基于AT89C51单片机的装药生产线控制系统设计

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 I摘摘 要要随着人们对自身健康关注程度的日益提高，药丸的种类和数量也在急剧增加，对于大多数的药品，一般都装在瓶子里。面对日益剧增的药丸数量，如何在药物生产线中实现药丸的快速准确检测和计数就显得尤为重要，也是各个厂家亟待解决的问题之一。本文介绍的基于单片机的药丸自动检测仪的设计是以ATMEL公司生产AT89C51单片机为核心，并与直射式光电传感器相结合的药丸测量系统，它具有很高的应用价值和现实意义，运用实时LED模块，采用了汇编编程工具进行软件设计。系统设计充分考虑了信号检测电路及显示电路的可靠性与稳定性。该测量仪的特点是:操作简单、药丸检测稳定可靠、动态显示及时准确、成本低廉。本文首先简要的介绍了装药生产线概况，以及药丸检测和计数在在装药生产线中作用、现状以及未来的发展趋势。其次，根据系统设计要求制定出传感器、单片机、显示模块等重要器件的选择方案，接着，根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、药丸的实时显示和计数等功能。最后，介绍了和系统硬件配套的软件设计过程。关键词 红外传感器 单片机 LED 显示 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 IIAbstractAs people concerned about their own health increasing degree, the type and number of pills is increasing dramatically, for most drugs, generally packed in the bottle. Faced with an increasingly sharp increase in the number of pills, how in drug production line to achieve rapid and accurate detection of pills and counting is particularly important, also the various problems to be solved one of the manufacturers.This article describes the pills based on single chip design of automatic detector manufactured by ATMEL AT89C51 microcontroller as the core, and with the direct photoelectric sensor combined pills measurement system, which has a high application value and practical significance, the use of real-time LED module, using a compilation of programming tools for software design. System fully into account the signal detection circuit and display circuit. This article describes the pills based on single chip design of automatic detector manufactured by ATMEL AT89C51 microcontroller as the core, and with the direct photoelectric sensor combined pills measurement system, which has a high application value and practical significance, the use of real-time LED module, using a compilation of programming tools for software design. System fully into account the signal detection circuit and display circuit.Keywords Infrared sensor microcontroller LED display 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 1目目 录录前 言.1第 1 章 绪 论.21.1 装药生产线的简介 .21.2 AT89C51 单片机 .61.3 红外传感器概述 .61.4 本章小结 .9第 2 章 药丸检测和计数模块设计分析.92.1 传感器的选取 .92.2 信号处理电路 .112.3 总体硬件设计方案 .132.4 本章小结 .13第 3 章 硬件电路的分析.153.1 时钟和复位电路 .153.2 药丸的检测电路 .163.3 信号的处理电路 .173.4 计数和显示电路 .193.5 本章小结 .19第 4 章 软件设计.204.1 软件设计概述 .204.2 主程序 .244.3 子程序 .264.4 本章小结 .29第 5 章 设计的调试.305.1 设计的硬件的仿真 .295.2 系统的软件调试 .295.3 本章小结 .30结 论.31参 考 文 献.32长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 2前前 言言随着现代科学技术以及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性的自动化、智能化的光电系统得到进一步发展，形成了包括光学、精密机械、电子学和计算机科学等知识集中的跨学科的技术：光电技术。现在光电技术已经广泛地应用于工业、农业、文教、卫生、国防、科研和家庭生活等各领域。在这些应用领域中，几乎都涉及到将光辐射信息转换为电信息的问题，即光辐射的检测问题。因此，光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代化光电器件【2】为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经变换运算、处理，最后输出所需检测的物理量。光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一，是计量检测技术的一个重要发展方向。随着人们对自身健康关注程度的日益提高，药丸的种类和数量也在急剧增加，对于大多数的药品，一般都装在瓶子里。据估测，瓶装药品占市场药品总量的40%。药物生产线的质量问题主要有药丸或胶囊的的检测和计数以自动化的手段实时准确快速地实现药丸的检测和计数是许多制药厂家非常关心却又还没很好解决的问题。从本质上区分，药丸的计数方法分为两种：机械计数法和电子计数法。药丸数量是药品质量的一个重要方面，人工工作效率低，计量准确率低，而且在卫生等方面不符合国家药品监督管理局颁发的药品生产质量管理规范。如果可以对传统的药物生产线进行改进，配以合适的检测设备，就能给全国各大药厂节约成本，提高效益。 药丸检测计数部分是全生产线中的核心设备，它直接影响到整套设备的总体生产效率与精度，因此其设计和改进就显得尤为重要。装药生产线上的质量控制的重要一点就是药品的装瓶数量控制。因此自动化的药品瓶装流水线中药丸数量的检测就尤为重要。第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 装药生产线的简介 1.1.1 流水线简单结构图 药丸、胶囊的模板瓶装流水线的核心是装药模板。药品瓶装生产线的结构图大致如下图11所示长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 3图 1-1 药品瓶装生产线的结构图1.1.2 生产线各个模块 主要模块有：药丸检测电路、阀门控制电路、履带电机控制电路、计数显示电路五部分构成。1.1.3 检测流程 采用红外传感器检测药丸通过漏斗颈情况并进行计数显示；并与设定的每瓶药丸数量进行比较，通过阀门控制电路，控制阀门打开或关闭来控制药丸掉落到药瓶中；当达到设定每瓶数量时，通过履带电机控制电路，控制履带适时运送空瓶到漏斗下，并通过显示电路，显示已装好药丸的瓶数。显示器回零，从而进入下一个生产周期。1.2 AT89C51 单片机 1.2.1 现有主流单片机的概述 MCS- 51系列单片机是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的，很快就在全世界得到广泛的推广应用。十多年来，MCS-51系列单片机无论在教学、工业控制、仪器仪表、信息通信，还是在交通、航运、家用电气领域，都取得了大量的应用成果。Intel公司虽然已经把精力集中在计算机的CPU生产上，而渐渐放弃了微控制器的生产。但是，以MCS-51技术核心为主导的微控制器技长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 4术已被ATMEL,PHILIPS等公司所继承，并且在原有基础上又进行了新的开发，从而产生了和MCS-51兼容而功能更加强劲的微控制器系列。ATMEL公司所生产的89系列单片机就是基于Intel公司MCS-51系列而研制的并与MCS-51兼容的微控制器系列。ATMEL公司是美国在20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于Flash存储器技术和高质高可靠性生产技术。随着业务的发展，在20世纪90年代初，ATMEL公司一跃成为全球最大的EEPROM供应商。1994年为了介入单片机市场，ATMEL公司以EEPROM技术和Intel的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。ATMEL公司把自身的先进Flash存储技术和80C31核相结合，从而生产出了Flash单片机AT89C51系列。这是一种内部含Flash存储器的特殊单片机。由于它内部含有大容量的Flash存储器，所以，在产品开发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS-51系列单片机的主流单片机之一。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有4K字节的Flash存储器。其价格低、引脚方便，是目前性能价格比较高的现用主流单片机芯片之一。1.2.2 单片机的选用 本检测仪在数据处理上速度要求不是很高，8位机即可。单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Eraseable Read Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。1.2.2.1 主要性能（1）与MCS-51 微控制器产品系列兼容。 （2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器 （3）存储数据保存时间为10年 （4）宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V （5）全静态工作：可从0Hz至16MHz （6）程序存储器具有3级加密保护 （7）128*8位内部RAM （8）32条可编程I/O线 （9）两个16位定时器/计数器 （10）中断结构具有5个中断源和2个优先级 （11）可编程全双工串行通道 （12）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 51.2.2.2 AT89C51 引脚图AT89C51有40个引脚，如图1-2示。 图 1-2 AT89C51 引脚图1.2.2.3 各个引脚说明图1-2为AT89C51的引脚图，对其在本次设计中的主要使用的引脚说明如下：VCC：电源电压，AT89C51电源的正极输入端，接+5V电压使AT89C51单片机正常工作。是单片机的电源提供端口。P0: P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO 口用P0口每一个引脚可以推动8 个LSTTL 负载。P2：P2口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。P1: P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P3: P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通信输入。P3.1 TXD 串行通信输出。P3.2 INT0 外部中断0 输入，低电平有效。P3.3 INT1 外部中断1 输入，低电平有效。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 6P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端。P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端。P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效。P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效。XTAL1: 接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个法相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应该接地。GND：电源接地端。此次设计中，用单片机实现的是一个计数存储功能。主要应用的计数器是其内部的定时器/计数器。单片机的定时器/计数采用增量式计数。也就是说，当运行于定时器方式时，每隔一个机器周期定时器自动加一；当运行于计数器方式时，每当引脚出现下跳沿，计数器自动加1.无论是作定时器还是计数器，当T0或T1加满回零后，定时器回零标志置1。而当允许中断时，TF可以申请中断进而在中断服务中作相应的操作；TF也可以用程序判断定时到或计数满的标志位。1.3 红外传感器概述 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线11。人眼可见的波长为380nm-78mm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线，红外线光电传感器，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通电路而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，而且检测距离可近可远，根据具体情况选择自己合适的传感器即可。1.1.1 直射式光电传感器直射式光电传感器包括在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，直射式光电传感器是最可靠的检测模式。 1.1.2 直接反射式光电传感器 直接反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时， 直接反射式的光电开关是首选的检测模式【12】。直接反射式光电传感器结构示意图如下：长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 71.1.3 槽式光电传感器 槽式光电开关通常是标准的U字型结构其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一个光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化的信号，分辨透明与半透明物体，但槽间的距离一般比较小，不适合检测体积较大的物体。槽式光电开关传感器结构示意图如下： 图 1-3 槽式光电开关传感器结构示意图1.1.4 反射板反射式光电传感器 反射板反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射板，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。反射板反射式光电传感器示意图如下：图 1-7 反射板反射式光电传感器1.4 本章小结 本章介绍了一些与设计的主题装药生产线控制系统设计（药丸检测和计数显示模块）相关的知识，包括装药生产线的简介，AT89C51 单片机以及红外光电传感器传感器等内容。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 8第第 2 2 章章 药丸检测和计数模块设计药丸检测和计数模块设计分析分析2.1 传感器的选取 2.1.1 传感器的选用原则 传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此根据需要选用最适宜的传感器。现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量电路也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器选择是否合理。2.1.1.1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：测量距离的大小；被测量位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是无线测量;传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后，就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2.1.1.2输入光波长的选择长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 9通常，在光电传感器的使用范围内，可见光的影响是无处不在的。因此要注意光电开关发射器与光电开关接收器的波长敏感范围。如果接收器可接收的光的波长范围很宽，与被测量无关的外界光信号也容易混入.也会被放大系统放大，影响测量精度。因此选择光电传感器的时候，要求传感器本身应具有最佳波长使用范围，尽量减少外界信号的干扰，如果传感器对可见光非常的敏感，可以将传感器系统与可见光隔离，避免其受到外界影响。2.1.1.3频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总会有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，频率低的传感器可测信号的频率较低，在动态测量中，应根据实际信号的特点来确定所需传感器的频率响应特性，以免产生过大的误差，因为药丸下落的速度较慢，要求传感器频率很低即可，所以一般的光电传感器都可以满足此项要求。2.1.1.4 稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力被称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器。2.1.1.5 精度精度是传感器的一个重要的性能指标.它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选地过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。2.1.2 传感器的选用 在此次设计中，对于药丸的检测来说，可以选用多个传感器。根据传感器的特性分析得出，红外传感器是比较好的选择。在红外传感器中，又分很多种。所以需要选用一个最佳的方案。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 10方案一，采用光敏电阻来检测。通过药丸头通过与否对其光的强度的影响，通过监测阻值的变化来实现药丸的检测。方案二，采用红外对管实现，根据光敏三极管接收到的光强的强弱变化，从而使光敏三极管产生电流，经整合形成高低电平进行输出，通过对高低电平的变化来判断是否有药丸通过。方案三，采用光纤传感器，将光线传感器固定于药丸通道外侧。当有药丸落下时，光纤传感器感知通道壁是否产生特定抖动，从而判定是否有药丸落下。综合分析，方案一光敏电阻测量麻烦，而且受外界的影响，引入较大的测量误差，所以不可取。方案三采用光纤传感器，测量精度较高，但是光纤传感器的成本很高。方案二成本低，电路简单，且不受可见光的干扰，稳定性好，测量相邻药丸时准确快速。因此采用方案二。2.1.3 传感器的几何光学分析 传感器几何光学分析主要说明红外发光二极管与光敏三极管的各种不同安装位置，对检测结果的不同影响，如果安装位置不合理，会导致检测失败，从而不能够达到药丸检测的目的。通过分析红外发光二极管与光敏三极管中心线与药丸下落过程中的相对位置关系，得出药丸下落过程中，红外发光二极管与光敏三极管可靠的检测位置。此次设计中，传感器是由一个光电耦合系统组成，这个系统主要由一个发光二极管和一个光敏三极管构成。通过光敏三极管对光的强弱感应，进行电流的变化，通过电阻转变成相应电压变化，再经过信号处理电路转变成电平信号进行输出。2.2 信号处理电路2.2.1 电压比较电路当有液滴穿过光耦，将 U 型红外光耦发射管发射的红外光散射或阻断，从而接收管上的电压便产生相应的变化。由于光耦接收管的口值较大，故电压变化也较强烈。将光耦输出的信号传给电压比较器 LM324。可根据实际光耦输出信号大小，整比较器的参考电压，从而实现将不规则光耦信号转化为电源电压的电平转换。电压比较器的功能：比较两个电压的大小 (用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系 )：当”输入端电压高于 ”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”输入端电压低于 ”输入端时，电压比较器输出为低电平；压比较器的作用：它可用作 模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 11改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和 窗口比较器。运放需要通过反馈回路和输入回路的确定 “运算参数” ，比如放大倍数，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。可用作电压比较器的芯片：所有的运算放大器。常见的有LM324 LM358 uA741 TL081234 OP07 OP27，由于 LM324 性能稳定、便宜易于操作等特点，这里我们选用LM324 来构成相应的电压比较器， LM324 芯片如下 2-1 所示：图 2-1 LM324 管脚及实物图2.2.2 555 去抖电路因药丸穿过检测通道时是一个运动过程，在此过程中，红外光被药丸阻挡的强度会发生变化，而引起信号的抖动，这可能会造成错误记数。因此使用了时基集成电路 555 作为滤波去抖电路。在这里用 555 接成单稳态触发器，其具有整形处理功能，可以使经过电压比较器的信号更规则，更重要的是有去抖避免错误计数的功能。2.3 总体硬件设计方案按照系统设计功能的要求以及检测过程中信号的变化，确定系统由以下模块组成：主控制器AT89C51、药丸检测电路、信号处理电路和显示电路。其中信号处理电路由电压比较电路和 555 滤波去抖电路组成。药丸检测和计数电路总体电路结构框图如图 2-2 所示。传感器检测电路AT89C51 控制单元数码管显示系统长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 12图 2-2 硬件总体电路结构框图2.4 本章小结本章主要介绍了红外传感器的分类、各种红外传感器的结构、选用、各种分析等。同时在传感器的选择方面，进行了多种方案的提出、选择、与比较，最终确定了在本次设计中使用由光敏器件构成的传感器。与此同时提出了的硬件和软件的相应的设计方案，以及各个步骤的方案选取。电压比较电路555 去抖整形电路长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 13第第 3 3 章章 硬件电路的分析硬件电路的分析3.1 时钟和复位电路一、时钟电路AT89C51 单片机内部设有一个反向放大器所构成的振荡器，XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。内部时钟电路是在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率可以在 1.2MHz 到 12MHz 之间选择。电容值取 5pF30pF，电容的大小可起频率微调的作用。外部时钟电路需要 XTAL1 接地，XTAL2 接外部振荡器，对外部振荡器信号无特殊要求，只需保证脉冲宽度，一般频率为低于 12MHz 的方波信号。二、复位电路通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。复位方式有上电复位和开关复位两种，在这里选用的是上电复位电路，如图 3-1 所示。图 3-1 复位电路图长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 143.2 药丸的检测电路一、测温电路在这里我们选用红外光电传感器由封装在同一模块内的 U 型红外光耦发射管和 U 型红外光耦接收管组成的 TP806 红外光电传感器，U 型红外光耦发射管与 U 型红外光耦接收管对称设置并分别位于药丸进入瓶通道末端两侧，并且分别与通道下垂线呈 90。夹角，以保证药丸通过时，红外光耦接收管被部分遮光，光电检测电路能准确地检测到药丸通过而导致的信号瞬间变化。连接电路图及传感器外观如图 3-2 所示。图 3-2 温度检测电路连接图其光电参数如下表 3-1表 3-1 光电参数3.3 信号的处理电路3.3.1 电压比较电路这里由 LM324 和滑动变阻器组成可调的电压比较电路，从而实现将不规则光耦信号转化为电源电压的电平转换，其 protel 中电路图如下 3-3 所示：长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 15图 3-3 电压比较电路3.3.2 555 去抖电路因药丸穿过检测通道时是一个运动过程，在此过程中，红外光被药丸阻挡的强度会发生变化，而引起信号的抖动，这可能会造成错误记数。在这里用 555 接成单稳态触发器，其具有整形处理功能，可以使经过电压比较器的信号更规则，起到去抖避免错误计数的功能。其电路图如下 3-4所示：图 3-4 555 去抖电路在这里其滤波常数由滑动变阻器 R4、电阻 R5 和电容 C2 决定，其滤波时间常数为S=1.1*（R4+R5）C2：在这里约为 110ms。其输出信号接单片机的 P3.2 接口进行计数和现显示处理。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 163.4 计数和显示电路显示器常用作单片机最简单的输出设备，用以显示单片机的运行结果和运行状态等。常用的显示器主要有 LED 和 LCD，它们都具有耗电少、成本低、线路简单、寿命长等优点，广泛应用于单片机显示数字量的场合。设计中采用 LED 显示器。对 LED 管的显示可分为静态和动态两种。本文采用动态显示，其优点为： 1. 能降低显示器的功耗；2. 能大大减少显示器的外部接线，给安装调试带来方便。LED 动态显示原理：由于各个数码管的段选线并联，段选码的输出对各个数码管都是相同。因此同一时刻如果各个数码管的位选线都处于选通状态的话，4 位 LED 将显示相同字符。若要各位 LED 显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式。即在某一时刻只让某一位的位选线处于选通状态而其它各位的位选线处于关闭状态.同时段选线上输出相应位要显示字符的代码这样同一时刻 4 位 LED 中只有选通的那一位显示出字符，而其它位则是熄灭的。此循环下去就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。显然，这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻只有一位显示其它各位熄灭，但由于各位数码管的通断时间是非常短的，且人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短则可造成多位同时亮的假象达到显示的目的。 为了显示相应的字符，必须将该字符转换成相应的段选码。这种转换也称为译码。译码可以采用硬件的方法，也可以采用软件的方法。设计中采用软件的方法进行译码。在总体电路中，显示电路是设计的主要部分，通过单片机的 P1 口，控制四位七段数码管的段码，而数码管的位码由 P3.0、P3.1、P3.2、P3.3 四个端口来分别控制显示数字的小数位、个位、十位和百位/符号位。在位码控制端通过单片机 P3 口输出的高低电平来选通数码管的显示位。3.5 本章小结本章主要详细介绍了基于红外传感器的的硬件电路设计、包括时钟和复位电路、药丸检测电路、信号处理电路、计数显示电路各个模块的具体电路设计和整体电路连接，总体电路和 PCB 电路见附录一。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 17第第 4 4 章章 软件设计软件设计4.1 软件设计概述良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。本系统的设计方案和步骤如下:（1）根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。（2）明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件调试。（3）确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。 (4)按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。计算机是按照程序一条条依次执行指令而工作的，根据具体的需要选择合适的设计语言，对完成设计任务，设计质量，设计速度至关重要。程序设计语言有三种:机器语言，汇编语言和高级语言。机器语言是计算机唯一能“懂”的语言，用汇编和高级语言编写的程序 (称为源程序)最终都必须翻译成机器语言的程序(称为目标程序)计算机才能看“懂”然后逐一执行。但是机器语言是一种用二进制数0、1组成的代码，人们不容易辨识、记忆、而且很容易出错，出错后查错任务更加艰巨，所以很难用它来进行程序设计。在此次设计中，选用的是汇编语言，相比高级语言，汇编语言存在诸多弊端，比如没有关键字及运算函数的功能、程序过于冗长等。尽管相比高级语言如C语言等，较汇编语言相比有许多的优点，但汇编有其自身的特点和长处，在编制程序的工作量不大、规模较小，一般不需要移植的计算机系统的情况下，使用汇编语言也十分的方便，而且高级语言源程序要通过预存于计算机存储器内的编译程序或解释程序才能翻译成机器语言，而存储器较小的计算机系统容纳不下，因此无法配用这些工具程序，但是汇编语言可以直接翻译成机器语言，然后再由计算机去识别和执行。因此运用用汇编语言编程是很方便的了。汇编语言中由于使用了助记符号，用汇编语言编制的程序输入计算机，计算机不能象用机器长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 18语言编写的程序一样直接识别和执行，必须通过预先放入计算机的汇编程序的加工和翻译，才能变成能够被计算机识别和处理的二进制代码程序。用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序，运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程序，它一经被安置在内存的预定位置上，就能被计算机的CPU处理和执行。 汇编语言像机器指令一样，是硬件操作的控制信息，因而仍然是面向机器的语言，使用起来还是比较繁琐费时，通用性也差。但是，汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快，有着高级语言不可替代的用途。 汇编语言主要用在设备控制、加密破解、开发单片机产品.对计算机性能的优化等。一般用于开发单片机产品，计算机系统的启动引导就必须使用汇编语言来编辑，否则不能用的。可以很好的实现微电子控制。用汇编语言编制程序时，程序的每一条语句都与计算机的某一条具体的指令相对应，因此必须熟悉机器的指令系统。另外，根据统计，编译成机器语言后，高级语言较汇编语言的长度增加15%-200%，占用的内存空间随之扩大，执行的时间也相应增长50%-300%。因此对于要求反映灵敏与控制及时、检测等实时控制系统，采用汇编语言编程的优越性也很明显。液体点滴实时检测系统的软件全部采用汇编语言编写，以提高系统的灵敏性和实时性。其设计方法和硬件设计相对应，采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，便于设计、调试。此次设计中程序的编写与仿真环境应用的是WAVE仿真环境。4.1.1 WAVE 仿真环境的硬件特点伟福仿真品种多、功能强，和国内外同类高档仿真器功能相比，软、硬件方面具有多种先进特点。硬件方面先进的特点如下： 1、通用仿真器：主机+POD组合，通过更换POD，可以对各种CPU进行仿真。对不同的应用场合，用户如果选择不同的CPU，通常就要更换仿真器，而伟福仿真器则采用主机+POD组合，支持多类CPU仿真。2、仿真CPU外置：直接位于用户板的上方，提高仿真频率以及降低信号噪声，而无须缩短您的仿真电缆。 3、强大的逻辑分析仪综合调试功能：逻辑分析仪由交互式软件菜单窗口对系统硬件的逻辑或时序进行同步实时采样，并实时在线调试分析，采集深度 32K(E6000/L)，最高时基采样频率达20M，40路波形的可精确实时反映用户程序运行时的历史时间。 4、强大的跟踪器功能：跟踪功能是以总线周期为单位，实时记录 CPU仿真运行过程中，总线上发生的事件，其触发条件方式同逻辑分析仪。 5、波形发生器功能：伟福V8/L仿真器可以输出 8路可编程数字波形，波形深度达 32K，最高频率为20MHz。6、影子存储器：用户在程序全速执行时，可以实时观察到时 MCS51 系列 CPU 和 MCS96 系长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 19列CPU的外部数据的变化。7、程序时效分析：统计每个函数、过程运行时间，以及占整个程序运行时间的百分比。在设计高效率程序时，就要知道程序中各函数、各过程运行时间及占总时间的百分比，程序时效分析可以对此进行统计分析。 8、数据时效分析：与程序时效分析相似的是，数据时效分析，它可统计每个变量被访问的次数及占整个程序访问次数的百分比。 9、硬件测试：对于MCS51系列CPU和MCS96系列 CPU可以静态地输出地址、数据以及ALE、PSEN、BHE、RD、WR 等读写控制信号，从而可以从用户板上静态地测量这些信号的值，从底层去控制、分析电路的工作状态，可以准确方便地检测硬件方面的隐蔽问题。 10、事件触发：用于指定用户程序运行时，出现的各种事件，这些事件包括地址条件、数据条件、控制信号条件、外部信号条件以及这些条件的组合，用这些事件来触发、控制逻辑分析仪、程序跟踪器的运行，以捕捉程序运行时出现的各类复杂情况，迅速定位设计中软、硬件问题所在。 11、记时器：记录程序运行时间。 12、双CPU结构: 由监控CPU控制仿真CPU完成仿真工作，100% 不占用户资源。全空间硬件断点，不受任何条件限制，支持地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行时间统计。4.1.2 WAVE 仿真环境的软件特点 1、双工作模式：a) 软件模拟仿真（不用仿真器也能模拟运行用户程序）。b) 硬件仿真。 2、真正集成调试环境： 集成了编辑器、编译器、调试器，源程序编辑、编译、下载、调试全部可以在一个环境下完成。3、项目管理功能：现在单片机软件越来越大，也越来越复杂，维护成本也很高，通过项目管理可化大为小，化繁为简，便于管理。项目管理功能 也使得多模块，多语言混合编程。 4、多语言多模块混合调试：支持ASM（汇编）、PLM、C语言多模块混合源程序调试，在线直接修改、编译、调试源程序。如果源程序有错，可直接定位错误所在行。 5、直接点屏观察变量：在源程序窗口，点击变量就可以观察此变量的值，方便快捷。 6、强大的书签、断点管理功能：书签、断点功能可快速定位程序，为编写、查找、比较程序提供帮助。 7、类似IE的前进、后退定位功能：可以在项目内跨模块地定位光标前一次或后一次位置，为比较、分析程序提供帮助。 8、方便实用、功能多样的源程序编辑窗口：（1）、窗口分隔功能。（2）、语法相关彩色显示，使得编写程序轻松，观察程序醒目。（3）、书签功能提供多达 9个书签，使得您在分析、长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 20比较、检查大程序时从容不迫。（4）、寻找配对符号功能为您在复杂程序嵌套中找到“另一半”。（5）、多行程序的同进同退功能，可以使得程序错落有致，帮您编写优美、整洁的程序。9、外设管理功能：外设管理可以让您在调试程序时，观察到端口、定时器、串行口中断、外部中断相关的寄存器的状态，更可以帮您完成这些外设的初始化程序，包括 C 语言和汇编语言，而您所做的只是填表，定义外设所要完成的功能。 10、功能独特的反汇编功能： 伟福独创的控制文件方式的反汇编功能，可以帮助你将机器码反汇编成工整的汇编语言，通过控制文件你可以定义程序中数据区、程序区、无用数据区，还可将一些数据、地址定义成符号，便于阅读。你若丢了你的源程序，它可帮你迅速恢复。4.2 主程序此次设计的系统软件设计主要由以下几个部分组成：（1）主程序（2）动态扫描显示子程序（3）写子程序系统主程序主要讲述整个系统的执行过程，首先接通电源系统开始工作。系统开始后，开始启动液滴检测程序，将每个液滴经过的数据传给单片机进行处理，单片机将处理后的结果存储，调用显示子程序显示检测结果，调用报警子程序比较当前显示速度值与设定的安全极限值相比较，如有异常则启动报警，否则，执行当前任务。主程序流程图如图4-1所示。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 21图4-1 主流程图4.3 子程序4.3.1 动态扫描子程序在单片机应用系统中，为了方便 LED 显示器进行管理，需要建立一个显示缓冲区，显示缓冲主程序初 始 化输入为高？RUWEIGAO USHUSHURU RUSHIFOU 启动 T0输入为低？计数器加 1输入为高?显示计数值停止 T0 计数等于设定值?显示回零NNNNN N YYY长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 22区是片内 RAM 的一个区域，作用是存放要显示的字符，其长度与 LED 的位数相同。显示程序的任务是把现实缓冲区中的显示字符送往 LED 显示器显示。在这里采用动态扫描时，从中一次取出待显示的字符，采用产表的方法得到相应的字形代码，逐个电量各位数码管，每位显示 1ms 左右，即可使各位数码管显示要显示的字符。这次显示器由四位共阴极 LED 数码管构成。单片机的 P0口输出显示段码，由一片 74LS245 驱动输出给 LED 管，由 P1 口输出位码，给 LED 管显示。动态扫描子程序 DISPLAY 流程图如下所示：DISPLAYRo 指向 DISPLAY 首地址选右起第一个 LED瞬时关显示器查表取对应的字型码输出字型码从中取出字符点亮当前的 LED 显示位是第四位？RET下一字符YN长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 23图4-2 子程序流程图4.3.2 计数子程序分析设计中，计数部分由单片机的内部计数器来实现。AT89C51 的内部有两个定时/计数器 T0 和T1，16 位是指定时/计数器内的计数器是 16 位的，由 2 个 8 位计数器组成。本设计用的是 T0，它的 2 个 8 位计数器 TH0 和 TL0，TH0 是高 8 位，TL0 是低八位【28】。所谓加法计数器，指其计数的方法是对计数脉冲每次加 1。在其它单片机和可编程计数器芯片中，有的计数器是减法计数器，如 8155 的 14 位计数器，8253 的 16 计数器，即先设置计数器的初值，然后对计数器脉冲每次减1，减到 0，计数器溢出。而 AT89C51 内部的计数器是加法计数器，需先设置计数器的初值，本实验设置计数器初值为 0，然后对计数脉冲每次加 1，加到计数器满后溢出。经过整形后的脉冲由P3.2 引入定时器 T0。通过对输入脉冲的检测来实现对药丸的计数工作。4.4 本章小结本章主要介绍软件的系统构思和设计。通过软件的编译与实现，使红外传感器检测信号经过信号处理后的整形脉冲进入单片机的 P3.2 口，在进入计数器 T0 进行加法计数。然后，在由显示部分将计数器 T0 记录的结果实时动态显示出来。使得硬件在软件的驱动下完成事先预设的任务。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 24第第 5 5 章章 设计的调试设计的调试5.1 设计的硬件的仿真5.1.1 制板、焊接与检测根据前面的具体设计，利用打印机对 PCB 电路进行打印，打印到热转印纸后用热转印机将其打印到覆铜板上，在进行大约二十分钟的腐蚀，最后对腐蚀好的电路板进行打孔，最后按照 PCB设计图对实物元件进行焊接，就得到了最终的 PCB 实物硬件。焊接过程中，使用数字万用表对每个元件和焊接点进行检测，以保证每个元器件的完好性和焊接点的接触良好性。5.1.2 系统调试 系统调试是在天煌教学实验台上完成的。由于无法接入红外传感器，并且实验台上也没有安装类似的传感器，所以使用了一个脉冲发射器代替传感器产生的脉冲进行软件的仿真和调试【29】。调试结果基本正确。在调试过程中，为证明结果的正确性，使用LED数码管和把为逻辑电平进行验证显示，结果是一模一样的，说明检测结果正确5.2 系统的软件调试5.2.1 设计的软件仿真本设计选用的就是 Proteus ISIS 仿真平台，对设计出的微型电子体温计进行实时动态仿真。Protues 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等.在仿真过程中，由于红外传感器的药丸信号无法获得，因此，采取相近的信号源来代替，经过 Proteus 仿真，达到了相应的设计要求。5.3 本章小结长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 25本章主要对设计的总体部分包括硬件和软件的调试。软件部分的调试主要通过Protues软件进行仿真。硬件部分的调试包括在PCB板的制作、焊接，以及焊点检测和软件在实物设计中的调试。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 26结结 论论本次设计的是一个药丸检测和计数模块。它采用红外传感器和单片机的结合，应用单片机的数据处理和计数功能将所检测到的值进行实时计数并输出显示。按照预先程序的设定，在达到预定值时输出信号并计数归零，计数结果显示在LED数码管上，从而实现药物生产线中药丸的检测和计数。经过这几个月的努力，基本达到了任务要求，并通过Protel制作出了实物板。通过对设计实物的调试总结如下：（1）设计的软件部分各个模块仿真成功，完成了从红外传感器发出脉冲、电压比较和滤波去抖的处理电路，到单片机记录脉冲通过显示部分显示出来的过程。并且在实验台上成功仿真，测试结果比较准确。（2）由于实际的装药生产线肯定不止一条检测和计数通道，因此，仅用一个传感器是远远不足的，在实际中还要进行相应的改进。（3）本次设计由于对外间条件的考虑不是十分充足，较易受外界影响。（4）由于实际的药丸的大小形状的差别会很大，因此，对于实际应用中要根据不同的药丸对传感器的型号进行相应的调整。在此次设计中，通过理论课的实践和研讨，取得了初步成果。在这次设计中，红外传感器的的选择和电路设计是重点的部分，检测电路的好坏直接影响设计的成败，与此同时，对于信号处理电路，在各个元件的值的计算精度方面有很多不足，存在一定的误差，对设计的结果可能会有一定的影响。软件方面基本已经实现预期的功能，每个模块都正常运作。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 27参参 考考 文文 献献1 杨国光.近代光学测试技术.杭州：浙江大学出版社，2010：l-82 黄章勇光纤通信用光电子和组件北京：北京邮电大学出版社，200l ：45-483 钟丽云.光电检测技术的发展及应用，激光杂志，2000,21(2) ：2l -234 须媚.中国制药业的崛起与全球，中国医药工业杂志，2005，21(1) :36 -455 陈光东.单片微型计算机原理及其 C 语言程序设计.武汉:华中科技大学出版社，2004:82-856 陈汝全.单片机实用技术.北京:电子工业出版社，1992:133-1347 马共立.MCS-51 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