毕业设计（论文）-基于AT89S52的输液监控节点设计.doc

南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学院（系）： 电子与电气工程系专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期 2011 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于AT89S52的输液监控节点设计Design of the Infusion Monitoring Node Based on AT89S52 总 计：毕业设计（论文）30页 表 格：1个 插 图：19幅基于AT89S52的输液监控节点设计南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于AT89S52的输液监控节点设计Design of the Infusion Monitoring Node Based on AT89S52学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 张 帅 学 号： 19107034 指 导 教 师（职称）： 李 鉴（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology基于AT89S52的输液监控节点设计基于AT89S52的输液监控节点设计电子信息工程专业 张帅摘要 本文设计的输液监控节点系统，实现了对输液速度的检测与控制，实现了对输液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示输液速度。使用者可以通过按键设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制。此外系统还实现了多机通信，即一个主站控制多个节点和主站与节点之间的数据传输。当输液结束或输液速度发生异常时，节点使用发光二极管和蜂鸣器进行报警，并将报警信号通过串行口传送至主站，主站通过监控软件和蜂鸣器实现声光报警。关键词单片机；PID控制；步进电机；CAN总线； Design of The Infusion Monitoring Node Based on AT89S52Electronic and Information Engineering ZHANG ShuaiAbstract: The infusion monitoring system design by this paper, actualize the infusion rate of test, the control of reservoir fluid bottle level detection alarm and dynamic display of transfusion speed. Users can through the button to control transfusion speed and system will automatically transfusion speed of it. Besides the system also actualize multi-machine communication, that is, a master station to control multiple machines from a station and the master-slave data transmission between. When the infusion end or infusion speed abnormal, slave light-emitting diodes and buzzer to alarm, and will alarm signals through serial transmission to the master, stood by monitoring software realization and buzzer sound-light alarm.Key words: Single chip microcomputer;pid;stepper motor;can bus; III目 录1 引言11.1 国内外输液监控系统现状分析11.2 输液监控系统研发的必然趋势21.3 论文结构安排32 输液监控系统总体需求42.1系统需求分析42.2 系统各部分方案论证52.2.1 控制方案52.2.2 点滴检测方案52.2.3 液位监测方案52.2.4 速度控制方案62.2.5 电机选择及控制方案62.2.6主从机通信方案72.3 系统总体框图93 系统节点的硬件设计103.1 节点系统框图与核心部分电路图103.2 节点系统各单元设计113.2.1 点滴信号检测单元113.2.2 点滴信号整形及A/D转换133.2.3 液位监测单元143.2.4键盘及显示单元153.2.5 声光报警单元183.2.6 供电单元183.3 通信电路硬件设计及工作原理193.3.1常见接口标准193.3.2 CAN总线适配芯片213.3.3通信接口硬件电路图224 系统节点的软件设计234.1 节点软件系统总体234.2 节点各模块软件设计234.2.1 主控模块设计244.2.2 点滴速度测量模块设计244.2.3 电机控制算法254.2.4 报警模块设计264.2.5 通信模块软件程序设计27结束语29参考文献30致谢301 引言1.1 国内外输液监控系统现状分析静脉输液是临床医学中的一个重要的治疗手段和医学监护的一项重要内容，在各个医院的医疗工作中被广泛应用,据统计住院输液率为70%80%。它不仅是一种重要的给药途径,而且还是给患者补充体液、营养的重要方法。在输液过程中,输液速度是一个很重要的参数,一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。同时，在静脉输液过程中，必须有人陪护，以防鼓包等事故发生，尤其对术后几乎需要24小时不间断输液的患者的监护，更是让护理者身心憔悴。当护理者发生困倦时，极易发生事故。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,即将液体容器挂在一定高度，利用液体静压原理与大气压的作用使液体下滴，将大量灭菌药液直接滴入静脉内，从而达到治疗目的。用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，医护人员按药剂特性对滴速进行控制。由于这种滴速控制是通过肉眼观察进行估计的，需要根据经验来调节,使得点滴流速不够准确，影响了治疗效果，以至危害病人健康。当液体输完时，如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现回血等情况。为此患者家属需要陪同病人并且不断地观察输液情况，这样容易导致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影响治疗质量和患者康复。同时，护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷，有时还会产生医疗纠纷。基于以上情况，设计实现一种智能输液监控系统，对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势1。国外对智能型输液装置的研究较早，如日本、美国和德国等国家上世纪八十年代末就进行了智能型输液装置的研制。早在几年前，发达国家许多住院床位就已经配备了输液泵。输液泵是一种多功能输液控制器，能够较为精确地控制输液速度，并实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警。我国只是在一些大医院才有部分配备，且大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日本JMS株式会社的OT-601型输液泵（控制精度为10%）和SP-500型注射泵，美国、德国、以色列等国家也有性能较好的产品。但是价格普遍比较昂贵，在两万元人民币左右，使大部分三级甲等以下医院望尘莫及。国内对输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液装置，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的ZNB系列产品。不过总体来说其功能也只是侧重于精确输液控制，种类较少，性能也需改进，加上不菲的价格，所以也只能是和进口输液泵争一点市场份额，未能在各级医院大面积的推广普及。由于规范操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的，因此输液速度的控制和输液完成报警成为了人们更为关心的问题2。而且输液完成报警器的研制也成为近年来的一个热门课题，根据前年对国家知识产权局专利信息的查询，已有67种输液完成报警器专利技术，但由于各专利技术或多或少都存在着这样或那样的缺陷，诸如安全性、可靠性、成本及可操作性等问题，致使真正转化为产品的专利并不多。作为一种医疗器械，安全性、可靠性是基础，作为一种只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品，使用方便和足够低的价格又是一种基本要求，所以，这种产品即便安全性、可靠性得到了充分保证，但如果没有简便的操作和足够低的价格作支撑，想要顺利推广也是不可能的。我国是世界上拥有医院最多的国家，具有庞大的消费群体。近几年来，由于政府的支持，医疗器械发展迅速。医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行业。按照原国家经贸委指定的医疗器械行业“十五”发展规划，到2010年我国医疗器械总产值将达到1000亿元，在世界医疗器械市场上的份额将占到5%；到2050年这一份额将达到25%，成为世界一流的医疗器械制造强国。目前医院普遍使用的是人工监控点滴输液装置器,将液体容器挂在一定高度,利用势差将液体输入病人体内,用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速,医护人员按药剂特性对滴速进行控制。如何使这种手工操作走向自动化或半自动化,让护理人员监控病人打点滴的进程时间得到充分利用,使能自理的病人自己能掌握点滴的速度,这就要求医疗器械加速自动化与半自动化进程,提高医护质量3。目前国内尚未完全解决输液时的自动监控问题。因此，将嵌入式系统技术应用于输液监控装置的研究势在必行！1.2 输液监控系统研发的必然趋势 近年来，随着医疗事业的发展，计算机网络管理称为现代化医院的一个重要标志，尤其是在医疗监控领域，提出了多元化、信息化、个性化的医疗设备需求。现代科技的进步和发展，为医学监护技术提供了创新条件和新的发展空间，然而医疗监护技术和设备的发展仍不能满足医院、病人、家庭和人身健康各方面提出的要求。因此，网络化医疗监控设备已具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。静脉输液是最常规和最重要的医疗手段。但是，现行的医院点滴输液方法中，输液速度难以准确限制，医师和护士只能依据经验来控制墨菲氏管的轮夹，而不能依据患者的病情精确控制药液的速度和流量，这种输液速度控制的方法显然是不方便的，并且可能对患者造成不必要的伤害。所以如果有液体点滴速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高，增加医院和病人的费用。针对这种情况，本文设计实现了一种由单片机控制的液滴速度监控和液位报警装置。该装置可为临床医师提供可靠的数据，对患者的抢救及治疗提供一些帮助。该系统包括红外发送接收装置、AT89S52单片机、步进电机、LED显示屏和语音芯片等。其中红外发送接收装置用于将液滴滴下一滴的信息转化为电信号传入单片机，经过单片机计算其滴液速度，并在节点的LED显示屏上显示，通过电机控制储液瓶的高度来达到控速的目的4。在实际应用当中，还将该系统分为各床位输液监控装置（节点）及监控中心（主站）两部分，以便对多床位进行远程监控。监控中心PC显示各床位的输液情况。当输液结束或出现异常情况时，各床位（节点）的监控仪进行声光报警，并向主站发送报警信号，等待护士前来处理。整个装置简单实用，可应用于门诊输液系统中。因为它有许多的优点，如：操作简单、安装方便、成本低、可以用按键准确控制速度和抗干扰能力强等。所以这种液体点滴速度监控的设计实现是十分有意义的。1.3 论文结构安排基于本系统所要实现的功能和主要特点，确定了本文的主要工作内容：（1）查阅资料，确定方案了解输液监控报警技术在国内外的发展状况，并对比现有输液监控装置的优劣，根据实际应用环境的需要，确定系统的整体设计方案。（2）节点的软硬件设计根据整体设计方案，设计出各个模块的硬件电路，完成各部分硬件系统功能框图。设计出节点各部分的软件程序，同时对电路设计进行进一步验证。本文设计与实现一套基于AT89S52单片机的智能输液监控节点系统。该系统综合运用嵌入式系统技术、单片机控制技术、光电检测技术、通信技术、步进电机控制等技术，实现输液治疗中输液的智能监控，能够对输液过程进行现场实时监控，包括对输液液滴的采集、输液速度的控制、输液接近结束时的液位检测，并通过CAN总线的方式把输液过程中的信息及时上传给护士值班室的PC当中，对输液进行实时监控。该系统要解决目前采用的输液泵成本高的问题，可以满足输液速度自动控制的基本要求。此系统具有许多的优点，如：操作简单、安装方便、成本低、可以用按键准确控制速度和抗干扰能力强等。在实际应用中既可下位机单独工作，又可通过CAN总线实现下位机、上位机联机工作，满足了目前临床医学的需求。整个装置简单实用，可应用于门诊输液系统中。设计采用检测与控制技术，实现对医疗输液过程的自动监测，其主要功能有：（1）设定点滴速度；（2）自动控制液体速度，并实时显示：（3）当输液结束时或出现输液异常时自动报警；（4）分布式主从站设计，通过CAN总线实现输液远程监控。系统的主要特点：（1）采用PID控制算法算法控制步进电机，定位精确；（2）硬件采用脉冲调制技术提高红外对管的抗干扰能力；（3）软件利用数字滤波技术提高系统程序的稳定性（4）合理的人机交互设计，操作简单，显示直观（5）多路报警信号。本文正文共分为四个部分：第一部分介绍输液监控系统在国内外的研究状况，以及本课题的意义和主要工作内容。第二部分介绍输液监控节点系统的总体设计方案，分析了系统需求，并对各部分方案进行了详细的论证比较，最终确立了各部分方案。第三部分对节点当中的硬件部分进行了设计，分别给出了节点的系统框图、核心部分电路以及通信接口部分硬件电路。第四部分对节点的软件部分进行了设计，首先给出节点软件的总体设计，然后对各模块软件部分分别进行设计，并在最后做出小结。2 输液监控系统总体需求2.1系统需求分析系统需求分析是在系统设计之前进行收集系统有效信息的阶段，这一阶段的任务通常分两步来完成：首先，从课题来源收集系统的需求信息；其次，对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，这些规格说明里包含了系统设计所需的足够信息。为了使系统正常运行，就必须合理设计系统的整体结构，在系统总体设计时，首先要说明输液监控系统软、硬件功能分配，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成，其次要说明各部分的工作原理，以及工作中各部分之间的关系等问题。分布式输液监控系统是为了解决输液过程存在的输液速度误差大、输液过程需要有人全程陪护、输液完成时需要人工向护士站报告等问题而设计和开发的一套基于多输液监控仪和PC形成的有线分布式网络系统，其中各监控仪和PC通过一定的传输协议进行通信，各监控仪采集的数据可自行处理，并可通过PC进行显示，从而实现PC对各输液监控仪的监控管理。通过调研和讨论，分布式输液监控系统应当适合以下条件：多台监控仪由PC进行统一管理；PC和输液监控仪在同一楼层使用，综合考虑布线等因素，可靠距离应当在百米以上；输液监控仪对输液速度进行监视，如果不在设定范围内就在监控仪和PC上同时进行报警；系统管理软件应该能够对各输液监控仪进行监控；系统应该操作简单，易于使用；系统成本应该控制在合理的价格之内。基于上述分析，为系统编写了需求表，如表1所示。按照需求分析，系统可分为软件和硬件两大部分。而这次设计的目标是设计一种输液监控节点系统，监控节点以AT89S52单片机为控制核心，通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度，并通过控制步进电机实现对输液速度的控制。此外，该节点通过CAN总线与由PC机构成的主机相连，从而实现主机对节点的控制。这次要求进行系统的总体设计，并按照节点功能要求完成监控节点的软硬件设计。具体包括：完成点滴信号检测、液位监测、按键和显示、声光报警，以及CAN总线通信模块等硬件电路的设计；同时进行系统软件的设计。表1系统需求表 需求参数 需求说明 名称输液监控系统目的对输液过程提供全程监控输入从站小键盘，主站PC键盘系统组成输液监控仪、总站适配器、计算机监控管理软件功能1. 计算机监控管制软件对各输液单元进行监控2. 总线适配器为PC与从站通信提供硬件支持3. 输液监控仪对输液过程进行监控，并将有关信息发送到PC性能每秒对输液信息进行一次刷新成本尽量低以便于推广功耗尽量低以节俭能源2.2 系统各部分方案论证2.2.1 控制方案控制方案本打算采用传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速及远程通信的功能。所以方案采用AT89S52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能，并且可以实现主机与节点之间的通信。2.2.2 点滴检测方案由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大，可见光发光二极管与光敏三极管传感电路不可取。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部广元等干扰，不调制的红外对射传感器也不可以用。所以方案采用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其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。 2.2.3 液位监测方案利用超声波在不同物质、不同密度内传播速度不同的原理，通过检测超声波发射后的回波时间来检测超声波穿过物质的结构，利用MCU定时控制超声波的发射，利用中断接收检测到的回波，然后经7MCU的数据处理获得需要的数据。此系统中，可预先测定液位到达警戒线时的回波时间，然后将每次测量结果与此进行比较，便可得知是否到达警戒液位。超声波测距准确，是一种常用的测距方法。但是超声波探测不可避免的存在一个盲区，盲区的大小与相应的MCU外理速度相关，在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿模块及相应的软件算法以改善超声探测随环境温度的变化所产生的变化。考虑到软、硬件的复杂程度及要求的测量精度，以及本系统存在液体产生的表面波动，使用超声波传感器检测液面会产生较大的误差，同时超声波传感器安装方位的确定也是一大难题。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用液面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑，在设计系统中不合适。所以方案使用光电传感器定点对液面进行监测。可以采用红外对管实现，根据接收管接收到的光强大小来判断液位是否到达警戒线。利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收光信号实现液面检测功能5。此外，光电传感器安装方便，只需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，简化了外围电路结构。从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。2.2.4 速度控制方案采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。在自变量（储液瓶移动距离）变化范围较大的情况下，这项工作较为繁杂。经过综合分析，使用电机调整高度来实现控制效果较好。2.2.5 电机选择及控制方案首先讲讲电机的选择，常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。比较上述三种电机，直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来；转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中,可有效提高输液速度的控制精度。伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能(未上电时电机的转矩非常大)，但考虑到其实际价格动辄就是几千块，故而弃用。综合考虑上述各种电机的特点后，最终选用步进电机6。模糊控制算法：通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，不需要事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。在电机的控制方案方面采用PID控制算法，来实现对系统的精确控制。PID算法是工业上较为流行的一种控制算法，其核心思想是根据误差的比例项、微分项、积分项来确定系统的变化趋势及调整方案，将其运算结果用以输出控制。其控制精度较高但是相对响应的时间较长。PID算法在理论上和程序实现上较为复杂，但是能够保证较高的精确度，而且不受流速高度关系变化的影响，适应性比较强。2.2.6主从机通信方案常用的无线方式有红外、蓝牙、Zigbee、无线收发模块等。红外方式的传输距离非常有限，而且易受障碍物的干扰，因此不能应用在本系统当中。蓝牙技术比较复杂，功耗也比较大。Zigbee技术的标准传输距离为75m，并可扩展至几百米甚至几公里，但是此技术是一个由若干个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，而且现在Zigbee DSSS 2.4G 250kps 3-5公里无线数据采集终端模块的价格在每片1000元左右，若是强行采用此模块势必造成成本过高难以推广。无线收发模块RF905、nRF2401a价格虽然能够接受，但是这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试，在空旷场地上200m范围内没有问题（说明书上说开阔地带为500m，由于条件有限没做测试），但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构，对电磁波衰减作用非常严重。虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm，但是这样增加了成本，同时擅自增大RF辐射功率不仅会对人身健康产生不利影响，而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用。基于以上原因，否决了无线传输模式，因此只能选择有线传输模式。主从机通信采用有线方式。常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。并行通信一般在实际当中用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机I /O口较多，需要的传输线也很多，不适合远距离通信,因此弃用而采用串行通信方式。串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高（可达800kb /s）的场合。因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，成本高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。异步串行通信有多种总线形式可供选择，如RS-232、RS-485、I2C总线、CAN总线等。结合AT89S52本身，其内部有一个全双工串行口，共有4种工作方式。方式0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展I/O口的功能；方式1为8位异步通信接口，用于双机通信，在距离小于1.5m时可直接相接利用单片机本身的TTL电平直接传输信息，为增加通信距离，减少通信及电源干扰，一般采用RS-232-C标准进行通信；方式2、方式3均为9位异步通信接口，其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信，也可用于双机通信。在多机系统中，通常采用RS-422、RS-485串行标准总线进行数据传输。RS-485在以1Mbit /s高速率传输时最大传输距离不超过100m，而以最低速率传输时传输距离理论上也只有1219m左右（无中继），即便加上中继最多也只能增加八个，最大传输距离在理论上也只有9.6km左右，在实际应用当中显然是达不到这个数值的，如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是510km，这使系统复杂程度及成本都大大提高，还为系统的后期维护增大了难度。而且RS-485还有一些与生俱来的缺点，如数据传输率低、抗干扰能力较弱、网络调试困难、通信失败率高等。同时RS-485使用的是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机，通讯都由它发起的，它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才向下一个节点询问，这样是为了防止多个节点向总线发送数据而造成数据错乱，但导致其总线利用率也是很低的。最为重要的是RS-485的网络特性为单组节点，即只能构成主从式结构系统，一个主站对从站的点对多点网络，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，在这种网络中如果一个节点出现问题，就会导致系统瘫痪，系统的实时性、可靠性较差。也就是说，在错误检测机制方面，RS-485只规定了物理层，而没有数据链路层，所以它对错误是无法识别的，除非一些短路等物理错误。这样容易造成一个节点破坏了，拼命向总线发数据（比如一直发1），这样造成整个总线瘫痪。所以RS-485一旦有一个节点损坏，整个总线网络都会瘫痪。作为一个医疗系统，可靠性显然是其第一要务，故而不使用RS-485串口通信的方案。I2C串行总线方式只要两条线即可实现多机通信，但一般单片机都没有其接口，用软件模拟的话非常复杂，增加了开发10周期。I2C数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。但是其总线长度一般不高于25英尺，折合标准长度单位仅为7.62m，远远不能满足本课题的要求，故而弃用。CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线在以5Kbit /s进行数据传输时，其传输距离在理论上距离可达10km，而在实际应用当中有效距离也达到4.5km，应该能够满足现实生活中医院的需求。在总线利用率方面，由于CAN-bus是多主从结构，每个节点都有CAN控制器，多个节点发送时，以发送的ID号自动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱，而且一个节点发完，另一个节点可以探测到总线空闲，而马上发送，这样省去了主机的询问，提高了总线利用率，增强了快速性。在网络特性方面，CAN为多组节点，CAN控制器可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播中方式传送和接受数据，各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。在通信失败率方面，CAN总线通过CAN总线控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端得状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态7。当两个节点同时向网络传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输，有效避免了总线冲突。在节点错误对系统的影响方面，由于CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而对节点错误CAN总线型系统基本无影响。在抗干扰方面，CAN的每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用，这点对医疗系统的可靠性起到非常重要的作用。此外CAN总线还有数据传输率高、网络调试容易、后期维护成本低等宝贵特点。基于上述原因，最终选定主站与节点之间采取基于CAN总线的有线异步传输通信方式。2.3 系统总体框图AT89S52主要性能：与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作（0Hz33Hz）、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。AT89S52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。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提高灵活、超有效的解决方案。根据前面的系统分析，本文研究的基于AT89S52的输液监控系统主要有三大部分组成，它们分别是由PC机构成的主站、由AT89S52单片机为核心的各个节点以及主站与节点之间的数据通信线路。根据前面的方案论证，节点电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和A /D转换单元、液滴显示单元、声光报警单元、数据通信单元和单片机外围电路等。其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A /D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整，同时通过CAN总线将信息传送至PC主站。而在PC主站可以通过设计的监控软件对各节点的输液情况进行实时监控。为简化起见电源与下位机存储器扩展未画，整体系统框图如图1所示。图1 整体系统框图3 系统节点的硬件设计3.1 节点系统框图与核心部分电路图AT89S52单片机是Ateml公司出品的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Ateml公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80 C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I /O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个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，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM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8。因为其价格便宜便于推广，内置软件看门狗可免除外接看门狗芯片降低成本，又与工业80 C51产品指令和引脚完全兼容便于掌握，片上Flash允许程序存储器在系统可编程使用灵活方便，故而选择AT89S52作为节点的微处理器。从站系统框图从站用AT89S52作为微处理器，24 LC16用于掉电存储，蜂鸣器和发光二极管实现声光报警，L297和L 298N用于驱动步进电机，E2P ROM 24L C16用于掉电存储，每次上电后从站单片机都从24L C16中读取最近一次的设置。其系统框图如图2所示。其系统电路图如图3所示。图2 从站系统框图3.2 节点系统各单元设计由于节点系统子模块较多，因此在上图并没有给出十分详细的各单元模块电路，下面将对各单元模块电路分别进行介绍。3.2.1 点滴信号检测单元此单元模块用来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采用红外对射传感器，如图4所示。对射传感器就是发射器和接收器分开来，发射器直接发射红外波到接收器上。反射传感器是发射头和接收头在一起，发射器发射红外波靠反射到接收头上。红外对射传感器是由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，受可见光影响较小，其红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点9。因此是检测液滴滴速的首选传感器。为了减少环境光源的干扰、增强信噪比，采用脉冲调制的方式。发射、接受的简化原理电路如图5(a)下，发射部分采用74 HC14与电阻电容组成的电路来产生100Hz、占空比为20%的方形脉冲，如图5(b)所示。图3从站系统电路图74H C14是具有施密特功能的六反相器，由74 HC14构成的多谐振荡器电路如图6(a)所示，74 HC14输入输出点的波形图如图6(b)所示。施密特触发器具有上限阈值电压2V、下限阈值1V的特性，且受芯片电源DDV的限制。多谐振荡器电路产生的信号周期的频率满足1f = ClnV2(VDD-V1)/V1(VDD-V2)，令lnV2(VDD-V1)/V1(VDD-V2)为k，则f = 1/kRC，即T=kRC。对于74H C14而言，当DDV=5V时，下限阈值电压1V=1.4V，上限阈值电压2V=3.6V，所以有K=1.89。考虑到脉宽可调的状况进而可以得出1 2 21.89(R/R+R)C=T，T表示方形脉冲的一个周期大小，1 2 1 2 2(R/R):(R/R+R)=1:5。图4点滴信号检测电路 图5(a)脉冲产生原理电路图 图5(b)方形脉冲 图6(a)多谐振荡器图 图6(b)输入输出波形图3.2.2 点滴信号整形及A/D转换信号整形原理电路与各点波形如图7(a)和7(b)所示。通过信号整形电路的原理图和时序图，可以对整形有简单的了解。在实际操作中，接收到的信号会在每一个液滴下落时产生相距很近的双脉冲，这会给计数带来极大的干扰。为了消除这种干扰，减小虚假信息的影响，提高采样的可靠性，还需使用软件滤波的方式，将相距很近的两个脉冲滤去一个，这就保证了计数的精确性。图7(a)点滴信号整形电路图图7(b)各点波形图3.2.3 液位监测单元同速度检测部分一样，本文也曾提出了两种实现方法，即有损探测和无损探测。考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，所以选择红外无损探测方案。采用红外无损检测因为红外线的高度灵敏性和灵活性，能够准确无误的检测输液瓶的滴数，为检测提供了时间，增加了效率。虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水的储液瓶接收信号差异还是可以达到3040mV，这说明红外无损探测对于越限报警电路来说也是可行的10。由于越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高度以下时发出警报，因此传感器部分接收到的信号不需要经过滤波，而只需放大即可，出于尽量减小信号传输损耗的考虑，把初级放大部分电路与传感器一起设计在储液瓶旁边。再设定一个门限电平，使接收信号高于门限电平时给单片机送入一个信号，产生警报，即构成了越限报警电路，其系统框图及电路图分别如图8和图9所示。图8液位监测系统框图图9液位监测系统电路图3.2.4键盘及显示单元键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。因此，微机系统中最常见的是触点式开关按键11，本设计也不例外。按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中12，本设计便是如此。本设计使用的是机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。按键触点的机械抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，由于本设计键数较多，故采用软件去抖。软件去抖采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态；同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：（1）检测有无按键按下，并按键抖动过程采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。（2）有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。（3）准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。本系统因使用的按键较多，故采用矩阵式（也称行列式）键盘，如图10。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I /O口。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。设计的键盘电路如图10所示，其中INT0为P3.2口。图10矩阵键盘在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态，为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。本系统的显示采用ZLG 7289B驱动数码管的方式进行实现，设计的显示模块电路如图11所示。图11数码管显示电路ZLG 7289B是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，可直接驱动八位共阴式数码管。其内部含有译码器，可直接接受BCD码16进制码，并同时具有两种译码方式。此外，ZLG7 289B还具有多种指令控制，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。而且它与微控制器的接口也非常简单，采用SPI串行总线，仅占用很少几根I /O口线。3.2.5 声光报警单元设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当传感器检测到液位低于预设值或传感器检测不到有液滴下落时，从站单片机控制蜂鸣器和报警灯工作，在发出声光报警的同时向PC主站发出报警信息。在实际应用中，如果设定的滴速过高，输液瓶上升到支架顶部时，仍达不到设定的滴速，输液瓶继续上升有可能会拉倒支架，造成危险。所以在支架的顶部安装一个红外探测器，如检测到输液瓶上升到支架顶部，则发出信号，通知单片机控制电机停转，同时发出声光报警并向PC主站发送报警信号。3.2.6 供电单元任何电气设备的使用均离不开供电系统，在整个单片机系统设计中，电源的设计是必须要考虑的。电源的设计取决于系统所要求的供电方式，如是采用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。在本设计中由于系统所选用的单片机是AT89S52，它的标准工作电压为+5V，采集所用的发光二极管和光敏三极管以及通讯所用的CAN总线适配器等电路它们的工作电压都是+5V，因此在本设计中采用单电源方案，单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。因为单电源只有正负两极不容易混淆，从而减少了不必要的安全隐患，再者连接电源的时候更加容易操作，减少了工作的时间，提高了效率。此外由于设计到对步进电机的控制，步进电机及驱动电路由一片L297和一片L2 98N组成，L297的工作电压为+5V，L298N除逻辑电路工作电压+5V外，还需加入一较高的电源电压以便增强电机的驱动能力。L298N的电源电压范围在+2.5V+46V之间，考虑到用电安全及设计方便等因素13，将其设定在+15V。因此我们的目标是设计出一个能够提供+5V与+15V的电源，其电路如图12所示。图12电源电路由上图可以得知，此电源电路可以将220V的交流市电转换为+15V和+5V直流电进行输出。从原理上看