毕业论文-基于单片机的自动点滴检测控制器的设计

毕业设计（论文）自动点滴控制器AUTOMATICBITCONTROLLER班级电子与电气081学生姓名陈海峰学号指导教师职称导师单位论文提交日期徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书课题名称自动点滴控制器课题性质设计制作系名称电气工程系专业应用电子班级电子与电气大专081指导教师张江伟学生姓名王雯立、潘秀梅、闫冬、于吉奥、陈海峰一、课题名称自动点滴控制器AUTOMATICINTRAVENOUSDRIPCONTROLLER二、毕业设计（论文）主要内容目前各医院的输液就是人工控制的，这样医护人员的劳动强度大，并且病人自己或者家属要监护输液是否完成，这样人员使用率很低。针对这一情况，设计并制作一个用于输液监控的装置，可以自动检测点滴速度，并且在药液不足时能自己报警并自动关闭。基本要求1、能手动设置点滴流速，范围0100滴每分钟，误差不差过2滴。2、能在药液不足时报警三、计划进度时间内容2010年10月15日下毕业设计任务书、毕业设计动员2010年10月1419日查找相关资料，确定设计方案2010年10月2026日硬件部分设计2010年10月27日11月2日硬件部分制作2010年11月35日硬件部分调试、PCB设计2010年11月616日软件部分编程、调试2010年11月1720日系统调试2010年11月2123日毕业论文撰写2010年11月2428日毕业答辩四、毕业设计（论文）结束应提交的材料1、毕业设计论文。2、实物电路及相关软件原代码。指导教师教研室主任年月日年月日摘要本文介绍的是基于单片机的自动点滴检测控制器的设计是使用宏晶科技有限公司的STC10F04XE单片机为核心，并与直射式光电传感器，步进电机,指状蠕动泵等相结合的自动点滴检测控制系统，应用于医疗领域静脉输液，它具有很高的应用价值和现实意义。红外传感器检测点滴速度,经数据整形后传送给STC10F04XE单片机,单片机数据处理后送给四位数码管显示实时滴速；按键控制选择功能，单片机接收处理，驱动步进电机带动着指状蠕动泵波浪式控制输液滴速。其中运用红外传感器检测，数码管显示模块，采用了C语言编程工具进行软件设计和实验，步进电机带动着指状蠕动泵控制滴速。系统设计充分考虑了信号检测电路、显示电路和控制电路的可靠性、稳定性和实用性。该测量仪的特点是操作简单、点滴速度测量稳定可靠、动态显示及时准确、控制输液速度迅速且精确，最后是成本低廉。本文主要分五个章节来完成自动点滴控制器的系统设计、制作和调试。首先根据系统设计的要求制定出传感器、显示模块、单片机和调速装置等重要器件的选择方案。接着，根据系统实际使用要求设计出单片机核心的硬件系统，该系统能够实现数据采集，输液点滴速度的实时显示与控制以及意外情况的报警等功能。然后是介绍与系统硬件相配套的软件设计过程。最后是整个自动点滴控制器系统的调试及结果分析。关键词点滴速度传感器单片机实时显示步进电机指状蠕动泵ABSTRACTTHISPAPERMAINLYDIVIDEDINTOFIVESECTIONSTOCOMPLETEAUTOMATICBITCONTROLLERSYSTEMDESIGN,PRODUCTIONANDDEBUGGINGFIRSTOFALL,ACCORDINGTOTHESYSTEMREQUIREMENTOFDESIGNFORMULATESENSORS,DISPLAYMODULE,SCMANDSPEEDDEVICEANDOTHERIMPORTANTDEVICESOPTIONSTHEN,ACCORDINGTOACTUALUSEREQUIREMENTSYSTEMDESIGNEDMICROCONTROLLERHARDWARESYSTEM,THECOREOFTHESYSTEMCANREALIZEDATAACQUISITION,ANDTHETRANSFUSIONDROPPINGSPEEDOFREALTIMEDISPLAYANDCONTROLANDUNEXPECTEDCIRCUMSTANCESOFALARMFUNCTIONSTHENISTHEINTRODUCTIONOFTHESYSTEMHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFSUPPORTINGPROCESSTHELASTISTHEENTIREAUTOMATICBITCONTROLLERSYSTEMOFADJUSTMENTANDANALYSISOFTHERESULTSKEYWORDDROPPINGSPEEDTRANSDUCERMICROCONTROLLERREALTIMEDISPLAYSTEPPINGMOTORREFERSTOSHAPEPERISTALTICPUMP目录摘要ABSTRACT前言第一章课题分析与方案论证111课题分析112微控制器的分析与选用2121现有主流单片机的概述2122本课题单片机选用213点滴速度检测传感器分析与选用3131红外传感器概述3132几种类型红外传感器的介绍比较3133传感器的选用414机械传动控制的分析与选用5141机械传动控制的分析5142机械传动5143控制装置6144输液泵715显示模块的分析与选用8第二章硬件系统设计1021硬件的总体设计1022核心单片机硬件系统的设计11221STC10F04XE单片机的功能介绍11222核心单片机的设计原理图1223点滴检测模块的设计13231红外传感器电路设计13232红外发光二极管13233光敏三极管15234LM393比较器的参数1524机械传动控制的设计16241步进电机驱动模块电路设计16242指状蠕动泵设计18243机械传动控制实物图1825实时显示模块的设计19251数码管的选用与特性分析19252数码管设计原理图2026周围电路的设计20261电源电路20262按键、指示电路21263报警电路2127印制电路板的制作21271元器件封装的基本知识21272印制电路板设计22273PCB板设计流程22274主电路的PCB板2228总体组装24281整机设计25282整机结构的方案选择25283机箱的设计26第三章自动点滴控制器的软件系统设计3031系统软件组成30311系统框图30312程序流程图3032各模块分析及程序驱动30321红外信号分析及检测30322步进电机蠕动泵驱动3133串行通信32331串行口有关的意义、概念32332上位机VB程序的编写32第四章实验及结果分析3441实验过程34411实验仪器和实验方法34412实验测试结果3442误差分析35第五章课题总结与展望3651课题总结3652课题展望36参考文献37附录38致谢信45前言静脉输液，俗称“打点滴”或“挂水”，是医疗领域一种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。根据临床上药物和患者情况不同配以适当的输液速度，再由护士用眼睛观察，依靠手动夹子来控制输液速度，不易精确控制输液速度。不相符输液流速可能对病人产生不少危害，还会给医护人员带来不必要的麻烦和劳动压力。随着社会的发展，输液安全问题越来越受到人们的关注，尤其是对复杂病症、急救和危重病人来说，输液的流量和流速的精确控制至关重要，这种精确的控制，随着科学技术的发展也得到了解决。运用电子技术，传感器测量技术和单片机控制技术，研制的自动点滴控制器大大弥补医疗领域输液精确控制的难题。目前医用输液仪器系统主要由以下几部分组成微机系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置。医用输液仪器可满足多种功能的需求，归纳起来，输液泵能够实现以下功能1可精确测量和控制输液速度。2可精确测定和控制输液量。3液流线性度好，不产生脉动。4能对气泡、空液、漏液、心率异常和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切断输液通路。5实现智能控制输液。目前在我国的大、中、小型医院及下属社区卫生院、诊所等医疗机构进行输液治疗，输液速度和输液量几乎全部都是不准确的。输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，输液量也是护士用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的。输液速度监控等仪器设备没有被广泛采用。这样不仅会影响预期治疗效果。而且对于一些对人体器官作用敏感需要严格控制输液速度和输液量的药物，由于个体差异机体耐受力不同，特别是在手术中、大手术后以及病情危重需要严格控制输液速度和输液量的人群，会导致病情加重，有的甚至危及生命。随着社会的发展，对输液速度和输液量的数值的准确程度的要求会越来越高，因此就需要既实用又廉价的自动点滴控制器产品的出现。课题的任务是设计并实现一个基于单片机的点滴速度自动检测与控制，该控制器具有液滴速度实时显示，意外情况报警和速度调节等功能。本课题主要完成以下几方面的工作1自动点滴控制器的整体方案设计。根据检测仪功能要求并且考虑产品的性价比，决定采用单片机、红外传感器与步进电机等相结合。2自动点滴控制器硬件设计。主要包括单片机芯片的选型、红外传感器的选型、电机选型及实时显示电路的设计。3自动点滴控制器软件设计。主要包括显示、液滴检测程序设计、报警程序和电机驱动控制程序等。4自动点滴控制器的实验结果分析。第一章课题分析与方案论证11课题分析自动点滴控制器,“自动”意味着智能，智能则需要微控制器；“点滴控制”则需要机械传动装置；什么情况下需要控制，怎样知道，所以要检测才知道，这就需要传感器。传感器检测结果传给微控制器，微控制器处理数据驱动机械传动装置，从而达到自动控制，进而控制点滴滴流速就叫做自动点滴控制器；如何判断是否达到控制要求，这就要显示单元。课题初步分析框图图11课题初步题分析框图（1）传感器传感器种类很多，适合检测点滴滴速的传感器，是红外光电传感器；（2）微控制器微控制器分类很多，所学过的，常用的微控制器单片机；（3）机械传动装置机械、动力电机，能达到课题要求的伺服电机；（4）显示单元实现实时显示功能的器件有很几种根据实际情况而定。各单元关系框图图12各单元关系框图自动点滴控制器微控制器机械传动装置传感器显示单元点滴检测单元微控制器实时显示单元机械传动控制单元总的分析框图图13总的分析框图12微控制器的分析与选用微控制器可从不同方面进行分类（1）根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机；（2）根据存储器结构可分为HARVARD结构和VONNEUMANN结构；（3）根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROMEEPROM和闪存FLASH；（4）根据指令结构又可分为和RISC微控制器。以我们学过的微控制器，常见的微控制器，现有的微控制器，首选单片机。由于用微控制器控制的单元不多，选用8位的单片机基本可以满足要求。121现有主流单片机的概述1ATMEL单片机ATMEL公司所生产的89系列单片机就是基于INTEL公司MCS51系列而研制的并与MCS51兼容的微控制器系列。ATMEL公司是美国在20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于FLASH存储器技术和高质高可靠性生产技术。随着业务的发展，在20世纪90年代初，ATMEL公司一跃成为全球最大的EEPROM供应商。2TI公司的MSP430单片机采用冯诺依曼架构，通过通用存储器地址总线（MAB）与存储器数据总线（MDB）将16位RISCCPU、多种外设以及高度灵活的时钟系统进行完美结合。MSP430能够为当前与未来的混合信号应用提供很好的解决方案。所有MSP430外设都只需最少量的软件服务。例如，模数转换器均具备自动输入通道扫描功能和硬件启动转换触发器，一些也带有DMA数据传输机制。这些卓越的硬件特性使我们能够集中利用CPU资源，实现目标应用所要求特性，而不必花费大量时间用于基本的数据处理。这意味着能以更少的软件与更低的功耗实现更低成本的系统。主要应用范围计量设备、便携式仪表、智能传感系统3宏晶科技公司的STC单片机宏晶科技，中国大陆本土的第一个MCU的设计及生产公司，成立几年来迅速成为中国大陆本土MCU领航者，已成长为全球最大的8051单片机设计公司。等等。122本课题单片机选用本课题选用国产单片机，宏晶科技有限公司的STC10F04XE单片机。理由就很简单，国产，性价比高。STC10F04XE单片机是宏晶科技有限公司设计生产的单时钟/机械周期1单微控制器传感器检测单元按键/指示单元实时显示单元机械传动单元报警单元电源片机，是高速/低功耗/超低价/强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快812倍。内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。13点滴速度检测传感器分析与选用适合检测点滴速度的传感器，达到精度要求和稳定性，选用红外传感器比较合适。131红外传感器概述红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线1。人眼可见的波长为380NM78MM，发射波长为780NM1MM的长射线称为红外线，红外线光电传感器，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通电路而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，而且检测距离可近可远，根据具体情况选择自己合适的传感器即可，图11为不同波长的光的分布情况。图14光的波长分布图132几种类型红外传感器的介绍比较类型结构示意图直射式光电传感器直射式光电传感器包括在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，直射式光电传感器是最可靠的检测模式。直接反射式光电传感器直接反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。槽式光电传感器槽式光电开关通常是标准的U字型结构其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一个光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化的信号，分辨透明与半透明物体，但槽间的距离一般比较小，不适合检测体积较大的物体。反射板反射式光电传感器反射板反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射板，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。光纤式光电开关发射器和接收器前端上光纤（玻璃、塑料光纤的操作相同）。光纤是光电传感器的“眼”的延伸。由于光纤导线体积小又具有伸缩性，解决某些不易进入部位的传感问题。由于没有电流在光纤中，因此没有安全措施也能在易爆或强电磁场（高压设备，电焊设备）存在的趋于正常工作。光纤足够细课探测到最微小的物体。133传感器的选用传感器的选用原则传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此根据需要选用最适宜的传感器。现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量电路也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器选择是否合理。根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题1测量距离的大小；2被测量位置对传感器体积的要求；3测量方式为接触式还是非接触式；4信号的引出方法，有线或是无线测量；5传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后，就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。1输入光波长的选择2频率响应特性3稳定性4精度传感器的选用在此次设计中，用于测量输液点滴数来说，选用多个传感器。根据传感器的特性分析得出，红外传感器是比较好的选择。在红外传感器中，又分很多种。所以需要选用一个最佳的方案。方案一采用压力传感器来实现。在受液瓶下加一压力传感器，通过感知其压力大小来判断是否有液滴落下。方案二采用液位传感器来检测。将一液位传感器置于受液瓶中，根据液位传感器感受到的液位起伏来检测是否有点滴落下。方案三采用红外对管实现，跟据光敏三极管接收到的光强的强弱变化，从而使光敏三极管产生电流，经整合形成高低电平进行输出，通过对高低电平的变化来判断是否有液滴地下。即直射式光电传感器。方案四采用光纤传感器，将光纤传感器固定于滴斗外侧。当有液滴落下时，光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动，从而判定是否有液滴落下。总合分析，液滴的质量约005G，目前精度较高的压力传感器其灵敏度仅01G，故方案一目前无法检测。方案二将传感器置于液体中不可取。同时由于相邻两次液位差距很小，会引入较大的测量误差。方案四采用光纤传感器，测量精度较高，但是光纤传感器的成本较高。方案三成本低，电路简单，且不受可见光的干扰，稳定性好，测量相邻点滴下落时间间隔即可确定点滴速度。故选用方案三。14机械传动控制的分析与选用141机械传动控制的分析机械传动分析框图图15机械传动分析框图要达到控制输液流速的智能控制需要一些机械装置，如机械传动需要电机，控制装置要用特殊关断开关。142机械传动动力传动，电机必不可少，要达到精确的控制有舵机、步进电机。输液管机械传动控制流速信号驱动1舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。其工作原理是控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度为15MS的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。2步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制。对于控制输液点滴流速方面，考虑到稳定性和精确性，优先选用步进电机。143控制装置对改变输液点滴速度的控制装置。能手动设置点滴流速，范围0100滴每分钟，误差不差过2滴。此装置可以有多种方案，初期比较成熟的有三种方案一滑轮方案如图16,改变输液瓶的高度调节滴速。如图16方案二凸轮方案如图17，凸轮挤压输液管调节滴速。H1H2电动机滑轮点滴移动支架储液瓶受液瓶滴斗滴速夹如图17方案三拉绳索方案如图18，绳索拉紧或松调节滴速。如图18若是使用方案一，由于点滴的变化范围较大，导致导管的高低变化较大，不易操作、波动大且危险；方案二对电机的扭矩要求较高，步进电机不足以提供这样大的力矩；方案三考虑的因素较多，绳索的弹性、工作面的固定、操作繁琐等。综上所述，三个方案都没能达到精确性、操作简洁性、稳定性等。在多方查找资料中，我们发现一种医疗领域广泛使用的输液仪器输液泵。144输液泵1指状蠕动泵指状蠕动泵，又称线性蠕动泵，如图110为指状泵蠕动的结构示意图。它体积小，重量轻，定量准确，使用方便，输液管安装方便。这种泵有一根凸轮轴，凸轮轴上有多个一般为12个凸轮，这些凸轮的运动规律相差一定的角度，每个凸轮与一个“手指”即滑块相连。工作时，由步进电机带动凸滑轮转动，使滑块按一定顺序和运动规律上下往复运动，像波一样依次挤压输液管，使输液管中的液体以一定的速度定向流动。这种泵比较准确，容易控制。输液时不希望产生脉动，要求泵的线性度好。泵的线性度与“手指”的数目有关，当“手指”数目超过8个小时，就有很明显的线性度，脉动也明显减少。墙壁软管凸轮轴心胶布固定铁钉固定电机传动绳索如图19指状蠕动泵结构示意图2盘状蠕动泵盘状蠕动泵的结构示意图如图111，这种人蠕动泵具有圆弧内周面的泵壳，有一中心轮，中心轮的边缘呈轴对称分布安装着一定量的可转动挤压轮，输液管夹在挤压轮和泵壳的圆弧形内周面之间。工作时，步进电机带动其周围的挤压轮转动，中心轮像“太阳”，挤压轮像“地球”，挤压轮即绕中心线公转，又绕自己轴线自传。几个挤压轮沿着中心轮顺序挤压输液管，是液体以一定的方向流动。图110盘状蠕动泵的结构示意图这些医用输液泵可满足多种功能的需求，归纳起来，输液泵能够实现以下功能1可精确测量和控制输液速度。2可精确测定和控制输液量。3液流线性度好，不产生脉动。4能对气泡、空液、漏液、心率异常和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切断输液通路。5实现智能控制输液。在考虑实际的操作性和现有的材料上，最后选用指状蠕动泵。15显示模块的分析与选用显示器在仪器仪表、手持设备、电话系列、家用电器、运动耗材、医疗保健仪器等电子产品中得到了充分广泛的应用。同时对显示器的要求要显示清晰、直观、准确。此次设计的显示部分可有多种方法实现，可以用1液晶显示，可以用2数码显示，还可以用3荧光管显示。数码管液晶荧光管图111显示的种类但是考虑到此次设计的标准和可实现性。对于液晶显示器来说，费用相比较高，虽然实现与操作方便，但是考虑到费用，相比液晶显示器和荧光管显示器来说，数码管显示是比较理想的选择。第二章硬件系统设计21硬件的总体设计硬件的总体设计原理框图传感器检测信号整形单片机数码管显示数据处理报警按键/指示控制驱动电机输液泵图21硬件的总体设计原理框图自动点滴控制器以STC10F04XE单片机为核心，由数码管电路、传感器检测电路、报警电路、驱动电路等部分组成。传感器检测电路发出微弱的电信号，经过信号调理电路的放大整形处理，转变成单片机能够接收的电信号，通过单片机的定时计数控制，经过数据的计算处理送数码管显示模块显示，实时显示当前液滴数，可实现实时更新一次当前输液速度值。当液体点滴速度超过所设定的极限速度时或液位异常时，报警电路发出报警信号，提示医护人员目前的输液状况异常。当要改变当前点滴滴速时，使用按键控制单片机，单片机经过转化驱动步进电机，再由步进电机带动输液泵控制输液管流通液面的大小，从而改变点滴滴速的目的。自动点滴控制器的功能要求1、能手动设置点滴流速，范围0100滴每分钟，误差不差过2滴。2、能在药液不足时报警。自动点滴控制器的工作过程自动点滴控制器工作过程第一接通电源，发光二极管开始点亮第二液滴通过传感器，传感器工作，进行信号输出。第三信号进入单片机，单片机进行内部计数，同时存储。第四将计数后的结果送至数码管进行动态显示。第五可以预先设定输液速度的上限值与下限值，当前显示的输液速度高于上限值或低于下限值时或液面异常时，可以自动发出报警信号，提醒医护人员。第六改变当前低速时，使用按键选择控制功能，单片机接收信号驱动电机，电机带动输液泵从而控制滴速达到需要滴速。第七关闭电源，停止检测。自动点滴控制器的性能特点性能可靠、精确度高、性价比高、操作方便。22核心单片机硬件系统的设计本课题选用国产单片机，宏晶科技公司的STC10F04XE单片机。STC10F04XE单片机实物图图22STC10F04XE单片机实物图221STC10F04XE单片机的功能介绍STC10F04XE单片机引脚图，如下图图23STC10F04XE单片机引脚图STC10F04XE主要性能（1）高速1个时钟周期/机器周期/增强型8051内核、速度比普通8051快812倍；（2）宽电压5541V/37V,36V24V/21VSTC11/10L系列；（3）低功耗设计空闲模式可由任意一个中断唤醒；（4）低功耗设计掉电模式可由任意一个外部中断唤醒,可支持下降沿/低电平和远程唤醒,STC11XX系列还可通过内部专用掉电唤醒定时器唤醒；（5）工作频率035MHZ,相当于普通80510420MHZ；（6）时钟外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置；（7）1/2/3/4/5/6/8/16/32/52/62K字节片内FLASH程序存储器,擦写次数10万次以上；（8）1280/256字节片内RAM数据存储器；（9）芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上；（10）ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器；（11）2个16位定时器,兼容普通8051的定时器T0/T1；（12）1个独立波特率发生器故无需T2做波特率发生器；（13）可编程时钟输出功能,T0在P34输出时钟,T1在P35输出时钟,BRT在P10输出时钟；（14）硬件看门狗WDT；（15）全双工异步串行口UART,兼容普通8051,可作为2个串口串口可在P3与P1口之间自由切换；（16）先进的指令集结构,兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令；（17）通用I/O口36/40个,复位后为准双向口/弱上拉普通8051传统I/O口。222核心单片机的设计原理图单片机的时钟电路通过连接一个晶振和两个30PF的电容，便构成了单片机的时钟电路。如下图24CX130PFY图24单片机的时钟电路单片机的复位电路单片机的复位电路，是由一个10UF的电容和一个47K的电阻组成，如图25。因为单片机的第9引脚为复位功能引脚，当这个引脚连续两个以上机器周期（2US以上）的高电平时，这个单片机就会复位。电容充电的瞬间，是导通，在设个瞬间，电流通过电容器，然后想电阻方向放点，此时，电容的“”端就能有一个很高的电势，在高于3V的情况下，均可认为是高电平。而电容的充电是有时间的，当选择合适的电容，其充电时间大于2US，这时，复位的条件成立。通常会把单片机复位引脚的高电平时间控制得长点，通常达到MS级别。RUV图25单片机的复位电路单片机STC10F04XE的设计原理图，如图26XTAL1XTAL2RESP102345678RES9XTALCFPYUV图26单片机STC10F04XE的原理图23点滴检测模块的设计点滴检测，采用直射式对管光电传感器。231红外传感器电路设计传感器检测电路主要由红外发光二极管、红外接收三极管和一个LM393比较器组成。无液滴低落下时，接收管接收到的光强较强。有液滴低落下时，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。接收管两端电压和基准电压由LM393比较器比较后，接受管两端电压大于基准电压，比较器输出低电平，送至单片机进行处理，据此就可以正确地检测出液滴的滴落。实现原理框图如图27所示图27红外光电传感器原理框图232红外发光二极管红外发光二极管实物图如图28转换电路脉冲信号接收发射单片机红外发光二极管光敏三极管LM393图28红外发光二极管实物图表21红外发光二极管主要用于光电输入机及光电读出装置的光源，光电控制以及光电耦合的红外光源，采用环氧树脂全包封，表21列出了砷化镓红外发光二极管的主要性能参数，根据性能参数进行液体点滴速度检测电路设计。表21红外发光二极管参数HG313S参数数值HG313S参数数值最大功率75发射功率2最大正向电流（MA）50发光峰值波长940正向压降（V）15半峰宽度400正向电流（A）50结电容（PF）100反响耐压（V）5截止频率1下面介绍红外发光二极管的特性曲线，从而确定二极管正常工作时正向电压，发光波长，工作电流。图29为正向伏安特性曲线图表，图210为输出光功率随工作电流变化曲线图表。（1）正向伏安特性曲线如图29从正向伏安特性曲线可以看出，正向电压小于1V时，正向电流几乎不变化，等于零，当正向电压大于1V时，电流随着电压的增大显著变化。红外发光二极管正常工作时，正向电压大约为13V。图29正向伏安特性曲线图表（2）输出光功率随工作电流变化曲线如图210所示为红外发光二极管的发光功率与工作电流变化曲线图表，横坐标为二极管的工作电流，纵坐标为发光功率，由曲线图表可以看出发光功率与工作电流成正比。因此在正常工作的条件，应该尽量减小工作电流，从而减小了红外发光二极管的发射功率的消耗。图210输出光功率随工作电流变化曲线233光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管实物图，如图211图211光敏三极管实物图光敏三极管的特性曲线，如图212照度特性曲线波长特性图212光敏三极管的特性曲线234LM393比较器的参数LM393是双电压比较器集成电路。图213为内部结构图，该电路的特点如下工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源236V，双电源118V消耗电流小，ICC08MA；输入失调电压小，VIO2MV；共模输入电压范围宽，VIC0VCC15V；输出与TTL,DTL,MOS,CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或“门；采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微型的双列8脚塑料封装（SOP8）；图213LM393比较器内部结构图点滴检测模块原理图，如图214LED0RP1K23M9VCQ4图214点滴检测模块原理图24机械传动控制的设计单片机驱动步进电机带动指状蠕动泵精确控制输液管的通过孔径大小，从而达到控制点滴滴速的快慢,步进电机与指状蠕动泵的机械连接很重要。结构框图，如图215图215结构框图241步进电机驱动模块电路设计本系统中使用步进电机驱动指状蠕动泵控制输液管，以控制点滴速度。步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统。要使步进电动机输出足够的转矩以驱动负载工作，必须对控制信号进行放大，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路或功放电路。由于单片机带负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在单片机和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。驱动电路是步进电动机应用的关键，是影响其性能发挥和可靠运行的一个最重要因素。103H52090741步进电机实物图，如图216步进电机机械连接指状蠕动泵图216103H52090741步进电机实物图常见的步进电动机驱动电路有三种（1）双电源驱动电路2斩波限流驱动电路3单电源驱动电路，其中单电源驱动电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率底，出力小，主要用于对速度要求不高的小型步进电机的驱动。虽然像斩波限流驱动电路比较的常用，性能也比较好，但基于实际应用和成本等的考虑，我们选用单电源驱动电路就可以了。接入负载时，通过图腾柱结构输出没有NUL2803稳定。NUL2803的驱动能力要比图腾柱结构驱动能力强。故本系统中使用NUL2803集成芯片作为步进电机的驱动。同时，选用了带负载能力大的感应子式永磁型步进电机，型号为57BYG。本系统中使用的步进电机所需要的脉冲电压幅度是12V，电流幅度是06A，绕组阻抗是20，力矩为9CMKG，力臂57MM，能够满足要求。通过集成芯片NUL2803可以直接驱动步进电机。步进马达依定子线圈的相数不同可分成二相、四相及五相式，小型步进马达以二相式较为普遍。在本系统中，蠕动泵使用的就是二相式步进电机。单极性型UNIPOLAR定子磁极极性为同一方向，如可变磁阻式步进马达，磁极线圈只有一组，所加的激磁电流为固定方向，因此单极性步进马达所需的电源较简单。单极性驱动电路使用四只晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如右图所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。在本系统中，结合实验数据得出步进电机每旋转360，为蠕动泵一个周期，滴下3个水滴。步进电机步距角为18，为提高精度，在此我们使用四相八拍脉冲信号驱动电机工作。此时一个脉冲周期为72，即经过50个脉冲周期即可旋转一周。步激磁此种激磁方式又称12相激磁，激磁一相线圈和二相线圈交互进行，每加入一数字脉波所转动之角度为原步进角的一半，因此分辨率可提高一倍，且运转时相当平滑，故与2相激磁方式同受广泛使用。下图为二相步进马达采用12相激磁方式之时序图，由图中可知，若依照AABBBAAABBBAAAB相的顺序激磁，则步进马达将以顺时针方向旋转；但如果依照BAAABBBAAABBBA相顺序激磁，则马达逆时针方向旋转。图217结构图图218步进电机驱动脉冲步进电机驱动模块电路原理图1234567809RXESPACK_VULNGDC图219步进电机驱动电路242指状蠕动泵设计由于材料和工具有限，这次指状蠕动泵使用市场上二手废弃的。经过小组人员的精心维修和设计也达到了课题要求。指状蠕动泵实物图如下图220实物图与原理图对比243机械传动控制实物图机械传动控制实物图，如图221步进电机机械连接指状蠕动泵图221机械传动控制实物图25实时显示模块的设计此次设计的显示部分可有多种方法实现，可以用液晶显示，可以用数码显示，还可以用荧光管显示。但是考虑到此次设计的标准何和可实现性。对于液晶显示器来说，费用相比较高，虽然实现与操作方便，但是考虑到费用，相比液晶显示器和荧光管显示器来说，数码管显示是比较理想的选择。251数码管的选用与特性分析数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极COM的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。在此次设计中，使用的是共阴极七段数码管。是因为计数的值全位整数，没有小数。点亮LED显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通和截至，这种方式，每一位显示都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，一般仅用于显示器位数较少的场合。所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示位的亮度既跟导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。动态显示器因其硬件成本较低，多数显示时常常采用。下图为七段数码管内部结构与引脚图图222七段数码管内部结构与引脚图数码管使用条件（1）段及小数点上加限流电阻；（2）使用电压段根据发光颜色决定；小数点根据发光颜色决定；（3）使用电流静态总电流80MA（每段10MA）；动态平均电流45MA峰值电流100MA。上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的。252数码管设计原理图本次显示模块,要求点滴速度显示三位,床位号一位,因此有四个数码管,由于核心单片机STC10F04XE可以直接驱动数码管,所以不需要外接三极管。实物图如图223，设计原理图如图224图223实物图设计原理图如图224图224四位数码管原理图26周围电路的设计261电源电路步进电机驱动需要12V电压，单片机电源5V,所以220V电压经变压器降压后输出12V电压，经7805输出稳定5V电压。再加点滤波电容，整个电源电路原理图如下C71045UF62D3VINOTGN8P图225电源电路原理图262按键、指示电路根据课题要求、实际电路设计和软件设计，总共设计四个按键，（1）功能选择（2）加（3）减（4）电机运行。设计原理图如下RLS图226按键、指示电路263报警电路报警可以采用喇叭或蜂鸣器，考虑到实际用和电路设计本课题选用蜂鸣器。KBELQ9图227报警电路27印制电路板的设计与制作印制电路板（简称PCB）是一种互联工艺技术，它是在有机材料制成的基板上敷上铜箔，所有元器件通过焊接技术，经铜箔将电路按要求连接起来，形成电子产品。现代印制技术、化学工艺、精密机械加工、光学技术、CAD技术及新材料等各种技术的不断提高与发展，使印制电路工艺技术朝着细线条、高密度、高精度、高可靠性方向发展。271元器件封装的基本知识所谓元器件封装，是只元器件接到电路板上时，在电路板上所显示的外形和焊点位置的关系。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片内部和外部沟通的桥梁。不同的元器件可以有相同的封装，相同的元器件也可以有不同的封装。因此在进行印制电路板设计时，不但要知道元器件的名称、型号、还要知道元器件的封装。通用的封装有直插式封装和表贴式封装，直插式封装是指将元器件的引脚插过焊盘导孔，然后再进行焊接，而表贴式封装是指元器件的引脚与电路板仅限于电路板表层的焊盘。272印制电路板设计通过计算机辅助设计软件（CAD），电路绘制PCB电路板使用PROTEL2004绘图软件，设计绘图中主要应考虑元器件的布局和印制电路的布线排版，将设计思路在电路图上加以实现，并通过计算机输出设计结果。273PCB板设计流程PROTEL绘图流程图新建PCB项目新建PCB文件定义元件的封装PCB图纸的基本设置生成网表和加载网表元件布局布线规则设置手动布线生成报表文件并将文件打印输出电路板制板流程图曝光显影腐蚀钻孔图228PCB板设计流程274主电路的PCB板原理图C71045UF62LEDRPK3VINOTGN89OMECRTUIAXSPYBLQSAX_H位BDFGHPCB图输入线电源线公共地线布置在印制电路板的最边缘，便于地线与机架连接。频率越高，地线越宽，以减小地阻抗。此设计中地线线宽为50MIL滤波线电源、滤波、控制等低频导线和直流导线应靠近边缘布置。输入线与电源线的距离应大于1MM。布线时应按信号顺序进行排列，输入与输出线应尽可能远离，并采用地线隔开。本设计中，使用的导线规则分别是地线50MIL电源线40MIL；信号线30MIL。再经过打印成菲林纸，经曝光，制版后如下图焊接上元器件后图下28总体组装设计所有的模块和零部件通过一定的结构组织成一台整机，以便调试才可能有效地实现产品的功能。本次课题的自动点滴控制器，是一个电子产品，所以不仅要有良好的电气性能，还要有可靠的总体结构和牢固的产品外壳整机，才能经受各种环境因素的考验，长期安全地使用。因此从整体产品的角度来说，对电子产品的一般要求是操作安全、使用方便、造型美观、结构轻巧、容易维修与互换。合格产品外观整机工艺设计应该达到如下目的1实现原设计的各项功能，达到各项技术指标；（2）在允许的环境条件下，保证产品运行的可靠性；（3）批量生产中装配简单、互换性强、调试维修方便；（4）成本低，性能价格比高。281整机设计把所有的设计模块整合装在一个整机里。如图229图229整合图282整机结构的方案选择整机的选择和组成模块、零部件的体积与数量，决定了机箱结构的方案选择。就电子整机产品来说，常见的机柜、机箱形式一般有立式、台式、壁挂式和便捷式几种。（1）立式机箱立式机箱常见有立柜式和琴柜式两种，这两种机箱均适用于体积、外形较大的设备。（2）台式机箱现在大量电子产品采用台式机箱的结构，如各种电子仪器、实验设备、台式计算机等。这种电子产品适合于放置在工作台上操作。（3）壁挂式机箱壁挂式机箱与台式机箱相似，通常也是长方形六面体的形式，适合安装在垂直的平面上。这种机箱有两种安装方式，悬挂式和支架式。（4）便捷式机箱便捷式机箱适用于那些元器件数量少或体积小巧、需要经常移动的电子产品。综合所述，由于自动点滴控制器，体积小，模块少，不需要经常移动，又应用于医疗领域的静脉输液（垂直放）。立式机箱太大，台式机箱位置不对，便捷式机箱太小更不需要经常移动，所以最佳选择方案壁挂式机箱中的支架式。支架式安装方式，是将支架固定在垂直的平面上，然后将机箱固定在支架上。支架有多种形式，最常用的是三角形支架。支架式安装与台式机箱的放置形式相似，但在机箱与机箱与支架间应加装固定螺栓等固定零件。优点不占用地面空间，特别适合安装在狭小的空间里。支架式机箱安装图整机传感器步进电机电路板指状蠕动泵电源、开关数码管显示图215支架式机箱安装图283机箱的设计整个机箱的合理设计需要充分考虑各模块的布局，使之机箱体积小，易维修拆卸，美观。机箱设计平面图图216机箱设计平面图（1）传感器红外对管必须固定在一个装置上。由于外界光线会对红外对管产生影响，所以该装置必须尽量减少外界因素（如阳光）对红外对管的影响。所以采用一个不透光的空心管，上下两面没有，壁管有条开口长缝以便输液管穿过。如下图机箱立式支架机箱外壳步进电机和指状蠕动泵传感器电路板开关变压器控制面板（2）步进电机和指状蠕动泵步进电机和指状蠕动泵机械式的连接在一起。实物图如下（3）控制面板有显示，指示，控制的装置。所以要美观而且要能达到要求实物图如下红外对管传感器不透光的空心管步进电机指状蠕动泵开口长缝（4）周围器件有电源开关，串行接口，电源线等。实物图如下（5）内部连接各个模块连接，为了美观，便于维修拆卸，都采用即插件来连接,保证其机械连接。实物图如下（6）机箱外观充分考虑各个因素后，整个机箱设计实物图如下数码管显示指示灯按键控制串行接口电源开关电源线第三章软件系统设计31系统软件组成311系统框图312程序流程图开始特殊寄存器配置，变量初始化。按键扫描及相关数据设置。定时器1用来更新、驱动数码管示。外部中断0用来检测滴速定时器0用来驱动步进电机独立波特率发生器串口通信32各个模块分析及程序驱动需要程序的模块包括红外信号检测及步进电机蠕动泵驱动。321红外信号分析及检测红外信号为比较器LM393输出，是低电平脉冲信号。波形如下图所示脉宽约为18MS，周期为两滴之间的间隙时间。如60滴/分时，周期为1S。通过采集几个相邻间隔脉冲信号周期IT，平均得到相邻间隔脉冲信号的周期T，这样就可以得到点滴速度TV60。检测到正常波形时脉冲宽度是18MS，若软件采集脉冲波形下降沿，则检测到异常波形时，软件在18MS时间内只默认采集了一个下降沿，即将另一个上升沿屏蔽掉，这样软件就能将异常波形转换成正常波形进行处理。322蠕动泵步进电机驱动步进马达依定子线圈的相数