（机械电子工程专业论文）输液监测与控制系统设计.pdf

摘要 摘要 静脉输液是现在医院中常用的输液方式，大部分的输液要靠医护人员手动控制滴 速，输液过程中药液温度取决于所处环境温度，医护人员要不定时的巡检，以确定输液 是否结束。这样使得在就医高峰期，医护人员很难应付，常常会造成无法及时停止输液， 由于环境因素造成的低温输液反应，以及滴速的不准确带来的药理反应，这不但使得输 液效果不理想，病人遭受痛苦，有时甚至会造成医疗事故，医用输液报警器、加热器、 滴速监测器在这种情况下应运而生。 本课题在总结国内外研究成果的基础上，结合课题的实际要求，以单片机为控制核 心，采用光电检测技术，电机控制技术，并解决了大电流的控制问题，在探讨系统各部 分实施方案后，提出了输液监测与控制系统的设计方案。系统包括输液液位越限报警模 块、温度检测及控制模块、滴速检测及控制模块、键盘及显示模块、电源模块，通过硬 件电路的设计和软件编程设计，实现了温度测量、调整、显示，输液滴数定时计数、显 示、调速，液位越限报警，键盘输入设定，液晶显示等功能，并详细介绍了模块的硬件 电路设计和工作原理，给出了软件流程及部分代码。为更好的实现各个模块功能的实现， 自行设计了相应的机械执行机构，使光电检测装置中液位、液滴及电机控制的信号采集 得到了保证，系统稳定性增强，使整个系统性能得到提高，实现了输液过程中药液温度、 滴速，输液结束报警的自动监控。本系统可做适当改进，在医疗输血领域有广阔的应用 前景。 关键词：静脉输液；单片机控制；温度测量：滴数检测；越限报警 。 大连交通人学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w , t h ei n t r a v e n o u si n f u s i o ni su s e dc o m m o n l ya st r a n s f u s i o nm e t h o d si nh o s p i t a l m o s to ft h ei n f u s i o n ss p e e di sc o n t r o l e db yh e a l t h c a r ew o r k e r s a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h e i n f u s i o nl i q u i dd e p e n d so nt h et e m p e r a t u r eo ft h ee n v i r o n m e n t t h eh e a l t h c a r ew o r k e r s s h o u l di n s p e c tr e g u l a r l yt od e t e r m i n ew h e t h e rt h ei n f u s i o ni so v e lt l l i sm a k e st h eh e a l t h c a r e w o r k e r sf i n di ti sd i 伍c u c l tt od e a lw i t ht h ea c c i d e n t s f o re x a m p l e t h ei n f u s i o nc a l ln o tb e s t o p p e di nt i m e t h el o w - t e m p e r a t u r er e a c t i o nd u e st ot h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dt h e p h a r m a c o l o g i c a lr e a c t i o nb r o u g h tb yt h ei n a c c u r a t ec o n t r o lo ft h es p e e d t h er e s u l ti st h a tt h e e f f e c to ft h ei n f u s i o ni sn o ts a t i s f i e d ，t h ep a t i e n t ss u f f e r s ，a n dt h er e s u l te v e nc a u s e dm e d i c a l a c c i d e n ti ns o m ec a s e s ot h em e d i c a li n f u s i o na l a r m h e a t e r ，m o n i t o rb o m si nt h i sc o n t e x t b a s e do nt h es u m m i n gu pa n dl e a r n i n gf r o mt h er e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e db yt h es c h o l a r s a th o m ea n da b r o a d ，w i t ht h ea c t u r a lr e q u i r e m e n t so fs u b j e c t ，ai n f u s i o nm o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s y t e mi sd e s i g n e da f t e rt h ed i s c u s s i o no fe v e r yi m p l e m e n t a t i o n t h es y s t e mi sb a s e d o nt h es i n g l e c h i p ，u s e dp h o t o e l e c t f i c i t yd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yt o r e a l i z et h ef u n c t i o n ab i gc u r r e n tc o n t r o li sa l s os o l v e di nt h i ss u b j e c t t 1 1 ei n f u s i o ns y s t e mi s c o m p o s e do fa l a r mm o d u l e t e m p e r a t u r ed e t e c t i o na n dc o n t r o lm o d u l e s p e e do fi n f u s i o n d e t e c t i o na n dc o n t r o lm o d u l e k e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l e s p o w e rm o d u l e s o m ef u c t i o n s a r ea c h i e v e d 、衍t ht h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m s u c ha st e m p e r a s t u r e m e a s u r e m e n t ，a d j u s t m e n ta n dd i s p l a y , c o u n td r o p si ns c h e d u l e dt i m e ，d i s p l a ya n dc o n t r o lt h e s p e e d ，k e y b o a r ds e t t i n g ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n ds oo n t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe a c hm o d u l ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，s o m ef i g u r e so ft h e p r o c e s s e sa n ds o f t w a r ec o d ea r ea l s op r o v i d e di nt h i sp a p e r i no r d e rt or e a l i z et h ef u c t i o n so f e a c hm o d u l e ，s e v e r a lm e c h a n i c a li m p l e m e n t a t i o na r ed e s i g n e dt oa s s u r et h es i g n a la c q u i s i t i o n o ft h es y s t e m s ot h es t a b i l i t ya n dt h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c ea r ee n h a n c e d ，a n dt h e a u t o m a t i cm o n i t o r i n go ft e m p e r a t u r e ，s p e e d ，a l a r mi nt h ew h o l ep r o c e s sa r ea c h i e v e df i n a l l y t h es y s t e mc a nb ei m p r o v e da p p r o p r i a t e dt ob eu s e di nt h ef i e l do fb l o o di n f u s i o na n dt h i s w i l lh a v eab r o a da p p l i c a t i np r o s p e c t k e y w o r d s ：i n t r a v e n o u si n f u s i o n ；s i n g l ec h i pc o n t r o l l i n g ；t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ； d r o p sd e t e c t i o n ；a l a r m i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：躲 日期：五以年饺月j r 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：牟困爿蝎嗓圆六羹抓舜车弱银溷 电话：1 3 8 9 翎d 堂2 弓 通讯地址：辽韩太斟砂r 础街钆考 邮编：i l 知以 电子信箱：屯易9 舭 、，、夕 一、硝j 彳 月乃- 纪 加 签 ： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：橡 日期：2 肿年7 2 月7 1 日 第一章绪论 第一章绪论帚一旱三百了匕 1 1 课题来源及意义 目前国内大多数医院中所使用的静脉输液器，大都采用悬挂方式，即依靠重力原理 进行输液，并且整个输液过程中医护人员必须不定时地进行巡视，浪费了人力资源。在 医疗高峰期，还会出现输液结束，而医护人员没有及时发现未进行处理的情况，这种状 况会造成不同程度的医疗事故，给病人和医院双方带来了不必要的麻烦。 低温输液反应也是困扰医护人员多年的难题。天气寒冷，对于高龄特别是伴冠心病、 高血压、脑更死患者、输入的较冷液体刺激血管，引起血管痉挛而出现寒颤、体温升高、 血压升高者时有发生。由于液体温度低于体温，药液进入静脉后，使病人肢体极易出现 冰冷、酸胀麻痛等不适的感觉，甚至发生血管痉挛、寒颤、胸闷、气促等多种症状，尤 其是术后病人、婴儿、老年病人、发烧病人，低温大容量输液常造成体温下降；而低体 温可导致许多并发症的发生，如凝血技能障碍，伤口愈合缓慢，住院时间延长，药物代 谢速度降低等，这些给患者带来很大痛苦，严重的甚至危及生命，应引起临床重视。过 去，医护人员和家属大都采取在进针部位热敷的方法补偿，使药液温度忽高忽低，对药 性的稳定性和疗效有一定的负面影响，而且使用极其不方便1 1 1 。 另外，输液速度也是输液过程中一个重要参数，输液速度应根据病情、输液总量、 输液目的和药物性质等情况确定。概括起来，可分以下几类情况： ( 1 ) 一般速度：补充每日正常生理消耗量的输液以及为了输入某些液物( 如抗菌素、 激素、维生素、止血液、治疗肝脏疾病的辅助药等) 时，一般每分钟5 m l 左右。通常所 说的输液速度每分钟6 0 8 0 滴，就是指这类情况。 ( 2 ) 快速：严重脱水病人，如心肺功能良好，一般应以每分钟l o m l 左右的速度进行 补救，全日总输量宜在6 - - 8 小时完成，以便输液完毕后病人得以休息。血容量严重不 足的休克病人，抢救开始1 - 2 小时内的输液速度每分钟应在1 5 m l 以上。因为，倘若在 2 小时内输入2 0 0 0 m l 液体，就可使一个休克病人迅速好转的话，若慢速输入，使2 0 0 0 m l 液体在2 4 小时内缓缓滴入，则对休克无济于事。急性肾功能衰竭进行试探性补救时， 常给1 0 葡萄糖溶解5 0 0 m l ，以每分钟1 5 一- - 2 5 m l 速度输入。 ( 3 ) 慢速：颅脑、心肺疾患者及老年人输液均宜以缓慢的速度滴入。缓慢输液的速 度一般要求每分钟在2 4 m l 以下，有些甚至需要在l m 以下1 2 】。 鉴于上述三个主要原因，设计和开发一种智能医用输液报警、加热、滴速控制系统， 对输液结束进行及时报警，在输液过程中保持药液温度在人体温度范围内，以及控制输 液过程的滴速是切实可行的，而且这个系统的应用能有效的消除药液与体温之间过大的 差异，能将药液的温度迅速增至适宜人体的温度。提高药效，有助于减轻医护人员工作 大连交通人学t 学硕十学位论文 强度，提高安全性和工作效率，以及护理水平。 1 2 国内外研究状况和发展趋势 在国外，电子在医疗方面的应用起步很早，并且经过实际的临床使用、证明，得到 逐步推广，形成医疗器械的智能化，美国、日本等一些发达国家走在世界的前列。 较早的电子医疗器械强调高、精、尖，都是大型器械，而且投资巨大，使用的广泛 性受到限制。经过十几年的发展，一些智能医疗器械逐步向小型化靠拢。其中应用于静 脉输液的报警器、恒温加热装置应运而生，这不但减小了医疗事故的发生，也提高了医 疗工作的效率。例如美国的v 5 2 0 全自动输液报警器等。 我国在这方面的起步较晚，现今我们所使用的产品都是进口的，价格比较昂贵。国 内所有正在研制厂家的产品也很不理想，且成本较高。如北京东方美源科技有限公司生 产的输液监控仪都是单机版，价位却在几千元。桂林市汇科医疗器械有限公司的h k - a 1 型医用输液监控器，西安丰唐光电科技有限公司的输液报警器等均普遍存在调整时间 长，精度不够，功能不够齐全，价格较高等方面的弊端。 泉州市解放军第1 8 0 医院利用杠杆原理设计的输液报警器，在输液的过程中随着液 瓶重量的减轻，在弹簧力的作用下，磁铁逐渐向干弹簧管靠近，当减轻到一定重量时， 磁铁和干簧管对齐，电路接通，蜂鸣器报警【3 1 。 武警天津总队医院利用液体导电性设计了输液报警器，此报警器由一个输液针头、 一个外面包有一段绝缘材料的进气针头构成，上述两个针头作为两个接点，通过两根导 线与一个报警电路相连接。输液开始时，瓶内装满液体，由于液体导电性，通过两个针 头，电路连通，液面逐渐下降，至进气针头针尖以下位置时，电路断开，扬声器发出报 警信号【4 】。 输液恒温加热器大都采用对输液管的加热方式，温度可调或可设定，使进入人体的 药液温度控制在一定范围，适合人体特征及药理作用。山西太原解放军2 6 4 医院研制了 可调温输液加热器：基本构造：加热棒一支、铝制加热盒一个、温度计一支、温度控制 器一个【5 1 。 总装备部指挥技术学院设计的输液滴速显示器是利用红外光电检测原理检测滴速 的。检测器的工作是把非电量的液滴信号通过红外光电检测电路转化为电信号，再由单 片机处理为当前滴速值并加以显示。当检测器的光电槽口卡住墨非式管后，即可将液滴 间隔换算成滴速显示出来l 6 。 1 3 论文主要研究内容 本文以输液过程中药液温度和滴速控制以及输液越限报警为研究对象，确定各个部 分的设计方案( 包括硬件和软件) ，解决设计中遇到的难题。 第一章绪论 1 3 1 系统方案的选定 本系统分为液位检测报警模块、滴速检测控制模块、温度检测及控制模块、键盘模 块、显示模块。 由于输液设备本身的限制，各个模块的设计也相应受到限制。如何选定解决方案将 直接影响到整个系统工作的效率和稳定，在这一部分主要讨论采用何种方法实现系统各 个模块的功能，其中重点介绍了各个方案的工作原理，论述了方案的可行性，为文章接 下来的工作做好了准备。 1 3 2 系统总体结构框架和硬件设计 这部分的主要内容是根据各个模块已选定的方案，设计整个输液监测和控制系统， 涉及传感器件的选取、控制单元的选择、数据采集和主控电路，分析了数据采集、处理 以及控制的性能，解决了温度控制中对大电流的控制、滴速控制中对液滴的计数、电机 换向等问题，提高了系统的稳定性和精确度，为整个论文的进展提供了保证。 本文重点对以下几个方面进行了讨论： ( 1 ) 系统总体框架 结合已选定方案，确定系统整体构架及工作流程，并给出系统的总体框图。 ( 2 ) 系统硬件设计 系统硬件的设计是本文的核心，也是整个系统的主要功能部分，介绍了系统光电检 测报警模块、光电检测滴速控制模块、温度检测及控制模块、减速电机控制模块、键盘 模块、显示模块的器件选取，重点阐述了各个模块的工作原理和电路设计思想以及功能 实现。 1 3 3 系统软件设计及实现 软件的好坏将影响到输液监控系统的功能及硬件作用的发挥，在这一部分介绍了各 个功能模块的软件实现方法，给出了详细的程序流程图，从而保证了硬件设计的正常实 现。系统的程序控制采用c 语言实现全部功能。 本章小结 本章对输液监测与控制系统的意义、目的进行了简要介绍，综合论述了系统的功能， 把论文研究的主要内容分为几个部分，在接下来的章节中分别给以详细介绍。 大连交通火学1 ：学硕十学何论文 第二章系统方案的选定 2 1 警戒液面检测方案 液位检测的方法多种多样，按原理分为电容式、静压式、光电式、超声波式、射线 式等；按传感器是否与被测液体接触分为接触式和非接触式。由于输液的特殊性，药液 是输入人体的，液位的检测不能改变其药理成分，不能引入污染，所以应采用非接触测 量；考虑到灵敏度和精度因素，决定采用光电检测方法。 光电检测的基本原理：利用液体与气体的折射率不同，使得同一光源的光在有无液 体时产生折射的角度不同，使光接收器件接收到光信号的强弱也不同，从而产生的光电 流大小也不同，出现不同程度的高、低电平，来判断液体是否在设定液位之下，是否进 行报警【7 1 。 根据理论证明和具体试验，可归纳出以下三种方案： 方案一：首先要设定液位，一般都希望药液能够输完，所以液位应尽量低，但输液 器的插头有一定的高度，还要考虑给护士一定的时间拔针头或者换药，所以设定液位应 略高于输液器插头，如图2 1 所示： 有水 无水 图2 1 方案一示意图 f i g2 1s k e t c hm 印o f p r o j e c t1 在设定液位处，光源发出的光入射到药瓶外壁，经药瓶折射后，再经药液折射到达 瓶内壁，再经药瓶折射后进入空气，被光电二极管接收。由于药瓶此处为弧形，所以其 光路会因折射而略有上翘。当药液下降到设定位置时，由于药液和空气的折射率不同， 光路会发生变位，使原来照射到光电二极管的光发生偏转，而此时的光电二极管只接收 到背景光( 自然光或者灯光) ，强度大大减弱，从而光电流急剧下降，通过后续电路进 行报警。 方案二：方案一较适合与报警提前量较小的场合。若要求提前量再大一些或者一般 4 第二章系统方案的选定 工业控制中常见的圆柱形容器，其测量光路略有不同，如图2 2 所示。为进行液位越限 检测，光源必须与容器中心线有一段平移，否则将无法判定液体是否达到设定位置。原 理与方案一相同，只是由于光路的不同，光电传感器部分的结构在制作时有不同的要求。 有水 图2 2 方案二示意图 f i g2 2s k e t c hm 印o fp r o j e c t2 方案三：由于方案一、二均要求透明容器固定，否则无法测量。特别是固定输液瓶 时，要有相应的固定支架，从而使装置比较笨重，反而给医护人员带来不便，不适合实 际应用。基于以上问题，方案三将报警液位设定在输液管莫非氏管上，检测管内该 处有无液体，来判断是否报警。由于输液管较细，来自光源的光若完全照射在管上，光 电二极管在有水和无水的情况下，接收的光信号变化不太明显。因此，照射时，发射管 与管中心要有一定的偏移，如图2 3 所示。检测原理与方案一相同，只是由于光路的不 同，光电传感器部分的结构在制作时有不同的要求。由于这种方案简单易行，使用方便， 所以本课题采用此方案捧0 1 。 图2 3 方案三示意图 f i g2 3s k e t c hm 印o fp r o j e e t3 有水 无水 大连交通人学下学硕十学位论文 2 2 滴速检测方法 输液滴速的检测可以通过测量输液重量变化以及所用时间来确定，输液重量变化的 测定需要足够的时间( 出于传感器的精度和成本考虑) ，这样就会使系统调整时间大大 延长，不利于整个输液过程的进行。 输液管莫非氏管的形状决定了检测滴速的方法，药液在滴管处以液滴的形式一 滴一滴滴落，鉴于上述警戒液位检测方案，滴速的检测也采用光电检测方法，光源发出 的光垂直照射滴管并在滴管剖面的中心线上，光线经过滴管没有折射发生，而是直接沿 着直径方向射出( 如图2 4 所示) 。而液滴滴落的过程中要经过滴管的中心线，当有液 滴经过光源和光电接收器件之间时，光线会发生折射和散射，导致光电接收器件瞬间接 收不到光信号，这时光电器件的输出要产生一个电平跳变，利用这个电平跳变可以实现 对经过滴管的液滴进行计数1 9 。1 ，示意图如图2 5 所示： 图2 4 光线走向示意图 f i g2 4s k e t c hm 印o fl i n g h tr o u t e z 低电平 图2 5 光电滴速检测示意图 f i g2 5s k e t c hm a po fd r o p sd e t e c t i o n 6 _ 高电平 第二章系统方案的选定 2 3 滴速控制方案 原有的输液管上配有一楔形手动滴速控制装置，内有滑槽，通过推动滑槽上的圆形 滚轮来控制输液的快慢。 在本系统的滴速控制中，保留原有的控制装置以备应急使用，应用电机来控制输液 的滴速。方案如下：电机选用减速电机，利用电机的旋转，通过装配一螺杆，将旋转运 动变为直线运动，推动( 或者拽回) 螺杆一端带有内螺纹的滑块挤紧( 或者放松) 莫非 氏管，从而实现输液滴速的自动控制。如图2 6 所示： 带磊藻释纹 英非氏管 团n 带磊窘揍纹 。 图2 6 电机控制滴速示意图 f i g 2 6s k e t c hm 印o fm o t o r c o n t r o l l i n g 口 2 4 键盘方案 键盘是由一组按压式或者接触式开关构成的阵列，可分为编码式键盘和非编码式键 盘。编码式键盘能够由硬件自动提供与被按键对应的a s c i i 码。但是它要求采用较多的 硬件，价格昂贵。而非编码式键盘则仅提供行和列的矩阵，其硬件逻辑与按键编码不存 在严格的对应关系，而要由所用的程序来确定。非编码式键盘的硬件接口简单，但是要 占用较多的c p u 时间。 为解决上述两个缺点，本课题选用可编程键盘芯片h d 7 2 7 9 a 作为键盘接口。h d 7 2 7 9 a 是一片具有串行接口的驱动芯片，该芯片同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵，具有片 选信号，可方便地实现多于6 4 键的键盘接口，另外，内部还含有去抖动电路。串行数 据从d a t a 引脚送入芯片，并由c l k 端同步。当片选信号变为低电平后，d a t a 引脚上的 数据在c l k 引脚的上升沿被写入h d 7 2 7 9 a 的缓冲寄存器，微处理器可以通过读键盘指令 读出数据，确定是哪个按键按下，进而执行相应的控制指令。 2 5 显示方案 7 大连交通大学t 学硕十学位论文 本系统在运行过程中，设定和测定的值很多，因此，l e d 数码管已不能满足要求， 在此选用液晶l c d 显示模块，可显示1 6 1 6 点阵国际一级简体汉字、8 * 8 a s c i i 码以及 8 1 6 点阵英文字母。占用c p u 资源小，接口简单，只需5 条i o 口线与单片机相连就可 实现数据的显示。 本章小结 本章对系统各部分的方案及功能实现进行了探讨，并确定最终使用方案，各部分的 硬件电路设计和软件编程将在以下两章中重点介绍。 8 第三章系统总体结构组成及硬件设计 第三章系统总体结构组成及硬件设计 本章主要分析输液监控系统总体结构的组成及硬件的设计，重点介绍了输液监控系 统光电检测报警、测速的电路设计，温度检测及加热装置的控制电路设计，减速电机控 制执行电路设计以及系统电源设计和接口设计。 3 1 系统主体框架 系统以a t m e l 公司生产的a t 8 9 s 5 2 单片机为控制核心，利用p t c 热敏电阻对预加热 区域进行加热，采用数字温度计d s l 8 8 2 0 对温度进行实时采集，由外设键盘设定所要加 热温度值的上限和下限，通过实时采集到的温度值与设定温度值的比较，确定是否达到 所设定的温度范围，由单片机控制三路继电器实现对三片p t c 热敏电阻( 一路继电器控 制一片p t c 热敏电阻) 工作状态的开关状态，使预加热区域温度维持在设定的温度范围 内；由激光发射二极管和光电接收二极管组成的光电检测器件分别放置在莫非氏管和滴 斗处，通过液体对激光的散射作用来确定滴液的有无以及是否有滴液通过，进而对输 液结束进行及时报警并关闭输液系统( 机械执行机构卡住莫非氏管) 和输液速度的检测， 系统总体框架如图3 1 所示： 3 2 系统主控单元a t 8 9 s 5 2 单片机 3 2 1 概述 8 9 系列单片机是a t m e l 公司的8 位f l a s h 单片机系列。这个系列单片机的最大特点 就是在片内含有f l a s h 存储器，因此在应用中有着十分广泛的前景和用途，特别是在便 携式、省电和特殊信息存储的仪器和系统中显得更为有用。 a t m e l8 9 系列单片机是以8 0 3 1 为内核构成的，所以，它和8 0 5 1 系列单片机是兼容 的系列。这个系列对于以8 0 5 1 为基础的系统来说，是十分容易进行取代和构造的。 8 9 系列单片机对于一般用户来说，存在很明显的优点： ( 1 ) 内含f l a s h 存储器 ( 2 ) 和8 0 c 5 1 插座兼容 ( 3 ) 静态时钟方式( 节电模式) ( 4 ) 错误编程也无废品产生( 可重复擦写) ( 5 ) 可进行反复系统试验 基于以上优点，本系统选用了a t 8 9 s 5 2 ( 4 0 引脚) 单片机来作为控制核心单元。 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 5 v 1 2 v 图3 1 系统总体框架 f i g3 1t o t a lf r a m eo fs y s t e m 3 2 2 功能 ( 1 ) 与m c s - 5 1 单片机产品兼容 ( 2 ) 8 k 字节在线可编程f l a s h 存储器 ( 3 ) 1 0 0 0 次擦写周期 ( 4 ) 全静态操作：o h z 3 3 h z ( 5 ) 三级加密程序存储器 ( 6 ) 3 2 个可编程i o 口线 ( 7 ) 三个1 6 位定时器计数器 ( 8 ) 八个中断源 ( 9 ) 全双工u a r t 串行通道 ( 1 0 ) 低功耗空闲和掉电模式 ( 1 1 ) 掉电后中断可唤醒 ( 1 2 ) 看门狗定时器 1 0 第= 章系统总体结构编成及硬件设计 ( 1 3 ) 双数据指针 ( 1 4 ) 掉电标识符 3 2 3 结构功能描述 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s ，8 位微控制器，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引 脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系统 提供高灵活、超有效的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线，看门 狗定时器，2 个数据指针，3 个1 6 位定时器计数器，1 个6 向量2 级中断结构，全双工 串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至o h z 静态逻辑操作，支持2 种软 件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计数器、串口、中 断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止， 直到下一个中断或硬件复位为止。 3 2 4 引脚说明 a t 8 9 s 5 2 的引脚如图3 2 所示： f t 2 p 1 卫q f t 2 e 渤p 1 q 2 刚立口3 p 1 ：3 口4 p 1 口5 删粥l p 1 5 口6 蠊s o p 1 1 6 口7 渊p 1 _ 7 q 8 磁玎口鲁 f r ) o p 3 d 口铂 o 融 日1 1 f i 丽，p 3 工日1 2 卿p 3 3 口1 3 融4 口4 r r p 3 j q1 5 嗣丽) p 3 er - l1 8 f 鞫o p 2 7 日盱 x t 赳_ 2 口鸦 k t a i _ j 口1 9 g n d d 2 0 图3 2 引脚图 、一c c p 覆o l a o o p c _ 船 p d 2 a d 2 ) p 。3 p 正珞) 眺4 a d 4 p f k 5 d 5 ) p 啦6 0 6 即7 t 弭) e 脚归p 剐三声f 1 0 g p s 日、 p 2 7 a 1 5 p 2 e a 4 p 2 5 a 1 3 p 2 1 4 c a l 2 l p 乏3 a 1 p 2 上a 掰 p 2 e a 9 l f 2 d 艄l 幻禽；嚣贸嚣鬟嚣整雏船荔籀万签筘嚣翌矾 大连交通火学r 学硕十学位论文 ( 1 ) v c c - 电源 ( 2 ) g n d ：地 ( 3 ) p o1 ：3 ：p o 口是一个8 位漏极开路的双向i o 口。作为输出口，每位能驱动8 个 t t l 逻辑电平。对p 0 端口写“1 ”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存 储器时，p 0 口也被作为低8 位地址数据复用。在这种模式下，p 0 具有内部上拉电阻。 在f l a s h 编程时，p 0 口也用来接收指令字节：在程序校验时，输出指令字节。程序 校验时，需要外部上拉电阻。 ( 4 ) p 1 口：p 1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 1 输出缓冲器能驱 动4 个t t l 逻辑电平。对p 1 端口写“1 ”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作 为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 此外，p 1 0 和p 1 2 分别作定时器计数器2 的外部计数输入( p 1 o t 2 ) 和时器计数器 2 的触发输入( p 1 1 t 2 e x ) ，具体如表3 1 所示。 在f l a s h 编程和校验时，p l 口接收低8 位地址字节。 表3 1p 1 口引脚第二功能 t a b l e3 1a l t e r n a t ef u n c t i o n so f p o r t1 引脚号第二功能 p 1 0 t 2 ( 定时器计数器t 2 的外部计数输入) ，时钟输出 p 1 1 t 2 e x ( 定时器计数器t 2 的捕捉重载触发信号和方向控制) p 1 5 m o s i ( 在线编程用) p 1 6 m i s o ( 在线编程用) p 1 7 s c k ( 在线编程用) ( 5 ) p 2 口：p 2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 输出缓冲器能驱 动4 个t t l 逻辑电平。对p 2 端口写“1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 在访问外部程序存储器或用1 6 位地址读取外部数据存储器( 例如执行m o v x d p t r ) 时， p 2 口送出高八位地址。在这种应用中，p 2 口使用很强的内部上拉发送l 。在使用8 位地 址( 如m o v x r i ) 访问外部数据存储器时，p 2 口输出p 2 锁存器的内容。在f l a s h 编程 和校验时，p 2 口也接收高8 位地址字节和一些控制信号。 ( 6 ) p 3 口：p 3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 输出缓冲器能驱 动4 个t t l 逻辑电平。对p 3 端口写“1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 p 3 口亦作为a t 8 9 s 5 2 特殊功能( 第二功能) 使用，如表3 2 所示。 第二章系统总体结构组成及硬件设计 在f l a s h 编程和校验时，p 3 口也接收一些控制信号。 表3 2p 3 口引脚第二功能 t a b l e3 2a l t e m m ef u n a i o n so f p 0 r t3 引脚号 第二功能 p 3 0 r x d ( 串行输入) p 3 1 t x d ( 串行输出) p 3 2 i n t o ( 外部中断0 ) p 3 3 i n t o ( 外部中断0 ) p 3 4 t o ( 定时器0 外部输入) p 3 5 t 1 ( 定时器l 外部输入) p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器写选通) ( 7 ) r s t ：复位输入。晶振工作时，r s t 脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。 看门狗计时完成后，r s t 脚输出9 6 个晶振周期的高电平。特殊寄存器a u x r ( 地址8 e h ) 上的d i s r t o 位可以使此功能无效。d i s r t o 默认状态下，复位高电平有效。 ( 8 ) a l e p r o g ：地址锁存控制信号( a l e ) 是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在f l a s h 编程时，此引脚( p r o g ) 也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，a l e 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器 或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，a l e 脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为8 e h 的s f r 的第o 位置“1 ，a l e 操作将无效。这一位置 “1 ，a l e 仅在执行m o v x 或m o v c 指令时有效。否则，a l e 将被微弱拉高。这个a l e 使 能标志位( 地址为8 e h 的s f r 的第0 位) 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 ( 9 ) p s e n ：外部程序存储器选通信号( p s e n ) 是外部程序存储器选通信号。当 a t 8 9 s 5 2 从外部程序存储器执行外部代码时，p s e n 在每个机器周期被激活两次，而在 访问外部数据存储器时，p s e n 将不被激活。 ( 1 0 ) e a v p p ：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0 0 0 0 h 到f f f f h 的外部程 序存储器读取指令，e a 必须接g n d 。为了执行内部程序指令，e a 应该接v c c 。 在f l a s h 编程期问，e a 也接收1 2 伏v p p 电压。 ( 1 1 ) x t a l l ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 ( 1 2 ) x t a l 2 ：振荡器反相放大器的输出端。 1 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 3 2 5 看门狗定时器 w d t 是一种需要软件控制的复位方式。w d t 由1 3 位计数器和特殊功能寄存器中的看 门狗定时器复位存储器( w d t r s t ) 构成。w d t 在默认情况下无法工作；为了激活w d t ， 用户必须往w d t r s t 寄存器( 地址：o a 6 h ) 中依次写入0 1 e h 和o e l h 。当w d t 激活后，晶 振工作，w d t 在每个机器周期都会增加。w d t 计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位 ( 硬件复位或w d t 溢出复位) ，没有办法停止w d t 工作。当w d t 溢出，它将驱动r s r 引 脚一个高个电平输出。 为了激活w d t ，用户必须向w d t r s t 寄存器( 地址为o a 6 h 的s f r ) 依次写入0 1 e h 和 o e l h 。当w d t 激活后，用户必须向w d t r s t 写入0 1 e h 和o e l h 喂狗来避免w d t 溢出。当 计数达到8 1 9 1 ( 1 f f f h ) 时，1 3 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、w d t 激活后，每一个机器周期w d t 都会增加。为了复位w d t ，用户必须向w d t r s t 写入0 1 e h 和o e l h ( w d t r s t 是只读寄存器) 。w d t 计数器不能读或写。当w d t 计数器溢出时，将给 r s t 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续9 6 个晶振周期( t o s c ) ，其中 t o s c = i f o s c 。为了很好地使用w d t ，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免 w d t 复位。 在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这w d t 也停止了工作。在这种方式下，用户 不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过 硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给w d t 喂狗，就如同通常a t 8 9 s 5 2 复位一样。通 过中断退出掉电模式的情形有很大的不同，中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳 定，当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止w i ) t 在中断保持低电平的时候复位器 件，w d t 直到中断拉低后才开始工作，这就意味着w d t 应该在中断服务程序中复位。为 了确保在离开掉电模式最初的几个状态w d t 不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位 w d t 。在进入待机模式前，特殊寄存器a u x r 的w d i d l e 位用来决定l l q ) t 是否继续计数， 默认状态下，在待机模式下，w d i d l e - - o ，w d t 继续计数，为了防止w d t 在待机模式下复 位a t 8 9 s 5 2 ，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模 式。 3 2 6 晶振特性 如图3 3 所示，a t 8 9 s 5 2 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，x t a l l 和x t a l 2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自 激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，x t a l 2 可以不接，而从x t a l l 接入，如图3 4 所示。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟 信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合 1 4 第三章系统总体结构组成及硬件没计 要求的【i h 2 。 图3 3 内部振荡电路连接图 f i g3 3i n t e r n a lo s c il l a t o rc o n n e c t i o n s 图3 4 外部振荡电路连接图 f i g3 4e x t e r n a lc l o c kd r i v ec o n f i g u r a t i o n 3 3 光电检测报警电路 3 3 1 概述 光电检测器件是利用物质的光电效应，把光信号转换成电信号的器件。它的性能对 光电系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离 等。 对不同的光电检测系统，其光电变换装置的组成和结构形式也就有所不同。本系统 的光电变换形式为光被被测对象遮挡的形式和光透过被测对