无人监守点滴自动监控无线系统

分类号：分类号：TP391 U D C： 密密 级：公级：公 开开 编编 号：号： x x x x x x x x x x x x x x x x x x 大大 学学 学学 位位 论论 文文 无人监守点滴自动监控无线系统无人监守点滴自动监控无线系统 论文作者姓名：论文作者姓名： 申请学位专业：申请学位专业： 申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名（职职称称） ： 论文提交日期：论文提交日期：2016 年年 月月 日日 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得 xxxxxxxxx 大学或其它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。 签名： 日期： 2016 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解 xxxxxxxxx 大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 xxxxxxxx 大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 日期： 2016 年 月 日 I 无人监守点滴自动监控无线系统无人监守点滴自动监控无线系统 摘 要 静脉点滴是普遍采用的医疗手段之一，随着我国人口老龄化问题加剧，医务 人员资源不断稀缺，为减轻医务人员的压力，静脉点滴无人监控成为研究的热点。 本文以 STC89C52 单片机为中心控制和信号采集核心，信号采集和蓝牙组成的无 线监控系统，实现中心控制和信号采集互相通信。用红外对管实现信号采集，通 过有线传输把信号送给信号采集单片机，使用蓝牙实现信号采集模块与中心控制 模块数据交换。中心控制模块设置液体的总容量，实时显示剩余液体容量。当输 液结束时，中心控制模块和信号采集上的发光二极管和蜂鸣器同时报警。最终， 完成了一款水的标准误差为 0.47ml、生理盐水的标准误差为 0.399ml、葡萄糖的 标准误差为 0.929ml 的无人监守点滴自动监控无线系统。 关键词：关键词：静脉点滴，无人监守，红外，蓝牙 II No Person Guardianship the Intravenous Injection Automatic Monitoring and Wireless System ABSTRACT Intravenous drip is one of the widely used medical means, with the intensification of the aging population in China, medical personnel resources increasingly scarce, in order to alleviate the pressure on medical staff, intravenous drip automatic monitor system has become a research hotspot. The system uses STC89C52 MCU as the master control system and signal acquisition the core, and wireless monitoring system composed of Bluetooth to realize the communication between the main control system and the signal acquisition system. Using infrared to achieve signal acquisition, signal to the signal acquisition through wire transmission, the use of Bluetooth signal acquisition module and the central control module data exchange. The central control module sets the total capacity of the liquid to display the remaining liquid volume in real time. At the end of the infusion, the central control module and the signal collection light emitting diode and the buzzer at the same time alarm. In the end, completed a water standard error of 0.47ml, physiological saline standard error of 0.399ml, glucose standard error of 0.929ml no person guardianship the intravenous injection automatic monitoring and wireless system. Keywords: Intravenous drip, No person guardianship, Infra-red, Bluetooth III 目 录 第一章第一章 引言引言.1 1.1 研究背景.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 本课题的意义.2 第二章第二章 设计方案设计方案.4 2.1 点滴检测方法.4 2.1.1 红外检测方法.4 2.1.2 图像检测方法.4 2.1.3 称重检测方法.5 2.2 控制模块方案.6 2.3 通信模块方案.6 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计.8 3.1 系统结构.8 3.2 信号采集模块.8 3.2.1 检测电路.8 3.2.2 放大电路.9 3.2.3 整形电路.10 3.3 控制模块.11 3.3.1 电源电路.12 3.3.2 输入电路.13 3.3.3 通信电路.13 3.3.4 显示电路.14 3.3.5 报警电路.15 第四章第四章 软件设计软件设计.17 4.1 中心控制端软件设计.17 4.1.1 主程序设计.17 4.1.2 输入程序设计.18 IV 4.1.3 报警程序设计.19 4.1.4 通信程序设计.20 4.2 采集端软件设计.22 4.2.1 主程序设计.22 4.2.2 报警程序设计.23 4.2.3 通信程序设计.24 第五章第五章 调试结果分析调试结果分析.27 5.1 硬件调试.27 5.1.1 调试环境.27 5.1.2 信号检测调试.27 5.1.3 信号放大调试.28 5.1.4 信号整形调试.28 5.2 系统性能测试.29 5.2.1 测试装置.29 5.2.2 测试方法.30 5.2.3 性能测试与结果分析.31 第六章第六章 结论和展望结论和展望.34 6.1 结论.34 6.2 展望.34 参考文献参考文献.35 致致 谢谢.36 附附 录录.37 1 第一章 引言 1.1 研究背景 随着老龄化社会的加剧和计划生育政策的推进，将面临养老和劳动力短缺的 两大社会问题，对医疗卫生事业带来了严峻的考验。随着电子信息的迅速发展和 运用，医疗设备领域正在向着信息化发展。近年来，现代科学技术的发展让静脉 点滴从人工监守到自动监控有了强大动力。随着近些年来各个领域的高度发展， 导致环境恶化的脚步在加快，使得各种疾病与日俱增，医疗消费的人群也日益增 多。尽管政府投入巨额财政支持医疗设备的向自动化发展，但获得的成绩并不理 想，与国外的医疗技术还存在着很大的差距。按照国家经贸委提出的要求，将会 在 2050 年左右成为世界医疗器械生产强国。由此可见，医疗技术的改革与创新 具备很好的市场。 静脉点滴在医疗工作中被普遍运用，据统计住院患者的静脉输液率为 70%- 80%1。静脉点滴是被广泛运用的一种治疗手段，从其出现以来一直是人工监守 的方式存在。因此，设计一款无人监守输液监控系统的医疗设备将对提升医疗事 业做出重大的贡献。 1.2 国内外研究现状 为了使得静脉点滴过程安全性的提高和降低静脉点滴过程中医护人员的工作 强度，国内外都对静脉点滴过程的智能监控投入了大量的时间和精力进行实验和 研究。点滴自动监控设施的发展主要经历了机械式、电容式、电极式和光电式等 几个阶段。 （1）机械式 此方法出现的时间相对较早，运用输液过程中药液的减少使得其重量减轻的 原理，使用弹簧秤对其称重以此来实现液体剩余容量的监测。因为输液瓶的大小 并不统一使得其重量各不相同，在实际应用中相对来说误差较高、可靠性不强， 操作不方便。 （2）电容式 2 电容式的实现方法是输液瓶中的液体液位发生变动时，使得电容长度发生变 化，以此通过对液体液位的监测来实现液体剩余容量的监测。电容式这类监控设 施的数据可靠性、实用性都相对来说较高，然而因为输液瓶的大小规格并不统一， 因此需要设计很多种规格的设施来进行液体剩余容量的监测。 （3）电极式 将两个电极插入莫菲氏管中，当液体点滴滴下时极性就会受到影响产生中断 信号，以此监测静脉点滴过程中液体的剩余容量。电极式这类设施性能相对可靠、 设计比较简单，可是在点滴下落过程中会与电极发生接触，存在医疗卫生等方面 的问题。 （4）光电式 近些年使用频繁的静脉点滴监控方式是光电式。在莫菲氏管的两侧分别装上 发射端和接收端，当液体点滴通过二者之间时，接收管接收发射管发射出来的信 号受阻，这时候将会产生一个微弱的电信号，并由信号放大电路进行处理，以此 监看输液的整个过程中液体的剩余容量2。因为红外对管不直接与药液接触，并 且不受液体、输液器材等因素的影响，使得输液监控设施有了突破性的进展，这 种方式具使用备容易、效率高和适用性强等优点3。 除上述这些方法之外，尚有很多实现静脉点滴监控的方法，因为成本和性能 上差异的原因，使得不能在日常医疗中使用。另外，单机方式的点滴监控设施在 渐渐的吸收网络化的思维进行发展，形成了以 RS-232 或 RS-485 总线的有线型和 以蓝牙等无线通讯技术的无线型两种监控数据传送方式。有线型系统在控制和应 用方面的不完善等因素，使得在实际运用中，需要重新布线。而无线型则很好的 完善了有线型的不足之处。 1.3 本课题的意义 随着科学技术的迅猛发展，电子设施和技术向集成化、数字化和高速化方向 发展。使得在各个领域都有了很大的变化，尤其是在医疗设施上面有了很大的突 破性。在静脉点滴过程中使用电子设备进行监测，使得医护人员大量的时间和精 力更好的照顾病人。 本课题的主要意义在于解决目前输液中存在的不足，使输液过程更加方便、 安全，应用现代技术手段开发出能在点滴即将结束时提供声音报警提示的一款低 成本的、智能的无线输液系统对医疗事业有很重要的帮助。 3 针对上述情况，设计了一款无人监守点滴自动监控的无线医疗系统。由软件 和硬件两部分实现无人监守点滴自动监控无线系统，突破了传统静脉点滴以人工 为主体的形式。使用具有高性能 STC89C52 单片机作为系统的核心控制芯片。 无人监守点滴自动监控无线系统硬件的实现方式是由微处理器搭建的中心控 制和信号采集等模块组成。 软件是无人监守点滴自动监控无线系统的核心。软件就像人的大脑一样指挥 着微处理器完成一系列应该完成的动作，节省了大量的人力和时间。无人监守点 滴自动监控无线系统包括主控、容量设置电路、报警和通信等几个部分的软件设 计。 该系统使用蓝牙进行中心控制模块和信号采集系统之间的通讯，采用 8 位低 功耗、高性能 STC89C52 单片机作为中心控制模块和信号采集控制模块的核心控 制芯片，来实现医护人员对病房病人输液进程中的实时监测和控制。 因此，输液瓶中液体的剩余容量是在软件的控制下，经由信号采集模块的采 集，再由信号采集控制微处理器进行处理并传送给中心控制微处理器，再经过中 心控制微处理器的处理得到最终剩余液体的容量，并以具体数据的形式在液晶显 示屏上显示。 4 第二章 设计方案 2.1 点滴检测方法 点滴检测是指静脉点滴注射过程中，对液体剩余容量的检测。其目的是把检 测到的信号转换成电压信号，通过电压比较放大器把采集到的信号进行放大，将 放大过后的信号传送给信号检测模块。在近年来出现了很多点滴检测的方式，主 要有机械式、电容式、电极式和光电式等。其中机械式可靠性和适用性相对较差， 电容式的实用性单一，不同的规格也要不同的设备，电极式存在着医疗卫生等问 题，至于光电式则是现在市场上使用比较普遍的一种点滴探测方式。 2.1.1 红外检测方法 考虑到部分药品不能见光，所以利用红外对管进行信号采集。通过检测滴下 液体的滴数对液体的总容量进行减法运算，将红外对管垂直的安装于莫菲氏管的 两侧，红外接收管根据接收到的红外光信号的强弱形成脉冲信号。这个脉冲信号 经过放大电路的处理后通过电压比较电路的变成单片机能够处理的二进制电平。 如图 2-1 所示的光电式点滴监测方式。 图 2-1 光电式点滴监测 2.1.2 图像检测方法 使用摄影机间断的拍摄照片，通过图像的边缘检测技术处理图像。再和标准 图像进行比较。当采集到的图像与预先设定好的模板图像相符（误差允许的范围 5 内）时产生脉冲信号。这个脉冲信号经过放大电路的处理后通过电压比较电路的 变成单片机能够处理的二进制电平。如图 2-2 所示的图像处理技术点滴监测方式。 图 2-2 图像处理技术点滴监测 2.1.3 称重检测方法 使用小型电子秤检测液体的重量。电子秤上悬挂液体，当液体的重量达到设 定值（允许的误差范围）时产生脉冲信号。这个脉冲信号经过放大电路的处理后 通过电压比较电路的变成单片机能够处理的二进制电平。如图 2-3 所示的称重技 术点滴监测方式。 图 2-3 称重技术点滴监测 采用红外光电传感器对液体的剩余容量进行探测，这种方式应用的比较普遍、 容易实现；采用图像处理技术对液体剩余容量进行探测，这种方式需要足够大的 存储空间、CPU 运算速度要求高、还要考虑采集到照片的质量问题等；采用计重 的方式对液体剩余容量进行探测，这种方式需要精度很高的弹力计重器和必须保 6 证在静脉点滴过程中不会因外界因素影响导致重心不稳等。综合考虑后选择方案 一进行信号采集硬件电路设计。 2.2 控制模块方案 控制模块是指控制无人监守点滴自动监控无线系统工作的核心部件。其目的 是配合无线传输实现不用人工实时监测病人输液瓶中液体的剩余容量。 控制模块核心单片机有 STC89C52 和 STM32 两种选择。在单片机最小系统 上做功能扩展。在检测板上设计了一个电源开关并用一个等表示电源接通。根据 题目的要求在检测板上安装了蜂鸣器和灯，当点滴即将滴完时蜂鸣器报警灯闪烁。 采用 STC89C52 单片机作为模块的控制核心，STC89C52 单片机是一种高性 能、低功耗的 8 位微型控制器，并且具有 8Kb 系统可编程的 flash 存储器；使用 STM32 单片机作为模块的控制核心，STM32 是一种高性能、低功耗的 32 位微型 控制器，并且具有 32Kb 到 152Kb 的从系统可编程 flash 存储器。考虑到点滴监控 系统不需要多位的数据传输等特点，为了使得资源合理利用综合考虑过后决定采 用 STC89C52 单片机负责控制中心控制模块和采集模块之间通讯。 2.3 通信模块方案 通信模块使用无线的通信方式。无线传输和有线传输是相对应的。无线传输 是指运用无线技术将数据传送出去的一种通讯方法。随着无线传输技术的迅速发 展，无线技术的运用越来越广泛并逐渐被各行各业所接纳。本次设计采用无线传 输的目的是使医护人员能够在有效的时间里用更多的精力去照顾病人，也使得家 属的陪护时间相对减少。 通信模块主要有蓝牙、NFC 和 ZigBee 三种能够实现的无线通信方式。蓝牙 是目前实现无线域网的主流技术之一，可以在设备与设备之间进行方便快捷、灵 活安全、低功耗、低成本的数据和语音通信的一种小范围无线连接技术。NFC 对 识别过程进行了简化，让设备与设备之间访问更安全、更清楚和更直接。它是一 种与 RFID（非接触式射频识别）的短距离无线通信技术。ZigBee 是介于无线标 记和蓝牙之间的一种短距离、低速率的无线网络技术4。 蓝牙工作在 2.4GHz ISM（工业、科学、医学）频段，NFC 的工作频率为 7 13.56MHz，ZigBee 可以在 2.4GHz、868MHz、915MHz 三个频段上工作。蓝牙的 数据传输速率为 1Mb/s，其有效传输距离为 10m；NFC 目前最高的数据传输速率 为 848Kb/s，它只能够在 20cm 的范围内传输数据；ZigBee 在 2.4GHz 的频段上不 考虑各种损耗的最高数据传输速率为 250Kb/s，它的传输距离与于蓝牙和 NFC 相 比具有很大的优势，其有效的传输距离为 10m75m。这三种无线通信技术与其它 无线技术在通信距离和传输速率上的区别如图 2-4 所示。 图 2-4 与其它无线技术的区别 在数据传输上，蓝牙跳频更快、数据分组更短，让蓝牙的链路比其它技术更 稳定。并且蓝牙具有很强的移植性、集成电路简单、成本低、实现起来相对容易、 功耗低、对人体伤害小等特点5。综合考虑过后我采用了蓝牙负责进行中心控制 模块和采集模块之间通信。 8 第三章 硬件电路设计 3.1 系统结构 根据整个硬件电路的工作原理将整个硬件分为信号采集模块、信号采集控制 模块和中心控制模块三个部分，信号采集模块和中心控制模块使用蓝牙进行无线 通信，其硬件电路的系统结构图如图 3-1 所示。 STC89C52 单片机 (信号采集) 电源模块 点滴检测 电源模块 功能设置 液晶显示 STC89C52 单片机 (中心控制) 报警模块 报警系统 图 3-1 系统结构图 从图 3-1 中可以看到点滴检测将点滴信号采集过后交给信号采集控制单片机 处理，处理后的数据通过无线传输的方式与中心控制模块进行交换。中心控制模 块把实时的数据通过液晶显示，当剩余液体容量达到报警值时中心控制模块将会 给信号采集控制单片机一个信号，使得中心控制模块与信号采集模块同时声光报 警。 3.2 信号采集模块 信号采集模块是实现静脉点滴信号的实时采集。采集电路把捕获到的信号处 理成单片机能够处理的二进制信号并传送给信号采集控制模块。信号采集模块实 现信号的实时采集和处理的功能。 3.2.1 检测电路 信号检测单元需要实时检测静脉点滴过程中液体的剩余容量。当有液滴滴下 时，红外对管会因液滴的影响，让接收管接收到的信号发生变化，此时产生一个 9 微弱的电压信号。如图 3-2 所示信号检测电路。 图 3-2 信号检测电路 从图 3-2 中可以看到使用红外对管实现信号的采集。当有液滴滴下时就会导 致接收管接收不到发射管发射出来的信号，将会产生一个微弱的电压信号，此电 压信号送入 LM358 的 5 引脚。 3.2.2 放大电路 信号放大单元把信号检测单元检测到的信号进行放大。如图 3-3 所示信号放 大电路。 图 3-3 信号放大电路 从图 3-3 中可以看到通过 LM358 的第 5 引脚把采集到的信号送入同向放大器 把信号进行放大，放大过后的信号通过 LM358 的第 7 引脚输出。采用了电容与 电阻并联和电位器来实现负反馈电路6。电阻与电容并联目的是用来稳定放大电 路的静态工作点，电容给交流信号提供通路防止电路自激，使用电位器则可以调 节放大电路的放大倍数。 10 3.2.3 整形电路 信号整形单元把信号放大电路放大的信号转换成单片机能够处理的二进制信 号。如图 3-4 所示电压比较器。 图 3-4 电压比较器 从图 3-4 中可以看到该电压比较器为单限电压比较器，将参考电压通过 LM358 的第 2 引脚加于信号的反向输入端，输入电压通过 LM358 的第 3 引脚输 入到运放的同向输入端，运放处于开环状态。当输入电压大于参考电压时，输出 为高电平；当输入电压小于参考电压时，输出为低电平6。如图 3-5 所示电压传 输特性。 实际 理想 Ui Uo Vcc -Vcc 图 3-5 电压传输特性 信号采集原理图如图 3-6 所示。从图 3-6 中可以看到信号采集模块又可以划 分为信号采集和信号放大两个部分。通过红外对管进行信号的检测。将红外对管 放置于静脉点滴使用导管中莫菲氏管的位置，当有液体滴下时就会使红外对管的 接收管接收不到发射管发射出来的信号，这时就会产生一个微弱的电压信号。将 红外对管因液体的原因产生的电压信号通过 LM358 的 5 引脚接入同向电压放大 器并将电压信号放大，将放大过后的信号通过 LM358 的 7 引脚输出。放大过后 的信号通过 LM358 的 3 引脚接入电压比较器并把电压信号变成数字脉冲信号， 11 再通过 LM358 的 1 引脚输出。再将输出的数字信号传送给控制模块单片机的 1（P1.0 口）引脚。这样就可以得到信号采集电路的原理图。 图 3-6 信号采集原理图 3.3 控制模块 控制模块协调各个模块的工作，让整个系统能够正常工作。控制模块由中心 控制模块和采集控制模块组成。采集控制模块把接收到的信号进行处理并与中心 控制模块进行通信。当剩余液体容量达到报警值时系统进行声光报警。采集控制 模块通蓝牙实现与中心控制模块之间的数据交换，当液面到达报警值时进行声光 报警。中心控制模块接收信号采集控制模块发过来的信号，把接收到的信号进行 处理通过液晶显示屏显示出来。当剩余液体容量达到门限值时进行声光报警。中 心控制模块除了与采集模块进行数据交换，还要把液体剩余容量实时的在液晶显 示屏上显示出来，当液面到达报警值时进行声光报警。如图 3-7 所示的信号采集 控制模块原理图7。 12 图 3-7 控制模块原理图 控制模块单片机在 5V 的电压下正常工作。图 3-7 中值得注意的使存储器选 择端（第 31 脚）需要接高电平，告诉单片机使用片内存储器，这样系统才会执 行烧写的程序7。XTAL1（第 18 脚）和 XTAL2（第 19 脚）接震荡电路，其中电 容 C4 和 C5 与晶振发生自激作用，产生时钟频率。RST（第 9 脚）接复位电路， 该电路中电阻 R2 和电容 C3 控制复位时间。芯片上电后，按下开关 S2 电容充电， 充电瞬间电容有电流流过，RST 得到高电平，充电结束后，RST 变为低电平。 控制模块由许多小单元组成，主要有电源模块、功能选择电路、通信电路、 液晶显示和报警电路组成。协调各个模块工作，实现系统的自动监控、无线传输 和报警等功能。 3.3.1 电源电路 电源模块为控制模块提供一个能够正常工作的电压，让系统能够正常工作。 如图 3-8 所示的电源模块电路。 图 3-8 电源模块电路 13 从图 3-8 中能够看到，电源模块的一端接入电源，另一端为芯片提供一个工 作电压。在电源模块上设计了一个开关，当开关闭合时，4 脚和 6 脚导通，这时 会有一个 5V 的电压接入控制模块中网路标号为 VCC 的引脚端。因为使用 USB 进行供电 VCC 不是理想的 5V，而是在 5V 左右波动的一个电压。电容 C1 和 C2 过滤点其中的低频和频率高点的杂波，让系统供电稳定。 3.3.2 输入电路 输入电路单元其实就是单片机的最小系统，主要完成单片机的复位功能。这 样就可以得到如图 3-9 所示的输入电路。 图 3-9 输入电路 从图 3-9 中可以看到通过单片机的并行 I/O 口引出三个按键，从 1（P1.0 口） 、2（P1.1 口）和 3（P1.2 口）分别引出按键 S2、S3 和 S4。其中 S2 的功能为确 认按键，将静脉点滴的液体的总容量在中心控制模块上通过容量加键或者容量减 键对液体的容量设置完成过后按下确认键，这时液晶显示屏上将会显示 “Remaind:xx.00ml”，这时当有液滴滴下时将会在液体的总容量中减去一部分，此 时液晶显示屏上显示的容量为输液袋中还剩下液体的总容量；S3 的功能为容量加 按键，上电过后按下电源开关液晶也显示屏上将会显示“Volume set:100.00ml”， 在这个情况下按下 S3 键后液体的总容量加 10ml，当长按该键时将实现连加的功 能； S4 的功能为容量减按键，S4 键的使用方式和 S3 键的相同，S4 按键实现的 功能是按下时液体的总容量减去 10ml。 3.3.3 通信电路 通信电路实现中心控制模块和信号采集模块之间信息的交换。采用蓝牙对通 信模块进行设计，其工作原理图如图 3-10 所示。 14 图 3-10 蓝牙电路 中心控制模块和信号采集模块之间通过蓝牙进行数据交换。给蓝牙模块接入 5V 的电压，让其处于工作状态。由于蓝牙提供了 UART 硬件接口，所以将蓝牙 的 TXD 引脚接入单片机的 RXD（第 30 脚）引脚，RXD 引脚怎接入单片机的 TXD（第 31 脚）引脚。当系统处于工作状态时无需用户进行任何设置蓝牙会在 310s 内完成自动配对，配对成功后蓝牙模块上的 LED 灯会闪烁。 3.3.4 显示电路 液晶显示模块是 LCD 液晶显示器，其实现实时的显示剩余液体的总容量， 如图 3-11 所示的液晶显示。 15 图 3-11 液晶显示 从图 3-11 中可以看到液晶显示电路图就是通过单片机烦人 P0 口把数据传送 给 LCD1602 液晶进行数据实时显示。液晶的电源地（第 1 引脚）和脚背光负极 （第 16 引脚）接地，电源正极（第 2 引脚）和脚背光正极（第 15 引脚）接 5V 电压。液晶显示对比度调整端（第 3 引脚），接入一个电位器用来调节液晶显示 对比度。液晶寄存器选择（第 4 引脚）通过单片机 P2.5 口（第 26 引脚）进行控 制，液晶读写信号线（第 5 引脚）通过单片机 P2.6 口（第 27 引脚）进行控制， 液晶使能端（第 6 引脚）通过单片机 P2.7 口（第 28 引脚）进行控制，液晶双向 数据端（第 7-14 引脚）与单片机 I/O 口的 P0 口相连，实现数据的读写。液晶工 作时显示内容为“Volume Set:100.00ml”，当按下容量调节键的时候容量随之变化， 当按下确认按键时，液晶显示内容为“Remaind:xxx.00ml”。此时，系统进入工作 模式，当有液滴滴下时容量减去滴下的部分。 3.3.5 报警电路 报警电路单元实现的使当达到报警条件时进行报警。如图 3-12 所示的报警电 路。 16 图 3-12 报警电路 从图 3-12 中可以看到报警电路由 LED 灯、蜂鸣器和晶体管组成其正极接入 5V 电压形成共阳极的报警电路。报警系统接入单片机的 P2.0 口。其中采用的晶 体管为 PNP 结构，其作用相当于开关8，其开关特性如图 3-13 所示。 图 3-13 晶体管的开关特性 从图 3-13 中能够看到，当单片机 P2.0 口输出为低电平时，晶体管工作在截 止状态，相当于开关断开；当单片机 P2.0 口输出为高电平时，晶体管工作在饱和 状态，相当于开关闭合。此时 LED 灯闪烁，蜂鸣器报警。 17 第四章 软件设计 4.1 中心控制端软件设计 4.1.1 主程序设计 中心控制端主程序是负责调用各个子单元程序软件系统的核心是主控程序。 工作时，要对串口和定时器进行初始化，然后调用各个子模块程序进行工作。如 图 4-1 中心控制端流程图所示。 开始 程序初始化 按下按键 报警值 计算液体容量 液晶显示 系统报警 Y N N 数据传输 执行相应操作 报警值 Y Y N 图 4-1 中心控制端流程图 18 图 4-1 中的程序初始化主要为串口的初始化和定时器 0 的设置两个部分。串 口初始化，让串口在方式一下工作。通过定时器 T1 来设定波特率为 9600bit/s， 串口处于接收的状态。定时器 0 的设置，串口数据的发送与接收通信通过蓝牙来 实现，初始化程序还需设定串口的中断方式。当中心控制端接收到采集端的点滴 信号时，进行液体剩余容量的计算。剩余容量达到报警值时，给采集端发送一个 报警信号并且进行声光报警。 4.1.2 输入程序设计 输入是单片机最小系统，其主要负责用户设置液体的总容量。如图 4-2 输入 程序流程图所示。 开始 初始化 容量加10ml 容量减10ml 结束 N 容量加键 容量减键 容量为500ml 容量为20ml Y N N N Y Y Y Y N 容量确认键 容量设置 图 4-2 输入程序流程图 单片机复位。通过单片机外围电路上的复位按键使其产生一个振荡信号，在 RST 引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。当复位引脚 RST 由高电平 变为低电平时，即松开复位按键，芯片从 ROM 的 0000H 处开始运行程序。 液体容量设置。通过单片机的并行 I/O 口引出三个按键，从 P1.0、P1.1 和 P1.2 分别引出按键 S2、S3 和 S4。其中 S2 的功能为确认按键，S3 的功能为液体容量 19 加按键，S4 的功能为液体容量减按键。当按下确认键时，单片机 P1.0 引脚将由 高电平变为低电平，当这个低电平产生时程序则做出确认完成的响应将，这时液 晶显示屏上将会显示“Remaind:xx.00ml”。当有液滴滴下时将会在液体的总容量中 减去一部分，此时液晶显示屏上显示的容量为输液袋中还剩下液体的总容量。当 按下液体容量加键时，单片机 P1.1 引脚将由高电平变为低电平，当这个低电平产 生时程序则做出容量加 10ml 的响应。当按下容量加键的时间超过一秒时，此时 一直按下容量加键程序则会做出连加的响应，每次加的数为 10ml。当按下容量减 键时，单片机 P1.2 引脚将由高电平变成低电平，当这个低电平产生时程序则做出 容量减 10ml 的响应。当按下容量减键的时间超过一秒时，此时一直按下容量减 键程序则会做出连减的响应，每次加的数为 10ml。 4.1.3 报警程序设计 报警单元其主要目的是提醒用户。工作时，当剩余液体的总容量小于 15ml 时，此时报警模块开始工作，驱动蜂鸣器报警和 LED 灯闪烁。如图 4-3 中心控制 端报警程序流程图所示。 剩余容量 报警值 结束 Y N 启动报警 开始 图 4-3 中心控制端报警程序流程图 在自动监控静脉点滴过程中，每当收到采集端发送的采集信号时系统会在总 容量中减去 0.06ml，此时把剩下的液体的容量与程序中设定的报警值进行对比。 当液体剩余容量小于 15ml 时，给采集端发送一个报警信号并把单片机 I/O 口的 P2.0 引脚变为低电平，此时 LED 灯将会被点亮并且蜂鸣器报警。 20 4.1.4 通信程序设计 通讯模块单元以实现中心控制端与采集端之间互相通信为目的。工作时通过 判断串口借口寄存器 SCON 里面的 D1 和 D0 位即发送中断标志位 TI 和接收中断 标志位 RI 是否为 1 来确定数据是否发送和接收成功。对于信方式的程序设计， 其实就是对串行通信接口的参数设置，如波特率等的设置。 因为在 STC89C52 单片机内部集成了一个串行通信 I/O 部件 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，同步异步接收/发送装置）， 采用全双工串行通信的方式，经过编程能够将 8 位字节数据直接写入 UART 中， UART 将会自动把该字节的 8 位二进制数转换成串行数据，于不同时刻从 TXD 引脚（transmit data）输出发送，同时对于不同时刻从 RXD 引脚（receive data） 输入的串行数据，UART 将会自动把该数据转换成 8 位的二进制数的字节， CPU 能够程序读取接收到的数据后进行处理7。如图 4-4 中心控制端数据接收流程图 所示。 21 N 接收到数据 Y 接收数据 准备下次接收 点滴信号 关闭串口中断 N N Y 打开串口中断 记录数据 开始 返回 图 4-4 中心控制端数据接收流程图 从图 4-4 中能够看到当数据接收成功，接收中断标志位 RI 为 1，此时将接收 标志位清零，等待下次数据的接收。把接收到的数据进行分析，如果是液滴滴下 信号则将数据记录下来并关闭中断，若不是液滴滴下信号则准备下次接收工作并 关闭中断。 22 N Y 发送成功 准备下次发送 关闭串口中断 发送数据 报警值 打开串口中断 开始 返回 图 4-5 中心控制端数据发送流程 通过蓝牙串口进行无线传输。从图 4-5 中可以看到当剩余液体达到报警值时， 将报警信号传送给信号采集端。此时发送中断标志位 TI 为 1，则发送数据成功并 把 TI 清零；当发送中断标志位 TI 为 0 时，说明发送数据失败则继续发送，直到 TI 为 1 并把 TI 清零。 4.2 采集端软件设计 4.2.1 主程序设计 采集端主程序是负责调用各个子单元程序软件。工作时，要对串口和定时器 进行初始化，然后调用各个子模块程序进行工作。如图 4-5 中心控制端流程图所 23 示。 开始 程序初始化 报警值 系统报警 N Y 数据传输 信号采集 清除报警 Y N 图 4-6 采集端流程图 要实现采集端和中心控制端之间的数据交换，必须要把两块单片机的工作方 式设置为一致。程序的初始化与中心控制端相同。在信号采集控制模块中，当有 液滴滴下时，信号采集电路就会捕获到一个信号，将这个信号处理后送至采集端 单片机内部处理。当采集端接收到这个信号，会发送一个点滴采集到中心控制端。 当中心控制端求得剩余液体容量达到报警值时，会发一个报警信号到采集端。采 集端接收到这个信号，进行声光报警。 4.2.2 报警程序设计 采集端报警单元是为提醒用户静脉点滴过程即将完成。工作时，当剩余液体 24 的总容量小于 15ml 时，此时报警模块开始工作，驱动蜂鸣器报警和 LED 灯闪烁。 如图 4-7 采集端报警程序流程图所示。 剩余容量 报警值 结束 Y N 启动报警 开始 图 4-7 采集端报警程序流程图 在自动监控的过程中，采集端接收到中心控制端发送的信号，对信号进行分 析处理。在该信号中查询报警信号，当找到报警信号时启动采集端的报警单元。 此时单片机的 P2.0 口将会产生一个高电平，让蜂鸣器报警、LED 灯闪烁。 4.2.3 通信程序设计 单片机进行串口通讯的首要条件是两块单片的串口的方式、串口波特率和定 时器的工作方式等必须要一致。如图 4-8 所示采集端数据发送流程图。 25 N Y 发送成功 准备下次发送 关闭串口中断 发送数据 点滴信号 打开串口中断 开始 返回 图 4-8 采集端发送数据流程图 从图 4-8 中能够看到当采集端接收到点滴信号时，通过蓝牙发送给中心控制 端。此时发送中断标志位 TI 为 1，则发送数据成功并把 TI 清零；当发送中断标 志位 TI 为 0 时，说明发送数据失败则继续发送，直到 TI 为 1 并把 TI 清零。 采集端要实现报警的功能，必须要接收到中心控制端发送的报警信号。如图 4-9 采集端数据接收流程图所示。 26 N 接收到数据 Y 接收数据 准备下次接收 报警信号 关闭串口中断 N N Y 打开串口中断 记录数据 开始 返回 图 4-9 采集端数据接收流程图 从图 4-9 中能够看到当数据接收成功，接收中断标志位 RI 为 1，此时将接收 标志位清零，等待下次数据的接收。把接收到的数据进行分析，如果是报警信号 则将数据记录下来并关闭中断，若不是报警信号则准备下次接收工作并关闭中断。 27 第五章 调试结果分析 5.1 硬件调试 5.1.1 调试环境 使用数字万用表（DT-9205a）、函数信号发生器（RIGOL-DG4062）、恒定 电压源（CET）、双踪示波器（RIGOL-DS1104）、量筒（100ml）等设备进行调 试。用万用表二极管档检测硬件电路有无短路、断路和虚焊，用直流电压档检测 硬件电路供电是否正常，芯片能否正常工作。用双踪示波器观察输出波形，用量 筒量的实际报警值，计算误差。 5.1.2 信号检测调试 检测完电路的通断情况过后，接入 5V 电压，信号采集电路开始正常工作。 当模块通电过后，模块上的 LED 灯将会被点亮，电路供电，能够正常工作。当 有液滴滴下时会产生一个微弱的电压信号，用示波器探测这个微弱的电压信号， 如图 5-1 所示信号检测结果。 图 5-1 信号检测结果 从图 5-1 中可以看到这个信号只有 39.2mv，将该信号接入放大电路进行放大， 经过电压比较器输出单片机能够处理的二进制信号。 28 5.1.3 信号放大调试 用函数信号发生器产生一个信号检测电路检测到的信号，将这个信号接入 LM358 芯片的第五个引脚。当脉冲信号接入芯片的五引脚过后，此时模块上的 LED 的将会一直熄灭，表示红外对管采集到了信号。这时把双踪示波器 CH1 通 道接上探头，将探头放置于 LM358 芯片的第七个引脚并使用示波器的