基于AT89C51单片机《医院输液监控系统》.doc

引言静脉输液是临床医疗工作中常用的辅助治疗手段，在我国临床应用非常广泛，是一种利用液体静压原理使液体下滴，经静脉输入大量无菌溶液或药物的治疗方法。在进行静脉输液的过程中，需要根据输注的药物和患者的病情对输液进度进行实时监控。目前，普遍采用人工方式进行监控，对病人来说，存在很多潜在的危险。当输液瓶中的药液输完或药液发生堵塞时，医护人员若未能及时处理，就会发生回血或其他危险，给病人造成痛苦甚至发生医疗事故。目前，国家在医疗体制改革和医学模式转变过程中，静脉输液在医疗中占有重要的地位。针对现有静脉输液中存在的问题，采用光电检测、单片机和通信技术，设计了输液自动监控装置，它能够轻松地实现对液体滴速的检测显示与控制，当输液液体低于设定位置时的声光报警，并通过串行口与主机相连，实现远程集中控制功能。该装置的使用在增加输液安全性的同时也减少了医护人员的劳动。 摘要针对目前我国大部分医院在对病人进行静脉输液治疗是医护人员监护任务繁重的问题，设计了一套面向所有大中小医院和诊所的医院输液监控系统。本系统以pc为上位机作为整个系统的控制监控中心，用单片机at89c51为核心作为下位机通过光电传感器对吊瓶的液位进行检测及报警，并对滴速进行精确地检测与控制。上位机与下位机用rs485总线进行串行通信，能够使医护人员实时了解输液状态。论述了该系统的检测原理、总体结构、主要功能部件设计和软硬件系统的组成。该系统低功耗、成本低、性能稳定、便于携带、实用性强。关键词：输液监控、at89c51、串行通信、rs485abstract aiming at the heavy problem of nurses in most of our hospitals when carry on transfusion to the patients currently and then designed a set of system which is called fluid infusion supervision system .it is faced to all the hospitals and clinic. this system take the pc as its master machine. the pc is the controler of the whole system. take the single chip at89c51 as a core of the next machine which will test and display the level of the liquid bottle. it can examine and control the speed of lose a liquid accurately. pc communicate with single chip by the total line of rs485.it can make the nurses know the status of loses liquid while patients take the personnel solid. discussed the constituting of examination principle, total structure and main function parts design and the constitution of software and hardware system. the system is low achievement consumes, low cost and stable function and easy to take, the function is strong.keywords: supervision of transfusion;at89c51; signal communication;rs485第1章 绪论1.1 选题背景及依据静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段，但目前大多数医院及医疗机构都没有实现输液的自动监控管理，从而在输液过程中，当输液完成需要换药时，需要医务人员发现及时，否则就会出现空气进入血管内形成空气栓赛，凝血堵塞针头等情况，轻则延误治疗，重则会危及病人生命安全，发生医疗事故。平时临床输液中采取的应对措施一般是由患者、陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况，从而加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理。随着电子技术的发展，结合临床实践，可以开发基于单片机的医院输液监控系统来代替人工监护，即减轻医务人员的工作强度及病人和医务人员不断观察输液是否完成而形成的压力，同时管理系统记录输液过程，并能够作为医疗档案，为解决各种医患纠纷提供证据，又实现医疗护理自动化和智能化。1.2 主要研究内容课题主要研究系统结构设计，采用主从式结构，输液过程中液位的检测、滴速的检测显示与控制，报警系统的设计，通信系统的设计，传感器及各种器件的选择与计算等。1.3国内外发展现状输液在国内具有巨大的市场规模与市场容量。2002年，我国输液销售总量为60亿瓶，销售总额超过500亿元。据分析，我国输液的总体市场潜量高达120亿瓶。在如此大的输液市场下，医院进行输液用药治疗时，对患者输液进度的监控，普遍由患者、陪护人员或医务人员来进行。一方面影响病人休息和治疗，也给医护人员的高效工作带来了诸多不便。实时输液监控已成为现代医疗中必需的一部分。德国的费森尤斯集团其产品orche stra 中的 base intensive是一个提供输液数据管理的输液工作站, 主要用于icu 病房，让icu医生拥有功能强大的输液管理系统。德国贝朗公司开发的输液治疗监护管理系统，也主要用于icu病房，它集输液治疗监护于一体，具有药物列表输注模式选择、同步信息显示、药物走势记录等功能。医生根据患者病情在药物列表上选中某药，就可以设置该药的输液速度。现在国内这方面的研发还不多,并且耗资巨大。由此可看出，在输液监控方面，国内和国外都在开发大型的、多功能的自动输液监控系统，这些设备在实现强大功能的同时也有很大的体积和不菲的价格，并且很多输液监控系统都是在大型医院集中使用，非常不适用于社区医疗的输液实时监控，不可能在大多数的医疗过程中普遍使用。第2章 系统总体结构设计根据医院的床位和护理要求，本系统的基本思想是操作的集中化和控制的分散化，即采用分布式控制系统。通过高速的数据通信，把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作。2.1 主要内容、功能及技术指标1.通过串行通信方式构成主从式结构，pc作为主机收集各从站的实时信息，从机将各种实时信号送给主机以便实时监控和记录。2.从机由单片机构成，完成对某一输液控制过程的监控。包括：光电传感器、脉冲整形电路、二极管显示电路、声光报警电路等。3.从机数目不少于32，滴液速度1/31/5滴每秒。2.2 系统总体结构设计该输液监控系统由主站和从站两部分组成（其框图见图2-1）：第一部分是由计算机pc和实时监控软件组成的上位机（即主站监控中心）管理监控系统。第二部分是以单片机at89c51为核心及其外围设备构成的智能检测和控制系统。主控pc机作为上位机用于监控所有的输液终端输液情况，输液监控终端所检测到的各种数据通过rs485总线传送给主控pc机，完成系统功能。当吊瓶中的液体低于设定值时，系统自动发出报警信号，提醒医护人员进行相关处理。单片机系统能够完成输液滴速的监测与显示。在输液监控终端选用rs485收发器芯片max485完成由单片机到rs485串行数据接口标准的转换。主控pc机采用485he外置型rs232/rs485转换器，直接插入pc机的串口，利用pc机串口供电，具有接收发送自动转换，无需rts控制，软件兼容广泛。本系统采用rs485总线主要是因为rs485总线在硬件方面具有通信距离远 (可达1219m )，能实现点对多点通信，总线电路简单，安装方便，也克服了rs232通信距离近，只适合于点对点的缺点，跟其他总线相比，在软件方面具有总线协议简单的优点。系统包括光电传感器，脉冲整形电路，二极管显示电路，声光报警电路等。从机的数目为32个，将这些实时的信息传送到主站以便实时监控和记录。图2-1 系统原理图2.3 系统主要功能1.可对输液速度进行精确地实时检测与显示；2.当输液的速度与设定的速度不相等时，能通过步进电机对输液速度进行调节；3.能将病人输液进度信息送到主站，医护人员就可以同时对多个病人的输液进度进行监控。可直接把报警信号发送到主站，提醒医护人员进行处理。4.可在输液过程中进行人为地强制报警；同时当液体低于设定位置时，即输液结束时可自动报警；2.4 系统工作原理 系统工作原理如图2-2所示 ,输液液滴的速度v可以用v = kapm表达，其中a为流通截面积，取决于管夹对输液软管夹力引起的软管变形的大小，变形越大，流通截面积越小；p为压差，取决于吊瓶悬挂的高度，悬挂的高度越高，压差越大；k为比例系数，取决于液体的粘度等一些流体特性；m为流量特性指数，介于0.5到1之间。本文利用手动调节输液软管变形的大小，需要什么样的液滴速度，就通过调节手动调节旋钮调整流通截面积。 图3-2 系统工作原理图吊瓶液面监测系统，用于检测剩余液体的数量，安放在吊瓶悬挂夹上。当剩余液体达到下限时，系统发出报警信号，提示医护人员进行处理。第3章 硬件系统设计3.1 上位机的设计上位机采用计算机控制技术，以目前被广泛采用的pc机作为多床位的监控中心。建立友好的用户界面，便于医生和护士操作。接收从下位机传输上来的实时数据并显示和报警。整个系统的监控是由上位机的运行的监控软件来完成的。3.2 下位机的设计下位机以单片机at89c51为核心，辅以必要的外围设备及电路，实现了滴速的检测显示以及吊瓶液位的检测和报警。其系统框图见图3-1：图3-1 下位机原理框图3.2.1 单片机处理部分设计设计的思想是实用和小型化，中心处理部分主要采用at89c51单片机。at89c51单片机完全可以满足本系统的设计要求，相对于其他具有相当功能的器件来说，具有价格便宜，对环境要求不高，工作稳定等优点。at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（rom）和128 bytes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，兼容标准的mcs-51指令系统，内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域。1.功能特性概述：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，一个全双工串行通讯口，片内振荡器及时钟电路，见图3-2 at89c51 功能方块图。同时，at89c51可降至0hz的静态操作，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、串行通讯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他所有部件工作直到下一个硬件复位。图3-2 at89c51 功能方块图atmel的at89c51是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-3所示：图3-3 at89c51的管脚图2.管脚说明：vcc：供电电压；gnd：接地；p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在fiash编程时，p0口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收端。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。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。/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。ea/vpp：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。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.时钟振荡电路设计at89c51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，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，振荡电路如图3-4。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶振的振荡频率为12mhz，故而一个机器周期为1us。图3-4 时钟振荡电路外接石英晶体及电容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、起振的难易程度及温度稳定性。外接石英晶体，电容使用30pf10 pf。4.复位电路设计复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。复位操作有上电自动复位和手动复位两种方式。为了方便医护人员操作，设计采用上电自动复位的方式。上电自动复位是在加电瞬间电容通过时间来实现的其电路如图3-5。在通电瞬间，电容c通过电阻r充电，rst端出现正脉冲，用以复位。只要电源vcc上升时间不超过1ms，就可以实现上电自动复位，即接通电源就可以实现系统的复位初始化。关于参数的选定在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。这里选用的是12mhz的石英晶振，可取c=10f，r=8.2k。图3-5 上电复位电路3.2.2液位检测电路设计根据本系统液位滴速检测的特点，只能选用光传感器中的光电传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。1. 光电传感器原理由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上。所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。 光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，pn结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极-发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流iceo=（1+）icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流ic=（1+）ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。2.光电传感器的结构光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(led)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。3.光电传感器的分类和工作方式 槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。4传感器的选型在上面四种类型的光电传感器中，最适合液位滴速检测的是对射型光电传感器。采用红外发光二极管作为发光器，用光敏三极管作为收光器，制成一个对射型光电传感器,采用直射式将发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端。（1）发光管选用广州某电子公司型号为ir204c-a的红外发光二极管，其实物和参数见图3-6：图3-6 r204c-a红外发光二极管实物参数图（2）接收管选用该公司型号为pt928-6c的红外接收三极管，其实物和参数见图3-7：图3-7 pt928-6c红外接收三极管实物参数图5.液位检测原理:将红外光发射-接收对管固定在吊瓶两侧，红外发光二极管发出红外光，光线透过吊瓶照射到光电三极管，光电三极管将接收到的光信号转换成电信号输出。系统要求当瓶内液面降到23cm时，能发出报警信号。这里的关键是如何检测到液面高度，采用红外对管实现。让红外发射和接收管正对放置在瓶子两边。根据接收信号强弱不同，用触发器或比较器处理，可得到水位到达临界线时会引起较大的电信号差异，由此判断水位到达警戒线，单片机发出报警信号。其信号通过电子线路输入数据处理模块处理后，报警处理模块自动发出输液终点提示。6.液位信号红外检测电路设计在红外监测中，当没有液滴落下时，输出电压为 0 v，当有液滴落下时，液滴挡住了由发光二极管发射的红外光，使接收管的感光量受到影响，输出一个脉冲电压。该脉冲电压只有几毫伏，采用运放lm324对此脉冲信号进行放大。（1）通用型低功耗集成四运放lm324为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。lm324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用（332 v），也可接双电源使用（1.515 v），驱动功耗低，可与ttl逻辑电路相容。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。图3-8为lm324管脚图。图3-8 lm324管脚图（2）lm324的特点：1.短跑保护输出；2.真差动输入级；3.可单电源工作：3v-32v；4.低偏置电流：最大100na；5.每封装含四个运算放大器；6.具有内部补偿的功能；7.共模范围扩展到负电源；8.行业标准的引脚排列；9.输入端具有静电保护功能；该放大电路的放大倍数为a = r6 / r5 = 22 m/2.2 k = 10000 经过放大后，该输出脉冲的电压的值达到伏级，便于后续工作的进行。同样采用lm 324来构成电压比较电路，其中vg为10k的滑动变阻器，电压比较的基值可以通过改变滑动变阻器的值来进行调节。从运放lm324的7脚输出的脉冲电压信号可以直接输入单片机进行处理。（3）液位信号红外检测部分电路如图3-9所示；图 3-9 红外检测电路为了保护红外光二极管不会因为电流过大而烧掉，在发射管和接收管的两端分别串联一个上拉电r3、r4，起限流保护作用。7. 液位检测装置设计为了检测方便，这里专门设计了液位检测装置如图3-10。该装置为吊瓶的瓶托，瓶托边缘上装有三个等长的绳子用于在支架上挂吊瓶，输液时将吊瓶直接放入瓶托即可，无需调整探头。在距瓶口23cm处安装检测探头，发射探头和接收探头正对水平安装在瓶口两侧。该装置大大减少了医护人员的工作。图3-10 液位检测探头检测示意图1-红外线发射器；2-调制载波红外线；3-红外线检测器；4-输液液面；5-输液瓶瓶托；3.2.1 滴速检测电路设计1. 滴速检测原理滴速测量，其原理图如图3-11所示。将红外光发射-接收对管固定在茂菲氏管两侧，红外发光二极管发出红外光，光线透过茂菲氏管照射到光电三极管，光电三极管将接收 到的光信号转换成电信号输出。采用红外对射管，其优点是可以非接触的探测液滴，能很好的满足临床中无菌操作的要求。图3-11 滴速检测原理图红外发射管发射的光束经过茂菲氏管的液滴滴落线投射到红外接受管的感光面，在没有液滴滴落时，红外接收管接收到的光照度最大，产生的光生电流也最大；当有液滴滴落时，由于液滴的光学特性，使光束发散，投射到红外接收管上的光照度将下降，从而使光生电流下降，由于不同类型的药液（透明、半透明和不透明）液滴的光学特性不同，形成不同幅度的负脉冲，只要检测红外接收管的输出电流脉冲，就可以探测出有无液滴的通过。光敏器件输出的脉冲信号极小，容易受到外界干扰，需要用电压比较电路对电压进行去干扰并整形为规则的脉冲信号，经放大电路放大后送单片机进行后续处理。为了防止输液器的漏斗倾斜引起水滴的偏移，导致不正常的检测，可用两三枚红外发射管和一枚红外接收管组成如图3-11所示，将该传感器套在输液器的漏斗上，确保液滴的检测无误。2.滴速检测电路和液位检测电路一样，见图3-12：图3-12 滴速检测电路3.滴速检测探头装置设计按瓶装输液临床使用实际情况，为便于护士方便、快速地使用，特将探头光学检测系统置入一自行设计弹簧夹中，护士在为患者建立输液系统并挂上输液瓶后，将该弹簧夹夹在需检测的输液瓶瓶颈处即可，瓶装输液检测探头结构见图3-13：图3-13 滴速检测探头装置1-载波信号发射器；2-载波信号检测器；3-弹簧夹主支架；4-弹簧夹辅助支架；5-输液瓶；6-弹簧夹；3.2.2 声光报警电路设计当输液完成或在输液过程中出现突发事件的时候，需要通过报警提醒医护人员进行相关的处理。在实际的应用系统中，经常将闪光报警和单频音报警结合起来使用，以便更好的引起医护人员的注意。1.单频音报警电路设计实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加+3v+15v直流工作电压时，就能产生3khz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少、更适合于单片机系统的应用。压电式蜂鸣器，约需10ma的驱动电流，可在p1.0口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，如图3-14：图 3-14 单频音报警电路在图中，p1.0接三极管的基极输入端 ，当p1.0输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器通电而发音，当p1.0输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。2.闪光报警电路设计闪光报警是最简单，也是最常用的一种报警方式。单片机应用系统中的闪光报警就是在控制指示灯的程序中加入定时程序，按一定的时间间隔来交替点亮与熄灭指示灯。闪光报警在硬件连接上非常简单，可利用at89c51的i/o口直接驱动发光二极管实现，如图3-15：图3-15 闪光报警电路3.2.5 显示电路设计1.显示方式选择显示电路主要完成对输液过程中滴速的实时显示。显示有两种方式：一是lcd显示；二是led数码管显示。由于led数码管显示亮度高，显示效果清晰醒目，这里选用led数码管进行显示。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。7段led数码管，则在一定形状的绝缘材料上，利用单只led组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出0-9的数字。图3-16为数码管外形，图3-17为数码管内部标识： 图3-16 数码管外形 图3-17 数码管内部标识led数码管根据led的接法不同分为共阴和共阳两类。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极com接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。见图3-18共阳数码管内部结构：图3-18共阳数码管内部结构共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极com接到地线gnd上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。图3-19 为共阴数码管内部结构：图3-19 共阴数码管内部结构数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。（1） 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的i/o端口进行驱动，或者使用如bcd码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用i/o端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根i/o端口来驱动，要知道一个89c51单片机可用的i/o端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。图3-20为数码管静态显示接法：图3-20 数码管静态显示接法（2） 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a、b、c、d、e、f、g、dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i/o线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通com端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的com端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的i/o端口，而且功耗更低。图3-21为数码管动态显示接法：图3-21 数码管动态显示接法由于数码管显示明亮易于肉眼观看，选择数码管进行显示。数码管的动态显示相对于静态显示来说，动态显示占用的i/o 端口少，电路简单，选择数码管的动态显示方式。2. 显示电路设计本系统采用两位共阳数码管动态显示的方式，8位字段码输入端接入at89c51的p0口，p0口在用作输出口时，必须接上拉电阻。两位位选端由p2.0和p2.1控制。at89c51的p0口输出时需要外接上拉电阻，两位位选端不是与p2口直接连接，而是通过三极管连接，这样是为了增加驱动能力。p2.0输出为0时，三极管导通。也就是说，当p2.0输出为0时，三极管导通，与其相连的共阳极数码管显示器开始工作；p2.0输出为1时，三极管截止，与其相连的共阳极数码管显示器停止工作。显示电路见图3-22：图3-22 显示电路3.2.6电路按键电路设计在输液过程中难免会出现突发性事件，所以系统设计了一个紧急呼叫键。当出现突发事件时，按下紧急呼叫键，可快速通知医护人员进行处理，增加了输液的安全性。同时，当报警发生时，设计采用手动按键停止报警的方式，按键设置在从机，只有医护人员来到从机才能停止报警，提高了医护人员处理事件的及时性。按键电路如图3-23：图3-23 按键电路3.3 通信系统设计计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。rs232和rs485是目前最常用的两种串行通信总线。3.3.1 通信方案论证1.采用rs232总线rs-232-c接口（又称 eiars-232-c）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的准则。它的全名是“数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个25个脚的 db25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。接口的信号内容，实际上rs-232-c的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。接口的电气特性，在rs-232-c中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5 -15v；逻辑“0”，+5 +15v。噪声容限为2v。即要求接收器能识别低至+3v的信号作为逻辑“0”，高到-3v的信号作为逻辑“1”。接口的物理结构rs-232-c接口连接器一般使用型号为db-25的25芯插头座，通常插头在dce端，插座在dte端。一些设备与pc机连接的rs-232-c接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用db-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。传输电缆长度由rs-232c标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。由于rs-232-c接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：（1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与ttl 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与ttl电路连接。（2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20kbps。（3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。2.采用rs485总线针对rs-232-c 的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，rs-485就是其中之一，它具有以下特点：（1）rs-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2-6）v表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2-6）v 表示。接口信号电平比rs-232-c降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与ttl电平兼容，可方便与ttl电路连接。（2）rs-485的数据最高传输速率为10mbps。（3）rs-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。（4）rs-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外 rs-232-c接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而rs-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的rs-485接口方便地建立起设备网络。3.3.2 通信方案的选择因rs-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为rs485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以rs485接口均采用屏蔽双绞线传输。3.3.3 单片机与pc机通信系统设计通信电路可以将32个输液从站与主站的主机(pc机)连接起来构成输液监控网络，从而实现输液的遥控。通信工作方式则为主从式通信，主机主动查询，若主站一次收不到从站来的应答信号，则由主站再发送一次协议；连续三次收不到应答信号，则说明该系统的通信出现故障，系统则给出相应警告提示；如果系统给出应答，则双方进入数据通信状态。主机(上位机)和从机(下位机)间的信息交换方式采用串行通信方式。通信的转送方式采用rs485半双工配置。通信接口芯片采用max485，max485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。其引脚图和结构图见图3-24它主要实现 at89c51的异步串行接口与rs232c 标准串行通信电路之间的电平转换。max485采用单一电源+5v工作，额定电流为300a，采用半双工通讯方式。它完成ttl电平转换为rs485电平的功能。图 3-24 max485引脚图和结构图max485引脚说明：ro和di端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的rxd和txd相连即可；/re和de端分别为接收和发送的使能端，当/re为逻辑0时，器件处于接收状态；当de为逻辑1时，器件处于发送状态，因为max485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；a端和b端分别为接收和发送的差分信号端,当a引脚的电平高于b时，代表发送的数据为1；当a的电平低于b端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制max485的接收和发送即可。同时将a和b端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。图3-25为max485典型工作电路，图 3-26为max485与单片机接口电路： 图3-25 max485典型工作电路 图3-26 max485与单片机接口电路第4章 软件系统设计一个单片机控制系统，硬件电路是它的骨架，但是只有硬件系统是不能工作的，系统想要正常工作还需要软件系统的支持。软件系统采用mcs-51汇编指令作为编程语言，采用模块化编程，设计各个模块的子程序，用于在主程序中循环调用。以这种方式的编程，不仅简化了编程者的任务，还使得程序的调试变得更加容易。医院输液监控系统的软件系统主要由主程序、液位检测子程序、滴速检测子程序、显示子程序、声光报警子程序等组成。系统软件流程图如图5-1：开始初始化检测液滴信号检测液位信号计算速度显示速度延时消抖本次值=上次值？报警返回ny再次检测图4-1 系统软件流程图4.1 主程序设计在主程序中首先对系统进行初始化，规定相关过程的入口地址等。然后通过子程序的调用，完成系统的所有功能。主程序流程图如图5-2：开始初始化调用滴速检测子程序调用显示子程序调用液位检测子程序调用声光报警子程序图4-2主程序流程图4.2滴速检测子程序设计滴速的检测对单片机来说是对外部脉冲信号进行频率计数。频率的定义是一秒时间内信号变化的次数。对频率的测量有两种方法：计数法和计时法，即测频法和测周期法。1.计数法计数法是将被测信号通过一个闸门信号加到加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为t，计数器得到的计数值为n1，则被测频率为f=n1/t。改变时间t即可改变测量频率范围。如图5-3所示。设在t时间，计数器的精确计数值应为n，根据计数器的计数特性可知n1的绝对误差是n1=n+1，n1的相对误差为=（n1-n）/n=1/n。由n1的相对误差可知，n的数值越大相对误差越小，成反比关系。为了减小相对误差，可以通过增大t的方法来降低测量误差。图4-3 测频法测量原理2.计时法计时法又称为测周期法，这种方法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是外脉冲信号的周期，然后求周期的倒数就得到外脉冲信号的频率。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间，是一个信号周期t的方波信号，然后用一个周期t1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期t的范围内对t1信号进行计数。如图5-4所示：图4-4 计时法测量原理根据本设计的要求和性能指标，首先要确定能满足这些指标的频率测量方法，由上述频率测量原理与方法的讨论可知，用计数法获得的计数数据，在闸门信号为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。而用计时法所测的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算对于中小型数字集成电路来书很难实现，因此计时法不适合本系统要求。设计采用计数法进行滴速的测量。设计