研究工作和各章内容安排
本课题主要研究肺活量测量并与上位机通信的问题，由于关键问题在通信上，所以必须对单片机与上位机间的通信有一定的研究，以及如何实现，实际上整个课题的难点就在于单片机与上位机间的通信上。
各章内容安排：
第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。
主要有本课题的研究意义、肺活量的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到芯片相关理论知识；第三章主要从总体方面分析系统的设计以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第五章系统的软件部分设计，分模块介绍显示功能的软件编程；第六章主要讲述了误差的分析情况；最后是主要是总结和参考的文献。
2相关技术和基础理论介绍
**肺活量测量相关概述
**肺活量
肺活量是指一次尽力吸气后，再尽力呼出的气体总量。
肺活量是一次呼吸的最大通气量，在一定意义上可反映呼吸机能的潜在能力。
成年男子肺活量约为3500毫升，女子约为2500毫升。
壮年人的肺活量最大，幼年和老年人较小。
健康状况愈好的人肺活量愈大，肺组织损害如肺结核、肺纤维化、肺不张或肺叶切除达一定程度时都可能使肺活量减小；脊柱后凸，胸膜增厚，渗出性胸膜炎或气胸等，也可使肺扩张受限，肺活量减小。
因此，肺活量明显减小是限制性通气障碍的表现。
由于肺活量的测定方法简单，重复性较好，故是健康检查常用的指标。
测定肺活量因不限呼气的速度，而测不出呼吸道通气不畅的疾病，因此采用时间肺活量测定法，作为肺功能的动态指标较为理想。
时间肺活量就是最大吸气后用力作最快速度呼气，直至呼完为止。
同时分别记录第1、2、3秒末呼出的气量。
正常人应分别呼出其肺活量的83%、96%和99%。
患肺阻塞性肺部疾病者往往需要5～6秒或更多时间才能呼出全部肺活量；呼吸运动受限的许多病理状态下，第1秒时间肺活量增加，并可提前呼完全部肺活量。
所以，时间肺活量可作为鉴别阻塞性或限制性通气障碍的参考。
**气压传感器
气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。
气象上使用的所有气压表的刻度均应以hPa分度。
在标准条件下，760mmHg的气压等于1032.25hPa。
压阻式气压传感器的原理是大气压作用于覆盖有抽空的小盒的敏感元件上，通过它电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由于压电效应，电阻值的变化与气压成正比。
**通过气压传感器测量肺活量的原理
将气压传感器置于已知截面积的细管中，在被测量者向管中吹气时，便可通过各时刻的气压与流速的关系得出相应的气流速，再结合测量时间计算得出气体总流量。
测量的原理框图如下：
图2.1
**数据采集
计算机内部能识别的是二进制的数字信号，因此输入计算机的信号必须转换为离散的数字信号，即将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
模拟的非电量（电流、电压）必须先通过传感器，把非电量的模拟信号，如湿度、温度、压力、流量等模拟量转换为电信号。
**A/D转换器
微型计算机只能对以二进制形式表示的信息进行运算和处理，运算和处理的结果也只能是这种数字量。
但在各种自动测量、采集和控制系统中遇到的变量，时间上和幅度上大多是连续变化的物理量，即模拟量。
比如用计算机对导弹、卫星的飞行过程进行监视和控制时，被监控对象大都是电压、电流、角度、速度、位移、温度等模拟量。
这些模拟量并不能直接被计算机所认识和接收，必须先把它们变成计算机能认识的二进制数字量，这个过程叫做模拟／数字转换，完成这种转换的装置则被称为模／数转换器（AnalogtoDigitalConverter），简称为A/D转换器或ADC。
由于A/D转换是将数字计算机应用于生产过程、科学实验和军事系统以实现更有效的自动控制的必不可少的环节，因此如何实现A/D转换器与计算机的接口也就成为计算机控制系统设计中的一项十分重要的工作。
A/D转换器是指将模拟电压信号进行量化、编码，转换为ｎ位二进制数字量信号的电路。
根据A/D转换原理和特点的不同，可将ADC分成两大类：
直接ADC和间接ADC。
直接ADC是将模拟电压直接转换成数字代码，比如有逐次逼近式ADC、计数式ADC、并行转换式ADC等；间接ADC是将模拟电压先变成中间变量，如脉冲周期、脉冲频率、脉冲宽度等，再将中间变量变成数字代码，常用的有单积分式ADC、双积分式ADC等。
**A/D转换的基本原理
连续的模拟信号转换为离散的数字信号必须经历的四个过程：
采样→保持→量化→编码。
前两步在采样保持电路中完成，后两步在ADC电路中实现。
（1）采样过程
采样就是周期性地读出或者测量一种连续信号。
测量的周期称为采样周期Ts，采样周期的倒数称为采样频率fs=1/Ts，Ts称为采样时间。
（2）保持过程
采样输出的信号在采样时间内是连续的模拟量，其幅度值为连续的，为使采样过后的信号的幅度变为有限值，同时采样到某一时刻的信号值，因此引入保持过程，即在保持状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。
采样定理：
为使采样输出信号fs（t）能完全恢复连续信号f（t），包含任何干扰在内的信号f（t）的最高有效频率――奈奎斯特频率fH必须小于采样频率fs的一半；或者说采样频率fs至少是信号频率fH的两倍。
用如下公式表示：
式2.1
采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。
这种信号畸变叫做混叠（alias）。
出现的混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。
（3）量化过程
因为二进制代码的位数是有限的，只能代表有限个信号电平，故在编码成计算机能识别的二进制之前，必须对采样信号进行量化，即把采样信号的幅值与某个最小单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值，这一过程称为“量化过程”。
（4）编码过程
模/数转化的最后阶段是编码，就是把量化信号的电平用数字代码来表示，编码有多种形式，最常用的是二进制编码，即用1和0所组成的n位数码来代表量化电平。
数码的最左边的位叫做最高有效位，简称最高位，用符号MSB（MostSignificantBit）表示；数码的最右边的位叫做最低有效位，简称最低位，用符号LSB（LeastSignificantBit）表示。
编码因为实际问题的模拟电平极性不同有两种方式，即单极性编码和双极性编码。
二进制分数码是一种单极性编码，这种编码的原理如下：
一个十进制数D的量化电平可以表示如下式所示：
式2.2
ai或为0，或为1，所以D的值就是所有非0位的值与它的权值积的累加和，因此D的值是一个小数。
一个模拟信号采样转换的结果可以表示如下式所示：
式2.3
式中，U0是A/D转换器模拟输出电压，FSR是满量程，n为量化器的位数。
**串口通信
**串口通信简介
在计算机系统中，CPU与外部通信的基本通信方式有两种：
并行通信，数据的各位同时传送；串行通信，数据一位一位顺序传送。
在并行通信中，数据有多少位就需要多少条传送线。
而串行通信只需要一对传送线，故串行通信能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出。
串行通信方式之所以被广泛应用的其它特点还包括：
相对于并行通信方式它需要的设备简单；串行通信有大量标准化的技术准则可以遵守；其通信的距离比并行方式远的多；而且可以利用电话线通信，成本低的多。
串行通信方式的主要缺点是传送速度比并行通信要慢，这因为串行通信是一位位传送的，而并行则是所有并行数据位同时传送的。
串行接口的主要功能是接收来自CPU的数据，并转换为串行数据格式发送出去。
或者将接收到的串行数据，送交CPU。
与系统连接的数据总线不但用于传送数据，而且接收系统的控制字和向系统发送串行接口的状态。
系统送到串行接口的控制字包括发送和接收串行数据的波特率、二进制位串行数据格式等。
系统读取状态字包括发送空、接收完，以便控制发送和接收过程。
发送数据时，CPU将数据送入发送缓冲寄存器。
由控制器按照CPU设定的格式将数据转换成串行数据，加上起始位、奇偶校验位和停止位。
转换后并格式化的二进制位串被送入发送移位寄存器，按照选定的波特率发送输出。
接收数据的过程正好相反，控制器按照设定的波特率接收串行串位数据并进行奇偶校验，去掉串行格式中的附加信息，将数据送入接收缓冲器，无论发送和接收，线路的状态寄存器始终保持着接口的各种状态。
通过查询状态寄存器，就可以了解和控制发送和接收过程。
此外，串行接口还包括一个有效的中断系统。
串行通信分为同步通信和异步通信。
在异步通信中，数据通常是以字符（或字节）为单位组成字符帧传送的。
字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线为接收设备一帧一帧地接收。
发送端和接收端可以有各的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。
在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送及何时结束发送。
平时，发送线为高电平（逻辑“1”），每当接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0”（字符帧中起始位）时，就知道发送端已开始发送，每当接收端接收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符信息已发送完毕。
一个字符帧包括：
起始位：
位于字符帧开头，只占一位，始终为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息；
数据位：
紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。
若所传数据为ASC字符，则常取7位；
奇偶校验位：
位于数据位后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校
验，由用户根据需要决定；
停止位：
位于字符帧末尾，为逻辑“1”高电平，通常可取1位、1．5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已发送完毕，也为发送下一帧字符做准备。
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
所以，以RS-232C为主来讨论。
RS-323C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。
**RS232通信
在讨论RS-232C接口标准的内容之前，先说明两点：
首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment）而制定的。
因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。
但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。
有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。
其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
常用物理标准还有有EIA�RS-232-C、EIA�RS-422-A、EIA�RS-423A、EIA�RS-485。
这里只介绍EIA�RS-232-C（简称232，RS232）。
（1）RS232电气特性
EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
TXD和RXD上：
逻辑1（MARK）=-3V～-15V
逻辑0（SPACE）=+3～＋15V
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V
信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V
（2）连接器的机械特性：
连接器：
由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。
下面分别介绍两种连接器。
①DB-25：
PC和XT机采用DB-25型连接器。
DB-25连接器定义了25根信号线，分为4组：
1.异步通信的9个电压信号（含信号地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22
**电流环信号9个（12，13，14，15，16，17，19,23，24）
3.空6个（9，10，11，18，21，25）
4.保护地（PE）1个，作为设备接地端（1脚）
5．DB-25型连接器的外形及信号线分配如图2.2所示。
注意，20mA电流环信号仅IBMPC和IBMPC/XT机提供，至AT机及以后，已不支持。
图2.2
②DB-9连接器
在AT机及以后，不支持20mA电流环接口，使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。
它只提供异步通信的9个信号。
DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。
因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。
电缆长度：
在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。
最大直接传输距离说明：
RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。
可见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下给出的。
为了保证码元畸变小于4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF。
（3）RS-232C的接口信号
RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是
1联络控制信号线：
数据装置准备好（Datasetready-DSR）——有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。
数据终端准备好（Datasetready-DTR）——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。
这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。
这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。
请求发送（Requesttosend-RTS）——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。
它用来控制MODEM是否要进入发送状态。
允许发送（Cleartosend-CTS）——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。
当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。
这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。
在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。
在全双工系统中，因配置双向信道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。
接收线信号检出（ReceivedLinedetection-RLSD）——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。
当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。
此线也叫做数据载波检出（DataCarrierdectection-DCD）线。
振铃指示（Ringing-RI）——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。
②数据发送与接收线：
发送数据（Transmitteddata-TxD）——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，（DTE→DCE）。
接收数据（Receiveddata-RxD）——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，（DCE→DTE）。
③地线有两根线SG、PG——信号地和保护地信号线，无方向。
上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。
例如，只有当DSR和DTR都处于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。
若DTE要发送数据，则预先将DTR线置成有效（ON）状态，等CTS线上收到有效（ON）状态的回答后，才能在TXD线上发送串行数据。
这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。
**主要器件功能说明
本课题中所用的到主要器件有，89S52单片机，MAX232串口通信芯片，AD620，气体压力传感器ATP015G。
**AT89S52单片机
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可遍程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图2.3
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
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/P
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