【導讀】畢業(yè)設(shè)計的任務就是設(shè)計一個基于808nm和980nm波長的半導體激光治療。出設(shè)計參數(shù)選擇及軟件原理說明。明；4．提供完整設(shè)計方案。照射治療發(fā)展最為迅速。該儀器可由直流適配器和鋰離子充電電池供電。制激光器的光功率輸出，為了保護激光器，由基本的RC電路提供軟起動保護。

　　

【正文】 是說，讓按鍵獨立于一根輸入輸出線，每個按鍵工作時互相獨立 ，對別的不會造成影響。本次畢業(yè)設(shè)計中的按鍵數(shù)量不多，故可以采用第二種結(jié)構(gòu)。其電路原理結(jié)構(gòu)圖如 311所示。 P 3 口S 1S 2S 3S 4 圖 311 按鍵功能電路原理機構(gòu)圖 半導體激光治療儀的按鍵是按照點觸式的方法來安排其結(jié)構(gòu)的。單片機輸入端輸入有效的脈沖信號，當單片機遇到該信號的下降 沿時，即按鍵功能開始實現(xiàn)。該設(shè)計中的單片機因為型號獨特，在這個型號的單片機中有個上拉電阻，可以通過輸入程序來控制該上拉電阻。因此，該設(shè)計的 電路不用添加額外的上拉電阻，將其直接與單片機的數(shù)據(jù)輸入輸出端相連。 顯示屏和蜂鳴器的驅(qū)動電路設(shè)計 在本次設(shè)計中，該電路的輸出部分有兩種方式，即蜂鳴器的聲響和顯示屏 的動作。通過聽蜂鳴器的聲音和顯示器的顯示數(shù)據(jù)來判斷治療儀當前的工作狀態(tài)。顯示屏可以分為 LL L L5，分別為紅燈、綠燈、綠燈、綠燈。 L2 有兩種顯示狀態(tài)，常亮和閃爍，前者表示激光器正在輸出，后者 表示低電壓的提示。 L3L4L5 的功能狀態(tài)都是常亮，表示當前的功率分別為 3mW、 4mW、 5mW。蜂鳴器在治療儀多種狀態(tài)，即實現(xiàn)多種功能時，都可以發(fā)出鳴聲，以提示當前治療儀所處的狀態(tài)。 （ 1）驅(qū)動蜂鳴器的原理： 在本次畢業(yè)設(shè)計中，蜂鳴器用的機構(gòu)是無源的，當給它個正向電壓，該蜂鳴器發(fā)出聲音，即表明已導通。在原理圖中， Q20 表示的三極管起重要作用，給予 23 處的位置一個高電平電壓，此時，該三極管處于飽和， Q20 已導通，蜂鳴器發(fā)出聲音。假如，給予 23 處一個低電平電壓，那么三極管處在截止狀態(tài)，三極管 不工作，蜂鳴器不在發(fā)出聲 音。驅(qū)動該蜂鳴器的電路機構(gòu)圖如下 312所示 。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 S P E A K E RV C C2 34 . 7 KQ 2 0N P N0 . 1 u F0 . 1 u F 圖 312 蜂 鳴 器的驅(qū)動原理機構(gòu)圖 （ 2） LED 顯示的驅(qū)動原理：當輸入低電平時，該 LED 開始驅(qū)動。如圖 313 所示， 當P0 處 給出低電平電壓時，該二極管開始發(fā)光，說明其導通。 P 0 口L 5 L 4 L 3 L 21 K 1 K 1 K 1 KCV C C 圖 313 LED驅(qū)動電路的原理機構(gòu)圖 如圖所示 有 4個二極管 分別為 L L L L5，可以通過功率選擇檔位來選擇對應的二極管。若 VCC 給出低電平，二極管導通，并且開 始發(fā)光。若 VCC 給出高電平，則二極管處于截止狀態(tài)，二極管不能導通，無電流通過，二極管不能發(fā)光。 可以看出 VCC 的變化決定二極管的是否導通。 復位電路的設(shè)計 經(jīng)查資料可知，系統(tǒng)復位時，給予了 RESET 一個低電平脈沖，且 該脈沖的維持時間至少不能少于 2us。假設(shè)取 R50=2 千歐， C21= 韋弗，則低電平脈沖信號的維持時間為：T=3RC= 毫秒，由上述要求可知，滿足要求。當該引腳因為引進低電平而復位時，此狀態(tài)一直維持到該引腳檢測到高電平時。由上述可得復位電路的原理圖如下所示 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 21 V C CC 2 10 . 1 u FR 5 02 KR E SE T 314 復位電路原理圖 本章小 結(jié) 本章主要寫了本次設(shè)計的儀器中最重要的部件 — 單片機的結(jié)構(gòu)以及工作方式和特點，并且介紹了以該單片機為中心各個電路系統(tǒng)的全過程設(shè)計。其中含有穩(wěn)壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟啟動電路、復位電路等等。其中 中心元器件 — 單片機，因為體積小，消耗能量少，常常用在方便攜帶的物品和鋰電池提供電能的場合中。燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 第 4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 本次設(shè)計中中心元器件是單片機 — UPD78F9234，系統(tǒng)軟件的開發(fā)也是以單片機為中心輸入程序開啟控制。開發(fā)該型號單片機的工具 有兩種，分別為 APPLILET2 以及 PM+。在這兩種工具中，前者比較自動靈活 ，可以根據(jù)程序自動生成軟件代碼。由該工具生成的底層驅(qū)動程序，有缺點也有優(yōu)點，缺點是函數(shù)很多，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)清晰，很容易理解，有時候一個函數(shù)用一條語句來 表示足以，而且它的界面很清晰，用戶很容易明白，只要輸入程序就行 。 后者工具是一個集成開發(fā)環(huán)境的管理平臺。它可以供給多種工具，包括編輯、譯碼、開發(fā)環(huán)境的導向等等。它有一個項目管理器可以讓用戶簡單的仿真。對于復雜的程序，它有一個屏幕編輯器，結(jié)合仿真工具 SM+，可以很順利 快速 的 仿真。 本次設(shè)計 只 需要該單片機固有的工具 — APPLILET2 和 PM+就可以成功的完成操作。本次設(shè)計中用到了 單片機 UPD78F9234。該軟件程序開發(fā)前，需要讓 APPLILET2（代碼形成器）來驅(qū)動代碼生成。因為該代碼驅(qū)動的框架已經(jīng)提前設(shè)置好，所以用戶只需要加進去對應的代碼就可以對單片機進行控制。如下為該單片機的使用方法： 提前整理好所要用到的功能； 輸出想要的驅(qū)動代碼： 將在 APP 中形成的源程序放到 PM+中，開始仿真。 APPLILET2的軟件開發(fā)相關(guān)的一系列配置如圖 4 42。 圖 41 APPLILET2芯片 選擇界面 在使用過程中，對于 APP 形成的程序， PM+直接打開就可以。去尋找相應的含有程序的文件，開始對其編輯，譯碼，仿真。當完成半導體激光治療儀總系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計后，就可 以將程序打進去，開始進行試驗。 第 4 章 系統(tǒng)的 軟件 設(shè)計 23 圖 42 APPLILET2芯片開發(fā)的界面 本次設(shè)計是先按著模塊來完成各個部分， 各個模塊分別包括單片機內(nèi)軟件與硬件資源的初始化、電池管理程序、按鍵掃描、 LED 和蜂鳴器驅(qū)動程序以及功率控制程序等部分。當每個部分模塊完成之后，將各個模塊設(shè)計的軟件組合成單片機周圍的硬件系統(tǒng)。由設(shè) 計要求可知，治療儀功能由五種狀態(tài)組成，分別是開機、治療、關(guān)機、充電和預關(guān)閉。當處于開機時，治療儀開始準備，在這狀態(tài)下，只有 L4 燈亮。 若半導體激光治療儀正在治療，激光正在輸出，則表明治療儀已經(jīng)完成充電 過程 或者復位 過程 ，當前 L2燈亮，標示功率選擇的檔位處 的 小燈也亮著，計時器在激光輸出的一剎那開始計算時間。 當半導體激光治療儀關(guān)機時，此時治療儀開始睡眠，一切的治療都將結(jié)束，半導體激光治療儀的一切工作也都終止， 在這種狀態(tài)下，半導體激光治療儀 消耗的功率最低，只有給其連接直流適配器或者按下開始鍵時， 儀器內(nèi)有電流通過后， 才 會結(jié)束此狀態(tài)。假如，系統(tǒng)進入預關(guān)閉狀態(tài)，也就意味著系統(tǒng)治療時間結(jié)束，蜂鳴器開始發(fā)出聲響，也就是告訴用戶半導體激光治療儀將要關(guān)機。 正如上面介紹所知，半導體激光治療儀有五種狀態(tài)，分別是：開機狀態(tài)、治療狀態(tài)、關(guān)機狀態(tài)、充電狀態(tài)、預關(guān)閉狀態(tài)。 如果用戶開啟了某項功能即按下了某一個鍵或者中止半導體激光治療儀的某項功能 時，系統(tǒng)會自動識別當前的狀態(tài)來決定下一步可以怎么走。如若采用鋰電池提供電能，該系統(tǒng)的工作流程圖如下所示。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 治 療 狀 態(tài)治 療 S 4 掃 描 按 鍵關(guān) S 2關(guān) 機 狀 態(tài)開 機 狀 態(tài)初 始 化上 電睡 眠開 S 1功 率 S 3時 間 控 制預 關(guān) 閉 狀 態(tài) 圖 43 系統(tǒng)工作流程圖 系統(tǒng)的初始化程序 系統(tǒng)的初始化包括單片機硬件的初始化和軟件的初始化。當給單片機提供電能時 ，系統(tǒng)將會自動開始初始化。硬件的初始化是將系統(tǒng)內(nèi)各種硬件的配置設(shè)置成初始條件下。列如，將單片機的輸入輸出端口進行初始，讓系統(tǒng)內(nèi)的硬件資源各自承擔自己責任。給系統(tǒng)初始化的程序詳細見附錄。如果給系統(tǒng)的軟件進行初始化， 即對中斷系統(tǒng)進行初始化、狀態(tài)變量設(shè)置成初始狀態(tài)、系統(tǒng)時鐘設(shè)置成初始值，儲存的單元位數(shù)清零。本次設(shè)計中的單片機比較獨特，有的軟件可以幫助硬件系統(tǒng)完成部分的工作，這就給系統(tǒng)內(nèi)騰出更多的空間，減少了不必要的器件。因此， 如果要使系統(tǒng)內(nèi)的硬件有個更好的利用，更快的更準確的進行編寫軟件 ，需要合理分配下資源。 單片機的工作模式一般分為輸出模式、輸入模式、 AD 輸入、 PWM 輸出模式。在輸出模式中， P0能夠控制 LED顯示； P120 能夠使激光器開啟也可以控制蜂鳴器。在輸入模式中，P3 控制按鍵的相關(guān)功能， P45 控制鋰電池充電的狀態(tài)； P21 用來檢測供電系統(tǒng)的電壓； P43用來檢查直流適配器是否接通； AVref 可以提供參考電壓。 定時器 TMH1 可以提供計時功能。AN11 在 AD 輸入模式下，可以采集電池的電壓。 TOH1/P42 在 PWM 輸出模式下，可以 用來控制激光二極管功率選擇的脈沖。 單片機系統(tǒng)的復位 單片機系統(tǒng)的復位包括包括包括內(nèi)部復位和外部復位，且當系統(tǒng)開始復位時，所有的第 4 章 系統(tǒng)的 軟件 設(shè)計 25 程序都要從頭開始運行。外部復位有 RESET 輸入引腳的復位；內(nèi)部復位不僅包括看門狗定時器的復位，也包括檢測低電壓電路和供電電路的復位和供電電壓、上電清零電路的復位。 本次畢業(yè)設(shè)計的復位電路中有三種復位信號，看門狗 定時器復位信號、上電復位信號清零還有 RESET 復位信號。在系統(tǒng)運行過程中，有可能系統(tǒng)程序進入死循環(huán)，這樣會導致死機，使單片機的壽命降低，這是，看門狗定時器發(fā)揮了它 的功能。 在系統(tǒng)運行的過程中，打開看門狗的計數(shù)器，這個時候看門狗計數(shù)器有兩種兩種情況發(fā)生，要不人為不去管它，導致看門狗計數(shù)器的值超過預定范圍，而造成其功能中止，系統(tǒng)自此復位 具體操作如下：讓系統(tǒng)開始復位，之后， 通過使看門狗計數(shù)器的模式寄存器為 0X77，使定時器終止。輸入主程序，讓看門狗的使能寄存器等于 0XAC，使定時器清零，之后計數(shù)器開始啟動，至此完成了看門狗的任務，在系統(tǒng)中有個上電清零電路，給系統(tǒng)內(nèi)部提供復位信號，在這個時候，如果電源電壓大于檢測電壓，將該復位的信號放出，系統(tǒng)從頭開始執(zhí)行程序，但是，如果電源 電壓小于檢測電壓，則僅是復位信號的產(chǎn)生。 其中看門狗計數(shù)器模式寄存器的代碼為 WDTM，看門狗定時器使能寄存器的代碼為 WDTE,看門狗計數(shù)器也就包含上述兩種配置。 中斷電路服務 在本次設(shè)計中 用到的單片機中含有九個外部中斷資源和四個內(nèi)部中斷資源，總共十三個。本次設(shè)計因為功能較簡單，只用到了其中的兩個，即 INTP1 中斷和中斷 INTT80。因為前者的優(yōu)先級高于后者的優(yōu)先級，故當兩者同時發(fā)出中斷信號是，首先處理的是 INTP1 的信號，此時這個信號是用來和直流適配器相配合的。 在程序開頭輸入預處理的指令，包括 pragma DI 和 pragma EI，再從函數(shù)庫中搜索中斷函數(shù)的開指令和關(guān)指令，分別是 EI（）和 DI()。這些步驟完成后，就可以將中斷信號屏蔽，保證程序的正常執(zhí)行。在遇到此種情況時，如若沒有以上添加預處理的指令，則開關(guān)中斷函數(shù)與普通函數(shù)沒有差別；如若沒有開函數(shù)，則主機不能反應可屏蔽的中斷；如果不執(zhí)行關(guān)函數(shù)，則主機就會同時反應所有的中斷。 激光功率控制程序 在本次設(shè)計中，功率的控制采用含有 8位的定時器 H1的 PWM 輸出模式。在此種模式中，占空比和周期脈沖隨意輸出，輸出 TOH1 的周期和占空比分別由 CMP01 和 CMP11 來控制，兩者均為比較寄存器。當定時器的 H1 與前者一樣時， H1 清為零 ，與此同時，定時器開始輸出 TOH1。若比較寄存器 01 的數(shù)值是 N，假設(shè)寄存器 11 的數(shù)值是 M，計數(shù)器的時鐘為 F，則定時器 H1 在 PWM 輸出模式下的周期和占空比為： PWM 脈沖輸出周期 =(N+1)/f 占空比 =有效寬度： PWM 的總寬度 =(M+1):(N+1) 在本論文中，假設(shè)比較寄存器 CMP01 為二百五十六，其中時鐘 的頻率為 8 兆赫茲。因為，在前面討論時，占空比分別為百分之三十、百分之四十、百分之五十，此時寄存器 11燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 的值分別為 7 10 120。 系統(tǒng)測試 在本次論文中，進行了很多次的試驗、調(diào)整和測試。通過采用功率的標準測量計對輸出的功率進行定標，從而準確控制輸出激光的功率。 本次畢業(yè)設(shè)計中，用到了 PCB 板，需要將設(shè)計好的硬件，調(diào)試好的軟件配合 PCB 板使用。通過 PCB 板檢測電路板上是否有任何的缺損、短斷路，如果一切正常，則將程序用燒錄器打錄到單片機中調(diào)試即可。若在測試中出現(xiàn)問題，則可以通過測量電壓或者測量信號的方法。前者可以用萬用表或者示波器檢測電源與地之間的電壓有沒有差錯；后者按著信號所走的方向檢測信號是否正常。 利用北京 光電技術(shù)研究所研制的 147 型激光功率計對系統(tǒng)輸出功率進行功率穩(wěn)定性測試。其中 808nm 激光選擇 5mW、 15mW、 25mW 三個功率， 532nm 激光選擇 5mW、 10mW、 15mW三個功率，測量各個功率點的輸出隨時間變化的數(shù)據(jù)，每個功率測試 60min，每 1min 記錄一次數(shù)據(jù)。 在本次設(shè)計中， 808nm 的激光和 980nm 的激光同時選擇了功率 5毫瓦和 15毫瓦，不同的是， 808nm 也選擇了 10 毫瓦，而 980nm 選擇了 25 毫瓦。以此來測量數(shù)據(jù)。各個功率都要測試一個小時，用一分鐘的時間來記錄測試數(shù)據(jù)。 經(jīng)過研究可以了解到， 當時間不斷增加時，半導體激光治療儀的輸出功率是不斷減小的。 980nm 的激光輸出功率誤差小于 毫瓦， 808nm 的激