【文章內(nèi)容簡介】 涉及到細(xì)調(diào)節(jié)時難以控制，不易實(shí)現(xiàn)。 控制用電動機(jī)及驅(qū)動的選擇與比較 方案一：采用直流電機(jī) 由于直流電機(jī)上電即轉(zhuǎn)動，掉電后慣性較大，停機(jī)時還會轉(zhuǎn)動一定角度后才可停下來。轉(zhuǎn)矩小、無抱死功能，如果要求準(zhǔn)確停在一個位置，其閉環(huán)算法較復(fù)雜。 方 案二：采用步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機(jī)。步進(jìn)電機(jī)每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，控制信號為數(shù)字信號，不再需要數(shù)／模轉(zhuǎn)換，具有快速啟／系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 7 停能力，可在一剎那間實(shí)現(xiàn)啟動或停止，且步距角降低小，延時短，定位準(zhǔn)確，精度高，可操作性強(qiáng)。 綜合考慮 ,選用步進(jìn)電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動控制電路。 顯示器接口電路方案選擇論證 設(shè)計任務(wù)書中提到，滴速的大小要由人工來設(shè) 定。顯示內(nèi)容包括預(yù)先設(shè)定值與調(diào)整值。針對本設(shè)計的顯示具體有以下的兩種方案： 方案一：采用 (LCD)液晶顯示屏。液晶顯示屏具有功耗小、輕薄短小無輻射等優(yōu)點(diǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計滴速在 20— 150 之間，故只需顯示三位溫度值，信息量比較少，而液晶屏是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，這就意味著編程工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高。 方案二：采用三位 LED 七段數(shù)碼管顯示點(diǎn)滴數(shù)目。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老 化，對外界環(huán)境要求較低等特性。同時數(shù)碼管采用 BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 綜合比較以上兩種方案，結(jié)合本設(shè)計的要求可知采用方案二較為合適。 鍵盤接口電路方案選擇論證 鍵盤是人向機(jī)器輸入數(shù)據(jù)核對系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)的基本設(shè)備，而單片機(jī)系統(tǒng)本身價格低，一般采用非編碼鍵盤，非編碼鍵盤可分為獨(dú)立式按鍵電路、矩陣式鍵盤電路，中斷式鍵盤電路等。 獨(dú)立式按鍵電路 單片機(jī)控制系統(tǒng)中，往往只需要幾個功能鍵。對于少量鍵盤一般采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu)，獨(dú)立式按鍵特點(diǎn)是每個鍵單獨(dú)占用 1 根 I/O 接口線，每個鍵的工 作不會影響其他接口的狀態(tài)這種電路結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活。 矩陣式鍵盤電路 矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，鍵兩端分別接于行線和列線上。常用的鍵盤大小有 4* 8* 4*8 等 系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 8 該系統(tǒng)使用的按鍵數(shù)較少，故采用獨(dú)立式鍵盤最為合適 . 單片機(jī)型號的選擇與論證 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年代初研制的，很快就在全世界得到廣泛的推廣應(yīng)用。 MCS— 51 無論是在教學(xué)，工業(yè)控制，儀器儀表，信息通信，還是在交通，航運(yùn)，家用電器領(lǐng) 域，都取得大量的應(yīng)用成果。 INTEL 公司雖然已經(jīng)把精力集中在計算機(jī)的 CPU 生產(chǎn)上，但是，以 MCS— 51 技術(shù)核心為主導(dǎo)的微控制器技術(shù)以被 ATMEL， PHILIPS 等公司繼承，并在原有的基礎(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公司的 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(jì) 80 年代中期成立并發(fā)展起來的半導(dǎo)體公司，該公司的技術(shù)優(yōu)勢在于 FLASH 存儲器技術(shù)和高質(zhì)量高可靠性的 生產(chǎn)技術(shù)。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展。 20 世紀(jì) 90 年代， ATMEL 成為全球最大的 EEPROM 供應(yīng)商， 1994 年為了介入單片機(jī)市場， ATMEL 公司以 EEPROM 技術(shù)與 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 把自身先進(jìn)的 FLASH 存儲技術(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)部含有FLASH 存儲器的特殊單片機(jī)。由于它內(nèi)部含有大量的 FLASH 存儲器，所以，在產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)便攜式產(chǎn)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。 單片機(jī)的選用 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制單元，它控制所有的輸入輸出。監(jiān)控系統(tǒng)是一個單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)中有一些功能無法集成到芯片內(nèi)部，如晶振，復(fù)位電路等，需在片外加相應(yīng)的輔助電路。對于片內(nèi)無 ROM 的單片機(jī)，還應(yīng)該配置片外程序存儲器。這里選用的是 ATMEL 公司的 AT89C2051 和 AT89C51，都帶內(nèi)置 ROM，只需加電源，震蕩電路，復(fù)位電路等。單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖 所示 系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 9 圖 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只 讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的單片機(jī) ，其指令集和傳統(tǒng)的51單片機(jī)指令集是一樣的。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 1 AT89C51 主要 性能 ： （ 1） 與 MCS51 兼容 （ 2） 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 (壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ) （ 3） 全靜態(tài)工作： 0Hz24KHz （ 4） 三級程序 存儲器保密鎖定 （ 5） 128*8 位內(nèi)部 RAM （ 6） 32 條可編程 I/O線 （ 7） 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 10 （ 8） 6個中斷源 （ 9） 可編程串行通道 （ 10） 低功耗的閑置和掉電模式 （ 11） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2 AT89C51 管腳 圖 ： AT89C51 管腳 圖如圖 1289765431 01 11 21 81 91 71 61 51 41 32 03 02 92 32 22 42 52 62 72 82 14 03 93 33 23 43 53 63 73 83 1P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 7R S TP 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 2P 3 . 0P 3 . 1P 3 . 7X T A L 2P 3 . 6P 3 . 5P 3 . 4P 3 . 3P 3 . 2P 2 . 7P 2 . 6P 2 . 0P 2 . 1P 2 . 2P 2 . 3P 2 . 4P 2 . 5P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 7E A / V P PP 0 . 6P 0 . 5P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 2X T A L 1G N DA L E / P R O GP S E NT X DR X DI N T 0I N T 1W RT 1T 0R DA T 8 9 C 5 1 3 AT89C51 引腳功能 P0 口： P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù) 存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 圖 AT89C51管腳 圖 系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 11 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL門電流，當(dāng) P2口 被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為 高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 4 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確 的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 12 閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止 。 單片機(jī) I/O 口管腳分配 由單片機(jī)外部接線可知， I/O 口管腳分配情況如下： 與報警裝置相連，當(dāng)輸液出現(xiàn)異?；驁缶I被按下時， 口會有一個高電平，驅(qū)動報警裝置。 是加鍵按鈕的輸入，當(dāng)檢測到加鍵被按下， 輸入一個低電平，設(shè)定值加一。 是減鍵按鈕的輸入，當(dāng)檢測到減鍵被按下， 輸入一個低電平，設(shè)定值加一。 是加鍵按鈕的輸入，當(dāng)檢測報警鍵被按下， 輸入一個低電平，給 一個高電平，觸發(fā)報警裝置。 — 為步進(jìn)電動機(jī)的脈沖輸入端，通過輪流置一來控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向。 為數(shù)據(jù)采集端口，當(dāng)有脈沖經(jīng)過時，就會給 一個高 電平信號，從而進(jìn)行脈沖計數(shù)，計算流速。 P3 口是與上位機(jī)的通信端口。 — 是顯示器的位控制端口。 — 是顯示數(shù)據(jù)的輸出口。輸液系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計 13 第三章 輸液系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計 基于第二章的方案論證，第三章主要設(shè)計了輸液系統(tǒng)整體的硬件結(jié)構(gòu)及各主要部分硬件的具體設(shè)計。 圖 主從站結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 晶振電路 復(fù)位電路 鍵盤輸入 病房AT89C51 顯示裝置 報警裝置 控制電機(jī) 電源電路 Max485 Max485 護(hù) 士 室AT89C51 MAX232 監(jiān)控電腦 護(hù)士房主控電腦 通信模塊max485 病房下位機(jī) 89c51 病房下位機(jī) 89c51 輸液系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計 14 控制電機(jī)模塊設(shè)計 本設(shè)計的操作部分采用的是步進(jìn)電動機(jī)。利用單片機(jī)來控制步進(jìn)電動機(jī)，按相序輸入脈沖以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制。每輸入一個脈沖電機(jī)沿選擇方向前進(jìn)一步，每前進(jìn)一步電機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定角度。從而帶動滴瓶來調(diào)節(jié)高低，進(jìn)而達(dá)到控制滴速的目的。 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動機(jī)是一種將輸入的數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或線位移的執(zhí)行元件 ,是一種多相同步電動機(jī) ,由專用的脈沖電源供電，每輸入一個脈沖，就轉(zhuǎn)過一個角度或前進(jìn)一步，故稱步進(jìn)電動機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入 脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 在電動機(jī)定子上有 A、 B、 C三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為 A相、 B相和 C相，而轉(zhuǎn)子則是一個帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動機(jī)稱之為三相步進(jìn)電動機(jī)。如果在線圈中通以直流電，就會產(chǎn)生磁場，當(dāng) A、 B、 C 三個磁極的線圈依次輪流通電，則 A、 B、 C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒。這樣按 A→B→C→ A→B→C→A→? 次序輪流通電，步進(jìn)電動機(jī)就一步一步地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。如果把步進(jìn)電動機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過來換成 A→C→B→