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电气电子毕业设计论文
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毕业设计109单片机为控制核心的控制系统,电气电子毕业设计论文
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I 摘 要 半自动 酶标仪主要用于对人体体液各种的生化指标进行检测，为医生确定所有病人的病情提供科学依据。目前，酶标仪已经成为医疗机构进行临床诊断所必须的医疗仪器之一。本文以半自动酶标仪研发过程中电气系统及针对半自动酶标仪分析所开发的应用程序软件为主要内容，提出了完整可行的系统设计方案。 本文先介绍了以单片机为控制核心的控制系统，酶标仪的电子系统比较复杂，输入输出量多，对操作的实时性要求比较严格。控制系统需要完成如控制步进电机的运动，以保证微面板和滤光片运动平稳性和定位的准确性；对当前样品杯的多路模拟信号进行数 据采集；实时的接收并完成应用程序软件的控制命令等多项任务。其次，本文还介绍了软件系统功能。 该设计的控制性能指标完全符合半自动酶标仪的系统设计要求，在设计过程中出现的问题，希望各位老师见凉，并给予指导和帮助。 关键词： 半自动酶标仪 单片机 控制系统 数据采集系统 nts II The monolithic integrated circuit controls the semiautomatic enzyme sign meter Abstract The abstract semiautomatic enzyme sign meter mainly uses to human bodys body fluid each biochemistry target carries on the examination, for doctor determined that all patients condition provides the scientific basis. At present, the enzyme sign meter already became the Medical establishment carries on the clinical diagnosis to one of medical instruments. This article take the semiautomatic enzyme sign meter research and development process in the electrical system and the application procedure software which develops in view of the semiautomatic enzyme sign meter analysis as the primary coverage, proposed the complete feasible system design plan. This article introduced first take the monolithic integrated circuit as the control cores control system, the enzyme sign meters electronic system is quite complex, the input output are many, is quite strict to the operation timely request. The control system needs to complete like the control to step-by-step electrical machinerys movement, guarantees the micro kneading board and the light filter movement stability and the localization accuracy; Carries on the data acquisition to the current sample cups multi-channel simulated signal; The real-time receive and completes the application procedure softwares control command and so on many duties. Next, this article also introduced the software system function. This designs control performance target meets the semiautomatic enzyme sign meters system design requirement completely, has the problem in the design process, hoped that fellow teachers see coolly, and renders the instruction and the assistance. Keywords Semiautomatic Enzyme Sign Meter M.C.U Control System Data Acquisition System nts i 目 录 第一章 绪论 . 1 第二章 方案论证 . 5 2.1系统的总体结构 . 5 2.2 滤波片选择 . 6 2.3 朗伯比耳定律 . 6 2.4光电检测器的选择 . 7 2.5主控芯片的选择 . 7 2.6 模拟数字转换系统的选择 . 9 第三章 系统硬件设计 . 11 3.1控制系统设计 . 11 3.1.1 单片机概述 . 11 3.1.2 单片机 89C51 . 12 3.1.3 时钟电路 . 15 3.1.4 复位电路 . 17 3.2 电机控制系统 . 18 3.3 数据采集系统 . 22 3.3.1 前 置放大电路 . 22 3.3.2 A/D转换 . 23 3.4 LCD液晶显示 . 26 3.4.1 引脚功能介绍 . 26 3.4.2内部结构与工作原理 . 27 3.4.3应用电路 . 29 3.5 键盘单元 . 29 3.6 报警电路 . 31 3.7 通信单元 . 32 nts ii 3.8 小结 . 33 第四章 软件设计 . 34 结 论 . 36 致 谢 . 37 参考资料 . 38 附录 A . 40 附录 B . 51 nts 1 第一章 绪 论 近二十年来，由于生物学，近代物理学，化学，电子技术，生物材料学，机械学，计算机等多种科学的飞速发展，并愈来愈深入地 对 生物学和临床医学领域的广泛渗透，促进了医学检验理论 及实验室仪器和技术的发展。高灵敏度 ，多功能，自动化的检测仪器的涌现，大大提高了医学检验的测量精度， 速 度，和准确度，从而使繁琐的操作得以简化，冗长的实验时间得以缩短， 复杂的成分及微含量的测量得以实现，显示了自动化仪器强大的生命力。酶标分析仪就是在这种形式下出现的临床检验仪器。 酶免疫分析技术是以酶作为标记物的免疫测定技术，酶标仪是酶免疫分析的重要仪器。酶标仪利用光度计原理，即一定波长的光通过溶液时，溶液吸收光的多少与溶液中物质含量成正向相关关系。 近年来 ，随着酶免疫分析技术的不断进步， 酶标仪在临床实验室中的应用 越来越普及，使得酶免疫分析法（ EIA）的自动化程度及精确性愈来愈高，尤其是近几年，进口的、国产的单、多通道全自动酶标仪的种类及型号发展非常迅猛，是临床实验室自动化程度继生化分析仪、血细胞计数仪、血凝仪等之后的又一次更新和提高。 首先介绍一下酶标仪的检测原理 ： 众所周知 ,人体内有一个复杂而又奇妙的抗病防病系统 ,称之为免疫系统。一旦病菌病毒 (统称为抗原 )侵入体内 ,免疫系统立即产生具有抵抗或杀死病毒病菌作用的蛋白物质 (统称为抗体 ),这叫免疫反应 。 在免疫反应中 , 抗体蛋白质与抗原蛋白质的结合反应具有高度的选择性 ,一 种抗体可以从多种蛋白质的混杂物中有选择性地只与极微量的特定的抗原相结合。这就是抗体与抗原反应的特异性。 酶是生物体内细胞产生的具有高效特异催化作用的蛋白质 ,有趣的是 ,一种酶只对某一种化学反应起催化作用 ,而对其他化学反应不起作用 。 这就是酶的标记原理。酶联免疫吸附测试正是利用了抗体 与 抗原反应的特异性、酶的标记原理和高效催化作用 ,所以具有高度的特异性和灵敏性。酶联免疫吸附测试的操作方法如下 :首先将抗原 (或抗体 )物质吸附 (医学上称“包被” )在样品盘中 (国际上通用的样品盘是 96 标准微孔反应板 );再将待测样品 (如血液 ,体液等 ) 加入样品盘 ;于是待测未知的抗体 (或抗原 )与包被的抗原 (或抗体 )相结合 ,成为抗体 与 抗原复合物。当依次加入酶结合物 (即酶标记抗体或酶标记抗原 )和酶的底物时便产生呈色反应 ,呈色程度与被检测样品中待测抗体 (或抗原 )的量相关 ,据此就可以得出定性或定量的检测结果。 酶标仪的用途： nts 2 酶标仪是一种用途广泛的生物、医学仪器 ,利用酶联免疫分析法 ,根据酶标记原理 ,根据呈色物的有 ,无和呈色深浅进行定性或定量分析。这是一种极具生命力的免疫学技术。可用于单克隆抗体筛分、凝血分、抗生素灵敏度检验 ,以及其它需要进行比色的分析工作 中。该仪器适用于临床检验、微生物学、流行病学、免疫学、内分泌学以及农林科学等领域。广泛用于医院、血站、防疫站、生物制品等部门。我国卫生行政主管部门已明确规定 ,对多发常见的肝炎病诊断 ,不能用目测进行 ,必须用酶标仪判断。没有酶标仪或不用酶标仪的医院不能 评 上等级 , 也没有判断肝炎的资格和权利。对于有蔓延趋势的艾滋病毒的判断 ,必须建立专门的艾滋病实验室并采用酶标仪进行判断。酶标仪进行常规检测的疾病在国际上与之配套的试剂有上百种。在国内也有几十种 : 例如癌胚抗原的检验、 甲胎蛋白的检查 、 前列腺检验等等。用酶标仪进行定量 的检测 ,可以判断疾病的性质和检查治疗效果。 酶标仪的研制： 80 年代 , 酶标仪在国际上已广泛使用 ,80 年代中期开始引进我国 , 国内虽有少数科研单位和厂家开始制造简易的酶标仪 ,但在性能上远不如进口设备 ， 所以在 90 年代以前基本以进口酶标仪为主。根据我国医疗卫生事业的发展和实际需要 , 航天二院 283 厂与中国科学院生物物理研究所合作 , 将航天工业技术与生物技术相结合 ,于 1993 年开始联合研制生产具有当今国际水平的新一代自动化板式酶标仪。该产品 1994 年 8 月通过了由北京市医疗总公司组织的国家级专家技术鉴定并同意试产进 入市场 ,产品 1995 年正式进入市场 ,即受到用户的 认可。经过两年多试用 , 通过不断征求用户和专家意见 ,不断改进和提高产品的技术性能 , 现已发展成酶标仪系列产品 , 由原来的 ZS22 第一型号开始 , 现已推出 ZS22A、 ZS22000， ZS23000， ZS24000、 ZS25000 等多种型号 , 以适应不同技术要求、不同层次的用户要求。 1996 年该产品取得了北京医药总公司颁发的医疗设备市场准入证。为了确保酶标仪的产品质量和市场信誉并扩大知名度 ,1996 年在 283 厂申办军工产品质量体系认证的同时 ,酶标仪系列产 品也申办了质量体系认证 ,并一次通过了新时代认证中心审定。 CF2ZS 酶标仪是在广泛的市场调研和分析的基础上研制的。 当时市场上的高档产品全部为进口 , 为数不多的国产酶标仪也存在很多不足。在比较国内外主要酶标仪的功能和特点的基础上 ,立足于提高国产酶标仪的水平 ,以满足县级以上医院、血站， 生物制品、科研单位的使用要求。仪器性能和指标与进口机器比较为中档以上 ,在国内为高档。其设计思想适合中国国情 ,功能齐全 ,结构简单 ,自动化程度高 ,字符显示和打印报告全部汉化 ,做到既有高水平的技术指标又有合理的性能价格比 ,操作方便 ,质量可 靠 ,各种测量模式选择 ,采用菜单滚动方式 ,一目了然 ,并具备 有 RS2232C 标准接口 ,nts 3 可外接计算机以扩大使用范围。 现如今，随着社会以及科技的进步，酶标仪的发展也是相当的迅速，现在酶标仪可以分为半自动，全自动，以及多功能酶标仪，种类以及功能也在不断的增加。比如：仪器所有测量分析均由仪器内部的计算机系统控制，在设计上采用点阵式液晶显示器和薄膜盘，外观新颖美观。整个操作过程，操作顺序由汉字菜单分层次显示，简单明了，具有保留用户设定参数功能，检验结果自动打印，具有乙肝，丙肝等检测项目，并将乙肝两对半的测量综合成一项独 立的功能，用户用此功能一次即可将五项指标测完，简化了操作。乙肝两对半的测定除具有 P/N法外，还增加了 S/CO 两种方法。测量过程中可随时调零及监测吸光度值，不影响正常的测量进程。同时，以前酶标仪只提供机械操作系统，以面板操控方式进行测量，不能利用 微机接受和处理数据， 不能实现远程测量，也不能保存历次测量数据，并据此进行测量数据的统计分析，查询及打印。现在则利用串行通讯技术及 VB 数据库编程技巧，实现酶标仪和计算机之间的数据通讯，分析和处理。系统可对酶标仪进行远程控制，并可把接受的数据自动导入到大型关系数据库中。即 用 VB作为开发工具，利用 RS232串行通讯技术，通过 ORACLE 数据 库编程，实现酶标仪检测数据的接受和破译。另外，根据实际需要， 新增加了两项通用酶标软件不具备的功能，实现酶标仪的远程操控，既通过普通微机发送控制命令，代替酶标仪面板上的所有功能，控制酶免疫数据的测量和传送，简化酶免疫测量过程，为方便实验室科研人员对数据的大量分析，系统将测量数据存储到ORACLE数据库，并可生成各类文件，直接在 EXCEL和统计软件中处理。 现如今的酶标仪有如下特点： （ 1） 酶标仪检测处理系统采用 RS232 接口标准，可与现有 多种型号的酶标仪进行连接。 （ 2） 数据识别正确，杜绝了人为读取错误。 （ 3） 判定标准统一，减少人为判定差异。 （ 4） 每一检测样品的多项检测指标集中排列，一目了然，便于检查。 （ 5） 对在灰度范围内的检测值提供文字提示，便于样本的把关复查。 （ 6） 对于不符合临床模式的结果，提供警示信息，避免错检，漏检。 （ 7） 质控制标同步显示，对每天随样本测定的质控制品设定质控范围，一旦失控，以醒目文字提示系统误差或是偶然误差的范围，确保质控质量，并保存每日质控值，可生成质控曲线。 （ 8） 原检测值以数据库方式存 储，便于收集历史资料为开展相关的分析研究提供大量真实数据。 （ 9） 与医院中心网络数据库联结，检测报告一经确认上传，临床医生就可nts 4 在网上即时看到检测结果较以往人工发送报告提前数小时，对患者的疾病快速诊断提供了有利的帮助。 （ 10）检验人员工作强度大幅度降低，工作效率明显提高。 近几年随着基础医学的飞速发展，先进科学技术和实验仪器的广泛应用， 我国 在酶免疫分析自动化方面也达到较高的水平。众多科研工作者相继研制出 一批技术先进，性能卓越的酶标检测仪器，例如由长春光机医疗仪器有限公司研制的 CA-2000酶标分析仪。 酶标分析仪的优势在于干扰因素少，结果判断更加准确，也便于进行质量控制：分析快速，便于及时将各种信息向临床反馈，又可节约大量的人力物力，利于大批量样品的测定，这是现代技术发展的一种趋势。因此。随着生物技术，电子计算机自动化等各项技术的同步发展的相互渗透，酶免疫分析技术的发展前景更为广阔。 nts 5 第二章 方案 论证 主要技术参数： 1. 检测范围： 0-3A(405nm)； 2. 精度： 读取范围 0-4.0A； 准确性 1%； 3. 液晶显示，声光报警； 4. 打印数据，完成与上位机通信。 2.1 系统的 总体结构 图 2.1 系统总体结构图 酶标仪系统主要包括一下几个部分： 滤波片，它是将光源所发出的复色光分成所需要的单色光，利用光电探测器将带有被测样品信息的单色光的光信号变为电信号。 机械操作系统，包括微面板，传动机构等。机械运动都是采用单片机控制电光 源 滤 波 片 微孔板 板 光电检测器 放大电路 数模转换 主 控 制 器 89C51 显示 打印 键盘 通讯模块 电机控制 nts 6 机驱动，定位。使得微面板可以顺畅移动 。 数据的采集与传输，运用光电检测器，以及前置放大电路，数模转换电路可以实现。 单片机控制系统，实现 信号的处理，运算，控制显示功能等作用。使系统顺利的运行。操作系统的工作过程如下： 光电检测器检测到微孔板所透出的光信号， 其信号送入放大器，将微弱的信号放大后再 由 A/D 电路转换成相应的数字量进入主控电路，由主机进行数据处理、判断分析，通过单片机控制电机来调整微孔板的移动。 2.2 滤波片选择 滤波片是酶标仪的核心部件之一。它是将光源所发出的复色光分成所需要的单色光，利用光电探测器将带有被检测的样品信息的单色光的光信号变为电信号后，求得样品的吸光度值。通过检测样品对不同波长单色光的吸光度不同来确定样品 的类型及浓度。滤波片应该将穿过样品的复光分解为窄带或单色光，使测量在最大吸收波长处进行，从而提高测量灵敏度。本次设计主要采用 干涉滤光片 ， 即白光入射到干涉滤光片内部时 , 在多层介子膜上产生了多次反射。由于滤光片的光学玻璃基片和镀的介子膜系的锐截止特性 , 使得透射过去的光线变成了单色光。本 滤波 片主要技术指标为 : (1) TM为最大透射比 , 是通带透射比的峰值 百分比 , 应 45 %; (2) 0.5为波长半宽度 , 0.5 TM处的通带宽度 , 应 (5 2.0) nm ; (3) M为峰值波长 ,TM处对 应的波长 的 3次方 ,位置误差 M 优于 2nm ; (4) 扩展不确定度 U=1.0nm ,k=1.65 。不将波长均匀性 f 当作主要技术指标 , 主要考虑的是 ： (1) 诸片 是定植的，之间没有必然的联系； (2) 光片外形为长方形 ,且金属架下面有圆脚 ,圆脚牢牢地插入被检仪器样品室底板的其它透光孔中 ,使其测试位置保持准确不变 ,免去了对波长均匀性不好的顾虑。 2.3 朗伯比耳定律 酶标仪主要是检测溶液的吸光度，而分子的吸光度值为波长的函数关系应该符合朗伯比耳定律。朗伯比耳定律的原理是：特定波长的单 色光通过溶液，其吸收强度与溶液浓度和光通过的距离（即光径）成正比。朗伯比耳定律的数学表达式为： nts 7 ( / ) ( 1 / )atA L g I I L g T b c （ 2.1） 其中： A 光通过介质被介质吸收的吸光度 T 透射光强与入射光强之比，即透光率0/tII0I 入射光强度 tI 透射光强度 介质摩尔吸光系数 c 吸收物的摩尔浓度 b 吸收层厚度 值得注意的是，在公式中有一个摩尔吸光系数 ，它是一个与波长，溶剂和温度有关参数。只有在 为常数时，溶液浓度与吸光度才呈线性关系。在酶标检测过程中，待测样品是一种均匀分布的溶液，它与入射单色光的作用仅限与吸收过程，而不会发生荧光，散射和光化学现象，并且在吸收过程中溶液各物质无相互作用。在应用中光 源固定，如果测得了溶液对某一单色光的吸收强度，根据两者的关系就可以到溶液的浓度。 2.4 光电检测器的选择 光点检测器采用光电二级管阵列探测器， 光二极管阵列检测器是一种对光子有响应的检测器。它是由硅片上形成的反相偏置的 p-n结组成。反向偏置造成了一个耗尽层，使该结的传导性几乎降到了零。当辐射照到 n区，就可形成空穴和电子。空穴通过耗尽层到达 p区而湮灭，于是电导增加，增加的大小与辐射功率成正比。光二极管阵列检测器每平方毫米含有 15000个以上的光二极管。每个二极管都与其邻近的二极管绝缘，它们都联结到一个共同的 n型 层上。当光二极管阵列表面被电子束扫描时，每个 p型柱就连接着被充电到电子束的电位，起一个充电电容器的作用。当光子打到 n型表面以后形成空穴，空穴向 p区移动并使沿入射辐射光路上的几个电容器放电。然后当电子束再次扫到它们时，又使这些电容器充电。这一充电电流随后被放大作为信号。光二极管阵列可以制成光学 多道分析器 。参考设计要求，使用 光二极管阵列 完全可以达到设计要求。 2.5 主控芯片的选择 方案一： 本次设计的酶标仪是基于单片机控制的，单片机根据输入所采集的信号参数进行处理，并且安排信号的处理，分析，计算，并且发出控制指 令，应用与被控nts 8 对象，使整个系统有条不紊的运行下去。基于这种工作，选择 89C51 型单片机就可以了。 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 89C51 是一种高效微控制器， 89C2051 是它的一种精简版本。 89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 方案二： 系统 可以以 8031 单片机为中央处理单元，配以极少的外围电路构成了检测器的核心控制部件。 8031 单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（ CPU）、数据存储器（ RAM）、并行 I/O口（ P0口、 P1 口、 P2口、P3 口）、串行口、定时 /记数器、中断系统及特殊功能寄存器（ SFR）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依 旧是 CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 8031 单片机中有 1 个 8 位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。例如：位处理、查表、状态检测、中断处理等。下面对个功能部件做进一步的说明。 （ 1） 微处理器（ CPU） 8031 单片机中有 1 个 8 位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。例如：位处理、查表、状态检测、中断处理等。 （ 2） 数据存储器（ RAM） 片内为 128个字节，片外最多可扩至 64K 字节，用来存储程序在运行期间的工作变量，运算的中间结果，数据暂存和缓冲，标志位等，所以称为数据存储器。 （ 3） 中断系统 具有 5个中断源， 2级中断优先权。 （ 4） 定时器 /计数器 片内有 2个 16 位的定时器 /计数器，具有四种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部时间进行 计 数。为提高单片机的实时控制能力，因而需在单片机内部设置定时器 /计数器部件。 nts 9 （ 5） 串行口 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/0口，甚至与多个单片机相连口称多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 （ 6） P1口、 P2口、 P3口、 P0口 这是 4个并行 8位 I/O口。 （ 7） 特殊功能寄存器（ SFR） 共有 21 个，用于对片内个功能部件进行管理控制监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的 RAM区。 由此可见， 8031 作为主控芯片也是一个不错的选择，但是考虑到设计要求以及精度，稳定性，复杂问题，经费等方面，我最终采用 89C51作为主控芯片 。 2.6 模拟数字转换系统 的选择 方案一： 由于检测到的是模拟量，需要设计转换电路，可以采用 A/D 转换。 在 A/D转换电路中 ,选用由 AD 公司生产的 AD976A, 近年来模数转换器制造技术发展十分迅速，低成本、新结构、高精度和高速度的 ADC新产品不断涌现。 100ksPs甚至更高采样速率的 16 位 ADC 在基于嵌入式单片机和实时数字信号处理器 (DSP)的应用中已十分常见。随着逐次逼近式 A/D 技术的发展， A/D在高速高精度的数据采集应用上有更出色的表现。采用多路转换开关与 l6位 A/D配合使用的系统，其成本低于 VFC 型 数据采集系统。 AD976A 是 AD 公司推出的 l6 位高速、高精度A/D转换器，最大通过率为 10OkSPS，输入信号范围为 -l0一 +IOV，带宽为 1 5MHz，它可以与 8位、 16 位单片机和 DSP方便接口，使用十分方便灵活 。 方案二： 系统 还可以采用 V/F变换 V/F器件的作用是将 输入电压的幅值转换成频率与输入电压幅值成正比的脉冲串。虽然 V/F本身还不能算做量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现 A/D转换。它的突出特点就是把模拟电压转换成抗干扰能 力强，可远距离传送并能直接输入计算机的脉冲串，从而通过测量 V/F的 输出频率来实现 A/D转换功能。 考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，选用 LM331 电压频率转换芯片。该器件使用了温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为 50ppm，同时该器件的脉冲输出可与任何逻辑形式兼容； LM331可单、双电源供电，电压范围为 5 40V， 量程范围 1Hz 100kHz；最大非线性误nts 10 差为 0.01%基于 LM33 的压频转换关系为： 0 if KV（ 2.2） 其中，sK = R / ( 2 .0 )t t lR C R 12s s sR R R实际上，电路中的SR主要用于调节电路的转换增益 ，tR, tC，lR的典型值分别为 6.8k 、 0.01pF 和 100k ， k值则可由设计者自己决定。该设计中，取 k=2000，sR 28.424k 主要是考虑到单片机部分使用测频率法来测0f来 保证频率信号的测量精度。由于sR、lR、tR和电容tC会直接影响0f的转换结果。因此，对这些元件的参数有一定的要求，设计时应根据转换精度适当选择。电容lC对转换结果虽然没有直接影响，但是应选择漏电流小的电容器。用电阻1R,电容1C组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，提高转换 精度。 工作原理 : V/F 变换和 F/V 变换采用集成块 LM331， LM331 是美国 NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。 LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达 100dB；线性度好，最大非线性失真小于 0.01%，工作频率低到 0.1Hz则具有 有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达 12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。 当前 ， 12 位以上的 A/D 转换器的价格仍较昂贵，用 V/F 变换器来代替 A/D 转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器 INA101 放大到 0 10V 后加到 V/F 变换器 LM331的输入端，从频率输出端 f0 输出的频率信号加到单片机的输入端上。根据分辨率的要求利用软件处理，最后得到 A/D 转换的结果。 这种方法可以实现 A/D转换，但是过于麻烦，结构复杂，所以最终选择采用A/D转换芯片 AD976A。 nts 11 第三章 系统硬件设计 通过 前面 对酶标仪原 理和结构的介绍我们了解到，整个系统的工作基本上是围绕微面板来开展，核心工作是对微面板样品杯中的液体的吸光度进行测量，包括对每一个处在信号采集位置的样品杯进行多路模拟信号的实时采集。对系统的控制包括机械结构的运动，如微面板的运动，机械结构的运动主要是有步进电机驱动，采用齿轮或皮带传动。 整个系统采用两级控制结构，由上位机和下位机组成：上位机为综合管理级，主要实现显示、记录等功能；下位机为直接控制级，主要完成 光信号 检测、实时显示、数据传输等功能。下位机选用单片机 系统，结构简单、体积小、成本低、实时性好 。本方案以 89C51单片机为中央处理单元，配以 外围电路构成了检测器的核心控制部件。首先要让被测 的光信号 转换成可测的电压信号，然后 经过放大， A/D转换，将 模拟信号转换成能被单片机接收的数字信号，并用单片机的 定时和记数功能对单片机所接收的信号依据一定的线性关系式进行计算， 最后在单片机控制下显示出来。 3.1 控制系统设计 3.1.1 单片机概述 前面我们已经决定采用以单片机为中央处理单元的控制系统，现在让我们了解一下单片机。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个 完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器（ Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80是最早按 照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领 域nts 12 要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着 INTEL i960系列特别是后来的 ARM系列的广泛应用， 32位单片机迅速取代 16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80年代提高了数百倍。目前，高端的 32位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和 Linux操作系统。 单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因 此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作 ，单片 机的数量不仅远超过 PC 机和其他 计算机 的综合，甚至比人类的数量还要多。 单片机应用在检测、控制领域中有如下特点： 灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成 各种智能测、控设备及各种智能仪器仪表。 可靠性好，适应温度范围宽广。能适应各种恶劣的环境。 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令。 可以很方便地实现多机和分布式控制系统。 3.1.2 单片机 89C51 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。 89C51 是 一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 89C51是一种高效微控制器， 89C2051 是它的一种精简版本。 89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 nts 13 (1) 主要特性： 与 MCS-51 兼容 ， 4K 字节可编程闪烁存储器 ， 寿命 100 写 /擦循环 ， 数据保留时 间： 10 年 ， 全静态工作： 0Hz-24Hz， 三级程序存储器锁定 128*8 位 ， 内部RAM， 32 可编程 I/O 线 ， 两个 16 位定时器 /计数 器， 5 个中断源 ， 可编程串行通道 ， 低功耗的闲置和掉电模式 ， 片内振荡器和时钟电路 。 图 3.1是 89C51 单片机的管脚图 图 3.1 89C51 管脚图 (2) 管脚功能： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出4TTL门电流。 P1口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1口作为第八位地址接收。 P2： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL门电流，当 P2口被写 “1 ” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。nts 14 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址 “1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3口写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平， 并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3口 可以 输出电流 ， 这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 0INT （外部中断 0） P3.3 1INT （外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0外部输入） P3.5 T1（记时器 1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD （外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可在 SFR8EH地址上置 0。此时， ALE只有在执行 MOVX， MOVC 指令 时 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。 PSEN ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取 值 期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 EA ：当 EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， EA 将内部锁定为 RESET；当 EA 端保持高电平时， 此间为 内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（ VPP）。 nts 15 XTAL1：反 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 (3) 振荡器特性 ： XTAL1和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4) 芯片擦除： 整个 PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 (5) 结构特点： 8位 CPU； 片内振荡器和时钟电路； 32根 I/O线； 外部存贮器寻址范围 ROM、 RAM64K； 2个 16位的定时器 /计 数器； 5个中断源，两个中断优先级； 全双工串行口； 布尔处理器 。 3.1.3 时钟电路 时钟是单片机的心脏，单片机各功能的运行都是以时钟频率为基准，有条不乱地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。 (1) 内部时钟方式 MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。这两个引脚接石英晶体振荡器和微 调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。 nts 16 除使用晶体振荡器外，如对时钟频率要求不高，还可以用陶瓷振荡器来代替。电路中的电容 C1 和 C2
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