基于单片机的输液滴速控制系统设计

2013 届本科毕业设计（论文）电气自动化毕业设计题 目： 基于单片机的输液滴速控制系统设计 本任务及要求：以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制的系统，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。系 统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。设计包括：1、总体方案的确定；2、单片机的选择； 3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试 ；6、编写设计说明书等。 一、 进度安排及完成时间：1、第二周：明确 课题任务 及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。2、第三周至第四周： 查阅 相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，明确课题任务，确定个人研究重点，做好文献综述、开题报 告。3、第七周至第十周：根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，设计硬件总体模块图及软件模块图。4、第十一周至第十三周：完成本系统的软、硬件 设计及调试。 5、第十四周至第十七周：整理资料，撰写毕业设计论文。6、 第十八周答 辩。2013 届本科毕业设计（论文）目 录摘要Abstract第 1 章单片机及多单片机应用系统1.1单片机的概述1.2单片机的特点与应用1.3 MCS-51 单片机的基本组成1.3.1 MCS-51 单片机的内部结构及管脚功能1.3.2 单片机最小系统构成1.4多单片机控制系统的概述1.5单片机在输液点滴的研究现状1.6 课题的主要内容及发展前景1.6.1 课题的主要内容1.6.2 课题的发展现状与前景展望第 2 章系统方案确定2.1系统设计要求2.2系统设计总体方案2.3系统各模块方案选择2.3.1单片机型号的选择2.3.2点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较2.3.3滴速控制方案的论证与比较2.3.4电机控制算法的选择2.3.5键盘、显示及声光报警部分2013 届本科毕业设计（论文）2.3.6主从站协议部分第 3 章硬件设计3.1系统硬件设计3.2 主站及通信网络的设计3.2.1主站硬件电路设计3.2.2通信网络设计3.3从站电路设计3.3.1滴速检测与液面检测电路设计3.3.2键盘显示电路设计3.3.3步进电机驱动电路设计3.3.4报警电路和通讯网络设计第 4 章软件设计4.1主站软件设计4.1.1主站总体流程设计4.1.2键盘显示程序设计4.1.3 报警程序设计4.1.4与从站通讯4.2从站软件设计4.2.1系统定义和总体流程4.2.2滴速和液面判断及报警4.2.3滴速控制程序设计4.2.4键盘及显示程序设计4.2.5与主站通信第 5 章系统调试、抗干扰及制板2013 届本科毕业设计（论文）5.1系统调试5.2单片机应用系统中常见的干扰现象及影响5.2.1常用硬件抗干扰与保护措施5.2.2软件抗干扰5.3 PCB 板设计结束语参考文献致 谢附 录附录 A主站程序附录 B从站程序附录 C主站硬件电路总图附录 D从站硬件电路总图附表 E 3D 效果图2013 届本科毕业设计（论文）基于单片机的输液滴速控制系统的设计摘要：近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本系统以 Atmel89C52 单片机为核心，辅以步进电机驱动、键盘、LCD 显示、LED 显示、光电传感器数据采集等外围电路组成，实现了一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。电机控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。主站使用 LCD 显示，用户界面友好。关键字：单片机；驱动；键盘；光电传感器2013 届本科毕业设计（论文）The design of the liquid inputing system basing on one-chip computerAbstract:With the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is being moved towards deepenning constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the concrete hardware structure , and direct against and use the software of targets characteristic to combine concretly, in order to do perfectly.The system is designed to construct a wired monitor system of a master station controlling multiple slave stations,with a one-micro controller Atmel89C52 as the key, complimented by stepper motordrive, keyboard, LCD display, LED display and photoelectric censor data collection out side circuit. The combination of fuzzy control working on the motor drive can effectively reduce the amount of over regulating and stable error and shorten the time of adjusting. Key words:one-chip computer；drive ；keyboard；photoelectric2013 届本科毕业设计（论文）第 1 章单片机及多单片机应用系统1.1 单片机的概述单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。在近 30 年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20 世纪 70 年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。而单片机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。1.2 单片机的特点与应用一、单片机的特点：（）重量轻、耗电少、价格低、电源单一。（）抗干扰能力强、可靠性高。芯片本身是按工业测控环境设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的通用 CPU；程序指令及常数、表格固化在 ROM 中，不易被破坏；许多信号通道均在一块芯片内。（）集成度限制，片内存储器容量较小。一般 ROM 小于 8KB，RAM 小于 256 个字节，但可在外部扩展，通常 ROM、RAM 可分别扩展至 64KB。（）面向控制，控制功能强，运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。指令系统中均有极其丰富的条件转移指令，I/O 口的逻辑操作及位处理功能。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。2013 届本科毕业设计（论文）（）开发应用方便，研制周期短。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各规模的计算机应用系统。 二、单片机的应用单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。（1）单片机在智能仪表中的应用在各类仪器仪表中，引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提高，例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能 PH 测试等等。（2） 单片机在工业测控中的应用。用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等，例如 MCS-51 单片机控制电镀生产线、温度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT 和单片机组成的二级计算机控制系统等。（3） 单片机在计算机网络与通信技术中的应用MCS-51 系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件，例如 MCS-51 系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、MCS-51 单片机无线遥控系统等。（4） 单片机在日常生活及家电中的应用单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。例如电子秤、银行计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。（5） 单片机与 Internet2013 届本科毕业设计（论文）随着网络技术的发展，Internet 已经成为信息社会的重要组成部分，Internet 技术已经深入到日常生活中和工作中。 Internet 技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准成熟的 PC 工业。无论是 PC 机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化，上网方式也大同小异。而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能像 PC 机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到 Internet，如果能够将各类智能装置或家用电器与Internet 连接起来，一方面可充分利用 Internet 资源，另一方面还可获得一些电子设备信息。 由此可见，单片机与 Internet 的紧密结合将为单片机应用系统的发展开创另一片天地。机电一体化是机械工业发展的方向。它是通过机械技术与微电子技术、信息技术紧密结合而成的一个新的学科领域。这种结合形成一种技术趋势，涌现了崭新的产品及先进的制造技术，因而使整个机械、仪表、控制的产品结构发生根本变化。机电一体化产品是指机械微电子技术、机电转换技术、自动控制技术与计算机于一体，具有智能化特征的机电产品。采用单片机作为机电产品的控制器，可充分发挥其体积小、功能强、可靠性高、价格低、安装灵活方便等优点，提高产品的自动化、智能化水平。2013 届本科毕业设计（论文）1.3 MCS-51 单片机的基本组成1.3.1MCS-51 单片机的内部结构及管脚功能一、MCS-51 单片机的内部结构MCS-51 单片机的功能框图如图 1.1 所示。在一块小芯片上集成了一个微型计算机的各个部分，其核心部分是中央处理器 CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，由算术逻辑单元（ALU ）、位处理器、累加器 ACC、寄存器 B、暂存器 TMP1 和 TMP2 等组成。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由控制逻辑、内部振荡电路 OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器 PC 及其增量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器 PSW、RAM 地址寄存器、数据指针 DPTR、堆栈指针 SP 等组成。图 1.1MCS-51 单片机内部结构2013 届本科毕业设计（论文）二、MCS-51 单片机的管脚功能采用 HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 管脚双列直插式封装；而采用 CHMOS 制造工艺的 80C51/80C31,除采用 40 脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。如图 1.2 所示为双列直插式封装单片机管脚图。2013 届本科毕业设计（论文）图 1.28031 管脚 各管脚功能说明如下：电源管脚VCC(40 脚):接5V；VSS（20 脚）：接地。时钟信号脚2013 届本科毕业设计（论文）XTAL1(19 脚),XTAL2(18 脚):外部时钟信号脚。控制线1）RST/Vpd(9 脚):当作 RST 使用时，为复位输入端；当作为 Vpd 使用时，当 VCC 掉电下，可作备用电源。2） /Vpp（31 脚）： 为访问内部或外部程序储存器的选择号。对片内 RPROM 编程时，Vpp 接入 21V 编程电压。3）ALE/ （30 脚）：当访问外部储存器时，ALE 信号的负跳变将P0 口上的低 8 位送入地址锁存器，不访问外部储存器时， ALE 端仍以固定的振荡频率的 1/6 速率输出正脉冲信号。当对片内 EPROM 编程时，该管脚PROG 用于输入编程脉冲。4） （ 29 脚）：外部程序存储器读选通信号。输入/输出口线1）P0 口（3239 脚）：双向 I/O 口，既可接地址锁存器作低 8 位地址I/O 口使用也可以作数据 I/O 口使用。能驱动 8 个 LSTTL 负载。2)P1 口（18 脚）：具有内部上位电阻的 8 位准双向 I/O 口，可驱动 4个 LSTTL 负载。3）P2 口（2128 脚）：8 位具有内部上位电阻的准双向 I/O 口，在接收外部存储器时，P2 口作为地址高 8 位。能驱动 4 个 LSTTL 负载。4）P3 口（1017 脚）：8 位具有内部上位电阻的准双向 I/O 口，其每一位又有如下特殊功能：P3.0（RXD ）：串行口输入端。P3.1（TXD）：串行口输出端。P3.2（ ）:外部中断 0 输入端，低电平有效。2013 届本科毕业设计（论文）P3.3（ ）:外部中断 1 输入端，低电平有效。P3.4（T0 ）：定时/计数器 0 外部事件计数输入端。P3.5（T1)：定时 /计数器 1 外部事件计数输入端。P3.6（ ):外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P3.7（ ):外部数据存储器读选通信号，低电平有效。1.3.2 单片机最小系统构成单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。下面以典型 MCS-51单片机为代表介绍最小系统的各个部分。一、单片机晶振电路MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式，如图 1.3a 所示；图 1.3b 所示为外部时钟方式。2013 届本科毕业设计（论文）a) b)图 1.3 a) 外部时钟方式 b) 内部时钟方式二、单片机复位电路1）单片机复位后的状态无论是 HMOS 型还是 CHMOS 型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机的 RST 引脚保持 2 个机器周期（ 24 个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至 RST 端变低。为保证单片机可靠复位，设计复位电路时要考虑 VCC 的上升时间的振荡器建立时间，通常使 RST 端持续 20ms 以上的高电平。复位后单片机从程序存储器的地址0000H 处开始运行，内部寄存器的状态如表 1.1 所示。表 1.1复位后单片机寄存器状态专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PC 0000H TH0 00HACC 00H TL0 00HB 00H TH1 00H2013 届本科毕业设计（论文）专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PSW 00H TL1 00HSP 07H TH2 00HDPTR 0000H TL2 00HP0P3 FFH RLDH 00HIP 0000B RLDL 00HIE 00000B SCON 00HTMOD 00H SBUF TCON 00H PCON 00000BT2CON 00H 复位后，ALE 和 PESE 为高电平，内部 RAM 不受复位的影响，此时内部RAM 的状态不确定。2）单片机复位电路如图 1-4 所示分别为单片机的几种复位电路。2013 届本科毕业设计（论文）a) b)c)图 1.4a)上电复位b)按键电平复位 c)按键脉冲复位上电复位如图 1.4a 所示，它是在 VCC 与 VSS 管脚之间接入 RC 电路。上电瞬间 RST 端电位与 VCC 相同，随着电容充电电流的减小，RST 端的电位逐渐下降。只要 VCC 的上升时间不超过 1ms，振荡器建立时间不超过 10ms，按图中的时间常数（C1=22 F ，R1=1K ），上电复位 电路就能保证在上电2013 届本科毕业设计（论文）开机时完成复位操作。上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上 2 个机器周期。在这段时间内，RST 端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。图 1.4b 所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在 RST 管脚上接一个去耦电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将 RC 电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图 1.4c 所示。系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。1.4 多单片机控制系统的概述随着人类社会的不断进步，工程科学技术在推动人类文明的进步中一直起着发动机的作用。随着科学技术的不断更新，单片机控制系统在各个领域中的应用日趋广泛，不但使得更多的单片机控制系统投入生产设备，大大的提高了劳动生产效率和产品质量，改善劳动条件。在工业控制领域，多机控制系统很多，如大型检测监控系统、机器人控制系统、水利工程、桥梁工程等。单个单片机在这些应用场合往往只负责一小部分系统和控制和检测，对于整个系统的检测和各个子系统的协调控制则由功能更为强大的单片机的或者工业 PC 机来完成。单片机虽然有着强劲的功能，但在要求快速响应、实时性强、控制量多的场合（如电梯群控系统等），单个单片机是很难胜任的，虽然此时可以选用高性能处理器，但综合考虑其性价比，多单片机控制系统更为突出。多单片机控制系统就是指由多个单片机或者 PC 机与多个单片机构成的更为复杂的控制系统，其间构成多为分布式等，多个单片机通过网络协议连接成主从式或者对等式等。在性能更为强大的基础上能完成的任务更复杂、应用场合更多、人机界面更完善，在此等应用场合，多单片机控制系统显示出了优越性。单片机以高可靠性、高性价比、小小体积等而广泛应用工业控制、数据采集、智能化仪表等实时控制系统中。但其内存小，指令系统简单，在人机交换2013 届本科毕业设计（论文）数据管理等方面有一定的局限性。因此利用 PC 机与单片机混合控制系统就能将一系列的参数有机的结合起来。PC 机与单片机构成的控制系统是典型的多机控制系统，它可分两类：一类是 PC 机与单个单片机构成的双机控制系统；另一类是 PC 机与多个单片机构成分布式控制系统。在工业控制系统中，一般较为复杂一点的应用系统多采用 PC 机作为上位机，其价格不但昂贵而且对于小型系统也不适合，因此基于此种问题，我们不妨采用单片机作为上位机，简易键盘输入，LED 数码管作显示，PLC 作控制单元。这样不但可以将单片机的优点不互补，而且其体积小，成本低，使用方便，作为多机控制的另一个领域。现场总线在工业控制甚至民用领域中应用最为广泛，可靠而简单的连接降低了分布线的成本，灵活而功能强大的协议又为系统模块设计提供了保证。目前，将现场总线与以单片机为核心的多个物理层模块连接应用构成多机控制系统也倍受人们欢迎。1.5 单片机在输液点滴的研究现状随着科学技术的发展，MCS-51 为核心的单片机控制系统，已经渗透到日常生活的各个方面。相对其他领域来说，速度控制是单片机系统最典型，最广泛的应用领域之一。单片机输液滴速控制是医院中常见的问题。输液滴速控制针对不同的病人情况采用不同的点滴速度进行输液控制，比如对成人输液滴速一般设在 6080 滴/分钟，而对儿童输液滴速一般设在 3040 滴为宜。医院中常见的输液管虽然能进行速度调节，但调节不准确，不易控制，而且常因为疏忽大意发生血液回流现象，有时速度过快还会对病人造成不良反应，另外作为医疗过程，医务人员也需要对每个病人的输液过程进行监控和记录完善病人档案，为此研究点滴速度控制就显得非常必要。且单片机的控制容易实现，控制过程也比较简单，更能够满足输液滴速的高要求控制。目前市场上常见的点滴速度控制产品主要是输液泵，此种设备控制精度高，功能也比较强大，但价格不菲，适用于输液要求较高的场合，而且使用前后都要进行清洗，不太方便。针对以上情况我们对系统进行改进设计了一种方便实用、低成本的滴速速测控系统。2013 届本科毕业设计（论文）在输液点滴速度控制系统中，广泛应用与 8051 系列兼容的单片机，滴速检测和液面检测可用光电传感器或者电容式传感器，显示部分可选择液晶显示和数码管显示。键盘可采用 8279 扩展键盘或者直接利用 I/O 扩展而成。通讯协议采用串行通信方式 RS232。滴速控制采用步进电机提高输液瓶高度来控制滴速的快慢，步进电动机控制采用模糊控制或者 PI 控制或者两者结合控制，报警电路同时采用蜂鸣器和发光二极管。1.6 课题的主要内容及发展前景1.6.1 课题的主要内容一、要求本课题是以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。二、内容 1）、总体方案的确定； 2）、单片机的选择；3）、各模块电路的设计；4）、软件设计； 5）、各模块调试；6）、撰写设计说明书。1.6.2 课题的发展现状与前景展望随着电子技术的发展，我们在生活中的各方面大部分都采用了人工智能代替人，特别在一些工业应用场合。应用技术的飞速发展，使得单片机应用系统已经逐渐成熟，应用也越来越广泛，目前，单片机已经成为 IP 库中的重要成员。我个人认为，单片机输液点滴速度控制的发展在今和未来将成为医疗设施发展的趋势，毕竟，单片机凭着优越的性价比，与以往的点滴滴速控制系统相比，其单片机价格便宜，操作易于实现，而且对滴速的控制要求精度也较高。再者，单片机操作多机控制系统，还可减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。在人为控制下有时候如不小心将会为安全设施带来很大的麻烦，而2013 届本科毕业设计（论文）且人工控制滴速精度也很难掌握，而使用单片机设计只要在设计时考虑周到，运行起来就不会带来这种问题了，因此，单片机滴速控制系统将在医疗中得到广泛应用。医疗事业的发展是顺应科学技术而发展的，医疗的安全问题更离不开科学，把高科技应用到医疗事业中来是对医疗事业的一大促进与补充。随着现代信息和电子技术应用领域的不断拓宽，越来越多的应用领域提出了各种特殊要求。例如，航空航天领域要求的小体积大系统，信息应用领域提出的个性化等要求，都使得一般固件技术难以胜任。特别是在民用领域，重视个性化的产品设计概念使应用电子产品的更新速度极快，而且小批量多品种的要求也越来越高。这就是提出了小批量产品与成本、集成化与成本、产品研制周期与成本等一系列的问题。也将是单片机在医疗设施中展的必然趋势。2013 届本科毕业设计（论文）第 2 章系统方案确定2.1 系统设计要求本系统要求设计一个以单片机为核心的液体点滴速度监测与控制装置，检测点滴速度、控制点滴速度，并能发出报警信号，系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计主要是完成群控系统控制的硬、软件设计及调试。1、基本要求： 1）在滴斗处检测滴速，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/min）。2）通过改变 控制点滴速度，如图 2.1 所示，或通过控制输软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定显示，设定范围为 20150 滴/min，控制误差范围设定值（101）滴。3 ）调整时间 3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。4）当 降到警戒值（ 2 3cm）时，能发出报警信号。2、其它部分设计制作一个由主站控制 16 个从站的有线监控系统。 16 个从站中只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站（仅要求制作一个模拟从站）。（1）主站功能：a.具有定点和巡回检测两种方式 b.可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。c.在巡回检测时，主站能任意设定要查询从站的数量、从站号和各从站的点滴速度。d. 收到从站发来的报警信号后，能声光报警并能显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。（2）从站功能：a.能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可任意设定，b.接收主站设定的点滴速度信息并显示。c.对异常情况进行报警。2013 届本科毕业设计（论文）（3）主站和从站间的通讯方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。2013 届本科毕业设计（论文）2.2 系统设计总体方案本系统从站以 AT89C52 单片机为核心，辅以一些必须的外围电路，实现滴速检测和控制。而用另外一片 AT89C52 单片机作为主站，采用通讯协议进行传输，设计实现一个主站控制多个从站的有线监控系统。主机采用大屏幕液晶显示器，不但可以显示当前滴速、在声光报警后还可显示相应的从机号，更嵌入时间显示模块，实现简单友好的人机界面，符合实际要求。主站键盘直接采用 I/O 扩展而成，充分考虑到了操作的便捷和简易性。外围电路电源均由主机统一控制管理。监测与点滴速度调节构成从站的主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有滴速检测、滴速调节、异常报警电路、速度设定与数码显示等。系统采用光电耦合传感器来进行检测滴速和液面高度产生中断进行计数，采用步进电机升降来进行滴速的控制，如果检测到的滴速在要求误差范围内过快或者过慢，则驱动步进电机来调节储液瓶的高度或者挤压软管达到控制的目的。当出现异常情况如储液低于（23cm）时或者滴速低于或高于要求控制的范围（20150 滴/min）时，则驱动声光报警电路进行报警。显示装置则采用 LED 显示器，从站键盘采用 8279 扩展键盘，另外还可加入红外遥控键盘装置，护士人员不但对从站控制方便也还为医疗人员提供方便，此系统暂没有提供红外遥控键盘装置设计，如读者有兴趣，可自行设计。电机采用模糊控制算法，提高控制精度，驱动电路由相关的驱动芯片组成。2.3 系统各模块方案选择2.3.1单片机型号的选择本系统是以单片机为核心的输液滴速控制系统，单片机应用系统性能优越，价格便宜，而且功能强大，用户界面友好，虽然工业 PC 机、PLC 和 DSP 等，其性能虽也强，比如 PLC、DSP 等功能强，可靠性也极高，使用方便，体积小巧，但其性价比远没有单片机应用系统高，在更多的工业控制应用场合，单片机应用系统突出的性价比而迎得用户的青睐。设计这样一个简单的应用系统，Intel 公司的 8051 和其它的一些公司芯片均可选用。其他一些 MCS-51 系列兼容的芯片，如 ATMEL 公司生产的 AT89C系列单片机，该单片机完全与8031 兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用，成为技术更加成熟的新一代单片机应用系统。AT89C52 内部含有大容量的 Flash 存储器，功2013 届本科毕业设计（论文）能强，性价比忧，可以反复擦写，给用户提供了极大的方便，所以在生产开发及便携式商品中、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的 MCS-51 系列单片机的主流单片机之一。基于上述本系统采用与 8031 兼容的 AT89C52 单片机。2.3.2点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较方案一：采用金属电极检测点滴速度信号以及储液瓶液面信号。如图 2.2a所示，用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，当有液滴下落时，金属电极接通，此时产生一个高信号脉冲，无液滴下落时，金属电极断开，由此产生一个高低信号脉冲，通过对高低脉冲进行计数，检测液滴速度（滴min ），同理，液面也可以采用金属电极检测，如图 2.2b 所示。通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。方案二：采用光电传感器检测点滴速度以及储液瓶液面信号，原理如图 2.3a 所示。发光二极管发射的平行光束穿过滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液滴滴落时，由于液滴的形状特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，形成低信号脉冲。液位检测的基本原理与液滴检测相同,如图 2.3b 所示。2013 届本科毕业设计（论文）a) b) a) b)图 2.2金属电极检测滴速和液面装置 图 2.3光电传感器检测滴速和液面装置电极接触控制方式原理简单，易于实现，可靠性强，但会导致药品污染，危及患者安全。而光电控制方式虽然结构复杂，红外发射接收传感器具有体积小、测量精度高、灵敏度好、避免与被测物直接接触且安装方便等优点。易受外界光源影响，但可防止药品的污染，保证患者用药安全，所以本系统采用方案二。2.3.3滴速控制方案的论证与比较 方案一：改变输液瓶高度控制点滴速度。在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，实现对点滴速度的控制，当液滴速低于要求时，提高液瓶的高度增大压强减小滴速，反之则可提高液滴速度。方案二：改变输液软管截面积控制点滴速度。2013 届本科毕业设计（论文）在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积实现点滴速度的控制，当滴速高于要求时，挤压软管则可达到调速要求，反之，则可提高滴速。如图 2.4 所示。图 2.4挤压软管滴速控制装置 图 2.5拉紧压软管滴速控制装置方案三：拉紧软管控制点滴速度。如图 2.5 所示，可以拉紧软管或者放松软管来控制滴速。方案一中的高度控制可利用小型电机实现，具有结构简单、控制精度高等特点。方案二因为输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，难以实现点滴速度的精确控制。方案三中，虽容易实现，由于作用时间长的话，对软管有损伤，可能引起漏液，2013 届本科毕业设计（论文）且和方案二一样存在输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，此三种方案都有优、缺点，但权衡之下还是方案一更好一些。因此在本系统采用方案一。2.3.4电机控制算法的选择电动机包括直流电动机、交流电动机及步进电动机等三种，其在工业控制中扮演极重要角色。其中，由于步进电动机的驱动方式简单、激活快速及定位准确等优点，被广泛应用于计算机外设上。鉴于此优点，本系统采用步进电动机控制点滴滴速。步进电机控制算法的选择直接影响到系统的性能和技术指标，在本系统的设计中起着关键的作用。较为可行的方案有：方案一：采用模糊控制。其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。缺点是静态误差不容易控制。方案二：采用 PI 控制。其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上较易实现，可以达到较小的静态误差。方案三：采用模糊控制与 PI 控制结合的算法。本系统采用方案一。2013 届本科毕业设计（论文）2.3.5键盘、显示及声光报警部分显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统从站使用 8279 扩展键盘和 LED 显示器；而主站部分由于要求实时显示多组数据，因此选用MGLS12864 液晶显示器显示。 44 键盘直接利用 I/O 扩展而成。声光报警电路也可直接利用单片机 I/O 口输出放大驱动二极管发出声光报警。2.3.6主从站协议部分方案一：采用并行总线方式。多机通信时，结构复杂。方案二：采用 RS232 串行通信。通信技术成熟，仅需要 TXD，RXD 两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是 TTL 信号容易受干扰，不利于长距离传输数据。方案三：采用 RS485 串行通信方式。本方案具有方案二的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。方案四：采用 总线通信协议。优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要 SDA，SCL 两条通信线。但是不适合较长距离的信号传输由于主从机通信距离较短，从最佳性价比出发，选择方案二。2013 届本科毕业设计（论文）第 3 章硬件设计3.1 系统硬件设计主站采用当前主流单片机 AT89C52，串行通讯采用 RS232 串行通讯接口芯片实现主、从通讯，键盘控制输入设定从站滴速，接入显示器显示从站滴速，当从站滴速或液面出现不正常情况时，驱动声光报警发出声光报警。从站也是主要以 AT89C52 单片机为核心，在辅设一些外围电路，从站可以显示并输入设定滴速进行运行，出现异常情况发出声光报警，另外当主、从站通过通讯接口可相互传输和接收信号。主从站系统总体框图如图 3.1 所示。a)2013 届本科毕业设计（论文）b)图 3.1a)主站系统框图b)从站系统框图2013 届本科毕业设计（论文）3.2 主站及通信网络的设计3.2.1主站硬件电路设计1）MGLS12864 液晶显示器点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏上 6416 个显示单元与显示 RAM 区 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对应。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的000H00FH 的 16 字节的内容决定，当（000）=FFH 时，则屏的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当（ 3FFH）=FFH 时，则显示屏的右下角显示一短亮线；当（000H ）=FFH，（001H）=00H，（ 002H）=FFH ，（003H ）=00H，（ 00EH）=FFH，（ 00FH）=00H 时，则在屏的顶部显示一条由 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。用 LCD 显示一个字符时比较复杂，应为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同的位为“1”，其他的为 “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（如 HD61202）来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及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即可。MGLS12864 液晶显示模块接口定义如表 3.1 所示。表 3.1 MGLS12864 液晶显示模块接口定义序号 符号 状态 功能1 GSA 输入 片选 A2 GSB 输入 片选 B3 GND 电源地4 VCC 逻辑电源正5 V0 液晶显示驱动电源2013 届本科毕业设计（论文）6 D/I 输入 寄存器选择信号7 R/W 输入 读/写选择信号8 E 输入 使能信号9 DB0 三态 数据总线（最低位）10 DB1 三态 数据总线11 DB2 三态 数据总线12 DB3 三态 数据总线13 DB4 三态 数据总线14 DB5 三态 数据总线15 DB6 三态 数据总线16 DB7 三态 数据总线（最高位）MGLS12864 液晶显示接口信号中的两片选信号组合如表 3.2 所示表 3.2MGLS12864 液晶显示选信号组合GSA GSB MGLS128640 0 禁止使用0 1 左区1 0 右区1 1 未选本系统采用 P0 口作为液晶显示器数据输入信号，P2.0P2.2 分别为寄存器选择信号、读/写选通信号、使能信号。片选信号未选。具体硬件接线图见附表 C。2）I/O 扩展键盘为了充分利用从站单片机的 CPU，提高 CPU 的使用效率。在本设计中，键盘采用中断控制方式，即只有在按下某一个特定的按键（本设计中为“设定”键）时，才向单片机发送一个中断信号，使单片机产生中断，从而使单片机转2013 届本科毕业设计（论文）向处理键盘中断子程序，对键盘进行动态扫描，接受外界输入的键值（包括数字键和“确定”键），当按下“确定”时，系统便退出键盘中断子程序，转向主程序进行滴速的检测与控制。也就是说在未按“设定”键以前，按数字键和“确定”是无效的。在单片机应用系统中，通常应具有人机对话功能，能随时发出各种控制命令和数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果。键盘可以分为独立式和矩阵式，每一类按其编码法又都分为编码及非编码两种类型。独立式键盘是指直接利用 I/O 口线构成的单个按键电路。每个独立式按键占有一根 I/O 口线，每根 I/O 口线的工作状态不会影响其他 I/O 口线工作。独立式键盘接口电路配置灵活，软件结构简单，但每一个按键必须占一根 I/O 线，在键数较多时，I/O 线浪费较大，因此，在本系统中，为了减少 I/O 口线的占有用，采用矩阵式键盘。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是用一个按键加以连接，但其结构要复杂一些，识别也要复杂一些。接线如图 3.2 所示。P1.0 P1.3 作为输入线，P1.4 P1.7 用为输出线。列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的 I/O 作为输出端，而列线所接的I/O 口作为输入端。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，输入线就会被拉低，这样，通过读输入线的状态就可得知是否有键被按下。2013 届本科毕业设计（论文）图 3.2I/O 扩展键盘接线图3）声光报警电路设计要求系统发生故障时发出声光报警信号，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器工作时约需 10mA 的驱动电流，由于单片机输出信号不能直接驱动蜂鸣器，因此外接驱动电路，电路设计如图 3.3 所示。蜂鸣器作为三极管 VT3 的集电极负载，当 VT3 导通时，蜂鸣器发出鸣叫声； VT3 截止时，蜂鸣器不发声，R 是限流电阻。将VT3 的基极接到单片机的 P2.7 管脚上，P3.7 作为输出口使用。当 P2.70 时，2013 届本科毕业设计（论文）VT3、VT2 导通时，使蜂鸣器和 LED1 的两个管脚间获得将近 5V 的直流电压，蜂鸣器和故障灯中有电流通过，而产生蜂鸣和故障灯点亮；当 P2.71 时，VT 截止，故障灯和蜂鸣器的两管脚间的直流电压接近 0V，故不工作，而正常灯两管脚间有接近 5V 电压而工作。3.2.2通信网络设计RS232 是目前被广泛使用的异步串行数字通信电气标准，由电子工业协会EIA（Electronics Industry Association）制定。过去数十年中，RS232 在低速数据通信领域出尽了风头。这种传输速度不快、传输距离也不远的接口能够在几乎所有民用通信设备中占据主要角色，一个原因是早期用户对通信速度和距离的要求不高（距离可以通过调制解调器加长）；另一个原因是它被所有PC、服务器认同为标准串行接口，成为计算机与桌面设备之间最简单、有效通用的联接通道之一。出于同样的原因，在多单片机之间的通信中 RS232 也占据着重要位置。RS232 标准推荐的物理联接器有 25(DB-25)针型和新一代的 9(DB-5)针型，它们在计算机和连接线上的位置和定义如图 3.4 和表 3.3 所示。 图 3.3声光报警电路2013 届本科毕业设计（论文）表 3.3RS232 接口定义DB-9 信号名称 方向 含义1 DCD 输入 数据载波检测2 RXD 输入 数据接收端3 TXD 输出 数据发送端4 DTR 输出 数据终端准备就绪（计算机）5 SG - 信号地6 DSR 输入 数据设备准备就绪7 RTS 输出 请求发送（计算机要求发送数据）8 CTS 输入 清除发送(Modem 准备接收数据)9 RI 输入 响铃指示以上信号在通信过程之中可能会全部或部分使用，最简单的通信仅需TXD、RXD 和 SG 即可完成，其它的握手信号可以做适当处理或者直接悬空，至于是否可以悬空，这根据通信程序而定，本系统中具体接线图如附图 C 所示。MAX232 系列芯片是把单片机输出的 TTL 电平转换为 RS232 标准电平（逻辑 1：-15V -5V; 逻辑 0： +5V+15V）。图 3.5 为 MAX232 封装图。引脚说明如表 3.4 所示。表 3.4MAX232 引脚说明VCC 供电电压 T1OUT 第一路 RS-232 电平输出C+、C 外围电容 T1IN 第一路 TTL/COMS 驱动电平2013 届本科毕业设计（论文）- 输入GND 地 R1IN 第一路 RS-232 电平输入T2OUT 第二路 RS-232 电平输出R1OUT 第一路 TTL/COMS 驱动电平输出R2IN 第二路 RS-232 电平输入T2IN 第二路 TTL/COMS 驱动电平输入R2OUT 第二路 TTL/COMS 驱动电平输出3.3 从站电路设计3.3.1滴速检测与液面检测电路设计本系统采用 AUTONICS 光电传感器作为滴速和液面检测，考虑到储液瓶的大小，我选用了如表 3.5 所示型号传感器。表 3.5光电传感器型号及特性型