基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计.docx
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基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计.docx
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基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计
南阳理工学院
本科生毕业设计(论文)
学院:
电子与电气工程学院
专业:
自动化
学生:
赵刚
指导教师:
黄大勇
完成日期2014年5月
南阳理工学院本科生毕业设计(论文)
基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计
UrineAnalyzerDesignBasedonColorRecognition
总计:
31页
表格:
3个
插图:
25幅
南阳理工学院本科毕业设计(论文)
基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计
UrineAnalyzerDesignBasedonColorRecognition
学院:
电子与电气工程学院
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
赵刚
学号:
1209624086
指导教师(职称):
黄大勇(副教授)
评阅教师:
完成日期:
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计
自动化专业赵刚
[摘要]尿液分析是临床上至关重要的一项初步检查,是医学诊断中最为常用的方法之一。
目前市场上的各种尿液分析仪种类繁多,本论文采用最新TCS230芯片设计的快速检测尿液是否健康的一种分析仪。
系统中包含了键盘控制、液晶显示、步进电机驱动、试纸感应、微型热敏打印机输出、颜色识别、上位机串行通讯等模块。
与以往的尿液检测仪对比,本论文尿液检测设计更稳定、更精确、更快捷,成本更低。
[关键词]颜色识别,单片机,MCS51,尿液试纸。
UrineAnalyzerDesignBasedonColorRecognition
AutomationSpecialtyZHAOGang
Abstract:
Urineanalysisisapreliminaryexaminationonclinicalcritical,isoneofthemostcommonlyusedmethodformedicaldiagnosis。
Therearemanykindsofvariousurineanalyzeronthemarketatpresent,ThispaperusestheTCS230chipdesignofrapiddetectionofurineanalyzerisahealthy。
ThesystemincludesKeyboardcontrol、Liquidcrystaldisplaym、Steppermotordrive、Paperinduction、Miniaturethermalprinteroutputmodule、Thecolorrecognitionmodule、Serialcommunicationmoduleetc..Comparedwiththeurineanalyzerinthepast,Thispaperurinedetectiondesignmorestable,moreaccurate,moreefficient,lowercost.
Keywords:
Colorrecognition,Microcontroller,MCS51,Urinedipstick
1.2.1本课题工作内容…………………………………………………………………………….1
1.2.2本课题预期达到的目标………………………………………………………………….…1
2.1.1尿液分析仪的工作原理…………………………………………………………………….1
2.1.2尿液分析仪的系统框图……………………………………………………………...……..2
2.2MCU主控模块设计……………………………………………………………………………...3
2.2.1主控模块设计思路………………………………………………………………………….3
2.2.2主要芯片功能介………………………………………………………………………….…3
4.3进纸步进电机控制…………………………………………………………………………….….15
5.1试样条感应模块工作原理……………………………………………………………………….16
5.2试样条感应运动模块…………………………………………………………….………………17
5.3步进电机控制模块……………………………………………………………………………….19
6.1颜色识别的算法分析…………………………………………………………………………….23
6.2颜色传感器……………………………………………………………………………………….23
6.3颜色传感器的软件编程………………………………………………………………………….25
结束语……………………………………………………………………………………………………....26
1引言
1.1课题意义及其目的
近年来,随着社会的进步和科学技术的发展,尿常规在临床上是至关重要的一项初步检查,不少病变早期就可以出现在蛋白尿或者尿沉渣中。
若发现尿异常,通常是尿路或肾脏疾病的一个明显特征,尿液检测也是提供病理过程中本质的重要线索。
近年来有许多人强调,主治医生应该为患者尿常规的检查亲力亲为,这也十分有利于医生在第一时间发现肾脏、尿路等疾病。
从而可以及早发现病情,得到及时的治疗,具有十分广泛的社会意义。
目前在医院中使用的尿液检测仪种类繁多,但是技术成熟,性能稳定,操作快捷简便、价格相对便宜的尿液分析仪仍是凤毛麟角。
随着计算机技术的快速发展、新型的高性能低成本的芯片不断涌现,时代的发展迫切需要对这种设备进行更新设计,推陈出新,使其更稳定、更精确、更快捷和更低成本。
1.2研究主要内容和预期目标
1.2.1本课题主要完成的工作内容包括:
(1)尿液分析仪的主系统板设计:
保证系统稳定性、抗干扰性设计基础上重
点解决定标值存储易失性问题。
(2)试样条感应及运动电机的控制:
实现高速测试。
(3)颜色采集与比对:
重点解决精确度问题。
(4)键盘、显示、打印输出设计及系统程序:
保证操作简单、快捷。
1.2.2本课题预期达到的目标
和以往的尿液分析仪相比,要保证仪器使其更稳定、更精确、更快捷和更低成本。
2系统总体方案设计
2.1.1尿液分析仪的工作原理
尿液分析仪也称尿化学分析仪,是检测尿液中是否含有化学成分的自动化仪器设备,它也是医学界中对尿液自动化检测分析常用的重要工具,这种仪器具有操作简单、快速等优势。
尿化学分析用尿液试样条检测,不同的厂商提供不同种类的试样条供选择。
通常这些的试样条是一个塑料条,上面有一个或几个含有化学物质的反应块,尿液与试剂块接触后产生颜色变化。
此仪器大多用微电脑控制,采用感光元器件采纳反射光的方式并针对颜色的变化来进行测定。
试纸条是一种对尿液半定量检测十分方便快捷的方法。
2.1.2尿液分析仪的系统框图
图2.1XX-400型尿液分析仪系统框图
2.2MCU主控模块设计
2.2.1主控模块设计思路
主控模块框图如图2.2所示:
图2.2主控模块框图
本文系统采用了MCS-51系列单片机做为主控系统,51系列的单片机具有八位的数据处理功能,应用广泛、技术成熟、功能强大、性能稳定、价格低廉,市场供应商也最多,更重要的一点就是许多外接口芯片都可兼容。
尤其是近些年,微电子技术的飞越发展,工程师们又开发出了更多51内核的新型微处理器芯片,功能更强大、价格却更便宜。
根据本系统功能的要求,八位机11.0592MHz的51单片机足够满足设计要求。
由于外围接口比较多(键盘、步进电机、液晶显示等等)需要扩展两片可编程并行I/O接口芯片8255;采用74HC573数据缓冲器;采用译码器法设计地址,用74LS1383线-8线译码器芯片实现。
本系统需要采用具有内部寄存器功能的DAS12887芯片做为实时时钟,,一方面是为系统提供精确的实钟效果,另一方面也是为试样条感应器供给频率为1KHz的载波;采用DAS1230做为存储测试值,32K的存储容量,可存储近千条的试样条测试值。
选择P89v51RD2微控制器可以解决系统需要中文的菜单和系统程序在一起需要ROM空间大约60K的问题,也能解决需要存放一些易修改,不易丢失的定标值等重要数据的问题。
整个系统软件的编程采用KeilC语言,编程环境需要是uvision2和MedWin混和平台。
2.2.2主要芯片功能介绍
1、飞利浦89v51RD2是一款80C51微控制器,包含64kB程序存储器和1024字节的数据存储器。
程序存储器同时支持并行与串行在系统编程(ISP)技术。
并行编程的方式提供快速分组编程(页编程)方式,降低了编程成本,节约了上市时间。
ISP可以在软件控制的范围内对成品中的元器件进行重复的编程,应用十分广泛。
P89V51RD2并可以在应用中进行编程(IAP),实时对Flash程序存储器进行重新配置,即便应用程序在运行中也可以。
如图2.3,P89v51RD2的引脚图:
图2.3P89v51RD2引脚图
2、DS1230非易失性RAM,存储容量32K,拥有掉电保存功能,内置装有电池,数据存储时间十年以上,并且与6264芯片管脚兼容,测试的值则存储在DS1230,能够存储1K试样条的测试值,而每个试样条仅32个字节。
管脚图如图2.4。
图2.4DS1230管脚图
3、DAS12C887
选取美国达拉斯半导体公司研发的DS12C887作为时钟日历芯片,自身带有锂电池和晶体振荡器,采用CMOS技术制成,在没有外接电源的情况下可工作10年之久。
DS12C887功能丰富,可直接代替IBMPC上的DS12887,它的管脚同时也与MC146818B,DS12887兼容。
选用DS12C887芯片设计的时钟具有良好的微机接口也无需任何外围电路。
其功耗小、性能稳定可靠、精度高、外围接口简单的优点占有广泛市场。
图2.5DS12C887的管脚图
4、其它芯片:
8255:
可编程并行I/O接口芯片,每片可扩展三个并行I/O口,为了给报警、键盘、显示等提供足够的系统并行口资源,采用了2片8255。
74LS138:
三线-八线译码器,输出端做为外部芯片的片选信号,输入端采用P2口高位地址线,用来提高地址线使用效率。
74HC573:
为地址锁存器,51单片机的P0口为地址数据分时复用,数据和地址线分开要采用地址锁存器,在对PCB布线时74HC573的管脚排列布线时较其他芯片而言更为方便。
3显示、键盘模块设计
3.1显示模块设计
显示模块选取的是内置T6963C控制器的图形点阵式显示模块SG24064-02D,T6963C是点阵式液晶图形显示控制器,与80等系列的8位单片机接口,T6963C具有硬件初始值设置功能,显示驱动所需的占空比参数(占空比可从1/16到1/128),引脚电平可以设置驱动传输的字节数/行及字符的字体,致使T6963C的初始化在上电时就能够完成,软件操作就可全部用于显示画面的设计上。
内置T6963的液晶显示模块已经实现了T6963C与显示缓冲区RAM及列、行驱动器的接口,同时也已用硬件设置了液晶屏的结构(单、双屏),数据传输方式,显示窗口长度、宽度等。
内藏T6963C得到单屏结构点阵图形液晶显示模块的方框图如图3.4所示。
图3.1液晶显示模块内部示意图
MPU与模块之间有两种访问方式,一种是间接控制,一种是直接访问,本系统采用的是直接访问方式。
8051数据口P0口可直接与液晶显示模块的数据口连接,由于T6963接口适用于51系列的MPU,并允许MPU随时访问显示缓冲区甚至可以进行位操作,所以可直接用8051的WR、RD作为液晶模块的写、读控制信号,液晶显示模块RESET、HALT连+5V。
C/D信号由8051地址线提供,片选信号可由地址线设码产生,为0时数据地址,为1时指令地址。
在汇编程序中对其访问可用MOVX指令,C51程序中可以直接引用地址。
表3.1为SG24064-02D的引脚功能介绍。
图3.2直接访问方式
表3.1图形点阵式显示模块引脚功能
序号
符号
功能
1
FG
0V
液晶铁框引出端,将此端接地
2
VSS
11.0V
逻辑电源地
3
VDD
11.0V
逻辑电源正
4
VO
---
LCD驱动电压输入端,请参照图11-2连接
5
/WR
L-H
写数据信号,上升沿锁存
6
/RD
L-H
读数据信号,上升沿锁存
7
/CE
L
LCD选通信号,低有效
8
C/D
H/L
命令货数据,高电平
9
NC
---
没有连接
10
/RST
L
复位信号,低有效
11-18
DB0-DB7
H/L
位数据总线
19
FS
H/L
字体选择
20
VOUT
-10V
LCD模块DC/DC电路输出端
21
LED+
11.0V
背光电源正端
22
LED-
0V
背光电源负端
3.2鍵盘模块设计
根据系统对16个按键定义,如图3.2所示:
图3.3按键控制板简图
行列设计为4×4,
对于按键数量较多的情况适合使用矩阵式键盘(也称行列式键盘),它由列线和行线组成,按键分布在行、列的交叉点上。
如图3.2所示:
图3.4键盘电路图
为了节省系统的时间,系统采用键盘使用中断方式,检测到有按键则从中断进入键盘程序,无操作下则不检测键盘。
由于不需要实时对键盘进行检测,便大大提高了系统的工作效率。
产生中断后,键盘中断子程序中采用线反转法来判断键值。
图3.5键值判断子程序
4打印输出模块设计
本系统要求打印机必须具有随时打印测试结果的效果,选用了热敏微型打印机最为打印输出模块,热敏微型打印机其字迹清晰、速度快、噪声小、无需更换色带的特点大大超越了传统打印机。
4.1微型热敏打印机设计
主要由串行通讯、步进电机驱动、主控芯片、缺纸检测、温度过高保护、等模块组成,其中串行通讯模块实现与主机通讯,接收打印数据,步进电机驱动模块实现控制打印纸进纸及走纸速度,打印机的主控芯片采用51单片机,缺纸检测模块可以检测到打印头的缺纸信号,温度过高保护模块实现对打印头加热元件进行的过热保护。
如图4.1为51单片机与各模块的接口功能图。
图4.1热敏微型打印机系统模块功能图
4.1.1工作原理
热敏打印机只能使用专用的热敏纸,热敏纸上涂有一层遇热就会产生化学反应而变色的涂层,热敏打印机芯上有一排微小的半导体元件,这些元件排得很密,从200dpi到600dpi不等,这些元件在通过一定电流时会很快产生高温,当热敏纸的涂层遇到这些元件时,在极短的时间内温度就会升高,热敏纸上的涂层就会发生化学反应,现出颜色。
热敏打印机接收到打印数据后,将打印数据转换为位图数据,然后按照位图数据的点控制打印机芯上的发热元件通过电流,这样就把打印数据变成打印纸上的打印内容了。
4.1.2主要器件选取
选择热敏打印头主要考虑清晰度、打印宽度、打印速度、价格等参数,这些参数是由加热元件的个数、加热元件排列密度、步进电机步距转速、加热元件受热反应时间来决定,通常高清晰度、高速打印头中所含加热元件的个数也就越多,加热元件是关键部件,也是最易损坏的部件,在系统设计过程中稍微不注意,通电时间过长,就会导致其损坏,所以在高清晰、高速打印头中基本都加有热敏电阻以便进行过热保护设计。
本系统经过综合考虑选择LTP1245热敏打印头进行设计。
主控芯片内置程序存储器,存储主控程序和打印字库,同时还需要一部分数据存储器用做打印数据的缓存区。
本系统中采用了STC89C58做主控芯片,内置32K字节的程序存储器存放程序和常用字库,1280字节的数据存储器,还有24K字节的EEPROM可随时扩展字库。
4.2热敏打印机硬件电路
4.2.1LTP1245热敏打印头
图4.2LTP1245热敏微型打印头内部结构
打印头有两根扁平电缆接口,其中一根为20芯,是加热元件控制部分,另一根9芯是步进电机与其它元件控制部分。
表4.1是20芯扁平电缆的管脚功能说明
序号
名称
输入/输出
功能描述
1
Vp
输入
加热元件工作电压
2
Vp
输入
加热元件工作电压
3
GND
-
地
4
GND
-
地
5
GND
-
地
6
DAT
输入
数据串行输入端
7
CLK
输入
数据传送信号同步端
8
/LATCH
输入
数据锁存端
9
DST6
输入
热敏打印头打印激活指示信号端
10
DST5
输入
热敏打印头打印激活指示信号端
11
DST4
输入
热敏打印头打印激活指示信号端
12
DST3
输入
热敏打印头打印激活指示信号端
13
DST2
输入
热敏打印头打印激活指示信号端
14
DST1
输入
热敏打印头打印激活指示信号端
15
TH
-
热敏电阻的输出端
16
Vdd
输入
(5v)
17
GND
-
地
18
GND
-
地
19
Vp
输入
加热元件工作电压
20
Vp
输入
加热元件工作电压
其中,Vp为加热元件工作电压,取值范围在4.2V至8.5V之间,电压越高,加热时间越短,打印速度也就越快。
Vdd是控制电路逻辑电平,取值范围在4.5V至5.5V之间。
LTP1245有384个加热元件,排列成行,每次可打印一行,与加热元件相对应有384个移位寄存器以便控制加热元件,这些数据是主控芯片通过DAT和CLK管脚串行移位输入,每行384位数据传输完毕后,给LATCH管脚置低将数据锁存。
DST1~DST6是启动加热控制信号端,每64个点为一个控制块,共六个控制块,可以分别进行加热,这样的设计是为了避免加热时产生的瞬时大电流,因为打印内容的不确定性,在同一时刻启动加热元件的个数也不相同,所以每次加热时的电流也不一样,在打印一行数据时采用1、3、5同时加热,然后2、4、6同时加热的方式。
DST的高电平脉宽,也就是元件加热时间的控制是设计的关键问题,如果时间太短,打印字迹过浅,或者无法打印,但是如果时间过长,则会导致加热元件的损坏,同时还要考虑到前一行加热后的余热积累等问题。
加热时间公式:
t:
加热时间(毫秒)
E:
环境热能影响系数:
主要包括环境温度、纸张选择。
在25℃时使用普通热敏打印纸时值为1。
V:
加热电压影响系数:
当加热电压Vp大于5.5V的时候V=Vp×1.2-1.8,
当加热电压Vp小于5.5V的时候V=Vp×1.4-2.9。
R;打印头电阻系数=
RH:
打印头实际电阻178.5Ω
Rc:
公共端点电阻0.1Ω
rc:
Vp与GND之间电阻(Ω)
N:
同一时间内启动加热元件的个数
C:
加热周期系数=1-1.15/(1.9+W),
W=2000/步进电机频率
本系统采用5V的加热电压,在常温下步进电机频率采用200PPS时,加热脉宽为4-5毫秒。
H管脚是热敏电阻的输出端,在实际的应用中,由于打印内容的不确定性,尤其是在高速打印设计中,施加电压较高,极易损坏加热元件,所在打印头内置热敏电阻,通过对热敏电阻的测量,可以设计过热保护电路。
表4.2是九芯的扁平电缆管脚说明,其中四根管脚是步进电机控制端,其它还包括缺纸检测、进纸头方向等器件。
表4.2步进电机与其它部分控制管脚功能
序号
名称
功能描述
1
HS
进纸方向检测
2
Vhs
进纸方向检测发光管电平端
3
GND
地
4
PS
缺纸检测输出信号
5
Vps
缺纸检测电源
6
电机驱动信号
7
B
电机驱动信号
8
A
电机驱动信号
9
电机驱动信号
缺纸检测和进纸方向是采用发光二级管和感光三极管组成,如图4.3所示,其中VHS为进纸方向检测发光管电平端,HS为进纸方向感光管输出端,VPS是缺纸检测发光管电平端,PS为缺纸信号感光管输出端。
HS信号为高电平表示进纸方向正确,PS信号为高电平表示存在打印纸。
图4.3进纸方向与缺纸检测内部结构
4.3进纸步进电机控制
打印头的步进电机为四相步进电机,工作电压4.2V-8.5V,工作电流每相0.15A,工作频率在50-1000PPS。
步进电机的工作时序,在正常进纸时以“步1-步2-步3-步4”的顺序送出控制信号,在退纸时以“步4-步3-步2-步1”的顺序送出控制信号。
步进电机驱动设计采用打印头数据手册(DataSheet)中推荐的参考电路设计。
5.试样感应及运动控制模块
5.1试样条感应模块工作原理
试样条感应模块是保证系统运动控制模块正常运行的关键,其工作原理如图5.1所示:
图5.1运动控制模块工作原理示意图
本系统为了实现快速批量检测,采用连续运动装置:
首先把试样条放置在试样托盘上,在其上方有四个发光管和四个感光元件,发光管是高亮度红色发光二极管,感光管为光敏电池,感光电池在光照时会产生微弱电压,在本系统中是采集试样条的反射光,将电压滤波放大后经AD转换送入CPU进行判断。
托盘是黑色的,试样条前端为白色,当有试样条放置在托盘上的时候,CPU会检测到,这时推条装置在推条电机的带动下向右拉动,将试样条送至右侧的运条托盘上,运条托盘中有9个试样条位置,每测试一次向右移动一个位置,测试装置中包括测试头和测试电机,测试头的运动是纵向,依次采集试样条中每一个试样块的颜色值,测试头工作原理会在下章节中介绍。
5.2试样条感应运动模块
图5.2TLC4066模拟开关通道
图5.3发光二极管与感光电池
图5.4GAL16v8外围控制电路
图5.5GAL16v8内部原理图
(a)带通滤波
(b)放大保持
5.3步进电机控制模块
根据设计要求,要求实现快速试纸分析,所以在机械上设计了三个步进电机,为了更方便的驱动步进电机,系统才用ucn5804步进电机专用芯片进行驱动。
图5.7ucn5804芯片管脚图
1、ucn5804管脚介绍:
管脚1:
管脚1、3、6、8分别对应四相脉冲输出的B、D、C、A。
主CPU给ucn5804输送脉冲,芯片按顺序输出A、B、C、D脉冲信号,该信号接到步进电机的脉冲输入端。
管脚2:
管脚2、7接+12V。
管脚4:
管脚4、5接地。
管脚9:
控制电机脉冲输出方式,若9脚为低电平,脉冲每次输出两相脉冲信号(AB-BC-CD-DA-
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