【文章內(nèi)容簡介】 小系統(tǒng)的電路圖如圖 23： 11 10pFC510pFC7GND5VGND5V1234567813121514EA/VPP31X119X218RESET9171632333435363738392122232425262728VCC40GND201011ALE/PROG30PSEN29U2c51VALVE1VALVE25VRSTX1X2X2X1PUMPRST10KR2GND時鐘電路復位電路10uFC6Y112M 晶體 圖 23 單片機最小系統(tǒng)電路圖 其中 、 、 輸出的高低電平用來控制驅(qū)動電路中繼電器的開合，進而控 制氣泵和電磁閥的工作狀態(tài)。 最小系統(tǒng)中的復位電路 復位操作有上電自動復位 和 按鍵手動復位兩種方式。 上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖 24（ a）所示。這佯，只要電源 VCC 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復位初始化。 按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復位是通過使復位端經(jīng)電阻與 VCC 電源接通而實現(xiàn)的，其電路如圖 24（ b） 所示；而按鍵脈沖復位則是利用 RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的，其電路如圖 24（ c）所示： VCCRST1KR4GND22uFC822uFC9S2SWSPST1KR5200R1VCC22uFC10S3SWSPST1KR91KR8VCC22uFC11RST RSTGND GND（ c）按鍵脈沖復位（ b）按鍵電平復位（ a）上電復位 圖 24 復位電路 12 上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于 6MHz 晶振，能保證復位信號高電平持續(xù)時間大于 2個機器周期。 本系統(tǒng) 使用的是 12MHz 的晶振， 復位電路采用圖 24（ a）所示的 上電復位方式。 最小系統(tǒng)中的時鐘電路 STC89C52RD 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD和 TXD 分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時鐘電路如圖 25（ a） 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)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。晶體振蕩頻率可以在 ～ 12MHz 之間選擇，電容值在 5～ 30pF之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。 外部方式的時鐘電路如圖 25（ b） 所示， RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1 和 P2，供單片機使用。 10pFC1210pFC13GNDX1X2Y212M 晶體12P51 2U3A1KR13VCCGNDX2X1（ b）外部方式時鐘電路（ a）內(nèi)部方式時鐘電路外部振蕩器 圖 25 時鐘電路 氣泵驅(qū)動電路、電磁閥驅(qū)動電路 氣泵驅(qū)動電路、電磁閥驅(qū)動電路如圖 26： 13 1KR3Q19013GND12V12JJ1A繼電器34J1B繼電器12VGND12P2Header 2PUMPD1IN41485V1KR12 圖 26 氣泵驅(qū)動電路、電磁 閥驅(qū)動電路電路圖 電路原理分析：當單片機輸出高電平時，三極管導通，此時電路導通，繼電器吸合，氣泵或電磁閥開始工作，即所選通氣囊開始充氣；當單片機輸出低電平時，三極管截止，此時電路也處于截止狀態(tài)，繼電器不能吸合，因此氣泵或電磁閥也不能夠工作，也即此時氣囊不充氣。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PCB 結(jié)構(gòu)圖如圖 27： 14 圖 27 PCB結(jié)構(gòu)圖 15 3 腿部氣動按摩儀的軟件設計 軟件設計概述 STC89C52RD 單片機上程序的燒寫方法是將單片機插到單片機開發(fā)板上，開發(fā)板上有集 成 USB 轉(zhuǎn)串口芯片，所以在設計系統(tǒng)電路時省去了設計往單片機里下載程序的部分。因此只需將已經(jīng)下載好程序的單片機插到已經(jīng)設計好的電路中即可運行、調(diào)試。 程序的編寫主要是對充氣時間的控制，對氣囊充氣和放氣順序的控制以及充氣和放氣循環(huán)次數(shù)的控制。 因為模型計算出充氣時間為 ，忽略實際測量誤差，設定充氣時間為10s。 系統(tǒng)程序流程圖 主程序流程圖如圖 31： PUMP= VALVE1= VALVE2= i=0 PUMP=1 VALVE1=1 VALVE2=0 延時子程序 1 1 PUMP=1 VALVE1=0 VALVE2=1 延時子程序 i=i+1 i10 21 21 開始 16 圖 31 主程序流程圖 延時程序流程圖如圖 32： 圖 32 延時程序流程圖 系統(tǒng)程序設計 系統(tǒng)的程序為： /* times2=1 Times1=1 延時 50000us times1=times1+1 times120 N times2=times2+1 Times210 N Y Y 結(jié)束 開始 17 名稱： IO口高低電平控制 內(nèi)容：利用 P1口控制氣泵和電磁閥工作 */ include //包含頭文件，一般情況不需要改動，頭文件包含特殊功能寄存器的定義 sbit PUMP=P2^0。// 用 sbit 關(guān)鍵字 定義 PUMP 到 端口 sbit VALVE1=P2^1。// 用 sbit 關(guān)鍵字 定義 VALVE1 到 端口 sbit VALVE2=P2^2。// 用 sbit 關(guān)鍵字 定義 VALVE2 到 端口 /* 主函數(shù) */ void main (void) { void Delay1()。//函數(shù)聲明 void Delay2(unsigned int d)。 unsigned char i。//定義一個無符號字符型局部變量 i 取值范圍 0~255 while (1) //主循環(huán) { for(i=0。i10。i++) //加入 for 循環(huán)，表明 for 循環(huán)大括號中 //的程序循環(huán)執(zhí)行 10 次 { 18 PUMP=1。 //將 0，對外輸出低電平 VALVE1=1。 VALVE2=0。 Delay1()。 //調(diào)用延時程序；更改延時數(shù)字可以更改延時長度； //用于改變閃爍頻率 PUMP=1。 //將 口賦值 1，對外輸出高電平 VALVE1=0。 VALVE2=1。 Delay1()。 } //主循環(huán)中添加其他需要一直工作的程序 } } /* 延時函數(shù)，延時 10s。 */ void Delay1() { int times1,times2。 for(times2=1。times2=10。times2++) { for(times1=1。times1=20。times1++) { Delay2(50000)。 } } 19 } void Delay2(unsigned int d) { while(d)。 } 20 4 腿部氣動按摩儀的機械部分設計 機械部分設計概述 本系統(tǒng)設計的目的是使一個自動快速充氣泵為多個預先設定的氣囊充氣 ,因此需要用到電磁閥進行氣路轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用氣泵的 額定電壓 是 DC12V， 額定電流 為 250mA，氣泵的詳細數(shù)據(jù)見附錄 1；本系統(tǒng)所選用的電磁閥為二位三通電磁閥，其額定電壓是 DC 12V， 額定電流 為 270mA，二位三通電磁閥的詳細數(shù)據(jù)見附錄 2。 定時時間模型的建立 在大氣壓下進行試驗，以大氣壓為起點；忽略氣路連接處漏氣因素；電磁閥孔徑與管路孔徑誤差可忽略；氣路中空氣不可壓縮，密度相當于水的密度；氣泵擺放位置與氣路位置在同一水平線上，沒有壓差；忽略三通接頭的阻力；忽略沿程損失。 符號說明 ? ： 空氣動力粘度； ? ：空氣運動粘度； l ：氣管長度； p? ：氣路壓強差； R ：氣管半徑； ? ：氣管中流體的平均速度； d ：氣管內(nèi)徑； D ：氣管外徑； Re ：雷諾數(shù)； 21 1l ：氣囊長度； 2l ：氣囊寬度； 3l ：氣囊充氣后的高度； 1A ：氣體流過的截面積； 2A ：氣管截面積； cC ：收縮系數(shù)； ? ：阻力系數(shù)； C? ：流速系數(shù)； qC ：流量系數(shù)； 已知數(shù)據(jù)說明 由附錄所提供的氣泵和電磁閥的數(shù)據(jù)可知，氣泵的最大壓強為 60Kpa，電磁閥所能承受的最大壓強為 46Kpa（ 350 mmHg ），因此設定氣路中壓強差為 30Kpa。在壓強為 ，溫度為 20oC條件下，空氣的動力粘度 6= 10 Pa s? ??，空氣的運動粘度 6 2= 10 /ms? ? ，氣管長度 l =，氣管內(nèi)徑 d =5mm，氣管外徑 D =7mm，氣囊長度 1l =28cm，氣囊寬度 2l =，氣囊充氣后的高度 3l =5cm。 建立模型 模型一：氣管中流體狀態(tài)的確定 氣管中流體的平均速度為： 22336383 0 1 0 5 1 08 1 7 .9 1 0 0 .3 6 3 23 .6 2 1 0 /P Rlms???????????????? ? ????? (41) 因此雷諾數(shù)為： 22 336Re 10 5 10 101220276d??????? ? ???? (42) 因為雷諾數(shù) 122027613800，因此管中流動狀態(tài)是湍流。 模型二：定時時間的確定 因為 5 ?? ，所以此模型屬于大孔口問題。 大孔口的收縮系數(shù)取決于孔口直徑與管道直徑之比： 440 .6 3 0 .3 750 .6 3 0 .3 770 .7 2 6cdCD??????????? ? ?????? (43) 當 212???????? 時， ?? ，則大孔口的流速系數(shù)為： 4221111 98 26 6 3vcCdCD????? ? ??????? ? ?? (44) 于是流量系數(shù)為： 26 3q c vC C C????? (45) 所以流量為： ? ?232324 4 2 30 73 5 104 100 0 2 / m i nqpqv C dL????? ? ? ???? ? ? ? ?? (46) 因為一個氣囊的容積為： 23 1 2 30. 28 0. 05 0. 08 61. 2V l l lL? ? ?? ? ?? (47) 所以充氣時間為： Vtqvs??? (48) 因此需設定充氣時間為 。 可行性驗證 由模型建立條件知，將氣囊內(nèi)空氣密度設定為 31/g cm 進行計算。 1 aP