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裝藥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)顯示模塊
摘 要
隨著人們對(duì)自身健康關(guān)注程度的日益提高，藥丸的種類和數(shù)量也在急劇增加，對(duì)于大多數(shù)的藥品，一般都裝在瓶子里。面對(duì)日益劇增的藥丸數(shù)量，如何在藥物生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)藥丸的快速準(zhǔn)確檢測(cè)和計(jì)數(shù)就顯得尤為重要，也是各個(gè)廠家亟待解決的問(wèn)題之一。
本文介紹的基于單片機(jī)的藥丸自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)是以ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)為核心，并與直射式光電傳感器相結(jié)合的藥丸測(cè)量系統(tǒng)，它具有很高的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，運(yùn)用實(shí)時(shí)LED模塊，采用了匯編編程工具進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了信號(hào)檢測(cè)電路及顯示電路的可靠性與穩(wěn)定性。該測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)是:操作簡(jiǎn)單、藥丸檢測(cè)穩(wěn)定可靠、動(dòng)態(tài)顯示及時(shí)準(zhǔn)確、成本低廉。
本文首先簡(jiǎn)要的介紹了裝藥生產(chǎn)線概況，以及藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)在在裝藥生產(chǎn)線中作用、現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。其次，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求制定出傳感器、單片機(jī)、顯示模塊等重要器件的選擇方案，接著，根據(jù)實(shí)際使用要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、藥丸的實(shí)時(shí)顯示和計(jì)數(shù)等功能。最后，介紹了和系統(tǒng)硬件配套的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。
DESIGN of PRODUCTION LINE CONTROL SYSTEM for LOADING MEDICINE
ABSTRACT
As people concerned about their own health increasing degree, thetype and number of pills is increasing dramatically, for most drugs, generallypacked in the bottle. Faced with an increasingly sharp increase in the numberof pills, how in drug production line to achieve rapid and accurate detectionof pills and counting is particularly important, also the various problems tobe solved one of the manufacturers.
This article describes the pills based on single chip design ofautomatic detector manufactured by ATMEL AT89C51 microcontroller as the core, and with the directphotoelectric sensor combined pills measurement system, which has a highapplication value and practical significance, the use of real-time LED module,using a compilation of programming tools for software design. System fully intoaccount the signal detection circuit and display circuit
This article describes the pills based onsingle chip design of automatic detector manufactured by ATMEL AT89C51 microcontroller as the core, and withthe direct photoelectric sensor combined pills measurement system, which has ahigh application value and practical significance, the use of real-time LEDmodule, using a compilation of programming tools for software design. Systemfully into account the signal detection circuit and display circuit
目 錄
前 言... 5
第一章 緒 論... 6
§1.1裝藥生產(chǎn)線的簡(jiǎn)介... 6
§1.1.1流水線簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖... 6
§1.1.2生產(chǎn)線各個(gè)模塊... 6
§1.1.3檢測(cè)流程... 6
§1.2AT89C51單片機(jī)... 7
§1.2.1現(xiàn)有主流單片機(jī)的概述... 7
§1.2.2單片機(jī)的選用... 7
§1.3紅外傳感器概述... 10
§1.1.1直射式光電傳感器... 10
§1.1.2直接反射式光電傳感器... 11
§1.1.3槽式光電傳感器... 11
§1.1.4反射板反射式光電傳感器... 11
§1.4本章小結(jié)... 12
第二章 藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)分析... 13
§2.1傳感器的選取... 13
§2.1.1傳感器的選用原則... 13
§2.1.2傳感器的選用... 14
§2.1.3傳感器的幾何光學(xué)分析... 15
§2.2信號(hào)處理電路... 15
§2.3.1電壓比較電路... 15
§2.3.2555去抖電路... 16
§2.3總體硬件設(shè)計(jì)方案... 17
§2.4本章小結(jié)... 17
第三章 硬件電路的分析... 18
§3.1時(shí)鐘和復(fù)位電路... 18
§3.2藥丸的檢測(cè)電路... 19
§3.3信號(hào)的處理電路... 20
§2.3.1電壓比較電路... 20
§2.3.2555去抖電路... 20
§3.4計(jì)數(shù)和顯示電路... 21
§3.5本章小結(jié)... 21
第四章 軟件設(shè)計(jì)... 22
§4.1軟件設(shè)計(jì)概述... 22
§4.1.1WAVE仿真環(huán)境的硬件特點(diǎn)... 23
§4.1.2 WAVE仿真環(huán)境的軟件特點(diǎn)... 25
§4.2主程序... 26
§4.3子程序... 28
§4.3.1動(dòng)態(tài)掃描子程序... 28
§4.3.2計(jì)數(shù)子程序分析... 30
§4.4本章小結(jié)... 30
第五章 藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)的調(diào)試... 31
§5.1設(shè)計(jì)的硬件的仿真... 31
§5.1.1 制板、焊接與檢測(cè)... 31
§5.1.2系統(tǒng)調(diào)試... 31
§5.2系統(tǒng)的軟件調(diào)試... 32
§5.2.1 設(shè)計(jì)的軟件仿真... 32
§5.3本章小結(jié)... 32
結(jié) 論... 32
參考文獻(xiàn)... 33
致 謝... 36
附 錄... 37
§附錄一 系統(tǒng)的電路原理圖及PCB板... 37
§附錄二 軟件部分程序... 38
前 言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術(shù)的提高，光電信號(hào)變換與檢測(cè)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，綜合性的自動(dòng)化、智能化的光電系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展，形成了包括光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等知識(shí)集中的跨學(xué)科的技術(shù)：光電技術(shù)【1】�，F(xiàn)在光電技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、文教、衛(wèi)生、國(guó)防、科研和家庭生活等各領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，幾乎都涉及到將光輻射信息轉(zhuǎn)換為電信息的問(wèn)題，即光輻射的檢測(cè)問(wèn)題。因此，光電檢測(cè)技術(shù)是光電技術(shù)的核心和重要組成部分。
光電檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸測(cè)量的高新技術(shù)，它以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代化光電器件【2】為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)載荷有被檢測(cè)物體信息的光輻射進(jìn)行檢測(cè)，即通過(guò)光電檢測(cè)器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，再經(jīng)變換運(yùn)算、處理，最后輸出所需檢測(cè)的物理量。光電檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)最重要的手段和方法之一，是計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向【3】。
隨著人們對(duì)自身健康關(guān)注程度的日益提高，藥丸的種類和數(shù)量也在急劇增加，對(duì)于大多數(shù)的藥品，一般都裝在瓶子里。據(jù)估測(cè)，瓶裝藥品占市場(chǎng)藥品總量的40%。藥物生產(chǎn)線的質(zhì)量問(wèn)題主要有藥丸或膠囊的的檢測(cè)和計(jì)數(shù)．以自動(dòng)化的手段實(shí)時(shí)準(zhǔn)確快速地實(shí)現(xiàn)藥丸的檢測(cè)和計(jì)數(shù)是許多制藥廠家非常關(guān)心卻又還沒(méi)很好解決的問(wèn)題。從本質(zhì)上區(qū)分，藥丸的計(jì)數(shù)方法分為兩種：機(jī)械計(jì)數(shù)法和電子計(jì)數(shù)法。藥丸數(shù)量是藥品質(zhì)量的一個(gè)重要方面，人工工作效率低，計(jì)量準(zhǔn)確率低，而且在衛(wèi)生等方面不符合國(guó)家藥品監(jiān)督管理局頒發(fā)的藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范。如果可以對(duì)傳統(tǒng)的藥物生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)，配以合適的檢測(cè)設(shè)備，就能給全國(guó)各大藥廠節(jié)約成本，提高效益【4】。
藥丸檢測(cè)計(jì)數(shù)部分是全生產(chǎn)線中的核心設(shè)備，它直接影響到整套設(shè)備的總體生產(chǎn)效率與精度，因此其設(shè)計(jì)和改進(jìn)就顯得尤為重要。裝藥生產(chǎn)線上的質(zhì)量控制的重要一點(diǎn)就是藥品的裝瓶數(shù)量控制。因此自動(dòng)化的藥品瓶裝流水線中藥丸數(shù)量的檢測(cè)就尤為重要。
第一章 緒 論
§1.1 裝藥生產(chǎn)線的簡(jiǎn)介
§1.1.1 流水線簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖
藥丸、膠囊的模板瓶裝流水線的核心是裝藥模板。藥品瓶裝生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)圖大致如下圖1—1所示．
圖1-1 藥品瓶裝生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)圖
§1.1.2 生產(chǎn)線各個(gè)模塊
主要模塊有：藥丸檢測(cè)電路、閥門(mén)控制電路、履帶電機(jī)控制電路、計(jì)數(shù)顯示電路五部分構(gòu)成。
§1.1.3 檢測(cè)流程
采用紅外傳感器檢測(cè)藥丸通過(guò)漏斗頸情況并進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示；并與設(shè)定的每瓶藥丸數(shù)量進(jìn)行比較，通過(guò)閥門(mén)控制電路，控制閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉來(lái)控制藥丸掉落到藥瓶中；當(dāng)達(dá)到設(shè)定每瓶數(shù)量時(shí)，通過(guò)履帶電機(jī)控制電路，控制履帶適時(shí)運(yùn)送空瓶到漏斗下，并通過(guò)顯示電路，顯示已裝好藥丸的瓶數(shù)。顯示器回零，從而進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)周期。
§1.2 AT89C51單片機(jī)
§1.2.1 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年代初研制出來(lái)的，很快就在全世界得到廣泛的推廣應(yīng)用。十多年來(lái)，MCS-51系列單片機(jī)無(wú)論在教學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表、信息通信，還是在交通、航運(yùn)、家用電氣領(lǐng)域，都取得了大量的應(yīng)用成果。Intel公司雖然已經(jīng)把精力集中在計(jì)算機(jī)的CPU生產(chǎn)上，而漸漸放棄了微控制器的生產(chǎn)。但是，以MCS-51技術(shù)核心為主導(dǎo)的微控制器技術(shù)已被ATMEL,PHILIPS等公司所繼承，并且在原有基礎(chǔ)上又進(jìn)行了新的開(kāi)發(fā)，從而產(chǎn)生了和MCS-51兼容而功能更加強(qiáng)勁的微控制器系列【5】。ATMEL公司所生產(chǎn)的89系列單片機(jī)就是基于Intel公司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(guó)在20世紀(jì)80年代中期成立并發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體公司。該公司的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)高可靠性生產(chǎn)技術(shù)。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，在20世紀(jì)90年代初，ATMEL公司一躍成為全球最大的EEPROM供應(yīng)商。1994年為了介入單片機(jī)市場(chǎng)，ATMEL公司以EEPROM技術(shù)和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公司把自身的先進(jìn)Flash存儲(chǔ)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F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的特殊單片機(jī)。由于它內(nèi)部含有大容量的Flash存儲(chǔ)器，所以，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)便攜式商品、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。該芯片不僅具有MCS51系列單片機(jī)的所有特性，而且片內(nèi)集成有4K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器。其價(jià)格低、引腳方便，是目前性能價(jià)格比較高的現(xiàn)用主流單片機(jī)芯片之一【6】。
§1.2.2 單片機(jī)的選用
本檢測(cè)儀在數(shù)據(jù)處理上速度要求不是很高，8位機(jī)即可。單片機(jī)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programmable and EraseableRead Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容[7-9]。
§1.2.2.1 主要性能[5]：
（1）與MCS-51 微控制器產(chǎn)品系列兼容。
（2）片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的快閃擦寫(xiě)存儲(chǔ)器 （3）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年 （4）寬工作電壓范圍：Vcc可為2.7V到6V （5）全靜態(tài)工作：可從0Hz至16MHz （6）程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)加密保護(hù) （7）128*8位內(nèi)部RAM （8）32條可編程I/O線 （9）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 （10）中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí) （11）可編程全雙工串行通道 （12）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容
§1.2.2.2 AT89C51引腳圖
AT89C51有40個(gè)引腳，如圖1-2示。
圖1-2 AT89C51引腳圖
§1.2.2.3 各個(gè)引腳說(shuō)明
圖2-5為AT89C51的引腳圖，對(duì)其在本次設(shè)計(jì)中的主要使用的引腳說(shuō)明如下：
VCC：電源電壓，AT89C51電源的正極輸入端，接+5V電壓使AT89C51單片機(jī)正常工作。是單片機(jī)的電源提供端口。
P0: P0口(P0.0~P0.7)是一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I／O 口用P0口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8 個(gè)LSTTL 負(fù)載。
P2：P2口(P2.0~P2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I／O口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LSTL負(fù)載。
P1: P1口(P1.0~P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，其輸出可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。
P3: P3口(P3.0~P3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ�。其特殊功能引腳分配如下：
P3.0 RXD 串行通信輸入。
P3.1 TXD 串行通信輸出。
P3.2 INT0 外部中斷0 輸入，低電平有效。
P3.3 INT1 外部中斷1 輸入，低電平有效。
P3.4 T0 計(jì)數(shù)器0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端。
P3.5 T1 計(jì)數(shù)器1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端。
P3.6 WR 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫(xiě)選通，低電平有效。
P3.7 RD 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效。
XTAL1: 接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)法相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)該接地。
GND：電源接地端。
此次設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)功能。主要應(yīng)用的計(jì)數(shù)器是其內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)采用增量式計(jì)數(shù)。也就是說(shuō)，當(dāng)運(yùn)行于定時(shí)器方式時(shí)，每隔一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器自動(dòng)加一；當(dāng)運(yùn)行于計(jì)數(shù)器方式時(shí)，每當(dāng)引腳出現(xiàn)下跳沿，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1.無(wú)論是作定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器，當(dāng)T0或T1加滿回零后，定時(shí)器回零標(biāo)志置1。而當(dāng)允許中斷時(shí)，TF可以申請(qǐng)中斷進(jìn)而在中斷服務(wù)中作相應(yīng)的操作；TF也可以用程序判斷定時(shí)到或計(jì)數(shù)滿的標(biāo)志位[10]。
§1.3 紅外傳感器概述
紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無(wú)線電或X射線[11]。人眼可見(jiàn)的波長(zhǎng)為380nm-78mm，發(fā)射波長(zhǎng)為780nm-1mm的長(zhǎng)射線稱為紅外線，紅外線光電傳感器，它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通電路而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)，而且檢測(cè)距離可近可遠(yuǎn)，根據(jù)具體情況選擇自己合適的傳感器即可，圖1-1為不同波長(zhǎng)的光的分布情況。
圖1-1 光的波長(zhǎng)分布圖
§1.1.1 直射式光電傳感器
直射式光電傳感器包括在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不透明時(shí)，直射式光電傳感器是最可靠的檢測(cè)模式。直射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1-2 直射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
§1.1.2 直接反射式光電傳感器
直接反射式光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，直接反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式【12】。直接反射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1-3 直接反射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
§1.1.3 槽式光電傳感器
槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一個(gè)光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較安全可靠，適合檢測(cè)高速變化的信號(hào)，分辨透明與半透明物體，但槽間的距離一般比較小，不適合檢測(cè)體積較大的物體。槽式光電開(kāi)關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1-4 槽式光電開(kāi)關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
§1.1.4 反射板反射式光電傳感器
反射板反射式光電開(kāi)關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射板，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。反射板反射式光電傳感器示意圖如下：
圖1-5 反射板反射式光電傳感器
§1.4 本章小結(jié)
本章介紹了一些與設(shè)計(jì)的主題—裝藥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)顯示模塊）相關(guān)的知識(shí)，包括裝藥生產(chǎn)線的簡(jiǎn)介，AT89C51單片機(jī)以及紅外光電傳感器傳感器等內(nèi)容。
第二章 藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)分析
§2.1 傳感器的選取
§2.1.1 傳感器的選用原則
傳感器千差萬(wàn)別，即便對(duì)于相同種類的測(cè)定量也可采用不同工作原理的傳感器，因此根據(jù)需要選用最適宜的傳感器[13]。
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量電路也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器選擇是否合理。
§2.1.1.1 根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型
要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y(cè)量同一個(gè)物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：測(cè)量距離的大�。槐粶y(cè)量位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式;信號(hào)的引出方法，有線或是無(wú)線測(cè)量;傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后，就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。
§2.1.1.2 輸入光波長(zhǎng)的選擇
通常，在光電傳感器的使用范圍內(nèi)，可見(jiàn)光的影響是無(wú)處不在的。因此要注意光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器與光電開(kāi)關(guān)接收器的波長(zhǎng)敏感范圍。如果接收器可接收的光的波長(zhǎng)范圍很寬，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界光信號(hào)也容易混入.也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此選擇光電傳感器的時(shí)候，要求傳感器本身應(yīng)具有最佳波長(zhǎng)使用范圍，盡量減少外界信號(hào)的干擾，如果傳感器對(duì)可見(jiàn)光非常的敏感，可以將傳感器系統(tǒng)與可見(jiàn)光隔離，避免其受到外界影響【14】。
§2.1.1.3 頻率響應(yīng)特性
傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總會(huì)有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)確定所需傳感器的頻率響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差，因?yàn)樗幫柘侣涞乃俣容^慢，要求傳感器頻率很低即可，所以一般的光電傳感器都可以滿足此項(xiàng)要求。
§2.1.1.4 穩(wěn)定性
傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力被稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器【15】。
§2.1.1.5 精度
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo).它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選地過(guò)高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器【16】。
§2.1.2 傳感器的選用
在此次設(shè)計(jì)中，對(duì)于藥丸的檢測(cè)來(lái)說(shuō)，可以選用多個(gè)傳感器。根據(jù)傳感器的特性分析得出，紅外傳感器是比較好的選擇。在紅外傳感器中，又分很多種。所以需要選用一個(gè)最佳的方案。
方案一，采用光敏電阻來(lái)檢測(cè)。通過(guò)藥丸頭通過(guò)與否對(duì)其光的強(qiáng)度的影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)阻值的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)藥丸的檢測(cè)。
方案二，采用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)，根據(jù)光敏三極管接收到的光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化，從而使光敏三極管產(chǎn)生電流，經(jīng)整合形成高低電平進(jìn)行輸出，通過(guò)對(duì)高低電平的變化來(lái)判斷是否有藥丸通過(guò)。
方案三，采用光纖傳感器，將光線傳感器固定于藥丸通道外側(cè)。當(dāng)有藥丸落下時(shí)，光纖傳感器感知通道壁是否產(chǎn)生特定抖動(dòng)，從而判定是否有藥丸落下。
綜合分析，方案一光敏電阻測(cè)量麻煩，而且受外界的影響，引入較大的測(cè)量誤差，所以不可取。方案三采用光纖傳感器，測(cè)量精度較高，但是光纖傳感器的成本很高。方案二成本低，電路簡(jiǎn)單，且不受可見(jiàn)光的干擾，穩(wěn)定性好，測(cè)量相鄰藥丸時(shí)準(zhǔn)確快速。因此采用方案二。
§2.1.3 傳感器的幾何光學(xué)分析
傳感器幾何光學(xué)分析主要說(shuō)明紅外發(fā)光二極管與光敏三極管的各種不同安裝位置，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的不同影響，如果安裝位置不合理，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)失敗，從而不能夠達(dá)到藥丸檢測(cè)的目的。通過(guò)分析紅外發(fā)光二極管與光敏三極管中心線與藥丸下落過(guò)程中的相對(duì)位置關(guān)系，得出藥丸下落過(guò)程中，紅外發(fā)光二極管與光敏三極管可靠的檢測(cè)位置。
此次設(shè)計(jì)中，傳感器是由一個(gè)光電耦合系統(tǒng)組成，這個(gè)系統(tǒng)主要由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管構(gòu)成。通過(guò)光敏三極管對(duì)光的強(qiáng)弱感應(yīng)，進(jìn)行電流的變化，通過(guò)電阻轉(zhuǎn)變成相應(yīng)電壓變化，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)進(jìn)行輸出。
§2.2 信號(hào)處理電路
§2.3.1電壓比較電路
當(dāng)有液滴穿過(guò)光耦，將U型紅外光耦發(fā)射管發(fā)射的紅外光散射或阻斷，從而接收管上的電壓便產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于光耦接收管的口值較大，故電壓變化也較強(qiáng)烈。將光耦輸出的信號(hào)傳給電壓比較器 LM324�？筛鶕�(jù)實(shí)際光耦輸出信號(hào)大小，整比較器的參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)將不規(guī)則光耦信號(hào)轉(zhuǎn)化為電源電壓的電平轉(zhuǎn)換。
電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無(wú)窮大”的運(yùn)算放大器。
電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)：
當(dāng)”＋”輸入端電壓高于”－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；
當(dāng)”＋”輸入端電壓低于”－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；
壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。利用簡(jiǎn)單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。簡(jiǎn)單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。
運(yùn)放需要通過(guò)反饋回路和輸入回路的確定“運(yùn)算參數(shù)”，比如放大倍數(shù)，反饋量可以是輸出的電流或電壓的部分或全部。而比較器則不需要反饋，直接比較兩個(gè)輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開(kāi)關(guān)（高低電平）量。一般應(yīng)用中，有時(shí)也可以用線性運(yùn)算放大器，在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來(lái)使用。
可用作電壓比較器的芯片：所有的運(yùn)算放大器。常見(jiàn)的有LM324 LM358 uA741 TL081\2\3\4 OP07 OP27，由于LM324性能穩(wěn)定、便宜易于操作等特點(diǎn)，這里我們選用LM324來(lái)構(gòu)成相應(yīng)的電壓比較器，LM324芯片如下2-1所示：
圖2-1 LM324管腳及實(shí)物圖
§2.3.2 555去抖電路
因藥丸穿過(guò)檢測(cè)通道時(shí)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在此過(guò)程中，紅外光被藥丸阻擋的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，而引起信號(hào)的抖動(dòng)，這可能會(huì)造成錯(cuò)誤記數(shù)。因此使用了時(shí)基集成電路555作為濾波去抖電路。在這里用555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其具有整形處理功能，可以使經(jīng)過(guò)電壓比較器的信號(hào)更規(guī)則，更重要的是有去抖避免錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的功能。
§2.3 總體硬件設(shè)計(jì)方案
按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求以及檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)的變化，確定系統(tǒng)由以下模塊組成：主控制器AT89C51、藥丸檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路和顯示電路。
其中信號(hào)處理電路由電壓比較電路和555濾波去抖電路組成。
另外，顯示電路選用的是LED顯示，這種顯示器價(jià)格較LCD便宜，數(shù)據(jù)顯示清楚，適用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)電路總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。
圖2-3 硬件總體電路結(jié)構(gòu)框圖
§2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了紅外傳感器的分類、各種紅外傳感器的結(jié)構(gòu)、選用、各種分析等。同時(shí)在傳感器的選擇方面，進(jìn)行了多種方案的提出、選擇、與比較，最終確定了在本次設(shè)計(jì)中使用由光敏器件構(gòu)成的傳感器。與此同時(shí)提出了的硬件和軟件的相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，以及各個(gè)步驟的方案選取。
第三章 硬件電路的分析
§3.1 時(shí)鐘和復(fù)位電路
一、時(shí)鐘電路
AT89C51單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反向放大器所構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。內(nèi)部時(shí)鐘電路是在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路[21]。晶振頻率可以在1.2MHz到12MHz之間選擇。電容值取5pF~30pF，電容的大小可起頻率微調(diào)的作用。外部時(shí)鐘電路需要XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器，對(duì)外部振蕩器信號(hào)無(wú)特殊要求，只需保證脈沖寬度，一般頻率為低于12MHz的方波信號(hào)。設(shè)計(jì)中選用的是內(nèi)部時(shí)鐘電路，晶振頻率為12MHz，電容為30pF，如圖3-1所示。
二、復(fù)位電路
通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。復(fù)位方式有上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種，在這里選用的是上電復(fù)位電路，如圖3-1所示。
圖3-1復(fù)位電路圖
§3.2 藥丸的檢測(cè)電路
一、測(cè)溫電路
在這里我們選用紅外光電傳感器由封裝在同一模塊內(nèi)的U型紅外光耦發(fā)射管和U型紅外光耦接收管組成的TP806紅外光電傳感器，U型紅外光耦發(fā)射管與U型紅外光耦接收管對(duì)稱設(shè)置并分別位于藥丸進(jìn)入瓶通道末端兩側(cè)，并且分別與通道下垂線呈90。夾角，以保證藥丸通過(guò)時(shí)，紅外光耦接收管被部分遮光，光電檢測(cè)電路能準(zhǔn)確地檢測(cè)到藥丸通過(guò)而導(dǎo)致的信號(hào)瞬間變化。
連接電路圖及傳感器外觀如圖3-2所示。
圖3-2溫度檢測(cè)電路連接圖
其光電參數(shù)如下圖3-3
圖3-3
§3.3 信號(hào)的處理電路
§2.3.1電壓比較電路
這里由LM324和滑動(dòng)變阻器組成可調(diào)的電壓比較電路，從而實(shí)現(xiàn)將不規(guī)則光耦信號(hào)轉(zhuǎn)化為電源電壓的電平轉(zhuǎn)換【17】，其protel中電路圖如下3-4所示：
圖3-4 電壓比較電路
§2.3.2 555去抖電路
因藥丸穿過(guò)檢測(cè)通道時(shí)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在此過(guò)程中，紅外光被藥丸阻擋的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，而引起信號(hào)的抖動(dòng)，這可能會(huì)造成錯(cuò)誤記數(shù)。在這里用555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器【17】，其具有整形處理功能，可以使經(jīng)過(guò)電壓比較器的信號(hào)更規(guī)則，起到去抖避免錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的功能。其電路圖如下3-5所示：
圖3-5 555去抖電路
在這里其濾波常數(shù)由滑動(dòng)變阻器R4、電阻R5和電容C2決定，其濾波時(shí)間常數(shù)為S=1.1*（R4+R5）C2：在這里約為110ms。其輸出信號(hào)接單片機(jī)的P3.2接口進(jìn)行計(jì)數(shù)和現(xiàn)顯示處理。
§3.4 計(jì)數(shù)和顯示電路
顯示器常用作單片機(jī)最簡(jiǎn)單的輸出設(shè)備，用以顯示單片機(jī)的運(yùn)行結(jié)果和運(yùn)行狀態(tài)等。常用的顯示器主要有LED和LCD，它們都具有耗電少、成本低、線路簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)顯示數(shù)字量的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)中采用LED顯示器【18】。
對(duì)LED管的顯示可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。本文采用動(dòng)態(tài)顯示，其優(yōu)點(diǎn)為： 1. 能降低顯示器的功耗；2. 能大大減少顯示器的外部接線，給安裝調(diào)試帶來(lái)方便。
LED動(dòng)態(tài)顯示原理：由于各個(gè)數(shù)碼管的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對(duì)各個(gè)數(shù)碼管都是相同。因此同一時(shí)刻如果各個(gè)數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話，4位LED將顯示相同字符。若要各位LED顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式。即在某一時(shí)刻只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)而其它各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài).同時(shí)段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的代碼這樣同一時(shí)刻4位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其它位則是熄滅的。此循環(huán)下去就可以使各位數(shù)碼管顯示出將要顯示的字符。顯然，這些字符是在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而且同一時(shí)刻只有一位顯示其它各位熄滅，但由于各位數(shù)碼管的通斷時(shí)間是非常短的，且人眼有視覺(jué)暫留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短則可造成多位同時(shí)亮的假象達(dá)到顯示的目的[19]。
為了顯示相應(yīng)的字符，必須將該字符轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的段選碼。這種轉(zhuǎn)換也稱為譯碼。譯碼可以采用硬件的方法，也可以采用軟件的方法。設(shè)計(jì)中采用軟件的方法進(jìn)行譯碼。
在總體電路中，顯示電路是設(shè)計(jì)的主要部分，通過(guò)單片機(jī)的P1口，控制四位七段數(shù)碼管的段碼，而數(shù)碼管的位碼由P3.0、P3.1、P3.2、P3.3四個(gè)端口來(lái)分別控制顯示數(shù)字的小數(shù)位、個(gè)位、十位和百位/符號(hào)位。在位碼控制端通過(guò)單片機(jī)P3口輸出的高低電平來(lái)選通數(shù)碼管的顯示位。
§3.5 本章小結(jié)
本章主要詳細(xì)介紹了基于紅外傳感器的的硬件電路設(shè)計(jì)、包括時(shí)鐘和復(fù)位電路、藥丸檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路、計(jì)數(shù)顯示電路各個(gè)模塊的具體電路設(shè)計(jì)和整體電路連接，總體電路和PCB電路見(jiàn)附錄一。
第四章 軟件設(shè)計(jì)
§4.1 軟件設(shè)計(jì)概述
良好的設(shè)計(jì)方案可以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，提高軟件的通用性，擴(kuò)展性和可讀性。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和步驟如下[20]:
（1）根據(jù)需求按照系統(tǒng)的功能要求，逐級(jí)劃分模塊。
（2）明確各模塊之間的數(shù)據(jù)流傳遞關(guān)系，力求數(shù)據(jù)傳遞少，以增強(qiáng)各模塊的獨(dú)立性，便于軟件調(diào)試。
（3）確定軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇設(shè)計(jì)語(yǔ)言，完成模塊功能設(shè)計(jì)，并分別調(diào)試通過(guò)。
(4)按照開(kāi)發(fā)式軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將各模塊有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，即成一個(gè)較完善的系統(tǒng)。
計(jì)算機(jī)是按照程序一條條依次執(zhí)行指令而工作的，根據(jù)具體的需要選擇合適的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，對(duì)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)速度至關(guān)重要。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種:機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言【21】。機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)唯一能“懂”的語(yǔ)言，用匯編和高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序 (稱為源程序)最終都必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的程序(稱為目標(biāo)程序)計(jì)算機(jī)才能看“懂”然后逐一執(zhí)行。但是機(jī)器語(yǔ)言是一種用二進(jìn)制數(shù)0、1組成的代碼，人們不容易辨識(shí)、記憶、而且很容易出錯(cuò)，出錯(cuò)后查錯(cuò)任務(wù)更加艱巨，所以很難用它來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。
在此次設(shè)計(jì)中，選用的是匯編語(yǔ)言，相比高級(jí)語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言存在諸多弊端，比如沒(méi)有關(guān)鍵字及運(yùn)算函數(shù)的功能、程序過(guò)于冗長(zhǎng)等。盡管相比高級(jí)語(yǔ)言如C語(yǔ)言等，較匯編語(yǔ)言相比有許多的優(yōu)點(diǎn)，但匯編有其自身的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，在編制程序的工作量不大、規(guī)模較小，一般不需要移植的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的情況下，使用匯編語(yǔ)言也十分的方便，而且高級(jí)語(yǔ)言源程序要通過(guò)預(yù)存于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的編譯程序或解釋程序才能翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，而存儲(chǔ)器較小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容納不下，因此無(wú)法配用這些工具程序，但是匯編語(yǔ)言可以直接翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，然后再由計(jì)算機(jī)去識(shí)別和執(zhí)行。因此運(yùn)用用匯編語(yǔ)言編程是很方便的了。
匯編語(yǔ)言中由于使用了助記符號(hào)，用匯編語(yǔ)言編制的程序輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)不能象用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程序一樣直接識(shí)別和執(zhí)行，必須通過(guò)預(yù)先放入計(jì)算機(jī)的"匯編程序"的加工和翻譯，才能變成能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理的二進(jìn)制代碼程序。用匯編語(yǔ)言等非機(jī)器語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)好的符號(hào)程序稱為源程序，運(yùn)行時(shí)匯編程序要將源程序翻譯成目標(biāo)程序。目標(biāo)程序是機(jī)器語(yǔ)言程序，它一經(jīng)被安置在內(nèi)存的預(yù)定位置上，就能被計(jì)算機(jī)的CPU處理和執(zhí)行[22]。
匯編語(yǔ)言像機(jī)器指令一樣，是硬件操作的控制信息，因而仍然是面向機(jī)器的語(yǔ)言，使用起來(lái)還是比較繁瑣費(fèi)時(shí)，通用性也差。但是，匯編語(yǔ)言用來(lái)編制系統(tǒng)軟件和過(guò)程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快，有著高級(jí)語(yǔ)言不可替代的用途【23】。
匯編語(yǔ)言主要用在設(shè)備控制、加密破解、開(kāi)發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品.對(duì)計(jì)算機(jī)性能的優(yōu)化等。一般用于開(kāi)發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)就必須使用匯編語(yǔ)言來(lái)編輯，否則不能用的�？梢院芎玫膶�(shí)現(xiàn)微電子控制。
用匯編語(yǔ)言編制程序時(shí)，程序的每一條語(yǔ)句都與計(jì)算機(jī)的某一條具體的指令相對(duì)應(yīng)，因此必須熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)。另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，編譯成機(jī)器語(yǔ)言后，高級(jí)語(yǔ)言較匯編語(yǔ)言的長(zhǎng)度增加15%-200%，占用的內(nèi)存空間隨之?dāng)U大，執(zhí)行的時(shí)間也相應(yīng)增長(zhǎng)50%-300%。因此對(duì)于要求反映靈敏與控制及時(shí)、檢測(cè)等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，采用匯編語(yǔ)言編程的優(yōu)越性也很明顯。
液體點(diǎn)滴實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件全部采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，以提高系統(tǒng)的靈敏性和實(shí)時(shí)性。其設(shè)計(jì)方法和硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將該部分設(shè)計(jì)劃分為相應(yīng)的程序模塊，便于設(shè)計(jì)、調(diào)試。此次設(shè)計(jì)中程序的編寫(xiě)與仿真環(huán)境應(yīng)用的是WAVE仿真環(huán)境。
§4.1.1 WAVE仿真環(huán)境的硬件特點(diǎn)
偉福仿真品種多、功能強(qiáng)，和國(guó)內(nèi)外同類高檔仿真器功能相比，軟、硬件方面具有多種先進(jìn)特點(diǎn)[24]。硬件方面先進(jìn)的特點(diǎn)如下：
1、通用仿真器：主機(jī)+POD組合，通過(guò)更換POD，可以對(duì)各種CPU進(jìn)行仿真。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，用戶如果選擇不同的CPU，通常就要更換仿真器，而偉福仿真器則采用主機(jī)+POD組合，支持多類CPU仿真。
2、仿真CPU外置：直接位于用戶板的上方，提高仿真頻率以及降低信號(hào)噪聲，而無(wú)須縮短您的仿真電纜。
3、強(qiáng)大的邏輯分析儀綜合調(diào)試功能：邏輯分析儀由交互式軟件菜單窗口對(duì)系統(tǒng)硬件的邏輯或時(shí)序進(jìn)行同步實(shí)時(shí)采樣，并實(shí)時(shí)在線調(diào)試分析，采集深度 32K(E6000/L)，最高時(shí)基采樣頻率達(dá)20M，40路波形的可精確實(shí)時(shí)反映用戶程序運(yùn)行時(shí)的歷史時(shí)間。
4、強(qiáng)大的跟蹤器功能：跟蹤功能是以總線周期為單位，實(shí)時(shí)記錄 CPU仿真運(yùn)行過(guò)程中，總線上發(fā)生的事件，其觸發(fā)條件方式同邏輯分析儀。
5、波形發(fā)生器功能：偉福V8/L仿真器可以輸出 8路可編程數(shù)字波形，波形深度達(dá) 32K，最高頻率為20MHz。
6、影子存儲(chǔ)器：用戶在程序全速執(zhí)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)觀察到時(shí) MCS51 系列 CPU 和 MCS96 系列CPU的外部數(shù)據(jù)的變化。
7、程序時(shí)效分析：統(tǒng)計(jì)每個(gè)函數(shù)、過(guò)程運(yùn)行時(shí)間，以及占整個(gè)程序運(yùn)行時(shí)間的百分比。在設(shè)計(jì)高效率程序時(shí)，就要知道程序中各函數(shù)、各過(guò)程運(yùn)行時(shí)間及占總時(shí)間的百分比，程序時(shí)效分析可以對(duì)此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
8、數(shù)據(jù)時(shí)效分析：與程序時(shí)效分析相似的是，數(shù)據(jù)時(shí)效分析，它可統(tǒng)計(jì)每個(gè)變量被訪問(wèn)的次數(shù)及占整個(gè)程序訪問(wèn)次數(shù)的百分比。
9、硬件測(cè)試：對(duì)于MCS51系列CPU和MCS96系列 CPU可以靜態(tài)地輸出地址、數(shù)據(jù)以及ALE、PSEN、BHE、RD、WR 等讀寫(xiě)控制信號(hào)，從而可以從用戶板上靜態(tài)地測(cè)量這些信號(hào)的值，從底層去控制、分析電路的工作狀態(tài)，可以準(zhǔn)確方便地檢測(cè)硬件方面的隱蔽問(wèn)題。
10、事件觸發(fā)：用于指定用戶程序運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)的各種事件，這些事件包括地址條件、數(shù)據(jù)條件、控制信號(hào)條件、外部信號(hào)條件以及這些條件的組合，用這些事件來(lái)觸發(fā)、控制邏輯分析儀、程序跟蹤器的運(yùn)行，以捕捉程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各類復(fù)雜情況，迅速定位設(shè)計(jì)中軟、硬件問(wèn)題所在。
11、記時(shí)器：記錄程序運(yùn)行時(shí)間。
12、雙CPU結(jié)構(gòu): 由監(jiān)控CPU控制仿真CPU完成仿真工作，100%不占用戶資源。全空間硬件斷點(diǎn)，不受任何條件限制，支持地址、數(shù)據(jù)、外部信號(hào)、事件斷點(diǎn)、支持實(shí)時(shí)斷點(diǎn)計(jì)數(shù)、軟件運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。
§4.1.2 WAVE仿真環(huán)境的軟件特點(diǎn)
1、雙工作模式：a) 軟件模擬仿真（不用仿真器也能模擬運(yùn)行用戶程序）。b) 硬件仿真。
2、真正集成調(diào)試環(huán)境： 集成了編輯器、編譯器、調(diào)試器，源程序編輯、編譯、下載、調(diào)試全部可以在一個(gè)環(huán)境下完成。
3、項(xiàng)目管理功能：現(xiàn)在單片機(jī)軟件越來(lái)越大，也越來(lái)越復(fù)雜，維護(hù)成本也很高，通過(guò)項(xiàng)目管理可化大為小，化繁為簡(jiǎn)，便于管理。項(xiàng)目管理功能也使得多模塊，多語(yǔ)言混合編程【25】。
4、多語(yǔ)言多模塊混合調(diào)試：支持ASM（匯編）、PLM、C語(yǔ)言多模塊混合源程序調(diào)試，在線直接修改、編譯、調(diào)試源程序。如果源程序有錯(cuò)，可直接定位錯(cuò)誤所在行。
5、直接點(diǎn)屏觀察變量：在源程序窗口，點(diǎn)擊變量就可以觀察此變量的值，方便快捷。
6、強(qiáng)大的書(shū)簽、斷點(diǎn)管理功能：書(shū)簽、斷點(diǎn)功能可快速定位程序，為編寫(xiě)、查找、比較程序提供幫助。
7、類似IE的前進(jìn)、后退定位功能：可以在項(xiàng)目?jī)?nèi)跨模塊地定位光標(biāo)前一次或后一次位置，為比較、分析程序提供幫助。
8、方便實(shí)用、功能多樣的源程序編輯窗口：（1）、窗口分隔功能。（2）、語(yǔ)法相關(guān)彩色顯示，使得編寫(xiě)程序輕松，觀察程序醒目。（3）、書(shū)簽功能提供多達(dá) 9個(gè)書(shū)簽，使得您在分析、比較、檢查大程序時(shí)從容不迫。（4）、尋找配對(duì)符號(hào)功能為您在復(fù)雜程序嵌套中找到“另一半”。（5）、多行程序的同進(jìn)同退功能，可以使得程序錯(cuò)落有致，幫您編寫(xiě)優(yōu)美、整潔的程序。
9、外設(shè)管理功能：外設(shè)管理可以讓您在調(diào)試程序時(shí)，觀察到端口、定時(shí)器、串行口中斷、外部中斷相關(guān)的寄存器的狀態(tài)，更可以幫您完成這些外設(shè)的初始化程序，包括 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，而您所做的只是填表，定義外設(shè)所要完成的功能【26】。
10、功能獨(dú)特的反匯編功能： 偉福獨(dú)創(chuàng)的控制文件方式的反匯編功能，可以幫助你將機(jī)器碼反匯編成工整的匯編語(yǔ)言，通過(guò)控制文件你可以定義程序中數(shù)據(jù)區(qū)、程序區(qū)、無(wú)用數(shù)據(jù)區(qū)，還可將一些數(shù)據(jù)、地址定義成符號(hào)，便于閱讀。你若丟了你的源程序，它可幫你迅速恢復(fù)。
§4.2 主程序
此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）主程序
（2）動(dòng)態(tài)掃描顯示子程序
（3）寫(xiě)子程序
系統(tǒng)主程序主要講述整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程，首先接通電源系統(tǒng)開(kāi)始工作。系統(tǒng)開(kāi)始后，開(kāi)始啟動(dòng)液滴檢測(cè)程序，將每個(gè)液滴經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將處理后的結(jié)果存儲(chǔ)，調(diào)用顯示子程序顯示檢測(cè)結(jié)果，調(diào)用報(bào)警子程序比較當(dāng)前顯示速度值與設(shè)定的安全極限值相比較，如有異常則啟動(dòng)報(bào)警，否則，執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。
主程序流程圖如圖4-1所示。
§4.3 子程序
§4.3.1 動(dòng)態(tài)掃描子程序
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了方便LED顯示器進(jìn)行管理，需要建立一個(gè)顯示緩沖區(qū)，顯示緩沖區(qū)是片內(nèi)RAM的一個(gè)區(qū)域，作用是存放要顯示的字符，其長(zhǎng)度與LED的位數(shù)相同。顯示程序的任務(wù)是把現(xiàn)實(shí)緩沖區(qū)中的顯示字符送往LED顯示器顯示【27】。在這里采用動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，從中一次取出待顯示的字符，采用產(chǎn)表的方法得到相應(yīng)的字形代碼，逐個(gè)電量各位數(shù)碼管，每位顯示1ms左右，即可使各位數(shù)碼管顯示要顯示的字符。這次顯示器由四位共陰極LED數(shù)碼管構(gòu)成。單片機(jī)的P0口輸出顯示段碼，由一片74LS245驅(qū)動(dòng)輸出給LED管，由P1口輸出位碼，給LED管顯示。動(dòng)態(tài)掃描子程序DISPLAY流程圖如下所示：
§4.3.2 計(jì)數(shù)子程序分析
設(shè)計(jì)中，計(jì)數(shù)部分由單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。AT89C51的內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，16位是指定時(shí)/計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)器是16位的，由2個(gè)8位計(jì)數(shù)器組成。本設(shè)計(jì)用的是T0，它的2個(gè)8位計(jì)數(shù)器TH0和TL0，TH0是高8位，TL0是低八位【28】。所謂加法計(jì)數(shù)器，指其計(jì)數(shù)的方法是對(duì)計(jì)數(shù)脈沖每次加1。在其它單片機(jī)和可編程計(jì)數(shù)器芯片中，有的計(jì)數(shù)器是減法計(jì)數(shù)器，如8155的14位計(jì)數(shù)器，8253的16計(jì)數(shù)器，即先設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值，然后對(duì)計(jì)數(shù)器脈沖每次減1，減到0，計(jì)數(shù)器溢出。而AT89C51內(nèi)部的計(jì)數(shù)器是加法計(jì)數(shù)器，需先設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置計(jì)數(shù)器初值為0，然后對(duì)計(jì)數(shù)脈沖每次加1，加到計(jì)數(shù)器滿后溢出。經(jīng)過(guò)整形后的脈沖由P3.2引入定時(shí)器T0。通過(guò)對(duì)輸入脈沖的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥丸的計(jì)數(shù)工作。
§4.4 本章小結(jié)
本章主要介紹軟件的系統(tǒng)構(gòu)思和設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件的編譯與實(shí)現(xiàn)，使紅外傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的整形脈沖進(jìn)入單片機(jī)的P3.2口，在進(jìn)入計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。然后，在由顯示部分將計(jì)數(shù)器T0記錄的結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。使得硬件在軟件的驅(qū)動(dòng)下完成事先預(yù)設(shè)的任務(wù)。
第五章 設(shè)計(jì)的調(diào)試
§5.1 設(shè)計(jì)的硬件的仿真
§5.1.1 制板、焊接與檢測(cè)
根據(jù)前面的具體設(shè)計(jì)，利用打印機(jī)對(duì)PCB電路進(jìn)行打印，打印到熱轉(zhuǎn)印紙后用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將其打印到覆銅板上，在進(jìn)行大約二十分鐘的腐蝕，最后對(duì)腐蝕好的電路板進(jìn)行打孔，最后按照PCB設(shè)計(jì)圖對(duì)實(shí)物元件進(jìn)行焊接，就得到了最終的PCB實(shí)物硬件。焊接過(guò)程中，使用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)每個(gè)元件和焊接點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，以保證每個(gè)元器件的完好性和焊接點(diǎn)的接觸良好性。
以下是相應(yīng)的制作過(guò)程圖：
熱轉(zhuǎn)印機(jī)以及熱轉(zhuǎn)印過(guò)程
制作好的PCB實(shí)物圖
§5.1.2 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試是在天煌教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成的。由于無(wú)法接入紅外傳感器，并且實(shí)驗(yàn)臺(tái)上也沒(méi)有安裝類似的傳感器，所以使用了一個(gè)脈沖發(fā)射器代替?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的脈沖進(jìn)行軟件的仿真和調(diào)試【29】。調(diào)試結(jié)果基本正確。在調(diào)試過(guò)程中，為證明結(jié)果的正確性，使用LED數(shù)碼管和把為邏輯電平進(jìn)行驗(yàn)證顯示，結(jié)果是一模一樣的，說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果正確
§5.2 系統(tǒng)的軟件調(diào)試
§5.2.1 設(shè)計(jì)的軟件仿真
本設(shè)計(jì)選用的就是Proteus ISIS仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)出的微型電子體溫計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真。Protues軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等【30】.
在仿真過(guò)程中，由于紅外傳感器的藥丸信號(hào)無(wú)法獲得，因此，采取相近的信號(hào)源來(lái)代替，經(jīng)過(guò)Proteus仿真，達(dá)到了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。
§5.3 本章小結(jié)
本章主要對(duì)設(shè)計(jì)的總體部分包括硬件和軟件的調(diào)試。軟件部分的調(diào)試主要通過(guò)Protues軟件進(jìn)行仿真。硬件部分的調(diào)試包括在PCB板的制作、焊接，以及焊點(diǎn)檢測(cè)和軟件在實(shí)物設(shè)計(jì)中的調(diào)試。
結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)的是一個(gè)藥丸檢測(cè)和計(jì)數(shù)模塊。它采用紅外傳感器和單片機(jī)的結(jié)合，應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)數(shù)功能將所檢測(cè)到的值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)并輸出顯示。按照預(yù)先程序的設(shè)定，在達(dá)到預(yù)定值時(shí)輸出信號(hào)并計(jì)數(shù)歸零，計(jì)數(shù)結(jié)果顯示在LED數(shù)碼管上，從而實(shí)現(xiàn)藥物生產(chǎn)線中藥丸的檢測(cè)和計(jì)數(shù)。
經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的努力，基本達(dá)到了任務(wù)要求，并通過(guò)Protel制作出了實(shí)物板。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)物的調(diào)試總結(jié)如下：
（1）設(shè)計(jì)的軟件部分各個(gè)模塊仿真成功，完成了從紅外傳感器發(fā)出脈沖、電壓比較和濾波去抖的處理電路，到單片機(jī)記錄脈沖通過(guò)顯示部分顯示出來(lái)的過(guò)程。并且在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上成功仿真，測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確。
（2）由于實(shí)際的裝藥生產(chǎn)線肯定不止一條檢測(cè)和計(jì)數(shù)通道，因此，僅用一個(gè)傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，在實(shí)際中還要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。
（3）本次設(shè)計(jì)由于對(duì)外間條件的考慮不是十分充足，較易受外界影響。
（4）由于實(shí)際的藥丸的大小形狀的差別會(huì)很大，因此，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)不同的藥丸對(duì)傳感器的型號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
在此次設(shè)計(jì)中，通過(guò)理論課的實(shí)踐和研討，取得了初步成果。在這次設(shè)計(jì)中，紅外傳感器的的選擇和電路設(shè)計(jì)是重點(diǎn)的部分，檢測(cè)電路的好壞直接影響設(shè)計(jì)的成敗，與此同時(shí)，對(duì)于信號(hào)處理電路，在各個(gè)元件的值的計(jì)算精度方面有很多不足，存在一定的誤差，對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果可能會(huì)有一定的影響。軟件方面基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，每個(gè)模塊都正常運(yùn)作。
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致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在各位老師地細(xì)心指導(dǎo)和各位同學(xué)地?zé)嵝膸椭峦瓿傻摹Ｊ紫仍谡撐氖展P階段我要由衷的跟他們說(shuō)一聲“謝謝”！
在這里我首先要感謝我的指導(dǎo)老師胡志剛老師，感謝胡志剛老師，他帶有研究生，還主持學(xué)院日常事務(wù)，可以說(shuō)相當(dāng)繁忙，但是當(dāng)我把我的問(wèn)題帶到他的面前時(shí)，他卻不厭其煩的幫我查資料，幫我解答。在他繁忙工作之中，定期對(duì)我們進(jìn)行指導(dǎo)答疑，無(wú)論是他的深厚的專業(yè)知識(shí)，還是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)和科研精神，都給我留下了深刻的印象，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。
在此，還要特別感謝藺利峰老師，雖然他不是我的導(dǎo)師，但卻在這次設(shè)計(jì)中給我很多幫助。感謝藺老師在我硬件設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)制作和電路板的焊接等方面的悉心指導(dǎo)。
感謝我的同學(xué)對(duì)我的幫助，他們使我得到許多啟示。，特別是在軟件的使用方面，使我順利的完成任務(wù)，我要感謝我的母�！幽峡萍即髮W(xué)，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境。
在此，我要向所有給予我支持和幫助的老師、同學(xué)和朋友們表示最衷心的感謝，謝謝大家�。。�
附 錄
附錄一電路原理圖及PCB板
圖1總設(shè)計(jì)的電路圖
圖2總設(shè)計(jì)的PCB板
附錄二 軟件設(shè)計(jì)程序
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