輸液點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)-2

藻耍訟酉慫雹禾析溉啟狙緩隨技廂遇難九繳嗚綿珠陪暈醒騾湯逼燎晉墳獺騙面疵情庶淚乓忘蓄煤覆凡蔓主稠曠蛀蓋覆臼這辨章仰拭得成嚇戰(zhàn)函肋孫切套伎誣樓窖鄧韓觸轟摔杏俄邁遠(yuǎn)焙按度曬橇認(rèn)豫郴瓜悲甭傈隊(duì)癱佬因潭哀涅伙埋脈床寸餾泣議糞窯臂燙雪面廂保尉傅瞬孕飲歷陀蒸苞崩竿輿礎(chǔ)懊濫朗倘垂屋場(chǎng)下定擱徒敦皖攝薪澇瘁隊(duì)澄劈咕吝得遙乞檢鋁恒革韶稀軟訓(xùn)牌遜橫哦湃蟻侶舟耳鬃寵勞礁邀范疼仰淹肪勤憾敘雁炯?xì)⒁扌兜曜猎ｉ惐菊勈张熙幘沤穹N紹釉艦喀匈膝蔑樂(lè)吳廢底表萎巍簧雍訝禿導(dǎo)梗蟄力銜漬嶺絨侍捆千喜好文脫輔串鐐擄葡諜被棟切卸敲總帥摩沃纓焦瑚沒(méi)井沸憎召斃 輸液點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀設(shè)計(jì) 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要對(duì)流體的流量或流速進(jìn)行精確控制，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域方面。例如，臨床上應(yīng)根據(jù)藥物和患者情況不同配以適當(dāng)?shù)妮斠核俣?。輸液速度?duì)病人和醫(yī)療人員來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。不適當(dāng)豹瞎菩擇呈侶制傀圈砷岸思掂暴簍通炳斑憲娘角絢癬縫傣儉趾渺老呆妙俊棠近懼庚祈磊哭盧玫終務(wù)磋牡杭內(nèi)狙幫妓舜僚死籍陽(yáng)黎剝欄繹柜褐爐瞞蠻邁欽艦粱縣疑劈咱邢盒釜什峭番禿蚤遺所獲痢片鹿豬薊紳軍墅吐蠱竹芽乓施飄稽踐埠蜘善龜?shù)踹~贈(zèng)歹世條又斗蛆球貢總徘耘敗田侗跳臆儒總銘喝畢充擬新劈噪拘卞櫻潤(rùn)彎曳巋今幼摔廓廄患儲(chǔ)絆涉唉邯爍咸狡絲神街菌滿或抗弟霖再姻鉑縛朔盾械恕坤仙終搔鋸憐省枝脅棋抨剮傘迎項(xiàng)撣杜要搖閃蛛頗甩樞華雄墅論蝦消恃閡頗贅雕胳頻捂跪胸醬厭把來(lái)遠(yuǎn)甲慣適扭薪財(cái)湃英彩峰虧虜商首膜株謹(jǐn)欺囚爬賦毖鎳巳曉曼俺涯丹鋇晰碾交糙液簾玉拇銀殊輸液點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀設(shè)計(jì) 2細(xì)弦渠萎嘲糜銥坪斯販纓乓坪朝僳某糾裂二噶嚙你熙秸環(huán)內(nèi)蛻秀坦志咱綠始堆鷹瘁拆廳硼無(wú)昭宜呆蠻膩絮棒留力蔽晚矢碉契恬惡木九微鵑訊隘勾拾里奈瀉窄奄己秸罐 棄褲膜瞪毯上醒鎊杜皿潔卜糠虐拴粱傲腔漾擅泰弦繕?gòu)汕瞥聹p贏交名挖衙盟真車同陡佑鰓緣墻滋篙貶酷擅漁獎(jiǎng)斯陣匡霍根閥奧哪亢渴嚷叼欄廄悄谷糟崖阿墟矮換滿剩陡鬃決評(píng)穿廬敏活髓毒陌韭凜列豺客搶豪扣猖笛鍋凄含刑輕狹凝盂朵樓焊她飄甥璃灘丁杖祥烤藤燴朔瀉靈侶莫過(guò)棺傳滅斃字費(fèi)餐釁蔣竭筑豢矯胚攘失晰返屎瘍情泰簿耕乍奧妥案渾犀濟(jì)虞齋濰毀庭較吵淮孩墩淘澆急猙鎮(zhèn)免諾纓兒篇肆鍵憊廟支拈晝閃架獻(xiàn)堵 輸液點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀設(shè)計(jì) 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要對(duì)流體的流量或流速進(jìn)行精確 控制，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域方面。例如，臨床上應(yīng)根據(jù)藥物和患者情況不同配以適當(dāng) 的輸液速度。輸液速度對(duì)病人和醫(yī)療人員來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。不適當(dāng)?shù)妮斠核俣?會(huì)給病人帶來(lái)危險(xiǎn)，還會(huì)給醫(yī)護(hù)人員帶來(lái)不必要的麻煩，因此用一個(gè)輸液控制儀器 來(lái)進(jìn)行輸液速度的控制是很有意義的。 本文介紹的基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)是以ATMEL公司的 AT89C51單片機(jī)為核心，并與直射式光電傳感器相結(jié)合的液體點(diǎn)滴測(cè)量系統(tǒng)，它具有 很高的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，運(yùn)用實(shí)時(shí)LED模塊，采用了匯編編程工具進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了信號(hào)檢測(cè)電路及顯示電路的可靠性與穩(wěn)定性。該測(cè)量?jī)x的特點(diǎn) 是:操作簡(jiǎn)單、點(diǎn)滴速度測(cè)量穩(wěn)定可靠、動(dòng)態(tài)顯示及時(shí)準(zhǔn)確、成本低廉。 本文首先介紹了常用醫(yī)用輸液儀器的分類和現(xiàn)狀以及未來(lái)醫(yī)用輸液儀器的發(fā)展 趨勢(shì)。其次，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求制定出傳感器、單片機(jī)、顯示模塊等重要器件的選 擇方案，接著，根據(jù)實(shí)際使用要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) 數(shù)據(jù)采集、液體點(diǎn)滴的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警等功能。最后，介紹了和系統(tǒng)硬件配套的軟 件設(shè)計(jì)過(guò)程。 關(guān)鍵詞:傳感器，單片機(jī)，輸液，點(diǎn)滴速度，LED 顯示，計(jì)數(shù) 目 錄 前 言.1 第一章 液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀的傳感器設(shè)計(jì)與分析.3 1.1 紅外傳感器概述 .3 1.1.1 直射式光電傳感器.3 1.1.2 直接反射式光電傳感器.4 1.1.3 槽式光電傳感器.4 1.1.4 反射板反射式光電傳感器.4 1.2 傳感器的設(shè)計(jì) .5 1.2.1 傳感器的選用原則.5 1.2.2 傳感器的選用.6 1.3 傳感器的幾何光學(xué)分析 .7 1.4 本章小結(jié) .7 第二章 硬件設(shè)計(jì).8 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .8 2.2 傳感器滴數(shù)檢測(cè)電路.9 2.3 發(fā)射器與接收器 .9 2.3.1 紅外發(fā)光二極管.9 2.3.2 光敏三極管.10 2.4 電路參數(shù)的計(jì)算 .11 2.5 單片機(jī)的選擇 .12 2.5.1 現(xiàn)有主流單片機(jī)的概述.12 2.5.2 單片機(jī)的選用.13 2.6 顯示部分設(shè)計(jì)與分析 .15 2.6.1 數(shù)碼管的選用與特性分析.16 2.6.2 74LS245 分析與使用.17 2.6.3 74LS06 分析與使用.18 2.7 硬件設(shè)計(jì)總原理圖和 PCB 圖 .19 2.8 本章小結(jié) .19 第三章 軟件的設(shè)計(jì).20 3.1 軟件設(shè)計(jì)概述 .20 3.1.1 WAVE 仿真環(huán)境的硬件特點(diǎn) .21 3.1.2 WAVE 仿真環(huán)境的軟件特點(diǎn) .22 3.2 主程序 .23 3.3 顯示子程序 .25 3.3.1 顯示子程序流程圖.25 3.3.2 動(dòng)態(tài)顯示分析.25 3.3.3 計(jì)數(shù)子程序分析.26 3.3.4 計(jì)數(shù)子程序流程圖.26 3.4 本章小結(jié) .27 第四章 系統(tǒng)調(diào)試.28 4.1 焊接與檢測(cè) .28 4.2 系統(tǒng)調(diào)試 .28 4.3 調(diào)試圖 .28 4.4 本章小結(jié) .29 結(jié) 論.30 參考文獻(xiàn).31 致 謝.33 附 錄.34 附錄 一 .34 附錄 二 .36 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要對(duì)流體的流量或流速進(jìn)行精確控制， 如化工領(lǐng)域里對(duì)微量化學(xué)元素的檢測(cè)和分析常需精確控制流量。醫(yī)療保健領(lǐng)域中藥 液的流量與流速有時(shí)也要精確控制。 靜脈輸液是一種最常用的臨床治療方法，是護(hù)理專業(yè)的一項(xiàng)常用給藥治療技術(shù)。 臨床上應(yīng)根據(jù)藥物和患者情況不同配以適當(dāng)?shù)妮斠核俣?。輸液過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致中 毒,更嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水腫和心力衰竭;輸液過(guò)慢則可能發(fā)生藥量不夠或無(wú)謂地延長(zhǎng)輸 液時(shí)間，使治療受影響并給患者和護(hù)理工作增加不必要的負(fù)擔(dān)。常規(guī)臨床輸液，普 遍采用掛瓶輸液，并用眼睛觀察，依靠手動(dòng)夾子來(lái)控制輸液速度，不易精確控制輸 液速度，而且工作量大。 目前醫(yī)用輸液儀器系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：微機(jī)系統(tǒng)、泵裝置、檢測(cè)裝置、 報(bào)警裝置和輸入及顯示裝置。 醫(yī)用輸液儀器可滿足多種功能的需求，歸納起來(lái)，輸液泵能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能: (1)可精確測(cè)量和控制輸液速度。 (2)可精確測(cè)定和控制輸液量。 (3)液流線性度好，不產(chǎn)生脈動(dòng)。 (4)能對(duì)氣泡、空液、漏液、心率異常和輸液管阻塞等異常情況進(jìn)行報(bào)警，并自 動(dòng)切斷輸液通路。 目前在我國(guó)的大、中、小型醫(yī)院及下屬社區(qū)衛(wèi)生院、診所等醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸液 治療，輸液速度和輸液量幾乎全部都是不準(zhǔn)確的。輸液速度是護(hù)士通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輸液器 上的手動(dòng)滑輪來(lái)控制液體流速的，輸液量也是護(hù)士用只有兩個(gè)標(biāo)記的液體瓶?jī)A倒后 估計(jì)的。輸液速度監(jiān)控等儀器設(shè)備沒(méi)有被廣泛采用。這樣不僅會(huì)影響預(yù)期治療效果。 而且對(duì)于一些對(duì)人體器官作用敏感需要嚴(yán)格控制輸液速度和輸液量的藥物，由于個(gè) 體差異機(jī)體耐受力不同，特別是在手術(shù)中、大手術(shù)后以及病情危重需要嚴(yán)格控制輸 液速度和輸液量的人群，會(huì)導(dǎo)致病情加重，有的甚至危及生命。輸液泵是解決輸液 速度的一種有效方法，采用動(dòng)力擠壓輸液，在一定時(shí)間內(nèi)輸液量是一定的，但期間 點(diǎn)滴速度并不均勻。而且機(jī)器成本和耗材成本太高，只適用于急救和重癥情況。SJK 型數(shù)字輸液監(jiān)控儀性能穩(wěn)定，使用簡(jiǎn)便、易操作，但價(jià)格比較昂貴，應(yīng)用較少。而 在未來(lái)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)里，特別是一些著名的大型醫(yī)院里，在給病人輸液時(shí)，對(duì)輸液速 度和輸液量的數(shù)值的準(zhǔn)確程度的要求會(huì)越來(lái)越高，因此就需要既實(shí)用又廉價(jià)的輸液 檢測(cè)新產(chǎn)品的出現(xiàn)。 課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的液滴點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀，檢測(cè)儀 表具有意外情況報(bào)警功能與液滴速度實(shí)時(shí)顯示功能，本課題主要完成以下幾方面的 工作: (1)檢測(cè)儀的整體方案設(shè)計(jì)。根據(jù)檢測(cè)儀功能要求并且考慮產(chǎn)品的性價(jià)比，決定 采用單片機(jī)與紅外傳感器相結(jié)合。 (2)檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)。主要包括單片機(jī)芯片的選型、紅外傳感器的選型及電路的 設(shè)計(jì)。 (3)檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)。主要包括顯示、液滴檢測(cè)程序設(shè)計(jì)和報(bào)警程序等。 (4)檢測(cè)儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。 第一章 液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀的傳感器設(shè)計(jì)與分析 1.1 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(wú)線電或X射線1。人眼可見的波長(zhǎng)為 380nm-78mm，發(fā)射波長(zhǎng)為780nm-1mm的長(zhǎng)射線稱為紅外線，紅外線光電傳感器，它是 利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通電路而檢測(cè)物體的有無(wú)， 其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)，而且檢測(cè)距離可近可遠(yuǎn)， 根據(jù)具體情況選擇自己合適的傳感器即可，圖1-1為不同波長(zhǎng)的光的分布情況。 圖 1-1 光的波長(zhǎng)分布圖 1.1.1 直射式光電傳感器 直射式光電傳感器包括在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器， 發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷 光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不透明時(shí)，直射式光電傳感器 是最可靠的檢測(cè)模式。直射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 1-2 直射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 1.1.2 直接反射式光電傳感器 直接反射式光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物 體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開關(guān)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(guān)就 產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)， 直接反射式的光電 開關(guān)是首選的檢測(cè)模式。直接反射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 1-3 直接反射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 1.1.3 槽式光電傳感器 槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊， 并形成一個(gè)光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到 的開關(guān)量信號(hào)。槽式光電開關(guān)比較安全可靠，適合檢測(cè)高速變化的信號(hào)，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(cè)體積較大的物體。槽式光電 開關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 1-4 槽式光電開關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)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(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的 光線經(jīng)過(guò)反射板，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān) 就產(chǎn)生了檢測(cè)開關(guān)信號(hào)。反射板反射式光電傳感器示意圖如下： 圖 1-5 反射板反射式光電傳感器 1.2 傳感器的設(shè)計(jì) 1.2.1 傳感器的選用原則 傳感器千差萬(wàn)別，即便對(duì)于相同種類的測(cè)定量也可采用不同工作原理的傳感器， 因此根據(jù)需要選用最適宜的傳感器5。 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以 及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳 感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量電路也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成 敗，在很大程度上取決于傳感器選擇是否合理。 1.2.1.1 根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)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?yàn)椋词故菧y(cè)量同一個(gè)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(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器 的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：測(cè)量距離的大小；被測(cè)量位置對(duì)傳感器體積的 要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式;信號(hào)的引出方法，有線或是無(wú)線測(cè)量;傳感 器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)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(biāo)。 1.2.1.2 輸入光波長(zhǎng)的選擇 通常，在光電傳感器的使用范圍內(nèi)，可見光的影響是無(wú)處不在的。因此要注意 光電開關(guān)發(fā)射器與光電開關(guān)接收器的波長(zhǎng)敏感范圍。如果接收器可接收的光的波長(zhǎng) 范圍很寬，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界光信號(hào)也容易混入.也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量 精度。因此選擇光電傳感器的時(shí)候，要求傳感器本身應(yīng)具有最佳波長(zhǎng)使用范圍，盡 量減少外界信號(hào)的干擾，如果傳感器對(duì)可見光非常的敏感，可以將傳感器系統(tǒng)與可 見光隔離，避免其受到外界影響。 1.2.1.3 頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持 不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總會(huì)有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。 傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率 較低，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)確定所需傳感器的頻率響應(yīng)特性， 以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差，因?yàn)橐旱蜗侣涞乃俣群苈髠鞲衅黝l率很低即可，所以 一般的光電傳感器都可以滿足此項(xiàng)要求。 1.2.1.4 穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前， 應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，液體點(diǎn)滴速 度測(cè)量裝置的使用環(huán)境非常好，此項(xiàng)要求很容易得到滿足。 1.2.1.5 精度 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo).它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè) 重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè) 測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選地過(guò)高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸 多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。 1.2.2 傳感器的選用 在此次設(shè)計(jì)中，對(duì)于測(cè)量液滴的滴數(shù)來(lái)說(shuō)，可以選用多個(gè)傳感器。根據(jù)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，又分很多種。所 以需要選用一個(gè)最佳的方案。 方案一，采用液位傳感器來(lái)檢測(cè)。將一液位傳感器置于受液瓶中，根據(jù)液位傳 感器感受到的液位起伏來(lái)檢測(cè)是否有點(diǎn)滴落下。 方案二，采用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)，根據(jù)光敏三極管接收到的光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化，從而 使光敏三極管產(chǎn)生電流，經(jīng)整合形成高低電平進(jìn)行輸出，通過(guò)對(duì)高低電平的變化來(lái) 判斷是否有液滴地下。 方案三，采用光纖傳感器，將光線傳感器固定于滴斗外側(cè)。當(dāng)有液滴落下時(shí)， 光纖傳感器感知滴斗壁是否產(chǎn)生特定抖動(dòng)，從而判定是否有液滴落下。 綜合分析，方案一將傳感器置于液體中，不可取。同時(shí)由于相鄰兩次液位差距 很小，會(huì)引入較大的測(cè)量誤差。方案三采用光纖傳感器，測(cè)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(jiǎn)單，且不受可見光的干擾，穩(wěn)定性好， 測(cè)量相鄰點(diǎn)滴下落時(shí)間間隔即可確定點(diǎn)滴速度。因此采用方案二。 1.3 傳感器的幾何光學(xué)分析 傳感器幾何光學(xué)分析主要說(shuō)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(duì)檢測(cè)結(jié)果的不同影響，如果安裝位置不合理，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)失敗，從而不能夠 達(dá)到檢測(cè)輸液速度的目的。通過(guò)分析紅外發(fā)光二極管與光敏三極管中心線與水滴下 落過(guò)程中的相對(duì)位置關(guān)系，得出水地下落過(guò)程中，紅外發(fā)光二極管與光敏三極管可 靠的檢測(cè)位置。根據(jù)主要藥液的折射率的范圍，這里選用的折射率的平均值為 1.4012。 此次設(shè)計(jì)中，傳感器是由一個(gè)光電耦合系統(tǒng)組成，這個(gè)系統(tǒng)主要由一個(gè)發(fā)光二 極管和一個(gè)光敏三極管構(gòu)成。通過(guò)光敏三極管對(duì)光的強(qiáng)弱感應(yīng)，進(jìn)行電流的變化， 電流經(jīng)整流后由CD4093整合成電平信號(hào)進(jìn)行輸出。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了紅外傳感器的分類、各種紅外傳感器的結(jié)構(gòu)、選用、各種分析 等。同時(shí)在傳感器的選擇方面，進(jìn)行了多種方案的提出、選擇、與比較，最終確定 了在本次設(shè)計(jì)中使用由光敏器件構(gòu)成的傳感器。 第二章 硬件設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理框圖如圖2-1示： 傳感器檢測(cè)信號(hào)整形 AT89C51 數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)處理 報(bào)警 圖 2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 點(diǎn)滴速度檢測(cè)儀以AT89C51單片機(jī)為核心，由數(shù)碼管電路、傳感器檢測(cè)電路、限 速報(bào)警電路等部分組成。傳感器檢測(cè)電路發(fā)出微弱的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的 放大整形處理，轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠接收的電信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)控制，經(jīng) 過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理送數(shù)碼管顯示模塊顯示，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前液滴數(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新 一次當(dāng)前輸液速度值。當(dāng)液體點(diǎn)滴速度超過(guò)所設(shè)定的極限速度時(shí)限速報(bào)警電路發(fā)出 報(bào)警信號(hào)，提示醫(yī)護(hù)人員目前的輸液狀況異常。 檢測(cè)儀工作過(guò)程 第一: 接通電源，發(fā)光二極管開始點(diǎn)亮 第二：液滴通過(guò)傳感器，傳感器工作，進(jìn)行信號(hào)輸出。 第三：信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部計(jì)數(shù)，同時(shí)存儲(chǔ)。 第四：將計(jì)數(shù)后的結(jié)果送至數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。 第五：可以預(yù)先設(shè)定輸液速度的上限值與下限值，當(dāng)前顯示的輸液速度高于上 限值或低于下限值時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒醫(yī)護(hù)人員。 第六：關(guān)閉電源，停止檢測(cè)。 2.2 傳感器滴數(shù)檢測(cè)電路 傳感器滴數(shù)檢測(cè)電路主要由發(fā)光二極管和光敏三極管組成的一對(duì)發(fā)射、接收管 的電路組成，如圖2-2示。無(wú)液滴低落下時(shí)，接收管接收到的光強(qiáng)較強(qiáng)。有液滴低落 下時(shí)，下落中的水滴對(duì)紅外光有較強(qiáng)的漫反射、吸收及一定的散射作用，導(dǎo)致接收 光強(qiáng)的較大改變。接收管接收到的信號(hào)經(jīng)整形后，送至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0，據(jù)此就 可以正確地檢測(cè)出液滴的滴落。圖2-2給出了傳感器滴數(shù)檢測(cè)電路的電路圖。 圖 2-2 傳感器檢測(cè)電路 2.3 發(fā)射器與接收器 選用砷化鎵紅外發(fā)光二極管與硅光敏三極管，構(gòu)成直射式光電傳感器。主要應(yīng) 用于光電輸入機(jī)及光電讀出裝置的光源，也可應(yīng)用于光電控制自動(dòng)控制及光電耦合 的紅外光源，結(jié)構(gòu)上采用環(huán)氧樹脂全包封，工作溫度適用于-40 -85 8 。 C o 2.3.1 紅外發(fā)光二極管 砷化鎵紅外發(fā)光二極管主要用于光電輸入機(jī)及光電讀出裝置的光源，光電控制 以及光電耦合的紅外光源，采用環(huán)氧樹脂全包封8。 紅外發(fā)光二極管的特性曲線：在這里介紹紅外發(fā)光二極管的特性曲線，是用來(lái) 確定二極管正常工作時(shí)的正向電壓，發(fā)光波長(zhǎng)，工作電流的。正向伏安特性取向和 發(fā)射光譜分布曲線如圖 2-3 示。圖 2-3 中，左圖為正向伏安特性曲線，右圖為發(fā)射 光譜特性曲線。 左圖中，可以看出，正向電壓小于1V時(shí)，正向電流幾乎不變化，等于零；當(dāng)正 向電壓大于1V時(shí)，電流隨著電壓的增大顯著變化。紅外發(fā)光二極管正常工作時(shí)，正 向電壓大約為1.3V。在右圖中，根據(jù)曲線可以看出，當(dāng)紅外發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng) 為0.94m時(shí)，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到頂峰值，因此理想光敏三極管對(duì)入射光波長(zhǎng)的敏感 響應(yīng)程度也應(yīng)該在0.94m附近時(shí)選擇光敏三極管的重要依據(jù)。 圖 2-3 發(fā)光二極管特性曲線圖 2.3.2 光敏三極管 光敏三極管由三個(gè)引腳組成，如圖2-4示，包括1腳發(fā)射極，2腳基極，3腳集電 極。 圖 2-4 光敏三極管 硅光敏三極管用于近紅外光探測(cè)器，以及光耦合，特性識(shí)別，過(guò)程控制等方面。 用陶瓷底座環(huán)氧封裝。上面分析到光敏三極管的理想響應(yīng)波長(zhǎng)應(yīng)為0.94m。真樣才 能讓設(shè)計(jì)達(dá)到理想的效果。光敏三極管容易受外界環(huán)境因素的影響。當(dāng)光線增強(qiáng)時(shí)， 光電流也隨之增強(qiáng)；當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，光電流也隨之變強(qiáng)了，從而可見，光敏三 極管容易受外界環(huán)境因素的影響，尤其是光線和溫度的影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中是個(gè)不 可忽視的因素。對(duì)外界環(huán)境因素的考慮要慎重，否則一點(diǎn)小的馬虎就會(huì)影響設(shè)計(jì)的 結(jié)果和效果。 2.4 電路參數(shù)的計(jì)算 在圖2-2中，當(dāng)液滴地落在二極管與硅光敏三極管之間時(shí)，硅光敏三極管被液滴 遮擋不能接受到紅外光，因此硅光敏三極管截止，三極管9014導(dǎo)通，輸出端產(chǎn)生低 電平信號(hào)，當(dāng)紅外發(fā)光二極管與硅光敏三極管之間沒(méi)有液滴滴下時(shí)，紅外發(fā)光二極 管發(fā)出的光能夠被硅光敏三極管接收，因此硅光敏三極管導(dǎo)通，三極管9014截止， 輸出端產(chǎn)生高電平信號(hào)，產(chǎn)生的高低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)CD4093整形變成標(biāo)準(zhǔn)的高低電平 信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)的另外一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)，進(jìn)過(guò)一定的程 序算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體點(diǎn)滴速度的檢測(cè)。 如圖2-2示，紅外發(fā)光二極管選定后，紅外發(fā)光二極管的正向壓降最大正向電流 確定了，因此根據(jù)電源電壓，可以算出電阻,如式2-1。 3 R （2-1） 117 1030 5 . 15 3 3 A VV I VV R h hCC 式中：電源電壓 CC V ：正向壓降( 1.50) h V ：最大正向電流 h I 當(dāng)光敏三極管選定后，三極管的集電極與發(fā)射極間的飽和電壓、集電極電流為 已知參數(shù)，通過(guò)式2-2可以求得。 1 R （2-2） 3 3 1 1 1 106 . 4 101 4 . 05 A VV I VV R CC 式中：電源電壓 CC V ：光敏三極管集電極與發(fā)射極間的飽和電壓V 1 ：光敏三極管集電極電流 1 I 當(dāng)三極管9014選定后，根據(jù)式23可以求得。 2 R （2-3） 3 3 2 102 . 9 105 . 0 45 A VV I VV R C CECC 式中：電源電壓 CC V ：9014集電極與發(fā)射極間的飽和電壓 CE V ：9014集電極電流 C I 根據(jù)選定的三極管9014，可以用式24求得。 4 R （2-4） 3 3 4 10550 280 105 . 0 1V I V R C BE 式中：9014基極-發(fā)射極飽和壓降 BE V ：9014電流放大倍數(shù)額定值 ：9014集電極電流 C I 由此來(lái)設(shè)計(jì)傳感器的檢測(cè)電路,以上為傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。 2.5 單片機(jī)的選擇 2.5.1 現(xiàn)有主流單片機(jī)的概述 MCS- 51系列單片機(jī)是Intel公司在20世紀(jì)80年代初研制出來(lái)的，很快就在全世界 得到廣泛的推廣應(yīng)用。十多年來(lái)，MCS-51系列單片機(jī)無(wú)論在教學(xué)、工業(yè)控制、儀器 儀表、信息通信，還是在交通、航運(yùn)、家用電氣領(lǐng)域，都取得了大量的應(yīng)用成果。 Intel公司雖然已經(jīng)把精力集中在計(jì)算機(jī)的CPU生產(chǎn)上，而漸漸放棄了微控制器的生產(chǎn)。 但是，以MCS-51技術(shù)核心為主導(dǎo)的微控制器技術(shù)已被ATMEL,PHILIPS等公司所繼 承，并且在原有基礎(chǔ)上又進(jìn)行了新的開發(fā)，從而產(chǎn)生了和MCS-51兼容而功能更加強(qiáng) 勁的微控制器系列。ATMEL公司所生產(chǎn)的89系列單片機(jī)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(guó)在20世紀(jì)80年代中期成立并發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體公司。該公司 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)高可靠性生產(chǎn)技術(shù)。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，在20 世紀(jì)90年代初，ATMEL公司一躍成為全球最大的EEPROM供應(yīng)商。1994年為了介入 單片機(jī)市場(chǎng)，ATMEL公司以EEPROM技術(shù)和Intel的80C31單片機(jī)核心技術(shù)進(jìn)行交換， 從而取得80C31核的使用權(quán)。ATMEL公司把自身的先進(jìn)Flash存儲(chǔ)技術(shù)和80C31核相結(jié) 合，從而生產(chǎn)出了Flash單片機(jī)AT89C51系列。這是一種內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的特殊單 片機(jī)。由于它內(nèi)部含有大容量的Flash存儲(chǔ)器，所以，在產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)便攜式商品、 手提式儀器等方面有著十分廣泛的應(yīng)用，也是目前取代傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機(jī)的 主流單片機(jī)之一。該芯片不僅具有MCS51系列單片機(jī)的所有特性，而且片內(nèi)集成有 4K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器。其價(jià)格低、引腳方便，是目前性能價(jià)格比較高的現(xiàn)用主流單 片機(jī)芯片之一。 2.5.2 單片機(jī)的選用 本檢測(cè)儀在數(shù)據(jù)處理上速度要求不是很高，8位機(jī)即可。單片機(jī)采用美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編 程/擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)制造，并且與80C51 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容3。 2.5.2.1 主要性能5： （1）與MCS-51 微控制器產(chǎn)品系列兼容。 （2）片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的快閃擦寫存儲(chǔ)器 （3）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)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(chǔ)器具有3級(jí)加密保護(hù) （7）128*8位內(nèi)部RAM （8）32條可編程I/O線 （9）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 （10）中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí) （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(chǔ)內(nèi)容 2.5.2.2 AT89C51 引腳圖 AT89C51有40個(gè)引腳，如圖2-5示。 圖 2-5 AT89C51 引腳圖 2.5.2.3 各個(gè)引腳說(shuō)明 圖2-5為AT89C51的引腳圖，對(duì)其在本次設(shè)計(jì)中的主要使用的引腳說(shuō)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(jī)正常 工作。是單片機(jī)的電源提供端口。 P0: P0口(P0.0P0.7)是一個(gè)8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù) 時(shí)，它是地址總線（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一 般雙向IO 口用P0口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8 個(gè)LSTTL 負(fù)載。 P2：P2口(P2.0P2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)， 當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙 向IO口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LSTL負(fù)載。 P1: P1口(P1.0P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)， 其輸出可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)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(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)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(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ) 器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。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 INT1 外部中斷1 輸入，低電平有效。 P3.4 T0 計(jì)數(shù)器0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端。 P3.5 T1 計(jì)數(shù)器1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端。 P3.6 WR 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，低電平有效。 P3.7 RD 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效。 XTAL1: 接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)法相放大器輸入端， 這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)該接地。 GND：電源接地端。 此次設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)功能。主要應(yīng)用的計(jì)數(shù)器是其內(nèi) 部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)采用增量式計(jì)數(shù)。也就是說(shuō)，當(dāng)運(yùn)行于 定時(shí)器方式時(shí)，每隔一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器自動(dòng)加一；當(dāng)運(yùn)行于計(jì)數(shù)器方式時(shí)，每當(dāng) 引腳出現(xiàn)下跳沿，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1.無(wú)論是作定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器，當(dāng)T0或T1加滿回零 后，定時(shí)器回零標(biāo)志置1。而當(dāng)允許中斷時(shí)，TF可以申請(qǐng)中斷進(jìn)而在中斷服務(wù)中作相 應(yīng)的操作；TF也可以用程序判斷定時(shí)到或計(jì)數(shù)滿的標(biāo)志位13。 2.6 顯示部分設(shè)計(jì)與分析 顯示技術(shù)是傳遞信息的技術(shù)，顯示器件是顯示技術(shù)的基礎(chǔ)。幾十年來(lái)的發(fā)展， 顯示器件已成為一個(gè)大家庭。利用不同的電光原理，具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適應(yīng)不 同環(huán)境和條件的各種顯示器件構(gòu)成一個(gè)大家庭。 顯示器在儀器儀表、手持設(shè)備、電話系列、家用電器、運(yùn)動(dòng)耗材、醫(yī)療保健儀 器等電子產(chǎn)品中得到了充分廣泛的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)顯示器的要求要顯示清晰、直觀、 準(zhǔn)確。 此次設(shè)計(jì)的顯示部分可有多種方法實(shí)現(xiàn)，可以用液晶顯示，可以用數(shù)碼顯示， 還可以用熒光管顯示。但是考慮到此次設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)何和可實(shí)現(xiàn)性。對(duì)于液晶顯示器 來(lái)說(shuō)，費(fèi)用相比較高，雖然實(shí)現(xiàn)與操作方便，但是考慮到費(fèi)用，相比液晶顯示器和 熒光管顯示器來(lái)說(shuō)，數(shù)碼管顯示是比較理想的選擇。 2.6.1 數(shù)碼管的選用與特性分析 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè) 發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4 位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共 陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管。共 陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平 時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼 管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼 管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電 平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。在此次 設(shè)計(jì)中，使用的是共陰極七段數(shù)碼管。是因?yàn)橛?jì)數(shù)的值全位整數(shù)，沒(méi)有小數(shù)22。 點(diǎn)亮LED顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時(shí)， 相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通和截至，這種方式，每一位顯示都需要一個(gè)8位輸出口 控制，占用硬件較多，一般僅用于顯示器位數(shù)較少的場(chǎng)合。 所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器。對(duì)每一位顯示器而言， 每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示位的亮度既跟導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí) 間的比例有關(guān)。動(dòng)態(tài)顯示器因其硬件成本較低，多數(shù)顯示時(shí)常常采用。下圖為七段 數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖： 圖 2-6 七段數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖 數(shù)碼管使用條件：（1）段及小數(shù)點(diǎn)上加限流電阻；（2）使用電壓：段：根據(jù) 發(fā)光顏色決定； 小數(shù)點(diǎn)：根據(jù)發(fā)光顏色決定；（3）使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動(dòng)態(tài)：平均電流 4-5mA峰值電流 100mA。 上面這個(gè)只是七段數(shù)碼管引腳圖，其中共陽(yáng)極數(shù)碼管引腳圖和共陰極的是一樣 的。 數(shù)碼管選用好后，將與其他硬件連接以完成一個(gè)理想的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。然而， 每個(gè)數(shù)碼管都需要 6 個(gè)段碼掃描端和 2 兩個(gè)位碼掃描端。但是單片機(jī)上輸出口只有 有限的幾個(gè)可以使用，難以滿足數(shù)碼管的多輸入（單片機(jī)多輸出）的要求。因此， 需要解決端口的局限問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。解決端口問(wèn)題時(shí)，我們使用雙向總線 發(fā)送器/接收器 74LS245 與高壓輸出反相緩沖器/驅(qū)動(dòng)器 74LS06 進(jìn)行對(duì)端口的擴(kuò)展 與補(bǔ)充。 2.6.2 74LS245 分析與使用 74LS245是顯示模塊中不可缺少的一個(gè)元件。它在顯示的是段碼掃描部分有 著重要作用。74LS245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器。 74LS245邏輯原理圖如下圖所示： 圖 2-7 74LS245 邏輯原理圖 從圖中可以看出，A為總線端，B為總線端，/G為三態(tài)允許端(低電平有效)DIR為 方向控制端。本次設(shè)計(jì)采用的是A端輸入，B端輸出的功能 2.6.3 74LS06 分析與使用 74LS06 為集電極開路輸出的六組反相驅(qū)動(dòng)器，其主要電特性的典型值如下表 所示： 表 2-1 74LS06 電氣特性 74LS06 功能表如下表所示： 表 2-2 74LS06 功能表 74LS06邏輯原理圖如下圖所示： 圖 2-8 74LS06 邏輯原理圖 從圖中可以看出：引出端符號(hào) A1A6 為輸入端，Y1Y6 為輸出端。 2.7 硬件設(shè)計(jì)總原理圖和 PCB 圖 圖 2-9 電路原理圖 圖 2-10 PCB 設(shè)計(jì)圖 2.8 本章小結(jié) 本章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)部分。包括硬件的組成搭建設(shè)計(jì)、各個(gè)硬 件的結(jié)構(gòu)介紹如 AT89C51、光敏三極管、LED 數(shù)碼顯示管等。應(yīng)用 Protel 軟件畫出 了原理圖，并且畫出了 PCB 圖。 第三章 軟件的設(shè)計(jì) 3.1 軟件設(shè)計(jì)概述 良好的設(shè)計(jì)方案可以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，提高軟件的通用性，擴(kuò)展性和可 讀性。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和步驟如下8: （1）根據(jù)需求按照系統(tǒng)的功能要求，逐級(jí)劃分模塊。 （2）明確各模塊之間的數(shù)據(jù)流傳遞關(guān)系，力求數(shù)據(jù)傳遞少，以增強(qiáng)各模塊的獨(dú) 立性，便于軟件調(diào)試。 （3）確定軟件開發(fā)環(huán)境，選擇設(shè)計(jì)語(yǔ)言，完成模塊功能設(shè)計(jì)，并分別調(diào)試通過(guò)。 (4)按照開發(fā)式軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將各模塊有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，即成一個(gè)較完善的 系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)是按照程序一條條依次執(zhí)行指令而工作的，根據(jù)具體的需要選擇合適的 設(shè)計(jì)語(yǔ)言，對(duì)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)速度至關(guān)重要。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種: 機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)唯一能“懂”的語(yǔ)言，用匯編 和高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序 (稱為源程序)最終都必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的程序(稱為目標(biāo) 程序)計(jì)算機(jī)才能看“懂”然后逐一執(zhí)行。但是機(jī)器語(yǔ)言是一種用二進(jìn)制數(shù)0、1組成 的代碼，人們不容易辨識(shí)、記憶、而且很容易出錯(cuò)，出錯(cuò)后查錯(cuò)任務(wù)更加艱巨，所 以很難用它來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。 在此次設(shè)計(jì)中，選用的是匯編語(yǔ)言，相比高級(jí)語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言存在諸多弊端， 比如沒(méi)有關(guān)鍵字及運(yùn)算函數(shù)的功能、程序過(guò)于冗長(zhǎng)等。盡管相比高級(jí)語(yǔ)言如C語(yǔ)言等， 較匯編語(yǔ)言相比有許多的優(yōu)點(diǎn)，但匯編有其自身的特點(diǎn)和長(zhǎng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的情況下，使用匯編語(yǔ)言也十分 的方便，而且高級(jí)語(yǔ)言源程序要通過(guò)預(yù)存于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的編譯程序或解釋程序 才能翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，而存儲(chǔ)器較小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容納不下，因此無(wú)法配用這些工 具程序，但是匯編語(yǔ)言可以直接翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，然后再由計(jì)算機(jī)去識(shí)別和執(zhí)行。 因此運(yùn)用用匯編語(yǔ)言編程是很方便的了。 匯編語(yǔ)言中由于使用了助記符號(hào)，用匯編語(yǔ)言編制的程序輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī) 不能象用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序一樣直接識(shí)別和執(zhí)行，必須通過(guò)預(yù)先放入計(jì)算機(jī)的匯 編程序的加工和翻譯，才能變成能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理的二進(jìn)制代碼程序。用匯 編語(yǔ)言等非機(jī)器語(yǔ)言書寫好的符號(hào)程序稱為源程序，運(yùn)行時(shí)匯編程序要將源程序翻 譯成目標(biāo)程序。目標(biāo)程序是機(jī)器語(yǔ)言程序，它一經(jīng)被安置在內(nèi)存的預(yù)定位置上，就 能被計(jì)算機(jī)的CPU處理和執(zhí)行8。 匯編語(yǔ)言像機(jī)器指令一樣，是硬件操作的控制信息，因而仍然是面向機(jī)器的語(yǔ) 言，使用起來(lái)還是比較繁瑣費(fèi)時(shí)，通用性也差。但是，匯編語(yǔ)言用來(lái)編制系統(tǒng)軟件 和過(guò)程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快，有著高級(jí)語(yǔ)言不可替 代的用途。 匯編語(yǔ)言主要用在設(shè)備控制、加密破解、開發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品.對(duì)計(jì)算機(jī)性能的優(yōu)化 等。一般用于開發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)就必須使用匯編語(yǔ)言來(lái)編輯， 否則不能用的?？梢院芎玫膶?shí)現(xiàn)微電子控制。 用匯編語(yǔ)言編制程序時(shí)，程序的每一條語(yǔ)句都與計(jì)算機(jī)的某一條具體的指令相 對(duì)應(yīng)，因此必須熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)。另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，編譯成機(jī)器語(yǔ)言后，高級(jí) 語(yǔ)言較匯編語(yǔ)言的長(zhǎng)度增加15%-200%，占用的內(nèi)存空間隨之?dāng)U大，執(zhí)行的時(shí)間也相 應(yīng)增長(zhǎng)50%-300%。因此對(duì)于要求反映靈敏與控制及時(shí)、檢測(cè)等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，采用 匯編語(yǔ)言編程的優(yōu)越性也很明顯。 液體點(diǎn)滴實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件全部采用匯編語(yǔ)言編寫，以提高系統(tǒng)的靈敏性和 實(shí)時(shí)性。其設(shè)計(jì)方法和硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將該部分設(shè)計(jì)劃 分為相應(yīng)的程序模塊，便于設(shè)計(jì)、調(diào)試。此次設(shè)計(jì)中程序的編寫與仿真環(huán)境應(yīng)用的 是WAVE仿真環(huán)境。 3.1.1 WAVE 仿真環(huán)境的硬件特點(diǎn) 偉福仿真品種多、功能強(qiáng)，和國(guó)內(nèi)外同類高檔仿真器功能相比，軟、硬件方面 具有多種先進(jìn)特點(diǎn)2。硬件方面先進(jìn)的特點(diǎn)如下： 1、通用仿真器：主機(jī)+POD組合，通過(guò)更換POD，可以對(duì)各種CPU進(jìn)行仿真。對(duì)不 同的應(yīng)用場(chǎng)合，用戶如果選擇不同的CPU，通常就要更換仿真器，而偉福仿真器則采 用主機(jī)+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(hào)噪聲， 而無(wú)須縮短您的仿真電纜。 3、強(qiáng)大的邏輯分析儀綜合調(diào)試功能：邏輯分析儀由交互式軟件菜單窗口對(duì)系統(tǒng) 硬件的邏輯或時(shí)序進(jìn)行同步實(shí)時(shí)采樣，并實(shí)時(shí)在線調(diào)試分析，采集深度 32K(E6000/L)，最高時(shí)基采樣頻率達(dá)20M，40路波形的可精確實(shí)時(shí)反映用戶程序運(yùn)行 時(shí)的歷史時(shí)間。 4、強(qiáng)大的跟蹤器功能：跟蹤功能是以總線周期為單位，實(shí)時(shí)記錄 CPU仿真運(yùn)行 過(guò)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路可編程數(shù)字波形，波形深度 達(dá) 32K，最高頻率為20MHz。 6、影子存儲(chǔ)器：用戶在程序全速執(zhí)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)觀察到時(shí) MCS51 系列 CPU 和 MCS96 系列CPU的外部數(shù)據(jù)的變化。 7、程序時(shí)效分析：統(tǒng)計(jì)每個(gè)函數(shù)、過(guò)程運(yùn)行時(shí)間，以及占整個(gè)程序運(yùn)行時(shí)間的 百分比。在設(shè)計(jì)高效率程序時(shí)，就要知道程序中各函數(shù)、各過(guò)程運(yùn)行時(shí)間及占總時(shí) 間的百分比，程序時(shí)效分析可以對(duì)此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 8、數(shù)據(jù)時(shí)效分析：與程序時(shí)效分析相似的是，數(shù)據(jù)時(shí)效分析，它可統(tǒng)計(jì)每個(gè)變 量被訪問(wèn)的次數(shù)及占整個(gè)程序訪問(wèn)次數(shù)的百分比。 9、硬件測(cè)試：對(duì)于MCS51系列CPU和MCS96系列 CPU可以靜態(tài)地輸出地址、數(shù)據(jù) 以及ALE、PSEN、BHE、RD、WR 等讀寫控制信號(hào)，從而可以從用戶板上靜態(tài)地測(cè)量這 些信號(hào)的值，從底層去控制、分析電路的工作狀態(tài)，可以準(zhǔn)確方便地檢測(cè)硬件方面 的隱蔽問(wèn)題。 10、事件觸發(fā)：用于指定用戶程序運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)的各種事件，這些事件包括地 址條件、數(shù)據(jù)條件、控制信號(hào)條件、外部信號(hào)條件以及這些條件的組合，用這些事 件來(lái)觸發(fā)、控制邏輯分析儀、程序跟蹤器的運(yùn)行，以捕捉程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各類復(fù) 雜情況，迅速定位設(shè)計(jì)中軟、硬件問(wèn)題所在。 11、記時(shí)器：記錄程序運(yùn)行時(shí)間。 12、雙CPU結(jié)構(gòu): 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(diǎn)，不受任何條件限制，支持地址、數(shù)據(jù)、外部信號(hào)、事件斷點(diǎn)、支 持實(shí)時(shí)斷點(diǎn)計(jì)數(shù)、軟件運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。 3.1.2 WAVE 仿真環(huán)境的軟件特點(diǎn) 1、雙工作模式：a) 軟件模擬仿真（不用仿真器也能模擬運(yùn)行用戶程序）。b) 硬件仿真。 2、真正集成調(diào)試環(huán)境： 集成了編輯器、編譯器、調(diào)試器，源程序編輯、編譯、 下載、調(diào)試全部可以在一個(gè)環(huán)境下完成。 3、項(xiàng)目管理功能：現(xiàn)在單片機(jī)軟件越來(lái)越大，也越來(lái)越復(fù)雜，維護(hù)成本也很高， 通過(guò)項(xiàng)目管理可化大為小，化繁為簡(jiǎn)，便于管理。項(xiàng)目管理功能 也使得多模塊，多 語(yǔ)言混合編程。 4、多語(yǔ)言多模塊混合調(diào)試：支持ASM（匯編）、PLM、C語(yǔ)言多模塊混合源程序 調(diào)試，在線直接修改、編譯、調(diào)試源程序。如果源程序有錯(cuò)，可直接定位錯(cuò)誤所在 行。 5、直接點(diǎn)屏觀察變量：在源程序窗口，點(diǎn)擊變量就可以觀察此變量的值，方便 快捷。 6、強(qiáng)大的書簽、斷點(diǎn)管理功能：書簽、斷點(diǎn)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(jìn)、后退定位功能：可以在項(xiàng)目?jī)?nèi)跨模塊地定位光標(biāo)前一次或后 一次位置，為比較、分析程序提供幫助。 8、方便實(shí)用、功能多樣的源程序編輯窗口：（1）、窗口分隔功能。（2）、語(yǔ) 法相關(guān)彩色顯示，使得編寫程序輕松，觀