肺活量測量儀的設(shè)計

PAGE肺活量測量儀的設(shè)計學(xué)院：專業(yè)：年級:指導(dǎo)老師：學(xué)生姓名：日期：PAGEIII摘要肺活量在某種意義上反應(yīng)了人體呼吸機能的潛在能力，所以當(dāng)健康問題成為如今社會關(guān)注的焦點時，人們開始更加注重肺活量等與人類健康息息相關(guān)的問題。因此，需要設(shè)計出性能更加優(yōu)越的肺活量測量儀，進(jìn)一步保障社會大眾的健康，適應(yīng)人民愈來愈高的生活要求。本論文在研究了先進(jìn)的技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，分析了已被之前的設(shè)計者所采用的方案，介紹了關(guān)于肺活量測量儀研發(fā)的相關(guān)背景和發(fā)展趨勢，選擇以MPX4115壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的設(shè)計方案。根據(jù)電子肺活量測量儀系統(tǒng)各模塊的功能，采用ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，使用LM016L進(jìn)行液晶顯示，并且通過串口進(jìn)行通信，運用這些芯片組合并且結(jié)合課題要求構(gòu)造出電路原理圖，完成硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。關(guān)于軟件方面，采用模塊化設(shè)計的方法完成程序的設(shè)計與編譯。在設(shè)計完成之后對整個測量系統(tǒng)的的誤差和干擾的來源和解決措施進(jìn)行了分析。這是一種非傳統(tǒng)電子肺活量測量儀的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。，本次設(shè)計只是一個入門學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研發(fā)性能更加優(yōu)異的肺活量測量儀。關(guān)鍵詞：肺活量測量；AT89C51；壓力傳感器；液晶顯示DESIGNOFVITALCAPACITYMEASURINGINSTRUMENTABSTRACTThispaperintroducestheprincipleofdesignandtherealizationmethodofakindofnontraditionalelectronicvitalcapacitymeasuringinstrument.Ithashigheraccuracy,sensitivityandportabilitycomparedtothetraditionalmethod.ThedesignusestheAT89C51microcontrollerasthemaincontrolchip,plusMPX4115pressuresensor,ADC0804analogtodigitalconverter,1602typeliquidcrystaldisplayandserialcommunicationchips,etc…Inthispaper,ontheresearchoftheadvancedtechnologicalachievementsbasedon,analyzestheschemehasbeenprecededbydesignersusing,introducedonvitalcapacitymeasuringinstrumentresearchanddevelopmentbackgroundanddevelopmenttrend,choosetompx4115pressuresensordesignschemeofdataacquisition.Accordingtothefunctionofelectronicvitalcapacitymeasurementinstrumentforeachmoduleofthesystem,usingADC0804analog-to-digitalconversion,usingAT89C51fordataprocessingandcontrol,uselm016lliquidcrystaldisplayandthroughtheserialportcommunication,thecombinationoftheuseofthechipandaccordingtotherequestsofthetopicstructureofthecircuitprinciplediagram,constructsthestructureofthehardware.Intermsofsoftware,thedesignandcompileoftheprogramarecompletedbythemethodofmodulardesign.Afterthedesigniscompleted,theerrorofthewholemeasurementsystemandthesourceofinterferenceandtheunlockingmeasuresareanalyzed.Thisdesignisjustastartlearning,onthebasisofthis,canfurtherdeveloptheperformanceofthemoresuperiorvitalcapacitymeasuringinstrument.Keywords:vitalcapacitymeasurement;AT89C51;pressuresensor;liquidcrystaldisplayPAGE2目錄1緒論 11.1本課題的研究目的 11.2本課題的研究現(xiàn)狀 11.3本課題的發(fā)展趨勢 21.3.1傳感器類型 21.3.2單片機的選擇 31.3.3其他功能模塊 32方案設(shè)計 42.1方案設(shè)計 42.1.1系統(tǒng)組成 42.1.2方案比較 42.1.3方案設(shè)計小結(jié) 63系統(tǒng)模塊分析 73.1數(shù)據(jù)采集 73.1.1傳感器測量原理 73.1.2MPX4115芯片 73.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 93.2.1轉(zhuǎn)換原理 93.2.2ADC0804芯片 93.3數(shù)據(jù)處理 113.3.1芯片選擇 113.3.2AT89C51引腳和功能 123.4串口通信 143.4.1串口通信簡介 143.4.2MAX232串行通信芯片 143.4.3RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口 153.5液晶顯示模塊 164系統(tǒng)硬件設(shè)計 184.1測量輸入電路 184.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 194.3控制器與數(shù)據(jù)處理 194.4液晶顯示 204.5串口通信 214.6電源模塊 215系統(tǒng)軟件設(shè)計 225.1系統(tǒng)應(yīng)用程序組成 225.2各模塊程序流程圖 225.2.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程圖 225.2.2主程序流程圖 235.2.3液晶顯示程序流程圖 245.2.4串口通信程序流程圖 255.3系統(tǒng)軟件設(shè)計方法小結(jié) 256誤差與干擾分析 266.1測量儀器的影響 266.2測量的隨機性 267總結(jié) 27參考文獻(xiàn) 28致謝 29附錄A硬件電路圖 30附錄B源程序 31附件1：開題報告（文獻(xiàn)綜述）附件2：譯文及原文影印件第29頁共37頁1緒論1.1本課題的研究目的在電子肺活量測量儀進(jìn)入我國市場之前，大多數(shù)用的都是簡易的非電子類肺活量測量儀，比如根據(jù)排水法所做的測量儀，這類肺活量測量儀雖然簡易方便，易于使用，但隨著人們健康狀況的惡化，這種測量儀的測量精度已不能滿足需求。與此同時，隨著科學(xué)技術(shù)更快的發(fā)展，生命科學(xué)和信息科學(xué)之間產(chǎn)生了更加密切的聯(lián)系，出現(xiàn)了各種新穎的肺活量測量儀器，特別是電子測量儀的出現(xiàn)，使肺活量測量變得非常方便，而且更加準(zhǔn)確。所以電子肺活量測量儀很快便占據(jù)了廣大市場，各式各樣的肺活量測量儀應(yīng)運而生，但關(guān)于具體測量方法和測量原理都有或多或少的不同，該論文就是對課題設(shè)計的一種測量方法和原理做出介紹。除此之外，利用這次機會學(xué)習(xí)有關(guān)傳感器使用和測量的基本原理以及系統(tǒng)設(shè)計的選型，進(jìn)一步掌握使用單片機作為控制核心的原理及應(yīng)用和接口技術(shù)等，學(xué)習(xí)系統(tǒng)硬件和軟件部分的設(shè)計，研究解決系統(tǒng)的抗干擾問題。1.2本課題的研究現(xiàn)狀正是由于需求才使得我們著手去做肺活量測量儀的設(shè)計，人們生活水平日益提高，生活要求更加多樣，很多人開始注重對身體的關(guān)注[1]。而肺活量在某種意義上反應(yīng)的是關(guān)乎人體呼吸潛在的能力，所以當(dāng)環(huán)境問題漸漸被社會關(guān)注的時候，人們開始更加注重肺活量等人類息息相關(guān)的問題。根據(jù)醫(yī)學(xué)知識可知，一個人從疾病中恢復(fù)后的勞動能力、呼吸機能降低的程度以及性質(zhì)和正常人呼吸機能的強與弱等，這些指標(biāo)可以根據(jù)肺活量來判斷。這就是人們對這項技術(shù)的需求，傳統(tǒng)的肺活量測量儀在精度和便捷性上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，所以更加先進(jìn)高科技的產(chǎn)品被更多的消費者采用，也有利于全民健身的實現(xiàn)，幫助民眾更加清楚自己的身體狀況，從而進(jìn)行防御和治療。

作為一種典型的智能檢測儀器，肺活量測量儀含有微處理器或計算機，比較簡單的就是用單片機作為核心模塊，此類智能測量儀器已逐漸由成熟的數(shù)據(jù)處理發(fā)展為知識處理[2]。在如今市場上，國內(nèi)的肺活量測量儀的功能不全，而且精度較低，相比國內(nèi)市場，功能全、精度高一直是國外產(chǎn)品的特點但同時價格也是比較昂貴的。在進(jìn)行肺活量測量儀的設(shè)計時，氣體壓力傳感器一直被廣大設(shè)計者所采納[3]。氣體壓力傳感器使得產(chǎn)品在精度以及可靠性和靈敏度方面都有比較好的表現(xiàn)。利用氣體壓力傳感器檢測會有很多的優(yōu)點，不僅簡化算法、迅速，還可以進(jìn)行實時的控制，更重要的是整個系統(tǒng)的很多方面的性能指標(biāo)都會得到優(yōu)化。由于測量原理的單一，在設(shè)計肺活量測量儀時，幾乎都是采用氣體壓力傳感器，同時也有人使用氣體流量傳感器，這也是肺活量測量儀的類型不多的原因之一，因此使用者的選擇也不多，這逐漸成為該系統(tǒng)設(shè)計的趨勢。這就需要我們利用好當(dāng)前的理論知識在技術(shù)以及方法上做進(jìn)一步的改進(jìn)。縱觀傳統(tǒng)的肺活量測量儀，較多的肺活量計還是采用封閉容積的原理，這種方法的讀數(shù)不方便，很容易造成誤差[4]。相比之下，電子式肺活量測量儀的高精度和高靈敏度正好可以解決此類問題，還可以實現(xiàn)智能化，比如液晶顯示和語音播報，具有重要的應(yīng)用能力，這是時代發(fā)展的潮流，不僅如此，通過微機進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)還能夠上傳至上位機做相應(yīng)的再處理，包括存儲、傳輸?shù)?。所以在高新技術(shù)不斷發(fā)展的促進(jìn)下，傳感器和微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步推動著肺活量測量儀逐漸實現(xiàn)智能化和高精度，同時其與上位機的通信也是發(fā)展迅速。1.3本課題的發(fā)展趨勢縱觀大多數(shù)電子肺活量測量儀的設(shè)計，方法不盡相同。根據(jù)目前形勢及微電子、傳感器近些年的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢，整個測量系統(tǒng)大致可以分成幾個模塊，所以需要具體介紹一下幾個重要的環(huán)節(jié)，以及它們的發(fā)展。1.3.1傳感器類型根據(jù)設(shè)計的要求不同，就可以采用不同種類的傳感器，氣壓傳感器也有很多種不同的型號用于不同的目的和測量標(biāo)準(zhǔn)[5]。根據(jù)選擇的傳感器不同，所設(shè)計的測量原理和方案也會存在很多不同。如果測量精度要求較高，可以選擇具有溫度補償功能的傳感器，比如MPX2010DP和MPS1100，這兩種傳感器都是比較合適的選擇，不僅進(jìn)行了溫度補償和標(biāo)定，同時還具有體積小、抗干擾能力強、響應(yīng)速度快、功耗低和溫度范圍廣等特點，被多數(shù)設(shè)計者所采用，這正是現(xiàn)在傳感器的發(fā)展趨勢[6]。除此之外，還有一些設(shè)計會采用氣體流速傳感器，雖然傳感器類型和接口電路不同，如采用電橋作為輸出電路，但其原理在本質(zhì)上還是相同的。這是目前設(shè)計此課題采用比較多的傳感器選擇方案，而在實際測量時，會考慮越來越多的外來干擾，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)，比如為了防止人呼出的氣體中的唾液和其他水性物質(zhì)，在傳感器的上游安裝氣體過濾裝置。所以此模塊的發(fā)展方向就是追求高精度，盡量減少干擾帶來的影響。1.3.2單片機的選擇根據(jù)單片機的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)置可知，在選擇時，按照設(shè)計的要求需要考慮到單片機字長、數(shù)據(jù)存儲、中斷以及定時器和計數(shù)器等情況。在眾多的單片機型號中，采用較多而且比較先進(jìn)的有ATmega8，這種單片機帶有模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，節(jié)約了外部的A/D轉(zhuǎn)換器件和電壓基準(zhǔn)源器件，還充分利用了其片內(nèi)Flash存儲器資源[7]。像這種比較先進(jìn)的微處理器已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)上的首選，但對于我們作為課題研究的項目，可以考慮自己比較熟悉的51系列的單片機，還需使用A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)連續(xù)信號的數(shù)字化處理。1.3.3其他功能模塊根據(jù)目前的發(fā)展?fàn)顩r，對于顯示模塊，大多采用字符式LCD，因為其廉價、顯示內(nèi)容豐富、美觀、使用方便等特點，這種方式已被越來越多的智能測量儀器所采納，當(dāng)然肺活量測量儀也是采用這種顯示方式[8]。另外，還會有語音播報模塊，主要是應(yīng)用單片機控制語音芯片來實現(xiàn)，由于這部分的芯片種類較多，可選擇性也比較大，目前是根據(jù)自己設(shè)計要求進(jìn)行選擇即可。在實現(xiàn)與上位機的通信時，一般會選擇RS-232進(jìn)行串口通信，具體的傳輸協(xié)議需要自己視情況擬定編寫。而這些模塊與單片機的連接就需要有接口電路,接口電路并沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，但設(shè)計的發(fā)展趨勢是盡可能的靈活、低功率[9,11]。綜上所述，電子肺活量測量儀的原理在現(xiàn)有電子器件的基礎(chǔ)上已日益成熟，現(xiàn)在的發(fā)展方向就是采用更加先進(jìn)的元器件，設(shè)計更加優(yōu)化的接口電路從而提高測量精度和便捷性，外接其他特定功能模塊增強抗干擾性。2方案設(shè)計本章內(nèi)容為整個設(shè)計的基礎(chǔ)，涉及到最基本的方案設(shè)計的討論，而且確定方案后，對需要用到的相關(guān)原理和選用芯片的介紹對最終的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計至關(guān)重要，這些是對這個系統(tǒng)設(shè)計的全部知識儲備，將每個模塊的工作原理和具體芯片功能靈活運用實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。2.1方案設(shè)計2.1.1系統(tǒng)組成根據(jù)文獻(xiàn)資料論述，設(shè)計該系統(tǒng)所需的功能芯片主要有氣壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口通信芯片以及液晶顯示模塊。設(shè)計原理主要是將氣壓傳感器輸出值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，單片機處理再處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，傳感器的輸出值與氣體流速成正比，通過單片機的計算，可以測出一定時間內(nèi)的氣體流量，再將此數(shù)值顯示到液晶屏上，最后通過串口通信芯片和串口線將數(shù)據(jù)上傳至上位機。雖然系統(tǒng)的組成基本都是這幾個模塊，但由于選用芯片的類型不同，其具體的接口電路和最終程序的算法也會存在差異，如果使用自帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化。正是由于這些原因，所以在已明確大致設(shè)計原理的情況下，最主要的就是確定芯片選型，也就是對不同方案進(jìn)行比較并做出選擇。2.1.2方案比較綜合多數(shù)的文獻(xiàn)資料，比較常用的設(shè)計思路主要有兩大類，下面對這兩類的典型方案具體介紹如下：方案一：這種方案就是選擇型號為AWM700的氣體流量式傳感器測量，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊就使用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器TLC549，它是由TI公司生產(chǎn)的一種廉價、高性能芯片，而主控芯片則采用高檔單片機ATmega8，它是ATMEL公司在2002年推出的一款新型芯片，液晶顯示屏采用功能比較全面的LCD12864。我們可以根據(jù)這些芯片的具體性能參數(shù)來分析這種方案的優(yōu)缺點和可行性。作為關(guān)乎整個測量系統(tǒng)精度的主要器件，這種AWM700系列是補償放大型氣體流量傳感器，使用了特定的旁通封裝技術(shù)，能夠為設(shè)計者提供線流應(yīng)用的測量。AWM700具有比較大的測量范圍，其響應(yīng)時長為6ms。傳感器依靠10V直流電源進(jìn)行供電，其功耗大小為60mW。AWM700系列還配置了放大和溫度補償電路，所以其具有了高精度、長期穩(wěn)定和精確操作等優(yōu)點。另外，ATmega8作為系統(tǒng)的控制核心，它的一些性能也是尤為重要，這些也決定了其他模塊的接口電路。在AVR家族中該型號的單片機具有極高性能價格比的單片機，它的8位AVR微處理器性能很好，而且功耗很低。ATmega8具有一定的特殊性，它具備了AVR高檔單片機中MEGE系列的性能和特點，這是由于其內(nèi)部集成了大容量的存儲器和硬件接口電路。顯示模塊選擇的芯片是LCD12864，不僅可以顯示比較豐富的內(nèi)容，而且自帶中文字庫，可以形成全中文的人機交互界面。串口通信中一般都需要使用進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，而MAX232芯片可以很好的完成這些功能。從這些介紹可以看出這一類選擇的思路是設(shè)計高精度、高性能的肺活量測量儀，而相應(yīng)的價格會比較昂貴。另一個優(yōu)點就是氣體流量傳感器可以直接測量一定時間內(nèi)經(jīng)過的氣體的流量，不需要較多的轉(zhuǎn)變，這種算法比較簡單，程序不會太復(fù)雜。方案二：相比于與第一種方案的高精度和高性能，第二種方案則是從經(jīng)濟實惠的角度，選擇精度和性能都能滿足特定要求的元器件，不必都選擇最好的，這樣只會浪費資源。因此，結(jié)合設(shè)計原理和參考資料，選擇芯片類型并構(gòu)成系統(tǒng)模塊如下圖2.1所示：壓力傳感器壓力傳感器MPX4115單片機89C51RC濾波電路MAX232液晶顯示LM016L上位機PCADC0804圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在制作工藝中，集成芯片MPX4115是置于細(xì)管中的，而且該細(xì)管的截面積是已知的。A/D轉(zhuǎn)換芯片將傳感器的模擬輸出值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再傳輸?shù)絾纹瑱C進(jìn)行處理，其計算方法大概就是利用流速與氣壓的關(guān)系和測試者呼氣的時間得出總的呼出氣體流量，具體關(guān)系會在下一章中用公式進(jìn)行表示。雖然這種傳感器精度不是很高，但以滿足基本要求，而且其輸出模擬電壓是伏級的，范圍是0.2V~4.8V，不需要放大電路進(jìn)行放大。根據(jù)ADC0804單通道、低價格的特點可知，這種8位的A/D轉(zhuǎn)換器，一般適用于要求不是非常高的場合，而且價位不高，所以被廣泛應(yīng)用。之所以選用對于初學(xué)者最常見的AT89C51作為控制核心，是因為它的使用簡單靈活，而且兼容性比較好。串口通信方面兩者沒有區(qū)別，而LCD顯示是用的LM016L，既能夠顯示字符數(shù)據(jù)，又比較容易控制使用。顯然，這種組合是另一個思路，以能夠基本實現(xiàn)特定功能為首要目標(biāo)。2.1.3方案設(shè)計小結(jié)所謂的不同方案就是根據(jù)應(yīng)用場合的要求，結(jié)合自己的實際情況選擇一種最有利于自己的一種芯片組和，這樣才能讓自己順利的完成在接下來的硬件電路設(shè)計?？紤]到第一種方案的優(yōu)缺點，雖然可以設(shè)計出高性能的系統(tǒng)，使用環(huán)境更加復(fù)雜，而且測量原理更加直接，但是這些并不是現(xiàn)階段的我們最看中的。相反，這種設(shè)計的硬件和軟件設(shè)計都比較復(fù)雜，對設(shè)計者的要求太高。如果用于實際生產(chǎn)，價格昂貴。對于方案二，雖然使用的一些元器件并不是最適合的，還使用壓力傳感器間接的測量肺活量，但使用的芯片比較簡單，實際設(shè)計難度適中，而且像精確度等一些基本要求也可以滿足。所以對于我來說，選擇方案二進(jìn)行接下來的系統(tǒng)設(shè)計是最符合現(xiàn)實的。3系統(tǒng)模塊分析本章內(nèi)容是在前文介紹的方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)設(shè)計采用模塊分析的方法，將該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示和串口通信五個模塊，并且介紹了這些模塊是和如何實現(xiàn)特定的功能以及各模塊所選芯片注意事項。3.1數(shù)據(jù)采集3.1.1傳感器測量原理氣體壓力氣體壓力氣體流速氣體流量傳感器輸出圖3.1傳感器測量原理根據(jù)肺活量測量儀的工業(yè)制作工藝過程，當(dāng)測試者向裝有傳感器MPX4115的細(xì)管中吹氣時，傳感器輸出值的變化可以推出氣體壓力的變化，通過各時刻的氣壓與流速的關(guān)系，從而得出相應(yīng)的氣體流速，即伯努利方程，具體如下：（3-1）該式中p為流體中某點的壓強，v為該點的流速，ρ為流體的密度，g為重力加速度，h則為該點所在高度，C為一個常量。再結(jié)合整個測量時間，通過單片機的累加器累加數(shù)據(jù)實現(xiàn)積分運算，就可以計算得出氣體總流量。根據(jù)這種測量原理，本次設(shè)計只能完成理論性的設(shè)計，并不能進(jìn)行仿真測試，如果想實現(xiàn)測量功能，就必須進(jìn)行實物制造，涉及較多知識，這次設(shè)計并不能完成這些。3.1.2MPX4115芯片氣壓傳感器對于該系統(tǒng)測量的精度非常關(guān)鍵，所以對于選型，需要根據(jù)實際的需求和各類氣壓傳感器的具體性能參數(shù)做出選擇。考慮到準(zhǔn)確性問題，一般要選用有溫度補償作用的氣體壓力傳感器，溫度補償特性可以克服半導(dǎo)體壓力傳感器件普遍存在的溫度漂移問題。綜合到各方面因素，選澤由美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的具有模擬輸出的MPX4115。這種傳感器產(chǎn)生的高精度模擬電壓與所加氣壓是呈線性關(guān)系的,具體關(guān)系表示如下公式：（PressureErrorTempFactor0.009）(3-2)其中，。根據(jù)課題要求，所測量肺活量范圍是0-9999ml，而MPX4115傳感器所測氣體壓力的范圍正好滿足這項要求，并且這種電壓型傳感器的輸出值比較大，并不是毫伏級的，所以不需要另外再使用放大器對信號放大，這樣使得電路結(jié)構(gòu)更加簡化。這些正是我選擇這種型號傳感器的原因，為了能更加清楚正確的使用這種傳感器，下面對這種傳感器的具體參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)做一些詳細(xì)介紹。這種壓電傳感器是一個根據(jù)硅壓力制造的傳感器芯片。在生產(chǎn)時，還會應(yīng)用微電機技術(shù)和薄膜鍍金屬技術(shù)。除此之外，這種傳感器提供了一個均衡壓力，保證輸出高水準(zhǔn)的模擬信號。在0℃-85℃的溫度下，溫度補償是-40℃-125℃，誤差不超過1.0%。圖3.2MPX4115型號氣壓傳感器表3-1MPX4115傳感器的引腳功能123456VOUTGNDVSN/SN/SN/S表3-2MPX4115傳感器的功能參數(shù)（0℃-85℃）參數(shù)符號最小典型最大單位壓力范圍Pop15-115Kpa供電電壓Vs4.855.15.35Vdc供電電流Lo-7.010mAdc最大壓力偏置Vpss0.1350.2040.273Vdc滿量程比例VFSS4.5214.5904.695Vdc滿量程輸出Voff4.7254.7944.863Vdc精度±1.0%VPSS靈敏度V/P-45.9-mV/KPa響應(yīng)時間Tr-1.0-ms上升報警時間--20-ms偏置穩(wěn)定性--±0.5-%VFSS3.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換3.2.1轉(zhuǎn)換原理數(shù)字信號數(shù)字信號模擬信號采樣保持量化編碼圖3.3轉(zhuǎn)換原理如上圖所示，采樣、保持、量化和編碼構(gòu)成了整個的轉(zhuǎn)換過程，這些是在應(yīng)用上是由專用芯片完成的，只需要利用單片機控制該芯片的工作便可，所以使用非常方便。目前電子芯片中采用的較多是雙積分式、逐次逼近式、并行式。這三種方式在各個方面各有優(yōu)缺點，比如并行式的速度快但價格也很高，對于逐次逼近式，其精度、價格和速度都是平均水平，而雙積分型的抗干擾性不錯，精度較高，但速度慢。為了選擇最合適的轉(zhuǎn)換器，我們需要了解它的技術(shù)指標(biāo)，下面就介紹下在系統(tǒng)設(shè)計時，A/D轉(zhuǎn)換中需要重點關(guān)注的主要技術(shù)指標(biāo):（1）分辨率（Resolution）：當(dāng)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量改變一個最小刻度時，模擬信號的變化即為分辨率，定義為滿刻度2^n的倒數(shù)，n為芯片類型位數(shù)。所以對于我們設(shè)計一個系統(tǒng)時，就要清楚該系統(tǒng)的精度要求，在選擇芯片時要使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度能夠滿足要求，這也是我們研究分辨率的意義。（2）轉(zhuǎn)換速率（ConversionRate）：模擬信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換完成所用時間的倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換速率。作為肺活量測量系統(tǒng)設(shè)計，一般對速度要求不是很高，芯片的選擇可以不用注重這方面的參數(shù)。（3）量化誤差（QuantizingError），這是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的主要誤差之一，對轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度也有較大的影響。這些指標(biāo)在實際中都是比較次要的，通過選擇合適的芯片能夠盡量減少誤差。3.2.2ADC0804芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換是為了讓單片機能夠處理測量電路采集的數(shù)據(jù)，為了滿足系統(tǒng)設(shè)計精度的要求，本設(shè)計采用一種8位的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化的處理。

針對電路的實際需求和使用軟件仿真的便捷，并考慮到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，以及整個系統(tǒng)總體設(shè)計的有限資源利用，所以采用芯片ADC0804來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。下面詳細(xì)介紹這種芯片的主要參數(shù)和特征，這些數(shù)據(jù)正是選擇此芯片的原因。ADC0804是單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中比較常見的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。作為一款早期的AD轉(zhuǎn)換器，其價格低廉，所以得到了廣泛應(yīng)用，在簡單應(yīng)用設(shè)計中比較常見。ADC0804典型特性參數(shù)如下：(1)8位的A/D轉(zhuǎn)換器，單通道模擬輸入，分辨率是8位。(2)當(dāng)時鐘為640KHz時，轉(zhuǎn)換時間為100us；當(dāng)時鐘為500KHz時，轉(zhuǎn)換時間為130us。(3)模擬輸入電壓范圍0V～+5V，內(nèi)含時鐘發(fā)生器，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。(4)單個+5V電源供電。(5)正常工作的環(huán)境溫度為-40℃～+85℃。(6)低功耗，約15mW。ADC0804的管腳排列如下圖3.4所示:圖3.4ADC0804管腳分布各引腳功能介紹如下：Vin（-）、Vin（+）：接受輸入的模擬信號，包括雙極性、單極性和差模信號。CLKIN：時鐘信號輸入端。DB0-DB7：輸出數(shù)字信號，具有三態(tài)特性，形成八位二進(jìn)制的輸出結(jié)果。CLKR:該引腳可以外接電阻，再配合CLK端后，芯片的內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生脈沖，其頻率可通過公式（3-2）來計算。（3-3）WR：輸入低電平信號，可以啟動AD轉(zhuǎn)換。CS：輸入低電平信號，允許該芯片工作。RD：讀信號輸入端，低電平輸出端有效。VREF/2：參考該輸入端信號的電平確定量化的單位。INTR：提供轉(zhuǎn)換完畢的中斷信號，即輸出低電平表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。AGND:模擬電源地線。DGND:數(shù)字電源地線。VCC：芯片電源5V輸入。3.3數(shù)據(jù)處理3.3.1芯片選擇對于ADC0804輸出的數(shù)字信號信號要經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理，通過氣體流速與氣壓之間的關(guān)系計算出氣體流速的瞬時值，在經(jīng)過對一定時間內(nèi)的積分運算就可以得出人呼出氣體的流量。另外，數(shù)據(jù)處理模塊還需要控制液晶顯示模塊顯示出肺活量，并且將數(shù)據(jù)傳送至上位機。根據(jù)這些要求和本人的對此類微處理器芯片了解的實際情況，在方案設(shè)計中已做出選擇，將AT89C51作為控制核心，它不僅可以進(jìn)行邏輯控制，還包含了運算器，還有若干的特殊功能寄存器。作為一款高性能的CMOS8位低電壓單片機，

其片內(nèi)的只讀程序存儲器（PEROM），可以反復(fù)擦寫，而且同能夠隨機存取的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）一樣，具有較大的容量存儲，分別為4kbytes和128bytes。該型號單片機的生產(chǎn)中使用了非易失性技術(shù)和高密度存儲技術(shù)，內(nèi)置了8位CPU和Flash存儲。在引腳分配上，它具有32個可編程I/O線。它內(nèi)部的5個中斷源和兩個16位的定時器/計數(shù)器，可以方便的完成定時中斷。除此之外，復(fù)位電路、片內(nèi)振蕩器配合外部晶振構(gòu)成的時鐘發(fā)生器、電源模塊和AT89C51芯片構(gòu)成了該單片機的最小系統(tǒng)。低功耗的閑置和掉電模式以及編程串行通道可以為單片機系統(tǒng)實現(xiàn)更好的工作。設(shè)計者可以在更多的應(yīng)用場合使用AT89C51，它具有靈活的特點，因此適用于各種控制領(lǐng)域。本設(shè)計中選用AT89C51單片機來實現(xiàn)，內(nèi)部已集成了輸入輸出接口等電路，還兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，其引腳和對應(yīng)的功能將會在下面詳細(xì)介紹。3.3.2AT89C51引腳和功能圖3.5AT89C51引腳分布根據(jù)圖3.5介紹相應(yīng)單片機引腳的功能如下表3-3:表3-3AT89C51引腳功能GND：接地。VCC：供電電壓。P0口：P0口是一個8位漏級開路的雙向I/O口，每一腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次被寫入1時，被定義為高阻輸入。P0不僅能夠用于外部程序/數(shù)據(jù)的存儲器，它還可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻，如果在FIASH編程時，P0口可作為原碼輸入口。P1口：P1口是一個內(nèi)部自己能提供上拉電阻的8位雙向I/O口，這樣P1口緩沖器能接收輸出的4TTL門電流。P1口管腳被寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可以用作輸入。如P1口被外部下拉為低電平，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉電阻的存在。在FLASH進(jìn)行編程和校驗時，P1口為低八位地址接收端。續(xù)表3-3P2口：P2口為一個自帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收或輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫入1時，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，可作為輸入。因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將會輸出電流。這是內(nèi)部上拉的結(jié)果。當(dāng)P2口用于外部的程序存儲器、16位的地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口會輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它會利用內(nèi)部上拉電阻優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀和寫操作時，P2會口輸出其特殊功能寄存器內(nèi)的內(nèi)容。P2口會在FLASH校驗和編程時會接收控制信號和高八位的地址信號。P3口：P3口管腳為8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，同樣可以接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口被寫入“1”后，會被內(nèi)部上拉為高電平，而且會用作輸入。另外作為輸入時，由于被外部下拉為低電平，P3口將會輸出電流（ILL），這也是由于上拉的緣故。RST：復(fù)位信號輸入端。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要使RST腳保持兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)進(jìn)行訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平可以用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，用該引腳作為編程脈沖輸入端。一般情況下，ALE端會輸出頻率周期不變的正脈沖信號，振蕩器頻率是該頻率的6倍。所以可用作對外部輸出的脈沖信號或者用于定時功能。然而需要要注意的是：每次用作外部數(shù)據(jù)的存儲時，跳過一個ALE。如果想禁止輸出ALE信號的話，SFR8EH地址上可以用置0來完成。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才會起到作用。假如微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部的程序存儲器的選通信號端。在由外部的程序存儲器取指令的期間，每個機器周期/PSEN有兩次有效。但若在訪問外部的數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次的/PSEN有效信號將不會產(chǎn)生。/EA/VPP：/EA保持低電平時，在此期間外部程序存儲器為（0000H-FFFFH），無論是否有內(nèi)部程序存儲器。加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，該期間使用內(nèi)部程序存儲器。在進(jìn)行FLASH編程期間，此引腳為12V編程電源（VPP）。XTAL1：內(nèi)部時鐘工作電路的輸入和反向振蕩放大器的輸入。XTAL2：反向振蕩器的輸出。P3口還具有第二功能，可以作為AT89C51的一些特殊功能口，具體功能介紹如表3-4。此外，P3口同時可為編程校驗和閃爍編程接收一些控制信號。表3-4P3口的第二功能P3.0RXD（串行數(shù)據(jù)輸入口）P3.1TXD（串行數(shù)據(jù)輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（計時器0的外部輸入）P3.5T1（計時器1的外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通端口）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通端口）3.4串口通信3.4.1串口通信簡介串口通信（SerialCommunications）的含義就是串口管腳按位進(jìn)行接收和發(fā)送字節(jié)。并行通信和串口通信各有特點，所以也各有優(yōu)缺點。雖然速度較慢，但是串口通信的特點也是很明顯的，就是可以使用兩根線同時進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這一點有時會對整體設(shè)計具有很大的作用。它能夠較簡單地實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信。IEEE的有關(guān)規(guī)定說明了，關(guān)于并行和串口通信的距離，并行時，設(shè)備總線長小于20米，而且兩設(shè)備間的長度不能多于2米；而串口線的長度是不超過1200米。通常傳輸ASCII碼字符時，一般為串口通信的方式。共3根線完成通信過程，是地線、接收、發(fā)送這3根線。其他線用于握手，但不是必須的。其中，數(shù)據(jù)位、波特率、停止位和奇偶校驗是比較重要的參數(shù)，這些參數(shù)的匹配決定了能否正常通信。3.4.2MAX232串行通信芯片要完成單片機與計算機等的串口通信，首先需要解決兩者之間的電平轉(zhuǎn)換問題。這一問題可以由MAXIM公司的集成電路MAX232來解決，是一種單電源+5v供電的電平轉(zhuǎn)換芯片，專門用于RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口。MAX232芯片的主要特點：（1）單5V電源工作（2）兩個驅(qū)動器及兩個接收器（3）LinBiCMOSTM工藝技術(shù)（4）低電源電流：典型值是8mA（5）±30V輸入電平圖3.6MAX232的引腳3.4.3RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口這種異步傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口是個人計算機上的通訊接口之一，而且是電子工業(yè)協(xié)會(EIA)規(guī)范制定的。9個引腳的

DB-9和25個引腳的DB-25是RS-232接口中比較常見的，目前我們使用的多為DB-9，COM1和COM2是一般個人計算機上的兩組RS-232接口。如果制作出實物，會使用RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所以該文只需要對它的一些接口做一些簡單了解。圖3.7CONN-D9F示意圖根據(jù)圖3.7只是對引腳的分布作介紹，就更重要的是必須了解將要使用的具有9個引腳的RS232的接口定義，如下表：表3-5RS-232引腳定義（DB-9）針腳信號定義作用1DCD載波檢測ReceivedLineSignalDetector(DataCarrierDetect)2RXD接收數(shù)據(jù)ReceivedData3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)TransmitData4DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DataTerminalReady5SGND信號地SignalGround6DSR數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好DataSetReady7RTS請求發(fā)送RequestToSend8CTS清除發(fā)送ClearToSend9RI振鈴提示RingIndicator3.5液晶顯示模塊隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)控制中的顯示器件顯得更加重要，市場需求的增加使得這些器件的生產(chǎn)市場繁榮起來，目前液晶顯示器已成為主流。所謂的液晶顯示就是在液晶物理特性的基礎(chǔ)上，利用電壓選擇其顯示內(nèi)容或是顯示方法，這樣就可以顯示出圖形。這種顯示器的厚度較薄，而且是由大規(guī)模的集成電路構(gòu)成更易于驅(qū)動，所以能夠?qū)崿F(xiàn)全彩色顯示。目前在數(shù)字?jǐn)z像機、便攜式電腦、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域已被廣泛使用。液晶顯示器簡稱LCD顯示器，筆端式和字符點陣式LCD顯示器能夠顯示字符、數(shù)字等，而圖形點陣式LCD顯示器則可以顯示漢字和圖形。

本設(shè)計中選擇經(jīng)濟實惠的點陣式LCD屏LM016L。它屬于1602型液晶，這是具有一個相同特征的一類LCD的統(tǒng)稱，可以顯示16*02個字符。它采用+5V電源供電，控制電路構(gòu)成簡單，顯示字符比較容易，不會占用太多存儲資源，而且價格較低，所以具有很高的性價比。這種液晶的管腳號和對應(yīng)的功能描述如下：表3-6LM016L管腳說明管腳號管腳名稱電平管腳功能的描述1VSS0V電源地2VCC3.0~+5V電源正3VEE-調(diào)整對比度,接正電時對比度最低，接地時對比度最高4RS(CS）H/L當(dāng)RS為高電平時，DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)當(dāng)RS為低電平時，DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)續(xù)表3-6管腳號管腳名稱電平管腳功能的描述5R/W(SID)H/LR/W為讀寫信號端，高電平時為讀，低電平時為寫6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線4系統(tǒng)硬件設(shè)計整個系統(tǒng)硬件設(shè)計電路圖會展示在附錄中，現(xiàn)在分別對各個功能模塊的電路連接方法有更多細(xì)節(jié)的說明。整個硬件電路模塊化示意圖如下：測量輸入測量輸入串口通信數(shù)據(jù)處理與控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換液晶顯示電源模塊圖4.1硬件模塊示意圖4.1測量輸入電路由上文所述知，本設(shè)計采用氣體壓力傳感器測量肺活量，所以根據(jù)其測量原理以及選擇芯片的特性參數(shù)和使用方法，將測量輸入電路設(shè)計如下：圖4.2傳感器電路連接正如上圖所示，這是整個系統(tǒng)的輸入部分電路，2、3引腳分別是地和電源。如果需要進(jìn)行實物設(shè)計，將傳感器置于截面積一定的管道內(nèi)，開始測試時，接通電源，被測試者對這只管道呼氣時，此時傳感器的輸出電壓就會由引腳1經(jīng)R1和C1組成的濾波電路濾波之后傳送到下個處理模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，測試結(jié)束后，斷開開關(guān)。4.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換因為單片機只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以傳送到控制核心單片機進(jìn)行計算處理的數(shù)據(jù)必須是數(shù)字信號。根據(jù)傳感器輸出模擬信號的特點以及選用芯片的接口特點，將AD轉(zhuǎn)換器和其他模塊的接口展示如下：圖4.3ADC0804的電路連接如圖所示，傳感器的模擬輸出接到ADC0804的輸入通道VIN+。另外，將轉(zhuǎn)換器的8位并行數(shù)字輸出對應(yīng)接到單片機的P1口，而轉(zhuǎn)換器的幾個輸入控制管腳和輸出控制管腳分別接到P3.4-P3.7，從而實現(xiàn)單片機對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的控制，能夠有序的將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送至單片機內(nèi)部。4.3控制器與數(shù)據(jù)處理圖4.4單片機的接口電路根據(jù)上圖可以看出，這正是單片機的最小系統(tǒng)，單片機幾乎與所有的功能模塊都有聯(lián)系，而且還控制著它們的工作狀態(tài)，這也正是單片機作為整個系統(tǒng)控制器的原因。單片機不僅是整個系統(tǒng)的控制核心，還對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，使得特定的功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。本設(shè)計選用的單片機具有較多的I/O口，不僅可以接受AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)傳送至其他功能模塊，還利用更多的管腳對這些芯片的啟動、時鐘等進(jìn)行控制。其中就有P0口將數(shù)據(jù)傳至LM016L進(jìn)行液晶顯示,又可以利用編寫的程序通過單片機的P2.0、P2.1、P2.2對此芯片進(jìn)行控制，從上圖中可以看到具體的連線。還可以利用單片機P3口的第二功能，通過串行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送將測量數(shù)據(jù)由串口通信芯片與上位機進(jìn)行通信，其電路連接從圖中可以看出，串口通信芯片的具體使用將在下面的小節(jié)中展現(xiàn)。除此之外，為了保證單片機能正常工作，還需要外接晶振電路，在上圖中，C6、C7、X1的連接就是為了產(chǎn)生需要的晶振。根據(jù)自己的需求可以使用不同的復(fù)位電路，在本設(shè)計中C10、D1、R2以及一個按鈕所構(gòu)成的是手動復(fù)位電路。4.4液晶顯示圖4.5液晶顯示電路如上圖所示，液晶顯示芯片選擇的是LM016L,這種芯片的連接和控制電路比較簡單，從圖中也可一看到這一點。除了數(shù)據(jù)輸入和控制引腳連接到單片機I/O口之外，還有電源和地引腳，而VEE是液晶顯示器的對比度調(diào)整端，通過滑動變阻器調(diào)節(jié)這個端口的輸入電壓從而調(diào)整其對比度。4.5串口通信圖4.6串口通信電路單片機串行數(shù)據(jù)的輸出經(jīng)過MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，利用RS232串行數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，如圖所示。另外，根據(jù)芯片的使用特點，還要對它的其他管腳接上適當(dāng)?shù)碾娙?，從而保證芯片的正常工作。4.6電源模塊圖4.7電源轉(zhuǎn)換模塊如上圖所示電路，利用變壓器將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)所需的5V交流電，在經(jīng)過橋式整流電路以及由電容和電源穩(wěn)壓芯片組成的穩(wěn)壓電路整流穩(wěn)壓之后，就形成了穩(wěn)定的5V直流電，可以為其他芯片供電。通過開關(guān)通斷的選擇可以控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。5系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1系統(tǒng)應(yīng)用程序組成本設(shè)計采用比較流行而且簡單的C語言進(jìn)行編程，編譯程序的軟件使用的是KeiluVision4。軟件主要實現(xiàn)兩個方面的功能：一是初始化系統(tǒng)；二是數(shù)據(jù)的采集和處理并進(jìn)行顯示。程序采用較為普遍的模塊化設(shè)計，根據(jù)各個模塊設(shè)計相應(yīng)的函數(shù)實現(xiàn)具體的功能，這樣使得整個程序結(jié)構(gòu)明了，容易編程而且可簡單的讀懂，調(diào)試和修改也變得容易。程序結(jié)構(gòu)如圖所示：主程序主程序數(shù)據(jù)處理模塊顯示模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊串口通信模塊初始化模塊圖5.1源程序模塊5.2各模塊程序流程圖5.2.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程圖啟動AD轉(zhuǎn)換啟動AD轉(zhuǎn)換允許信號輸入查詢轉(zhuǎn)換完成信號選通P1口為輸入返回數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換值開始結(jié)束圖5.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，應(yīng)該能夠及時由單片機進(jìn)行處理，而在這兩種芯片之間數(shù)據(jù)傳遞的方式主要有三種，分別是定時傳送、中斷和查詢，本次設(shè)計的該模塊軟件部分采用的是查詢方式。整個采樣過程是這樣的，單片機給出信號啟動轉(zhuǎn)換器，允許模擬信號輸入，芯片內(nèi)部自動進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，單片機通過查詢獲得轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號，再將數(shù)字信號由P1輸入，使得單片機能夠進(jìn)一步的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這就是軟件部分完成的功能。5.2.2主程序流程圖初始化串口中斷初始化串口中斷和液晶開始等待AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換根據(jù)給定時間積分運算發(fā)送數(shù)據(jù)顯示結(jié)果否是是否超過傳感器臨界有無復(fù)位信號無有結(jié)束圖5.3主程序流程圖根據(jù)上圖流程編寫主程序?qū)⒏鱾€模塊函數(shù)組合在一起，先是對液晶和串口中斷進(jìn)行初始化。接著檢測有無復(fù)位信號，若有，則無任何操作;若無，調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)，將返回值與傳感器臨界值轉(zhuǎn)換后數(shù)字值進(jìn)行比較。如果沒有超出臨界，則進(jìn)行積分運算，并調(diào)用函顯示數(shù)據(jù)以及利用串口發(fā)送數(shù)據(jù)；如果超出臨界，則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后在進(jìn)行比較。通過主程序的全局控制，實現(xiàn)整個系統(tǒng)設(shè)計的功能。5.2.3液晶顯示程序流程圖由于1602LCD液晶顯示的步驟較為繁瑣，為了編寫程序的方便以及程序的簡捷性，在設(shè)計程序時會選擇函數(shù)嵌套的方法，在這里將整個顯示字符的過程用流程圖表示如下：開始開始液晶初始化、清屏等待寫入字符數(shù)據(jù)液晶狀態(tài)是否為忙否結(jié)束是圖5.4液晶顯示流程液晶顯示的整個驅(qū)動程序是有多個子程序組合完成的，如果想實現(xiàn)整個顯示功能，先是要通過初始化函數(shù)進(jìn)行清屏，再檢測液晶的狀態(tài)，等待其為不忙時，先指定顯示位置，再傳送要顯示的字符數(shù)據(jù)。5.2.4串口通信程序流程圖開始開始串口中斷初始化發(fā)送數(shù)據(jù)到SBUF清除標(biāo)志有無中斷結(jié)束有等待無圖5.5串口通信流程圖串口通信的實現(xiàn)主要是利用P3口的第二功能的串行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生中斷信號，調(diào)用中斷服務(wù)程序，數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)緩沖寄存器，向外串行發(fā)送。5.3系統(tǒng)軟件設(shè)計方法小結(jié)軟件設(shè)計過程就是在系統(tǒng)設(shè)計方案和硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)要求的各種功能，設(shè)計出相應(yīng)的控制程序。模塊化的設(shè)計是目前世界上廣泛流行的一種設(shè)計方法，還有一個十分重要的環(huán)節(jié)就是繪制軟件的流程圖。流程圖的繪制能夠使設(shè)計者對各個模塊功能的使用有總體的把握，以便于細(xì)化和修改。在大方向確定后，先從各模塊程序設(shè)計細(xì)化開始，再形成最終的流程圖，這樣，最后編寫程序就可以很快的完成。6誤差與干擾分析6.1測量儀器的影響作為與本系統(tǒng)設(shè)計有著密切聯(lián)系的傳感器測量部分，它的測量準(zhǔn)度基本決定了整個系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。本設(shè)計所選用的這種模擬氣壓傳感器的精度有限，內(nèi)部的集成電路難免會有相互間的干擾，其標(biāo)定會有一定的誤差，而且電壓傳感器還會存在長饋線電壓損失，在進(jìn)行軟件部分測試時可以通過在輸出端并聯(lián)電壓表可以監(jiān)測輸出電壓的穩(wěn)定性，如下圖所示。另外通過氣壓計算流量的誤差也會對最終結(jié)果造成影響，而且通過累加運算來實現(xiàn)積分運算只是一種近似運算，增加程序中的累加次數(shù)可以減小最終的誤差。圖6.1直流電壓表測量輸出6.2HYPERLINK測量的隨機性在實際的測量時我們使用的電子器件都會存在噪聲干擾，比如高斯白噪聲干擾，信號多呈毛刺狀，作用時間短而且還具有隨機性。對于每一次測量的結(jié)果，其受到干擾信號影響的可能性比較大，會造成測量結(jié)果具有比較大的誤差，可以采用多次測量的來減小這種影響。除此之外，環(huán)境的溫度和空氣的濕度也是產(chǎn)生誤差的原因之一，雖然傳感器具有溫度補償特性，但每次測量的環(huán)境都具有很大的隨機性，為了減少這些干擾所造成的影響，可通過測量儀器的制造工藝去克服。7總結(jié)雖然整個系統(tǒng)所選擇的設(shè)計原理和主要元器件芯片并不是目前最先進(jìn)的技術(shù)，但是該文已對系統(tǒng)設(shè)計的方法做出說明，也做出了一些設(shè)計內(nèi)容，而且對于我這個即將從大學(xué)校園走出去的畢業(yè)生來說，已經(jīng)是受益匪淺了。在前期查閱參考文獻(xiàn)的時候就已經(jīng)了解了目前關(guān)于肺活量測量儀最先進(jìn)的設(shè)計，最初的方案選擇也是考慮了自己的能力和實際要求，采用了最適合自己的方案。當(dāng)自己深入下來，對自己的課題有了了解之后發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計和很多基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計很相似，模塊化的設(shè)計是它們關(guān)鍵的共同點。所以對于我們來說，掌握了這種設(shè)計的方法也就是對這一大類的設(shè)計都有了比較全面的了解，在今后的工作中會有很多的便捷之處。對于該系統(tǒng)設(shè)計，從技術(shù)從面上來說，必定是還存在著很多的不足，比如說，液晶顯示部分只能顯示數(shù)字和英文字母，并不能顯示中文以實現(xiàn)更加直觀的結(jié)果展示。另外，除了對結(jié)果進(jìn)行數(shù)值的顯示，還可以利用語音播報模塊將結(jié)果通過聲音表達(dá)出來。這些方面都是該系統(tǒng)未能實現(xiàn)的，可以作為該設(shè)計的拓展部分，還需要更多的研究和努力來完成這些內(nèi)容。其實，該論文對整個系統(tǒng)的仿真測試結(jié)果未能給予完整的展示，是因為該設(shè)計由于技術(shù)方面的限制以及軟件設(shè)計中的不可控性，并未能做出實物，無法體現(xiàn)其應(yīng)有的測量功能。所以，雖然是基本完成了任務(wù)要求，但依然存在許多的不足，需要在繼續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的優(yōu)化。在其他方面，畢業(yè)設(shè)計不僅是對大學(xué)四年專業(yè)所學(xué)知識和專業(yè)能力的檢驗和鞏固,更是對理論知識和實際操作相結(jié)合的實際體會,畢業(yè)設(shè)計讓我懂得實踐需要理論的指導(dǎo)，理論更不能脫離實際。畢業(yè)設(shè)計讓我認(rèn)識到發(fā)現(xiàn)問題的重要性，以及從實際觸出發(fā)，分析并解決問題的能力。參考文獻(xiàn)[1]戚甫峰，紀(jì)曉佳.基于MSP430F的綜合體質(zhì)測量儀設(shè)計[J].儀表技術(shù),2015:8-12.[2]盧勝利.智能儀器設(shè)計與實現(xiàn)[M].重慶大學(xué)出版社,2003.[3]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安：電子科技大學(xué)出版社,2003：169-187.[4]王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M].北航出版社,2001,1:103-112.[5]孫育才,王榮興,孫化芳.新型AT89S52系列單片機及其應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2005.[6]李杰,赫鵬飛等.新型電子肺活量功能儀的研制[J].體育科學(xué),2002,22（3）:74-76.[7]趙秋,孔英,柴鎖柱.基于ATmega8的肺活量測試儀[J].應(yīng)用天地,2008：05.[8] 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//定義液晶數(shù)據(jù)傳輸口sbitLCM_RS=P2^0;//定義液晶顯示控制口sbitLCM_RW=P2^1;sbitLCM_EN=P2^2;sbitrd=P3^6;sbitwr=P3^7;sbitcs=P3^4;unsignedcharwritepage=0,writeline=0;unsignedcharcirclemax=3,circle=0;unsignedchartemp;unionthetime{unsignedlongtotal; struct{unsignedchartimeH1,timeH0,timeL1,timeL0;}time;}sum;unionthenum{unsignedinttotal; struct{unsignedcharnumH,numL;}numHL;}num;////////////////////////voiddelay(ucharms){unsignedchari;for(;ms>0;ms--)for(i=100;i>0;i--);}///////////////////////unsignedcharread_adc0804(void)//控制并讀取adc0804轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù){uchara;//寫入控制命令，啟動轉(zhuǎn)換cs=1;wr=1;cs=0;wr=0;delay(30);wr=1;P1=0xff;//讀取已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)rd=1;rd=0;delay(30);a=P1;rd=1;cs=1;returna;}/**********************************************************函數(shù)名：Wait_Enable功能：等待1602液晶完成內(nèi)部操作參數(shù)：無返回值：無***********************************************************/voidWait_Enable(void){DataPort=0xff;//DataPort=11111111切換PO口為輸入狀態(tài)LCM_RS=0;//RS為低電平，RW為高電平時才可以讀忙信號LCM_RW=1;delay(30);LCM_EN=1;delay(30);while(DataPort&0x80){};//相與等于0，說明BF為0，不忙；等于1，BF=1，忙碌LCM_EN=0;//判斷忙碌之后，置位EN=0，液晶不執(zhí)行任何操作}/**********************************************************函數(shù)名：Write_Command功能：向液晶模塊寫入命令參數(shù)：cmd--命令chk--是否判忙的標(biāo)志，1：判忙，0：不判返回值：無***********************************************************/voidWrite_Command(ucharcmd,ucharchk){if(chk)Wait_Enable();LCM_RS=0;//當(dāng)RS和RW都為低電平時才可以寫入指令或者顯示地址LCM_RW=0;delay(30);DataPort=cmd;//將命令置入數(shù)據(jù)總線delay(30);LCM_EN=1;delay(30);LCM_EN=0;//EN由高電平到低電平，液晶執(zhí)行寫指令操作}/**********************************************************函數(shù)名：Write_Data功能：向液晶顯示的當(dāng)前地址寫入顯示數(shù)據(jù)參數(shù)：data--顯示字符數(shù)據(jù)返回值：無***********************************************************/voidWrite_Data(uchardatas){Wait_Enable();LCM_RS=1;//RS高電平，RW低電平時可以寫入數(shù)據(jù)LCM_RW=0;delay(4);DataPort=datas;//置數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線delay(4);LCM_EN=1;delay(4);LCM_EN=0;}/**********************************************************函數(shù)名：voidInitLcd()功能：對LCD1602進(jìn)行初始化參數(shù)：無返回值：無**********************************************************/voidInitLcd(){Write_Command(0x3c,1);//設(shè)置顯示模式：8位2行5*7點陣Write_Command(0x08,1);//顯示器關(guān)，不顯示光