毕业设计（论文）-基于51单片机的点滴输液报警器的设计与实现.doc

中文题目:基于51单片机的点滴输液报警器的设计与实现外文题目: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DRIP INFUSION ALARM SYSTEM BASED ON 51 MCU毕业设计（论文）共 68页（其中：外文文献及译文20页）图纸共 1张完成日期 2015年6月 答辩日期2015年6月摘要点滴输液是临床治疗和抢救的重要措施之一，基于现在的点滴输液方式需要医护人员实时监护，需要耗费大量的时间等问题设计了这个装置，本文简述了本系统的发展趋势，重要内容等，在总体设计方案中，对硬件和软件设计方案进行了介绍，再详细设计方案中，对硬件进行了简要的介绍，并实现了设计电路，然后在系统软件中主要介绍了实现该系统的程序，最后在测试模块中叙述了测试的结果和遇到的问题。该系统实现了对液体的流速控制，超过设置的速度报警，无液体时报警，1602液晶显示液体流速，而且病人可以按键报警等功能，该装置可以合理的控制点滴流速从而避免出现危险，同时可以让患者感到舒适和方便医护人员操作。可以确保输液安全，实现医用点滴检测，无线声光报警，可以对输液状况实施检测，而且病人可通过按键报警。关键词：51单片机；点滴输液；1602液晶；流速控制AbstractInfusion is one of the important measures for clinical treatment and rescue, but now the infusion way need real-time monitoring of the medical staff, need to spend a lot of time, the device can solve this problem, this paper first briefly in the design requirements of the system development trend and important content, in the overall design scheme, on the hardware and software design scheme are introduced, and then detailed design scheme, the hardware were briefly introduced, and the circuit design is completed, and then in the software system mainly introduces the procedures for the realization of the system, the most in a test module that describes the test results and the problems encountered. The system realized on liquid velocity control, speed exceeds the set alarm, alarm is no liquid, 1602 liquid crystal display liquid flow rate, and that the patient can button alarm function, the device can reasonably control the drop velocity to avoid dangerous, also can make patients feel comfortable and convenient operation of medical personnel. It can ensure the transfusion safety, realize medical drip detection, wireless sound and light alarm, can carry out detection for transfusion, and the patient can alarm by key.Key words:SCM;1602 LCD;Flow controlI目录引言11 项目概述21.1 选题背景21.2目的及意义21.3 国内外研究现状与发展趋势32 相关技术42.1 红外对管技术42.2 单片机技术52.3 晶体显示技术83 总体设计113.1设计方案113.2系统硬件总体设计123.2.1 系统硬件结构123.2.2 系统硬件方案设计123.3 系统软件总体设计133.3.1 下位机软件设计134 系统硬件设计164.1 系统硬件设计原则164.2 核心部件选型164.2.1 中央处理器164.2.2 检测液体部件174.3硬件电路设计184.3.1 LCD1602显示电路184.3.2系统控制电路204.3.3红外对管控制电路214.3.4蜂鸣器电路及按键电路225 软件设计245.1 软件设计原则245.2 主程序设计255.3 系统启动程序设计255.4 晶体显示程序设计266 系统测试与运行296.1 测试方案296.2 测试结果与分析307 结论31致谢32参考文献33附录A 中文译文34附录B 英文原文43附录C 系统连接原理图54附录D 源程序代码55辽宁工程技术大学毕业设计（论文）引言点滴输液是现在临床治疗和抢救非常重要的手段，医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定高度上，利用势差把液体输入到病人的体内，通过软管夹对胶管口径压紧和放松来控制滴速这对输液有严格要求的病人和护士的监护管理来说都很不方便，在输液过程中药物接近完成或由于某种原因药物的速度过快、过慢都要医护人员及时护理否则将出现医疗事故。目前没有高效的控制系统，点滴输液时需要医护人员在旁照顾，这加重了医护人员的工作量和病人的思想负担而且也不利于医院的统一管理。该装置就可以解决这个问题，在输液过程发生的意外状况可以通过警报声通知医护人员，医护人员只要听到警报声马上过来，就可以处理突发状况，这样就大大节约了时间，该装置不仅仅可以用在医疗方面，在一些需要严格控制液体流量的场合也可以使用，比如一些工业生产，珍贵的植被灌溉。目前，国内外液体点滴报警器方面已经有了一些研究，已经研制出来一些新产品。并且被很多大型的医院引进，但是还没有普及，一些中小型医院在病人输液时还是靠医护人员的实时监控，以防止发生意外。本系统可以合理的控制点滴流速从而避免出现危险，同时可以让患者感到舒适和方便护士操作。可以确保输液安全，实现医用点滴检测，无线声光报警，可以对输液状况实施检测，而且病人可以通过按键报警。该系统可以设置液体流速，当液体流速超出设置速度时，会发出警报，而且当没有液体时，该装置也会报警，这样就不用医护人员实时的监控，当病人有问题时可以按动装置上的按钮，从而方便了医护人员的操作，可以为他们腾出大量的时间。1 项目概述1.1 选题背景 静脉输液的技术起源于公元16世纪，经过四百年的发展逐渐形成了完整的理论体系，成为最直接，最常用，最有效的治疗手段之一。在医院输液有一个难题长期困扰着病人与医护人员：在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷或入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意，当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。若处理过早，即药液还末完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等。因此常引发病人的不满以至投诉，甚使医护人员无奈。而医用输液报警器的设计和投入应用，可以较好地解决输液中所遇到的这些困扰。随着信息技术的发展和微电子技术的应用，在医疗卫生领域和工业控制领域一场随之而来的信息化的变革也正在进行。在工业控制领域,生产中的液位流量需要实时的控制，同样在医疗卫生领域,对输液流量的实时控制同样有很大的需求。现在社会的不断发展，生活节奏的加快，越来越多的方面需要进行有效的、精确的控制。而输液点滴作为一项很重要的医疗手段，更需要这样的技术改进。所以需要一种安全有效，节约时间的方法来解决这一问题。1.2目的及意义选题的目的（1）点滴输液在现在临床治疗和抢救中非常的重要，在输液过程中药物接近完成或由于某种原因药物的速度过快、过慢都要医护人员及时护理否则将出现医疗事故，需要一个有效的措施解决这一问题。（2）目前没有高效的控制系统，点滴输液时需要医护人员在旁照顾，这加重了医护人员的工作量和病人的思想负担而且也不利于医院的统一管理。（3）输液点滴作为一项很重要的医疗手段，更需要进行有效的、精确的控制。选题的意义医用点滴输液已经成为现在医疗常规的手段。对于不同年龄，不同病患程度的输液患者或使用不同的输液药物，要求有不同的点滴流速，而该装置就可以解决这个问题，可以合理的控制点滴流速从而避免出现危险，确保输液安全，实现医用点滴检测，无线声光报警，可以对输液状况实施检测，当病人有问题时可以按动装置上的按钮，不仅提高了护士的工作效率，减轻了护士的工作负担和病人的心理压力，还减少了静脉输液时的医疗事故及纠纷的发生，增加了输液的安全系数。总之，这种输液报警器适用于各级医院的临床工作需要，工艺制作及设计方面有一定的创新性，具有较好的社会效益和广阔的市场应用前景。1.3 国内外研究现状与发展趋势目前，国内外液体点滴报警器方面已经有了一些研究，已经研制出来一些新产品。并且被很多大型的医院引进，因其体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。红外光电自动控制，在方便和适合医护吊瓶习惯的前提下，降低医护人员和护理人员的劳动强度，在一些大型医院已有使用。 该输液报警器具有广阔的市场前景，并能产生巨大的社会效益。目前医院的现状普遍是病人多，护士少，一些大型医院1个护士需要同时照顾几十个床位的病人，繁重的工作给医护人员带来沉重的负担；同时绝大多数病人都需要家属陪同输液，家属或陪护人所起的作用是不断地对输液进行肉眼监控，因此而耽误工作和学习，而且稍有疏忽，就会因延迟护理而造成回血，严重的会造成输液医疗事故，输液报警器的研制正是为了解决这一问题。据初步估计，我国县级以上医院有16000多家，一般床位数在800到1200左右，另外急救，门诊等也会进行大量的输液治疗。按保守估计平均每家医院每天有800住院病人，这其中有85%的人需要输液，则每天全国约有850万人接受输液治疗。按每家医院至少需要700个输液报警器。可见输液报警器的需求量非常之大，具有广阔的市场前景。2 相关技术 2.1 红外对管技术 本系统中用到的红外对管是由一个红外发射管和一个红外接收管组成。红外接收管不受可见光干扰，且感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。红外线接收管是把红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，跟普通二极管相比，它在结构上采取了大的改变，红外线接收管为更多更大面积的接受入射光线，电极面积尽量减小，PN结面积会做的比较大，而且PN结的结深会很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用下工作的。在没有光照时，反向电流一般会很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结之后，能量会传给共价键上的束缚电子，这时部分电子挣脱共价键，从而产生电子。它们在反向电压的作用下参加漂移运动，反向电流会明显变大，光的强度越大，反向电流也就会越大。红外线接收二极管在一般强度的光线照射下，所产生的电流叫做光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就会获得电信号，而且这个电信号也会随着光的变化而相应变化。红外线接收管有两种，一种是光电二极管，一种是光电三极管【1】。本系统中用到的是光电二极管。红外对管的电路图如图2-1所示。图2-1 红外对管Fig.2-1 Infrared tube technology直流驱动红外探测器电路的设计和参数计算电路如图所示。R1与W1及V1构成简单的直流发光二极管驱动电路，调节W1能改变发光管的发光光强，从而调节探测的距离，NE555及其外围元件构成施密特触发器，接收管V2与电阻R2构成光电检测电路，它的触发电平可通过W2控制。通过NE555的第3脚输出的TTL电平可直接驱动单片机的I/O口。检测液面电路如图2-2所示。图2-2 检测液面电路Fig. 2-2 detecting liquid level circuit采用红外对管检测技术的时候红外对管置于输液瓶的两侧，距离瓶口大约13厘米。液面检测电路主要有三部分组成：调制与解调部分、红外发射与接收部分、放大部分。当红外对管之间介质发生变化（由水到空气）时，光电接收管的输出信号会发生相应的变化。然后将这一输出信号送入单片机。频率发生电路是由一个555定时器组成的占空比可调方波发生器。对来自输液现场的环境干扰光，采用调制和解调技术来提高抗干扰的能力。调制解调器接收电路由运放LM741与解调芯片LM567组成。单片机通过检测LM567和引角8的电平变化来实现液位检测，从而解决了因液体透明而导致发射不明显的问题。2.2 单片机技术 单片机（Microcontrollers）是一种集成的电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的随机存储器RAM、只读存储器ROM多种I/O口、中断系统、定时器/计数器和中央处理器CPU等功能（可能还包括脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器、显示驱动电路等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域有广泛应用。单片机又被称为单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个小小的芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用与开发都提供了便利条件。概括的讲：一块芯片就组成了一台计算机。本系统采用的单片机是STC89C52。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程的可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器的制造技术制造，有12时钟/机器周期和6时钟/机器周期两种，可以任意选择【3】 ，指令代码完全兼容传统的8051单片机。主要特性如下：1.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。2.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051。3.工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）。4.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz。5.用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM。6.通用I/O口（32个）复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。8.具有EEPROM功能，具有看门狗功能，PDIP封装。9.共3个16位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2。 10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。11.工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。STC89C52的引脚图如图2-3所示。图2-3 STC89C52的引脚图如图Fig. 2-3 STC89C52 pin diagramSTC89C52内部有个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚TXD和RXD分别是此放大器的输出端和输入端。时钟可以用内部方式产生或外部方式产生。内部方式时钟电路如图42(a)所示，在TXD和RXD引脚上外接定时的元件，内部振荡器就会产生自激振荡。晶体振荡频率在1.212MHz之间选择，电容值可在530pF之间选择，电容值大小可对频率起微调的作用。定时元件通常采用石英晶体与电容组成的并联谐振回路。外部方式的时钟电路如图42（b）所示，TXD接外部的振荡器，RXD接地。片内的时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟的P1和P2，供单片机使用【4】。对外部振荡信号没有特殊要求，只要求保证脉冲的宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。TXD接外部振荡器，RXD接地。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。对外部振荡信号没有特殊要求，只要求保证脉冲宽度就可以，一般会采用频率低于12MHz的方波信号。图4-2 时钟电路图Fig.4-2 clock circuit diagram2.3 晶体显示技术 显示器是一个系统中呈现数据信息的重要组成，一个系统如果中没有显示器的话，我们无法直接获得信息，这样就给我们对操作系统带来了极大的不便，所以显示器在一个系统中的地位是非常重要的，而在嵌入式中，晶体显示又是显示器技术中一种最为普遍的技术，下面着重说一下液晶显示屏。1 液晶显示屏的基本构造（1）薄膜基板：液晶分子的扭转角度由TFT控制。（2）背光板：LCD的显像原理是靠液晶阻挡光线的分量达到控制明暗，所以必须要有光源才可能在屏幕上看到图像，所以背光板负责为液晶屏显像提供最基本的光源。（3）下偏光板：背光板送出来的光线方向性不一致，会呈放射状，如果这样的光线只通过液晶分子的扭转，我们在屏幕上还是看不到正常的图像，看到的可能是白茫茫的一片，或者是花花绿绿的色块，不会是我们想看到的图像。下面的偏光板就承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。（4）液晶：这层液晶分子会在TFT控制下发生扭转，达到将方向一致的光线通亮进行控制，从而在通往后面像素单元的光线明暗度就发生了改变。（5）彩色滤光片：液晶本身并没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,液晶屏中每个液晶子像素显示的颜色取决于色彩过滤器，而不是子像素,背光源发出的是白色光线，白色光线经过各种颜色的滤色片之后，我们在滤色片后面就可以看到与滤色片对应颜色的光线被传出，所以在液晶显示屏中，彩色滤色片的功能是上色，和CRT显示器的荧光粉功能对应。大多数数字控制的LCD采用了8位控制器（也有的数字控制采用10位控制器），可以产生256级灰阶。液晶子像素只能通过控制光线的强度来调节灰阶,只有少数的主动矩阵显示采用模拟信号控制,大多数则采用数字信号的控制技术。每个子像素可以表现256级,那么你就能得到2563种色彩,每个像素能够表现出16,777,216种成色，也就是我们常见的所谓的1677.7216万色。因为人的眼睛对亮度的感觉不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种24位的色度已经能完全达到理想要求。（6）上偏光板：原本方向一致的光线在经过了液晶层的扭转后又变得方向不一致，所以如果不把呈漫射状的光线再次规整，在屏幕前看到的则依然是白茫茫一片，被液晶扭转过了的光线并没体现出来，所以必须将漫射光进行规整，使用一片与下偏光片偏光方向正交偏光片将经过液晶扭转的光心重新进行偏转，不同角度的光线在经过上偏光板后的亮度不同，所以我们可以在屏幕上会看到明暗交替画面，因为被偏转光线是经过了彩色滤色片的彩色光，所以我们在屏幕前就可以看到我们需要的图像。2.液晶的成像原理液晶显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样就可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在数字摄像机、便携式电脑和PDA移动通信工具等众多的领域。LCD的成像原理如图4-3所示。 3.液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有多种，通常可按其显示方式分成点阵式、段式、字符式等。除黑白显示外，液晶显示器还有多灰度彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分成主动矩阵驱动（Active Matrix）、静态驱动（Static）和单纯矩阵驱动（Simple Matrix）三种。 4.液晶显示器各种图形的显示原理【5】: （1）线段的显示:点阵图形式液晶由MN个显示单元构成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1个字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元和显示RAM区的1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗相对应。例如屏第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角会显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角会显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部会显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。 （2）字符的显示:用LCD显示一个字符时会比较复杂，因为一个字符由88或68个点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置相对应的显示RAM区的8字节，还要使每个字节的不同位为“1”，其它的位为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就会比较简单了，可以让控制器工作在文本方式上，根据在LCD上开始显示的行列号和每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码就可以了。（3）汉字的显示:汉字的显示一般会采用图形的方式，事先从微机中提取要显示汉字的点阵码，一个汉字占32B，分成左右两半，各占16B，右边的为2、4、6左边的为1、3、5根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数就可以找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，然后送第三个字节直到32B显示完就可以在LCD上得到一个完整汉字。图4-3 LCD的成像原理Fig.4-3 LCD imaging principle3 总体设计3.1设计方案 医疗点滴报警器的原理：通过红外接收装置，光电传感器，显示装置，单片机系统、键盘和报警系统组成。通过红外对管接收到的信号，通过电路传到单片机，利用单片机完成简单的数学运算，信号处理以及控制功能，点滴速度的闭环控制。同时，点滴流动速度测控系统通过串行通信可以实现基于单片机的多路管理。将液滴流动频率经过LM567转化为高低电平，经单片机及程序控制，在没有液体的时候使得发光二极管、蜂鸣器显示报警。设计思路有以下设计功能。（1）通过红外对管检测点滴滴下的个数，以此计数，可以对记录对病人输液的总量。 （2）红外对管可以检测点滴是否滴完，当输液管里面没有点滴是报警。 （3）1602液晶显示输液的点滴数，更加人性化，直观化。（4）报警按键可以随时报警，方便病人。（5）红外对管把每次记录的滴数传给单片机，以计算单位时间内所滴的滴数，从而得到流速。本设计是以51单片机为主要控制核心，用51单片机系统对用户设定信号数据的采集以及分析，通过各种可控型电子元器件对点滴进行计数和报警，以达到用户需求。系统功能流程如图3-1所示。图3-1 系统功能流程图Fig.3-1 system function flow chart如图3-1所示，当有物体通过红外对管时，会引起红外光线的变化，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电流，电流经过比较整形之后，产生了脉冲信号，然后进入单片机，单片机处理这些脉冲信号，当没有物体通过时，红外对管会产生很小的电流，产生脉冲信号，单片机处理后指令到达报警器，报警器报警。3.2系统硬件总体设计 3.2.1 系统硬件结构点滴输液报警器系统硬件结构搭建如图3-2所示，系统初始化后，先是通过键盘设置液体的流速，这样就可以实现当液体滴度超过设置速度时报警；通过红外装置测试水槽是否有液体，当水槽没有液体时，向单片机发送信息，单片机通知扬声器实现报警；用红外测速装置测试液体速度，信息传给单片机，单片机处理完之后将数值通过显示装置显示出来。3-2系统硬件结构搭建图Fig.3-2Hardware structure of system3.2.2 系统硬件方案设计本系统主要是对液体速度的测量，通过液体速度测试装置，测试出速度后数据传给单片机，再通过显示装置显示出来，再通过红外装置测试是否有液体，扬声器实现报警。（1）单片机：本系统采用STC89C52，STC89C52是STC公司生产一种低功耗、高性能CMOS8位的微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机所不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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【6】。（2）水位判断装置。本系统采用的是红外对管，红外对管是红外线发射管，红外线接收管，功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二级管，一般只对红外线有反应，这样在接受液面水位信息的时候，就避免了一些可见光的干扰。（3）显示部分。本系统的显示装置采用的是LCD1602, 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：英文字母的大小写、常用符号、阿拉伯数字、和日文假名等，每一个字符都有一个固定代码，比如大写英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块时把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”，显示的内容非常丰富。而且LCD1602的体积小、功耗低、使用简单等优点，而且不需要外加驱动电路，本装置体积很小，所以使用1602作为显示非常适合。3.3 系统软件总体设计本设计系统分为5个模块，测试速度模块，显示模块，中央处理器，测试页面模块，报警模块。如图3-3所示。图3-3 点滴输液报警系统功能模块图Fig. 3-3 intravenous drip alarm system function module chart3.3.1 下位机软件设计主程序是整个程序设计的主体，也是整个系统中最重要环节，它负责各个子程序模块的执行顺序、时序以及它们之间的联系。主程序通过系统的自检以及调用各种子程序模块，从而实现系统初始化，进行数据处理、数据显示、按键处理、产生控制信号、参数传递等功能。主程序流程如图 3-4 所示。图3-4 主程序流程图Fig.3-4 main program flow chart子程序是系统中不可缺少的部分，子程序的实现都是通过主程序的调用来实现的，它实现了系统的部分功能，子程序可以把整个用户的程序按照功能进行结构化组织。一个“好”的程序总是把全部的控制功能分为几个符合工艺控制规律的子功能块，每个子功能块可以由一个或多个子程序组成。这样的结构也非常有利于分步调试，以免许多功能综合在一起无法判断问题的所在；而且，几个类似的项目也只需要对同一个程序作不多的修改就能适用。本系统子程序模块包括：数据显示子程序、报警程序等。4 系统硬件设计4.1 系统硬件设计原则 一个单片机应用系统的硬件设计包括两部分内容：一是系统配置，即按照系统功能来配置外围设备，如键盘，显示器，打印机，A/D，D/A转换器等，以设计合适的接口电路。二是系统扩展，即单片机内部功能单元，如ROM,RAM,I/O,定时器/计数器，中断系统等的容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当芯片，设计相应的电路。系统的扩展和配置设计应遵循下列原则：（1）整个系统中相关的期间应尽可能做到性能匹配，例如在选用晶振频率时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度高的芯片：选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。（2）尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规方法。为硬件系统的标准化，模块化打下良好的基础。（3）系统的扩展与外围设备的水平要充分的满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次的开发。（4）硬件结构要结合应用软件一并考虑。硬件结构和软件方案会产生互相的影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件的结构。但必须注意的是，由软件实现硬件功能，其响应时间会比直接用硬件实现来的长，而且会占用CPU时间。因此选择软件方案的时候，要考虑到这些因素。（5）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计中不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布局和通道隔离等。（6）单片机外接电路较多时，必须考虑它的驱动能力，驱动能力不足时，系统工作就不可靠，解决的办法是增加驱动能力。增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。4.2 核心部件选型4.2.1 中央处理器 单片机：本设计采用的单片机是STC89C52，STC89C52是一种低损耗、高性能、CMOS的八位微处理器，片内具有4k字节的在线快速擦除、可重复编程和快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据可以保存到十年，一次性写入数据可以坚持时间非常之久，与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且有很多MCA-51没有的功能，STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。STC89C52芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制，安全性非常好。它可以划分为CPU，存储器，并行口。串行口，定时器/计数器和中断逻辑几个部分【7】。STC89C52的内部结构图如图4-1所示。图4-1 STC89C52的内部结构图Fig. 4-1 STC89C52 internal structure diagram4.2.2 检测液体部件 红外对管：本系统采用红外对管来检测液体，红外对管是由一个红外发射管和一个红外接收管组成。红外接收管不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子，也就是电流。当有液体时，会引起电流脉冲的变化。4.3硬件电路设计4.3.1 LCD1602显示电路本系统采用的LCD液晶显示器是1602液晶显示器。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块，显示字符和数字。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。控制器是STC89C52。STC89C52控制器系列的主要特性为：是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。512字节RAM， 32 位I/O 口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口【8】。LCD1602的接口电路如图4-1所示。图4-1 LCD1602的接口电路Fig. 4-1 LCD1602 interface circuit LCD1602和STC89C52的接口显示模块的接口表如图4-2所示。图4-2 LCD1602和STC89C52的接口显示模块的接口表Fig. 4-2 LCD1602 STC89C52 and interface display module interface table第1脚：VCC为电源。第2脚：VDD电源正极。第3脚：GND接地。第4脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第5脚：E为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。第6脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平进行写操作。当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第7脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第8-15脚：D0-D7为8位双向数据线。第16脚：背光源正极。第17脚：背光源负极。LCD1602是16字*2行的字符型液晶模块。与数码管相比该模块有如下一些优点。（1）程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能。 （2）位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了。（3）显示内容丰富，可显示所有数字，字母，符号等192种ASCII码对应的字符。 4.3.2系统控制电路使用STC89C52作为控制器，LCD1602晶体为显示器，利用1602LCD中的存储器中的存储器自建立16*2的点阵字符来显示数据，红外对管用来检测液体信息。本系统各个器件一起工作时的电路如4-3所示。图4-3 系统工作的电路图Fig.4-3 circuit diagram of the system PCB板视图如图4-4所示。图 4-4 系统PCB板视图Fig.4-4 PCB system board view4.3.3红外对管控制电路接收电路由红外接收管，电阻和三极管组成，如图4-3。Q2接收到红外信号后，经过三极管Q2进行第一级放大，然后经过各个电阻，最后得到红外信号。因为在没有物体通过红外对管时，不会引起红外光线的变化，反向电流很小（一般小于0.1微安），也就是暗电流，当有物体通过红外对管时，引起红外光线的变化，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子，就会引起红外对管中电流的变化，在经过电路放大后，最后经过单片机处理得到数据，在显示器中显示出来。红外对管中红外发射电路由电阻R4和一个二极管组成【9】，如图4-3所示。 图 4-3 红外对管控制电路Fig. 4-3 infrared tube control circuit无液滴落下时，接收管与发射管正对，接收管接收到的光强较强，有液滴滴下时，下落中的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的散射作用，导致接收光强的较大改变，接收管接收到的信号经一级施密特触发器，送单片机的中断口，据此就可以正确的探测出液滴的滴落。解决了因液体透明而使得发射不明显的问题。4.3.4蜂鸣器电路及按键电路蜂鸣器是一体化结构的电子讯响器，采用直流的电压供电，广泛应用于计算机、汽车电子设备、电话机、定时器、打印机、复印机、报警器、电子玩具等电子产品中作发声器件。蜂鸣器发声原理：电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声，因此需要一定电流才能驱动它，单片机的I/O引脚输出的电流比较小，单片机输出的TTL电平基本上不能驱动蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大电路。通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器。如图4-4所示：当P2.4输出低电平时，电源直接给蜂鸣器供电，三极管饱和导通，使它发出鸣叫【10】。在单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。在单片机应用系统当中，按键主要有两种形式：1、直接按键； 2、矩阵编码键盘。直接按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，直接按键则可通过判断按键端口的电位就可以识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。那么，本系统采用的就是直接按键。需要注意的是，在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般在20200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒级的单片机而言则是慢长的。为了提高系统的稳定，必须去除或避开它。目前的技术有硬件去抖动和软件去抖动，硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，但是实现的难度较大又会提高了成本。软件去抖动不是去掉抖动，而是避开抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。这里只研究软件去抖动，实现方法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时20200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1表示低电平的时间不到10200毫秒，视为干扰信号。当读出的值是0时则表示有按键按下，则调用相应的处理程序。单片机与键盘的接口图如图4-5所示。 图4-4 蜂鸣器内部电路图 图4-5 单片机与键盘的接口图 Fig. 4-4buzzer internal circuit diagram Fig.4-5 interface diagram of the microcontroller and keyboard本系统中的蜂鸣器是当没有液体或者液体速度超过设置的速度时发出鸣叫，来达到报警的作用。它可以把电信号转换成人们可以听到的声信号，是一种可以集成到开发板上面的非常简单的装置。键盘用来设置液体流速，预先设置一个速度报警值，当超速时报警，操作非常简单。5 软件设计5.1 软件设计原则软件设计是控制和协调计算机以及外部设备，支持应用的软件开发和运行的重要条件，是不需要用户干预的各种程序的集合。主要功能是调度、监控和维护计算机系统，负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。软件设计原则指导软件设计，软件设计重要性表现在软件的质量。软件设计描述了软件是如何被分解和集成为组件，也描述了组件之间的接口以及组件之间是如何发挥软件构建功能的。为保证软件质量给出以下原则。（1）使各个模块之间和与外部环境之间接口的复杂性尽量地减小；（2）有分层的组织结构，以便于对软件各个构件进行控制；（3）形成有独立功能特征的模块（模块化）；（4）具有性质不同、可区分的数据和过程描述（表达式）；（5）软件系统的可靠性。用软件系统规模越做越大就会越复杂，其可靠性越来越难保证。软件可靠性意味着软件在测试运行过程中避免可能发生故障的能力，且发生故障后，有解脱和排除故障的能力。应用本身对系统运行的可靠性要求也越来越高，软件系统的可靠性也会直接关系到设计自身的声誉和生存发展竞争的能力。硬件可靠性和软件可靠性区别在于：前者为物理机理衰变和老化所致，而前者是由设计和实现的错误所致。所以软件的可靠性必须在设计阶段就确定，在生产和测试阶段再考虑就会困难了。（6）软件系统的健壮性。指软件对于规范要求以外的输入能判断出这个输入不符合规范，并能有合理处理方式。软件健壮性是个比较模糊的概念，但却是非常重要的软件外部量度标准。软件设计的健壮与否反应了分析设计和编码人员的水平。（7）容易理解，软件的可理解性是可靠性和可修改性的前提。它并不仅是文档清晰可读的问题，更要求软件本身具有简单的结构。这在很大程度上取决设计者的洞察力与创造性，以及对设计对象掌握的透彻程度，当然它还依赖于设计工具和方法的适当运用。（8）效率性，软件的效率性一般用程序执行时间和所占用的内存容量来度量。在达到原理要求功能指标前提下，程序运行所需时间愈短和占用存储容量愈小，则效率愈高。要想得到一个满意的设计结果，不仅要有基本设计原则的指导，还要有系统化的设计方法和严格的评审机制相结合才能达到预想的目的。5.2 主程序设计 主程序是整个程序设计的主体，是一个程序的入口，也是整个系统中最重要的环节，程序执行会先执行主程序，然后根据主程序中的方法调用，来调用相应的子程序，来实现相应的功能。主程序主要负责各个子程序模块的执行顺序、时序以及它们之间的关系。图5-1 系统工作流程图Fig. 5-1 system workflow diagram主程序通过系统的自检以及调用各种子程序模块，从而实现系统的初始化，进行数据显示、数据处理、按键处理、参数传递、产生控制信号等功能。主程序流程如图 5-2 所示。子程序的实现都是通过主程序的调用来实现的，系统子程序模块包括：数据显示子程序、报警程序等。5.3 系统启动程序设计