DZ215單片機(jī)控制半自動酶標(biāo)儀

DZ215單片機(jī)控制半自動酶標(biāo)儀,dz215,單片機(jī),控制,節(jié)制,半自動,酶標(biāo)儀 I摘 要半自動酶標(biāo)儀主要用于對人體體液各種的生化指標(biāo)進(jìn)行檢測，為醫(yī)生確定所有病人的病情提供科學(xué)依據(jù)。目前，酶標(biāo)儀已經(jīng)成為醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨床診斷所必須的醫(yī)療儀器之一。本文以半自動酶標(biāo)儀研發(fā)過程中電氣系統(tǒng)及針對半自動酶標(biāo)儀分析所開發(fā)的應(yīng)用程序軟件為主要內(nèi)容，提出了完整可行的系統(tǒng)設(shè)計方案。本文先介紹了以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，酶標(biāo)儀的電子系統(tǒng)比較復(fù)雜，輸入輸出量多，對操作的實時性要求比較嚴(yán)格?？刂葡到y(tǒng)需要完成如控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，以保證微面板和濾光片運(yùn)動平穩(wěn)性和定位的準(zhǔn)確性；對當(dāng)前樣品杯的多路模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；實時的接收并完成應(yīng)用程序軟件的控制命令等多項任務(wù)。其次，本文還介紹了軟件系統(tǒng)功能。該設(shè)計的控制性能指標(biāo)完全符合半自動酶標(biāo)儀的系統(tǒng)設(shè)計要求，在設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題，希望各位老師見涼，并給予指導(dǎo)和幫助。關(guān)鍵詞： 半自動酶標(biāo)儀 單片機(jī) 控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IIThe monolithic integrated circuit controls the semiautomatic enzyme sign meterAbstractThe abstract semiautomatic enzyme sign meter mainly uses to human body's body fluid each biochemistry target carries on the examination, for doctor determined that all patient's 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 core's control system, the enzyme sign meter's 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 machinery's 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 cup's multi-channel simulated signal; The real-time receive and completes the application procedure software's control command and so on many duties. Next, this article also introduced the software system function.This design's control performance target meets the semiautomatic enzyme sign meter's 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.UControl System Data Acquisition System i目 錄第一章 緒論 ........................................................1第二章 方案論證 ....................................................52.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) ................................................52.2 濾波片選擇 ....................................................62.3 朗伯·比耳定律 ................................................62.4 光電檢測器的選擇 ..............................................72.5 主控芯片的選擇 ................................................72.6 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的選擇 ........................................9第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ................................................113.1 控制系統(tǒng)設(shè)計 .................................................113.1.1 單片機(jī)概述 ...............................................113.1.2 單片機(jī) 89C51 .............................................123.1.3 時鐘電路 .................................................153.1.4 復(fù)位電路 .................................................173.2 電機(jī)控制系統(tǒng) .................................................183.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) .................................................223.3.1 前置放大電路 .............................................223.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換 .................................................233.4 LCD 液晶顯示 .................................................263.4.1 引腳功能介紹 .............................................263.4.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 .......................................273.4.3 應(yīng)用電路 .................................................293.5 鍵盤單元 .....................................................293.6 報警電路 .....................................................313.7 通信 單元 .....................................................32ii3.8 小結(jié) .........................................................33第四章 軟件設(shè)計 ....................................................34結(jié) 論 ...........................................................36致 謝 ...........................................................37參考資料 ...........................................................38附錄 A ...........................................................40附錄 B ...........................................................511第一章 緒 論近二十年來，由于生物學(xué)，近代物理學(xué)，化學(xué)，電子技術(shù)，生物材料學(xué)，機(jī)械學(xué)，計算機(jī)等多種科學(xué)的飛速發(fā)展，并愈來愈深入地對生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛滲透，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)檢驗理論及實驗室儀器和技術(shù)的發(fā)展。高靈敏度，多功能，自動化的檢測儀器的涌現(xiàn)，大大提高了醫(yī)學(xué)檢驗的測量精度，速度，和準(zhǔn)確度，從而使繁瑣的操作得以簡化，冗長的實驗時間得以縮短，復(fù)雜的成分及微含量的測量得以實現(xiàn)，顯示了自動化儀器強(qiáng)大的生命力。酶標(biāo)分析儀就是在這種形式下出現(xiàn)的臨床檢驗儀器。酶免疫分析技術(shù)是以酶作為標(biāo)記物的免疫測定技術(shù)，酶標(biāo)儀是酶免疫分析的重要儀器。酶標(biāo)儀利用光度計原理，即一定波長的光通過溶液時，溶液吸收光的多少與溶液中物質(zhì)含量成正向相關(guān)關(guān)系。近年來，隨著酶免疫分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，酶標(biāo)儀在臨床實驗室中的應(yīng)用越來越普及，使得酶免疫分析法（EIA）的自動化程度及精確性愈來愈高，尤其是近幾年，進(jìn)口的、國產(chǎn)的單、多通道全自動酶標(biāo)儀的種類及型號發(fā)展非常迅猛，是臨床實驗室自動化程度繼生化分析儀、血細(xì)胞計數(shù)儀、血凝儀等之后的又一次更新和提高。首先介紹一下酶標(biāo)儀的檢測原理：眾所周知,人體內(nèi)有一個復(fù)雜而又奇妙的抗病防病系統(tǒng),稱之為免疫系統(tǒng)。一旦病菌病毒(統(tǒng)稱為抗原)侵入體內(nèi),免疫系統(tǒng)立即產(chǎn)生具有抵抗或殺死病毒病菌作用的蛋白物質(zhì)(統(tǒng)稱為抗體),這叫免疫反應(yīng)。在免疫反應(yīng)中, 抗體蛋白質(zhì)與抗原蛋白質(zhì)的結(jié)合反應(yīng)具有高度的選擇性,一種抗體可以從多種蛋白質(zhì)的混雜物中有選擇性地只與極微量的特定的抗原相結(jié)合。這就是抗體與抗原反應(yīng)的特異性。酶是生物體內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生的具有高效特異催化作用的蛋白質(zhì),有趣的是,一種酶只對某一種化學(xué)反應(yīng)起催化作用,而對其他化學(xué)反應(yīng)不起作用。這就是酶的標(biāo)記原理。酶聯(lián)免疫吸附測試正是利用了抗體與抗原反應(yīng)的特異性、酶的標(biāo)記原理和高效催化作用,所以具有高度的特異性和靈敏性。酶聯(lián)免疫吸附測試的操作方法如下:首先將抗原(或抗體)物質(zhì)吸附(醫(yī)學(xué)上稱“包被”)在樣品盤中(國際上通用的樣品盤是 96 標(biāo)準(zhǔn)微孔反應(yīng)板);再將待測樣品(如血液,體液等) 加入樣品盤;于是待測未知的抗體(或抗原)與包被的抗原(或抗體)相結(jié)合,成為抗體與抗原復(fù)合物。當(dāng)依次加入酶結(jié)合物(即酶標(biāo)記抗體或酶標(biāo)記抗原)和酶的底物時便產(chǎn)生呈色反應(yīng),呈色程度與被檢測樣品中待測抗體(或抗原)的量相關(guān),據(jù)此就可以得出定性或定量的檢測結(jié)果。2酶標(biāo)儀的用途：酶標(biāo)儀是一種用途廣泛的生物、醫(yī)學(xué)儀器,利用酶聯(lián)免疫分析法,根據(jù)酶標(biāo)記原理,根據(jù)呈色物的有,無和呈色深淺進(jìn)行定性或定量分析。這是一種極具生命力的免疫學(xué)技術(shù)。可用于單克隆抗體篩分、凝血分、抗生素靈敏度檢驗,以及其它需要進(jìn)行比色的分析工作中。該儀器適用于臨床檢驗、微生物學(xué)、流行病學(xué)、免疫學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)以及農(nóng)林科學(xué)等領(lǐng)域。廣泛用于醫(yī)院、血站、防疫站、生物制品等部門。我國衛(wèi)生行政主管部門已明確規(guī)定,對多發(fā)常見的肝炎病診斷,不能用目測進(jìn)行,必須用酶標(biāo)儀判斷。沒有酶標(biāo)儀或不用酶標(biāo)儀的醫(yī)院不能評上等級, 也沒有判斷肝炎的資格和權(quán)利。對于有蔓延趨勢的艾滋病毒的判斷,必須建立專門的艾滋病實驗室并采用酶標(biāo)儀進(jìn)行判斷。酶標(biāo)儀進(jìn)行常規(guī)檢測的疾病在國際上與之配套的試劑有上百種。在國內(nèi)也有幾十種: 例如癌胚抗原的檢驗、甲胎蛋白的檢查、前列腺檢驗等等。用酶標(biāo)儀進(jìn)行定量的檢測,可以判斷疾病的性質(zhì)和檢查治療效果。酶標(biāo)儀的研制：80 年代, 酶標(biāo)儀在國際上已廣泛使用,80 年代中期開始引進(jìn)我國, 國內(nèi)雖有少數(shù)科研單位和廠家開始制造簡易的酶標(biāo)儀,但在性能上遠(yuǎn)不如進(jìn)口設(shè)備，所以在 90 年代以前基本以進(jìn)口酶標(biāo)儀為主。根據(jù)我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展和實際需要, 航天二院 283 廠與中國科學(xué)院生物物理研究所合作, 將航天工業(yè)技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合,于 1993 年開始聯(lián)合研制生產(chǎn)具有當(dāng)今國際水平的新一代自動化板式酶標(biāo)儀。該產(chǎn)品 1994 年 8 月通過了由北京市醫(yī)療總公司組織的國家級專家技術(shù)鑒定并同意試產(chǎn)進(jìn)入市場,產(chǎn)品 1995 年正式進(jìn)入市場,即受到用戶的認(rèn)可。經(jīng)過兩年多試用, 通過不斷征求用戶和專家意見, 不斷改進(jìn)和提高產(chǎn)品的技術(shù)性能, 現(xiàn)已發(fā)展成酶標(biāo)儀系列產(chǎn)品, 由原來的 ZS22 第一型號開始, 現(xiàn)已推出ZS22A、ZS22000，ZS23000，ZS24000、ZS25000 等多種型號, 以適應(yīng)不同技術(shù)要求、不同層次的用戶要求。1996 年該產(chǎn)品取得了北京醫(yī)藥總公司頒發(fā)的醫(yī)療設(shè)備市場準(zhǔn)入證。為了確保酶標(biāo)儀的產(chǎn)品質(zhì)量和市場信譽(yù)并擴(kuò)大知名度,1996 年在 283 廠申辦軍工產(chǎn)品質(zhì)量體系認(rèn)證的同時, 酶標(biāo)儀系列產(chǎn)品也申辦了質(zhì)量體系認(rèn)證,并一次通過了新時代認(rèn)證中心審定。CF2ZS 酶標(biāo)儀是在廣泛的市場調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上研制的。當(dāng)時市場上的高檔產(chǎn)品全部為進(jìn)口, 為數(shù)不多的國產(chǎn)酶標(biāo)儀也存在很多不足。在比較國內(nèi)外主要酶標(biāo)儀的功能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,立足于提高國產(chǎn)酶標(biāo)儀的水平,以滿足縣級以上醫(yī)院、血站，生物制品、科研單位的使用要求。儀器性能和指標(biāo)與進(jìn)口機(jī)器比較為中檔以上,在國內(nèi)為高檔。其設(shè)計思想適合中國國情,功能齊全,結(jié)構(gòu)簡單,自動化程度高,字符顯示和打印報告全部漢化,做到既有高水平的技術(shù)指標(biāo)又有合理的性能價格比,操作方便,質(zhì)量可3靠,各種測量模式選擇,采用菜單滾動方式,一目了然,并具備有 RS2232C 標(biāo)準(zhǔn)接口,可外接計算機(jī)以擴(kuò)大使用范圍。現(xiàn)如今，隨著社會以及科技的進(jìn)步，酶標(biāo)儀的發(fā)展也是相當(dāng)?shù)难杆?，現(xiàn)在酶標(biāo)儀可以分為半自動，全自動，以及多功能酶標(biāo)儀，種類以及功能也在不斷的增加。比如：儀器所有測量分析均由儀器內(nèi)部的計算機(jī)系統(tǒng)控制，在設(shè)計上采用點(diǎn)陣式液晶顯示器和薄膜盤，外觀新穎美觀。整個操作過程，操作順序由漢字菜單分層次顯示，簡單明了，具有保留用戶設(shè)定參數(shù)功能，檢驗結(jié)果自動打印，具有乙肝，丙肝等檢測項目，并將乙肝兩對半的測量綜合成一項獨(dú)立的功能，用戶用此功能一次即可將五項指標(biāo)測完，簡化了操作。乙肝兩對半的測定除具有 P/N 法外，還增加了 S/CO 兩種方法。測量過程中可隨時調(diào)零及監(jiān)測吸光度值，不影響正常的測量進(jìn)程。同時，以前酶標(biāo)儀只提供機(jī)械操作系統(tǒng)，以面板操控方式進(jìn)行測量，不能利用微機(jī)接受和處理數(shù)據(jù)，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量，也不能保存歷次測量數(shù)據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，查詢及打印?，F(xiàn)在則利用串行通訊技術(shù)及 VB 數(shù)據(jù)庫編程技巧，實現(xiàn)酶標(biāo)儀和計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，分析和處理。系統(tǒng)可對酶標(biāo)儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可把接受的數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入到大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。即用 VB 作為開發(fā)工具，利用 RS232 串行通訊技術(shù)，通過 ORACLE 數(shù)據(jù)庫編程，實現(xiàn)酶標(biāo)儀檢測數(shù)據(jù)的接受和破譯。另外，根據(jù)實際需要，新增加了兩項通用酶標(biāo)軟件不具備的功能，實現(xiàn)酶標(biāo)儀的遠(yuǎn)程操控，既通過普通微機(jī)發(fā)送控制命令，代替酶標(biāo)儀面板上的所有功能，控制酶免疫數(shù)據(jù)的測量和傳送，簡化酶免疫測量過程，為方便實驗室科研人員對數(shù)據(jù)的大量分析，系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)存儲到 ORACLE 數(shù)據(jù)庫，并可生成各類文件，直接在 EXCEL和統(tǒng)計軟件中處理?，F(xiàn)如今的酶標(biāo)儀有如下特點(diǎn)：（1） 酶標(biāo)儀檢測處理系統(tǒng)采用 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)，可與現(xiàn)有多種型號的酶標(biāo)儀進(jìn)行連接。 （2） 數(shù)據(jù)識別正確，杜絕了人為讀取錯誤。（3） 判定標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，減少人為判定差異。（4） 每一檢測樣品的多項檢測指標(biāo)集中排列，一目了然，便于檢查。（5） 對在灰度范圍內(nèi)的檢測值提供文字提示，便于樣本的把關(guān)復(fù)查。（6） 對于不符合臨床模式的結(jié)果，提供警示信息，避免錯檢，漏檢。（7） 質(zhì)控制標(biāo)同步顯示，對每天隨樣本測定的質(zhì)控制品設(shè)定質(zhì)控范圍，一旦失控，以醒目文字提示系統(tǒng)誤差或是偶然誤差的范圍，確保質(zhì)控質(zhì)量，并保存每日質(zhì)控值，可生成質(zhì)控曲線。（8） 原檢測值以數(shù)據(jù)庫方式存儲，便于收集歷史資料為開展相關(guān)的分析4研究提供大量真實數(shù)據(jù)。（9） 與醫(yī)院中心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫聯(lián)結(jié)，檢測報告一經(jīng)確認(rèn)上傳，臨床醫(yī)生就可在網(wǎng)上即時看到檢測結(jié)果較以往人工發(fā)送報告提前數(shù)小時，對患者的疾病快速診斷提供了有利的幫助。（10）檢驗人員工作強(qiáng)度大幅度降低，工作效率明顯提高。近幾年隨著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，先進(jìn)科學(xué)技術(shù)和實驗儀器的廣泛應(yīng)用，我國在酶免疫分析自動化方面也達(dá)到較高的水平。眾多科研工作者相繼研制出一批技術(shù)先進(jìn)，性能卓越的酶標(biāo)檢測儀器，例如由長春光機(jī)醫(yī)療儀器有限公司研制的 CA-2000 酶標(biāo)分析儀。酶標(biāo)分析儀的優(yōu)勢在于干擾因素少，結(jié)果判斷更加準(zhǔn)確，也便于進(jìn)行質(zhì)量控制：分析快速，便于及時將各種信息向臨床反饋，又可節(jié)約大量的人力物力，利于大批量樣品的測定，這是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。因此。隨著生物技術(shù)，電子計算機(jī)自動化等各項技術(shù)的同步發(fā)展的相互滲透，酶免疫分析技術(shù)的發(fā)展前景更為廣闊。5第二章 方案論證主要技術(shù)參數(shù)：1. 檢測范圍： 0-3A(405nm)；2. 精度： 讀取范圍 0-4.0A；準(zhǔn)確性 ±1%；3. 液晶顯示，聲光報警；4. 打印數(shù)據(jù)，完成與上位機(jī)通信。2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)光源濾波片微孔板板光電檢測器放大電路數(shù)模轉(zhuǎn)換主控制器89C51顯示打印鍵盤通訊模塊圖 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖酶標(biāo)儀系統(tǒng)主要包括一下幾個部分：濾波片，它是將光源所發(fā)出的復(fù)色光分成所需要的單色光，利用光電探測電機(jī)控制6器將帶有被測樣品信息的單色光的光信號變?yōu)殡娦盘?。機(jī)械操作系統(tǒng)，包括微面板，傳動機(jī)構(gòu)等。機(jī)械運(yùn)動都是采用單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動，定位。使得微面板可以順暢移動。數(shù)據(jù)的采集與傳輸，運(yùn)用光電檢測器，以及前置放大電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路可以實現(xiàn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的處理，運(yùn)算，控制顯示功能等作用。使系統(tǒng)順利的運(yùn)行。操作系統(tǒng)的工作過程如下：光電檢測器檢測到微孔板所透出的光信號，其信號送入放大器，將微弱的信號放大后再由 A/D 電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)入主控電路，由主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷分析，通過單片機(jī)控制電機(jī)來調(diào)整微孔板的移動。2.2 濾波片選擇濾波片是酶標(biāo)儀的核心部件之一。它是將光源所發(fā)出的復(fù)色光分成所需要的單色光，利用光電探測器將帶有被檢測的樣品信息的單色光的光信號變?yōu)殡娦盘柡?，求得樣品的吸光度值。通過檢測樣品對不同波長單色光的吸光度不同來確定樣品的類型及濃度。濾波片應(yīng)該將穿過樣品的復(fù)光分解為窄帶或單色光，使測量在最大吸收波長處進(jìn)行，從而提高測量靈敏度。本次設(shè)計主要采用干涉濾光片，即白光入射到干涉濾光片內(nèi)部時, 在多層介子膜上產(chǎn)生了多次反射。由于濾光片的光學(xué)玻璃基片和鍍的介子膜系的銳截止特性, 使得透射過去的光線變成了單色光。本濾波片主要技術(shù)指標(biāo)為:(1) TM為最大透射比, 是通帶透射比的峰值百分比 , 應(yīng)≥45 %;(2) Δ λ 0.5為波長半寬度, 0.5 TM處的通帶寬度, 應(yīng)≤(5 ±2.0) nm ;(3) λ M為峰值波長,TM處對應(yīng)的波長的3次方,位置誤差Δ λ M 優(yōu)于±2nm ;(4) 擴(kuò)展不確定度U=1.0nm ,k=1.65 。不將波長均勻性Δ f 當(dāng)作主要技術(shù)指標(biāo), 主要考慮的是：(1) 諸片是定植的，之間沒有必然的聯(lián)系；(2) 光片外形為長方形,且金屬架下面有圓腳,圓腳牢牢地插入被檢儀器樣品室底板的其它透光孔中,使其測試位置保持準(zhǔn)確不變,免去了對波長均勻性不好的顧慮。2.3 朗伯·比耳定律酶標(biāo)儀主要是檢測溶液的吸光度，而分子的吸光度值為波長的函數(shù)關(guān)系應(yīng)7該符合朗伯·比耳定律。朗伯·比耳定律的原理是：特定波長的單色光通過溶液，其吸收強(qiáng)度與溶液濃度和光通過的距離（即光徑）成正比。朗伯·比耳定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（2.1）(/)(1/)atALgITbc???其中：A—光通過介質(zhì)被介質(zhì)吸收的吸光度T—透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，即透光率 0/tI—入射光強(qiáng)度0I—透射光強(qiáng)度t—介質(zhì)摩爾吸光系數(shù)?c—吸收物的摩爾濃度b—吸收層厚度值得注意的是，在公式中有一個摩爾吸光系數(shù) ，它是一個與波長，溶劑?和溫度有關(guān)參數(shù)。只有在 為常數(shù)時，溶液濃度與吸光度才呈線性關(guān)系。在酶?標(biāo)檢測過程中，待測樣品是一種均勻分布的溶液，它與入射單色光的作用僅限與吸收過程，而不會發(fā)生熒光，散射和光化學(xué)現(xiàn)象，并且在吸收過程中溶液各物質(zhì)無相互作用。在應(yīng)用中光源固定，如果測得了溶液對某一單色光的吸收強(qiáng)度，根據(jù)兩者的關(guān)系就可以到溶液的濃度。2.4 光電檢測器的選擇光點(diǎn)檢測器采用光電二級管陣列探測器，光二極管陣列檢測器是一種對光子有響應(yīng)的檢測器。它是由硅片上形成的反相偏置的 p-n 結(jié)組成。反向偏置造成了一個耗盡層，使該結(jié)的傳導(dǎo)性幾乎降到了零。當(dāng)輻射照到 n 區(qū)，就可形成空穴和電子?？昭ㄍㄟ^耗盡層到達(dá) p 區(qū)而湮滅，于是電導(dǎo)增加，增加的大小與輻射功率成正比。光二極管陣列檢測器每平方毫米含有 15000 個以上的光二極管。每個二極管都與其鄰近的二極管絕緣，它們都聯(lián)結(jié)到一個共同的 n 型層上。當(dāng)光二極管陣列表面被電子束掃描時，每個 p 型柱就連接著被充電到電子束的電位，起一個充電電容器的作用。當(dāng)光子打到 n 型表面以后形成空穴，空穴向p 區(qū)移動并使沿入射輻射光路上的幾個電容器放電。然后當(dāng)電子束再次掃到它們時，又使這些電容器充電。這一充電電流隨后被放大作為信號。光二極管陣列可以制成光學(xué)多道分析器。參考設(shè)計要求，使用光二極管陣列完全可以達(dá)到設(shè)計要求。82.5 主控芯片的選擇方案一：本次設(shè)計的酶標(biāo)儀是基于單片機(jī)控制的，單片機(jī)根據(jù)輸入所采集的信號參數(shù)進(jìn)行處理，并且安排信號的處理，分析，計算，并且發(fā)出控制指令，應(yīng)用與被控對象，使整個系統(tǒng)有條不紊的運(yùn)行下去?；谶@種工作，選擇 89C51 型單片機(jī)就可以了。89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，89C2051 是它的一種精簡版本。89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。方案二：系統(tǒng)可以以 8031 單片機(jī)為中央處理單元，配以極少的外圍電路構(gòu)成了檢測器的核心控制部件。8031 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必須的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、并行 I/O 口（P0 口、P1 口、P2口、P3 口）、串行口、定時/記數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種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 單片機(jī)中有 1 個 8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。例如：位處理、查表、狀態(tài)檢測、中斷處理等。下面對個功能部件做進(jìn)一步的說明。（1）微處理器（CPU）8031 單片機(jī)中有 1 個 8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。例如：位處理、查表、狀態(tài)檢測、中斷處理等。（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片內(nèi)為 128 個字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至 64K 字節(jié)，用來存儲程序在運(yùn)行期間的工作變量，運(yùn)算的中間結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存和緩沖，標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存9儲器。（3）中斷系統(tǒng)具有 5 個中斷源，2 級中斷優(yōu)先權(quán)。（4）定時器/計數(shù)器片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。在單片機(jī)的應(yīng)用中，往往需要精確的定時，或?qū)ν獠繒r間進(jìn)行計數(shù)。為提高單片機(jī)的實時控制能力，因而需在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置定時器/計數(shù)器部件。（5）串行口1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行 I/0 口，甚至與多個單片機(jī)相連口稱多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。（6）P1 口、P2 口、P3 口、P0 口這是 4 個并行 8 位 I/O 口。（7）特殊功能寄存器（SFR）共有 21 個，用于對片內(nèi)個功能部件進(jìn)行管理控制監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。由此可見，8031 作為主控芯片也是一個不錯的選擇，但是考慮到設(shè)計要求以及精度，穩(wěn)定性，復(fù)雜問題，經(jīng)費(fèi)等方面，我最終采用 89C51 作為主控芯片。2.6 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的選擇方案一：由于檢測到的是模擬量，需要設(shè)計轉(zhuǎn)換電路，可以采用 A/D 轉(zhuǎn)換。在 A/D轉(zhuǎn)換電路中,選用由 AD 公司生產(chǎn)的 AD976A, 近年來模數(shù)轉(zhuǎn)換器制造技術(shù)發(fā)展十分迅速，低成本、新結(jié)構(gòu)、高精度和高速度的 ADC 新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。100ksPs甚至更高采樣速率的 16 位 ADC 在基于嵌入式單片機(jī)和實時數(shù)字信號處理器(DSP)的應(yīng)用中已十分常見。隨著逐次逼近式 A/D 技術(shù)的發(fā)展，A/D 在高速高精度的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用上有更出色的表現(xiàn)。采用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與 l6 位 A/D 配合使用的系統(tǒng)，其成本低于 VFC 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD976A 是 AD 公司推出的 l6 位高速、高精度A/D 轉(zhuǎn)換器，最大通過率為 10OkSPS，輸入信號范圍為-l0 一+IOV，帶寬為1．5MHz，它可以與 8 位、16 位單片機(jī)和 DSP 方便接口，使用十分方便靈活。方案二：系統(tǒng)還可以采用 V/F 變換V/F 器件的作用是將輸入電壓的幅值轉(zhuǎn)換成頻率與輸入電壓幅值成正比的10脈沖串。雖然 V/F 本身還不能算做量化器，但加上定時器與計數(shù)器以后也可以實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。它的突出特點(diǎn)就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離傳送并能直接輸入計算機(jī)的脈沖串，從而通過測量 V/F 的輸出頻率來實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換功能?？紤]到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，選用 LM331 電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片。該器件使用了溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為 50ppm／℃，同時該器件的脈沖輸出可與任何邏輯形式兼容；LM331 可單、雙電源供電，電壓范圍為 5～40V，量程范圍 1Hz～100kHz；最大非線性誤差為 0.01%基于 LM33 的壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系為：（2.2）0ifKV?其中，  ，s=R/(2.)tlC12ssR??實際上，電路中的 主要用于調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益， , ， 的典型值分S tRtCl別為 6.8k 、0.01pF 和 100k ，k 值則可由設(shè)計者自己決定。該設(shè)計中，取??k=2000， ＝ 28.424k 主要是考慮到單片機(jī)部分使用測頻率法來測 來保證s 0f頻率信號的測量精度。由于 、 、 和電容 會直接影響 的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因sRltt 0f此，對這些元件的參數(shù)有一定的要求，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接影響，但是應(yīng)選擇漏電流小的電容器。用電阻 ,lC 1R電容 組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，提高轉(zhuǎn)換精度。1工作原理:V/F 變換和F/V 變換采用集成塊LM331，LM331 是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器用。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V 電源電壓下都有極高的精度。同時它動態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz則具有有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F 或F/V 等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)前，12 位以上的A/D 轉(zhuǎn)換器的價格仍較昂貴，用V/F 變換器來代替A/D 轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運(yùn)算放大器INA101 放大到0～10V 后加到V/F 變換器LM331的輸入端，從頻率輸出端f0 輸出的頻率信號加到單片機(jī)的輸入端上。根據(jù)分辨率的要求利用軟件處理，最后得到A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法可以實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，但是過于麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以最終選擇采用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 AD976A。11第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計通過前面對酶標(biāo)儀原理和結(jié)構(gòu)的介紹我們了解到，整個系統(tǒng)的工作基本上是圍繞微面板來開展，核心工作是對微面板樣品杯中的液體的吸光度進(jìn)行測量，包括對每一個處在信號采集位置的樣品杯進(jìn)行多路模擬信號的實時采集。對系統(tǒng)的控制包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，如微面板的運(yùn)動，機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動主要是有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，采用齒輪或皮帶傳動。整個系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)和下位機(jī)組成：上位機(jī)為綜合管理級，主要實現(xiàn)顯示、記錄等功能；下位機(jī)為直接控制級，主要完成光信號檢測、實時顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。下位機(jī)選用單片機(jī)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、實時性好。本方案以 89C51 單片機(jī)為中央處理單元，配以外圍電路構(gòu)成了檢測器的核心控制部件。首先要讓被測的光信號轉(zhuǎn)換成可測的電壓信號，然后經(jīng)過放大，A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)接收的數(shù)字信號，并用單片機(jī)的定時和記數(shù)功能對單片機(jī)所接收的信號依據(jù)一定的線性關(guān)系式進(jìn)行計算，最后在單片機(jī)控制下顯示出來。3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計3.1.1 單片機(jī)概述前面我們已經(jīng)決定采用以單片機(jī)為中央處理單元的控制系統(tǒng)，現(xiàn)在讓我們了解一下單片機(jī)。單片機(jī)是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還具有外存。同時集成諸如通訊12接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroler） ，是因為它最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成復(fù)雜的而對提及要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。早期的單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90 年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用，32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。單片機(jī)比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計算機(jī)。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 1-2 部單片機(jī)。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時工作，單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計算機(jī)的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。單片機(jī)應(yīng)用在檢測、控制領(lǐng)域中有如下特點(diǎn)：● 靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。它能方便地組裝成各種智能測、控設(shè)備及各種智能儀器儀表?！? 可靠性好，適應(yīng)溫度范圍寬廣。能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境?！? 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)。單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能指令。● 可以很方便地實現(xiàn)多機(jī)和分布式控制系統(tǒng)。133.1.2 單片機(jī) 89C5189C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的 89C51 是一種高效微控制器，89C2051 是它的一種精簡版本。89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。(1) 主要特性： 與 MCS-51 兼容，4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命 100 寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間：10 年，全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz，三級程序存儲器鎖定 128*8 位，內(nèi)部RAM，32 可編程 I/O 線，兩個 16 位定時器/計數(shù)器，5 個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。圖 3.1 是 89C51 單片機(jī)的管腳圖圖 3.1 89C51 管腳圖(2) 管腳功能：VCC：供電電壓。 GND：接地。 14P0：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口可以輸出電流，這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 （外部中斷 0） 0INTP3.3 （外部中斷 1） 1P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） WRP3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） DP3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器15時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時，ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令時 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機(jī)PSEN器周期兩次 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 信PSEN號將不出現(xiàn)。 ：當(dāng) 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管A是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間為內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用E于施加 12V 編程電源（VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。(3) 振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。(4) 芯片擦除：整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。(5) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：8 位 CPU；片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；32 根 I/O 線；外部存貯器尋址范圍 ROM、RAM64K；2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器；5 個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級；全雙工串行口；布爾處理器。163.1.3 時鐘電路時鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能的運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不亂地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。(1) 內(nèi)部時鐘方式MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。除使用晶體振蕩器外，如對時鐘頻率要求不高，還可以用陶瓷振蕩器來代替。電路中的電容 C1 和 C2 典型值通常選擇為 30 微法左右。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在 1.2MHz~12MHz 之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過來運(yùn)行速度對存儲器的速度要求就高，對印刷電路板的工藝要求也高，既要求線間的寄生電容要?。痪w和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定，可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的 NPO 高頻電容。MCS-51 單片機(jī)常選擇振蕩頻率 6HMz 或 12MHz 的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的時鐘頻率也在逐步提高，現(xiàn)在的高速單片機(jī)芯片的時鐘頻率已達(dá) 40MHz。(2) 外部時鐘方式外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片 MCS-51 單片機(jī),同時工作，以便于同步。對外部脈沖信號只要求高點(diǎn)平的持續(xù)時間大于 20 微秒，一般為低于 12MHz 的方波。外部的時鐘源直接接到 XTAL2 端，直接輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。由于XTAL2 的邏輯電平不是 TTL 的，故建議外接一個 4.7K~10K 的上拉電阻。時鐘信號的輸出當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，XTAL1，XTAL2 引腳還能為應(yīng)用系統(tǒng)中的其他芯片提供時鐘，但需要增加驅(qū)動能力。時鐘電路連接方式如圖 3.2 17圖 3.2 時鐘電路圖3.1.4 復(fù)位電路(1) 復(fù)位操作復(fù)為就是使中央處理器（CPU）以及其他功能部件都恢復(fù)到一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機(jī)在開機(jī)時或在工作中因干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復(fù)位。MCS-51 單片機(jī)的復(fù)位靠外部電路實現(xiàn)，信號由 RESET（RST）引腳輸入，高電平有效。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要給 RESET 引腳加上 2 個機(jī)器周期以上的高電平信號，就可使 MCS-51 單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位的主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使 MCS-51 單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需要按復(fù)位鍵重新啟動。除 PC 之外，復(fù)位操作還對其他一些寄存器有影響，復(fù)位時，SP=0.7H；4個 I/O 端口 P0~P3 的引腳均為高電平，這在某些控制應(yīng)用中，要考慮到引腳的高電平對外部控制電路的影響。由于單片機(jī)內(nèi)部的各個功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運(yùn)行直接受程序計數(shù)器（PC）指揮。 、另外，在復(fù)位有效期間，MCS-51 單片機(jī)的 ALE 引腳和 PSEN 引腳均為高電平，且內(nèi)部 RAM 不受復(fù)位影響。(2) 復(fù)位電路MCS-51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。最簡單的上電自己動復(fù)位電18路如圖 3.3。圖 3.3 復(fù)位電路復(fù)位引腳 RST 通過一個斯密特與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機(jī)器周期的 S5P2，斯密特出發(fā)器的輸出電平有復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)時鐘頻率選用 6MHz 時，C 取 30，R取 1 千歐3.2 電機(jī)控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中，選用 TA8435H 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動來完成微面板的直線往復(fù)運(yùn)動。TA8435H是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯，TA8435H可以驅(qū)動二相步進(jìn)電機(jī)，且電路簡單，工作可靠。該芯片還具有以下特點(diǎn)：●工作電壓范圍寬（10V～40V）●輸出電流可達(dá)平均為 A，峰值可以達(dá)到 A；1.52.5●具有整步、半步、 細(xì)分、 細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇；/4/8●采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式；●具有正／反轉(zhuǎn)控制功能；●帶有復(fù)位和使能引腳；　●可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入；19TA8435H引腳功能：TA8435H采用ZIP-25封裝形式，圖3.4其引腳排列圖。各引腳功能如下：腳1（S-GND）：信號地；腳2（RESET）：復(fù)位端，低電平有效，當(dāng)該端有效時，電路復(fù)位到起始狀態(tài)，此時在任何激勵方式下，輸出各相都置于它們的原點(diǎn)；腳3（ENABLE）：使能端，低電平有效；當(dāng)該端為高電平時電路處于維持狀態(tài)，此時各相輸出被強(qiáng)制關(guān)閉；腳4（OSC）：該腳外接電容的典型值可決定芯片內(nèi)部驅(qū)動級的斬波頻率（15KHZ～80KHZ），計算公式為：FOSC＝ 1/5.15×COSC （3.1）式中，COSC的單位為μＦ,　FOSC的單位為KHz腳5（CW/CCW）：正、反轉(zhuǎn)控制引腳；腳6、7（CK2、CK1）：時鐘輸入端，可選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，最大時鐘輸入頻率為5KHz;腳8,9（M1、M2）：選擇激勵方式，OO表示步進(jìn)電機(jī)工作在整步方式，10為半步方式，01為1/4細(xì)分方式，11為1/8細(xì)分方式；腳10（REFIN）：VNF輸入控制，接高電平時VNF為0.8V，接低電平時VNF為0.5V；腳11（MO）：輸出監(jiān)視，用于監(jiān)視輸出電流峰值位置；腳13（VCC）：邏輯電路供電引腳，一般為5V;腳15、24（VMB、VMA）：B相和A相的負(fù)載電壓；腳16、19（ B、B）：B相輸出引腳；腳17、22（PG-B、PG-A）：B相和A相負(fù)載地；腳18、21（NFB、NFA）：B相和A相電流檢測端，由該引接電阻和REF－IN引腳控制的輸出電流為：IO＝VNF／RNF腳 20、23（ A.A）：Ａ相輸出引腳。20圖 3.4 TA8435H 管腳圖電路用一片TA8435H來驅(qū)動電機(jī)，輸入信號有使能控制、正反轉(zhuǎn)控制和時鐘輸入，通過光耦可將驅(qū)動器與輸入級進(jìn)行電隔離，以起到邏輯電平隔離和保護(hù)作用；該電路工作在1/8細(xì)分模式（M1、M1接高電平），可減小低速時的振動，R8和C1組成復(fù)位電路，D1～D4快恢復(fù)二極管可用來泄放繞組電流，由于REFIN引腳接高電平，因此VNF為0．8V，輸出級斬波電流為VNF/RNF＝O．8/0．8＝1A，選用不同的電機(jī)時，應(yīng)根據(jù)其電流大小選擇合適的R13和R14。電機(jī)的連接電路如圖3.5圖3.5 電機(jī)的連接電路設(shè)計采用外部定時／計數(shù)器82C53來給TA8435H提供步進(jìn)脈沖。82C53是可編程計數(shù)器，其引腳排列如圖3.6@nt