本科毕业设计--基于单片机的液体点滴速度监控装置的设计.doc

1 基于基于单单片机的液体点滴速度片机的液体点滴速度监监控装置的控装置的设计设计 the device of detect of liquid droppings speed （院系：信息技（院系：信息技术术学院学院.专业专业： ：电电子信息科学与技子信息科学与技术专业术专业） ） 摘要：摘要：该系统是以单片机 89c52 为核心，采用了步进电机控制装置、红外光电传感滴速检测 装置和通过单片机扫描测量、采用 pid 控制算法控制直流电机传动装置来实现一个点滴速 度自动控制系统。还扩充了掉点数据存储，实施远距离两线制多机通信、语音报警、系统开 机自检、回血报警等功能，增强了系统的实用性。而且由于采用红外光电传感和电容传感配 合单片机及可编程逻辑器件，速递测量和控制精度高。整体结构设计合理，运行稳定。主机 从机间采用自动检测多路访问协议，很好的解决了多机共用一根通讯线的比特流碰撞问题。 关关键键字字:通信，报警，自检 abstract： ：this system uses at89c52 as the core, adopting the step-motor-control device, infrared sensor and pid control algorithm in the automatic control system. the operation interface and diverse control ways are two greatest features of this design. the extra functions such as saving user-defined data in the e2prom, phonetic alarm, system self checking on boot-strapping,and blood back flow alarm make the design more powerful and practicable. experiment texts show that every function of this system melts or exceeds the problems requiremer。the system perform excecllently due to our reasonable design. with this method ,the system perfectly realizes multi connections through one communication channel at the same time. key word:communication，phonetic alarm，self checking 2 前言4 1 设计及论证部分.4 1.1 系统实现功能.4 1.2 方案比较，设计与论证5 1.2.1 控制方案比较5 1.2.2 液滴检测方案比较5 1.2.3 点滴速度控制方案.6 1.2.5 储液液面检测方案7 1.2.6 通信方案比较8 1.2.7 主从机网络通讯构建方案8 2 芯片介绍.9 2.1 at89c52 单片机9 2.1.1 89c52 输入/输出引脚简介.9 2.1.2 89c52 的存储器配置10 2.2 电可擦除可编程只读存储器（e2prom）10 3 理论分析.10 3.1 pid 控制算法 .10 4 系统设计.11 4.1 主站部分.11 4.1.1 主站键盘和显示部分11 3 4.1.2 电源设计13 4.1.3 主站软件流程13 4.2 从站部分13 4.2.1 点滴检测14 4.2.2 点滴速度控制模块14 4.2.3 步进电机的驱动15 4.2.4 警戒检测15 4.2.5 传感及测量电路16 4.2.6 数字滤波17 4.2.7 掉电数据存储18 4.2.8 从站软件流程18 4.3 通信部分.18 4.3.1 主从机网络通讯方案18 4.3.2 通信方案的选择和硬件结构18 4.3.2 通信报文协议19 5 界面设计.20 5.1 系统管理.20 5.1.1 用户管理20 5.1.2 修改密码20 5.1.3 通讯设置20 5.2 基本信息管理.20 5.2.1 疗区信息20 5.2.2 病房信息21 5.2.3 病床信息21 5.3 输液监管.21 4 5.4 患者病历管理.21 5.4.1 入住登记21 5.4.2 退床登记21 5.4.3 记录病历21 5.4.4 记录输液辅助信息21 5.4.5 查看输液记录21 6 总结.22 7 感谢.23 8 感谢.24 7 总结.25 8 感谢.26 9 参考文献.27 附录一：外文专业参考资料原文.28 附录二：外文专业参考资料译文.31 附录三：总电路图.33 附录四: 程序清单35 5 前言前言 在输液时常会发生以下一些情况：有的药品对输液速度有或快或慢的要求，医患都只 是凭主观经验进行调解，不能做到精准；或者在病人长时间输液过程中难免有困倦感产生， 而医护人员又不能够始终监控，很容易在输液完毕却没有得到及时的处理而将空气输入患 者体内，严重者造成生命危险。 因此，欲设计一种仪器或称设备来随时监测输液情况，让它在有情况的时候通过听觉 或视觉的方式来通知患者和护士，再设计用于管理此类数据的软件系统帮助医护人员进行 及时的管理监测数据和进行相应护理操作。这样既免去了许多担心，又能够及时准确的处 理各种情况，让患者的生命的到更好的保障，同时可以有力的帮助医护人员工作。 本设计由滴速和液位检测、单片机控制系统、电机控制与驱动、有线监控、显示与报警 等部分构成。 。有线监控包括：主站，从站。主站可与 16 个从站通信，可设置从站的液滴滴速 并对各从站实现实时监控，主从站之间构成串行通讯网络。可对 16 个从站进行定点或巡回 监测，查询各从站的实时状态，并可显示其从站号和点滴速度，并可远程设定各从站的点滴 速度，当收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号，并可手动方式解除 报警。可根据从站的报警信息实现语音报警及解警。可键控设置滴数，且掉电后设置信息不 丢失。它可实时检测与控制滴液速度并及时报警。采用光电技术探测液滴滴数和储液瓶的 液位，用 avr 单片机分析,判别、控制电机改变储液瓶的高度，实现液滴滴速控制。在电机 控制方面采用了模糊控制与线性控制相结合的方法。由于液滴滴速变化不均，采用采样次 数可变的算术平均滤波方法实现数字滤波，为控制系统提供了准确的依据。它采用分布式 微机控制系统，通过调整输液瓶的高度来精确控制最多可达 16 个输液器的点滴速度。系统 采用主从式结构，都采用 89c52 作为 cpu。从机通过光敏元件测定点滴速度，并通过步进 电机调整输液瓶高度，构成了一个闭环控制系统。可通过键盘设定所需点滴速度，设定范围 可达 20150 滴/分，调整误差5%，调整时间2 分钟。并可动态显示实时点滴速度。当液 面下降到 23cm 的警戒值时，可进行声光报警。 关关键词键词： ：输输液液监测监测器（前端机）、数据器（前端机）、数据图图形化、串行口通形化、串行口通讯讯、 、类类、 、对对象象 1 设计设计及及论证论证部分部分 1.1 系系统实现统实现功能功能 1.系统能够对正在输液以及未输液的所有输液设备进行实时监测，在电脑中反映出所有能 6 够监测到的情况。 2.可以随时在电脑中查看任何一个输液设备的详细信息。 3.能够对医院的疗区和病房等信息进行管理和维护。 4.能够对住院的每个患者在整个住院期间的输液情况进行自动记录，并可以补充其他信息 （如输液药品信息、医生医嘱信息等）。 5.提供直观的显示和操作界面、方便的数据查看。 1.2 方案比方案比较较， ，设计设计与与论证论证 1.2.1 控制方案比较 方案一：此方案是传统的二位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟控 制方式难以把精度做得很高，难以实现题中键盘设定和动态显示滴速及远程通信的功能。 如图 1： 图 1 方案二：此方案采用 89c52 单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。此 方案方便的实现了题中键盘设定和动态显示滴速等的功能，并且可以实现主从站通信的扩 展功能。本设计采用了方案二。如图 2： 图 2 1.2.2 液滴检测方案比较 方案一:采用电容传感器实现。电容是由两个电极中间加绝缘介质构成的。在滴斗的两 侧固定两个半圆型的金属片做极板，成为一个变介质的电容传感器。在没有水滴时，电容值 较小。当水滴从两个极板中穿过时，两极板间介质发生变化，电容值将发生变化。可采用电 桥电路来测试，也可采用 lc 振荡器，通过电容变化改变振荡频率。但此种方法电路复杂， 灵敏度低。 方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到 7 平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对透壁照射有一定的困难且容易受到 外部光源等干扰。 方案三：脉冲调制的红外对射传感器。红外发射管的最大工作电流是由平均电流决定 的，采用占空间比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬间电流会达到很大，大大提 高了信噪比，提高了系统的抗干扰能力。在光电器件的选择方面，有可见光（如激光、发光二 极管等），其优点是可见，容易调试。但由于与外界干扰光源光谱接近，易于受到干扰。红外 光源为不可见光源，由于红外线在空气中的折射率小于在水中的折射率，水对红外光吸收 较大。将液滴漏斗固定在一个黑色塑料盒里, 在滴斗左右端安装一个红外发射头和一个接 收头， 红外发光二极管与接收管处于同轴线上，一方面避免了灯光等信号的干扰，另一方 面提高了红外光的强度，当液滴下落通过漏斗时，由于液滴可近似考虑成小圆滴，它对红外 线的吸收较大，其外表面对红外光又有反射作用,使透过水滴的红外光强度受到衰减，因此 通过光电检测及信号处理可有效地检测点滴的信号。 根据以上分析，我们采用方案三。此方案的水滴检测示意图如图 5： 图 5：水滴经过光束前后的光强变化情况 1.2.3 点滴速度控制方案 方案一：对滴速夹进行松紧控制 对滴速夹进行松紧控制就是通过对滴速夹的松紧调节，改变塑料点滴管的形状以控制 液体的流速。这样的方法虽然直观，但存在很多的缺点。首先由于对管壁施压改变其形状， 其所施加的压力与流量改变的关系呈非线性，这给流量控制带来了难度。此外要在限定的 时间内完成滴速夹的制作有一定困难。总结上述原因，不采用此控制方法。 方案二：高度调节控制方案 题目要求在 3min 之内，控制系统本身能够根据设定值调节点滴速度并稳定。而速度设 定范围为 20150 滴/分。杆高 1.8m。 如果使用方案图 6，即采用电动机拉动点滴瓶高度来调节点滴的速度，由于要在 3min 之内有可能从最小调整到最大值，点滴瓶的运行距离就要通过计算来设定。 根据流速正比于根号下液面高度，如果假设 150 滴/分速度点滴瓶的位置在 1.6m 处。 出去人体血液压力等效产生 0.7m 的液位压头。实际可调节距离为 0.9m，则 20 滴/分的点滴 速度，点滴瓶就应该在 0.7+（20/150）20.90.27m。也就是说电机的最大单向位移要接近 0.9m。加上超调量、裕量等，考虑在最坏情况下（设定值从 20 滴/分到 150 滴/分变化），电机 8 总共需要移动的距离为 1.2m(加上 20的超调，10的裕量)。 方案三：电动机速度牵引改变点滴瓶高度控制滴液速度。 使用一台小型电动机，通过一个定滑轮由步进电机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改 变滴斗到受液瓶的高度 h，来调节点滴的速度，由于滴液的速度近似正比于高度到根高幂， 即 dh1/2,进而控制点滴速度。 方案原理框图如图 6： 图 6 方案三：改变点滴管道管阻 使用多级齿轮降速来驱动轮轴，轮轴通过螺杆前后运动压迫点滴塑料管道截面改变点 滴管道的管阻阻力，从而使点滴速度得到控制。方案原理框如图 7： 图 7 由于采用了减速机构，因此大大提高了驱动能力。 比较方案二、三，方案图 6 要求电机的速度较快，每分钟至少可以移动 0.4 m，但是太 快的电机拖动速度根据 p=fv 意味着很低的拖动力。由于廉价的小型电机功率有限，很难 做到拖动力和拖动速度兼顾，而方案图 7 采用了降速，提高了驱动能力，加上方案图 7 的位 移范围很小，在位移精确定位的条件下同时可以得到相对较高的移动速度。 因此，本设计采用方案三 1.2.5 储液液面检测方案 方案一：采用超声波脉冲回波方法测液位。测出超声波脉冲从发射声波到接收所需的 时间，根据超声波的声速及其发射传感器与夜面之间的距离计算出液位高度。由于短距离 内超声波在盲区影响精度，且超声波检测装置安装复杂，不太适合点滴速度监控装置。 方案二：采用电容传感测液位。在储液瓶的瓶身正对着贴两块金属薄片作为传感电容。因 为水的介电常数是空气的七十多倍，水位的变化引起介电常数的变化，从而引起电容值变化， 9 储液液面下降，电容两极间的介电常数减小，电容值随之减小，经过电容/电压变换器后输出电 压上升。当储液液面降到警戒线时，转换电压高于回差比较器阀值电压，比较器翻转输出开关 信号。不同种类的滴液由于介电常数不同，因而对测量精度有一定影响。 方案三：利用液面对光的反射原理来检测储液瓶的液位变化，当光线成一定角度由光密媒 质（滴液）射入光疏媒质（空气）满足全反射条件。在储液瓶外面固定一个与水平面成一定角度 的半导体激光器（斜向上），当达到警戒水位时，激光通过液面反射,反射光投射到硅光电池上 （见图 2）。激光器驱动可采用直流或 20khz 频率脉冲。直流驱动简单，但易受干扰，采用恒频脉 冲激励，在接收端采用选频放大，可有效地消除背景光的干扰。此方案简单、易行、可靠性高。 因此，本设计采用方案三。如图 8： 图 8 1.2.6 通信方案比较 方案一：并行方式。采用并行方式通信速率最快，但不适合于远距离通信。 方案二：使用 can 总线方式。can-bus 总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易 用性、传输距离远。但与 i2c 总线一样，一般单片机还没配备，外接功能芯片会占用较多 i/o 口，用于此性价比不高。 方案三：使用 rs485 总线方式。rs485 作为一种多点差分数据传输的电气规范被 应用在许多不同的领域作为数据传输链路。目前在我国应用的工业控制现场中，大多使用 rs485 半双工或全双工异步通信总线，它也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。 但是，基于在 rs485 总线上只能有一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散 控制单元之间。由于 rs485 总线本身存在点许多局限性，随着科技的发展，rs485 的总 线效率低、系统的实时性差、通信的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输 距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢的暴露出来。 方案四：采用一般芯片都有异步串行总线。两根信号传输线加一条公共地线即可实现 主站于 256 个从站间的双向数据通讯，且软件编程容易实现，通信协议可根据需要灵活定 义。当需要远距离传输时刻采用电流环来增强抗干扰性能，从而大大延长通信距离。 因此，采用方案四。 1.2.7 主从机网络通讯构建方案 方案一：辐射型网络 为了使分散在各处的的从机的信息能够简单、及时、可靠的传送到主机处，最简单的 办法是每一个从机都向主机链接一组数据线，这样可以使各个从机同主机之间的通讯使用 不同的数据线而互不干扰。可靠性、实时性较好。 方案二：总线型网络 使用同一根数据总线，各个从机“挂”在总线上。需要向主机传递信息的从机处于发送/ 接收状态，不需要信息传递的从机则保持侦听状态，等待主机的消息。 10 这种总线的网络拓扑结构最大的优点是连接线少，整个网络构成只需要很少的几根总 线。而它最大的缺点则是如果多个从机一起发送请求时会造成数据丢失。 2 芯片介芯片介绍绍 2.1 at89c52 单单片机片机 at89 单片机系列是世界上著名的半导体公司之一的美国 atmel 公司生产的。 atmel89c 系列单片机可分为低档型、标准型和高档型三类。 89c52 单片机是由微处理器（含运算器和控制器）、存储器、i/o 接口以及特殊功能寄存 器等构成，作为 89c52 单片机核心部分的微处理器是一个 8 位的高性能中央处理器（cpu）。 它的作用是读入并分析每条指令，根据各指令的功能控制单片机的各功能部件执行指定的 运算或操作，它主要由运算器和控制器两部分构成。 89c52 单片机主要由以下几部分组成：（1）cpu 系统： 8 位 cpu，含布尔处理器；时钟 电路；总线控制逻辑；（2）存储器系统：4k 字节的程序存储器（rom/eptom/flash，可外 扩 64k）；256 字节的数据存储器（ram，可再外扩 64k）；特殊功能寄存器 sfr；（3）i/o 口和 其他功能单元：4 个并行 i/o 口；2 个 16 位定时/计数器；1 个全双工异步串行口；中断系统（5 个中断源、2 个优先级）。89c52 单片机有微处理器（含运算器控制器）、存储器、i/o 接口以 及特殊功能寄存器 sfr 等构成。51 系列单片机的应用模式有总线型单片机应用模式和非总 线型单片机应用模式。通常的微处理器芯片都设有单独的地址总线、数据总线和控制总线。 但单片机由于芯片引脚数量的限制，数据总线与地址总线经常采用复用方式，且许多引脚 还要与并行 i/o 口引脚兼用。 2.1.1 89c52 输输入入/输输出引脚出引脚简简介介 （1） p0 口（3932 脚）：p0.0p0.7 统称为 p0 口。在不接片外存储器与不扩展 i/o 口时， 可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展 i/o 口时，p0 口分时复用为低 8 位地 址总线和双向数据总线。 （2） p1 口（18 脚）：p1.0p1.7 统称为 p1 口，可作为准双向 i/o 口使用。对于 52 子系 列，p1.0 与 p1.1 还有第二功能：p1.0 可用作定时器/计数器 2 的计数脉冲输入端 t2，p1.1 可 用作定时器/计数器 2 的外部控制端 t2ex。 （3） p2 口（2128 脚）：p2.0p2.7 统称为 p2 口，一般可作为准双向 i/o 口使用；在接 有片外存储器或扩展 i/o 口且寻址范围超过 256 字节时，p2 口用作高 8 位地址总线。 （4） p3 口（1017 脚）：p3.0p3.7 统称为 p3 口。除作为准双向 i/o 口使用外，还可以 将每一位用于第二功能，而且 p3 口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出 或第三功能。 （5）rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。 （6）ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期 输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时 目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 11 （7）/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期 两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 （8）/ea/vpp：内外存储器选择引脚/片内 eprom 编程电压输入引脚。当/ea 保持低电 平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密 方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 （9）xtal1：晶体振荡器接入的一个引脚。 （10）xtal2：晶体振荡器接入的另一个引脚，来自反向振荡器的输出。 （11）vcc：电源接入引脚。 （12）vss：接地引脚。 2.1.2 89c52 的存的存储储器配置器配置 89c52 的片内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器（256b）。当然，还可以根据 需要对存储器进行外部扩展。 1.从物理上分，89c52 的存储器有 4 个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片 内数据存储器和片外数据存储器。 2.从逻辑上分，89c52 有 3 个存储器地址空间：片内外统一的 64kb 的程序存储器地址 空间、256b 的内部数据存储器地址空间（其中 128b 的专用寄存器地址空间，仅有部分字节 有实际意义）和 64kb 的外部数据存储器地址空间。 3.为了区分不同的存储器空间，在用指令访问这三个不同的逻辑空间时采用了不同形式的 指令 2.2 电电可擦除可可擦除可编编程只程只读读存存储储器（器（e2prom） ） e2prom 是一种可用电气方法在线擦除和再编程的只读存储器。它既有 ram 在联机 操作中可读可改写的特性，只是写操作需要较长的时间；又具有非易失性存储器 rom 在掉 电后仍然能保存原存储数据的优点。目前，e2prom 已在片内集成了需要的所有外围电路、 数据锁存缓冲器和地址锁存器、擦除和写操作脉冲定时、编程，使用方便。 后研制的快擦写（flash）存储器，其存储容量大，变成速度快，获得广泛应用。对于 flash mmemory 有不同的脚法，有的半导体器件手册称之为“闪光”存储器、 “闪烁”存储器、 “快 闪”存储器或者“闪速”存储器。这种存储器既不会闪光，也不会“闪烁”，也不是说此类存储器 是“极高速的”，从其命名的本意说，这类存储器相对于 e2prom 芯片，可以用电气的方法快 速的进行擦写，因此，称之为快擦写存储器比较贴切，简称 flash 存储器。 由于 flash mmemory 不需要存储用的电容，相对 dram 来说，集成度高，制造成本低。 它使用方便，既具有 sram 读写灵活和较快的访问速度，又具有 rom 断电后不丢失信息 的特点，所以 flash mmemory 的技术发展很快。 3 理理论论分析分析 3.1 pid 控制算法控制算法 pid 是一种在单片机控制中常用的算法，pid 控制由于其具有控制方法简单、稳定性 好、可靠性高和易于现场调试等优点，被广泛应用于工业过程控制。其输入 e(t)与输出 u(t) 的关系为 12 数字 pid 控制算法是以模拟 pid 调节器为基础的，由于单片机是一种采样控制，它只 能根据采样时的偏差计算控制量。如果采样周期 t 取得足够小，采样数值计算的方法逼近 可相当准确，被控过程连续控制十分接近。离散化后的 pid 算式为 式中，k比例系数 uo偏差为零时的控制作用 ti积分系数 td为分系数 t采样周期时间 以上公式称为位置式算法。由它可推出增量式算法 在本设计中采用了增量式算法，这是由于增量式算法只需要保持以前三个时刻的偏差 即可，既节省了资源又不会产生较大的累积误差。式中各系数由反复时间后确定，实验证明， 这种控制方式可以加快系统响应，并且具较高的精度。 4 系系统设计统设计 4.1 主站部分主站部分 主站采用 89c52 作为微处理器，以 62256 作为片外存储单元。74hc373 作为地址锁存 器，以实现单片机地址和数据的分时传颂。串行 e2prom24lc16 用于掉电存储数据。 max813l 用作“看门狗”定时器和复位控制器使用。系统中还使用了一片 gal16v8d 对高 位地址和读写控制信号进行编码，一边简化系统总线。 主站核心部分电路原理图见附录 1 友好的操作界面和灵活的监控方式是主站设计的两大特色。液晶显示的中文菜单提示 及操作信息使一个并不熟悉本系统的用户可以正确的对本系统进行操作，各种声光报警信 息和中文提示对话框可以帮助监控者快速的了解并处理异常事件。对特定从站的远程监控 时监控为用户远程操作提供了极大方便。 4.1.1 主站键盘和显示部分 12k64 液晶显示模块可工作在字符和图形两种模式下，我们通过编写功能函数实现了 13 图形和字符的混合显示，进而开发了菜单处理函数和消息框弹出函数。是本系统实现了全 中文菜单操作，系统操作功能的选择、数据的输入都十分清晰明了，使人机交互变得简单友 好，符合以人为本的设计理念。 图示主站的操作菜单流程图如图 9： 图 9 主机键盘显示系统和通讯系统电路如图 10： 图 10 14 实控从机完成实际测控，由键盘显示系统、通讯系统、步进电机控制接口、传感器调理 电路和报警输出电路组成。由于光电元件输出的为不规则的脉冲信号，故用电压比较器和 施密特触发器整形后再送 cpu 计频。报警蜂鸣器的驱动电流较大，故用 oc 门驱动。传感 器信号为两路，一路测点滴速度，一路监测液位高度。由于采用了步进电机驱动器，电机控 制接口只输出脉冲信号即可。 4.1.2 电源设计 由于+5v.+12v 和-12v 为单片机系统常用的电源,所以我们提前设计制作了一套可同时 提供这三种电压的稳压电源,精确度较好. 其+5v 的电源原理图如图 11：（12v 的电路原理跟+5v 相同） 图 11 4.1.3 主站软件流程 主站软件流程如图 12: 图 12 15 4.2 从站部分从站部分 从站采用 89c52 作为微处理器。24lc16 用于掉电存储数据。max813l 用作“看门狗” 芯片。系统中使用了一个蜂鸣器和一个发光二极管实现声光报警。gal16v8d 对单片机输 出的三条电机控制线进行译码，并将译码后的控制信号传递给步进电机控制芯片 l293b， 以使步进电机按照单片机的指令正常工作。从站核心部分电路图见附录 2 各从站除具备主站的控制功能外，还添加了手动控制功能，给现场的操作者更大的自 主权。传感器电路的合理设计与数字滤波的应用使得计频精度及稳定性大大提高。 4.2.1 点滴检测 当输液器滴液管中无水滴滴下时，红外发光二极管发出的光线透过空气直接射到接收 头上，见图。光电检测电路输出端电压呈低电平。当有水滴经过时，水滴相当于一个凸透镜。 由于水滴很小，也即表面曲率半径很小，导致凸透镜焦距很短，当光线透过水滴到达光电检 测器时，呈发散状态，见图（19）,光电检测电路接收到的有效光量大大减弱，光电检测电路 输出端形成一个正脉冲。通过对脉冲周期的测定来实现对滴液速度的检测。由传感器电路。 见图 19： 图 19 4.2.2 点滴速度控制模块 机械原理：由小电机通过变速箱带动偏心轮挤压输液导管，从而达到调节点滴速度的 目的。如图 21： 图 21 16 偏心轮是一个圆周上各点半径不同的实心轮，通过转动挤压输液导管，由于圆周上各 点半径不同，与挤压输液导管的挡板半径距离不同，致使输液导管的挤压程度不同，只要控 制外齿和内齿的比值或齿轮数，就能精确控制点滴速度。因为外齿和内齿的比值越大或齿 轮数的比值越大或齿轮数越多，控制偏心轮转动的角度越精确，如外齿轮和内齿轮的比值 为 120：1，齿轮数为 3，即前级电机带动齿轮转动一圈（360 度），后级带动偏心轮的齿轮只 转动 1 度，所以只要控制小电机所转圈数，就可以控制偏心轮的所转角度，从而达到步进电 机精确控制的效果，而且力矩比同功率的步进电机大几百倍，同时齿轮上加安装了红外计 数传感器，用以检测前级齿轮所转圈数，从而可计算出后级齿轮所转角度，再配以简单的驱 动电路和软件控制，就可以实现点滴速度的精确控制。 为了节省单片机定时器的资源，以便处理其他控制过程，本系统还采用可编程逻辑器 件 epm7064 控制点滴速度，其原理图见下。cpld 模块由三个部分组成：接口部分，预置分 频部分，输出控制部分。 接口部分负责和单片机接口，将单片机传来的串行脉冲转化为并行预置书，以便送到 由 race00 模块（内部原理图见下）组成大预置分频部分来产生脉宽可调的方波，最后由输出 控制部分来决定脉宽可调的方波由 out1 还是 out2 输出来控制电机大政反转和速度。 race00 模块通过改变 8 位可预置分频器的预置数来达到脉宽可调的目的。其中 8 位可预置 分频器产生的脉冲上升沿不但使 t 触发器反转，而且还有使 8 位可预置分频自锁不计数的 作用。这个自锁过程将一直持续，直到经标准 256 分频产生的脉冲上升沿来到才可解除，同 时这个上升沿还使 t 触发器反转进入下一个周期，如此循环便产生一连串脉宽可调的方波。 其中两个上升沿的时间间隔即为脉冲的宽度。 电机控制部分利用 tip41，tip42 等中功率管实现了对电机的轻松控制，有效防止电机 启动时电流过大而烧坏三极管点情况。两个控制端输入信号可控制电机的转速和方向。 4.2.3 步进电机的驱动 通常驱动步进电机可以用一个 l297，一个 l298 组成驱动电路。 但经过仔细分析步进电机的控制原理，我设计了一种更为简单的驱动电路如图 13： 图 13 17 4.2.4 警戒检测 当光电二极管的光源与接收器在同一介质时，光电二极管导通，两端电压呈低电平。 当液面降至光源与接收器中间时，产生全反射现象，此时接收器无法收到光源发射出的光 线，见图，使光电二极管无法导通，两端电压呈高电平，触发器报警系统发出报警信号。见 图 20： 图 20 由于水与玻璃表面会产生“浸润”现象，如果将光源置于液面下方，则光线仍会透过液 面浸润部分传播，从而被液面上方的接收器接收到，导致无法触发报警系统。但由于光线传 播具有可逆性，可以任意设置光源与接收器的孰高孰低。现将接收器置于夜间的下方，利用 全反射现象，接受器只能就收到某一角度射来的光线 l 的特点，可以避免错误接收“浸润” 现象的杂散光线，避免警戒报警“失灵”现象。 4.2.5 传感及测量电路 传感及测量部分电路原理图。传感及测量部分电路原理图如图 14： 图 14 红外对射传感器。红外对射传感器是红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现 电红外线电的转换。由于红外光波长比可见光长，受可见光的影响较小，且红外系统具 有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。因此是检测水滴滴速首选传感器。 工作原理。为了减少环境光源的干扰、增强信噪比，我采用脉冲调制方式。发射、接收的 具体电路如下，发射部分采用 74hc14（具有施密特功能的六反相器）与电阻电容组成的电 18 路来产生 100hz、占空比为 1：5 的方波脉冲，如图 15： 图 15 公式推倒。74hc14 是具有施密特功能的六反相器，由 74hc14 构成的多谐振荡电路，如 图 16： 图 16 74hc14 输入输出点的波形如图 17： 图 17 解调电路原理与各点波形如图 18： 图 18 通过上边的原理图和时序图，可以对解调有简单的了解。 延时测算公式为 t=0.7r1c（t 表示延时时间大小）。 4.2.6 数字滤波 传感器采集的信息常会受到干扰。为了提高采样的可靠性，减小虚假信息的影响，采用 数字滤波。它与模拟滤波相比具有以下优点： 数字滤波是用程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个 19 通道共用，提高稳定性和可靠性。 可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。 数字滤波的灵活性好，可以有很多方法实现如中值滤波、平均值滤波等。本设计采用的程序 是根据经验确定两次采样允许的最大偏差x。若先后两次采样的信号相减数值大于x， 表明输入的是干扰信号，应该去掉，用上次采样值作为本次采样值。如小于x，表明信号没 有受到干扰，本次采样之有效。 4.2.7 掉电数据存储 每对从站进行一次新的设置，从站单片机都将设置的数据存入串行 e2prom 24lc16 中，每次上电后从站单片机都从 24lc16 中读取最近一次设置值。 4.2.8 从站软件流程 从站软件流程如图 22： 图 22 4.3 通信部分通信部分 4.3.1 主从机网络通讯方案 扩展部分的要求主要是主从机间通讯，题目要求使用最少的通讯线路，根据前面分析，总线型的网 络拓扑使用线最少。但是由于多台机器共同使用一条总线，信道分配、握手协议、命令分配等软件编制工 作量较大，但结合成本因素，决定选择总线型结构。 4.3.2 通信方案的选择和硬件结构 单片机本身具有完整的串行口通信功能，可通过 txd、rxd 传输线及地线三线来实 现多机通信，能实现全双工通信。见图 23： 20 图 23 根据尽量减少信号传输线的要求，考虑本系统通信量很小，且对实时性的要求也不是 很高，只需要半双工通信就能较好的满足要求，因此我采用两线制总线串行传输方式：利用 三态门实现传输线的 rxd/txd 切换，分时占用同一对信号线，使传输线数量达到最少，见 图 24： 图 24 4.3.2 通信报文协议 此通信系统为主机与从机的多级半双工通信系统，完成主机对从机的监测与控制功能。 开机时，从机设定从站号，主机对各从机进行查询，如果在规定时间内无响应，则认为 从机为关闭状态，显示 8 条“”线。检测到从机时，显示从机的当前状态。 主机控制报文格式： 从站号主机查询模式0fh0fh0fh 1 字节1 字节1 字节1 字节1 字节 从站号：首次报文的从站号地址。当从站收到此报文时，如站号与此号相同，则查看后面的 字节，否则转发。 主站查询模式：用 0bbh 表示。 主机应答报文格式： 从站号：同上 应答模式：分为正确和错误：0ddh 表示正确；0cch 表示错误。当收到从机返回的正确应答 信号后，进行校验，如正确为正确模式，否则为错误模式。 从机返回的正确应答报文格式： 主机号当前从机号实际速度告警校验 从站号应答模式0fh0fh0fh 1 字节1 字节1 字节1 字节1 字节 21 1 字节1 字节1 字节1 字节1 字节 主机号：主机的地址：用 00h 表示 当前从机号：从机显示的站号 实际速度：检测出的点滴实际速度 告警：当从机发生异常情况时，置为“1”，否则为“0” 校验：同上 从机返回的通信出错报文格式： 主机号当前从机号接受出错0fh0fh 1 字节1 字节1 字节1 字节1 字节 主站号：同上 当前从机号：同上 接受错误：用 0eeh 表示 5 界面界面设设计计 5.1 系系统统管理管理 5.1.1 用户管理 本模块管理使用本系统的用户。用户分为超级用户和普通用户两类，超级用户可以使 用系统的所有功能，普通用户只能使用部分功能（修改密码、输液监测、患者病历管理）。 5.1.2 修改密码 本模块用于用户修改自己的密码。修改密码时要求输入源密码和 2 遍新密码，经确认 后生效。 5.1.3 通讯设置 本模块用于设置软硬件通讯相关的参数，系统将根据这些参数工作。涉及到系统使用 的串行口列表（默认只有 com1）、波特率（9600bps）、数据位（8bit）、停止位(1bit)、校验位(无)。 当同时使用多个串行口通讯时，要重新为每个串行口绑定挂接的设备（根据编号）。系统正 常工作后将根据绑定关系来建立串行通讯处理机并连接相应的设备进行通讯。 5.2 基本信息管理基本信息管理 5.2.1 疗区信息 编辑、浏览和打印与医院疗区相关的数据。一般的大、中型医院会有 3 个，多的会有几 十个，每个疗区会有专门的医生办公室、护士站、病房等。因为本系统最重要的用途在于及 时的通知值班护士或医生处理患者在输液中出现的各种情况，所以安装系统监测软件的微 机位置必须设在护士站（值班室）内。这样每个疗区的护士站都会有一台微机用于监测，为 了便于医院对所有疗区的输液情况进行观察和管理，便于对所有的输液数据进行统一对比 分析以得出更具价值的结论，所有疗区的监测系统应该具有通过局域网统一管理的接口， 也就是本系统的网络版。虽然本系统不涉及网络版的设计，但是在设计数据结构和程序结 22 构时已经为接下来有可能开发的网络版提供了方便。 5.2.2 病房信息 对病房数据进行管理，因为每个病房内都会有病床，在设计本模块时应考虑到数据录 入的方便性。提供快速生成病房病床数据的功能，此功能可以供托基本信息管理界面提供 的数据携带功能来实现。 5.2.3 病床信息 对病床的数据进行管理。病床的自然属性，如朝向、在房间中的位置、等。与床位相关 的设备信息等。 以上的基本信息具有层次关系，对于它们的管理不益分开，所以设计了统一的管理界面来 综合管理所有的基本信息，既便于查看，也便于数据修改。 5.3 输输液液监监管管 此模块是本系统的核心模块，没有本模块，系统无法进行监测。默认情况下，本模块将 作为本软件系统的主窗口显示内容，操作界面类似于 windows 的资源管理器，对于所有设 备的监测显示有文字列表、小图示、大图示三种形式，右键菜单可以进行与该设备（或该床 位、当前使用患者）相关的数据管理操作。左侧列表列出疗区、病房、床位的选择树，选择后， 在右侧显示选中范围内的所有设备（床位、患者）数据。此模块的核心将处理通讯和显示操 作，对于显示操作，若系统使用了 lcd 显示大屏幕，则在微机显示的同时，要将设备监测情 况显示在 lcd 大屏幕上（通过核心的串行口通讯输出显示数据到 lcd 大屏幕）。 5.4 患者病患者病历历管理管理 5.4.1 入住登记 此模块在患者入院（入住到本疗区）、或调床（登记信息变更）时使用。将在此模块提供 的界面上，录入或修改患者的自然信息，安排并记录床位。 5.4.2 退床登记 此模块在患者离院退床时使用，此时要将其使用的床位信息标为空闲。可以在此模块 酌情添加打印住院记录（病历）的功能。 5.4.3 记录病历 此模块用于在患者住院期间，有医生或护士记录患者的病历，也可能包括护理记录，如 体温测量记录、血压测量记录等。界面同入住登记。 5.4.4 记录输液辅助信息 此模块用于在输液时或输液后由护士输入患者每次输液所输药液的成分和剂量。 23 5.4.5 查看输液记录 此模块用于查看患者的输液记录，此输液记录当然也是病历的一部分，但是可以单独 处理和打印。 6 总结总结 本设计在硬件上，充分使用了红外传感器技术，加上合理的背景光消除措施，使系统的 抗干扰性能大大提高。另外，主站采用点阵式液晶显示是本设计的一大特色，从而得到了设 计所需的显示画面。在软件方面，我们实现了 avr 单片机和 89c52 单片机的有机结合，充分 利用了 at90s8515 型 avr 单片机的强大功能，实现了主从站的通讯；而在电机的控制方面 则用 avr 单片机就得到了体现。其设计特点如下： 1、采用水滴的外表面对红外光的散射和水滴对红外光吸收的特性，使红外接收管的检 取信号幅值发生变化，并对信号的幅值波动及毛刺等进行有效的处理，产生稳定的滴数信 号。 2、液面检测采用小功率半导体激光器（3mw、波长为 0.63m）,其光斑小、光束可见，便 于调节与定位，并采用 20k 脉冲驱动激光器，并对检取信号进行解调，有效消除背景光的干 扰。 3、采用有机械减速的直流电机控制滴瓶的上下，采用模糊控制可使滴瓶快速准确的到 达预定位置。停电时，滴瓶无下滑，并有按键在检测前可控制电机运行到任意设定位置，为 操作者提供方便。 4、电机控制采用模糊控制与线性控制相结合的方法，实现滴瓶位置的粗调与细调，可 快速准确的控制滴瓶达到设定的位置。 5、由于电机控制中的晃动，使滴液速度有变化，在软件方面采用了采样次 数可变的算术平均滤波方法，为控制电机提供了准确的控制依据。 6、主站采用液晶汉字显示，并有语音提示报警。从站采用蜂鸣器、发光二极管报警。 7、从站采用 avr 单片机控制，其内部的 eeprom 可保存设置滴数，掉电后信息不丢 24 失,从而避免了每次上电需设置数据的繁琐工作。此外利用片内的看门狗定时器可防止软件 受干扰而实现自动复位。从最终的测试结果来看，本设计具有贴近生活及具有较强的适应 能力，完成了题目的各项要求。 本系统占用系统资源少，对工作环境要求不高，奔腾以上 cpu，32m 内存即可运行。操 作系统支持 win98/win2000/winnt。 7 感感谢谢 之所以能过取得满意的结果，和设计前期所作的大量资料收集和研究试验的工作密不 可分。正是通过正确的平台选择、工具选择，模块化、对象化了各个功能模块，使得整个系 统能够有合理的功能结构、稳定的性能和较高的工作效率。 从问题的提出开始，经历了搜集资料、做通讯实验、总体设计、详细设计、编码调试各 个阶段。在每一个阶段都要求得到阶段性成果，同时也深深的感觉到书本知识和实践的差 距，如果没有这种实践的经历，书本知识永远只是书本知识，会因为没有实践的验证和巩固 而逐渐淡忘。只有将学到的知识用于实践，知识才能真正意义上被掌握，被发挥作用。 经过几个月的毕业设计实践，我接触到和学到了非常多的知识，有了非常大的收获。同 25 时我感谢老师一直以来的悉心教导，在几百个风雨无阻的日子里，辛勤付出，使我有机会了 解电子信息科学与技术这门专业。当然我们的能力有限，希望能够在将来的实践生活中得 到历练。在几个月的毕业设计过程中，我得到宫贺老师的认真指导，他耐心的指导大家做试 验、修改论文，并定时组织大家开会讨论，甚至占用自己的休息时间，有时在下班后几个小 时后还待在办公室，而且非常耐心的解答同学们的疑问。我深深钦佩老师的这种精神。再次 感谢老师。 同时我要感谢家人的支持，没有他们作为坚强的后盾，我深知自己不可能健康地成长 到现在，并能够参加这场毕业设计。还有，我要深深的感谢与我共同生活学习的同学朋友们， 四年里，大家互相帮助、互相扶持，一起克服艰辛的困难、一起品尝甜美的成功。在这短暂 的四年里，我努力完善这自己的人格，使自己成为真正意义上的一个社会分子，使自己能够 保持原则并清醒担负起社会责任，走向成熟。大学真正历练了我，是我有别于进入这个校门 前的懵懂无知的天真少年，我真的很庆幸自己人生的这次完美经历。 26 8 感感谢谢 之所以能过取得满意的结果，和设计前期所作的大量资料收集和研究试验的工作密不 可分。正是通过正确的平台选择、工具选择，模块化、对象化了各个功能模块，使得整个系 统能够有合理的功能结构、稳定的性能和较高的工作效率。 从问题的提出开始，经历了搜集资料、做通讯实验、总体设计、详细设计、编码调试各 个阶段。在每一个阶段都要求得到阶段性成果，同时也深深的感觉到书本知识和实践的差 距，如果没有这种实践的经历，书本知识永远只是书本知识，会因为没有实践的验证和巩固 而逐渐淡忘。只有将学到的知识用于实践，知识才能真正意义上被掌握，被发挥作用。 经过几个月的毕业设计实践，我接触到和学到了非常多的知识，有了非常大的收获。同 时我感谢老师一直以来的悉心教导，在几百个风雨无阻的日子里，辛勤付出，使我有机会了 解电子信息科学与技术这门专业。当然我们的能力有限，希望能够在将来的实践生活中得 到历练。在几个月的毕业设计过程中，我得到宫贺老师的认真指导，他耐心的指导大家做试 验、修改论文，并定时组织大家开会讨论，甚