電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 | 拿過(guò)校內(nèi)“一等獎(jiǎng)”的作品

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ID：技術(shù)讓夢(mèng)想更偉大

作者:李肖遙

本作品是大學(xué)時(shí)期的，校內(nèi)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)

設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一款模擬人體生命體征模擬器，要求其能準(zhǔn)確模擬人體生命的各種體征（呼吸，心跳，體溫，聲音）；并且能夠?qū)ο嚓P(guān)參量進(jìn)行有效控制。以呼吸或者心跳體征為主要模擬實(shí)現(xiàn)的功能：

1. 輸入電壓：5V或者12V
2. 頻率可控范圍：

• 0.2-0.8Hz（人體正常呼吸的頻率范圍）
• 1-3Hz（人體心跳頻率范圍）

1. 頻率控制步進(jìn)：1%
2. 幅度調(diào)節(jié)范圍：0-100%（幅度大小不做規(guī)定）
3. 通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)控制（通信方式和上位機(jī)平臺(tái)形式可自選）

1.初始設(shè)計(jì)方案比較

方案一: 在傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，配合測(cè)速編碼器進(jìn)行PWM閉環(huán)控制來(lái)穩(wěn)定步進(jìn)頻率，這樣在方案思想上是可以達(dá)到頻率方面的要求的，但是在幅度控制方面，我們嘗試在轉(zhuǎn)動(dòng)片上加上步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制改變幅度，卻出現(xiàn)幅度在斷電后再次上電狀態(tài)不確定，因此放棄了此方案。

方案二: 采用舵機(jī)作為傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槎鏅C(jī)具有良好的即走即停效果，一般的舵機(jī)便可具有一定大小的扭矩，通過(guò)控制舵機(jī)信號(hào)PWM的占空比來(lái)控制舵機(jī)擺動(dòng)的幅度，控制頻率方面可以通過(guò)在不同的時(shí)間給舵機(jī)不同PWM可以幅度和頻率上進(jìn)行較為精確的控制，我們選用SD5數(shù)字舵機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，效果較為理想，因此選擇此方案來(lái)進(jìn)一步完善。

2.單元電路設(shè)計(jì)與元器件的選擇以及軟件平臺(tái)

我們?cè)诖诉x擇的通過(guò)7.2V鎳鉻電池，采用線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片LM2940來(lái)穩(wěn)定輸出5V電壓，分別給16位單片機(jī)芯片和舵機(jī)供電，焊接鍵盤(pán)來(lái)做外部控制。

• 4個(gè)220uf的電容C1，C2，C3，C4.
• 一個(gè)3KΩ電阻,
• 一個(gè)9013NPN三極管，
• 一個(gè)無(wú)源蜂鳴器，
• 一個(gè)12864液晶顯示器，
• 一個(gè)飛思卡爾MC9S12XS128MAL型號(hào)16位單片機(jī)最小系統(tǒng)，
• 一個(gè)SD5數(shù)字舵機(jī)
• 6個(gè)LED燈

2.1 5V穩(wěn)壓電源:

直流穩(wěn)壓是通過(guò)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2940穩(wěn)壓5V芯片將鎳鉻電池7.2V直流電降壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的5V電壓的，LM2940最大輸出電流有1A，典型的輸入輸出電壓壓降為0.5V，還有就是過(guò)流保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)這樣一般電源芯片都有的東西,接著就是典型電路圖，一般接發(fā)直接按照典型電路圖來(lái)接就OK了，圖為直流穩(wěn)壓電源方框圖。

2.2 最小系統(tǒng)控制器芯片介紹

飛思卡爾MC9S12XS128MAL型號(hào)16位操作芯片, 該最小系統(tǒng)芯片內(nèi)部模塊非常齊全,內(nèi)部主要模塊有PWM模塊，SCI串口通信模塊，PIT定時(shí)器計(jì)數(shù)器模塊，ADC模塊等.芯片處理性能上該芯片內(nèi)部帶有PLL鎖相環(huán)倍頻模塊，最高倍頻可達(dá)120ＭHz,兼顧穩(wěn)定性和處理速度，我們選用倍頻到80MHz。

2.3 舵機(jī)控制原理：

2.4 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)：

本次編寫(xiě)調(diào)試程序使用的是CodeWarrior編譯軟件平臺(tái)，充分利用其強(qiáng)大的在線(xiàn)調(diào)試模式，為程序調(diào)試過(guò)程提供了很大的便利其使用界面如圖

CodeWarrior的功能強(qiáng)大，可用于大部分單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。用戶(hù)可在新建工程時(shí)將芯片的類(lèi)庫(kù)添加到集成環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成就是一個(gè)最小系統(tǒng)，用戶(hù)無(wú)需再進(jìn)行繁瑣的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代碼。利用CodeWarrior和配套的BDM。用戶(hù)可以進(jìn)行一系列的調(diào)試工作，如監(jiān)視寄存器狀態(tài)、修改PC 指針、設(shè)置斷點(diǎn)等，這樣能快速地幫助我們找到軟件或硬件的問(wèn)題。

在源程序編譯、連接通過(guò)后，就可以進(jìn)行程序下載了。下載前，先將單片機(jī)上已經(jīng)存在的程序擦除，然后點(diǎn)擊Load，將bin文件夾下生成的后綴為.abs的文件打開(kāi)，就可以完成下載。

2.5 BDM開(kāi)發(fā)工具：

后臺(tái)調(diào)試模式（Background Debug Mode）是當(dāng)代單片機(jī)普遍采用的調(diào)試方式之一，在BDM 模式下主要可以實(shí)現(xiàn)以下3 個(gè)方面的功能：首先是應(yīng)用程序的下載與在線(xiàn)更新。在BDM 模式下，可以對(duì)Flash 做寫(xiě)入和擦除操作，故可以在產(chǎn)品出廠(chǎng)前即將應(yīng)用程序下載的產(chǎn)品當(dāng)中去，也可以在產(chǎn)品出廠(chǎng)后更應(yīng)用程序。

BDM 模式的另一功能是做單片機(jī)內(nèi)部資源的配置與修復(fù)，程序的加密處理等。一些MCU 的內(nèi)部寄存器只能在BDM 模式下操作，特別是一些單片機(jī)內(nèi)部電源配置的寄存器。BDM 的第三個(gè)功能是做應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)調(diào)試。S12 系列單片機(jī)的BDM調(diào)試模式有這種功能。和很多現(xiàn)代單片機(jī)一樣，S12 單片機(jī)CPU 內(nèi)部使用了4 級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得CPU 的讀取指令，解釋指令，執(zhí)行指令等操作看起來(lái)好像是并行的。

3.系統(tǒng)原理分析和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 金屬片周期運(yùn)動(dòng)的原理分析

在程序中，通過(guò)1ms定時(shí)中斷，在中斷中計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)標(biāo)志位Timecnt等于周期時(shí)間（所需頻率的倒數(shù)）時(shí)，給舵機(jī)一個(gè)PWM波，由于舵機(jī)需要反應(yīng)時(shí)間，所以在Timecnt等于一半周期的時(shí)候給另外一個(gè)PWM波，

0????T/2?(PWM(A2))??????T?(PWM(A1))

心跳頻率是1~3HZ,步進(jìn)1%，即步進(jìn)0.02HZ,相應(yīng)的周期T=1/f;用一個(gè)數(shù)組存放所有的頻率對(duì)應(yīng)的周期時(shí)間，f=1HZ,T=1s,Timecnt=1000;f=1.02HZ,T=0.98S,Timecnt=980;

依此類(lèi)推，此數(shù)組可用visual C++6.0編寫(xiě)程序，得到數(shù)組的100個(gè)元素的值。

當(dāng)要改變頻率的值時(shí)，改變計(jì)數(shù)變量Timecnt所等于的值，這些值存放在數(shù)組里，我們可以通過(guò)上位機(jī)或者是按鍵來(lái)改變所選擇的數(shù)組元素，這樣實(shí)現(xiàn)精確控時(shí)輸出占空比變化的PWM波；

當(dāng)頻率為1HZ時(shí)選擇數(shù)組的第一個(gè)元素值1000，然后當(dāng)計(jì)數(shù)變量等于1000，即1s時(shí)間到，周期循環(huán)；

當(dāng)頻率為1.02HZ時(shí)選擇數(shù)組的第二個(gè)元素值980，依此類(lèi)推可實(shí)現(xiàn)金屬片所有的運(yùn)動(dòng)頻率。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

此處保密，忽略

3.3軟件算法及流程

系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)是基于MC9S12XS128單片機(jī)，主要用到S12芯片中的PWM模塊，TIM模塊、I/O模塊以及SCI模塊，PIT模塊等模塊化設(shè)計(jì)。PWM模塊主要用來(lái)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；TIM模塊主要是用在了延時(shí)時(shí)間模塊， I/O模塊主要是用來(lái)分配給按鍵和LED燈、信息采集；SCI模塊主要用在無(wú)線(xiàn)串口調(diào)試模塊；PIT模塊用于定時(shí)中斷。

3.3.1 PIT模塊

在圖中可以看到6個(gè)定時(shí)器模塊，Micro Timer 0、Micro Timer 1、Timer 0、Timer 1、Timer 2、Timer 3，其中前兩個(gè)是8位的，后四個(gè)是16位的。從圖中可以看出PIT模塊是以總線(xiàn)時(shí)鐘（Bus Clock）為基準(zhǔn)時(shí)鐘的，總線(xiàn)時(shí)鐘通過(guò)8位Micro Timer 0和Micro Timer 1倍頻形成兩個(gè)基時(shí)鐘，即Micro Timer Base 0和Micro Timer Base 1，這兩個(gè)基時(shí)鐘通過(guò)16位Timer給PIT提供時(shí)鐘（通過(guò)寄存器PITMUX設(shè)置）。其實(shí)相對(duì)于PIT模塊是一個(gè)24位的定時(shí)器。通過(guò)給PITLD0和PITMTLD0的值，來(lái)設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間，timer cycle=定時(shí)周期=(PITMTLD0+1)*(PITLD0+1)*(1/fBus) =1ms。

3.3.2 顯示鍵盤(pán)接口模塊

系統(tǒng)使用LCD12864作為顯示器件，將金屬條運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的頻率，幅度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換進(jìn)行實(shí)時(shí)生命體征各個(gè)參數(shù)（頻率，幅度）液晶顯示，同時(shí)使用5個(gè)功能按鍵實(shí)現(xiàn)頻率和幅度以及呼吸和心跳模式的切換的設(shè)定，分別接入單片機(jī)的5個(gè)外部中斷接口，功能依次為 “頻率+”、“頻率-”、“幅度-”、“幅度+”，“心跳和呼吸模式切換”當(dāng)有鍵按下后，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，通過(guò)判斷標(biāo)志位確定哪個(gè)鍵按下，執(zhí)行相應(yīng)功能。

3.3.3 SCI模塊

系統(tǒng)使用SCI0串口中斷，采用藍(lán)牙方案，藍(lán)牙方案低功耗，小體積以及低成本的芯片解決方案使得 Bluetooth 技術(shù)甚至可以應(yīng)用于極微小的設(shè)備中。

3.3.4 PWM模塊

系統(tǒng)采用PIT和PWM模塊來(lái)控制實(shí)現(xiàn)輸出占空比變化的脈沖波。在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，通過(guò)周期的一半時(shí)間點(diǎn)和周期的末點(diǎn)來(lái)給定不同的占空比，從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)來(lái)回周期性的擺動(dòng)，從而達(dá)到模擬心跳及呼吸運(yùn)動(dòng)的目的。這里使用PIT中斷精確定時(shí)，給S-D5舵機(jī)的PWM波的頻率為200HZ,舵機(jī)響應(yīng)速度較好。

4.機(jī)械傳動(dòng)模擬介紹及操作說(shuō)明

4.1 通過(guò)給舵機(jī)不同占空比的脈沖，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同大小的角度；

4.2舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的傳動(dòng)片繞傳動(dòng)片頂端的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；

4.3 傳動(dòng)片帶動(dòng)傳動(dòng)條，使傳動(dòng)條在滑道的束縛下沿滑到做周期性往返運(yùn)動(dòng)；

作品操作說(shuō)明：

操作方式一：

手工焊接7支按鍵，第一個(gè)“頻率+”，第二個(gè)“頻率-”，第三個(gè)“幅度-”,第四個(gè)“幅度+”，第五個(gè)“模式切換”

操作方式二：

通過(guò)藍(lán)牙串口通信進(jìn)行無(wú)線(xiàn)監(jiān)控，基于安卓系統(tǒng)的藍(lán)牙串口A(yíng)PK軟件，只需在手機(jī)中安裝連接便可進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

操作方式三：

通過(guò)功能強(qiáng)大的Labview軟件，使用簡(jiǎn)單方便的圖形編程語(yǔ)言，打包制作出基于串口通信的PC端上位機(jī)

5．測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1測(cè)試方案

（1）、硬件測(cè)試:

將各個(gè)電路繪制，焊接完畢后，測(cè)試電源模塊能否輸出5V電壓，測(cè)試傳感器是否可以測(cè)頻率，按鍵是否正常，以及舵機(jī)是否可以正常工作。

（2）、硬件軟件聯(lián)調(diào):

編寫(xiě)軟件可以實(shí)現(xiàn)金屬片周期性運(yùn)動(dòng)模擬人體生命體征心跳和呼吸的功能，能夠滿(mǎn)足基本的要求，并進(jìn)行一定的頻率，幅度控制，這樣可以驗(yàn)證，軟硬件的基本部分是沒(méi)有問(wèn)題的，當(dāng)確定這一點(diǎn)后，我們將根據(jù)題目，進(jìn)行下一步的策略算法設(shè)計(jì)。初步任務(wù)完成后，我們會(huì)優(yōu)化軟硬件，使其更為精確，流暢，穩(wěn)定的運(yùn)行。

（3）調(diào)試過(guò)程及問(wèn)題分析：

1. 用示波器來(lái)測(cè)試舵機(jī)反應(yīng)延遲時(shí)間，分析得到舵機(jī)反應(yīng)延遲時(shí)間為納秒級(jí)，因此對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)的影響很小，可以忽略；
2. 滑道為手工切割拼接，產(chǎn)生有一定摩擦力，會(huì)對(duì)精度有一定影響；
3. 調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)舵機(jī)在轉(zhuǎn)換方向時(shí)靜態(tài)電流很大，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電壓會(huì)有影響。

（4）對(duì)問(wèn)題的解決措施：

1. 為有效減小滑倒摩擦力的影響，將滑道和滑動(dòng)頭間的間距調(diào)整合適；
2. 對(duì)于舵機(jī)改變轉(zhuǎn)角時(shí)靜態(tài)電流很大，可能會(huì)對(duì)整個(gè)電路電壓質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此決定單獨(dú)放置一塊LM2940線(xiàn)性電壓芯片為舵機(jī)供電；
3. 由于控制芯片為使用最小系統(tǒng)，多處線(xiàn)路暴露，所以在操作時(shí)要注意避免線(xiàn)路意外短接而對(duì)系統(tǒng)造成傷害；
4. 對(duì)于按鍵控制時(shí)可能出現(xiàn)的重復(fù)掃描鍵值，便將按鍵掃描放置在定時(shí)器中斷里，每1ms查詢(xún)一次，并且加入延時(shí)函數(shù)進(jìn)一步減少鍵盤(pán)誤判。

5.2 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：

檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器：

秒表

測(cè)試分析與結(jié)論:

1. 心跳頻率步進(jìn)分析：

1. 呼吸頻率步進(jìn)分析：

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)題目中，由此可以得出以下結(jié)論：

1. 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓：5V
2. 系統(tǒng)可以完成頻率可控范圍：0.2-0.8Hz（人體正常呼吸的頻率范圍） 1-3Hz（人體心跳頻率范圍）
3. 系統(tǒng)可以比較穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)頻率控制步進(jìn)：1%，幅度調(diào)節(jié)范圍：0-100%，幅度大小分為0~18個(gè)不同幅度

綜上所述：

本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中體現(xiàn)了很多創(chuàng)新點(diǎn)。

6．心得體會(huì)及建議

經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)電路和自己翻閱查找各種資料，我們不僅學(xué)到了關(guān)于程序流程方面有關(guān)的知識(shí)，學(xué)會(huì)了模塊化編程，利用中斷去處理一下問(wèn)題，而且遇到并且解決了程序執(zhí)行沖突的問(wèn)題，而且在電路設(shè)計(jì)方面增強(qiáng)了自己運(yùn)用學(xué)習(xí)工具PROTEL的能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，使自己對(duì)電路又有了更加深刻的了解，也清楚了電路板制作的全部過(guò)程。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，這一開(kāi)關(guān)電路短路保護(hù)電源具有良好的實(shí)用性，是防止低電壓電路短路引起的不良后果的有效方法，造價(jià)較低可以大范圍的使用。系統(tǒng)能夠較好地通過(guò)控制金屬片的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬人體生命體征。

此外，通過(guò)這次比賽，增強(qiáng)了同學(xué)之間的協(xié)作、互助能力，跟同學(xué)互相探討和研究，基本上解決了所遇到的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電路和程序的調(diào)試和修改后，我們圓滿(mǎn)完成了設(shè)計(jì)的要求。

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