单片机的智能液位控制系统硬件设计—本科毕业设计（论文） .doc

中国民航大学本科生毕业设计（论文）Civil Aviation University of China毕 业 设 计(论文)专 业： 飞行器动力工程 学 号： 080100001 学生姓名： xxx 所属学院： 航空工程学院 中国民航大学本科生毕业设计(论文)基于单片机的智能液位控制系统硬件设计 Hardware Design of Intelligent Liquid Level Control System Based on Single-chip创见性声明本人声明：所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果，论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果，均加以特别标注并在此表示致谢。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。毕业论文作者签名： 签字日期： 年 月 日本科毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计（论文）的规定。特授权中国民航大学可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘。（保密的毕业论文在解密后适用本授权说明）毕业论文作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日24摘 要针对人工监控输液过程中存在的不安全隐患，本设计采用了智能控制输液过程和监控方案，从而提高输液过程的安全性。本设计通过光电传感器接收输液液滴信号，经单片机处理，计算并显示液滴速度、输液结束剩余时间等相关信息，并在输液结束前发出声光警报。另外本系统还增加了无线传输模块、电池电压监测和室内温度测量等功能,并通过遥控键盘输入床位号和药液体积等功能。系统硬件采用：对射式光电传感器、Freescale 8位MC9S08GT60单片机、两片LCM046数显型4位液晶显示模块等相关硬件，利用C语言程序进行设计。实验结果表明：该系统的可靠性高，具有一定的实用价值。关键词： 输液报警 对射式光电传感器 Freescale单片机 ABSTRACTFor artificial monitoring transfusion process exist some safety loopholes and not a security system, this design uses the program of intelligent control infusion and monitoring to improving the infusion process more security. This design through sensor receive the droplet signal, microcomputer calculates and displays the drop speed, infusion over remaining time and other related information, and before the end of the transfusion, the alarm system issues sound and light alerts. The system also adds wireless transfer module, battery voltage monitoring and indoor temperature measurement features, and the number of beds and liquid volume keyboard input. The hardware used in this design : The sensor adopts barrier photoelectric sensors, the microcomputer adopts Freescale 8-bit MC9S08GT60 microcontroller, display unit adopts two LCM046 4-bit Digital liquid crystal display module. The procedure using C language program design. Experimental results show that the system has high reliability, has certain practical value.Key words: photoelectric sensors; Freescale microcomputer 目 录引 言1第一章 系统设计意义及方案31.1 设立课题目的和意义31.2设计方案3第二章 单片机原理及其应用42.1 飞思卡尔8位单片机介绍及单片机选型42.1.1飞思卡尔单片机简介42.1.2 飞思卡尔8位单片机选择42.2 初识MC9S08GT6052.2.1 MC9S08GT60 单片机的引脚52.2.2 MC9S08GT60性能72.3 MC9S08GT60功能介绍及内存组织结构72.3.1 MC9S08GT60的功能模块72.3.2 MC9S08GT60 单片机存储器组织8第三章 硬件设计93.1 单片机整体设计规划93.2 硬件设计框图93.3 电源模块设计及电源电压检测113.4 单片机最小系统123.5 对射式光电传感器133.5.1对射式光电传感器简介133.5.2 传感器安装位置模型143.5.3 二阶有源低通滤波163.6 键盘输入模块183.7 单片机遥控系统设计183.8 声光警报系统193.9显示模块203.9.1 液晶显示模块简介及数显液晶显示模块203.9.2 LCM046与单片机的接口电路203.9.3 SMC1602A与单片机的接口电路213.9温度传感器223.9.1 DS18B20特点223.9.2 DS18B20引脚及管脚功能介绍及电路连接22第四章 系统软件调试234.1 系统调试工具的简介234.2 单片机时钟发生模块和正常工作监测模块234.2.1 HCS08的内部时钟发生模块234.2.2 看门狗COP244.2.3低电压监测系统LVD及ADC模块下的电源电压检测244.3 单片机编程及系统程序流程244.3.1系统整体程序流程244.3.2中断系统244.3.3报警程序流程284.3.4 单片机遥控系统软件设计294.3.4液晶显示和温度传感器程序设计30结论35参考文献36致 谢37附录 A ：程序清单38附录 B ：外文翻译资料62附录 C ：实物图片77引 言第一章 系统设计意义及方案1.1 设立课题目的和意义1.2设计方案第二章 单片机原理及其应用2.1 飞思卡尔8位单片机介绍及单片机选型2.1.1飞思卡尔单片机简介 飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor）是全球领先的半导体公司，为规模庞大、增长迅速的市场提供嵌入式处理产品和连接产品。飞思卡尔领创互联与智能的世界。目前，全球使用的飞思卡尔半导体器件已超过170亿1。它几乎无处不在：汽车、计算机网络、通信设施、办公建筑、工厂、工业设备、工具、手机、家用电器和计算机产品，广泛涉及人们生活的各个方面。他们还为客户提供广泛多样的辅助设备，连接各种产品、网络和真实世界的信号。这些产品包括传感器、射频半导体、功率管以及其他模拟和混合信号集成电路。 2.1.2 飞思卡尔8位单片机选择 飞思卡尔8位单片机系列主要包括HC08、RS08、HCS08系列三种。 （1） HC08系列8位单片机 为客户提供完整系列的8位微控制器，具有1.5-4KB第二代0.5um闪存（Flash Memory）及128B RAM，支持C编译器、汇编器、连接器及所有QT/QY/MCU的调试器，具有片上外设用自动代码生成器和全芯片仿真和闪存编程。 （2） RS08系列8位单片机RS08内核是非常流行的S08中央处理器（CPU）的精简版，它精心为16KB以下的闪存和引脚数较少的设备而设计。由于RS08内核的尺寸比S08小30%，它提高简单机电设备的效率且大大降低成本。 （3） HCS08系列8位单片机飞思卡尔半导体部推出的HCS08系列是8位MCU，其工作电压为1.8V。HCS08系列的性能与许多16位MCU相当，但功耗很低。其应用包括手持仪器、通用仪表、安全系统和其他便携式和无线工业与消费类设备。通过对上面各系列8位单片机的特点的认识2，考虑到通用性和功能实现，选择HCS08系列单片机更为合适。HCS08系列单片机的主要特点： （1）多种电压管理模式，包括具有20nA的Power-down(降耗)模式； （2）采用“零元件”设计，实现MCU从“stop”模式的自动激活，从而降低了成本，也使电流降低到0.7mA； （3）工作电压为2.1V时，CPU速率和总线速率最高分别可达到40MHz和20MHz，工作电压为1.8V时，CPU速率和总线速率最高分别可达到16MHz和8MHz； （4）通过第三代0.25um的闪存技术，提供应用程序的重复编写和数据存储能力； （5）4个串行通信端口，最多8个定时器/PWM，1个8通道的10位A/D转换器。 HCS08系列的MC9S08 Family单片机是Freescale公司新推出的高性价比、高集成度的8位单片机。以S08CPU为核心的MC9S08 Family单片机目前主要有4个系列：AW系列、G系列、Q系列和R系列。AW和G系列为通用型系列，Q系列为小封装、低引脚系列，R系列为低电压系列。 本系统选择G系列通用型单片机。MC9S08G系列单片机的型号和特性如表1所示。表2-1 MC9S08G系列单片机功能比较 型号Flash/KBRAM/KB定时器I/O串口A/D电源电压/V最高总线频率/MHz引脚数注释GB606048路16位IC,OC或PWM562路SCI，1路SPI,IIC8路10位1.8-3.62064BDMGB32322GT6060436424448GT32322GT16142综合上述各系列单片机的特点，结合本系统设计所要实现的功能，型号GT60 44引脚为最宜选择。 2.2 初识MC9S08GT602.2.1 MC9S08GT60 单片机的引脚MC9S08GT60具有8路键盘中断、8路A/D转换、2路SCI异步串行通信、1路SPI同步外设通信、1路IIC通信、4路可编程定时器TPM接口；同时能够配置时钟，具有外部复位、中断功能，支持BDM同时方式，总共可以提供36个I/O口。如图401t01所示。引脚具体定义见表2-2所示。表 2-2 MC9S08GT60 单片机的引脚定义默认功能功能复用功能说明PTA7-PTA0KBI1P7-KBI1P0并行I/O端口/键盘中断输入PTB7-PTB0AD1P7-AD1P0并行I/O端口/A/D转换输入PTC6-PTC4/并行I/O端口PTC3-PTC2SCL1-SDA1并行I/O端口/IIC通信接口PTC1-PTC0RxD2-TxD2并行I/O端口/SCI通信接口2PTD4-PTD3TPM2CH1-TPM2CH0并行I/O端口/TPM模块接口2PTD1-PTD0TPM1CH1-TPM1CH0并行I/O端口/TPM模块接口1PTE5SPSCK1并行I/O端口/SPI通信接口PTE4MISO1PTE3MOSI1PTE2SS1PTE1-PTE0RxD1-TxD1并行I/O端口/SCI通信接口1PTG2-PTG1EXTAL-XTAL并行I/O端口/时钟基准模块接口PTG0BKGD/MS并行I/O端口/BDM调试接口RESET复位信号输入IRQIRQ中断输入VDD-VSS电源输入（除A/D模块以外）VDDAD-VSSADA/D模块电源输入VREFL-VREFHA/D转换基准电压输入图 2-1 MC9S08GT60 单片机的引脚2.2.2 MC9S08GT60性能MC9S08GT60具有以下基本性能：（1）采用HCS08CPU内核：（2）丰富的中断源；（3）具有良好的系统保护特性，内置看门狗、低压检测和错码检测；（4）内置60 KB Flash存储器，4 KB RAM；（5）10位A/D转换精度，多种时钟源支持；（6）16位TPM模块，支持输入捕捉、输出比较、脉宽调制；（7）可通过寄存器配置I/O端口上拉电阻。2.3 MC9S08GT60功能介绍及内存组织结构2.3.1 MC9S08GT60的功能模块（1）HCS08 CPU中央处理单元。（2）存储器。MC9S08GT60可寻址64KB地址空间。（3）并行I/O接口。MC9S08GT60所有I/O口都可以当做通用I/O口使用， 可通过控制寄存器设置为输出口或输入口。（4）定时器/PWM调制（TPM）模块。MC9S08GT60的两个定时器模块为系统提供定时功能，同样也可以用作输入捕捉或输出比较。TPM1和TPM2具有定时器溢出、输入捕捉、输出比较和脉宽调制PWM功能。（5）内部实时时钟中断RTI。RTI可产生周期性中断。通过SRTISC中的各个控制位，可以选择使用内部时钟或是外部晶振做时钟源，并可以设置8种分频因子。（6）系统操作正常监视模块COP（Computer Operating Proterly）。COP俗称“看门狗”电路，其功能是在单片机工作不正常时，产生一个复位信号。（7）异步串行通信接口SCI（Serial Communication Interface）。SCI用于实现RS-232、RS-485等异步串行通信协议，最主要的是用于其他计算机的数据传输。 （8）同步串行外围接口SPI（Serial Peripheral Interface）。MC9S08GT60的SPI功能有分开的接收与发送中断，并有灵活的I/O脚控制。BDC（BDM Control）模块。用于与BDM调试器进行通信。 （9）片内调试模块DBG（Debug Module）。通过两个比较器可以实现各种条件下的调试功能。在BDM方式下，将产生一个硬件断点，并进入 active BDM方式。 （10）键盘中断模块KBI。MC9S08GT60的KBI通过PORTA的8个引脚实现独立、可屏蔽的外部中断。它们既可作为键盘中断，又可以作为普通的中断源，这就大大增加了外中断源的个数。 （11）A/D转换器。MC9S08GT60具有8路A/D，可以通过控制寄存选择转换精度。MC9S08GT60中的ADC模块采用的工作原理是逐次逼近型。 （12）I2C模块。 （15）内部时钟发生模块ICG及锁频环电路。（16）低电压监测模块LVD。LVD可以监测加在VDD上的供电电压，并在VDD低于某个预定电压值是，认为发生电源故障，产生中断信号并强制系统复位。2.3.2 MC9S08GT60 单片机存储器组织HC9S08单片机的存储器结构为普林斯顿结构，即CPU访问存储器时，一个地址对应唯一的存储器单元，可以是RAM也可以是ROM，并同类访问指令，采用将I/O寄存器和各类寄存器统一编址的方法来组织存储器空间。因为CPU对从$0000开始到$00FF的256字节可使用直接寻址方式，指令短，速度快，一些快速I/O操作指令如RSET、BCLR、BRSET和BRCLR只能使用直接寻址方式，所以I/O寄存器设在$0000-$007F这一区域，然后紧接着的是$0080-$107F的4KB RAM空间。其中$0080-$00FF这一段仍是直接寻址空间，这128字节的RAM可以按照CPU内部寄存器的模式进行操作。应用程序中最常用的一些全局变量应尽量放在这一段。第三章 硬件设计3.1 单片机整体设计规划 选型确认后，在设计之前，应该对整个系统做出一个大致的规划。 （1）需求分析：要利用单片机设计出什么样的系统？单片机基本系统需要实现以下功能：首先单片机上电后要能正常工作；其次要提供通信接口与PC机实现交互；还要提供丰富的调试接口。（2）电源设计：查看MC9S08GT60芯片手册，确定该款单片机为3.3V供电。可以采用5V的稳压电源加电源转换器件的方案，配置一片ASM11117-3.3的稳压芯片，实现5V到3.3V的转换。（3）单片机时钟电路设计：这一步需要紧密结合芯片手册来设计。对于大部分单片机而言，单片工作一般只需要配置好时钟电路、复位电路即可。（4）调试手段：如何写入、擦除单片机Flash中的程序？Freescale公司的S系列单片机都支持BDM在线调试；同时，监控程序仍不失为一种廉价而高效的调试手段，因此，基本系统需要同时配置BDM监控和监控程序用的串口通信电路。（5）通信设计：采用什么监控与PC机通信？传统的做法是通过单片机的SCI口与PC机的RS-232C异步串行口通信，一片MAX3232就能实现单片机与计算机串口之间的串行通信。也可以使用无线传输系统实现单片机与PC机之间的数据通信。 （6）设计综合：把各部分放到一个系统里使成为一个整体，完成基本系统设计。3.2 硬件设计框图 一个完整的检测系统应包括传感器、中央处理部分、执行部分以及电源部分。从系统实现的功能目的出发，本系统设计应包括以下几个模块。MC9S08GT60单片机在本设计中的引脚使用情况如表3-1所示。系统的总体结构如图3-1所示。（1）电源模块：电源输入可以是220V交流电或两节7号1.5V干电池，提供3.3V和5V电压；（2）对射光电传感器：用于采集液滴信息，并将产生脉冲信号传输至单片机；（3）键盘输入电路部分：在开启整个系统工作前，需要将床位号和药液总体积通过键盘输入系统，之后系统才能正确运行；（4）警报系统模块：主要由流水灯和蜂鸣器组成的灯光警报和声音警报；（5）显示模块：由两片LCM046数字型4位液晶显示模块组成，其中第一片显示输液剩余时间和所剩液体体积，第二片可以显示液滴速度和室内温度（）；（6）温度传感器：用于检测室内温度；图 3-1系统硬件设计框图表 3-1 MC9S08GT60单片机在本设计中的引脚使用情况默认功能功能状态系统功能PTA7-PTA0KBI1P7-KBI1P0键盘中断输入/SMC1602A数据线PTB7-PTB4并行I/O输出LCM046控制线PTB3、PTB2并行I/O输出蜂鸣器控制线PTB1并行I/O输出输入温度传感器DS18B60数据传输线PTB0A/D转换输入电池电压检测PTC2-PTC0并行I/O输出LED流水灯/SMC1602A控制线PTC3并行I/O输出输入捕捉检测灯PTD4-PTD3TPM2CH1-TPM2CH0并行I/O端口/TPM模块接口2PTC5并行I/O输入遥控系统接收器信号接受端口PTC6并行I/O输出遥控系统发射器信号产生端口PTD1Input Capture输入捕捉功能PTD3PWM遥控系统发射器载波发生端口PTE5SPSCK1无线模块 SPI通信接口PTE4MISO1PTE3MOSI1PTE2SS1PTE1并行I/O端口PTG2-PTG1EXTAL-XTAL时钟基准模块接口PTG0BKGD/MSBDM调试接口RESET复位信号输入IRQIRQ中断输入VDD-VSS电源输入（除A/D模块以外）VDDAD-VSSADA/D模块电源输入VREFL-VREFHA/D转换基准电压输入（7）电源电压检测模块：当系统采用干电池供电时，该模块可以将电池当前的电压值测量出来；（8）无线传输模块：将床位号、液滴速度等参数值传输给上位机部分。3.3 电源模块设计及电源电压检测整个系统正常工作需要3.3V和5V的电源，3.3V电源用于为单片机、对射光电传感器、红外发射管、液晶显示模块LCM046和蜂鸣器等模块供电，5V电源用于为MSC1602A、DS18B20、MC74HC138、LM234N和SN74LS00N供电和红外一体化接受头供电。 系统的5V电压由两路组成，一路是220V交流电经整流滤波器后直接得到，如图3-2（a）所示；另一路由两节干电池串联后经MC34063升压至5V得到，如图3-2（c）所示。3.3V电压则由5V电压通过ASM1117-3.3稳压得到，如图3-2(b)所示。MC9S08GT60单片机的指定工作电压范围从3.6 V 到低至1.8V。低于2.08V 运行时，最大总线速度应降至8 MHz 或更低。MC9S08GT60单片机采用内部稳压器提供一个大约2.4V 的内部电源，给CPU 和大多数外围设备供电。当VDD 下降到低于2.4 V 时，稳压器被旁路；当VDD 上升到高于2.4 V 时，此稳压器可以防止运行电流的大幅上升。 （a） (b)(c)图3-2 系统电源电路设计当遇到特殊情况，如医院停电或其它情况导致无法用220V电源供电，系统可以通过干电池升压供电继续工作。这时就要考虑一个问题，那就是电池此时是否有充足的电量供系统工作。电路连接如图3-3所示。图 3-3 电源电压检测电路设计3.4 单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最简单的电路组成的单片机可以工作的系统，即实现两个功能：一是让单片机正常工作；二是具备基本的人机交互能力，即满足系统调试开发要求。为具备基本的人机交互能力，必须设计复位电路和程序下载调试电路。（1） 电源电路设计 在MC9S08GT60中，VDD和VSS是MCU中首要的供电引脚，此电压源供给所有输入/输出缓冲电路、ACMP和ADC模块，其中ADC模块的VDDAD电压必须同VDD相同。芯片正常工作的供电电压最大为3.6V，最小电压为1.8V。值得注意的是，若要完成正常的人机交互，最低电压为3.3V，否则程序无法下载。电路中用到的电容，主要是为旁路数字电路信号的电流变化和消除运行时产生的高频噪声。这样可增强系统抗干扰能力，提高系统稳定性。（2） 时钟电路设计MC9S08GT60有4种时钟模式：自时钟模式（SCM）、使用锁频环的内时钟模式（FEI）、禁用锁频环的外时钟模式（FBE）和使用锁频环的外时钟模式（FEE）。MC9S08GT60复位后默认时钟设置为自时钟模式，这样即使没有外部时钟电路，或者外部时钟电路不工作， CPU也能工作，大大提高了单片机的可靠性。 （3） 外部复位电路设计 设计复位电路时应注意从技术手册获知芯片所要求的复位脉冲宽度（持续时间）来选择电路元件参数。MC9S08系列芯片要求复位脉宽最小为100ns。基于此设计外部复位电路。典型的外部复位电路可以是按钮加阻容复位电路。其中，外部复位引脚RESET是由低电平复位的。（4） 下载调试电路设计 后台调试模式（BDM）是一种新的调试方式，其基本思想是芯片内部集成了一个BDM模块，通过专用内部连线访问单片机的内部资源。该模块以单线方式与外界通信，并接受外部命令执行相应命令，实现程序的下载、调试。BDM模式可实现真正的动态调试，这是因为其调试过程不是在片内CPU上运行的。综合上述，最小系统原理图如图3-4所示。图 3-4 MC9S08GT60最小系统原理图3.5 对射式光电传感器3.5.1对射式光电传感器简介光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 对射式光电传感器分发射和接收两部分，由于光的发散性，发射部分发射出去的红外光束并不是一条直线，而是呈发散状的，在距离发射部分较远处可能光斑就变得比较大，所以用对射式光电传感器捕捉液滴同样精度很高。对射式光电传感器的电路图如图 3-5所示。光电传感器的接收管电阻大小与接收到的光束强弱有关。光束越弱，电阻越大，信号输出端的电压越大。当接收管和发射管之间没有液滴时，接收管的电阻近乎为零，信号电压为VDD;当接收管和发射管之间有液滴时，接收管电阻增加，信号电压减小。这样传感器每检测到一滴液滴时，就会产生一个脉冲信号，两次脉冲信号的时间间隔就是两次液滴之间的时间。 图 3-5 对射式光电传感器3.5.2 传感器安装位置模型传感器安装位置的不同，对液滴检测的效果会产生很大的影响。所以，建立传感器光学几何模型，计算出传感器最佳安装位置是十分必要的。（1）模型假设。该模型假设液滴在经过传感器时其形状为：正视为椭圆，俯视为圆形；且整个过程保持不变。由发射管发出的红外光被下落的液滴折射与反射，反射光为损失光，在这里不加以分析。模型将从俯视图和正视图两个方面分析，当这两种分析中有一种检测液滴失败，就认为此安装位置方案不可行。（2）模型建立。传感器安装位置主要可分为两种方式，如图 3-6 所示，一种是正中安置（A方式），一种是偏移安置（B方式）。对两种情况分别进行讨论。图3-6 传感器安装方式 A方式。从俯视图中可以看出，水滴的中心线和折射光束仍然位于同一直线上，因此无论有没有水滴对发射光进行折射作用，接收管都可以接收到发射光而导通，也就是说水滴对发射管与接收管没有影响。因此检测失败。从正视图中分析，液滴与传感器的相对位置先后经过图3-7中的a、b、c三个位置。在a位置时，从入射光 I 、II、III经过水滴折射后如图与折射光 I 、II、III的对应关系得出，位置a时传感器截止，位置b时传感器导通，位置c时传感器导通。因此，一滴液滴下落的过程中传感器经历了截止导通截止的变化过程，单片机的定时器计数两次。图3-7 A方式俯视图和正视图光学几何分析B方式。从俯视图中分析，发射光束发出的光线经过液滴折射后的折射光束，可以看出折射光线避开了接收管的范围，因此发射的红外光经过液滴的折射作用以后，接收管不能接收到发射管的光而截止，液滴下落的前后使接收管的状态发生了变化，因此检测有效。如图3-8所示。图3-8 B方式俯视图和正视图光学几何分析从正视图中分析，情况同A方式的正视图情况相同，同样一滴液滴下落的过程中传感器经历了截止导通截止的变化过程，单片机的定时器计数两次。只要通过程序设计，可以实现液滴检测。通过上述分析，A方式检测失败，所以选择B方式安装传感器。（3） 模型改进。上述分析并选择了安装方式，下面计算偏移距离。 图 3-9 液滴折射模型从图中得几何关系： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）解得 （3-5）（4）结论。通过上述模型的建立与分析，传感器安装方式采用B方式；设R=5mm，L=8mm，可近似算出H+h约为1mm左右，即传感器安装的偏移量为1mm左右。3.5.3 二阶有源低通滤波为了提高传感器的准确性和抗干扰性，在对传感器的信号处理中采用了带反馈的二阶有源低通滤波器先对传感器信号进行低通滤波，再利用电压比较器对经过滤波的信号进行放大整形，以进一步提高其抗干扰性。传感器及信号处理电路如图3-10所示。图 3-10 二阶有源低通滤波电路原理图 根据电路原理图，可得到如下关系式： (5-1) (5-2) （5-3） （5-4）联立上述方程，解得 （5-5）其中, ，为特征频率。，Q为品质因数，Q越大，1Q越小，在，时，最大。当Q=1时，在的情况下，即保持了通频带的增益。当时频特性的下降斜率为-40Db/10倍频，幅度衰减很快，具有较好的滤波效果。取，取R=640k。经过实验证明，经该滤波电路的信号能有效的滤除高频噪声，对正确检测液滴起到了有效的作用。3.6 键盘输入模块 在启动系统检测工作之前，需要向系统内输入一些必要的信息，如床位号和药液总体积，以方便医护人员监控。另外，医护人员如果想要了解其它信息，如室内温度或所剩药液体积，也可以通过键盘选择液晶显示模块显示的内容。键盘输入电路的8个导线分别连接单片机的PTA并行I/O口，该I/O口具有键盘中断功能。电路图如图 3-11 所示。接通电源后，医护人员的第一个操作是输入床位号和药液总体积，具体步骤如下：图 3-11 键盘电路设计 （1）接通电源后，按一下侧边的复位按键； （2）输入“A”，提示系统接下来输入的数据表示的是床位号，接着输入床位号；（3）当床位号输入完毕后，输入“D”，表示床位号输入完毕；（4）输入“B”，提示系统接下来输入的数据为药液总体积，输入药液总体积； （5）当药液体积输入完后，输入“D”，表示药液总体积已输入完毕；（6）如果数据需要修正时，输入“C”，数据会被清零，然后重新输入数据既可；（7）当所有相关信息输入完毕后，输入“F”,系统就可以进入主程序，开始检测液位了。键盘输入还需要考虑采取消抖处理。按键按下时并不是理想的高低电平变化，而是带有抖动的。如果不采取消抖处理，会出现键盘“灵敏度过高”的现象。设计采用软件实现消抖。3.7 单片机遥控系统设计本系统采用单片机进行遥控系统的应用设计，具有编程灵活、操作码个数可随意定义等优点。这样，床位号和药液体积可以通过遥控系统输入而不影响系统的安装位置，同时也能实现病人求助医护人员的功能。遥控发射器电路设计如图3-12所示。遥控器信息码由MC9S08GT60单片机产生38.5KHz的红外线载波信号，经过晶体管9013放大，由红外线发射管发送。调节R1的大小能够改变发射距离。图 3-12 遥控发射器电路设计遥控接收器电路设计如图3-13所示。接受器核心是一个红外一体化接受头，其功能是对接受到的38.5KHz的信号进行检波，得到信息方波。图 3-13 遥控接收器电路设计3.8 声光警报系统声光警报系统由声音警报和灯光警报两部分组成，其中声音警报是通过对LCM046的贴片蜂鸣器编写程序控制，灯光警报由8个LED组成的流水灯组成。为了节约I/O口，流水灯电路中使用了MC74HC138译码器，这样只需要4个I/O口PTC0-PTC2就可以控制8个LED的亮灭状态了。电路图如图3-14所示。图 3-14 警报灯电路设计3.9显示模块3.9.1 液晶显示模块简介及数显液晶显示模块 液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、背光源、结构件装配在一起的组件，名称叫“LCD Module”，简称“LCM”，一般称为“液晶显示模块”。 在信息显示技术中，液晶显示器件与其他类型的显示器相比较有如下优点：（1）平面型显示，体积小，重量轻，便于携带；（2）驱动电压低，功耗小,工作寿命长；（3）被动显示，不易被强光冲刷，外界光越强则显示越清晰；（4）易于驱动，能用大规模集成电路直接驱动。液晶显示模块有数显液晶显示模块、点阵字符型液晶显示模块和点阵图形液晶显示模块。本系统根据不同需要，采用数显液晶显示模块LCM046和点阵字符型液晶显示模块SMC1602A实现显示功能，前者便于携带，后者的信息显示更完善。3.9.2 LCM046与单片机的接口电路LCM046共有10个引脚，其引脚功能如表3-1所示。LCM046 与单片机的接口很简单, 图3-15是其接口电路。其中可变电阻主要用于调整显示“亮度”， /CS、/WR、DA与MCU的普通I/O口连接即可。VDD接5V，通过滑阻VLCD一般为3.3V。若VDD为3.3V，则VDD可与VLCD短接。两片LCM046的电路连接：两片LCM046的/WR、DA、BZ、/BZ相连，/CS则分别连接不同的PTB口。单片机传给两片LCM046的命令和数据是相同的，这些命令和数据带有一个标识参数，LCM046是通过分辨这个标识参数和/CS来选择和显示内容的。表 3-1 LCM046 管脚说明PinSymbolDescription1/CSChip selection片选2/RDRead data读数据3/WRWrite data写数据4DATAData bus数据总线5GNDGND