智能貼心拐杖的設(shè)計(jì)于實(shí)現(xiàn)

楊愛(ài)文　錢義勇　王君

摘 要：目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上普遍的都還是傳統(tǒng)的拐杖，或者僅有手電筒以及SOS報(bào)警功能，為使該產(chǎn)品更智能化、人性化、安全化，于是產(chǎn)生了智能拐杖，基于中國(guó)日益嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題，智能拐杖的更新?lián)Q代應(yīng)該會(huì)很快，而提高拐杖的附加值，使拐杖更人性化、安全化、智能化也是智能拐杖的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：傳感器；單片機(jī)；拐杖

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上普遍的都還是傳統(tǒng)的拐杖，或者僅有手電筒以及SOS報(bào)警功能，為使該產(chǎn)品更智能化、人性化、安全化，于是產(chǎn)生了智能拐杖。在我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)中，實(shí)現(xiàn)了具有心跳檢測(cè)，溫度顯示，時(shí)間顯示以及USB充電功能的拐杖，我們所做拐杖不僅具備普通拐杖的助行功能，還擁有夜間照明、USB充電、心跳檢測(cè)、收音機(jī)功能，日常的時(shí)間、溫度顯示功能，讓老人夜間出行無(wú)憂老人方便的知道當(dāng)前時(shí)間和溫度，以及sos報(bào)警功能供老人需要時(shí)提供幫助。

總體設(shè)計(jì)方案：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三大模塊，控制模塊、信息采集模塊以及輸出模塊。各功能模塊包括溫度傳感器，單片機(jī)，LCD顯示屏，電源、各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)裝置等。主要設(shè)計(jì)部分與創(chuàng)新處有單片機(jī)內(nèi)核控制程序設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)，外形設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。而且由于單片機(jī)超低功耗的特點(diǎn)，節(jié)能環(huán)保。

此系統(tǒng)是通過(guò)傳感器及一些譯碼電路把數(shù)字信號(hào)傳送給MSP430F149單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理之后把結(jié)果顯示在顯示屏上，以及一些控制按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，下面著重介紹下心率檢測(cè)功能及時(shí)間顯示和溫度檢測(cè)功能：

1.心率檢測(cè)電路

①傳感器：

采用壓電陶瓷片作為傳感器，將壓電陶瓷片貼于人體頸部，感受心跳時(shí)頸部動(dòng)脈壓力變化，在陶瓷片兩面產(chǎn)生電位差，通過(guò)采集電壓變化信號(hào)探測(cè)心跳。

②前置放大器：

采用集成運(yùn)算放大器LM358。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，具有電源電壓范圍寬、低功耗電流、低輸入偏置電流、輸出電壓擺幅大等特點(diǎn)。由于在實(shí)際應(yīng)用中，外界信號(hào)的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級(jí)組成，分為前置放大器和后級(jí)放大電路中，為防止心率信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，放大器的放大倍數(shù)不宜設(shè)的過(guò)高，為了便于后續(xù)處理，心率信號(hào)整的放大倍數(shù)在1000倍左右，考慮到整個(gè)電路的放大要求以及放大器的性能，我們將其前置放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為100倍。

③低通濾波器：

采用二階巴特沃斯低通濾波器，主要用于抑制心率信號(hào)中5HZ以上高頻干擾，并獲取純凈的心率信號(hào)，即按人體心跳在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分來(lái)計(jì)算，其截止頻率為4HZ，但為了保證心率信號(hào)不被衰減過(guò)大，將其截止頻率設(shè)為5Hz。為了防止前面對(duì)于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設(shè)計(jì)了由放大器U3、電阻R8、R9和電容C6、C7組成的5HZ有源低通濾波器電路，進(jìn)一步濾除高頻干擾，如下圖電路。

該低通濾波器采用二階貝塞爾濾波器，它具有巴特沃斯濾波器的所有優(yōu)點(diǎn)，其通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線非常平坦，沒(méi)有起伏，對(duì)帶外的衰減可以達(dá)到-40dB/10倍頻，是一種比較流行、廣泛應(yīng)用的濾波器。按人體心跳在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分來(lái)計(jì)算，其截止頻率為4HZ，但為了保證心率信號(hào)不被衰減，在這里將其截止頻率設(shè)為5Hz。電路中要求R8=R9，C6=2C7，根據(jù)其截止頻率公式：可以確定R8、R9和C6、C7的值。如果取R8、R9的值為100K，可以算出C7=300nF，C8=2*C7=600nF。

④末級(jí)放大器

采用可調(diào)增益放大器，由于人體心率信號(hào)極不穩(wěn)定，變化范圍大、且信號(hào)幅度的大小因人而異，因此，最可取的方式是將后級(jí)放大器設(shè)置為增益可調(diào)放大器。本系統(tǒng)后級(jí)放大電路采用增益可調(diào)的可控增益放大電路，電路主要由運(yùn)算放大器LM358和四雙向模擬開(kāi)關(guān)CD4066構(gòu)成

⑤整形電路：

經(jīng)過(guò)放大、濾波后的心率信號(hào)還必須對(duì)其進(jìn)行整形，得到一個(gè)可供單片機(jī)處理的脈沖信號(hào)。我們采用電壓比較器?？梢愿鶕?jù)心電信號(hào)主波幅值高的特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置合適的比較器門限電壓，即可得到準(zhǔn)確、平滑的矩形脈沖信號(hào)。門限電壓由外部電路提供。設(shè)計(jì)時(shí)，通常將電源電壓經(jīng)分壓電阻分壓后供給比較器，為了便于調(diào)節(jié)，分壓電阻一般采用電位器。上述心率信號(hào)為模擬信號(hào)，不能直接作為單片機(jī)的接口信號(hào)，必須整形處理成方波信號(hào)。本電路采用LM393比較器作整形電路。

⑥主控單元：

MSP430f149是德州公司新開(kāi)發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH 的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的青睞.它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器.具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8M 的時(shí)鐘.由于為FLASH型，則可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，測(cè)量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境，適合與做手柄之類的自動(dòng)控制的設(shè)備.

⑧數(shù)據(jù)測(cè)試

測(cè)試儀器：FUKE TD9250數(shù)字萬(wàn)用表、F40數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

測(cè)試方法：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)峰-峰值為2mV的正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)頻率范圍為0.5～4HZ，用直流電壓檔測(cè)試各級(jí)各級(jí)輸出信號(hào)。

2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)：

該溫度檢測(cè)系統(tǒng)由主控制器MSP430F149、存儲(chǔ)模塊CAT24WC64、液晶顯示模塊HTM1602A、溫度傳感器DS18B20組成。溫度測(cè)量電路只占用了MSP430F149 的一個(gè)普通IO口， 系統(tǒng)資源利用率較高。

DS18B20芯片：DS18B20主要由四部分組成： 光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH 和TL 配置寄存器。訪問(wèn)DS18B20的工作順序通常為： 初始化， 發(fā)送ROM 操作命令， 發(fā)送RAM 操作命令。通過(guò)初始化復(fù)位工作使主設(shè)備知道傳感器DS18B20存在并準(zhǔn)備工作。通過(guò)發(fā)送ROM 命令可以知道某個(gè)特定的DS18B20是否存在并且是否超過(guò)溫度警界值。該系統(tǒng)是把從DS18B20測(cè)得的溫度模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)，然后單片機(jī)經(jīng)處理之后把8421BCD碼傳送給CD4511譯碼器，再經(jīng)譯碼后把十進(jìn)制碼顯示在LG5011顯示屏上。

3 時(shí)鐘模塊

所用芯片：DS1302芯片：是通過(guò)三根口線實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信。DS1302是一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。

DS1302的數(shù)據(jù)讀寫是通過(guò)I/O串行進(jìn)行的，當(dāng)進(jìn)行一次讀寫操作時(shí)最少得讀操作時(shí)最少得讀兩個(gè)字節(jié)，就是一個(gè)命令，告訴DS1302是讀還是寫操作，是對(duì)RAM還是對(duì)CLOK寄存器操作，以及操作的址，第二個(gè)字節(jié)就是要讀或者寫的數(shù)據(jù)了。在進(jìn)行操作之前先得將CE（也可以說(shuō)是RST）置高電平，然后單片機(jī)將控制字符的位0放在I/O上，當(dāng)I/O的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將SCLK置高電平，DS1302檢測(cè)到SCLK上升沿后就將I/O上的數(shù)據(jù)讀取，然后單片機(jī)將SCLK置為低電平，再將控制字的位1放在I/O上。讀與寫操作的不同就在于寫操作是在SCLK低電平時(shí)單片機(jī)將數(shù)據(jù)放到I/O上，當(dāng)SCLK上升沿時(shí)，DS1302讀取。而讀操作是在SCLK高電平時(shí)DS1302放數(shù)據(jù)到IO上，將SCLK置為低電平后，單片機(jī)就可以從IO上讀取數(shù)據(jù)。

未來(lái)發(fā)展方向：隨著科技的日益加速發(fā)展，中國(guó)人口老年化比例越來(lái)越高，相信未來(lái)適用于老年人的拐走會(huì)有更多更實(shí)用的功能。用拐杖打電話、用拐杖的語(yǔ)音導(dǎo)航等更實(shí)用的功能將會(huì)出現(xiàn)，而且成本更低，讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)

[1]江小安，邵思飛，沈金根，高麗等，模擬電子技術(shù)[M]，西安，西北大學(xué)出版社，2006

[2]高吉祥，模擬電子線路設(shè)計(jì)[M]，北京，電子工業(yè)出版社，2007

[3]曹磊，MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]，北京，北京航天航空大學(xué)出版社，2007

[4]沈建華，楊艷琴，翟驍曙，MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]，北京，清華大學(xué)出版社，2004