单片机的基本设计包括单片机的选型和单片机最小系统设计。对单片机进行选型时就应当考虑所需要的功能资源，以及如何使用与扩展等问题。大部分情况下单片机本身的 I/O 口、定时器 / 计数器、中断系统等资源不能满足应用系统的需要，但它们毕竟可靠有效的核心资源，应当充分利用它们。片外存储器建议尽量选用大容量的芯片。单片机最小系统需要在单片机系统结构上添加常用的扩展电路，如晶振电路、复位电路等，这些电路和单片机的组合就构成了单片机最小系统。
硬件电路设计
本设计硬件电路由 STC89C51 单片机、DS18B20 温度传感器、压电陶瓷片 620、驻极体话筒、LCD 显示器、AD620 运放、高低通滤波电路等部分组成。
2.1 压电陶瓷片
2.1.1 压电陶瓷片工作原理。压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。
2.1.2 压电陶瓷片应用设计。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件发生形变时，就会产生一个电信号，所以我们利用人呼吸时胸部的扩张使压电陶瓷片发生形变，从而得到变化的电信号，然后经过整形放大，送入单片机中，单片机根据算法即可得到人呼吸的情况。压电陶瓷片620的接线图如图2所示。
2.2 驻极体话筒
2.2.1 驻极体话筒工作原理。驻极体话筒由声电转换和阻抗变 换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上涂了一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的涂金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU可知当 C 变化时必然引起电容器两端电压 U 的变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压，实现声―电的变换。
2.2.2 驻极体话筒连接使用。驻极体话筒与电路的接法有两源极输出：源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极 D 接电源正极。源极 S 与地之间接一电阻 Rs 来提供源极电压，信号由源极经电容 C 输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于 2k，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号比漏极输出小。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
漏极输出：漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极 D 与电源正极间接一漏极电阻 RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。Rs 和 RD 的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2.2～5.1k间选用。例如电源电压为6V时，Rs为4.7k，RD为2.2k。若电源为正极接地时，只须将 D、S 对换一下，仍可成为源、漏极出。不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作。
2.3 温度传感器。DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一种“单总线”温度传感器，它采用独特的单线接口方式，仅需一个端口引来发送或接收信息；每个 DS18B20 都有一个唯一的 ROM 序列号，所以可以将多个 DS18B20 同时连在一根单总线上，进行简单的多点分布应用。
DS18B20 内部有三个主要数字部件：64 位激光 ROM，温度传感器，非易失性温度报警触发器TH和TL。DS18B20可用外部3-5.5V电源供电。
DS18B20依靠一个单线端口通信，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，MCU 必须首先提供下面 5 个ROM 操作命令之一：
读出 ROM，代码为 33H，用于读出 DS18B20 的序列号，即64 位激光ROM 代码；2）匹配ROM，代码为55H，用于辨识（或选中）某一特定的 DS18B20 进行操作；3）搜索 ROM，代码为 F0H，用于确定总线上的节点数以及所有节点的序列号；4）跳过 ROM，代码为 CCH，命令发出后系统将对所有 DS18B20 进行操作，通常用于启动 DS18B20 转换之前，或系统中只有一个 DS18B20 时；5）报警搜索，代码为 ECH，主要用于鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度界限的节点。
2.4 LCD12864显示器。LCD12864是一种点阵图形液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可完成 8×4 个（16×16 点阵）汉字。还能够自负与图形混合显示。
3.系统软件设计
系统的软件部分是整个人体生理参数采集系统的核心，由 NI公司推出的虚拟仪器软件 LabVIEW 进行编写。LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，它提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现在的高级信号分析函数，大大提高了程序的开发效率。整个软件系统主要由数据显示界面，数据存储部分，数据回放部分和软硬件交互的设备驱动等构成。
（1）数据显示界面。显示界面主要是将人体参数以图形和 数字的方式显示在电脑屏幕上，使人能更加直观地观测到各种参数。（2）数据回放部分。数据回放部分是将保存文件里面的数据再次显示在计算机屏幕上。（3）软硬件交互的设备驱动。驱动程序在NI官方网站可以下载，主要用于对数据采集卡的配置和使用。总结：便携化、人性化是现代仪器设备的一个发展趋势，本设计能够实现体温采集，心率采集，呼吸间隔采集等，并显示其测量结果，该电路根据需求，可方便的被人们携带，随时的进行一些基本的生理信息的测量。
参考文献：
[1] 陈卫国 . 机械电子工程专业中单片机课程群设置的研究与实践 [J]. 当代教育理论与实践，2011（5）：63-65.
[2] 许超，吴新杰，张丹 . 基于 Proteus 和 keil 的单片机课程教学改革 [J]. 辽宁大学学报：自然科学版，2011，38（1）：27-29.
论文作者:伍富军
论文发表刊物:《红地产》2017年9月
论文发表时间:2018/9/3
标签：单片机论文; 陶瓷论文; 电压论文; 电路论文; 话筒论文; 电介质论文; 电荷论文; 《红地产》2017年9月论文;