1、1 基于單片機的液體點滴速度監控裝置的設計基于單片機的液體點滴速度監控裝置的設計 t th he e d de ev vi ic ce e o of f d de et te ec ct t o of f l li iq qu ui id d d dr ro op pp pi in ng gs s s sp pe ee ed d （院系：信息技術學院（院系：信息技術學院. .專業：電子信息科學與技術專業）專業：電子信息科學與技術專業） 摘要：摘要：該系統是以單片機 89c52 為核心，采用了步進電機控制裝置、紅外光電傳感滴速檢 測裝置和通過單片機掃描測量、采用 pid 控制算法控制直流電機傳動

2、裝置來實現一個點滴 速度自動控制系統。還擴充了掉點數據存儲，實施遠距離兩線制多機通信、語音報警、系 統開機自檢、回血報警等功能，增強了系統的實用性。而且由于采用紅外光電傳感和電容 傳感配合單片機及可編程邏輯器件，速遞測量和控制精度高。整體結構設計合理，運行穩 定。主機從機間采用自動檢測多路訪問協議，很好的解決了多機共用一根通訊線的比特流 碰撞問題。 關鍵字關鍵字: :通信，報警，自檢 abstract：this system uses at89c52 as the core, adopting the step-motor-control device, infrared sensor and

3、 pid control algorithm in the automatic control system. the operation interface and diverse control ways are two greatest features of this design. the extra functions such as saving user-defined data in the e2prom, phonetic alarm, system self checking on boot-strapping,and blood back flow alarm make

4、 the design more powerful and practicable. experiment texts show that every function of this system melts or exceeds the problems requiremer。the system perform excecllently due to our reasonable design. with this method ,the system perfectly realizes multi connections through one communication chann

5、el at the same time. key word:communication，phonetic alarm，self checking 2 前言.4 1 設計及論證部分 .4 1.1 系統實現功能.4 1.2 方案比較，設計與論證.5 1.2.1 控制方案比較.5 1.2.2 液滴檢測方案比較.5 1.2.3 點滴速度控制方案 .6 1.2.5 儲液液面檢測方案.7 1.2.6 通信方案比較.8 1.2.7 主從機網絡通訊構建方案.8 2 芯片介紹 .9 2.1 at89c52 單片機.9 2.1.1 89c52 輸入/輸出引腳簡介.9 2.1.2 89c52 的存儲器配置.10 2

6、.2 電可擦除可編程只讀存儲器（e2prom） .10 3 理論分析 .10 3.1 pid 控制算法.10 4 系統設計 .11 4.1 主站部分.11 4.1.1 主站鍵盤和顯示部分.11 4.1.2 電源設計.13 4.1.3 主站軟件流程.13 4.2 從站部分 .13 4.2.1 點滴檢測.14 4.2.2 點滴速度控制模塊.14 4.2.3 步進電機的驅動.15 4.2.4 警戒檢測.15 4.2.5 傳感及測量電路.16 4.2.6 數字濾波.17 4.2.7 掉電數據存儲.18 4.2.8 從站軟件流程.18 4.3 通信部分.18 4.3.1 主從機網絡通訊方案.18 4.3

7、.2 通信方案的選擇和硬件結構.18 4.3.2 通信報文協議.19 5 界面設計 .20 5.1 系統管理.20 5.1.1 用戶管理.20 5.1.2 修改密碼.20 3 5.1.3 通訊設置.20 5.2 基本信息管理.20 5.2.1 療區信息.20 5.2.2 病房信息.21 5.2.3 病床信息.21 5.3 輸液監管.21 5.4 患者病歷管理.21 5.4.1 入住登記.21 5.4.2 退床登記.21 5.4.3 記錄病歷.21 5.4.4 記錄輸液輔助信息.21 5.4.5 查看輸液記錄.21 6 總結 .22 7 感謝 .23 8 感謝 .24 7 總結 .25 8 感謝

8、 .26 9 參考文獻 .27 附錄一：外文專業參考資料原文 .28 附錄二：外文專業參考資料譯文 .31 附錄三：總電路圖 .33 附錄四: 程序清單 .35 4 前言前言 在輸液時常會發生以下一些情況：有的藥品對輸液速度有或快或慢的要求，醫患都 只是憑主觀經驗進行調解，不能做到精準；或者在病人長時間輸液過程中難免有困倦感產 生，而醫護人員又不能夠始終監控，很容易在輸液完畢卻沒有得到及時的處理而將空氣輸 入患者體內，嚴重者造成生命危險。 因此，欲設計一種儀器或稱設備來隨時監測輸液情況，讓它在有情況的時候通過聽 覺或視覺的方式來通知患者和護士，再設計用于管理此類數據的軟件系統幫助醫護人員進 行

9、及時的管理監測數據和進行相應護理操作。這樣既免去了許多擔心，又能夠及時準確的 處理各種情況，讓患者的生命的到更好的保障，同時可以有力的幫助醫護人員工作。 本設計由滴速和液位檢測、單片機控制系統、電機控制與驅動、有線監控、顯示與 報警等部分構成。有線監控包括：主站，從站。主站可與 16 個從站通信，可設置從站的 液滴滴速并對各從站實現實時監控，主從站之間構成串行通訊網絡。可對 16 個從站進行 定點或巡回監測，查詢各從站的實時狀態，并可顯示其從站號和點滴速度，并可遠程設定 各從站的點滴速度，當收到從站發來的報警信號后，能聲光報警并顯示相應的從站號，并 可手動方式解除報警。可根據從站的報警信息實現

10、語音報警及解警。可鍵控設置滴數，且 掉電后設置信息不丟失。它可實時檢測與控制滴液速度并及時報警。采用光電技術探測液 滴滴數和儲液瓶的液位，用 avr 單片機分析,判別、控制電機改變儲液瓶的高度，實現液 滴滴速控制。在電機控制方面采用了模糊控制與線性控制相結合的方法。由于液滴滴速變 化不均，采用采樣次數可變的算術平均濾波方法實現數字濾波，為控制系統提供了準確的 依據。它采用分布式微機控制系統，通過調整輸液瓶的高度來精確控制最多可達 16 個輸 液器的點滴速度。系統采用主從式結構，都采用 89c52 作為 cpu。從機通過光敏元件測定 點滴速度，并通過步進電機調整輸液瓶高度，構成了一個閉環控制系統

11、。可通過鍵盤設定 所需點滴速度，設定范圍可達 20150 滴/分，調整誤差5%，調整時間2 分鐘。并可 動態顯示實時點滴速度。當液面下降到 23cm 的警戒值時，可進行聲光報警。 關鍵詞：輸液監測器（前端機）關鍵詞：輸液監測器（前端機） 、數據圖形化、串行口通訊、類、對象、數據圖形化、串行口通訊、類、對象 1 1 設計及論證部分設計及論證部分 1.11.1 系統實現功能系統實現功能 1.系統能夠對正在輸液以及未輸液的所有輸液設備進行實時監測，在電腦中反映出所有能 夠監測到的情況。 2.可以隨時在電腦中查看任何一個輸液設備的詳細信息。 3.能夠對醫院的療區和病房等信息進行管理和維護。 4.能夠對

12、住院的每個患者在整個住院期間的輸液情況進行自動記錄，并可以補充其他信息 （如輸液藥品信息、醫生醫囑信息等） 。 5.提供直觀的顯示和操作界面、方便的數據查看。 5 1.21.2 方案比較，設計與論證方案比較，設計與論證 1.2.1 控制方案比較 方案一：此方案是傳統的二位模擬控制方案，其優點是電路簡單，易于實現。但模 擬控制方式難以把精度做得很高，難以實現題中鍵盤設定和動態顯示滴速及遠程通信的功 能。如圖 1： 圖 1 方案二：此方案采用 89c52 單片機系統來實現，可用軟件實現復雜的算法和控制。 此方案方便的實現了題中鍵盤設定和動態顯示滴速等的功能，并且可以實現主從站通信的 擴展功能。本設

13、計采用了方案二。如圖 2： 圖 2 1.2.2 液滴檢測方案比較 方案一:采用電容傳感器實現。電容是由兩個電極中間加絕緣介質構成的。在滴斗的 兩側固定兩個半圓型的金屬片做極板，成為一個變介質的電容傳感器。在沒有水滴時，電 容值較小。當水滴從兩個極板中穿過時，兩極板間介質發生變化，電容值將發生變化。可 采用電橋電路來測試，也可采用 lc 振蕩器，通過電容變化改變振蕩頻率。但此種方法電 路復雜，靈敏度低。 方案二：不調制的紅外對射傳感器。由于直接采用直流電壓對發光管進行供電，考 慮到平均功率的限制，工作電流不能高于元件的額定值，對透壁照射有一定的困難且容易 受到外部光源等干擾。 方案三：脈沖調制的

14、紅外對射傳感器。紅外發射管的最大工作電流是由平均電流決 定的，采用占空間比小的調制信號，在平均電流不變的情況下，瞬間電流會達到很大，大 大提高了信噪比，提高了系統的抗干擾能力。在光電器件的選擇方面，有可見光（如激光、 發光二極管等） ，其優點是可見，容易調試。但由于與外界干擾光源光譜接近，易于受到 干擾。紅外光源為不可見光源，由于紅外線在空氣中的折射率小于在水中的折射率，水對 6 紅外光吸收較大。將液滴漏斗固定在一個黑色塑料盒里, 在滴斗左右端安裝一個紅外發射 頭和一個接收頭， 紅外發光二極管與接收管處于同軸線上，一方面避免了燈光等信號的 干擾，另一方面提高了紅外光的強度，當液滴下落通過漏斗時

15、，由于液滴可近似考慮成小 圓滴，它對紅外線的吸收較大，其外表面對紅外光又有反射作用,使透過水滴的紅外光強 度受到衰減，因此通過光電檢測及信號處理可有效地檢測點滴的信號。 根據以上分析，我們采用方案三。此方案的水滴檢測示意圖如圖 5： 圖 5：水滴經過光束前后的光強變化情況 1.2.3 點滴速度控制方案 方案一：對滴速夾進行松緊控制 對滴速夾進行松緊控制就是通過對滴速夾的松緊調節，改變塑料點滴管的形狀以控 制液體的流速。這樣的方法雖然直觀，但存在很多的缺點。首先由于對管壁施壓改變其形 狀，其所施加的壓力與流量改變的關系呈非線性，這給流量控制帶來了難度。此外要在限 定的時間內完成滴速夾的制作有一定

16、困難。總結上述原因，不采用此控制方法。 方案二：高度調節控制方案 題目要求在 3min 之內，控制系統本身能夠根據設定值調節點滴速度并穩定。而速度 設定范圍為 20150 滴/分。桿高 1.8m。 如果使用方案圖 6，即采用電動機拉動點滴瓶高度來調節點滴的速度，由于要在 3min 之內有可能從最小調整到最大值，點滴瓶的運行距離就要通過計算來設定。 根據流速正比于根號下液面高度，如果假設 150 滴/分速度點滴瓶的位置在 1.6m 處。 出去人體血液壓力等效產生 0.7m 的液位壓頭。實際可調節距離為 0.9m，則 20 滴/分的點 滴速度，點滴瓶就應該在 0.7+（20/150）20.90.2

17、7m。也就是說電機的最大單向位移 要接近 0.9m。加上超調量、裕量等，考慮在最壞情況下（設定值從 20 滴/分到 150 滴/分 變化） ，電機總共需要移動的距離為 1.2m(加上 20的超調，10的裕量)。 方案三：電動機速度牽引改變點滴瓶高度控制滴液速度。 使用一臺小型電動機，通過一個定滑輪由步進電機帶動儲液瓶使儲液瓶上升或下降 改變滴斗到受液瓶的高度 h，來調節點滴的速度，由于滴液的速度近似正比于高度到根高 冪，即 dh1/2,進而控制點滴速度。 方案原理框圖如圖 6： 7 圖 6 方案三：改變點滴管道管阻 使用多級齒輪降速來驅動輪軸，輪軸通過螺桿前后運動壓迫點滴塑料管道截面改變 點滴

18、管道的管阻阻力，從而使點滴速度得到控制。方案原理框如圖 7： 圖 7 由于采用了減速機構，因此大大提高了驅動能力。 比較方案二、三，方案圖 6 要求電機的速度較快，每分鐘至少可以移動 0.4 m，但是 太快的電機拖動速度根據 p=fv 意味著很低的拖動力。由于廉價的小型電機功率有限， 很難做到拖動力和拖動速度兼顧，而方案圖 7 采用了降速，提高了驅動能力，加上方案圖 7 的位移范圍很小，在位移精確定位的條件下同時可以得到相對較高的移動速度。 因此，本設計采用方案三 1.2.5 儲液液面檢測方案 方案一：采用超聲波脈沖回波方法測液位。測出超聲波脈沖從發射聲波到接收所需 的時間，根據超聲波的聲速及

19、其發射傳感器與夜面之間的距離計算出液位高度。由于短距 離內超聲波在盲區影響精度，且超聲波檢測裝置安裝復雜，不太適合點滴速度監控裝置。 方案二：采用電容傳感測液位。在儲液瓶的瓶身正對著貼兩塊金屬薄片作為傳感電容。 因為水的介電常數是空氣的七十多倍，水位的變化引起介電常數的變化，從而引起電容值變 化，儲液液面下降，電容兩極間的介電常數減小，電容值隨之減小，經過電容/電壓變換器后 輸出電壓上升。當儲液液面降到警戒線時，轉換電壓高于回差比較器閥值電壓，比較器翻轉 輸出開關信號。不同種類的滴液由于介電常數不同，因而對測量精度有一定影響。 方案三：利用液面對光的反射原理來檢測儲液瓶的液位變化，當光線成一定

20、角度由光密 媒質（滴液）射入光疏媒質（空氣）滿足全反射條件。在儲液瓶外面固定一個與水平面成一 定角度的半導體激光器（斜向上） ，當達到警戒水位時，激光通過液面反射,反射光投射到硅 光電池上（見圖 2） 。激光器驅動可采用直流或 20khz 頻率脈沖。直流驅動簡單，但易受干擾， 8 采用恒頻脈沖激勵，在接收端采用選頻放大，可有效地消除背景光的干擾。此方案簡單、易 行、可靠性高。 因此，本設計采用方案三。如圖 8： 圖 8 1.2.6 通信方案比較 方案一：并行方式。采用并行方式通信速率最快，但不適合于遠距離通信。 方案二：使用 can 總線方式。can-bus 總線在通信能力、可靠性、實時性、靈

21、活性、 易用性、傳輸距離遠。但與 i2c 總線一樣，一般單片機還沒配備，外接功能芯片會占用較 多 i/o 口，用于此性價比不高。 方案三：使用 rs485 總線方式。rs485 作為一種多點差分數據傳輸的電氣規范被 應用在許多不同的領域作為數據傳輸鏈路。目前在我國應用的工業控制現場中，大多使用 rs485 半雙工或全雙工異步通信總線，它也是被各個研發機構廣泛使用的數據通信總線。 但是，基于在 rs485 總線上只能有一個主機的特點，它往往應用在集中控制樞紐與分散 控制單元之間。由于 rs485 總線本身存在點許多局限性，隨著科技的發展，rs485 的 總線效率低、系統的實時性差、通信的可靠性低

22、、后期維護成本高、網絡工程調試復雜、 傳輸距離不理想、單總線可掛接的節點少、應用不靈活等缺點慢慢的暴露出來。 方案四：采用一般芯片都有異步串行總線。兩根信號傳輸線加一條公共地線即可實 現主站于 256 個從站間的雙向數據通訊，且軟件編程容易實現，通信協議可根據需要靈活 定義。當需要遠距離傳輸時刻采用電流環來增強抗干擾性能，從而大大延長通信距離。 因此，采用方案四。 1.2.7 主從機網絡通訊構建方案 方案一：輻射型網絡 為了使分散在各處的的從機的信息能夠簡單、及時、可靠的傳送到主機處，最簡單 的辦法是每一個從機都向主機鏈接一組數據線，這樣可以使各個從機同主機之間的通訊使 用不同的數據線而互不干

23、擾。可靠性、實時性較好。 方案二：總線型網絡 使用同一根數據總線，各個從機“掛”在總線上。需要向主機傳遞信息的從機處于 發送/接收狀態，不需要信息傳遞的從機則保持偵聽狀態，等待主機的消息。 這種總線的網絡拓撲結構最大的優點是連接線少，整個網絡構成只需要很少的幾根 總線。而它最大的缺點則是如果多個從機一起發送請求時會造成數據丟失。 9 2 2 芯片介紹芯片介紹 2.12.1 at89c52at89c52 單片機單片機 at89 單片機系列是世界上著名的半導體公司之一的美國 atmel 公司生產的。 atmel89c 系列單片機可分為低檔型、標準型和高檔型三類。 89c52 單片機是由微處理器（含

24、運算器和控制器） 、存儲器、i/o 接口以及特殊功能寄 存器等構成，作為 89c52 單片機核心部分的微處理器是一個 8 位的高性能中央處理器 （cpu） 。它的作用是讀入并分析每條指令，根據各指令的功能控制單片機的各功能部件執 行指定的運算或操作，它主要由運算器和控制器兩部分構成。 89c52 單片機主要由以下幾部分組成：（1）cpu 系統： 8 位 cpu，含布爾處理器；時 鐘電路；總線控制邏輯；（2）存儲器系統：4k 字節的程序存儲器（rom/eptom/flash， 可外擴 64k） ；256 字節的數據存儲器（ram，可再外擴 64k） ；特殊功能寄存器 sfr；（3） i/o 口和

25、其他功能單元：4 個并行 i/o 口；2 個 16 位定時/計數器；1 個全雙工異步串行口； 中斷系統（5 個中斷源、2 個優先級） 。89c52 單片機有微處理器（含運算器控制器） 、存 儲器、i/o 接口以及特殊功能寄存器 sfr 等構成。51 系列單片機的應用模式有總線型單片 機應用模式和非總線型單片機應用模式。通常的微處理器芯片都設有單獨的地址總線、數 據總線和控制總線。但單片機由于芯片引腳數量的限制，數據總線與地址總線經常采用復 用方式，且許多引腳還要與并行 i/o 口引腳兼用。 2.1.12.1.1 89c5289c52 輸入輸入/ /輸出引腳簡介輸出引腳簡介 （1） p0 口（3

26、932 腳）：p0.0p0.7 統稱為 p0 口。在不接片外存儲器與不擴展 i/o 口時，可作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展 i/o 口時，p0 口分時復 用為低 8 位地址總線和雙向數據總線。 （2） p1 口（18 腳）：p1.0p1.7 統稱為 p1 口，可作為準雙向 i/o 口使用。對 于 52 子系列，p1.0 與 p1.1 還有第二功能：p1.0 可用作定時器/計數器 2 的計數脈沖輸入 端 t2，p1.1 可用作定時器/計數器 2 的外部控制端 t2ex。 （3） p2 口（2128 腳）：p2.0p2.7 統稱為 p2 口，一般可作為準雙向 i/o 口使 用；在接

27、有片外存儲器或擴展 i/o 口且尋址范圍超過 256 字節時，p2 口用作高 8 位地址 總線。 （4） p3 口（1017 腳）：p3.0p3.7 統稱為 p3 口。除作為準雙向 i/o 口使用外， 還可以將每一位用于第二功能，而且 p3 口的每一條引腳均可以獨立定義為第一功能的輸 入輸出或第三功能。 （5）rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 rst 腳兩個機器周期的高電平時 間。 （6）ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地 位字節。在 flash 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale 端以不變的頻率周 期輸出正脈沖信號，此頻率為

28、振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于 定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ale 脈沖。如想禁 止 ale 的輸出可在 sfr8eh 地址上置 0。此時， ale 只有在執行 movx，movc 指令是 ale 才 起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ale 禁止，置位無效。 （7）/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器 周期兩次/psen 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/psen 信號將不出現。 （8）/ea/vpp：內外存儲器選擇引腳/片內 eprom 編程電壓輸入引腳

29、。當/ea 保持低 電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。注 10 意加密方式 1 時，/ea 將內部鎖定為 reset；當/ea 端保持高電平時，此間內部程序存儲 器。 （9）xtal1：晶體振蕩器接入的一個引腳。 （10）xtal2：晶體振蕩器接入的另一個引腳，來自反向振蕩器的輸出。 （11）vcc：電源接入引腳。 （12）vss：接地引腳。 2.1.22.1.2 89c5289c52 的存儲器配置的存儲器配置 89c52 的片內集成有一定容量的程序存儲器和數據存儲器（256b） 。當然，還可以根 據需要對存儲器進行外部擴展。 1.從物理上分

30、，89c52 的存儲器有 4 個存儲空間：片內程序存儲器、片外程序存儲器、 片內數據存儲器和片外數據存儲器。 2.從邏輯上分，89c52 有 3 個存儲器地址空間：片內外統一的 64kb 的程序存儲器地 址空間、256b 的內部數據存儲器地址空間（其中 128b 的專用寄存器地址空間，僅有部分 字節有實際意義）和 64kb 的外部數據存儲器地址空間。 3.為了區分不同的存儲器空間，在用指令訪問這三個不同的邏輯空間時采用了不同形式的 指令 2.22.2 電可擦除可編程只讀存儲器（電可擦除可編程只讀存儲器（e e2 2promprom） e2prom 是一種可用電氣方法在線擦除和再編程的只讀存儲器

31、。它既有 ram 在聯機操作 中可讀可改寫的特性，只是寫操作需要較長的時間；又具有非易失性存儲器 rom 在掉電后 仍然能保存原存儲數據的優點。目前，e2prom 已在片內集成了需要的所有外圍電路、數據 鎖存緩沖器和地址鎖存器、擦除和寫操作脈沖定時、編程，使用方便。 后研制的快擦寫（flash）存儲器，其存儲容量大，變成速度快，獲得廣泛應用。對 于 flash mmemory 有不同的腳法，有的半導體器件手冊稱之為“閃光”存儲器、 “閃爍” 存儲器、 “快閃”存儲器或者“閃速”存儲器。這種存儲器既不會閃光，也不會“閃爍” ， 也不是說此類存儲器是“極高速的” ，從其命名的本意說，這類存儲器相對

32、于 e2prom 芯片， 可以用電氣的方法快速的進行擦寫，因此，稱之為快擦寫存儲器比較貼切，簡稱 flash 存 儲器。 由于 flash mmemory 不需要存儲用的電容，相對 dram 來說，集成度高，制造成本低。 它使用方便，既具有 sram 讀寫靈活和較快的訪問速度，又具有 rom 斷電后不丟失信息的 特點，所以 flash mmemory 的技術發展很快。 3 3 理論分析理論分析 3.13.1 pidpid 控制算法控制算法 pid 是一種在單片機控制中常用的算法，pid 控制由于其具有控制方法簡單、穩定性 好、可靠性高和易于現場調試等優點，被廣泛應用于工業過程控制。其輸入 e(

33、t)與輸出 u(t)的關系為 數字 pid 控制算法是以模擬 pid 調節器為基礎的，由于單片機是一種采樣控制，它 只能根據采樣時的偏差計算控制量。如果采樣周期 t 取得足夠小，采樣數值計算的方法逼 11 近可相當準確，被控過程連續控制十分接近。離散化后的 pid 算式為 式中，k比例系數 uo偏差為零時的控制作用 ti積分系數 td為分系數 t采樣周期時間 以上公式稱為位置式算法。由它可推出增量式算法 在本設計中采用了增量式算法，這是由于增量式算法只需要保持以前三個時刻的偏 差即可，既節省了資源又不會產生較大的累積誤差。式中各系數由反復時間后確定，實驗 證明，這種控制方式可以加快系統響應，并

34、且具較高的精度。 4 4 系統設計系統設計 4.14.1 主站部分主站部分 主站采用 89c52 作為微處理器，以 62256 作為片外存儲單元。74hc373 作為地址鎖存 器，以實現單片機地址和數據的分時傳頌。串行 e2prom24lc16 用于掉電存儲數據。 max813l 用作“看門狗”定時器和復位控制器使用。系統中還使用了一片 gal16v8d 對高 位地址和讀寫控制信號進行編碼，一邊簡化系統總線。 主站核心部分電路原理圖見附錄 1 友好的操作界面和靈活的監控方式是主站設計的兩大特色。液晶顯示的中文菜單提 示及操作信息使一個并不熟悉本系統的用戶可以正確的對本系統進行操作，各種聲光報警

35、 信息和中文提示對話框可以幫助監控者快速的了解并處理異常事件。對特定從站的遠程監 控時監控為用戶遠程操作提供了極大方便。 4.1.1 主站鍵盤和顯示部分 12k64 液晶顯示模塊可工作在字符和圖形兩種模式下，我們通過編寫功能函數實現了 圖形和字符的混合顯示，進而開發了菜單處理函數和消息框彈出函數。是本系統實現了全 中文菜單操作，系統操作功能的選擇、數據的輸入都十分清晰明了，使人機交互變得簡單 友好，符合以人為本的設計理念。 12 圖示主站的操作菜單流程圖如圖 9： 圖 9 主機鍵盤顯示系統和通訊系統電路如圖 10： 圖 10 實控從機完成實際測控，由鍵盤顯示系統、通訊系統、步進電機控制接口、傳

36、感器調 理電路和報警輸出電路組成。由于光電元件輸出的為不規則的脈沖信號，故用電壓比較器 和施密特觸發器整形后再送 cpu 計頻。報警蜂鳴器的驅動電流較大，故用 oc 門驅動。傳 感器信號為兩路，一路測點滴速度，一路監測液位高度。由于采用了步進電機驅動器，電 13 機控制接口只輸出脈沖信號即可。 4.1.2 電源設計 由于+5v.+12v 和-12v 為單片機系統常用的電源,所以我們提前設計制作了一套可同時 提供這三種電壓的穩壓電源,精確度較好. 其+5v 的電源原理圖如圖 11：（12v 的電路原理跟+5v 相同） 圖 11 4.1.3 主站軟件流程 主站軟件流程如圖 12: 圖 12 4.2

37、4.2 從站部分從站部分 從站采用 89c52 作為微處理器。24lc16 用于掉電存儲數據。max813l 用作“看門狗” 芯片。系統中使用了一個蜂鳴器和一個發光二極管實現聲光報警。gal16v8d 對單片機輸 出的三條電機控制線進行譯碼，并將譯碼后的控制信號傳遞給步進電機控制芯片 l293b， 14 以使步進電機按照單片機的指令正常工作。從站核心部分電路圖見附錄 2 各從站除具備主站的控制功能外，還添加了手動控制功能，給現場的操作者更大的 自主權。傳感器電路的合理設計與數字濾波的應用使得計頻精度及穩定性大大提高。 4.2.1 點滴檢測 當輸液器滴液管中無水滴滴下時，紅外發光二極管發出的光線

38、透過空氣直接射到接 收頭上，見圖。光電檢測電路輸出端電壓呈低電平。當有水滴經過時，水滴相當于一個凸 透鏡。由于水滴很小，也即表面曲率半徑很小，導致凸透鏡焦距很短，當光線透過水滴到 達光電檢測器時，呈發散狀態，見圖（19）,光電檢測電路接收到的有效光量大大減弱， 光電檢測電路輸出端形成一個正脈沖。通過對脈沖周期的測定來實現對滴液速度的檢測。 由傳感器電路。見圖 19： 圖 19 4.2.2 點滴速度控制模塊 機械原理：由小電機通過變速箱帶動偏心輪擠壓輸液導管，從而達到調節點滴速度 的目的。如圖 21： 圖 21 偏心輪是一個圓周上各點半徑不同的實心輪，通過轉動擠壓輸液導管，由于圓周上 各點半徑不

39、同，與擠壓輸液導管的擋板半徑距離不同，致使輸液導管的擠壓程度不同，只 要控制外齒和內齒的比值或齒輪數，就能精確控制點滴速度。因為外齒和內齒的比值越大 或齒輪數的比值越大或齒輪數越多，控制偏心輪轉動的角度越精確，如外齒輪和內齒輪的 比值為 120：1，齒輪數為 3，即前級電機帶動齒輪轉動一圈（360 度） ，后級帶動偏心輪 的齒輪只轉動 1 度，所以只要控制小電機所轉圈數，就可以控制偏心輪的所轉角度，從而 15 達到步進電機精確控制的效果，而且力矩比同功率的步進電機大幾百倍，同時齒輪上加安 裝了紅外計數傳感器，用以檢測前級齒輪所轉圈數，從而可計算出后級齒輪所轉角度，再 配以簡單的驅動電路和軟件控

40、制，就可以實現點滴速度的精確控制。 為了節省單片機定時器的資源，以便處理其他控制過程，本系統還采用可編程邏輯 器件 epm7064 控制點滴速度，其原理圖見下。cpld 模塊由三個部分組成：接口部分，預 置分頻部分，輸出控制部分。 接口部分負責和單片機接口，將單片機傳來的串行脈沖轉化為并行預置書，以便送 到由 race00 模塊（內部原理圖見下）組成大預置分頻部分來產生脈寬可調的方波，最后 由輸出控制部分來決定脈寬可調的方波由 out1 還是 out2 輸出來控制電機大政反轉和速度。 race00 模塊通過改變 8 位可預置分頻器的預置數來達到脈寬可調的目的。其中 8 位可預 置分頻器產生的脈

41、沖上升沿不但使 t 觸發器反轉，而且還有使 8 位可預置分頻自鎖不計數 的作用。這個自鎖過程將一直持續，直到經標準 256 分頻產生的脈沖上升沿來到才可解除， 同時這個上升沿還使 t 觸發器反轉進入下一個周期，如此循環便產生一連串脈寬可調的方 波。其中兩個上升沿的時間間隔即為脈沖的寬度。 電機控制部分利用 tip41，tip42 等中功率管實現了對電機的輕松控制，有效防止電 機啟動時電流過大而燒壞三極管點情況。兩個控制端輸入信號可控制電機的轉速和方向。 4.2.3 步進電機的驅動 通常驅動步進電機可以用一個 l297，一個 l298 組成驅動電路。 但經過仔細分析步進電機的控制原理，我設計了一

42、種更為簡單的驅動電路如圖 13： 圖 13 4.2.4 警戒檢測 當光電二極管的光源與接收器在同一介質時，光電二極管導通，兩端電壓呈低電平。 當液面降至光源與接收器中間時，產生全反射現象，此時接收器無法收到光源發射出的光 線，見圖，使光電二極管無法導通，兩端電壓呈高電平，觸發器報警系統發出報警信號。 見圖 20： 16 圖 20 由于水與玻璃表面會產生“浸潤”現象，如果將光源置于液面下方，則光線仍會透 過液面浸潤部分傳播，從而被液面上方的接收器接收到，導致無法觸發報警系統。但由于 光線傳播具有可逆性，可以任意設置光源與接收器的孰高孰低。現將接收器置于夜間的下 方，利用全反射現象，接受器只能就收

43、到某一角度射來的光線 l 的特點，可以避免錯誤接 收“浸潤”現象的雜散光線，避免警戒報警“失靈”現象。 4.2.5 傳感及測量電路 傳感及測量部分電路原理圖。傳感及測量部分電路原理圖如圖 14： 圖 14 紅外對射傳感器。紅外對射傳感器是紅外發射管和受光管組成的，它的主要功能是實現 電紅外線電的轉換。由于紅外光波長比可見光長，受可見光的影響較小，且紅外系統 具有尺寸小、重量輕、易于安裝等優點。因此是檢測水滴滴速首選傳感器。 工作原理。為了減少環境光源的干擾、增強信噪比，我采用脈沖調制方式。發射、接收 的具體電路如下，發射部分采用 74hc14（具有施密特功能的六反相器）與電阻電容組成 的電路來

44、產生 100hz、占空比為 1：5 的方波脈沖，如圖 15： 17 圖 15 公式推倒。74hc14 是具有施密特功能的六反相器，由 74hc14 構成的多諧振蕩電路，如 圖 16： 圖 16 74hc14 輸入輸出點的波形如圖 17： 圖 17 解調電路原理與各點波形如圖 18： 圖 18 通過上邊的原理圖和時序圖，可以對解調有簡單的了解。 延時測算公式為 t=0.7r1c（t 表示延時時間大小） 。 4.2.6 數字濾波 傳感器采集的信息常會受到干擾。為了提高采樣的可靠性，減小虛假信息的影響，采 用數字濾波。它與模擬濾波相比具有以下優點： 數字濾波是用程序實現的，不需要增加任何硬件設備，也

45、不存在阻抗匹配問題，可以多 個通道共用，提高穩定性和可靠性。 18 可以對頻率很低的信號實現濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。 數字濾波的靈活性好，可以有很多方法實現如中值濾波、平均值濾波等。本設計采用的程 序是根據經驗確定兩次采樣允許的最大偏差x。若先后兩次采樣的信號相減數值大于 x，表明輸入的是干擾信號，應該去掉，用上次采樣值作為本次采樣值。如小于x，表明 信號沒有受到干擾，本次采樣之有效。 4.2.7 掉電數據存儲 每對從站進行一次新的設置，從站單片機都將設置的數據存入串行 e2prom 24lc16 中， 每次上電后從站單片機都從 24lc16 中讀取最近一次設置值

46、。 4.2.8 從站軟件流程 從站軟件流程如圖 22： 圖 22 4.34.3 通信部分通信部分 4.3.1 主從機網絡通訊方案 擴展部分的要求主要是主從機間通訊，題目要求使用最少的通訊線路，根據前面分析，總線型的 網絡拓撲使用線最少。但是由于多臺機器共同使用一條總線，信道分配、握手協議、命令分配等軟件 編制工作量較大，但結合成本因素，決定選擇總線型結構。 4.3.2 通信方案的選擇和硬件結構 單片機本身具有完整的串行口通信功能，可通過 txd、rxd 傳輸線及地線三線來實現 多機通信，能實現全雙工通信。見圖 23： 19 圖 23 根據盡量減少信號傳輸線的要求，考慮本系統通信量很小，且對實時

47、性的要求也不 是很高，只需要半雙工通信就能較好的滿足要求，因此我采用兩線制總線串行傳輸方式： 利用三態門實現傳輸線的 rxd/txd 切換，分時占用同一對信號線，使傳輸線數量達到最少， 見圖 24： 圖 24 4.3.2 通信報文協議 此通信系統為主機與從機的多級半雙工通信系統，完成主機對從機的監測與控制功 能。 開機時，從機設定從站號，主機對各從機進行查詢，如果在規定時間內無響應，則 認為從機為關閉狀態，顯示 8 條“”線。檢測到從機時，顯示從機的當前狀態。 主機控制報文格式： 從站號主機查詢模式 0fh0fh0fh 1 字節1 字節1 字節1 字節1 字節 從站號：首次報文的從站號地址。當

48、從站收到此報文時，如站號與此號相同，則查看后面 的字節，否則轉發。 主站查詢模式：用 0bbh 表示。 主機應答報文格式： 從站號：同上 應答模式：分為正確和錯誤：0ddh 表示正確；0cch 表示錯誤。當收到從機返回的正確應 答信號后，進行校驗，如正確為正確模式，否則為錯誤模式。 從機返回的正確應答報文格式： 主機號當前從機號實際速度告警校驗 1 字節1 字節1 字節1 字節1 字節 從站號應答模式 0fh0fh0fh 1 字節1 字節1 字節1 字節1 字節 20 主機號：主機的地址：用 00h 表示 當前從機號：從機顯示的站號 實際速度：檢測出的點滴實際速度 告警：當從機發生異常情況時，

49、置為“1” ，否則為“0” 校驗：同上 從機返回的通信出錯報文格式： 主機號當前從機號接受出錯 0fh0fh 1 字節1 字節1 字節1 字節1 字節 主站號：同上 當前從機號：同上 接受錯誤：用 0eeh 表示 5 5 界面設界面設計計 5.15.1 系統管理系統管理 5.1.1 用戶管理 本模塊管理使用本系統的用戶。用戶分為超級用戶和普通用戶兩類，超級用戶可以使 用系統的所有功能，普通用戶只能使用部分功能（修改密碼、輸液監測、患者病歷管理） 。 5.1.2 修改密碼 本模塊用于用戶修改自己的密碼。修改密碼時要求輸入源密碼和 2 遍新密碼，經確認 后生效。 5.1.3 通訊設置 本模塊用于設

50、置軟硬件通訊相關的參數，系統將根據這些參數工作。涉及到系統使用 的串行口列表（默認只有 com1） 、波特率（9600bps） 、數據位（8bit） 、停止位(1bit)、 校驗位(無)。當同時使用多個串行口通訊時，要重新為每個串行口綁定掛接的設備（根據 編號） 。系統正常工作后將根據綁定關系來建立串行通訊處理機并連接相應的設備進行通 訊。 5.25.2 基本信息管理基本信息管理 5.2.1 療區信息 編輯、瀏覽和打印與醫院療區相關的數據。一般的大、中型醫院會有 3 個，多的會有 幾十個，每個療區會有專門的醫生辦公室、護士站、病房等。因為本系統最重要的用途在 于及時的通知值班護士或醫生處理患者

51、在輸液中出現的各種情況，所以安裝系統監測軟件 的微機位置必須設在護士站（值班室）內。這樣每個療區的護士站都會有一臺微機用于監 測，為了便于醫院對所有療區的輸液情況進行觀察和管理，便于對所有的輸液數據進行統 一對比分析以得出更具價值的結論，所有療區的監測系統應該具有通過局域網統一管理的 接口，也就是本系統的網絡版。雖然本系統不涉及網絡版的設計，但是在設計數據結構和 程序結構時已經為接下來有可能開發的網絡版提供了方便。 21 5.2.2 病房信息 對病房數據進行管理，因為每個病房內都會有病床，在設計本模塊時應考慮到數據錄 入的方便性。提供快速生成病房病床數據的功能，此功能可以供托基本信息管理界面提

52、供 的數據攜帶功能來實現。 5.2.3 病床信息 對病床的數據進行管理。病床的自然屬性，如朝向、在房間中的位置、等。與床位相 關的設備信息等。 以上的基本信息具有層次關系，對于它們的管理不益分開，所以設計了統一的管理界面來 綜合管理所有的基本信息，既便于查看，也便于數據修改。 5.35.3 輸液監管輸液監管 此模塊是本系統的核心模塊，沒有本模塊，系統無法進行監測。默認情況下，本模塊 將作為本軟件系統的主窗口顯示內容，操作界面類似于 windows 的資源管理器，對于所有 設備的監測顯示有文字列表、小圖示、大圖示三種形式，右鍵菜單可以進行與該設備（或 該床位、當前使用患者）相關的數據管理操作。左

53、側列表列出療區、病房、床位的選擇樹， 選擇后，在右側顯示選中范圍內的所有設備（床位、患者）數據。此模塊的核心將處理通 訊和顯示操作，對于顯示操作，若系統使用了 lcd 顯示大屏幕，則在微機顯示的同時，要 將設備監測情況顯示在 lcd 大屏幕上（通過核心的串行口通訊輸出顯示數據到 lcd 大屏幕） 。 5.45.4 患者病歷管理患者病歷管理 5.4.1 入住登記 此模塊在患者入院（入住到本療區） 、或調床（登記信息變更）時使用。將在此模塊 提供的界面上，錄入或修改患者的自然信息，安排并記錄床位。 5.4.2 退床登記 此模塊在患者離院退床時使用，此時要將其使用的床位信息標為空閑。可以在此模塊 酌

54、情添加打印住院記錄（病歷）的功能。 5.4.3 記錄病歷 此模塊用于在患者住院期間，有醫生或護士記錄患者的病歷，也可能包括護理記錄， 如體溫測量記錄、血壓測量記錄等。界面同入住登記。 5.4.4 記錄輸液輔助信息 此模塊用于在輸液時或輸液后由護士輸入患者每次輸液所輸藥液的成分和劑量。 5.4.5 查看輸液記錄 此模塊用于查看患者的輸液記錄，此輸液記錄當然也是病歷的一部分，但是可以單獨 22 處理和打印。 6 6 總結總結 本設計在硬件上，充分使用了紅外傳感器技術，加上合理的背景光消除措施，使系統 的抗干擾性能大大提高。另外，主站采用點陣式液晶顯示是本設計的一大特色，從而得到 了設計所需的顯示畫

55、面。在軟件方面，我們實現了 avr 單片機和 89c52 單片機的有機結合， 充分利用了 at90s8515 型 avr 單片機的強大功能，實現了主從站的通訊；而在電機的控制 方面則用 avr 單片機就得到了體現。其設計特點如下： 1、采用水滴的外表面對紅外光的散射和水滴對紅外光吸收的特性，使紅外接收管的 檢取信號幅值發生變化，并對信號的幅值波動及毛刺等進行有效的處理，產生穩定的滴數 信號。 2、液面檢測采用小功率半導體激光器（3mw、波長為 0.63m）,其光斑小、光束可 見，便于調節與定位，并采用 20k 脈沖驅動激光器，并對檢取信號進行解調，有效消除背 景光的干擾。 3、采用有機械減速的

56、直流電機控制滴瓶的上下，采用模糊控制可使滴瓶快速準確的 到達預定位置。停電時，滴瓶無下滑，并有按鍵在檢測前可控制電機運行到任意設定位置， 為操作者提供方便。 4、電機控制采用模糊控制與線性控制相結合的方法，實現滴瓶位置的粗調與細調， 可快速準確的控制滴瓶達到設定的位置。 5、由于電機控制中的晃動，使滴液速度有變化，在軟件方面采用了采樣次 數可變的算術平均濾波方法，為控制電機提供了準確的控制依據。 6、主站采用液晶漢字顯示，并有語音提示報警。從站采用蜂鳴器、發光二極管報警。 7、從站采用 avr 單片機控制，其內部的 eeprom 可保存設置滴數，掉電后信息不丟失,從 而避免了每次上電需設置數據

57、的繁瑣工作。此外利用片內的看門狗定時器可防止軟件受干 擾而實現自動復位。從最終的測試結果來看，本設計具有貼近生活及具有較強的適應能力， 完成了題目的各項要求。 本系統占用系統資源少，對工作環境要求不高，奔騰以上 cpu，32m 內存即可運行。 操作系統支持 win98/win2000/winnt。 23 7 7 感謝感謝 之所以能過取得滿意的結果，和設計前期所作的大量資料收集和研究試驗的工作密不 可分。正是通過正確的平臺選擇、工具選擇，模塊化、對象化了各個功能模塊，使得整個 系統能夠有合理的功能結構、穩定的性能和較高的工作效率。 從問題的提出開始，經歷了搜集資料、做通訊實驗、總體設計、詳細設計

58、、編碼調試 各個階段。在每一個階段都要求得到階段性成果，同時也深深的感覺到書本知識和實踐的 差距，如果沒有這種實踐的經歷，書本知識永遠只是書本知識，會因為沒有實踐的驗證和 鞏固而逐漸淡忘。只有將學到的知識用于實踐，知識才能真正意義上被掌握，被發揮作用。 經過幾個月的畢業設計實踐，我接觸到和學到了非常多的知識，有了非常大的收獲。 同時我感謝老師一直以來的悉心教導，在幾百個風雨無阻的日子里，辛勤付出，使我有機 會了解電子信息科學與技術這門專業。當然我們的能力有限，希望能夠在將來的實踐生活 中得到歷練。在幾個月的畢業設計過程中，我得到宮賀老師的認真指導，他耐心的指導大 家做試驗、修改論文，并定時組織

59、大家開會討論，甚至占用自己的休息時間，有時在下班 后幾個小時后還待在辦公室，而且非常耐心的解答同學們的疑問。我深深欽佩老師的這種 精神。再次感謝老師。 同時我要感謝家人的支持，沒有他們作為堅強的后盾，我深知自己不可能健康地成長 到現在，并能夠參加這場畢業設計。還有，我要深深的感謝與我共同生活學習的同學朋友 們，四年里，大家互相幫助、互相扶持，一起克服艱辛的困難、一起品嘗甜美的成功。在 這短暫的四年里，我努力完善這自己的人格，使自己成為真正意義上的一個社會分子，使 自己能夠保持原則并清醒擔負起社會責任，走向成熟。大學真正歷練了我，是我有別于進 入這個校門前的懵懂無知的天真少年，我真的很慶幸自己人

60、生的這次完美經歷。 24 8 8 感謝感謝 之所以能過取得滿意的結果，和設計前期所作的大量資料收集和研究試驗的工作密不 可分。正是通過正確的平臺選擇、工具選擇，模塊化、對象化了各個功能模塊，使得整個 系統能夠有合理的功能結構、穩定的性能和較高的工作效率。 從問題的提出開始，經歷了搜集資料、做通訊實驗、總體設計、詳細設計、編碼調試 各個階段。在每一個階段都要求得到階段性成果，同時也深深的感覺到書本知識和實踐的 差距，如果沒有這種實踐的經歷，書本知識永遠只是書本知識，會因為沒有實踐的驗證和 鞏固而逐漸淡忘。只有將學到的知識用于實踐，知識才能真正意義上被掌握，被發揮作用。 經過幾個月的畢業設計實踐，