【文章內(nèi)容簡介】 6 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29R S T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C 5 1C13 3 pC23 3 pX1C R Y S T A LF R E Q = 1 2 M H zP A C K A G E = X T A L 1 8C32 2 pR21kR2(2)VALUE=5 圖 22 系統(tǒng)在 Proteus仿真下的最小系統(tǒng)電路 167。 硬件電路各模塊設(shè)計方案 一、 控制器模塊 根據(jù)要求，控制器主要用于對溫度測量信號的接受和處理、控制溫度采集的開關(guān)和報警電路的啟用、控制顯示電路對溫度值實時顯示以及控制鍵盤實現(xiàn)對溫 度值的設(shè)定等。 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 作為控制核心，對溫度采集和實時鍵盤顯示以及報警裝置進行控制。 由 AT89C51 作為系統(tǒng)控制器。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、價格便宜 、耗電低、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點。許多功能部件集成在芯片內(nèi)部， 信號通道受外接影響小，可靠性高，控制能力強，運行速度快等特點 [15]。 另外 8051 系列單片機提供兩個 16 位的定時 /計數(shù)器，分別是 Timer0 及Timer1（簡稱 T0 和 T1）。設(shè)計成 4 種工作模式， 分別是 Mode0、 Mode Mode2及 Mode3。 Mode0 為兩個 13位的定時 /計數(shù)器，其最大計數(shù)量為 213（即 8192）；Mode1 為兩個 16 位的定時 /計數(shù)器，其最大計數(shù)量為 216（即 65536），是較為常用的工作模式； Mode2 為兩個 8 位但可自動加載的定時 /計數(shù)器，其最大計數(shù)量為 28（即 256）； Mode3 為一個 8 位的定時 /計數(shù)器和一個 8 位的定時器，較少使用 [16]。 單片機中的定時 /計數(shù)器同中斷系統(tǒng)一樣，也由特殊功能寄存器控制其功能、狀態(tài)和工作方式。下面介紹一下定時 /計數(shù)器計數(shù)初值的計算。在使用定時器的時候，往往要根據(jù)想要設(shè)定的定時時間向定時器裝定初值，計數(shù)初值 7 可由下列計算式求得 [16]： 機器周期定時時間最大計數(shù)量計數(shù)初值 ?? (21) 將求得的結(jié)果轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)后裝入 THx 和 TLx 即可。 對 Mode0 模式也可使用下述方式裝入定時初值，即將上面求得的計數(shù)初值除以 25（即 32），將商放入 THx，余數(shù)放入 TLx[17]。避免進制轉(zhuǎn)換的問題。 二、 智能測溫控制模塊 采用繼電器控制。使用繼電器可以很容易實現(xiàn)地通過較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。這種電 路無法精確實現(xiàn)電熱絲功率控制，電熱絲只能工作在最大功率或零功率，對控制精度將造成影響。但可以由多路加熱絲組成功率控制，由單片機對溫差的處理實現(xiàn)分級功率控制提高系統(tǒng)動態(tài)性能。 圖 23 繼電器控溫電路 報警電路是在溫度值越過上、下限時 蜂鳴器由單片機輸出低電平 ， 經(jīng)三極管驅(qū)動報警 。 圖 24 報警電路 8 三、 溫度采集模塊 對溫度進行控制和顯示， 就需要 把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。采用 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 DS18B20 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12 位 的數(shù)字值讀數(shù)方式 [18]。并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫 ,因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。 圖 25 外部供電單點測溫電路 四、 鍵盤與顯示模塊 本設(shè)計采用 4 位獨立式鍵盤 ,當某一個鍵被按下時則運行單片機所給予的任務(wù)，還可以實施中斷控制。 四個鍵作為功能鍵，它們可觸發(fā)低優(yōu)先級的中斷，使得這組鍵被按下時跳轉(zhuǎn)到功能鍵處理的子程序。再由邏輯門電路組合，使得前兩個鍵在剩余 功能鍵作用的同時可作為設(shè)置功能觸發(fā)高優(yōu)先級的中斷。 可以在程序運行的過程中隨時觸發(fā)鍵命令，而不必使 CPU 忙于反復(fù)掃描是否有鍵被按下，減輕了 CPU 的工作壓力。 液晶顯示屏 （ LCD） 具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強等特點 [19]。 DB [0 .. 7 ]A0RE SCSE ( RD )R/ W ( W R )U3S E D1 5 2 0CO NT RH E I G HT = 1 6A DC M O D E = 0R 1 91 0 0 RC42 2 pR1 9 ( 1 )V A L U E = 5 圖 26 液晶顯示模塊 9 圖 27 鍵盤控制 167。 熱療溫度控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 方案 軟件通過采樣掃描對溫度傳感器進行訪問，將可自定義的溫度閾值與采樣結(jié)果比較后向繼電器發(fā)送加熱或停止的指令。 167。 軟 件模塊及相互關(guān)系 軟件系統(tǒng)模塊包括：單片機 系統(tǒng)監(jiān)控程序、鍵盤掃描模塊、液晶顯示模塊、信號檢測模塊、采樣定時模塊、數(shù)據(jù)處理程序、控制輸出模塊 [20]。這些系統(tǒng)模塊之間的關(guān)系如圖 28 所示。 圖 28 軟件模塊 系統(tǒng)監(jiān)控程序 鍵盤掃描模塊 液晶顯示模塊 信號檢測模塊 采樣定時模塊 控制輸出模塊 數(shù)據(jù)處理程序 立即掃描溫度 控制量 發(fā)送指令 發(fā)送指令 裝定初值 按鍵界面 顯示控制 發(fā)送數(shù)據(jù) 10 167。 溫度控制軟件的整體流程圖 主程序的流程圖如下所示。 圖 29 系統(tǒng)設(shè)計流程圖 在整個溫控程序中，鍵盤對控制量的輸入作為中斷可在任意時刻插入，并在執(zhí)行完鍵盤程序后返回斷點。 程序開始時首先對 LCD進行初始化設(shè)置，并寫入報警溫度上 、下限值。然后對溫度傳感器 DS18B20 進行復(fù)位，檢測是否存在，如果傳感器沒有正常工作， LCD 顯示屏上會顯示“ ERROR” 的信息，如果工作正常顯示屏上將顯示出“ OK” 。 接著讀取溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換，由 LCD 顯示屏顯示出來。同時，不斷地將實時溫度與設(shè)定的報警溫度上、下限值進行比較，如果超過報警上限，鳴響并關(guān)掉加熱源；如果超過報警下限，鳴響并接通加熱源 [21]。 由于報警溫度的上、下限值的設(shè)定，查看和調(diào)整都是由按鈕開關(guān)控制的，所以程序還要對按鍵進行掃描，如此循環(huán)。 167。 本章小結(jié) 本章節(jié)主要介紹了腫瘤熱療 溫控系統(tǒng)的 總體 設(shè)計方案 。 11 第 三 章 軟件設(shè)計 167。 單片機系統(tǒng)監(jiān)控程序 監(jiān)控程序是單片機應(yīng)用系統(tǒng)所必備的且基本框架相似的模塊程序，它負責監(jiān)督管理微機系統(tǒng)的全部功能，監(jiān) 控程序的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的操作和運行。一個高質(zhì)量的監(jiān)控程序應(yīng)該 功能齊全、鍵數(shù)合理、操作方便、容錯性好[22]。 監(jiān)控程序的主要作用是及時響應(yīng)來自系統(tǒng)或儀表內(nèi)部的各種服務(wù)請求，有效地管理儀表自身軟、硬件及人機交互設(shè)備。其完成的功能有： ，系統(tǒng)按照鍵盤鍵入的命令轉(zhuǎn)入相應(yīng)的按鍵服務(wù)程序及顯示相應(yīng)的人機對話界面和相關(guān)信息。 、外部中斷引起的中斷請求信號，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，實現(xiàn)對定時器和外部中斷的管理。 。 、堆棧初始化及片內(nèi) RAM 初始化。 監(jiān)控主程序是整個軟件的一條主線，上電復(fù)位后首先進入監(jiān)控主程序。任務(wù)是識別命令，解釋命令并獲得完成該命令的相應(yīng)模塊的入口，引導(dǎo)系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理，并協(xié)調(diào)各部分的軟、硬件有條不紊的工作。 監(jiān)控程序的設(shè)計方法可分為直接分析法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移法 [23]。直接分析法就是根據(jù)當前按鍵的編碼和標志，把控制直接轉(zhuǎn)入處理子程序，無需知道此前的按鍵情況。它 只適用于一鍵一意的簡單程序設(shè)計，在設(shè)計一鍵多意的較復(fù)雜的系統(tǒng)時，常常是命令識別、標志判定和處理子程序交織在一起，使程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜凌亂，不易修改、閱讀，且無通用性。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移法則是整體地來考慮應(yīng)用系統(tǒng)，把它看作是一個系統(tǒng)，從而引入 “ 狀態(tài) ” 的概念 [24]。任一時刻，系統(tǒng)的狀態(tài)是唯一確定的，如果把按鍵鍵值和現(xiàn)態(tài)相與作為系統(tǒng)的輸入，按鍵應(yīng)執(zhí)行的功能子程序視為動態(tài)響應(yīng)過程，次態(tài)看成穩(wěn)態(tài)輸出，那么整個監(jiān)控程序就是在各狀態(tài)之間跳動轉(zhuǎn)移。用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法設(shè)計的監(jiān)控程序，其程序基本框架是相同的，具有通用性強、修改方便、便于閱讀之優(yōu) 點。 12 圖 31 主程序流程圖 167。 鍵盤 控制 模塊 利用單片機的兩個外部中斷解決溫度掃描與鍵盤程序之間的沖突，使得當中斷發(fā)生時，程序跳轉(zhuǎn)到鍵盤控制模塊，而不影響主程序中溫度傳感器的讀取。 獨立式鍵盤控制流程圖： LCD初始化 設(shè)定溫度 /定時初值 輸出加熱信號 定時值到否 掃描溫度值并顯示 溫度值到否 結(jié)束 Y N 輸出停止加熱信號 Y N 開始 13 圖 32 鍵盤控制流程圖 167。 單片機中斷簡介 中斷是指 CPU 暫時放下目前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而先去執(zhí)行特定的程序，待完成特定的程序后，再返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行的過程 [25]。 +IT0=0IT0=1____INT0T0IT1=0IT1=1____INT1T1TXRXTCON IEIE0TF0IE1TF1TIRIEX0ET0EX1ET1ESEAIPPX0 1111100000PSPT1PX1PT0SCON中斷標志源允許 總允許 優(yōu)先級硬件查詢低級中斷請求PC高級中斷請求PC矢量地址矢量地址自然優(yōu)先級自然優(yōu)先級 圖 33 中斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 [5] 14 CPU 對中斷的管理通過中斷控釋寄存器來進行 。 CPU 對中斷源的開放和屏蔽，以及每個中斷源是否被允許中斷，都受用戶對中斷允許寄存器 IE控制 。 167。 該鍵盤程序的流程圖 一般中斷程序的流程和中斷嵌套的流程 ： 主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序斷點響應(yīng)低級中斷請求返回主程序R E T I低級中斷程序繼續(xù)執(zhí)行斷點響應(yīng)高級中斷請求返回低級中斷程序高級中斷服務(wù)程序主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序響應(yīng)中斷請求返回主程序中斷服務(wù)程序斷點 圖 34 中斷響應(yīng)過程流程圖 圖 35 中斷嵌套流程圖 該鍵盤程序使用兩個外部中斷源 0INT 和 1INT ，并且由這兩個優(yōu)先級不同的中斷組成了嵌套。當完成控制量的設(shè)定之后，使用高優(yōu)先級的中斷來實現(xiàn)數(shù)值的裝定 [26]。 圖 36 INT0 中斷流程圖 低中斷結(jié)束 低中斷入口 讀鍵位 延時消抖 判斷鍵號 散轉(zhuǎn) 15 圖 37 低 中斷鍵盤散轉(zhuǎn)流程圖 圖 38 INT1 中斷流程圖 167。 鍵盤程序中對中斷的設(shè)定 中斷 系統(tǒng)初始化的一般步驟應(yīng)包括 [27]： （ 1）開相應(yīng)中斷源的中斷； 顯示溫度 暫停加熱 設(shè)置溫度 設(shè)置定時 掃描方向鍵 等待確認 N Y 高中斷入口 散轉(zhuǎn)入口 返回 高中斷入口 讀鍵位 延時消抖 判斷鍵號 高中斷結(jié)束 確認 返回 16 （ 2）設(shè)定所用中斷源的中斷優(yōu)先級； （ 3）若為外部中斷，選擇觸發(fā)方式；