【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一個(gè)基于808nm和980nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光治療。出設(shè)計(jì)參數(shù)選擇及軟件原理說(shuō)明。明；4．提供完整設(shè)計(jì)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(hù)激光器，由基本的RC電路提供軟起動(dòng)保護(hù)。

　　

【正文】 是說(shuō)，讓按鍵獨(dú)立于一根輸入輸出線，每個(gè)按鍵工作時(shí)互相獨(dú)立 ，對(duì)別的不會(huì)造成影響。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)圖 半導(dǎo)體激光治療儀的按鍵是按照點(diǎn)觸式的方法來(lái)安排其結(jié)構(gòu)的。單片機(jī)輸入端輸入有效的脈沖信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)遇到該信號(hào)的下降 沿時(shí)，即按鍵功能開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)中的單片機(jī)因?yàn)樾吞?hào)獨(dú)特，在這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)中有個(gè)上拉電阻，可以通過(guò)輸入程序來(lái)控制該上拉電阻。因此，該設(shè)計(jì)的 電路不用添加額外的上拉電阻，將其直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入輸出端相連。 顯示屏和蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)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(dòng)作。通過(guò)聽(tīng)蜂鳴器的聲音和顯示器的顯示數(shù)據(jù)來(lái)判斷治療儀當(dāng)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(dāng)前的功率分別為 3mW、 4mW、 5mW。蜂鳴器在治療儀多種狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)多種功能時(shí)，都可以發(fā)出鳴聲，以提示當(dāng)前治療儀所處的狀態(tài)。 （ 1）驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的原理： 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，蜂鳴器用的機(jī)構(gòu)是無(wú)源的，當(dāng)給它個(gè)正向電壓，該蜂鳴器發(fā)出聲音，即表明已導(dǎo)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(gè)高電平電壓，此時(shí)，該三極管處于飽和， Q20 已導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音。假如，給予 23 處一個(gè)低電平電壓，那么三極管處在截止?fàn)顟B(tài)，三極管 不工作，蜂鳴器不在發(fā)出聲 音。驅(qū)動(dòng)該蜂鳴器的電路機(jī)構(gòu)圖如下 312所示 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dòng)原理機(jī)構(gòu)圖 （ 2） LED 顯示的驅(qū)動(dòng)原理：當(dāng)輸入低電平時(shí)，該 LED 開(kāi)始驅(qū)動(dòng)。如圖 313 所示， 當(dāng)P0 處 給出低電平電壓時(shí)，該二極管開(kāi)始發(fā)光，說(shuō)明其導(dǎo)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(dòng)電路的原理機(jī)構(gòu)圖 如圖所示 有 4個(gè)二極管 分別為 L L L L5，可以通過(guò)功率選擇檔位來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的二極管。若 VCC 給出低電平，二極管導(dǎo)通，并且開(kāi) 始發(fā)光。若 VCC 給出高電平，則二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，二極管不能導(dǎo)通，無(wú)電流通過(guò)，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(dǎo)通。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 經(jīng)查資料可知，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，給予了 RESET 一個(gè)低電平脈沖，且 該脈沖的維持時(shí)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(hào)的維持時(shí)間為：T=3RC= 毫秒，由上述要求可知，滿足要求。當(dāng)該引腳因?yàn)橐M(jìn)低電平而復(fù)位時(shí)，此狀態(tài)一直維持到該引腳檢測(cè)到高電平時(shí)。由上述可得復(fù)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(jì) 21 V C CC 2 10 . 1 u FR 5 02 KR E SE T 314 復(fù)位電路原理圖 本章小 結(jié) 本章主要寫(xiě)了本次設(shè)計(jì)的儀器中最重要的部件 — 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作方式和特點(diǎn)，并且介紹了以該單片機(jī)為中心各個(gè)電路系統(tǒng)的全過(guò)程設(shè)計(jì)。其中含有穩(wěn)壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟啟動(dòng)電路、復(fù)位電路等等。其中 中心元器件 — 單片機(jī)，因?yàn)轶w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(chǎng)合中。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 第 4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中中心元器件是單片機(jī) — UPD78F9234，系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)也是以單片機(jī)為中心輸入程序開(kāi)啟控制。開(kāi)發(fā)該型號(hào)單片機(jī)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(dòng)靈活 ，可以根據(jù)程序自動(dòng)生成軟件代碼。由該工具生成的底層驅(qū)動(dòng)程序，有缺點(diǎn)也有優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是函數(shù)很多，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰，很容易理解，有時(shí)候一個(gè)函數(shù)用一條語(yǔ)句來(lái) 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(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的管理平臺(tái)。它可以供給多種工具，包括編輯、譯碼、開(kāi)發(fā)環(huán)境的導(dǎo)向等等。它有一個(gè)項(xiàng)目管理器可以讓用戶簡(jiǎn)單的仿真。對(duì)于復(fù)雜的程序，它有一個(gè)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(jì) 只 需要該單片機(jī)固有的工具 — APPLILET2 和 PM+就可以成功的完成操作。本次設(shè)計(jì)中用到了 單片機(jī) UPD78F9234。該軟件程序開(kāi)發(fā)前，需要讓 APPLILET2（代碼形成器）來(lái)驅(qū)動(dòng)代碼生成。因?yàn)樵摯a驅(qū)動(dòng)的框架已經(jīng)提前設(shè)置好，所以用戶只需要加進(jìn)去對(duì)應(yīng)的代碼就可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。如下為該單片機(jī)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(dòng)代碼： 將在 APP 中形成的源程序放到 PM+中，開(kāi)始仿真。 APPLILET2的軟件開(kāi)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(guò)程中，對(duì)于 APP 形成的程序， PM+直接打開(kāi)就可以。去尋找相應(yīng)的含有程序的文件，開(kāi)始對(duì)其編輯，譯碼，仿真。當(dāng)完成半導(dǎo)體激光治療儀總系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)后，就可 以將程序打進(jìn)去，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。 第 4 章 系統(tǒng)的 軟件 設(shè)計(jì) 23 圖 42 APPLILET2芯片開(kāi)發(fā)的界面 本次設(shè)計(jì)是先按著模塊來(lái)完成各個(gè)部分， 各個(gè)模塊分別包括單片機(jī)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(dòng)程序以及功率控制程序等部分。當(dāng)每個(gè)部分模塊完成之后，將各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的軟件組合成單片機(jī)周?chē)挠布到y(tǒng)。由設(shè) 計(jì)要求可知，治療儀功能由五種狀態(tài)組成，分別是開(kāi)機(jī)、治療、關(guān)機(jī)、充電和預(yù)關(guān)閉。當(dāng)處于開(kāi)機(jī)時(shí)，治療儀開(kāi)始準(zhǔn)備，在這狀態(tài)下，只有 L4 燈亮。 若半導(dǎo)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(guò)程 或者復(fù)位 過(guò)程 ，當(dāng)前 L2燈亮，標(biāo)示功率選擇的檔位處 的 小燈也亮著，計(jì)時(shí)器在激光輸出的一剎那開(kāi)始計(jì)算時(shí)間。 當(dāng)半導(dǎo)體激光治療儀關(guān)機(jī)時(shí)，此時(shí)治療儀開(kāi)始睡眠，一切的治療都將結(jié)束，半導(dǎo)體激光治療儀的一切工作也都終止， 在這種狀態(tài)下，半導(dǎo)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(kāi)始鍵時(shí)， 儀器內(nèi)有電流通過(guò)后， 才 會(huì)結(jié)束此狀態(tài)。假如，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)關(guān)閉狀態(tài)，也就意味著系統(tǒng)治療時(shí)間結(jié)束，蜂鳴器開(kāi)始發(fā)出聲響，也就是告訴用戶半導(dǎo)體激光治療儀將要關(guān)機(jī)。 正如上面介紹所知，半導(dǎo)體激光治療儀有五種狀態(tài)，分別是：開(kāi)機(jī)狀態(tài)、治療狀態(tài)、關(guān)機(jī)狀態(tài)、充電狀態(tài)、預(yù)關(guān)閉狀態(tài)。 如果用戶開(kāi)啟了某項(xiàng)功能即按下了某一個(gè)鍵或者中止半導(dǎo)體激光治療儀的某項(xiàng)功能 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前的狀態(tài)來(lái)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 治 療 狀 態(tài)治 療 S 4 掃 描 按 鍵關(guān) S 2關(guān) 機(jī) 狀 態(tài)開(kāi) 機(jī) 狀 態(tài)初 始 化上 電睡 眠開(kāi) S 1功 率 S 3時(shí) 間 控 制預(yù) 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(jī)硬件的初始化和軟件的初始化。當(dāng)給單片機(jī)提供電能時(shí) ，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)開(kāi)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(jī)的輸入輸出端口進(jìn)行初始，讓系統(tǒng)內(nèi)的硬件資源各自承擔(dān)自己責(zé)任。給系統(tǒng)初始化的程序詳細(xì)見(jiàn)附錄。如果給系統(tǒng)的軟件進(jìn)行初始化， 即對(duì)中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化、狀態(tài)變量設(shè)置成初始狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置成初始值，儲(chǔ)存的單元位數(shù)清零。本次設(shè)計(jì)中的單片機(jī)比較獨(dú)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(gè)更好的利用，更快的更準(zhǔn)確的進(jìn)行編寫(xiě)軟件 ，需要合理分配下資源。 單片機(jī)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(kāi)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(lái)檢測(cè)供電系統(tǒng)的電壓； P43用來(lái)檢查直流適配器是否接通； AVref 可以提供參考電壓。 定時(shí)器 TMH1 可以提供計(jì)時(shí)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(lái)控制激光二極管功率選擇的脈沖。 單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位 單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位包括包括包括內(nèi)部復(fù)位和外部復(fù)位，且當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始復(fù)位時(shí)，所有的第 4 章 系統(tǒng)的 軟件 設(shè)計(jì) 25 程序都要從頭開(kāi)始運(yùn)行。外部復(fù)位有 RESET 輸入引腳的復(fù)位；內(nèi)部復(fù)位不僅包括看門(mén)狗定時(shí)器的復(fù)位，也包括檢測(cè)低電壓電路和供電電路的復(fù)位和供電電壓、上電清零電路的復(fù)位。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的復(fù)位電路中有三種復(fù)位信號(hào)，看門(mén)狗 定時(shí)器復(fù)位信號(hào)、上電復(fù)位信號(hào)清零還有 RESET 復(fù)位信號(hào)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，有可能系統(tǒng)程序進(jìn)入死循環(huán)，這樣會(huì)導(dǎo)致死機(jī)，使單片機(jī)的壽命降低，這是，看門(mén)狗定時(shí)器發(fā)揮了它 的功能。 在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，打開(kāi)看門(mén)狗的計(jì)數(shù)器，這個(gè)時(shí)候看門(mén)狗計(jì)數(shù)器有兩種兩種情況發(fā)生，要不人為不去管它，導(dǎo)致看門(mén)狗計(jì)數(shù)器的值超過(guò)預(yù)定范圍，而造成其功能中止，系統(tǒng)自此復(fù)位 具體操作如下：讓系統(tǒng)開(kāi)始復(fù)位，之后， 通過(guò)使看門(mén)狗計(jì)數(shù)器的模式寄存器為 0X77，使定時(shí)器終止。輸入主程序，讓看門(mén)狗的使能寄存器等于 0XAC，使定時(shí)器清零，之后計(jì)數(shù)器開(kāi)始啟動(dòng)，至此完成了看門(mén)狗的任務(wù)，在系統(tǒng)中有個(gè)上電清零電路，給系統(tǒng)內(nèi)部提供復(fù)位信號(hào)，在這個(gè)時(shí)候，如果電源電壓大于檢測(cè)電壓，將該復(fù)位的信號(hào)放出，系統(tǒng)從頭開(kāi)始執(zhí)行程序，但是，如果電源 電壓小于檢測(cè)電壓，則僅是復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生。 其中看門(mén)狗計(jì)數(shù)器模式寄存器的代碼為 WDTM，看門(mén)狗定時(shí)器使能寄存器的代碼為 WDTE,看門(mén)狗計(jì)數(shù)器也就包含上述兩種配置。 中斷電路服務(wù) 在本次設(shè)計(jì)中 用到的單片機(jī)中含有九個(gè)外部中斷資源和四個(gè)內(nèi)部中斷資源，總共十三個(gè)。本次設(shè)計(jì)因?yàn)楣δ茌^簡(jiǎn)單，只用到了其中的兩個(gè)，即 INTP1 中斷和中斷 INTT80。因?yàn)榍罢叩膬?yōu)先級(jí)高于后者的優(yōu)先級(jí)，故當(dāng)兩者同時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)是，首先處理的是 INTP1 的信號(hào)，此時(shí)這個(gè)信號(hào)是用來(lái)和直流適配器相配合的。 在程序開(kāi)頭輸入預(yù)處理的指令，包括 pragma DI 和 pragma EI，再?gòu)暮瘮?shù)庫(kù)中搜索中斷函數(shù)的開(kāi)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(hào)屏蔽，保證程序的正常執(zhí)行。在遇到此種情況時(shí)，如若沒(méi)有以上添加預(yù)處理的指令，則開(kāi)關(guān)中斷函數(shù)與普通函數(shù)沒(méi)有差別；如若沒(méi)有開(kāi)函數(shù)，則主機(jī)不能反應(yīng)可屏蔽的中斷；如果不執(zhí)行關(guān)函數(shù)，則主機(jī)就會(huì)同時(shí)反應(yīng)所有的中斷。 激光功率控制程序 在本次設(shè)計(jì)中，功率的控制采用含有 8位的定時(shí)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(lái)控制，兩者均為比較寄存器。當(dāng)定時(shí)器的 H1 與前者一樣時(shí)， H1 清為零 ，與此同時(shí)，定時(shí)器開(kāi)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(jì)數(shù)器的時(shí)鐘為 F，則定時(shí)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(shí)鐘 的頻率為 8 兆赫茲。因?yàn)椋谇懊嬗懻摃r(shí)，占空比分別為百分之三十、百分之四十、百分之五十，此時(shí)寄存器 11燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 的值分別為 7 10 120。 系統(tǒng)測(cè)試 在本次論文中，進(jìn)行了很多次的試驗(yàn)、調(diào)整和測(cè)試。通過(guò)采用功率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量計(jì)對(duì)輸出的功率進(jìn)行定標(biāo)，從而準(zhǔn)確控制輸出激光的功率。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，用到了 PCB 板，需要將設(shè)計(jì)好的硬件，調(diào)試好的軟件配合 PCB 板使用。通過(guò) PCB 板檢測(cè)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(jī)中調(diào)試即可。若在測(cè)試中出現(xiàn)問(wèn)題，則可以通過(guò)測(cè)量電壓或者測(cè)量信號(hào)的方法。前者可以用萬(wàn)用表或者示波器檢測(cè)電源與地之間的電壓有沒(méi)有差錯(cuò)；后者按著信號(hào)所走的方向檢測(cè)信號(hào)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(jì)對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行功率穩(wěn)定性測(cè)試。其中 808nm 激光選擇 5mW、 15mW、 25mW 三個(gè)功率， 532nm 激光選擇 5mW、 10mW、 15mW三個(gè)功率，測(cè)量各個(gè)功率點(diǎn)的輸出隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，每個(gè)功率測(cè)試 60min，每 1min 記錄一次數(shù)據(jù)。 在本次設(shè)計(jì)中， 808nm 的激光和 980nm 的激光同時(shí)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(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)。各個(gè)功率都要測(cè)試一個(gè)小時(shí)，用一分鐘的時(shí)間來(lái)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。 經(jīng)過(guò)研究可以了解到， 當(dāng)時(shí)間不斷增加時(shí)，半導(dǎo)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