【基于AT89S52的智能点滴监控系统设计9700字（论文）】

引言1.1研究目的基于AT89S52的智能点滴监控系统这款设计能够在患者静脉输液时，起到智能监控、实时显示并报警的作用，缓解医疗和人力资源紧张的压力，能够实现患者独自输液并保证患者安全的目的。因此，结合全世界的临床实践经验，我们开发了一套基于AT89S52的医院输液监控系统，这不仅能够取代传统的人工监控，还能减轻医护人员的工作强度，除此还能减轻患者和医护人员不断观察输液是否完成造成的焦虑和压力[1]。该设计如果能大量投入到实际生活中，相信能够获得很多便利和支持，因为系统操作起来易上手、简洁明了。1.2研究现状当今时代的科技发展的非常迅速，各行各业都要紧跟科技的发展脚步，以免落后被淘汰。在现代社会中许多智能系统代替传统的人工操作，科技的发展不仅体现在工业生产中，在医疗设备领域方面也发生着一场悄无声息的信息化科技改革。我国是世界上人口最多的国家，医疗资源的需求也现对于其他国家来讲也更大一些，与此同时因为各种环境因素、人们不规律的饮食作息习惯更加导致我国的医疗消费人数的递增。目前，这款系统的检测方式在经过科学家们日积月累的不断研究和改进过程中，一共经历了这几个阶段有机械式检测、电容式检测、电极式检测、红外光电式检测等方式。近几年最常见应用最广的就是红外光电式，它是依靠液体经过两侧的发射端和接收端时，传感器感受光线的强弱变化，将光信号转化成电信号，再由后续工作单元进行处理。其他方式因为所选择的元器件成本或其性能上的差异，不能在日常生活中大量使用而被放弃。1.3研究内容智能点滴系统能够自动监控患者输液的情况，在输液结束时自动报警呼叫，医护人员能及时赶到换下一瓶药水或者拔管。这款设计能够让患者一个人输液时也能保证安全，减轻家属和护士的负担，让他们有更多时间做自己工作。本设计是基于AT89S52的智能点滴监控系统的设计，该款系统的设计是很多技术结合起来才能实现对输液的智能监控，才能够做到对输液挂水的整个过程进行实时监控，技术包括了单片机原理及控制技术、28BYJ-48步进电机控制技术、光电传感器检测技术等[2]。1.4任务要求本文设计出来的系统应该要效果稳定，并且具有自动监控的功能，灵敏度还要很高，对液体的检测误差要保证在很小的范围内。当病人开始输液时，该系统开始工作监控，一旦在这个过程中液体在设定时间内没有通过检测装置或者输液完毕后，系统报警系统开始报警警示医护人员，有情况需要及时来处理。医护人员到来之后按下复位键，警报解除，可重新根据需要进行设定以便投入下一轮的使用。2设计方案2.1系统的总设计方案设计智能点滴监控系统的流程：a.根据所需要的原理图，设计大体框架构成，熟悉并合理运用老师讲过以及自己课外补充学习的理论，如单片机控制原理技术、C语言程序的编写、LCD1602显示屏的使用方法、各种元器件工作原理及使用、Protel的使用等；b.对硬件电路进行具体构思和设计，结合单片机控制技术、LCD1602显示屏、报警呼叫电路，运用Protel画出电路原理图；c.对软件电路进行清晰构思和设计，不可或缺的主函数，不仅如此还需要初始化设计和延时的设计，再加上液晶显示的功能。2.2方案论证2.2.1单片机芯片选择方案一：采用单片机型号为AT89S52单片机芯片作为系统的主控制器。AT89S52单片机芯片是一种为CMOS8位微型控制器，该芯片同时包含Flash闪存其容量为8k。因为AT89S52这款单片机采用Atmel拥有的非易失性存储器的制作方法，并且同生产上的80C51单片机的指令代码以及管脚能够完好相容[3]。方案二：采用一款型号为MSP430的来自美国德州仪器（TI）公司生产的单片机。这款MSP430不仅是一款混合信号处理器，还是一款功耗非常低的16位单片机，它主要的作用是针对实际要求的不同来应用到生产生活中，也就是可以把需要用到各种数字电路、模拟电路，以及在不同设计系统中实际需要的各种微处理器都一起集成在同一块芯片上面，我们可以用这个结合体来提供“单片”混合信号处理的解决方法。然而因为它的成本太高，不合适大面积推广使用所以排除该方案[4]。综上所述，选择方案一。2.2.2声音报警电路选择方案一：我们可以选择语音集成芯片型号是ISD4004来作为我们设计中的声音报警系统。但是因为语音集成ISD4004驱动电路必须使用扩充喇叭来驱动，不仅因为驱动麻烦的原因，还有一个因素是该集成芯片自身控制起来比较麻烦，电路因此也显得比较复杂还不太稳定，不适合初学者使用。综合上述这几点因素，我们选择放弃这个方案。方案二：如果使用蜂鸣器来作为报警电路，它不仅电路比较简单，而且还具有性能可靠、稳定等优点，在生活中也能大量推广使用，因为成本低，所以选择方案二。2.2.3点滴检测的选择方案一：选择光敏三极管传感器和可见光发光二极管搭配使用来检测点滴速度。光敏二极管工作的时候有一个致命的缺点，就是会对外界的光线强弱变化很敏感，外界光线的一点点改变，就会导致它的工作出现误差，因此在液体检测的时候要保持外界光线的稳定，否则就会出现对液滴的判断检测发生错误，而这是一个比较困难麻烦的任务要求。如果采用超高强度的发光二极管代替普通的发光二极管，倒是可以减少干扰因素，但因此带来的功率损失也很大。方案二：选择脉冲调制的红外对射传感器作为本次的点滴检测。这款红外发射管的调制信号也是占空比很小的，其中的瞬间电流值很很快升高并达到最大，并且平均电流能够决定它的最大工作电流，因为这些因素才能够大幅度的提高信号的噪声比，还随着被提高的是系统的抗干扰能力[5]。基于上述的分析，综合各方面因素选择方案二来设计本次设计。2.2.4测速模块的选择方案一：采用霍尔传感器来测速。特别的磁传感器是霍尔传感器区别于其他传感器的特殊之处，因此我们可以用它来检查在实验中磁场的出现情况以及磁场的变化情况，还可运用在各种与磁场相关设计场合中[6]。但是因为它的固定方式繁琐复杂，不适合本次设计。方案二：选择光电测速模块进行测速。光电传感器对比其他几个传感器来说有一个显著的优点，就是它安装起来十分的简单，不需要太复杂的过程，只需要在转动的那个物体上粘贴上反光纸，再简单固定一下或者用手拿着传感器也可以使用。故选择方案二。2.2.5电机驱动模块的选择方案一：功率放大器的直流电机的输出控制可以用功率三极管来控制。这款三极管的电路结构以及原理对比其他三极管更加的简洁不复杂，是因为它是线性型驱动的。生产成本也相对其他三极管也更低，并且还拥有加速能力强的优点；这些优点也带来其他影响，在使用过程中功率损耗也大，特别是在较低的速度下进行大转距运行这种情况时，电流在经过电阻R时过大，就会容易发热发烫，因此不利于系统长时间运行。方案二：采用ULN2003。ULN2003能够适应于各类设计要求的高速度、大功率驱动的系统，其优点在于有增益大的电流、工作电压大、温度的范围较宽、带负载能力也很强等特点，是一款既是大电压又是高电流的达林顿晶体管阵列系列产品[7]。故选择方案二。3系统硬件设计3.1AltiumDesigner介绍AltiumDesigner软件为电子产品开发系统，具有FPGA开发、SOPC开发等功能，可以实现各项电路设计的操作，还支持多项设计的整合，例如PCB、FPGA及嵌入式开发等。除此之外，AltiumDesigner还可以支持传统的电路设计功能，像印刷电路板设计和原理图设计等都是可以的[8]。打开AltiumDesigner的工作界面是经典Windows系统界面，界面如图3-1所示。图3-1AltiumDesigner软件使用界面3.2AT89S52单片机核心系统电路设计AT89S52单片机芯片是一种为CMOS8位微型控制器，该芯片同时包含Flash闪存其容量为8k。因为AT89S52这款单片机采用Atmel拥有的非易失性存储器的制作方法，并且同生产上的80C51单片机的指令代码以及管脚能够完好相容[9]。AT89S52具有在线可编程闪存和能够处理8位二进制信息的敏感CPU，为许多嵌入式控制应用系统提供了灵活度非常高、效率也非常好的处理问题的办法。单片机的最小原理图如下面的图片3-2所示。图3-2单片机最小系统AT89S52单片机芯片如下图3-3所示。图3-3AT89S52单片机实物图一、AT89S52单片机主要特性如下：a.与MCS-51单片机产品兼容；b.8k字节可编程Flash存储器；c.1000次擦写周期；d.三级加密程序存储器；e.32个可编程I/O口线；f.全静态操作：0Hz~33MHz。二、AT89S52引脚介绍VCC：供电电压；GND：接地；P0口：8位漏极开路的双向I/O口；P1口：能驱动4个TTL逻辑电平；P2口：拥有能驱动4个TTL逻辑电平的P2输出缓冲器，以及8位双向I/O端口；P3口：能够使4个逻辑电平TTL动起来的输出缓冲器P3，同样有内部上拉电阻的8位双向I/O端口；ALE/PROG：能够访问外部只读存储器或者只读存储器时，ALE一种能够区分地址和数据的芯片，输出脉冲用来锁存地址的低8位字节；PSEN：外部只读存储器的能读取数据的选通信号；EA/VPP：外部允许访问地址为0000H-FFFFH的只读程序存储器控制信号[10]。单片机引脚图如下3-4所示：图3-5单片机引脚图3.35V电源电路设计本文设计的系统中为整个系统的供电电源可以选择电压为5V的直流电源，电源电路简单而稳定。DC为无线电源的DC插座，可直接与USB电源电线相连，一段插在5V的直流电源上，而另外一端可以接在DC插座上。选择颜色鲜艳的红色LED灯，它的主要作用是用来判断系统是不是有点的指示灯，1K的电阻在电路中用来保护LED灯，起到对LED灯限流的作用，以防止控制系统电路中的电流流过的时候电流过大从而烧坏我们的LED灯。SW是一个自锁启动开关，当启动器按下后，红色的LED灯亮起，此时整个控制系统电源为5V直流输出。启动器再次按下后，红色LED灯不亮了，无5V电源输出系统。系统中5V电源电路原理图如图3-5所示。图3-55V电源电路原理图3.428BYJ-48步进电机驱动电路步进电机是一种将电脉冲信号转化成物体转动时位置变化的物理量——角位移，或物体位置改变量的一个物理量——线位移的执行机构。用容易理解的话来解释就是：当我们的步进驱动器接受到了一个数字控制信号，这个脉冲信号就会按照规定来驱动步进电机按照我们在原先就设定好的方向旋转一个不改变的角度（即步进角）。要想实现预想中正确而不出错定位的目的，就可以通过控制脉冲个数来掌握住角位移量；要想实现达到目标中调整速度的目的，就要通过控制脉冲频率从而来更好地掌握住步进电机转动的速度以及它的加速度[11]。虽然在我们目前的日常生活中运用到步进电机的地方已经十分的多了，但是因为步进电机需要特定在电路组成下工作，即双星双全步进驱动和功率驱动电路等搭配起来的控制系统电路，所以不能在常规情况下使用。在本文设计系统中选择的是4相5线的5V步进电机，型号是28BYJ-48。其具体参数如下表3-1所示。表3-128BYJ-48参数直径28mm电压5V步进角度5.625×1/64减速比1/64选择ULN2003来驱动步进电机是因为单片机的驱动能力比较弱。而ULN2003是一款能够承受高电压、大电流的复合固定半导体器件阵列，ULN2003由七个硅NPN复合晶体管组成的，它的每一对达林顿都串联一个2.7k的基极电阻，它可以在与TTL和CMOS电路在5V的工作电压直接相连，还能直接处理原来需要用标准逻辑缓冲器才能处理的数据。步进电机驱动原理图如下图3-6所示。图3-6步进电机驱动原理图步进电机实物图如3-7所示图3-7步进电机实物图3.5CXGO光电槽型光耦传感器模块电路设计 在这次设计中使用的光电槽型传感器是基于红外对管模块的红外传感器。这款传感器对环境的光照强度有很好的适应性，并且还具有一对红外发射管和接收管，发射一定频率的红外线，一旦探测方向遇到阻挡的物体时，接收管就会接受反射红外线，经过比较器电路的处理之后，指示灯就由熄灭状态变成亮起，在此信号输出接口会输出数字信号（低电平）。该传感器主要用于电机转速检测、脉冲计数、位置限位等领域。光电槽型光耦传感器模块参数以及接口说明如下图3-8所示：图3-8参数及接口图光电槽型光耦模块内部电路图中，在电路中起到分压作用作为分压器的是我们的电阻R1，比较器LM393接收到的模拟量——模拟电压信号，该信号是传感器探测到的障碍物以后反馈的信息转化而成的。DO数字信号（高低电平信号）需要通过与分压电阻分压后的模拟电压进行比较，分压电阻还指的是与LM393芯片2号引脚所接的那一个才行。滤波电容C1的作用是为了让输出的电源更加的稳定，因此需要对电源进行滤波的处理；滤波电容C2为了确保模拟信号能够在输出的过程中保持稳定，会对模拟信号进行滤波处理。电路图中的LED灯是低电平有效的，为了保护在电路运行中LED灯不会因为过大的电流而烧坏，R2、R3这两个限流电阻就能发挥它们的作用了。同样起限流作用的还有我们的电阻R7，是保护红外发射头不会在这个过程中被烧坏。上拉电阻不仅能够发挥限流的作用，还可以通过上拉把一个不能够确定的信号用一个电阻钳将其拉高在高电平，图中R4就是上拉电阻。光电槽型光耦模块内部电路如图3-9所示。图3-9光电槽型光耦模块内部电路图光电槽型光耦模块接口原理图如下3-10所示。图3-10光电槽型光耦模块接口原理图图光电槽型光耦模块实物图图如下3-11所示。图3-11光电槽型光耦模块接口原理图图3.6LCD1602液晶显示模块电路设计 LCD1602是2×16字符型液晶显示模块，可以显示两行，每行16个字符，采用5×7点阵显示，工作电压是4.5~5.5V，工作电流是2.0mA，其控制器采用HD44780液晶芯片（市面上字符液晶显示器的控制器绝大多数都是基于HD44780液晶芯片，它们的控制原理是完全相同的）。LCD1602可采用标准的14引脚接口或16引脚接口，多出来的两条引脚是背光源正极BLA（15脚）和背光源负极BLK（16脚）[12]。LCD1602各个引脚如下表3-2所示。表3-2引脚接口注释编号符号引脚说明编号引脚说明1VSS电源地9数据2VDD电源正极10数据3VL液晶显示偏压11数据4RS数据/命令选择12数据5R/W读/写选择13数据6E使能信号14数据7D0数据15背光源正极8D1数据16背光源正极第3脚：VEE,液晶显示对比度调整输入端；第4脚：RS，数据/命令选择端，高电平则选择数据寄存器，低电平则是指令寄存器；第5脚：R/W，读写选择端，高电平进行读操作，低电平则进行写操作；第6脚：E，使能端，当E为高电平时，读取液晶模块的信息，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块可执行写操作。LCD1602液晶模块内部的控制器一共有11条控制指令，如下表3-3所示。表3-3控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存存储器地址000字符发生存储器地址8置数据存储器地址001显示数据存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写读到CGRA或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容本文设计的系统中用来输出信息的显示器采用的是LCD1602液晶显示屏，液晶显示屏的对比度也就是我们常说的清晰度可以通过电位器来调节。其电路原理图如下图3-12所示。图3-12LCD1602液晶显示电路原理图LCD1602实物图如下图3-13所示。图3-13LCD1602实物图3.7按键电路设计 一种类似于电子开关的轻触按键是按键产品下属的一种分类产品，该产品的断开和连接十分简单，只需要我们轻轻按下按键或松开按键即可，其工作原理是利用按键内部的金属弹片受力情况来判断是否有按动开关，从而来控制断开和相连。作为系统输入的按键是将系统和用户之间的交互关系联系起来的中心环节。轻触按键的单片机控制引脚默认状态是高电平有效，当摁下按键以后，单片机的对应引脚则变为低电平，从而实现对系统的手动输入。按键电路原理图如图3-14所示。图3-14按键电路原理图3.8蜂鸣器报警电路设计（低电平有效）在该系统选择电压为5V的有源蜂鸣器作为整个系统的报警模块。电路中的三极管9012是低电平导通，，因此我们可以控制单片机引脚方波的输出模式，让单片机的控制引脚处于低电平状态时，蜂鸣器就开始呼叫报警，相反则不发生报警呼叫；在蜂鸣器报警电路中能够起到保护整个电路的作用是限流电阻R3。蜂鸣器报警电路原理图如图3-15所示。图3-15蜂鸣器报警电路原理图基于现在的社会状况，设计并实现这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[15]。4系统软件设计 4.1主函数程序设计 本系统的总体结构图具体框图如图4-1所示。图4-1系统原理框图在本次设计的系统中主要使用KeiluVision4软件来编写程序源代码和调试程序，编程语言则是用C语言，因为C语言的易读性和移植性更高。主程序流程如图4-2所示。图4-2主程序流程图4.2KeiluVision4软件开发流程第一步，需要建立一个新的“Project”工程，点击KeiluVision4界面上的菜单选项中的“Project”，选择“NewuVisionProject”，为建立的新工程命名后在保存；第二步，选择个人需要的单片机芯片的型号，本文使用的单片机型号是AT89S52，选好了就完成了新工程的建立；第三步，当工程建立好了，再点击“SourceGroup”,就可往里面添加.c文件，最后点击Add就能进行编译建立的新文件，我们也可以把常用的.c文件复制到建立的“Project”目录下。具体开发流程图如下图4-3所示。图4-3软件开发流程图流程图4.3延时子程序设计延迟子程序有助于调取其他的程序，并预防程序中会出现的繁杂和琐碎，让程序在运行中更加简洁不易出错。程序如下所示：#include"delay.h"voidDelayUs2x(unsignedchart){while(--t);}voidDelayMs(unsignedchart){while(t--){//大致延时1mSDelayUs2x(245); DelayUs2x(245);}}4.4PL2303串口程序烧写模块介绍 本文中设计的系统是通过PL2303串口烧写模块来实现对单片机程序的烧写。PL2303串口烧写模块使用USB接口，对笔记本电脑用户需要单片机烧写程序时使用起来很是方便，这块下载器价格低廉、性能还高。是开发单片机的首选优秀工具。一、PL2303串口烧写模块的特点：（1）支持USB1.1或USB2.0通信；（2）全面支持WIN98、WINME、WIN2000、WINXP、VISTA、WIN7等操作系统；（3）采用USB供电；（4）为了保证能够正常编程，目标板的电流应该小于等于500mA，除此之外还要使用木匾系统本身的电源，或者可以使用编程器从USB口取电供给目标板；（5）编程完成不影响目标板的程序运行；（6）编程器提供3.3V与5V的电压输出接口。模块如下图如图4-4所示。图4-4PL2303串口烧写模块二、PL2303串口烧写模块引脚说明（1）+5V输出，假设电路板有外接5V供电，那么此引脚可不接；（2）GND接GND；（3）RXD接单片机的RXD引脚；（4）TXD接单片机的TXD引脚；（5）3.3V输出。三、PL2303串口烧写模块与单片机的具体接线图如图4-5所示。图4-5PL2303串口烧写模块与单片机接线图5系统特性的测试5.1系统实物图本文中设计系统的实物如图5-1所示。图5-1病床呼叫系统实物图5.2软件调试通过对应用软件的汇编、连接、运行从而来找出程序中的错误是软件调试的基本任务，然后再及时更正。一般来说软件调试都有两种方法：第一种，先独立调试，后联机调试；第二种，先单步调试，再运行调试[13]。软件调试具体步骤如下：一、打开Keil4软件创建一个工程：单击菜单栏中“工程”，输入我们需要建立的工程名“基于AT89S52的智能点滴监控系统的设计”，并保存；接在选择器件时是在“Ateml”目录下的“AT89S52”。二、新建用户源文件：在我们新建的空白文本中写程序的源代码，代码写完要及时保存文件并将文件名更为“基于AT89S52的智能点滴监控系统的设计.c”，即新文件建立完成了。三、程序源代码的编译和调试：单机页面上的编译按钮，软件会对文件进行运行编译，我们可以在输出窗口看到软件对文件反馈回来的信息，假设窗口信息中有显示error，则是代码编写有误，我们需要按照提示更改我们的源代码，直到所有代码运行完毕不出现错误提示，才表示编译完成。如下图5-2所示。图5-2信息无错误5.3硬件调试硬件测试的目的是为了在设计系统的时候能更好的发现在设计过程中可能存在的问题，只有及时发现的问题，才能更好地解决问题，才可能使我们的设计更加的完美。而且硬件测试有一定的针对性，这样才能在测试的时候直接针对的给出有问题的部分[14]。一、静态调试。（1）肉眼观察。主要的检查点就是看焊接的点是否饱满没有空隙，以及各个器件之间是否焊接好，避免出现短路的现象。（2）运用万用表调试。第一步查看电源是否短路，第二步检查测量管脚有没有连接对，是否出现因粗心而出现的接线错误。（3）上电检查。在完成前面步骤完成没有出现问题错误，接下来就可以上电了，上电之后仔细观察每个元器件都有没有正常工作，在一一检查测试功能。二、动态调试。动态调试是所有工作的最后一步，前提是静态测试没有任何问题。主要看每个元器件能否正常工作，是否按设计的要求实现各个功能，防止器件内部损坏，影响系统的整体性能。5.4系统测试如图5-3所示，将插头接入电路板下方的供电插孔，轻按下开机键，LCD上显示系统启动界面，屏幕上会显示各个数据。图5-3系统启动界面屏幕最上面一排Z250表示这个设计中液体容量最大是250ml，S249表示剩余容量。当按下最下排第一个按钮，S在第二排第一个数字时，我们可以根据实际需要调整液体容量，设置本次实验容量50ml，第二三按钮一个是加一个为减，再按下按钮表示确认。如图5-4所示。图5-4容量设置图相同的方法，S在下排第二个数字我们设置本次输液的速度为20，并确认。如图5-5所示。图5-5速度设置图开始模拟点滴滴落，当用细铁丝模拟点滴下落，铁丝经过红外对管时，被检测到有液体下落，剩余容量实现显示出现减少到9ml，当前下落速度是60。如图5-6所示。图5-6演示图当容量显示为0时表示挂水结束，系统开始报警鸣叫。如图5-7所示。实验测试表明，呼叫准确，接收及时，警报声大，能实现相应的功能。图5-7报警呼叫图当医护人员听到呼叫并赶到病人身边后，按下上面单独的复位按钮，报警结束，恢复到开始之前的画面，即又可以开始下一轮的检测。如图5-8所示。图5-8系统复位图5.5系统的不足和改进这次设计的系统也存在着一些不足的地方，有些时候检测可能不会那么准确，比如刚上电的时候因为一些细微的原因，本该剩余容量和总容量相同，但是因为检测到其他无关脉冲剩余容量跟总容量差了1，不过误差不大就可以忽略掉这个问题。还有按键有时候不是那么的灵敏，设置数值时偶尔会出现从2直接跨到4，需要慢慢的一个一个的按，才不会出现空数字的情况。再回过头来看本次的设计，还是很完善的，我们要求的功能也一一实现了，系统操作起来也很简单易上手。但是因为本人知识浅薄，动手能力也有一些差，不能将这个系统做到最好，做到精确实时监测的目的，不存在检测误差。在本次设计中运用的元器件也都比较日常，价格方面也合理，因此这款设计适用于在生活中大量使用。在