基于AT89C51單片機的裝藥生產線控制系統(tǒng)設計

1、長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 i摘摘 要要隨著人們對自身健康關注程度的日益提高，藥丸的種類和數(shù)量也在急劇增加，對于大多數(shù)的藥品，一般都裝在瓶子里。面對日益劇增的藥丸數(shù)量，如何在藥物生產線中實現(xiàn)藥丸的快速準確檢測和計數(shù)就顯得尤為重要，也是各個廠家亟待解決的問題之一。本文介紹的基于單片機的藥丸自動檢測儀的設計是以atmel公司生產at89c51單片機為核心，并與直射式光電傳感器相結合的藥丸測量系統(tǒng)，它具有很高的應用價值和現(xiàn)實意義，運用實時led模塊，采用了匯編編程工具進行軟件設計。系統(tǒng)設計充分考慮了信號檢測電路及顯示電路的可靠性與穩(wěn)定性。該測量儀的特點是:操作簡單、藥丸檢測

2、穩(wěn)定可靠、動態(tài)顯示及時準確、成本低廉。本文首先簡要的介紹了裝藥生產線概況，以及藥丸檢測和計數(shù)在在裝藥生產線中作用、現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢。其次，根據系統(tǒng)設計要求制定出傳感器、單片機、顯示模塊等重要器件的選擇方案，接著，根據實際使用要求設計了相應的單片機硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)據采集、藥丸的實時顯示和計數(shù)等功能。最后，介紹了和系統(tǒng)硬件配套的軟件設計過程。關鍵詞 紅外傳感器 單片機 led 顯示 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 iiabstractas people concerned about their own health increasing degree, th

3、e type and number of pills is increasing dramatically, for most drugs, generally packed in the bottle. faced with an increasingly sharp increase in the number of pills, how in drug production line to achieve rapid and accurate detection of pills and counting is particularly important, also the vario

4、us problems to be solved one of the manufacturers.this article describes the pills based on single chip design of automatic detector manufactured by atmel at89c51 microcontroller as the core, and with the direct photoelectric sensor combined pills measurement system, which has a high application val

5、ue and practical significance, the use of real-time led module, using a compilation of programming tools for software design. system fully into account the signal detection circuit and display circuit. this article describes the pills based on single chip design of automatic detector manufactured by

6、 atmel at89c51 microcontroller as the core, and with the direct photoelectric sensor combined pills measurement system, which has a high application value and practical significance, the use of real-time led module, using a compilation of programming tools for software design. system fully into acco

7、unt the signal detection circuit and display circuit.keywords infrared sensor microcontroller led display 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 1目目 錄錄前 言.1第 1 章 緒 論.21.1 裝藥生產線的簡介 .21.2 at89c51 單片機 .61.3 紅外傳感器概述 .61.4 本章小結 .9第 2 章 藥丸檢測和計數(shù)模塊設計分析.92.1 傳感器的選取 .92.2 信號處理電路 .112.3 總體硬件設計方案 .132.4 本章小結 .13第 3 章 硬件電路的

8、分析.153.1 時鐘和復位電路 .153.2 藥丸的檢測電路 .163.3 信號的處理電路 .173.4 計數(shù)和顯示電路 .193.5 本章小結 .19第 4 章 軟件設計.204.1 軟件設計概述 .204.2 主程序 .244.3 子程序 .264.4 本章小結 .29第 5 章 設計的調試.305.1 設計的硬件的仿真 .295.2 系統(tǒng)的軟件調試 .295.3 本章小結 .30結 論.31參 考 文 獻.32長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 2前前 言言隨著現(xiàn)代科學技術以及復雜的自動控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術的提高，光電信號變換與檢測技術的不斷涌現(xiàn)，綜合性的自動

9、化、智能化的光電系統(tǒng)得到進一步發(fā)展，形成了包括光學、精密機械、電子學和計算機科學等知識集中的跨學科的技術：光電技術。現(xiàn)在光電技術已經廣泛地應用于工業(yè)、農業(yè)、文教、衛(wèi)生、國防、科研和家庭生活等各領域。在這些應用領域中，幾乎都涉及到將光輻射信息轉換為電信息的問題，即光輻射的檢測問題。因此，光電檢測技術是光電技術的核心和重要組成部分。光電檢測技術是一種非接觸測量的高新技術，它以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代化光電器件【2】為基礎，通過對載荷有被檢測物體信息的光輻射進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經變換運算、處理，最后輸出所需檢測的物理量。光

10、電檢測技術是現(xiàn)代檢測技術最重要的手段和方法之一，是計量檢測技術的一個重要發(fā)展方向。隨著人們對自身健康關注程度的日益提高，藥丸的種類和數(shù)量也在急劇增加，對于大多數(shù)的藥品，一般都裝在瓶子里。據估測，瓶裝藥品占市場藥品總量的40%。藥物生產線的質量問題主要有藥丸或膠囊的的檢測和計數(shù)以自動化的手段實時準確快速地實現(xiàn)藥丸的檢測和計數(shù)是許多制藥廠家非常關心卻又還沒很好解決的問題。從本質上區(qū)分，藥丸的計數(shù)方法分為兩種：機械計數(shù)法和電子計數(shù)法。藥丸數(shù)量是藥品質量的一個重要方面，人工工作效率低，計量準確率低，而且在衛(wèi)生等方面不符合國家藥品監(jiān)督管理局頒發(fā)的藥品生產質量管理規(guī)范。如果可以對傳統(tǒng)的藥物生產線進行改進，

11、配以合適的檢測設備，就能給全國各大藥廠節(jié)約成本，提高效益。 藥丸檢測計數(shù)部分是全生產線中的核心設備，它直接影響到整套設備的總體生產效率與精度，因此其設計和改進就顯得尤為重要。裝藥生產線上的質量控制的重要一點就是藥品的裝瓶數(shù)量控制。因此自動化的藥品瓶裝流水線中藥丸數(shù)量的檢測就尤為重要。第第 1 1 章章 緒緒 論論1.1 裝藥生產線的簡介 1.1.1 流水線簡單結構圖 藥丸、膠囊的模板瓶裝流水線的核心是裝藥模板。藥品瓶裝生產線的結構圖大致如下圖11所示長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 3圖 1-1 藥品瓶裝生產線的結構圖1.1.2 生產線各個模塊 主要模塊有：藥丸檢測電路、閥

12、門控制電路、履帶電機控制電路、計數(shù)顯示電路五部分構成。1.1.3 檢測流程 采用紅外傳感器檢測藥丸通過漏斗頸情況并進行計數(shù)顯示；并與設定的每瓶藥丸數(shù)量進行比較，通過閥門控制電路，控制閥門打開或關閉來控制藥丸掉落到藥瓶中；當達到設定每瓶數(shù)量時，通過履帶電機控制電路，控制履帶適時運送空瓶到漏斗下，并通過顯示電路，顯示已裝好藥丸的瓶數(shù)。顯示器回零，從而進入下一個生產周期。1.2 at89c51 單片機 1.2.1 現(xiàn)有主流單片機的概述 mcs- 51系列單片機是intel公司在20世紀80年代初研制出來的，很快就在全世界得到廣泛的推廣應用。十多年來，mcs-51系列單片機無論在教學、工業(yè)控制、儀器儀

13、表、信息通信，還是在交通、航運、家用電氣領域，都取得了大量的應用成果。intel公司雖然已經把精力集中在計算機的cpu生產上，而漸漸放棄了微控制器的生產。但是，以mcs-51技術核心為主導的微控制器技長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 4術已被atmel,philips等公司所繼承，并且在原有基礎上又進行了新的開發(fā)，從而產生了和mcs-51兼容而功能更加強勁的微控制器系列。atmel公司所生產的89系列單片機就是基于intel公司mcs-51系列而研制的并與mcs-51兼容的微控制器系列。atmel公司是美國在20世紀80年代中期成立并發(fā)展起來的半導體公司。該公司的技術優(yōu)勢在

14、于flash存儲器技術和高質高可靠性生產技術。隨著業(yè)務的發(fā)展，在20世紀90年代初，atmel公司一躍成為全球最大的eeprom供應商。1994年為了介入單片機市場，atmel公司以eeprom技術和intel的80c31單片機核心技術進行交換，從而取得80c31核的使用權。atmel公司把自身的先進flash存儲技術和80c31核相結合，從而生產出了flash單片機at89c51系列。這是一種內部含flash存儲器的特殊單片機。由于它內部含有大容量的flash存儲器，所以，在產品開發(fā)及生產便攜式商品、手提式儀器等方面有著十分廣泛的應用，也是目前取代傳統(tǒng)的mcs-51系列單片機的主流單片機之一

15、。該芯片不僅具有mcs51系列單片機的所有特性，而且片內集成有4k字節(jié)的flash存儲器。其價格低、引腳方便，是目前性能價格比較高的現(xiàn)用主流單片機芯片之一。1.2.2 單片機的選用 本檢測儀在數(shù)據處理上速度要求不是很高，8位機即可。單片機采用美國atmel公司生產的at89c51單片機。at89c51是一種低功耗、高性能的片內含有4kb快閃可編程/擦除只讀存儲器（fperom-flash programmable and eraseable read only memory）的8位cmos微控制器，使用高密度、非易失存儲技術制造，并且與80c51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。1.2.2.1 主要性能

16、（1）與mcs-51 微控制器產品系列兼容。 （2）片內有4kb可在線重復編程的快閃擦寫存儲器 （3）存儲數(shù)據保存時間為10年 （4）寬工作電壓范圍：vcc可為2.7v到6v （5）全靜態(tài)工作：可從0hz至16mhz （6）程序存儲器具有3級加密保護 （7）128*8位內部ram （8）32條可編程i/o線 （9）兩個16位定時器/計數(shù)器 （10）中斷結構具有5個中斷源和2個優(yōu)先級 （11）可編程全雙工串行通道 （12）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內容長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 51.2.2.2 at89c51 引腳圖at89c51有40個引腳，如圖1-2示。

17、 圖 1-2 at89c51 引腳圖1.2.2.3 各個引腳說明圖1-2為at89c51的引腳圖，對其在本次設計中的主要使用的引腳說明如下：vcc：電源電壓，at89c51電源的正極輸入端，接+5v電壓使at89c51單片機正常工作。是單片機的電源提供端口。p0: p0口(p0.0p0.7)是一個8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數(shù)據時，它是地址總線（低8 位）和數(shù)據總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向io 口用p0口每一個引腳可以推動8 個lsttl 負載。p2：p2口(p2.0p2.7)口是具有內部提升電路的雙向i/0端口(準雙向并行i/o口)，當訪問外部程序存儲器時，它是

18、高8位地址。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向io口用。每一個引腳可以推動4個lstl負載。p1: p1口(p1.0p1.7)口是具有內部提升電路的雙向i/0端口(準雙向并行i/o口)，其輸出可以推動4個lsttl負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。p3: p3口(p3.0p3.7)口是具有內部提升電路的雙向i/0端口(準雙向并行i/o口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。其特殊功能引腳分配如下：p3.0 rxd 串行通信輸入。p3.1 txd 串行通信輸出。p3.2 int0 外部中斷0 輸入，低電平有效。p3.3 in

19、t1 外部中斷1 輸入，低電平有效。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 6p3.4 t0 計數(shù)器0 外部事件計數(shù)輸入端。p3.5 t1 計數(shù)器1 外部事件計數(shù)輸入端。p3.6 wr 外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效。p3.7 rd 外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效。xtal1: 接外部晶振的一個引腳。在單片機內部，它是一個法相放大器輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。它采用外部振蕩器時，此引腳應該接地。gnd：電源接地端。此次設計中，用單片機實現(xiàn)的是一個計數(shù)存儲功能。主要應用的計數(shù)器是其內部的定時器/計數(shù)器。單片機的定時器/計數(shù)采用增量式計數(shù)。也就是說，當運行于定時器方式

20、時，每隔一個機器周期定時器自動加一；當運行于計數(shù)器方式時，每當引腳出現(xiàn)下跳沿，計數(shù)器自動加1.無論是作定時器還是計數(shù)器，當t0或t1加滿回零后，定時器回零標志置1。而當允許中斷時，tf可以申請中斷進而在中斷服務中作相應的操作；tf也可以用程序判斷定時到或計數(shù)滿的標志位。1.3 紅外傳感器概述 紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無線電或x射線11。人眼可見的波長為380nm-78mm，發(fā)射波長為780nm-1mm的長射線稱為紅外線，紅外線光電傳感器，它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通電路而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測，而且檢測距離可近可

21、遠，根據具體情況選擇自己合適的傳感器即可。1.1.1 直射式光電傳感器直射式光電傳感器包括在結構上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生了開關信號。當檢測物體是不透明時，直射式光電傳感器是最可靠的檢測模式。 1.1.2 直接反射式光電傳感器 直接反射式光電開關是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時， 直接反射式的光電開關是首選的檢測模式【12】。直接反射式光電傳感

22、器結構示意圖如下：長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 71.1.3 槽式光電傳感器 槽式光電開關通常是標準的u字型結構其發(fā)射器和接收器分別位于u型槽的兩邊，并形成一個光軸，當被檢測物體經過u型槽且阻斷光軸時，光電開關就產生了檢測到的開關量信號。槽式光電開關比較安全可靠，適合檢測高速變化的信號，分辨透明與半透明物體，但槽間的距離一般比較小，不適合檢測體積較大的物體。槽式光電開關傳感器結構示意圖如下： 圖 1-3 槽式光電開關傳感器結構示意圖1.1.4 反射板反射式光電傳感器 反射板反射式光電開關亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關發(fā)射器發(fā)出的光線經過反射板，反射回接收器，當被檢

23、測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就產生了檢測開關信號。反射板反射式光電傳感器示意圖如下：圖 1-7 反射板反射式光電傳感器1.4 本章小結 本章介紹了一些與設計的主題裝藥生產線控制系統(tǒng)設計（藥丸檢測和計數(shù)顯示模塊）相關的知識，包括裝藥生產線的簡介，at89c51 單片機以及紅外光電傳感器傳感器等內容。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 8第第 2 2 章章 藥丸檢測和計數(shù)模塊設計藥丸檢測和計數(shù)模塊設計分析分析2.1 傳感器的選取 2.1.1 傳感器的選用原則 傳感器千差萬別，即便對于相同種類的測定量也可采用不同工作原理的傳感器，因此根據需要選用最適宜的傳感器?，F(xiàn)代傳感器在

24、原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量電路也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器選擇是否合理。2.1.1.1 根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一個物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：測量距離的大??；被測量位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸

25、式還是非接觸式;信號的引出方法，有線或是無線測量;傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后，就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。2.1.1.2輸入光波長的選擇長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 9通常，在光電傳感器的使用范圍內，可見光的影響是無處不在的。因此要注意光電開關發(fā)射器與光電開關接收器的波長敏感范圍。如果接收器可接收的光的波長范圍很寬，與被測量無關的外界光信號也容易混入.也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此選擇光電傳感器的時候，要求傳感器本身應具有最佳波長使用范圍，盡量減少外界信號的干擾，如果傳感器對可見光

26、非常的敏感，可以將傳感器系統(tǒng)與可見光隔離，避免其受到外界影響。2.1.1.3頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總會有一定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，頻率低的傳感器可測信號的頻率較低，在動態(tài)測量中，應根據實際信號的特點來確定所需傳感器的頻率響應特性，以免產生過大的誤差，因為藥丸下落的速度較慢，要求傳感器頻率很低即可，所以一般的光電傳感器都可以滿足此項要求。2.1.1.4 穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力被稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身

27、結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器。2.1.1.5 精度精度是傳感器的一個重要的性能指標.它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選地過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。2.1.2 傳感器的選用 在此次設計中，對于藥丸的檢測來說，可以選用多個傳感器。根據傳感器的特性分析得出，紅外傳感器是比較好的選擇。在紅外傳感器中，

28、又分很多種。所以需要選用一個最佳的方案。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 10方案一，采用光敏電阻來檢測。通過藥丸頭通過與否對其光的強度的影響，通過監(jiān)測阻值的變化來實現(xiàn)藥丸的檢測。方案二，采用紅外對管實現(xiàn)，根據光敏三極管接收到的光強的強弱變化，從而使光敏三極管產生電流，經整合形成高低電平進行輸出，通過對高低電平的變化來判斷是否有藥丸通過。方案三，采用光纖傳感器，將光線傳感器固定于藥丸通道外側。當有藥丸落下時，光纖傳感器感知通道壁是否產生特定抖動，從而判定是否有藥丸落下。綜合分析，方案一光敏電阻測量麻煩，而且受外界的影響，引入較大的測量誤差，所以不可取。方案三采用光纖傳感器，

29、測量精度較高，但是光纖傳感器的成本很高。方案二成本低，電路簡單，且不受可見光的干擾，穩(wěn)定性好，測量相鄰藥丸時準確快速。因此采用方案二。2.1.3 傳感器的幾何光學分析 傳感器幾何光學分析主要說明紅外發(fā)光二極管與光敏三極管的各種不同安裝位置，對檢測結果的不同影響，如果安裝位置不合理，會導致檢測失敗，從而不能夠達到藥丸檢測的目的。通過分析紅外發(fā)光二極管與光敏三極管中心線與藥丸下落過程中的相對位置關系，得出藥丸下落過程中，紅外發(fā)光二極管與光敏三極管可靠的檢測位置。此次設計中，傳感器是由一個光電耦合系統(tǒng)組成，這個系統(tǒng)主要由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管構成。通過光敏三極管對光的強弱感應，進行電流的變化

30、，通過電阻轉變成相應電壓變化，再經過信號處理電路轉變成電平信號進行輸出。2.2 信號處理電路2.2.1 電壓比較電路當有液滴穿過光耦，將 u 型紅外光耦發(fā)射管發(fā)射的紅外光散射或阻斷，從而接收管上的電壓便產生相應的變化。由于光耦接收管的口值較大，故電壓變化也較強烈。將光耦輸出的信號傳給電壓比較器 lm324。可根據實際光耦輸出信號大小，整比較器的參考電壓，從而實現(xiàn)將不規(guī)則光耦信號轉化為電源電壓的電平轉換。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小 (用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系 )：當”輸入端電壓高于 ”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；當”輸入端電壓低于 ”輸入端時，電壓比較器

31、輸出為低電平；壓比較器的作用：它可用作 模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產生和變換電路等。簡單的電壓比較器結構簡單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對它進行長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 11改進。改進后的電壓比較器有：滯回比較器和 窗口比較器。運放需要通過反饋回路和輸入回路的確定 “運算參數(shù)” ，比如放大倍數(shù)，直接比較兩個輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關（高低電平）量?？捎米麟妷罕容^器的芯片：所有的運算放大器。常見的有l(wèi)m324 lm358 ua741 tl081234 op07 op2

32、7，由于 lm324 性能穩(wěn)定、便宜易于操作等特點，這里我們選用lm324 來構成相應的電壓比較器， lm324 芯片如下 2-1 所示：圖 2-1 lm324 管腳及實物圖2.2.2 555 去抖電路因藥丸穿過檢測通道時是一個運動過程，在此過程中，紅外光被藥丸阻擋的強度會發(fā)生變化，而引起信號的抖動，這可能會造成錯誤記數(shù)。因此使用了時基集成電路 555 作為濾波去抖電路。在這里用 555 接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其具有整形處理功能，可以使經過電壓比較器的信號更規(guī)則，更重要的是有去抖避免錯誤計數(shù)的功能。2.3 總體硬件設計方案按照系統(tǒng)設計功能的要求以及檢測過程中信號的變化，確定系統(tǒng)由以下模塊組成：主控

33、制器at89c51、藥丸檢測電路、信號處理電路和顯示電路。其中信號處理電路由電壓比較電路和 555 濾波去抖電路組成。藥丸檢測和計數(shù)電路總體電路結構框圖如圖 2-2 所示。傳感器檢測電路at89c51 控制單元數(shù)碼管顯示系統(tǒng)長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 12圖 2-2 硬件總體電路結構框圖2.4 本章小結本章主要介紹了紅外傳感器的分類、各種紅外傳感器的結構、選用、各種分析等。同時在傳感器的選擇方面，進行了多種方案的提出、選擇、與比較，最終確定了在本次設計中使用由光敏器件構成的傳感器。與此同時提出了的硬件和軟件的相應的設計方案，以及各個步驟的方案選取。電壓比較電路555

34、去抖整形電路長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 13第第 3 3 章章 硬件電路的分析硬件電路的分析3.1 時鐘和復位電路一、時鐘電路at89c51 單片機內部設有一個反向放大器所構成的振蕩器，xtal1 和 xtal2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時鐘可以由內部或外部產生。內部時鐘電路是在 xtal1 和 xtal2 引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率可以在 1.2mhz 到 12mhz 之間選擇。電容值取 5pf30pf，電容的大小可起頻率微調的作用。外部時鐘電路需要 xtal1 接地，xtal2

35、 接外部振蕩器，對外部振蕩器信號無特殊要求，只需保證脈沖寬度，一般頻率為低于 12mhz 的方波信號。二、復位電路通過某種方式，使單片機內各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復位。復位方式有上電復位和開關復位兩種，在這里選用的是上電復位電路，如圖 3-1 所示。圖 3-1 復位電路圖長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 143.2 藥丸的檢測電路一、測溫電路在這里我們選用紅外光電傳感器由封裝在同一模塊內的 u 型紅外光耦發(fā)射管和 u 型紅外光耦接收管組成的 tp806 紅外光電傳感器，u 型紅外光耦發(fā)射管與 u 型紅外光耦接收管對稱設置并分別位于藥丸進入瓶通道末端兩側，并且分別與

36、通道下垂線呈 90。夾角，以保證藥丸通過時，紅外光耦接收管被部分遮光，光電檢測電路能準確地檢測到藥丸通過而導致的信號瞬間變化。連接電路圖及傳感器外觀如圖 3-2 所示。圖 3-2 溫度檢測電路連接圖其光電參數(shù)如下表 3-1表 3-1 光電參數(shù)3.3 信號的處理電路3.3.1 電壓比較電路這里由 lm324 和滑動變阻器組成可調的電壓比較電路，從而實現(xiàn)將不規(guī)則光耦信號轉化為電源電壓的電平轉換，其 protel 中電路圖如下 3-3 所示：長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 15圖 3-3 電壓比較電路3.3.2 555 去抖電路因藥丸穿過檢測通道時是一個運動過程，在此過程中，紅

37、外光被藥丸阻擋的強度會發(fā)生變化，而引起信號的抖動，這可能會造成錯誤記數(shù)。在這里用 555 接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其具有整形處理功能，可以使經過電壓比較器的信號更規(guī)則，起到去抖避免錯誤計數(shù)的功能。其電路圖如下 3-4所示：圖 3-4 555 去抖電路在這里其濾波常數(shù)由滑動變阻器 r4、電阻 r5 和電容 c2 決定，其濾波時間常數(shù)為s=1.1*（r4+r5）c2：在這里約為 110ms。其輸出信號接單片機的 p3.2 接口進行計數(shù)和現(xiàn)顯示處理。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 163.4 計數(shù)和顯示電路顯示器常用作單片機最簡單的輸出設備，用以顯示單片機的運行結果和運行狀態(tài)等。常用

38、的顯示器主要有 led 和 lcd，它們都具有耗電少、成本低、線路簡單、壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于單片機顯示數(shù)字量的場合。設計中采用 led 顯示器。對 led 管的顯示可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。本文采用動態(tài)顯示，其優(yōu)點為： 1. 能降低顯示器的功耗；2. 能大大減少顯示器的外部接線，給安裝調試帶來方便。led 動態(tài)顯示原理：由于各個數(shù)碼管的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對各個數(shù)碼管都是相同。因此同一時刻如果各個數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話，4 位 led 將顯示相同字符。若要各位 led 顯示出與本位相應的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式。即在某一時刻只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)而其它各位的位選線

39、處于關閉狀態(tài).同時段選線上輸出相應位要顯示字符的代碼這樣同一時刻 4 位 led 中只有選通的那一位顯示出字符，而其它位則是熄滅的。此循環(huán)下去就可以使各位數(shù)碼管顯示出將要顯示的字符。顯然，這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而且同一時刻只有一位顯示其它各位熄滅，但由于各位數(shù)碼管的通斷時間是非常短的，且人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短則可造成多位同時亮的假象達到顯示的目的。 為了顯示相應的字符，必須將該字符轉換成相應的段選碼。這種轉換也稱為譯碼。譯碼可以采用硬件的方法，也可以采用軟件的方法。設計中采用軟件的方法進行譯碼。在總體電路中，顯示電路是設計的主要部分，通過單片機的 p1 口，控制四位七

40、段數(shù)碼管的段碼，而數(shù)碼管的位碼由 p3.0、p3.1、p3.2、p3.3 四個端口來分別控制顯示數(shù)字的小數(shù)位、個位、十位和百位/符號位。在位碼控制端通過單片機 p3 口輸出的高低電平來選通數(shù)碼管的顯示位。3.5 本章小結本章主要詳細介紹了基于紅外傳感器的的硬件電路設計、包括時鐘和復位電路、藥丸檢測電路、信號處理電路、計數(shù)顯示電路各個模塊的具體電路設計和整體電路連接，總體電路和 pcb 電路見附錄一。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 17第第 4 4 章章 軟件設計軟件設計4.1 軟件設計概述良好的設計方案可以減少軟件設計的工作量，提高軟件的通用性，擴展性和可讀性。本系統(tǒng)的設

41、計方案和步驟如下:（1）根據需求按照系統(tǒng)的功能要求，逐級劃分模塊。（2）明確各模塊之間的數(shù)據流傳遞關系，力求數(shù)據傳遞少，以增強各模塊的獨立性，便于軟件調試。（3）確定軟件開發(fā)環(huán)境，選擇設計語言，完成模塊功能設計，并分別調試通過。 (4)按照開發(fā)式軟件設計結構，將各模塊有機的結合起來，即成一個較完善的系統(tǒng)。計算機是按照程序一條條依次執(zhí)行指令而工作的，根據具體的需要選擇合適的設計語言，對完成設計任務，設計質量，設計速度至關重要。程序設計語言有三種:機器語言，匯編語言和高級語言。機器語言是計算機唯一能“懂”的語言，用匯編和高級語言編寫的程序 (稱為源程序)最終都必須翻譯成機器語言的程序(稱為目標程序

42、)計算機才能看“懂”然后逐一執(zhí)行。但是機器語言是一種用二進制數(shù)0、1組成的代碼，人們不容易辨識、記憶、而且很容易出錯，出錯后查錯任務更加艱巨，所以很難用它來進行程序設計。在此次設計中，選用的是匯編語言，相比高級語言，匯編語言存在諸多弊端，比如沒有關鍵字及運算函數(shù)的功能、程序過于冗長等。盡管相比高級語言如c語言等，較匯編語言相比有許多的優(yōu)點，但匯編有其自身的特點和長處，在編制程序的工作量不大、規(guī)模較小，一般不需要移植的計算機系統(tǒng)的情況下，使用匯編語言也十分的方便，而且高級語言源程序要通過預存于計算機存儲器內的編譯程序或解釋程序才能翻譯成機器語言，而存儲器較小的計算機系統(tǒng)容納不下，因此無法配用這些

43、工具程序，但是匯編語言可以直接翻譯成機器語言，然后再由計算機去識別和執(zhí)行。因此運用用匯編語言編程是很方便的了。匯編語言中由于使用了助記符號，用匯編語言編制的程序輸入計算機，計算機不能象用機器長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 18語言編寫的程序一樣直接識別和執(zhí)行，必須通過預先放入計算機的匯編程序的加工和翻譯，才能變成能夠被計算機識別和處理的二進制代碼程序。用匯編語言等非機器語言書寫好的符號程序稱為源程序，運行時匯編程序要將源程序翻譯成目標程序。目標程序是機器語言程序，它一經被安置在內存的預定位置上，就能被計算機的cpu處理和執(zhí)行。 匯編語言像機器指令一樣，是硬件操作的控制信息

44、，因而仍然是面向機器的語言，使用起來還是比較繁瑣費時，通用性也差。但是，匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標程序占用內存空間少，運行速度快，有著高級語言不可替代的用途。 匯編語言主要用在設備控制、加密破解、開發(fā)單片機產品.對計算機性能的優(yōu)化等。一般用于開發(fā)單片機產品，計算機系統(tǒng)的啟動引導就必須使用匯編語言來編輯，否則不能用的?？梢院芎玫膶崿F(xiàn)微電子控制。用匯編語言編制程序時，程序的每一條語句都與計算機的某一條具體的指令相對應，因此必須熟悉機器的指令系統(tǒng)。另外，根據統(tǒng)計，編譯成機器語言后，高級語言較匯編語言的長度增加15%-200%，占用的內存空間隨之擴大，執(zhí)行的時間也相應增長50%-3

45、00%。因此對于要求反映靈敏與控制及時、檢測等實時控制系統(tǒng)，采用匯編語言編程的優(yōu)越性也很明顯。液體點滴實時檢測系統(tǒng)的軟件全部采用匯編語言編寫，以提高系統(tǒng)的靈敏性和實時性。其設計方法和硬件設計相對應，采用模塊化的設計思想，將該部分設計劃分為相應的程序模塊，便于設計、調試。此次設計中程序的編寫與仿真環(huán)境應用的是wave仿真環(huán)境。4.1.1 wave 仿真環(huán)境的硬件特點偉福仿真品種多、功能強，和國內外同類高檔仿真器功能相比，軟、硬件方面具有多種先進特點。硬件方面先進的特點如下： 1、通用仿真器：主機+pod組合，通過更換pod，可以對各種cpu進行仿真。對不同的應用場合，用戶如果選擇不同的cpu，通

46、常就要更換仿真器，而偉福仿真器則采用主機+pod組合，支持多類cpu仿真。2、仿真cpu外置：直接位于用戶板的上方，提高仿真頻率以及降低信號噪聲，而無須縮短您的仿真電纜。 3、強大的邏輯分析儀綜合調試功能：邏輯分析儀由交互式軟件菜單窗口對系統(tǒng)硬件的邏輯或時序進行同步實時采樣，并實時在線調試分析，采集深度 32k(e6000/l)，最高時基采樣頻率達20m，40路波形的可精確實時反映用戶程序運行時的歷史時間。 4、強大的跟蹤器功能：跟蹤功能是以總線周期為單位，實時記錄 cpu仿真運行過程中，總線上發(fā)生的事件，其觸發(fā)條件方式同邏輯分析儀。 5、波形發(fā)生器功能：偉福v8/l仿真器可以輸出 8路可編程

47、數(shù)字波形，波形深度達 32k，最高頻率為20mhz。6、影子存儲器：用戶在程序全速執(zhí)行時，可以實時觀察到時 mcs51 系列 cpu 和 mcs96 系長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 19列cpu的外部數(shù)據的變化。7、程序時效分析：統(tǒng)計每個函數(shù)、過程運行時間，以及占整個程序運行時間的百分比。在設計高效率程序時，就要知道程序中各函數(shù)、各過程運行時間及占總時間的百分比，程序時效分析可以對此進行統(tǒng)計分析。 8、數(shù)據時效分析：與程序時效分析相似的是，數(shù)據時效分析，它可統(tǒng)計每個變量被訪問的次數(shù)及占整個程序訪問次數(shù)的百分比。 9、硬件測試：對于mcs51系列cpu和mcs96系列 c

48、pu可以靜態(tài)地輸出地址、數(shù)據以及ale、psen、bhe、rd、wr 等讀寫控制信號，從而可以從用戶板上靜態(tài)地測量這些信號的值，從底層去控制、分析電路的工作狀態(tài)，可以準確方便地檢測硬件方面的隱蔽問題。 10、事件觸發(fā)：用于指定用戶程序運行時，出現(xiàn)的各種事件，這些事件包括地址條件、數(shù)據條件、控制信號條件、外部信號條件以及這些條件的組合，用這些事件來觸發(fā)、控制邏輯分析儀、程序跟蹤器的運行，以捕捉程序運行時出現(xiàn)的各類復雜情況，迅速定位設計中軟、硬件問題所在。 11、記時器：記錄程序運行時間。 12、雙cpu結構: 由監(jiān)控cpu控制仿真cpu完成仿真工作，100% 不占用戶資源。全空間硬件斷點，不受任

49、何條件限制，支持地址、數(shù)據、外部信號、事件斷點、支持實時斷點計數(shù)、軟件運行時間統(tǒng)計。4.1.2 wave 仿真環(huán)境的軟件特點 1、雙工作模式：a) 軟件模擬仿真（不用仿真器也能模擬運行用戶程序）。b) 硬件仿真。 2、真正集成調試環(huán)境： 集成了編輯器、編譯器、調試器，源程序編輯、編譯、下載、調試全部可以在一個環(huán)境下完成。3、項目管理功能：現(xiàn)在單片機軟件越來越大，也越來越復雜，維護成本也很高，通過項目管理可化大為小，化繁為簡，便于管理。項目管理功能 也使得多模塊，多語言混合編程。 4、多語言多模塊混合調試：支持asm（匯編）、plm、c語言多模塊混合源程序調試，在線直接修改、編譯、調試源程序。如

50、果源程序有錯，可直接定位錯誤所在行。 5、直接點屏觀察變量：在源程序窗口，點擊變量就可以觀察此變量的值，方便快捷。 6、強大的書簽、斷點管理功能：書簽、斷點功能可快速定位程序，為編寫、查找、比較程序提供幫助。 7、類似ie的前進、后退定位功能：可以在項目內跨模塊地定位光標前一次或后一次位置，為比較、分析程序提供幫助。 8、方便實用、功能多樣的源程序編輯窗口：（1）、窗口分隔功能。（2）、語法相關彩色顯示，使得編寫程序輕松，觀察程序醒目。（3）、書簽功能提供多達 9個書簽，使得您在分析、長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 20比較、檢查大程序時從容不迫。（4）、尋找配對符號功能

51、為您在復雜程序嵌套中找到“另一半”。（5）、多行程序的同進同退功能，可以使得程序錯落有致，幫您編寫優(yōu)美、整潔的程序。9、外設管理功能：外設管理可以讓您在調試程序時，觀察到端口、定時器、串行口中斷、外部中斷相關的寄存器的狀態(tài)，更可以幫您完成這些外設的初始化程序，包括 c 語言和匯編語言，而您所做的只是填表，定義外設所要完成的功能。 10、功能獨特的反匯編功能： 偉福獨創(chuàng)的控制文件方式的反匯編功能，可以幫助你將機器碼反匯編成工整的匯編語言，通過控制文件你可以定義程序中數(shù)據區(qū)、程序區(qū)、無用數(shù)據區(qū)，還可將一些數(shù)據、地址定義成符號，便于閱讀。你若丟了你的源程序，它可幫你迅速恢復。4.2 主程序此次設計的

52、系統(tǒng)軟件設計主要由以下幾個部分組成：（1）主程序（2）動態(tài)掃描顯示子程序（3）寫子程序系統(tǒng)主程序主要講述整個系統(tǒng)的執(zhí)行過程，首先接通電源系統(tǒng)開始工作。系統(tǒng)開始后，開始啟動液滴檢測程序，將每個液滴經過的數(shù)據傳給單片機進行處理，單片機將處理后的結果存儲，調用顯示子程序顯示檢測結果，調用報警子程序比較當前顯示速度值與設定的安全極限值相比較，如有異常則啟動報警，否則，執(zhí)行當前任務。主程序流程圖如圖4-1所示。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 21圖4-1 主流程圖4.3 子程序4.3.1 動態(tài)掃描子程序在單片機應用系統(tǒng)中，為了方便 led 顯示器進行管理，需要建立一個顯示緩沖區(qū)，顯

53、示緩沖主程序初 始 化輸入為高？ruweigao ushushuru rushifou 啟動 t0輸入為低？計數(shù)器加 1輸入為高?顯示計數(shù)值停止 t0 計數(shù)等于設定值?顯示回零nnnnn n yyy長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 22區(qū)是片內 ram 的一個區(qū)域，作用是存放要顯示的字符，其長度與 led 的位數(shù)相同。顯示程序的任務是把現(xiàn)實緩沖區(qū)中的顯示字符送往 led 顯示器顯示。在這里采用動態(tài)掃描時，從中一次取出待顯示的字符，采用產表的方法得到相應的字形代碼，逐個電量各位數(shù)碼管，每位顯示 1ms 左右，即可使各位數(shù)碼管顯示要顯示的字符。這次顯示器由四位共陰極 led 數(shù)

54、碼管構成。單片機的 p0口輸出顯示段碼，由一片 74ls245 驅動輸出給 led 管，由 p1 口輸出位碼，給 led 管顯示。動態(tài)掃描子程序 display 流程圖如下所示：displayro 指向 display 首地址選右起第一個 led瞬時關顯示器查表取對應的字型碼輸出字型碼從中取出字符點亮當前的 led 顯示位是第四位？ret下一字符yn長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 23圖4-2 子程序流程圖4.3.2 計數(shù)子程序分析設計中，計數(shù)部分由單片機的內部計數(shù)器來實現(xiàn)。at89c51 的內部有兩個定時/計數(shù)器 t0 和t1，16 位是指定時/計數(shù)器內的計數(shù)器是 16

55、 位的，由 2 個 8 位計數(shù)器組成。本設計用的是 t0，它的 2 個 8 位計數(shù)器 th0 和 tl0，th0 是高 8 位，tl0 是低八位【28】。所謂加法計數(shù)器，指其計數(shù)的方法是對計數(shù)脈沖每次加 1。在其它單片機和可編程計數(shù)器芯片中，有的計數(shù)器是減法計數(shù)器，如 8155 的 14 位計數(shù)器，8253 的 16 計數(shù)器，即先設置計數(shù)器的初值，然后對計數(shù)器脈沖每次減1，減到 0，計數(shù)器溢出。而 at89c51 內部的計數(shù)器是加法計數(shù)器，需先設置計數(shù)器的初值，本實驗設置計數(shù)器初值為 0，然后對計數(shù)脈沖每次加 1，加到計數(shù)器滿后溢出。經過整形后的脈沖由p3.2 引入定時器 t0。通過對輸入脈沖

56、的檢測來實現(xiàn)對藥丸的計數(shù)工作。4.4 本章小結本章主要介紹軟件的系統(tǒng)構思和設計。通過軟件的編譯與實現(xiàn)，使紅外傳感器檢測信號經過信號處理后的整形脈沖進入單片機的 p3.2 口，在進入計數(shù)器 t0 進行加法計數(shù)。然后，在由顯示部分將計數(shù)器 t0 記錄的結果實時動態(tài)顯示出來。使得硬件在軟件的驅動下完成事先預設的任務。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計(論文) 信息工程系 24第第 5 5 章章 設計的調試設計的調試5.1 設計的硬件的仿真5.1.1 制板、焊接與檢測根據前面的具體設計，利用打印機對 pcb 電路進行打印，打印到熱轉印紙后用熱轉印機將其打印到覆銅板上，在進行大約二十分鐘的腐蝕，最后對腐蝕

57、好的電路板進行打孔，最后按照 pcb設計圖對實物元件進行焊接，就得到了最終的 pcb 實物硬件。焊接過程中，使用數(shù)字萬用表對每個元件和焊接點進行檢測，以保證每個元器件的完好性和焊接點的接觸良好性。5.1.2 系統(tǒng)調試 系統(tǒng)調試是在天煌教學實驗臺上完成的。由于無法接入紅外傳感器，并且實驗臺上也沒有安裝類似的傳感器，所以使用了一個脈沖發(fā)射器代替?zhèn)鞲衅鳟a生的脈沖進行軟件的仿真和調試【29】。調試結果基本正確。在調試過程中，為證明結果的正確性，使用led數(shù)碼管和把為邏輯電平進行驗證顯示，結果是一模一樣的，說明檢測結果正確5.2 系統(tǒng)的軟件調試5.2.1 設計的軟件仿真本設計選用的就是 proteus

58、isis 仿真平臺，對設計出的微型電子體溫計進行實時動態(tài)仿真。protues 軟件是英國 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具軟件。它不僅具有其它 eda 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。proteus 是世界上著名的 eda 工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 pcb設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb 設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086 和 msp430 等.在