药品冷藏箱自动控制系统设计说明书v10

11绪论1.1背景生物贮存设备是生命科学等领域必备的重要基础设备。医用药品冷藏箱是一种用于医疗行业冷藏血液，也可用于冷藏药品、试剂、疫苗、生物制品的重要设备。血液专用药品冷藏箱是各类医院的设备，它决定了人们所需要的血液、疫苗等生物药剂的品质，血液的质量直接关系到病人的生命安全，因此这种医用药品冷藏箱的温控器要求具有高控制精度、高可靠性，并应具有必要的报警、抗干扰措施和实时记录温度的措施。目前，越来越多的医院血库药品冷藏箱温度控制系统采用计算机进行温度检测，实施温度控制与管理，这样不仅提高医疗水平，更加速了医用设备的智能化，稳定性。杭州翔泰电器有限公司根据以上背景，独立研发出来的药品冷藏箱自动控制系统具有高性能，安全，快捷的系统。1.3实现的功能“药品冷藏箱自动控制系统”是杭州翔泰电器有限公司采用AT89C51单片机开发板模拟药品冷藏箱工作环境，并模拟设定药品冷藏箱各项参数，以研究药品冷藏箱温控器的工作原理及设计。研究的内容主要包括以下方面：（1）液晶显示的工作原理，并通过液晶将各项数据显示在药品冷藏箱外；（2）温度控制器原理，制冷原理，自动控制药品冷藏箱工作使其通过制冷达到所设定的温度；（3）智能检测药品冷藏箱工作电压是否正常，避免压缩机烧坏；（4）继电器工作原理，模拟对压缩机的通/断电操作；（5）单片机C程序编程语言。它所实现的功能和要求为：（1）系统采用单片机控制，控制对象为法国泰康公司的SZ1340D型压缩机，功率115W，启动绕组16.5Ω，运行绕组16.5Ω；（2）分别对冷冻室，冷藏室作不同的温度调节；（3）能实现参数显示和在线参数修改；（4）系统故障时能进行声光报警和显示；（5）多种抗干扰措施保证温度稳定性。22系统总体设计2.1系统技术指标通过液晶显示所设定的温度，温度能随意调节，能自动控制药品冷藏箱工作，使其通过制冷达到所设定的温度。冷冻室温度可以在-15℃～-3℃范围内对多个点进行精度为0.5℃的温度测试量，冷藏室温度可以在4℃～6℃范围内对多个点进行精度为0.1℃的温度测量。2.2系统总体设计基于AT89C51单片机的医用特种药品冷藏箱温度控制系统具有以下功能：可以方便的设置血液、疫苗等生物药剂所需温度；箱内温度显示；药品冷藏箱有自动复位功能；温度数据存储功能；制冷控制功能；报警提示功能；抗干扰措施和实时记录温度的措施；电源。根据以上分析，此单片机温度控制系统可以分解为以下八个模块：温度采样信号输人模块；温度显示和键盘设置模块；温度过限报警模块；温度打印模块；复位电路模块；看门狗抗干扰保护模块以及制冷控制模块；电源提供模块。基于AT89C51单片机的医用特种药品冷藏箱温度控制系统原理框图如图所示。图2-1药品冷藏箱自动控制系统工作原理：药品冷藏箱的主要问题就是恒定的保持所需低温和温度测量，以及温度反馈后的调整控制。任何控制系统都很难做到真正的恒温保持，温度总是围绕预设值不停的震荡。3我们要做的就是努力减小震荡幅度，在测量精确，控制简单的基础上再降低功耗，提高制冷。最基本的方法是多次采样箱内温度，将采样温度与用户设置的温度进行比较，得到偏差；偏差超过限定范围上限或采样温度高于预设上限值就加强或打开制冷，反之就减弱或关闭制冷。由于制冷器件的物理惯性，箱内温度每次等于预设温度后，都会发生较大的过冲。从控制领域考虑，这是因为反馈信息只有被控量的当前值，不能反映被控量的变化趋势。我们采用了PID控制方法，用被控量的当前值和一阶导数作反馈信息，利用单片机软件实现调整控制。若温度超过限定范围，报警电路会报警，系统会自行启动制冷，看门狗负责保护整个系统，超过限定工作周期或监测到低电压，将使系统自动复位，直到恢复到正常工作状态。医用药品冷藏箱要求的温度稳定性较高，一般生物贮存温度控制在4℃～6℃。冷冻室，温度可以在-15℃～-3℃范围内对多个点进行精度为0.5℃的温度测量，冷藏室温度可以在4℃～6℃范围内对多个点进行精度为0.1℃的温度测量。43系统的硬件设计3.1主控器的选择为了充分考虑性价比，选用价格低、稳定的元器件，我们选择了AT89C51作为我们的主控器。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，可兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C51单片机可应用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[1-3]。图3-1AT89C51引脚图主要性能参数：（1）与MCS--51产品指令系统完全兼容；（2）4k字节可重擦写Flash闪速存储器；（3）1000次擦写周期；（4）全静态操作：0Hz~24MHz；（5）三级加密程序存储器；（6）128×8字节内部RAM；（7）32个可编程I/O口线；（8）2个16位定时/计数器；5（9）6个中断源；（10）可编程串行UART通道；（11）低功耗空闲和掉电模式。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51内部结构如图3-2所示。图3-2AT89C51内部结构图引脚功能说明：VCC：电源电压；GND：地；P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址数据总线复用口。作为输出6口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。Pl口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl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（I）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。P2口：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（I）。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@R指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR)区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：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“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。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。RST：复位输入。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。ALE/ROG：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。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：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ALE才会被激活。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无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H--FFFFH)，7EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF、10pF，而如使用陶瓷，由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD(PCON.l)和IDL(PCON.0)位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种：其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL(PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是：当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，8在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将