分布式智能输液系统的设计.doc

分布式智能输液系统的设计 摘要摘要 设计了一种以at89c52为核心的多功能输液监控系统。系统具有液滴检测、 液滴速度控制、体温检测、脉搏检测、余液显示、通信和报警等功能。系统采 用红外传感器检测液滴速度，用步进电机及其配套装置来控制液滴速度。液滴 检测与控制等性能稳定可靠，液滴速度误差为正负2滴。另外，通过下位机与上 位机之间的串行通信，系统还实现了对多下位机进行远程的监控与管理。测试 结果表明该系统工作稳定、响应速度快、操作简便，在医疗卫生领域中具有广 泛的应用前景。 关键词关键词：at89c52；输液监控；红外传感器；步进电机；串行通信 abstract this paper designed a transfusion-surveillance-control system which used at89c52 as its core. this transfusion-surveillance-control system had multiple functions such as liquid drop detection, liquid speed control, body temperature detection, pulse detection, remainder liquid display, communication and alarm etc. this system employed infrared sensors to detect liquid drops and used step motor with other parts to control the liquid speed. the performance in liquid detection and control of this system was stable. the errors of liquid speed was 2 drops. in addition，the remote monitoring and managing of several lower computers was achieved by serial communicationthe experiment results show that the system is stable in performance，fast response and simple in operationthe system has bright application future in medical. keywords: at89c52； transfusion-surveillance-control； infrared sensor； stepping motor； serial communication 目目 录录 1.引言引言.1 2 系统整体方案的设计系统整体方案的设计.2 2.1 系统总体方案.2 2.2 系统模块电路方案比较与论证.2 2.3 系统总框图.3 3 主控电路的设计主控电路的设计.4 3.1 at89c52 单片机的功能特点 4 3.2 at89c52 主控电路的管脚分布 4 4 4 单元模块电路设计单元模块电路设计6 4.1 红外线传感电路.6 4.2 温度检测电路.6 4.4 键盘显示电路.8 4.5 多机通信电路.9 4.6 报警显示电路.9 4.7 数码管显示电路.10 4.8 滴速控制电路.11 4.9 下位机硬件电路设计.13 结束语结束语15 参考文献参考文献16 分布式智能输液系统的设计 1 1.引言引言 在目前过程控制领域中输液系统控制的研究引起广泛关注，随着集成电路 规模日趋大型化、复杂化,各种复杂的液位控制系统已成为的一个研究热点。单 片机以其控制精度高,性能稳定、可靠,设置操作方便,造价低等特点,应用到输 液系统的控制之中,不但保证了系统的准确性和可靠性,而且增强了人机交力。 随着单片机和微机技术的不断发展,单片机的应用也从独立的单机向网络发展, 由pc机和多台单片机构成的多机网络测控系统已成为单片机技术发的一个方向。 在一个大型的应用系统中,通常由单片机完成数据的采集和上传,后台则通 过pc机对数据进行分析并处理，在这样的系统中,单片机系统一般称之为下位机,由 pc机、网络设备、数据库服务器组成的后台应用部分则统称为上位机。二者结 合,充分发挥了单片机在实时数据采集和微机对图形处理、显示以及数据库管理 上的优点,使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制,而 形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。 通过调查得知，目前几乎所有医院因种种原因仍没有采用输液监控系统， 而是采用传统的输液方法，用人工控制和监视。输液速度和输液量是一个不精 确的值，输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制，通过肉眼观察 进行估计的，利用人工监视输液情况，给病人和医务人员带来许多不便。目前 已有一些相关输液的产品，实现了输液监视、控制、报警等功能，但还没有整 一套集输液监控、体温、脉搏、通信、多种报警于一体多功能系统。为此，本 文设计一种集上述功能于一体的多功能的输液控制系统。 分布式智能输液系统的设计 2 2 系统整体方案的设计系统整体方案的设计 2.1 系统系统总体方案总体方案 输液监视与控制是本系统的主要研究目标，也是本系统稳定性和可靠性的 根本保证。根据本系统的要求，采用了at89c52单片机作为主控芯片，采用红 外传感器、数字温度传感器和压电薄膜力敏传感器分别用于检测输液速度、体 温和脉搏值，应用rs485总线完成与上位机的数据传送，也可以实现网络化集 中监控。系统硬件整体框图如图2-1所示。 图2-1 系统硬件整体图 2.2 系统模块电路方案比较与论证系统模块电路方案比较与论证 单片机输液系统的控制可以大致分为以下几个部分： （1）数据采集电路 该电路的功能主要是采集容器中即时的液位高度，并且负责把这个采集到 的信号转换成单片机可以识别的数字信号并送入单片机。 （2）数据处理单元 这部分的工作是接收采集模块送来的数据，然后和事先预定的液体高度值 进行比较，高出预定值或者低于预定值将会发出不同的控制信号来控制执行部 分从而能够达到控制液位的目的。同时还能够通过键盘设定不同的液位值来进 行调整，并在数码管上显示当前液位值，达到精确控制的目的。 （3）执行机构 该机构采用的是一个能够通过提供其电流大小来控制通过其中的液体流量 的控制阀。如果单片机分析得出即时的液体高度比预定值低许多时，就会最终 输出一个数值比较大的电流，来控制流量阀在单位时间内通过更多的液体，使 液体高度尽快地回复到所需液位高度值。反之，开启排水阀进行调整。 分布式智能输液系统的设计 3 （4）多机通信单元 要建立一个一对多的多机串行通信平台，即一台 pc 机与多个单片机之间进 行多机互联，pc 机作为主机，单片机作为从机，实现主机对各个从机的控制， 以及主机与从机之间的数据传输。 2.3 系统总框图系统总框图 整个系统由主站和从站两部分组成。主站安装在护理室，主要功能是观察 各从站的工作状态和相应的一些简单的控制功能，当从站的有特殊情况报警时， 主站也同时报警，提醒护理工作人员进行相应的处理。从站安装在每个输液器 上，以完成输液点数的设置、检测、控制和报警等功能。主、从站之间采用串 口方式相连。因为从站个数较多，用at89c52 自带的urat 不易实现，为此 在主、从站之间采用扩展的方式来完成通信功能，只要在从站中用一8 位寄存 器就可完成256 个从站的控制。系统总框图如图2-2所示。 图 2-2 系统总框图 分布式智能输液系统的设计 4 3 主控电路的设计主控电路的设计 3.1 at89c52 单片机的功能特点单片机的功能特点 单片机的最小系统包括：时钟振荡电路、复位电路、电源电路、程序储 存控制电路。时钟振荡电路必须在 xtal1 和 xtal2 之间跨接晶体振荡器和微 调电容，晶体振荡器常用 12m，电容用 30pf；复位电路采用上电复位，采用 40 引脚双列直插封装(dip)形式，内部由 cpu，4kb 的 rom，256 b 的 ram，2 个 16b 的定时计数器 to 和 t1，4 个 8b 的工o 端 i：ip0，p1，p2，p3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机 片内的 flash 可编程、可擦除只读存储器(eprom)，使其在实际中有着十分 广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该 单片机外围电路如图 3-1 所示。 图 3-1 单片机外围电路 3.2 at89c52 主控电路的管脚分布主控电路的管脚分布 系统以at89c52作为主控mcu，各功能电路由点滴速度检测、液面位 置检测、键盘控制、体温检测、脉搏检测、lcd显示、点滴速度速度控制以 及rs485总转换等电路组成。输液控制终端所涉及的硬件资源比较多，下面 对定时器、中断源和i/o口进行合理分配。 三个定时器也进行了分工，t0用于定时任务调度；定时器t1用于通信 波特率控制；t2用于脉搏计数，由p1.0输入计数脉冲。外中断0分别用液滴 分布式智能输液系统的设计 5 速度检测，串口异步通信中断1用于与pc机通信。对i/o端口资源具体分配 如表3-1所示。 表 3-1 i/o 端口资源分配表 分布式智能输液系统的设计 6 4 4 单元模块电路设计单元模块电路设计 4.1 红外线传感电路红外线传感电路 点滴速度检测采用传统方法，在茂菲氏滴管的中部外侧接上一对红外传 感器，利用液滴对红外线的“遮挡”使红外接收管的电位变化的原理，检测 是否有液滴经过，这种方法安全、稳定可靠。 红外线采集电路：红外传感电路用来检测滴管内液体的体积。它安装在 滴管的两侧。红外发光二极管发出红光，光透过输液管投射到光电三极管， 光电三极管将接受到的光信号转换为电信号以电流的形式输出。当漏斗中没 有液滴通过时，光线衰减小，光电三极管输出较强的电流。当有液滴通过时， 由于液体对红外线有很强的吸收作用，光线瞬将大，光电三极管输出很小的 电流。所以不同的液位，对应着不同的输出电平。液滴检测电路如图 4-1 所示，红外发射、接收电路装在滴管上，每一滴药水都将使检测电路产生一 个正脉冲。单片机正是通过记录正脉冲个数来检测点滴的流速。通过ad将 这些电平数据采集下来送给单片机与预设的液位数据进行对比，从而得出相 应的输液状态。液滴流速检测如图4-1所示。 图 4-1 液滴流速检测图 4.2 温度检测电路温度检测电路 温度检测采用数字温度传感器 ds18b20，这种电路简单，测量速度快， 12 位方式分辨率可达 0.0625 度，利用软件修正精度优于 0.1 度。测温范围 为-55+125，测量分辨率为 0.0625,内含 64 位经过激光修正的只读存 分布式智能输液系统的设计 7 储器 rom 适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限， 内含寄生电源。 ds18b20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom,温度传感器,非 挥发的温度报警触发器 th 和 tl,高速暂存器。ds18b20 的管脚排列如图 4- 2 所示。 图 4-2 ds18b20 管脚排列图 4.3 a/d 转换电路转换电路 本系统a /d芯片所选用的是adc0809，该大规模集成电路芯片是一种由 单一+5v电源供电，采用逐次逼近转换原理，能够对8路0+5v输入模拟电压 进行分时转换的八位并行通用型可编程模数转换器。adc0809由单片机控制 驱动对传感器进行定时循环采集，然后单片机将各测量参数传至pc机，进行 后台数据处理。电路连接如图4-3所示，电路转换如图4-4所示。 图 4-3 a/d 转换连接图 分布式智能输液系统的设计 8 图 4-4 a/d 电路转换图 4.4 键盘显示电路键盘显示电路 键盘是实现人机对话的基本接口。常见的键盘有独立式键盘和矩阵式键 盘。独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根接口线， 在按键数量较多时，浪费单片机资源，键盘显示电路主要是实现液位设定值 的输入和显示实时液位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是 否有键按下的检测并判断键值，有操作则进行延时去消抖，并根据键值计算 出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本 系统采用4行4列的16键行列式键盘，占用单片机p1口的8个端口。显示采 用4位led数码管显示当前液位测量值。如图4-5所示。 分布式智能输液系统的设计 9 图4-5 键盘显示电路 4.5 多机通信电路多机通信电路 系统多机通信采用串行通信工作方式，利用pc机的rs-485异步通信口 直接与多台52系列单片机组成的下位机进行联网，pc机与下位机之间不需 要其它中间适配器，系统接口简单，主要技术问题均可通过软件方法得以解 决。 一般的主从集散式多机通信系统是由1台主机和多台从机组成的，主机 发送信息可被各个从机接收，而从机只能对主机发送信息，从机间不能互相 通讯。若从机之间需要进行信息交换，也必须通过主机来进行数据传输。主 从集散式多机通信系统采用了分散采集、集中管理的办法：由从机进行数据 采集及初级处理，而主机汇总数据并完成综合处理，同时还能根据情况随时 向各个从机发出操作命令，进行控制。 4.6 报警显示电路报警显示电路 声光报警电路主要由有源蜂鸣器、闪烁发光。二极管及其驱动三极管组 成。显示电路由74hc138输出位选到每一个数码管的接地端，不断选通构成 扫描。其中，74hc138的数据端分别接单片机的p30，p131，p32，使 能端接p34。使用74hc164串行输出段码分别到数码管的 a、b、c、e、f、dp端，其中数据输入端接p30，时钟端接p34。显示时， 先将串行输入端数码送到7hc164，再由74hcl64输出到所有数码管的接口。 本设计用前四位显示监测的液滴速度，后四位用来显示设定的液滴速度，电 路图如图4-6所示。 分布式智能输液系统的设计 10 图 4-6 报警显示电路 4.7 数码管显示电路数码管显示电路 单片机实现七段数码管的显示数码显示在单片机应用系统中是比不可少 的，比如在各种仪器仪表中它是实现人机对话的重要组成部分。它以 数字 的形式告诉人们机器的运行状态、数据的处理结果。本次设计中我们使用的 是七段数码管显示。 单片机驱动数码管的方法有很多中方法，按显示方法可分为静态显示和 动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将要显示的数 据送出后就不再控制led，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当 前显示的数据没有变化就无须理睬数码管。静态显示数据稳定，占用cpu时 间少。另外一种就是动态扫描显示，动态扫描电路就是单片机把所要显示的 字形段码发往公共极，具体点亮那个数码管有位码确定，表4-1给出数码管 的编码。数码显示电路图如4-7所示。 表4-1 七段数码管的标码 分布式智能输液系统的设计 1 1 图4-7 数码显示电路图 4.8 滴速控制电路滴速控制电路 输液速度控制采用的控制机构由步进电机、带弹簧的夹子、丝杆和螺丝 行机构依靠弹簧本身的弹性压住输液管，通过步进电机带动丝杆调节输液管 的松紧，以达到控制输液速度的目的。电机采用了四相绕组、步进角为1.8 步进电机，即每转动200步为一圈，由p2.7、p3.5、p3.6、p3.7四个端口输出 控制的四个大功率三极管直接驱动。图4-8为速度控制机构。 分布式智能输液系统的设计 12 图 4-8 速度控制机构 4.8.1 步进电机步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机 件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋 转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频。 （1 1）工作原理）工作原理 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变 成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机 才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，一般电机都是连续旋转 的，而步进电机是一步步转动的，故叫步进电机。具体而言，每当步进电机 的驱动器收到一个驱动脉冲信号，步进电机就会按照预先设定的方向转动一 个固定的角度。步进电机是数字控制电机。步进电机是一种将电脉冲转换为 角位移或线位移的装置。下面是四个开关信号控制的四相步进电机示意图如 图 4-9 所示。 图 4-9 四相电机 （2）控制示意图）控制示意图 控制示意图如图 4-10 所示。 +88.8 m1 motor-bldcm a -a b -b 分布式智能输液系统的设计 1 3 图 4-10 控制示意图 （3）特点）特点 a a一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 b b步进电机外表允许的最高温度： 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降 乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退 磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄 氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常 c c步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相 绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作 用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 d d步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸 叫声。 e.e. 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能 够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能 发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到 高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度 升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 4.9 下位机硬件电路设计下位机硬件电路设计 下位机机械结构如图4-11所示，包括步进电机、点滴移动支架、储液瓶、 滑轮、红外发射接等其中，滴速夹固定于最大滴速处。 单片机系统 输出接口 脉冲分配电路 驱动电路 步进 电机 分布式智能输液系统的设计 14 图 4-11 机机械结构 分布式智能输液系统的设计 1 5 结束语结束语 经过这几周的认真和努力，我完成了分布式智能输液系统的设计，在此 过程中，我遇到了很多问题，但都在指导老师认真和一丝不苟的指点下这些 问题很快解决了，同时也使我学到了很多知识，从而认识到自己的不足。我 想，这次设计对我而言是一次挑战，一次锻炼。 本文通过硬件设计实现了对单点和多点输液过程的监控和管理，自动检 测并显示液体的点滴速度，能够用键盘设定点滴速度，调整步进电机控制点 滴速度，在液位降到设定值时自动报警。系统还具有以下优点：控制机构采 用步进电机实现，具有控制速度快、控制准确，控制精度在两滴以内，另外， 系统具有rs485 接口，能与上位机通信，可以同时在上位机和下位机上监控 点滴速度等信息，实现一机多能，一机多用的功能。该系统终端机既可联网 使用，适合于各级各类医院，也可以单机独立使用，适合于个体诊所。 通过实验测试系统各检测传感器、控制执行机构、显示、报警等各功能 正常，性能达到预定设计要求。结果表明系统工作稳定、响应速度快、操作 简便、安全，具有广泛的应用前景和理想的市场价值。 分布式智能输液系统的设计 16 参考文献参考文献 【1】李蕾, 张晓蓉, 庄汇文. 一种输液检测报警装置的研制j. 医疗设备信息, 2003,18(3):14-15. 【2】 何希才. 传感器及其应用实例 m . 北京: 机械工业