基于单片机的牛肉电刺激嫩化仪电气系统设计

1基于单片机的牛肉电刺激嫩化仪电气系统设计摘 要：根据我国国情和不同用户的需求，设计出一台牛肉电刺激嫩化仪，用以加工牛肉，使肉质变嫩，而不会像化学嫩化法那样产生附加物影响嫩化效果。我要做的是牛肉电刺激嫩化仪电气系统部分的设计，采用 AT89C52 作为处理器，合成信号发生芯片 AD8951 产生不同的波形，用不同的电刺激频率处理牛肉，达到嫩化肉质的效果。本设计涉及数据转换，保护电路，液晶显示和键盘操作部分等，能保证操作人员和设备的安全。关键词：牛肉嫩度；AT89C52单片机；电刺激嫩化仪；The Design of the Electrical System of the Beef Electrical Stimulation Tenderization Instrument Based on Single Chip MicrocomputerAbstract：According to our national conditions and needs of different users, design a the tenderizing effect a beef electrical stimulation tender digitizer for processing beef, the meat becomes tender, and not as appendages impact like chemical Tenderization method. I do beef electrical stimulation tender the digitizer electrical part of the system design, using the AT89C52 as a processor, the synthesized signal generator chip AD8951 to generate different waveforms, with the type of electrical stimulation treatment beef to achieve the effect of tenderized meat quality. The design involves data conversion, protection circuits, liquid crystal display and keyboard operation part, to ensure the safety of operating personnel and equipment.Key words: Tenderness of beef; Single-chip microcomputer AT89C52; Electrical stimulation of tenderization instrument1 前言 牛肉是深受大众喜爱的一种食品，营养丰富，味道极佳，随着中国经济的飞速发展，人们生活水平的提高，每年所消耗的牛肉量大幅增加，面对这样的经济形势，如果牛肉口感不佳，势必会影响牛肉的销量，使行业经济受损。我国的牛肉主产区一般2集中于东北、华北、西北和西南的一些省份，由于这些地区的气候的原因（如干旱少雨、冬季寒冷），致使这些地方的牛肉纤维粗，较难消化。再加上我国的牛肉工业目前发展状况还比较落后，特别是宰后牛肉处理工艺不够先进，致使我国的牛肉普遍存在这口感差、不宜咀嚼等缺陷。这一问题如不及时解决，势必将会影响我国牛肉工业的发展。经过嫩化了的牛肉受到消费者的普遍欢迎，肉的嫩度直接影响到肉制品的口感、营养、消化和风味等。嫩度是决定肉类品质的重要指标，也是肉类最重要的感观特征，直接影响到消费者对肉类食品的选择和食用。目前在肉类嫩化方面的研究较多，主要采用的嫩化方法有超声波嫩化、电刺激嫩化、机械嫩化、高压嫩化法、钙盐嫩化、多聚磷酸盐嫩化、酸碱嫩化、外源酶嫩化法等。与其他方法相比，电刺激方法简便易行、效率高、成本低，并且处理效果好，不会产生类似于化学类嫩化处理所带来的附属物影响嫩化效果。电刺激嫩化牛肉的原理可以概括为：电刺激激发强烈的收缩，使肌原纤维断裂，肌原纤维间的结构松弛，可以容纳更多的水分，使肉的嫩度增加；电刺激加快尸僵过程，电刺激促进糖原分解速度，使胴体pH值很快下降到 6以下，可防止冷收缩，提高嫩度；电刺激可以促进内源性蛋白酶的活性。我国对肉类电刺激方面的研究比较晚，在1999年才开始陆续有人研究。由于现有电刺激仪局限于体积大，各项参数不可调，工作不稳定等缺点，在实际生产中还未得到广泛应用。国外很早，1951年美国就有了电刺激的研究。我国牛肉屠宰及加工企业普遍存在生产工艺落后、生产效率低、生产中损耗大、在生产中忽略提高牛肉质地等等因素，企业效益受到了影响。牛肉嫩化的工作如能良好的开展，牛肉的加工工艺和产品质量得到良好改进，势必也会提高我国同类企业的生产水平和经济效益。本次设计一种利用AT89C52单片机控制，合成信号发生芯片AD9851产生不同波形，且电压、频率和时间在一定范围内连续可调的电源，根据不同的需求，对牛肉进行电刺激处理，以达到嫩化牛肉的目的。产生的波形分别为直流。方波、三角波、正弦波、锯齿波，各个波形的幅值可调，调节范围0110V ，频率调节范围0450HZ,刺激时间调节范围0999S 。2 总体系统设计2.1 总电路图说明本设计主电路图包括:单片机控制部分，保护电路部分，漏电保护部分，显示部分，模数变换，波形频率发生部分，强电部分，以及键盘输入部分。3单片机控制部分，采用AT89C52单片机。该单片机的特点是拥有完善的外部扩展总线，如并行总线（AB,DB,CB ）以及串行总线（ UART）,通过这些总线可以方便的扩展外围单元、外设接口等。其性价比比较高，经济实用。保护电路，由互感线圈（降压比为50：1） 、隔离变压器（其降压比为8：1） 、整流部分和中断部分等组成，中断由AT89C52中断源INT0实现。漏电保护部分，由芯片LW54133和外围电路实现，脱口线圈作用到强电部分，当漏电达到或超过比较值的情况，由AT89C52中断源，P3.3口实现。显示部分，由芯片GXM12864及外围电路组成，是一种采用低功耗CMOS 技术实现的点阵图形LCD模块，它有8位的微处理器接口，通过其内部的12864位映射DDRAM（Display Data RAM）实现128点64点的平板显示。模数转换部分，由于电刺激牛肉，采样数据经转换由单片机信号处理。波形频率发生部分，由芯片9851及外围电路实现，先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、精度高、稳定度高，易于使用等优点，外部只需接入很少的原件即可工作，它可以同时产生方波、三角波和正弦波等波形。强电部分，隔离变压器引进强电部分，经过整流器，大电流器件FET 电路部分，输出电刺激电极。键盘输入部分，按键采用行列式44的矩阵键盘，采用行列扫描的形势确定行键盘。行列式键盘的基本结构由键盘开关矩阵、输出（行线）锁存器、输入（列线）缓冲器三部分组成，在组合方式的选择中，本系统利用I/O口和译码器的接口电路。2.2 总体设计框图首先由操作人员将电流波形、强度、刺激时间及占空比等参数输入电脑（如不输入相关参数，设备将按默认值进行操作） ，随后将牛肉胴体经输送带输入设备处理室中，牛肉胴体进入嫩化仪处理室后，微电脑先通过位置传感器对胴体进行位置测试，并利用机械手调整胴体位置，然后微处理器根据操作者输入的数据控制波形发生电路，产生相应的电流波形，经电流放大后，对胴体进行电刺激处理。处理完毕后，机械手自动将牛肉胴体送出处理室，另外，为了保证操作人员的人身安全，本设备应配有专用的理室，将操作人员与电路隔离，并带有过电流、过电压、漏电多重保护电路，电脑自动监控，以最大程度上保证人身安全及设备安全。总体设计框图如图1所示。4图1 总体设计框图Fig1 Chart of collectivity design frame2.3 微 处 理 器 的 选 择 1本设计方案主要采用Atmel公司的AT89C52型单片机，它具有如下优点：（1）拥有完善的外部扩展总线，如并行总线（AB,DB ,CB）, 串行总线（UART）,通过这些总线可以方便的扩展外围单元、外设接口等。（2）设计中的单片机内部拥有8K字节的Flash ROM程序存储空间和256字节的RAM数据存储空间，由于该芯片可擦写，故可重复使用，如果更改程序内容，可将芯片拿下重写烧写，或直接进行在线烧写。（3）该单片机完全与51系列兼容，升级换代很方便。2.4 波形发生电路的设计波形发生电路采用合成芯片AD9851，其产生波形由微控制器根据操作人员指令控制，发出的电压波形稳定，频率误差在万分之一以下，同时设计有程控A/D 及D/A 电路，电压幅值在千分之一以下 2，能很好的保证电刺激的波形精度，保证处理质量，并且可以根据要求选择直流、方波、三角波，正弦波和锯齿波等波形以及波形的频率等参数，使设备能根据不同的畜肉提供不同的波形，以达到刺激嫩化牛肉的目的。所产生的几种波形如图2所示。5图2 五种波形图Fig 2 Chart of five kinds of voltages waveforms2.5 安全保护设置首先牛肉电刺激嫩化仪拥有一间处理室，操作人员只需要在外面的电子键盘上输入相关指令，把操作人员和电刺激处理电路部分完全隔离，处理室要还配有监控电路，如果有人将身体某部位留在隔离处理室中，强电电路不会进行工作，并发出声光报警。在电极电路上配有过电流、过电压、漏电互感线圈以及后续电子处理电路，对设备的电流电压及漏电情况进行不间断测量，测量的结果经微处理器处理后，将相关数据在显示屏上显示。当电极的电流或电压超过设定值时，先由微处理器进行参数调整，当电极的电流或电压超过危险值时自动切断电路，保护了设备的安全，当漏电电流超过30mA时，电脑也会在1ms之内，及时终止强电路工作，这样即使有人接触了强电电路部分也不会触电受伤。2.6 电刺激电路电刺激电路是由变频电路和电流放大电路组成的，由于按照我国的供电标准，生活及生产电压为220V，而电刺激嫩化仪要求能根据牛肉的不同改变电流电压值和电流值，本设计采用了先进的电字变频整流技术,使设电刺激嫩化仪极输出电流能在微电脑的控制下进行无极调压，这样可以使设备的可靠性大大增强 3，由于没有了变压器，这样就会使设备的体积和重量大大减少，制作成本也会随之降低。在电流放大电路方面，最大输出电流可在1A20A之间程控变化，完全能提供电6刺激所要求的大电流。2.7 键盘的选择设备将采用合适的液晶显示器，点阵液晶显示模块的点阵像素连续排列，行和列在排列中均没有空隔，不仅可以显示字符，还可以显示连续的、完整的图形。键盘采用通用44键盘，兼容性好，互换性强。2.8 系统设计原理整个系统的设计采用了PWM技术控制H桥对直流电流进行逆变整形 4。主要设计原理是基于H桥逆变和PWM控制技术。波形产生的核心为方波逆变电路和正弦波、三角波锯齿波逆变电路。直流电的产生可以通过直流电源电路直接输出，方波是由单片机输出的PWM波来对直流电源电路输出的直流电整形。正弦波、三角波、锯齿波的产生分别是通过单片机输出的SPWM波来对直流电源输出的直流电整形。D/A芯片的输入由单片机控制，通过D/A芯片向直流电源输入 05V的反馈电压 5，则直流电源输出0110V的电压。这样就达到了由单片机控制的任意电压的输出。2.8.1 逆变电路原理逆变电路部分采取H桥型结构，H桥由四个JFET-N（N沟道耗尽型结型场效应管）管组成。S11 、S12 组成一个桥臂， S21、S22组成另一个桥臂；当 S11、S22为1时，U=VCC,当S12、S21为1时，U=-VCC。其中，PWM波由单片机产生，VCC由单片机控制的直流电源产生，电压范围为0110V。结构原理如图 3所示。图3 H桥型逆变原理图Fig3 The schematic diagram of H-bridge Converter2.8.2 PWM控制技术PWM (Pulse Width Modulation)技术，即脉冲宽度调制，简称脉宽调制 6，是微处7理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，理论上，只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM控制法是利用了采样控制理论中的一个重要结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小和波形，也可改变输出频率。近些年来，随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM 、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM 等。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM 法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同 7。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而且和正弦波等效的PWM波形（即 SPWM波形）控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 3 制作与选材3.1 AT89C52处理器AT89C52处理器是由美国Atmel生产的标准型单片微型计算机， 兼容MCS51 指令系统，并且有着优良的特性以及较高的性能价格比，是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。其片内有8KB字节的FLASH程序存储器，和256字节的随机存取数据存储器（RAM） ，它采用了COMC 工艺，还有Atmel 公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，这种存储器的全称定义为闪速可编程可擦除只读存储器FPEROM。AT89C52处理器和以前的程序存储器相比，它有许多优点，比如用户可自己写入，并根据需要灵活的修改程序。用电脑擦除而不是用紫外线擦除，不需要特殊的擦除设备，写入和擦除的速度非常快等 8。AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。它还有3个16位可编程定时/计数器中断，32个双向I/O口，2个外部中断源，共8个中断源，2个串行中断，可编程UART串行通道。3.1.1 AT89C52单片机的内部原理图8图4 AT89C82内部结构框图Fig 4 Internal structure diagram of AT89C523.1.2 AT89C52单片机的主要特性 9（1）8031CPU；（2）8kB可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；（3）256x8bit内部RAM ；（4）可编程的32根I/O口线；（5）具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断系统；（6）两个可编程16位定时器；（7）1个数据指针DPTR ；（8）1个可编程的全双工的串行通信口；（9）具有“待机”和“掉电”两种底功能工作方式；（10）可编程的三级程序锁定位；（11）工作电源的电压为50.2V； （12）振荡器最高频率为24MHz；（13）编程频率3MHz-24MHz，编程电流1mA，编程电压Vpp为5V。3.1.3 AT89C52单片机的引脚功能（1）P1 口（ 1-8）：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出9缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址 9。此外，P1.0（T2）做定时器/计数器 2 的外部技术输入口，P1.2(T2EX)可作为定时 /计数器 2 的控制输入口。（2）RST(9)：复位输入端。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（3）P3 口（ 10-17）：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。P3 口具有以下特殊功能：P3.0 (RXD): 串行输入口；P3.1 (TXD)：串行输出口；P3.2 (INT0)：外部中断 0；P3.3 (INTI): 外部中断 1；P3.4 (T0): 定时器 0 的外部输入；P3.5 (TI): 定时器 1 的外部输入；P3.6 (WR): 外部数据存储器写选通端；P3.7（RD）：外部数据存储器读选通端。（4）XTAL2 (18) : 振荡器反相放大器的输出端。（5）XTAL1 （19）：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。（6）GND（20） ：接地。（7）P2 口（ 21-28） ： P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX RI 指令）时，P2 口输出 P2存储器的内容。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。10（8）PSEN (29) :外部程序存储器读选通端。（9）ALE/PROG(30) : 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。当访问外部存储器时，ALE 的输出用于锁存地址的低 8 为字节。在对 Flash 存储器编程时，该引脚还用于输入编程脉冲 PROG。(10) EA/VPP (31) 访问外部程序存储器允许端，若从外部程序存储器的 0000H-FFFFH 单元中取指令，接地：若执行内部程序，EA 接 VCC。（11） P0 口（ 32-39）： P0 口是一个漏极开路型的双向 I/O 端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 输入，对端口写“1”时，又可作高阻抗输入端用。在 Flash 编程时，P0 口接受指令字节：而在验证程序时，则输出指令字节。验证时要求外接上拉电阻。除此之外，P0 口还有第二功能，在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路复用的低 8 位地址/数据总线（即 AD0-AD7）,在次状态下，P0 口激活了内部的上拉电阻。（12）VCC（ 40）：电源。图5 AT89C52的引脚图Fig 5 The pin figure of AT89C52113.2 波形发生电路设计先进工艺制成的单片集成电路新片，电源电压范围广、稳定度高、精度高、易于用等优点。外部只需接入很少的原件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波。AD9851的主要特性有：（1）允许最高输入时钟180HMz，同时提供可选择的片内6倍频乘法器；（2）内置高性能的10b数模转换器；（3）内含一个高速比较器；（4）具有简单的控制接口，允许串/并行异步输入控制字；（5）采用32b频率控制字；（6）内部使用5b相位控制字；（7）工作电压2.7-5.25V；（8）可以工作在掉电方式；（9）采用极小的的28脚贴片式封装。AD9851的个引脚功能 10引脚排列，如图5：D0-D7: 8 位数据输入口，可给内部寄存器装入 40 位控制数据；PGND：6 倍参考时钟倍频器地；PVCC：6 倍参考时钟倍频器电源；WCLK：字装入信号，上升沿有效；FQUD：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效；REFCLOCK：外部参考时钟输入；CMOS/TTL：脉冲系列可直接或间接地加到 6 倍参考时钟倍乘器上。在直接方式中，输入频率即是系统时钟；在 6 倍参考时钟倍乘器方式，系统时钟为倍乘器输出；AGND：模拟地；AVDD：模拟电源（+5V）；DGND：数字地。DVDD：数字电源（+5V）；REST：通过串联一个电阻到地，设置 DAC 输出满额时的电流；VOUTN：内部比较器负向输出端；VOUTP：内部比较器正向输出端；VINN：内部比较器负向输入端；VINP：内部比较器正向输入端；DACBP：DAC 旁路连接端；IOUTB：“互补”DAC 输出；IOUT：内部 DAC 输出端；12RESET：复位端。低电平清除 DDS 累加器和相位延迟器为 0Hz 和 0 相位，同时置数据输入为串行模式以及禁止 6 倍参考时钟倍乘器工作。图6 AD9851的引脚图Fig 6 The pin figure of AD9851AD8951输出调制频率的电路图如图6所示：图7 AD9851调制频率输出电路Fig 7 AD9851 modulation frequency output circuit3.3 安全保护设计3.3.1 过流过压保护器正常工作时，由互感线圈转换过来的电流不会引起中断信号，电路正常工作。当电流电压超过设定值时，电流峰值会超过比较值，信号由单片机89C52中断源INT0实现。 13图8 过流过压保护电路Fig 8 Over-current protection circuit3.3.2 漏电保护设计漏电保护专用集成电路LW54133是对地漏电保护器（剩余电流动作断路器）的关键组成器件 11，在漏电保护器中主要起漏电信号放大、电平转换、延时输出驱动等作用。该集成电路包含差分放大，漏电检测、闩锁、稳压、恒流、抗干扰、输出驱动等电路。具有可重复延时功能，还具有开启低电压、温度特性好、适用温度范围宽、外围元件少、抗干扰和抗冲击能力强、工作可靠、功耗小等特点，在一种优良的漏电保护专用电路。（1）工作原理：当有漏电信号时，零序电流互感器（ZCT）次级输出的漏电信号经限压、转换后作为LW54133的输入信号，该信号经放大后送到漏电检测电路的输入端。当经放大后的漏电信号达到规定值前，闩锁电路的输出一直保持低电平，漏电保护器不动作；当漏电电流大于规定值时，延时电路开始工作，这时漏电信号在小于设定的延时时间内消失，则不输出触发信号，可控硅不导电，漏电保护器不动作，并且延时电容上已经充上的电量会很快的被放掉，这样，在下一次漏电信号到来时，延时电容又从零开始充电，实现了可重复延时功能，保证了延时时间的准确性和延时保护的可靠性。延时电路开始工作后，漏电信号在设定的延时时间（实际上是比设定的延时时间长20ms）内存在，则输出触发信号（在触发信号结束时，延时电容放电） ，可控硅导通，脱扣线圈得电，漏电保护器动作，切断交流电源。若不需要可重复延时功能，则只要在LW54133 电路的第7引脚外接一个小电容（0.068 uF ） 即可。该漏电保护器专用电路的功能框图如图9所示。14图9 漏电保护电路功能框图Fig Leakage protection circuit functional block diagram（2）LW54133在本漏电保护器中的应用电路，应注意事项：电源电压Us= 7-12V,用于一般直流电源。为防止电源电压超过15V 的极限值，应选择12V（或者小于12V）的齐纳二极管 12，为防止交流电源电压的变化和随着温度的升高可能会导致Us和Is的变化，应合理选择Rs。RL/IREF 脚电阻。RL是并联在电流互感器次级的负载电阻，可据开启电压和所需动作漏电流值来选择该电阻。IREF脚外接电阻控制基准恒定电流（基准恒流对IC出现电源电压和周围温度的波动起保护作用，推荐使用高精度的电阻器R=180k ,精度为2） 。图10 漏电保护应用电路Fig 10 Leakage protection application circuit15抗干扰。外来干扰（比如模拟噪声）可能引起故障，为了提高抗干扰能力，设计印刷电路板应注意菜采用抗干扰设计，尤其注意16脚Us,3脚Ucc，8脚SCRT上电容器的接线。把3脚外接电容适当加大（2.2 uF） ，对提高抗干扰能力有益。可控硅的选择。选择可靠性高的可控硅，防止因可控硅质量差而误动作。第4-7脚的电容器的选择。在电容C，阈值电平UTH、环境温度确定后，充电电流IOH与脉冲宽度TW 的关系式表达为： TW=C(UH-UL)IO其中：UL=0.7V，UH=2.4V，IO=7.5A。可据此选择各电容器值。最好在交流电源输入端加接一个适合的压敏电阻。3.4 电刺激部分波形频率发生部分由芯片9851及外围电路实现 13，先进工艺制成的单片集成电路新片，电源电压范围广、稳定度高、精度高、易于用等优点。外部只需接入很少的原件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波等波形。调整强电部分，隔离变压器引进强电部分，经过整流器，大电流器件FET电路部分，输出电刺激电极。能实现以下不同的波形和频率进行刺激牛肉。图11 电刺激电路Fig 11 Electrical stimulate circuit3.5 显示和键盘电路3.5.1 显示器选择液晶显示屏LCD用于数字型钟表和许多便携式计算机的一种显示器类型。它功耗低、体积小、无辐射的显示器件，LCD可分为段位式、字符式和点阵式三种 14。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简中显示，不能满足图形曲线和16汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画功能、分区开窗口、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。为了简化液晶显示电路的设计和应用，生产厂家通常将液晶显示单元、显示控制器、显示内存和显示驱动电路等装配在一起，做成液晶显示模块LCM。 LCM对外提供标准数据和控制口以及控制指令。我们选择点阵式液晶显示器。3.5.2液晶显示模块本例中液晶显示模块选用图形液晶显示模块GXM12864，它内KS0108B/HD61202控制器，是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有8位的微处理器接口，通过内部的12864位映射DDRAM(Display Data RAM) 15128点64点大小的平板显示。该液晶显示模块使用KS0108B作为行驱动器，同时使用KS0107B作为行驱动器。 KS0107B不与CPU 发生联系，只要提供电源就能产生驱动信号和各种同步信号，比较简单。GXM12864的引脚定义如下表所示。表1 GXM12864的引脚的定义Table 1 The feet definitions of GXMI12864引脚名称 引脚定义/CSA, /CSB 片选 1,2VSS 数字地VDD 逻辑电源+5VVO 对比度调节D/I 指令数据通道R/W 读/写选着E 使能信号，高电平有效DB0DB7 8 位数据线RST 复位信号VEE 液晶驱动电源A,K 背光正电源端，背光接地端GXM12864 共有 20 个引脚，其中 DB0DB7 是 8 位双向数据总线，它的方向是有控制引脚 R/W 来决定，高电平为读，此时数据出现在总线上，可以由 CPU 读取；低电平为写，可以写入 8 为数据。E 为使能信号引脚，高电平有效。D/I 是数据指令选择引脚，为高电平表示数据操作，为低电平表示写指令或读状态。GXM12864 工作原理图中电位器 R10 的作用是调节提供给驱动器的供压，从而调节液晶显示的对比度。A,K 引脚用于背光灯，本次简化处理，不使用此功能。RST 是复位引脚，接高电平17Vout1.数据线 DB0DB7 和单片机的 P0 端口相连，控制线 D/I,R/W 和片选线CSA,CSB 分别于单片机 P2 端口的 6,5,1,0 引脚相连，使能线与 P2.3 相连。对于用户来说，LCD模块的使用关键在于驱动芯片的使用，驱动芯片和LCD显示屏的接口已经做好在GXM12864的内部，用户使用时只需阅读驱动芯片的相关资料，设计驱动芯片和微处理器之间的接口电路，编写具体的驱动程序。前面提到，行驱动芯片KS0107B不与CPU 发生联系 16,只要提供电源就产生驱动信号和各种同步信号，列驱动芯片KS0108B与KS0107B配合对液晶平行列驱动，可直接与8位微处理器相连。KS0108B驱动器具有如下一些特点：内部有6464=4096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮暗状态；KS0108B列驱动器有64路列驱动输出；KS0108B 的占位空比为1/321/64；KS0108B内部有输入寄存器，它们相当于微控制器和内部的显示RAM之间的缓冲器。微处理器对液晶显示模块的操作通过KS0108B支持的指令系统实现的，最后在进行液晶模块硬件调试中，务必注意正确的接线，特别是正负电源的接线不能接错，否则会烧坏电路上的芯片。为避免液晶快的损坏，在加液晶驱动电压VO/VEE需要比逻辑电压提前50ms关断。 图12 液晶显示模块GXM12864工作原理图Fig l2 Chart of the work principle of LCDs module3.5.3 单片机模块AT89C52 的 P0 口直接与液晶模块的 DB0DB7 相连；P2 口的 0、1、3、5、6引脚分别和液晶模块的/CSB,/CSA,E,R/W,/D/I 相连，在单片机程序执行过程中，对他们做相应的控制。可以看出液晶控制器的存在使得单片机模块电路变得非常简单。给18出单片机的时钟和复位电路如图。图 13 单片机的模块原理图Fig 13 Chart of the work principle of SCM module3.5.4 液晶控制驱动器指令集液晶显示包括屏幕提示，键盘输入值显示以及行驶中状态信息的显示。本设计采用液晶模块 GXM12864，它所用的控制驱动器是 2 片 KS0108B 和 1 片 KS0107B 和单片机打交道的是 KS0108B。KS0108B 的指令集比较简单，共 7 指令。表2 显示开关指令Table 2 Show the open and shut dictateR/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 1 1 1 1 1 0/1当 DB0 = 1 时，LCD 显示 RAM 中的内容；当 DB0 = 0 时，LCD 关闭显示。表3 显示起始行（RAM）设置命令Table 3 Show the origination row setting commandR/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 显示起始行（063）该指令设置了对应液晶屏最上一行的显示 RAM 的行号，有规矩地改变起始行，可以使 LCD 实现显示滚动屏效果。19表4 页（PAGE）设置指令Table 4 The setting command of PAGER/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 1 0 1 1 1 页号（07）显示 RAM 共 64 行，分 8 页，每页 8 行。表5 列地址（Y Address）设置指令Table 5 The setting command of Y AddressR/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 1 显示行地址（063）设置页地址和列地址，就唯一确定了显示 RAM 中的一个单元，这样 MPU 就可以用读，写指令读出单元中的内容或向单元写进一个字节数据。表6 读状态指令Table 6 Reading and writing fettle command R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB01 0 BURY 0 NO/OFF RESET 0 0 0 0该指令用来查询液晶显示模块内部控制器的状态。BUSY： 1-内部在工作，0-正常状态；ON/OFF： 1-显示关闭，0-显示打开；RESET: 1-复位状态， 0-正常状态；在 BUSY 和 RESET 状态时，除读状态指令外，其他指令均不对液晶显示模块产生作用，在对液晶显示模块操作之前要查询 BUSY 状态，以确定是否可以对液晶显示模块进行操作。表7 写数据指令Table 7 Write data command R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 1 写数据 表8 读数据指令Table 8 Read data command R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB01 1 读显示数据 读写数据指令每读写完之后，列地址就自动加 1。必须注意的是，进行读操作之前，必须有一空读操作，接着在读才会读出所要读的单元中的数据。3.5.5 键盘电路设计键盘和显示器是实现人机对话时两个必不可少的控制配置 17。在本系统中，根据要求，要达到 km 级的测量距离和 cm 级的精度，就必须用 8 位以上的显示。键盘有独立式键盘和行列式键盘两种，独立式键盘是最简单的键盘，每个键独立接入一个输入线。目前这种结构的键盘应用还是相当普遍，但这种键盘随着键数数量的增加所20占的 I/O 口线也增加系统中，按键数较多，所以采用行列式键盘技术。输入电路采用4*4 键盘行列式键盘，可输入 0 到 9 以及六个功能键，方便操作，本系统利用 I/O 口和译码器的接口电路。4*4 键盘行列式键盘如下图所示。 图14 4*4键盘电路Fig 14 The circuit of 4*4 keyboard4 软件模块设计4.1 波形相关参数计算单片机的定时器Timer-A和Timer-B可以产生PWM/SPWM波。利用Timer-A/B定时器工作在增计数模式，输出采用模式7(复位、置位模式)，则可利用寄存器CCRO控制PWM波形的周期，用某个寄存器CCRx 控制占空比。这样就可以利用定时器Timer A/B产生出任意占空比的PWM波形。PWM波的周期T和占空比(Duty Ratio，简称DR)计算公式为：PWM波的周期: TP=CCR0/MCLK (1)其中MCLK为系统时钟16MHZ，0CCR065535PWM波占空比：DR=CCR1/CCR0 (2)其中0CCRI CCR0，0CCR065535214.1.1 正弦波假设用户设定的正弦波的频率为fc,CCR0=4000 ，晶振为16MHZ，则占空比的计算公式为：单个波形的周期 Tc=l/fc由公式(1)计算得 PWM 的周期 Tp=400016000000=2.5x10 -4s则 1/4 个周期内 PWM 波的个数 W=Tc/4*Tp=1000/fc。由公式(2)以及正弦公式 y=shi(2ft)得到各个 PWM 波的占空比计算公式为：DRn=CCR1n/4000=sin(2*n/w) （3)得： CCR1n=4000 sin(2*n/w) （0nW,nZ ） (4)4.1.2 三角波假设用户设定的三角波的频率为fc,CCR0=4000 ，晶振为16MHZ，则占空比的计算公式为：单个波形的周期 Tc=l/fc由公式(1)计算得PWM的周期Tp=400016000000=2.5x10 -4S则 1/4 个周期内 PWM 波的个数 W=Tc/4*Tp=1000/fc。由公式(2)以及公式 y=x 得到各个 PWM 波的占空比计算公式为：DRn=CCR1n/4000=n/W (5)得：CCR1n=4000 n/W （0nW,n Z） (6)4.1.3 锯齿波假设用户设定的锯齿的频率为fc,CCR0=4000 ，晶振为16MHZ，则占空比的计算公式为：单个波形的周期 Tc=l/fc由公式(1)计算得PWM的周期Tp=400016000000=2.5x10 -4S则 1/2 个周期内 PWM 波的个数 W=Tc/2*Tp=2000/fc。由公式(2)以及公式 y=x 得到各个 PWM 波的占空比计算公式为：DRn=CCR1n/4000=n/W (7)得：CCR1n=4000 n/W （0nW,n Z） (8)4.2 系统的主程序流程图22系统的主流程图如下 开始错误提示定时时间到？初始化设置系统自检正常？显示主菜单参数设置运行键按下？本次刺激结束是否关机？关闭电源输出波形产生停止键按下？NNYYNNYYYN图15 主程序流程图Fig 15 The main program flow chart234.3 波形产生的程序4.3.1 方波发生程序程序清单如下：SETB TR0BOXWAV: MOV DPTR,#0FFFEH ;IC4 地址送 DPTRBOXLP1