基于STC12C5A32S2同視機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

李會杰，　李俊廷*，　任超越

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春　130012;2.長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

0　引　言

同視機(jī)又名大型弱視鏡或斜視鏡，是從Worth弱視鏡演變過來的。同視機(jī)的主要功能是對雙眼功能的檢查，以及與視網(wǎng)膜相對應(yīng)的斜視度數(shù)的測定，按照不同的診斷眼位斜視度變化規(guī)律，分析眼球的運(yùn)動狀況。而且能夠針對患者的病情做相應(yīng)的脫抑制訓(xùn)練、異常視網(wǎng)膜的矯正訓(xùn)練和弱視治療。同視機(jī)是檢查斜視、弱視的基本醫(yī)療設(shè)備，其主要的設(shè)計思想是運(yùn)動結(jié)構(gòu)能夠圍繞眼睛的任意方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動主要包括圍繞X軸的外展和內(nèi)收運(yùn)動，圍繞Y軸的上、下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，圍繞Z軸的內(nèi)旋和外旋運(yùn)動。

同視機(jī)是集治療與檢測融合為一體的眼科光電儀器。它的主要檢測對象是融像、立體視等雙眼視覺功能和診斷主客異常視網(wǎng)膜對應(yīng)、測量斜視角度、隱斜、后像、弱斜視等眼科疾病，是檢查斜視和弱視檢測必備的醫(yī)療檢測儀器。其主要使用人群是兒童，針對于遠(yuǎn)視性弱視、近視性弱視、屈光不正性弱視等相對應(yīng)的弱視患者。

1　同視機(jī)的總體電路設(shè)計

為了實現(xiàn)同視機(jī)的各項功能，總體結(jié)構(gòu)主要包括單片機(jī)(STC12C5A32S2/AD/PWM)、鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、A/D信號采集、L9110電機(jī)驅(qū)動、TIP142 LED燈驅(qū)動、蜂鳴器、RS232串口通訊和電源八部分，總體電路設(shè)計如圖1所示。

圖1總體電路設(shè)計

2　軟件程序設(shè)計

2.1　主程序的設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要采用C語言，對單片機(jī)進(jìn)行編程實現(xiàn)各項功能。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，而后調(diào)用鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換、顯示等模塊，通過控制這些模塊來實現(xiàn)同視機(jī)的各項功能。電路設(shè)計如圖2所示。

2.2　中斷定時子程序

文中的中斷定時是每60 s執(zhí)行一次函數(shù)，中斷定時的程序設(shè)定首先設(shè)定初值，由于電路用的外部晶振是11.059 2的標(biāo)準(zhǔn)晶振。在轉(zhuǎn)載初值時是45 872的定時為50 ms。如果想要定時60 s，在每隔600 s就讓F制動加1，也就是12個50 ms，讓該程序執(zhí)行100周期，即F=100就是60 s。

圖2　電路設(shè)計

2.3　鍵盤子程序

先判斷所有按鍵中是否存在按下的按鍵，文中按鍵與單片機(jī)I/O鏈接方式是：采用低電平觸發(fā)方式鏈接(當(dāng)按鍵被按下時I/O的電平變?yōu)榈碗娖?。也就是說，當(dāng)I/O口上的數(shù)據(jù)為0FH時，這就說明了開關(guān)按鍵是沒有被按下的，相反單片機(jī)的I/O口讀到的數(shù)據(jù)并不是0FH，此時按鍵被按下。如果單片機(jī)判定按鍵被按下，就要對按鍵的位置進(jìn)行識別，一般采用掃碼識別。掃碼識別過程如下：在每一列上送高電平，然后檢查所有行的電平狀態(tài)，如果全部呈現(xiàn)為高電平，說明該按鍵不在該行中，如果該行中存在低電平，說明按鍵就在該行中，那么行與列的交點就確定了按鍵的位置[2]。

鍵盤程序框圖如圖4所示。

圖3　中斷定時子程序框圖

圖4　鍵盤程序框圖

2.4　顯示子程序

采用數(shù)碼管顯示，采用方式為動態(tài)顯示方式。動態(tài)驅(qū)動原理是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，并且增加位選和段選，通過控制電路來控制每個數(shù)碼管的COM公共端，位選的控制是通過數(shù)碼管各自的I/O線來控制[3]。當(dāng)單片機(jī)輸出數(shù)碼管的字形編碼時，所有的編碼會同時送到所有的數(shù)碼管的端口上，但最后能顯示出字形的數(shù)碼管要取決于單邊對位選的控制，所以，可以通過位選來控制哪一個數(shù)碼來顯示字形[4]。

通過對LED數(shù)碼管的輪流控制來實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示。在對數(shù)碼管的控制中，要事先設(shè)計好每一個數(shù)碼顯示的時間，文中對數(shù)碼顯示的時間設(shè)定為2～3 ms。這樣設(shè)定的原因是人類視覺的暫留現(xiàn)象，以及有著余暉效應(yīng)的二極管，盡管沒有同時點亮，只要掃描時間在一定的范圍內(nèi)，對于人眼是能夠同時看見數(shù)碼同時顯示，在實驗長時間的顯示過程中也不會出現(xiàn)波動[5]。

顯示程序框圖如圖5所示。

圖5　顯示程序框圖

2.5　A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序

STC12C5A32S2系列單片機(jī)本身含有ADC模塊，所以不需要外部設(shè)計A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。該芯片的ADC是從高位到低位的順序與單片機(jī)固定的數(shù)值進(jìn)行比較,使數(shù)字在該D/A轉(zhuǎn)換器最小誤差范圍內(nèi)趨近于實際模擬值。對于文中使用的A/D轉(zhuǎn)換器,具有速度高和低功耗的特點[6]。A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是使用實驗得到的模擬量與進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的寄存器所設(shè)定的固定的數(shù)字量進(jìn)行比較，最后將每一次比較的結(jié)果存儲起來，并且由逐次比較器輸出結(jié)果。ADC_RES和ADC_RESL分別儲存A/D和D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果，對于ADC 控制是由ADC_CONTR完成的。單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ADC_FLA是程序發(fā)送中斷請求和滿足程序查詢的一個設(shè)定值。ADC_CONTR中的CHS2_HS0控制寄存器控制著模擬通道的選擇。SPEED1和SPEED0寄存器是用來控制ADC轉(zhuǎn)換的速率。ADC控制寄存器中的ADC_POWER位控制是否上電位。

2.6　PWM應(yīng)用子程序

本設(shè)計是通過單片機(jī)I/O口的輸出來實現(xiàn)PWM波，通過控制單片機(jī)的輸出頻率能夠?qū)崿F(xiàn)PWM波的頻率變換。在確定PWM波的頻率為500 Hz的情況下，單片機(jī)可以控制PWM的占空比，從而實現(xiàn)單片機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的控制。通過PWM脈沖的占空比的改變就能隨意控制大小。以固定的時間T，通過改變大小的方法，從而實現(xiàn)對占空比的調(diào)節(jié)。文中采用STC12C5A32S2單片機(jī)為控制核心，該芯片采用T0定時計數(shù)器的工作模式中的模式2是使用8位自動從裝工作方式。在程序初始化時，TL0和TH0被裝載相同的數(shù)值[7]。當(dāng)TL0計數(shù)溢出時，硬件就自動將TH0中的初值裝入TL0中，從而實現(xiàn)自動循環(huán)。這里的定時時間t是通過如下計算得到的

t=(28-T0初值)×Tosc×12

(1)

式中：Tosc----振蕩周期。

把酒臨風(fēng)：科技創(chuàng)新不是一個急功近利的問題，在中國你成功之后別人可能會抄襲，但在法治國家不行，你抄襲就重罰你，誰都不能隨便侵犯他人，如果真做到這一點，我們的科技創(chuàng)新就能產(chǎn)出更多成果。也就是說完善的財產(chǎn)保護(hù)制度，才能讓大家看到技術(shù)創(chuàng)新暴富的可能性。

(2)

按照式(2)可以計算得到定時器最小的定時時間。設(shè)晶振頻率為12 MHz。

3　結(jié)　語

基于STC12C5A32S2單片機(jī)為微處理器設(shè)計同視機(jī)的各個控制系統(tǒng)的電路能夠穩(wěn)定地控制同視機(jī)，實現(xiàn)圍繞三個軸做各種方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的鏡筒，鏡筒做各個方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動都是圍繞著眼球旋轉(zhuǎn)中心的位置進(jìn)行控制，實現(xiàn)同視機(jī)的各種功能。

經(jīng)過臨床使用證明，基于STC12C5A32S2單片機(jī)為微處理器設(shè)計同視機(jī)的各個控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)于同類產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明星.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2006，11：22-25.

[2]王質(zhì)樸，呂運(yùn)鵬.MCS-51單片機(jī)原理接口及應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2015.

[3]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社,2015:266-268.

[4]王瓊.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,20016.

[5]周明月，徐東力.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017，38(4)：328-334.

[6]王紀(jì)強(qiáng)，張春熹.基于大功率led的弱視治療儀光源系統(tǒng)[J].研究與開發(fā),2010(10):50-52.

[7]程方曉,王海彪,劉璐.小型無人機(jī)飛行姿態(tài)串級控制系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017，38(5):453-458.