電氣自動化畢業論文----基于單片機的輸液滴速控制系統設計

1、<p><b>　　電氣自動化畢業設計</b></p><p>　　題 目： 基于單片機的輸液滴速控制系統設計 　　　　</p><p><b>　　本任務及要求：</b></p><p>　　以單片機為核心，設計一個液體點滴速度監測與控制的系統，能檢測點滴速度，控制點滴速度，并能發出報警信號。系

2、統采用主站控制從站的有線監控系統方式實現醫療輸液過程的群控。設計的主要內容是完成群控系統控制裝置的軟、硬件設計及調試?！?lt;/p><p>　　設計包括：1、總體方案的確定；2、單片機的選擇； 3、各模塊電路的設計；4、軟件設計；5、各模塊調試；6、編寫設計說明書等。 </p><p>　　進度安排及完成時間：</p><p>　　第二周：明確課題任務及要求，搜集課題

3、所需資料，掌握資料查閱方法，了解本課題研究現狀、存在問題及研究的實際意義。</p><p>　　第三周至第四周：查閱相關資料，自學相關內容，確定課題總體方案，明確課題任務，確定個人研究重點，做好文獻綜述、開題報告。</p><p>　　第七周至第十周：根據自己研究的方向，確定自己的總體設計方案，設計硬件總體模塊圖及軟件模塊圖。</p><p>　　第十一周至第十三周

4、：完成本系統的軟、硬件設計及調試。 </p><p>　　第十四周至第十七周：整理資料，撰寫畢業設計論文。</p><p><b>　　第十八周答辯。</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘　要1</b></p>

5、<p>　　Abstract2</p><p>　　第1章　單片機及多單片機應用系統1</p><p>　　1.1　單片機的概述1</p><p>　　1.2　單片機的特點與應用1</p><p>　　1.3　MCS-51單片機的基本組成3</p><p>　　1.3.1　MCS-51單片機的內部結

6、構及管腳功能3</p><p>　　1.3.2 單片機最小系統構成5</p><p>　　1.4　多單片機控制系統的概述7</p><p>　　1.5　單片機在輸液點滴的研究現狀8</p><p>　　1.6 課題的主要內容及發展前景9</p><p>　　1.6.1 課題的主要內容9</p>

7、<p>　　1.6.2 課題的發展現狀與前景展望9</p><p>　　第2章　系統方案確定11</p><p>　　2.1　系統設計要求11</p><p>　　2.2　系統設計總體方案12</p><p>　　2.3　系統各模塊方案選擇12</p><p>　　2.3.1　單片機型號的選擇

8、12</p><p>　　2.3.2　點滴速度檢測和液面檢測方案的論證與比較13</p><p>　　2.3.3　滴速控制方案的論證與比較13</p><p>　　2.3.4　電機控制算法的選擇14</p><p>　　2.3.5　鍵盤、顯示及聲光報警部分15</p><p>　　2.3.6　主從站協議部分1

9、5</p><p>　　第3章　硬件設計16</p><p>　　3.1　系統硬件設計16</p><p>　　3.2主站及通信網絡的設計17</p><p>　　3.2.1　主站硬件電路設計17</p><p>　　3.2.2　通信網絡設計20</p><p>　　3.3　從站電路設

10、計21</p><p>　　3.3.1　滴速檢測與液面檢測電路設計21</p><p>　　3.3.2　鍵盤顯示電路設計22</p><p>　　3.3.3　步進電機驅動電路設計24</p><p>　　3.3.4　報警電路和通訊網絡設計26</p><p>　　第4章　軟件設計27</p>

11、<p>　　4.1　主站軟件設計27</p><p>　　4.1.1　主站總體流程設計27</p><p>　　4.1.2　鍵盤顯示程序設計27</p><p>　　4.1.3 報警程序設計28</p><p>　　4.1.4　與從站通訊29</p><p>　　4.2　從站軟件設計30<

12、/p><p>　　4.2.1　系統定義和總體流程30</p><p>　　4.2.2　滴速和液面判斷及報警32</p><p>　　4.2.3　滴速控制程序設計33</p><p>　　4.2.4　鍵盤及顯示程序設計34</p><p>　　4.2.5　與主站通信35</p><p>　　

13、第5章　系統調試、抗干擾及制板36</p><p>　　5.1　系統調試36</p><p>　　5.2　單片機應用系統中常見的干擾現象及影響36</p><p>　　5.2.1　常用硬件抗干擾與保護措施37</p><p>　　5.2.2　軟件抗干擾37</p><p>　　5.3　PCB板設計37<

14、;/p><p><b>　　結束語38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　附 錄41</b></p><p>　　附錄A　主

15、站程序41</p><p>　　附錄B　從站程序48</p><p>　　附錄C　主站硬件電路總圖58</p><p>　　附錄D　從站硬件電路總圖59</p><p>　　附表E　3D效果圖60</p><p>　　基于單片機的輸液滴速控制系統的設計</p><p>　　摘要：近年來

16、隨著科技的飛速發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。</p><p>　　本系統以Atmel89C52單片機為核心，輔以步進電機驅動、鍵盤、LCD 顯示、LED 顯示、光電傳感器數據采集等外圍電路組成，實現了一個

17、主站控制多個從站的有線液體點滴速度監控系統。電機控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的減小超調量和靜態誤差，縮短調節時間。主站使用LCD 顯示，用戶界面友好。</p><p>　　關鍵字：單片機；驅動；鍵盤；光電傳感器</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　The design of the liquid input

18、ing system basing on one-chip computer</p><p>　　Abstract:With the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is being moved towards deepenni

19、ng 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

20、 often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the concrete hardwa</p><p>　　The system is designed to construct a wired monitor system of a master stati

21、on controlling multiple slave stations,with a one-micro controller Atmel89C52 as the key, complimented by stepper motor　drive, keyboard, LCD display, LED display and photoelectric censor data collection out side circuit.

22、 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. </p><p>　　Key words:one-chip computer；dri

23、ve；keyboard；photoelectric</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　第1章　單片機及多單片機應用系統</p><p>　　1.1　單片機的概述</p><p>　　單片機，也稱單片微型計算機，是微型計算機家族中的一員，它以獨特的結構和超群的優點，深得各個領域的青睞

24、，應用十分之泛，近年來發展極其迅速。世界上的各個半導體廠商都抓住這個機會，推出自己的產品，一時間單片機如雨后春筍般蓬勃發展和流行起來。</p><p>　　在近30年的時間里，電子計算機的發展經歷了從電子管、晶體管、中小大體集成電路到大規模集成電路四個階段，尤其是隨著大規模集成電路技術的飛躍發展，20世紀70年代初誕生的單片機微型計算機，使得計算機應用日益廣泛。而單片機的問世，更進一步推動了計算機應用技術的發展，

25、使計算機應用滲透到各行各業，達到了前所未有的普及程度。</p><p>　　1.2　單片機的特點與應用</p><p><b>　　一、單片機的特點：</b></p><p>　?。ǎ保┲亓枯p、耗電少、價格低、電源單一。</p><p>　?。ǎ玻┛垢蓴_能力強、可靠性高。芯片本身是按工業測控環境設計的，其抗工業噪聲干擾優

26、于一般的通用CPU；程序指令及常數、表格固化在ROM中，不易被破壞；許多信號通道均在一塊芯片內。</p><p>　?。ǎ常┘啥认拗?，片內存儲器容量較小。一般ROM小于8KB，RAM小于256個字節，但可在外部擴展，通常ROM、RAM可分別擴展至64KB。</p><p>　?。ǎ矗┟嫦蚩刂?，控制功能強，運行速度快。其結構組成與指令系統都著重滿足工控要求。指令系統中均有極其豐富的條件轉移

27、指令，I/O口的邏輯操作及位處理功能。一般來說，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的其它微處理器。</p><p>　?。ǎ担╅_發應用方便，研制周期短。片內具有計算機正常運行所必須的部件，芯片外部有許多供擴展用的三總線以及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各規模的計算機應用系統?！　?lt;/p><p><b>　　二、單片機的應用</b></p>

28、<p>　　單片機具有體積小、使用靈活、成本低、易于產品化、抗干擾能力強、可在各種惡劣的條件下工作等特點。特別是它強大的面向控制的能力、使它在工業控制、智能儀表、外設控制、家用電器、機器人、軍事裝置等方面得到廣泛應用。</p><p>　　單片機在智能儀表中的應用</p><p>　　在各類儀器儀表中，引入單片機使得儀器儀表數字化、智能化、微型化功能大大提高，例如精密數字溫度

29、計、智能電度表、微機多功能PH測試等等。</p><p>　　單片機在工業測控中的應用。</p><p>　　用單片機可以構成各種工業測控系統、自適應控制系統、數據采集系統等，例如MCS-51單片機控制電鍍生產線、溫度人工氣候控制、報警系統控制、IBM-PC/XT和單片機組成的二級計算機控制系統等。</p><p>　　單片機在計算機網絡與通信技術中的應用</

30、p><p>　　MCS-51系列單片機具有通信接口，為單片機在計算機網絡與通信設備中的應用提供了良好的條件，例如MCS-51系列單片機控制的串行自動呼叫應答系統、列車無線通信系統、MCS-51單片機無線遙控系統等。</p><p>　　單片機在日常生活及家電中的應用</p><p>　　單片機越來越廣泛應用于日常生活的智能電器產品以及家電中。例如電子秤、銀行計息電腦、電

31、腦縫紉機、心率監護控制、彩色電視機、電冰箱控制、洗衣機控制等等。</p><p>　　單片機與Internet</p><p>　　隨著網絡技術的發展，Internet已經成為信息社會的重要組成部分，Internet技術已經深入到日常生活中和工作中。Internet技術得以迅速發展，其主要推動力之一是標準成熟的PC工業。無論是PC機的硬件平臺，還是軟件操作系統，都要求高度標準化，上網方式也

32、大同小異。而對于各類家用電器和智能裝置，情況就不同了，它們的心臟多是單片機，但由于單片機芯片品種繁多，其結構和指令系統也各不相同，因此，它不能像PC機那樣通過標準的硬件接口和接口軟件直接接到Internet，如果能夠將各類智能裝置或家用電器與Internet連接起來，一方面可充分利用Internet資源，另一方面還可獲得一些電子設備信息。由此可見，單片機與Internet的緊密結合將為單片機應用系統的發展開創另一片天地。</p&g

33、t;<p>　　機電一體化是機械工業發展的方向。它是通過機械技術與微電子技術、信息技術緊密結合而成的一個新的學科領域。這種結合形成一種技術趨勢，涌現了嶄新的產品及先進的制造技術，因而使整個機械、儀表、控制的產品結構發生根本變化。機電一體化產品是指機械微電子技術、機電轉換技術、自動控制技術與計算機于一體，具有智能化特征的機電產品。采用單片機作為機電產品的控制器，可充分發揮其體積小、功能強、可靠性高、價格低、安裝靈活方便等優點

34、，提高產品的自動化、智能化水平。</p><p>　　1.3　MCS-51單片機的基本組成</p><p>　　1.3.1　MCS-51單片機的內部結構及管腳功能</p><p>　　一、MCS-51單片機的內部結構</p><p>　　MCS-51單片機的功能框圖如圖1.1所示。在一塊小芯片上集成了一個微型計算機的各個部分，其核心部分是中央

35、處理器CPU，它由運算器和控制器兩大部分組成。運算器用來完成算術運算、邏輯運算和進行位操作，由算術邏輯單元（ALU）、位處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2等組成。</p><p>　　控制器是用來統一指揮和控制計算機進行工作的部件，它由控制邏輯、內部振蕩電路OSC、指令寄存器及其譯碼器、程序計數器PC及其增量器、程序地址寄存器、程序狀態字寄存器PSW、RAM地址寄存器、數據指針DPTR、堆棧

36、指針SP等組成。</p><p>　　二、MCS-51單片機的管腳功能</p><p>　　采用HMOS制造工藝的MCS-51單片機都采用40管腳雙列直插式封裝；而采用CHMOS制造工藝的80C51/80C31,除采用40腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。如圖1.2所示為雙列直插式封裝單片機管腳圖。</p><p>　　圖1.2　8031管腳　 </

37、p><p>　　各管腳功能說明如下：</p><p><b>　?、拧‰娫垂苣_</b></p><p>　　VCC(40腳):接＋5V；VSS（20腳）：接地。</p><p><b>　?、啤r鐘信號腳</b></p><p>　　XTAL1(19腳),XTAL2(18腳):外

38、部時鐘信號腳。</p><p><b>　?、恰】刂凭€</b></p><p>　　1）RST/Vpd(9腳):當作RST使用時，為復位輸入端；當作為Vpd使用時，當VCC掉電下，可作備用電源。</p><p>　　2）/Vpp（31腳）：為訪問內部或外部程序儲存器的選擇號。對片內RPROM編程時，Vpp接入21V編程電壓。</p>

39、<p>　　3）ALE/（30腳）：當訪問外部儲存器時，ALE信號的負跳變將P0口上的低8位送入地址鎖存器，不訪問外部儲存器時，ALE端仍以固定的振蕩頻率的1/6速率輸出正脈沖信號。當對片內EPROM編程時，該管腳PROG用于輸入編程脈沖。</p><p>　　4）（29腳）：外部程序存儲器讀選通信號。</p><p><b>　?、取≥斎?輸出口線</b&g

40、t;</p><p>　　1）P0口（32～39腳）：雙向I/O口，既可接地址鎖存器作低8位地址I/O口使用也可以作數據I/O口使用。能驅動8個LSTTL負載。</p><p>　　2)P1口（1～8腳）：具有內部上位電阻的8位準雙向I/O口，可驅動4個LSTTL負載。</p><p>　　3）P2口（21～28腳）：8位具有內部上位電阻的準雙向I/O口，在接收外部

41、存儲器時，P2口作為地址高8位。能驅動4個LSTTL負載。</p><p>　　4）P3口（10～17腳）：8位具有內部上位電阻的準雙向I/O口，其每一位又有如下特殊功能：</p><p>　　P3.0（RXD）：串行口輸入端。</p><p>　　P3.1（TXD）：串行口輸出端。</p><p>　　P3.2（）:外部中斷0輸入端，低電平

42、有效。</p><p>　　P3.3（）:外部中斷1輸入端，低電平有效。</p><p>　　P3.4（T0）：定時/計數器0外部事件計數輸入端。</p><p>　　P3.5（T1)：定時/計數器1外部事件計數輸入端。</p><p>　　P3.6（):外部數據存儲器寫選通信號，低電平有效。</p><p>　　P3

43、.7（):外部數據存儲器讀選通信號，低電平有效。</p><p>　　1.3.2 單片機最小系統構成</p><p>　　單片機最小系統是指單片機能夠工作所必需的外部電路，這些電路包括晶振電路、復位電路、外部程序存儲器以及數據存儲器等。下面以典型MCS-51單片機為代表介紹最小系統的各個部分?！　　　　　　　　　　　　　　　?lt;/p><p><b>　　一

44、、單片機晶振電路</b></p><p>　　MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，管腳XTAL1和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成一個自激振蕩器，這種方式形成的時鐘信號稱為內部時鐘方式，如圖1.3a所示；圖1.3b所示為外部時鐘方式。</p><p>　　a)

45、 b)</p><p>　　圖1.3　 a) 外部時鐘方式　 b) 內部時鐘方式</p><p><b>　　二、單片機復位電路</b></p><p>　　1）單片機復位后的狀態</p><p>　　無論是HMOS型還是CHMOS型單片機，振蕩器處于運行狀態時，如果在

46、單片機的RST引腳保持2個機器周期（24個振蕩周期）的高電平，則單片機內部執行復位操作，以后每個周期執行一次，直至RST端變低。為保證單片機可靠復位，設計復位電路時要考慮VCC的上升時間的振蕩器建立時間，通常使RST端持續20ms以上的高電平。復位后單片機從程序存儲器的地址0000H處開始運行，內部寄存器的狀態如表1.1所示。</p><p>　　表1.1　復位后單片機寄存器狀態</p><p

47、>　　復位后，ALE和PESE為高電平，內部RAM不受復位的影響，此時內部RAM的狀態不確定。</p><p><b>　　2）單片機復位電路</b></p><p>　　如圖1-4所示分別為單片機的幾種復位電路。</p><p>　　a)　　　　　　　　　　　　　　　 b)</p><p><b>　

48、　c)</b></p><p>　　圖1.4　a)上電復位　b)按鍵電平復位　c)按鍵脈沖復位</p><p>　　上電復位如圖1.4a所示，它是在VCC與VSS管腳之間接入RC電路。上電瞬間RST端電位與VCC相同，隨著電容充電電流的減小，RST端的電位逐漸下降。只要VCC的上升時間不超過1ms，振蕩器建立時間不超過10ms，按圖中的時間常數（C1=22μF，R1=1KΩ），

49、上電復位　電路就能保證在上電開機時完成復位操作。上電復位所需要的最短時間是振蕩器建立時間加上2個機器周期。在這段時間內，RST端的電平應維持高于施密特觸發器的下閥值。</p><p>　　圖1.4b所示為一種上電與按鍵復位電路，在實際應用系統中，有些外圍芯片也需要復位電路，如果這些復位電平與單片機的要求一致，則可以與相連。</p><p>　　為了防止干擾竄入復位端，引起內部某些寄存器錯誤

50、復位，可在RST管腳上接一個去耦電容。</p><p>　　在應用系統中，為了保證復位電路可靠地工作，常將RC電路在接施密特電路后，再接入單片機復位端和外圍電路復位端，如圖1.4c所示。系統有多個復位端時，能保證可靠地同步復位。</p><p>　　1.4　多單片機控制系統的概述</p><p>　　隨著人類社會的不斷進步，工程科學技術在推動人類文明的進步中一直起著

51、發動機的作用。隨著科學技術的不斷更新，單片機控制系統在各個領域中的應用日趨廣泛，不但使得更多的單片機控制系統投入生產設備，大大的提高了勞動生產效率和產品質量，改善勞動條件。在工業控制領域，多機控制系統很多，如大型檢測監控系統、機器人控制系統、水利工程、橋梁工程等。單個單片機在這些應用場合往往只負責一小部分系統和控制和檢測，對于整個系統的檢測和各個子系統的協調控制則由功能更為強大的單片機的或者工業PC機來完成。</p>&l

52、t;p>　　單片機雖然有著強勁的功能，但在要求快速響應、實時性強、控制量多的場合（如電梯群控系統等），單個單片機是很難勝任的，雖然此時可以選用高性能處理器，但綜合考慮其性價比，多單片機控制系統更為突出。多單片機控制系統就是指由多個單片機或者PC機與多個單片機構成的更為復雜的控制系統，其間構成多為分布式等，多個單片機通過網絡協議連接成主從式或者對等式等。在性能更為強大的基礎上能完成的任務更復雜、應用場合更多、人機界面更完善，在此等應

53、用場合，多單片機控制系統顯示出了優越性。</p><p>　　單片機以高可靠性、高性價比、小小體積等而廣泛應用工業控制、數據采集、智能化儀表等實時控制系統中。但其內存小，指令系統簡單，在人機交換數據管理等方面有一定的局限性。因此利用PC機與單片機混合控制系統就能將一系列的參數有機的結合起來。PC機與單片機構成的控制系統是典型的多機控制系統，它可分兩類：一類是PC機與單個單片機構成的雙機控制系統；另一類是PC機與多

54、個單片機構成分布式控制系統。</p><p>　　在工業控制系統中，一般較為復雜一點的應用系統多采用PC機作為上位機，其價格不但昂貴而且對于小型系統也不適合，因此基于此種問題，我們不妨采用單片機作為上位機，簡易鍵盤輸入，LED數碼管作顯示，PLC作控制單元。這樣不但可以將單片機的優點不互補，而且其體積小，成本低，使用方便，作為多機控制的另一個領域。</p><p>　　現場總線在工業控制甚

55、至民用領域中應用最為廣泛，可靠而簡單的連接降低了分布線的成本，靈活而功能強大的協議又為系統模塊設計提供了保證。目前，將現場總線與以單片機為核心的多個物理層模塊連接應用構成多機控制系統也倍受人們歡迎。</p><p>　　1.5　單片機在輸液點滴的研究現狀</p><p>　　隨著科學技術的發展，MCS-51為核心的單片機控制系統，已經滲透到日常生活的各個方面。相對其他領域來說，速度控制是單

56、片機系統最典型，最廣泛的應用領域之一。單片機輸液滴速控制是醫院中常見的問題。輸液滴速控制針對不同的病人情況采用不同的點滴速度進行輸液控制，比如對成人輸液滴速一般設在60~80滴/分鐘，而對兒童輸液滴速一般設在30~40滴為宜。醫院中常見的輸液管雖然能進行速度調節，但調節不準確，不易控制，而且常因為疏忽大意發生血液回流現象，有時速度過快還會對病人造成不良反應，另外作為醫療過程，醫務人員也需要對每個病人的輸液過程進行監控和記錄完善病人檔案，

57、為此研究點滴速度控制就顯得非常必要。且單片機的控制容易實現，控制過程也比較簡單，更能夠滿足輸液滴速的高要求控制。目前市場上常見的點滴速度控制產品主要是輸液泵，此種設備控制精度高，功能也比較強大，但價格不菲，適用于輸液要求較高的場合，而且使用前后都要進行清洗，不太方便。針對以上情況我們對系統進行改進設計了一種方便實用、低成本的滴速速測控系統。</p><p>　　在輸液點滴速度控制系統中，廣泛應用與8051系列兼容

58、的單片機，滴速檢測和液面檢測可用光電傳感器或者電容式傳感器，顯示部分可選擇液晶顯示和數碼管顯示。鍵盤可采用8279 擴展鍵盤或者直接利用I/O 擴展而成。通訊協議采用串行通信方式RS232。滴速控制采用步進電機提高輸液瓶高度來控制滴速的快慢，步進電動機控制采用模糊控制或者PI控制或者兩者結合控制，報警電路同時采用蜂鳴器和發光二極管。</p><p>　　1.6 課題的主要內容及發展前景</p>&

59、lt;p>　　1.6.1 課題的主要內容</p><p><b>　　一、要求</b></p><p>　　本課題是以單片機為核心，設計一個液體點滴速度監測與控制裝置，能檢測點滴速度，控制點滴速度，并能發出報警信號。系統采用主站控制從站的有線監控系統方式實現醫療輸液過程的群控。設計的主要內容是完成群控系統控制裝置的軟、硬件設計及調試。</p>&l

60、t;p><b>　　二、內容</b></p><p>　　1）、總體方案的確定；2）、單片機的選擇；3）、各模塊電路的設計；4）、軟件設計；5）、各模塊調試；6）、撰寫設計說明書。</p><p>　　1.6.2 課題的發展現狀與前景展望</p><p>　　隨著電子技術的發展，我們在生活中的各方面大部分都采用了人工智能代替人，特別在一

61、些工業應用場合。應用技術的飛速發展，使得單片機應用系統已經逐漸成熟，應用也越來越廣泛，目前，單片機已經成為IP庫中的重要成員。</p><p>　　我個人認為，單片機輸液點滴速度控制的發展在今和未來將成為醫療設施發展的趨勢，畢竟，單片機憑著優越的性價比，與以往的點滴滴速控制系統相比，其單片機價格便宜，操作易于實現，而且對滴速的控制要求精度也較高。再者，單片機操作多機控制系統，還可減輕工作人員的壓力，提高醫護人員的

62、工作效率。在人為控制下有時候如不小心將會為安全設施帶來很大的麻煩，而且人工控制滴速精度也很難掌握，而使用單片機設計只要在設計時考慮周到，運行起來就不會帶來這種問題了，因此，單片機滴速控制系統將在醫療中得到廣泛應用。醫療事業的發展是順應科學技術而發展的，醫療的安全問題更離不開科學，把高科技應用到醫療事業中來是對醫療事業的一大促進與補充。</p><p>　　隨著現代信息和電子技術應用領域的不斷拓寬，越來越多的應用領

63、域提出了各種特殊要求。例如，航空航天領域要求的小體積大系統，信息應用領域提出的個性化等要求，都使得一般固件技術難以勝任。特別是在民用領域，重視個性化的產品設計概念使應用電子產品的更新速度極快，而且小批量多品種的要求也越來越高。這就是提出了小批量產品與成本、集成化與成本、產品研制周期與成本等一系列的問題。也將是單片機在醫療設施中展的必然趨勢。</p><p>　　第2章　系統方案確定</p><

64、p>　　2.1　系統設計要求</p><p>　　本系統要求設計一個以單片機為核心的液體點滴速度監測與控制裝置，檢測點滴速度、控制點滴速度，并能發出報警信號，系統采用主站控制從站的有線監控系統方式實現醫療輸液過程的群控。設計主要是完成群控系統控制的硬、軟件設計及調試。</p><p>　　1、基本要求：1）在滴斗處檢測滴速，并制作一個數顯裝置，能動態顯示點滴速度（滴/min）。2）通

65、過改變控制點滴速度，如圖2.1所示，或通過控制輸軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤設定顯示，設定范圍為20～150滴/min，控制誤差范圍設定值（±10％±1）滴。3）調整時間3min（從改變設定值起到點滴速度基本穩定，能人工讀出數據為止）。4）當降到警戒值（2～3cm）時，能發出報警信號。</p><p><b>　　2、其它部分</b></

66、p><p>　　設計制作一個由主站控制16個從站的有線監控系統。16個從站中只有一個從站是按基本要求制作的一套點滴速度監控裝置，其它從站為模擬從站（僅要求制作一個模擬從站）。</p><p><b>　?。?）主站功能：</b></p><p>　　a.具有定點和巡回檢測兩種方式b.可顯示從站傳輸過來的從站號和點滴速度。c.在巡回檢測時，主站能任意

67、設定要查詢從站的數量、從站號和各從站的點滴速度。d.收到從站發來的報警信號后，能聲光報警并能顯示相應的從站號；可用手動方式解除報警狀態。</p><p><b>　?。?）從站功能：</b></p><p>　　a.能輸出從站號、點滴速度和報警信號；從站號和點滴速度可任意設定，b.接收主站設定的點滴速度信息并顯示。c.對異常情況進行報警。</p><

68、;p>　?。?）主站和從站間的通訊方式不限，通信協議自定，但應盡量減少信號傳輸線的數量。</p><p>　　2.2　系統設計總體方案</p><p>　　本系統從站以AT89C52單片機為核心，輔以一些必須的外圍電路，實現滴速檢測和控制。而用另外一片AT89C52單片機作為主站，采用通訊協議進行傳輸，設計實現一個主站控制多個從站的有線監控系統。主機采用大屏幕液晶顯示器，不但可以顯示

69、當前滴速、在聲光報警后還可顯示相應的從機號，更嵌入時間顯示模塊，實現簡單友好的人機界面，符合實際要求。主站鍵盤直接采用I/O擴展而成，充分考慮到了操作的便捷和簡易性。外圍電路電源均由主機統一控制管理。監測與點滴速度調節構成從站的主要功能，其主要模塊除單片機控制部分外，還有滴速檢測、滴速調節、異常報警電路、速度設定與數碼顯示等。系統采用光電耦合傳感器來進行檢測滴速和液面高度產生中斷進行計數，采用步進電機升降來進行滴速的控制，如果檢測到的滴

70、速在要求誤差范圍內過快或者過慢，則驅動步進電機來調節儲液瓶的高度或者擠壓軟管達到控制的目的。當出現異常情況如儲液低于（2～3cm）時或者滴速低于或高于要求控制的范圍（20～150滴/min）時，則驅動聲光報警電路進行報警。顯示裝置則采用LED 顯示器，從站鍵盤采用8279擴展鍵盤，另外還可加入紅外遙控鍵盤裝置，護士人員不但對從站</p><p>　　2.3　系統各模塊方案選擇</p><p&g

71、t;　　2.3.1　單片機型號的選擇</p><p>　　本系統是以單片機為核心的輸液滴速控制系統，單片機應用系統性能優越，價格便宜，而且功能強大，用戶界面友好，雖然工業PC機、PLC和DSP等，其性能雖也強，比如PLC、DSP等功能強，可靠性也極高，使用方便，體積小巧，但其性價比遠沒有單片機應用系統高，在更多的工業控制應用場合，單片機應用系統突出的性價比而迎得用戶的青睞。設計這樣一個簡單的應用系統，Intel公

72、司的8051和其它的一些公司芯片均可選用。其他一些MCS-51系列兼容的芯片，如ATMEL公司生產的AT89C××系列單片機，該單片機完全與8031兼容，并且還具有程序加密等功能，物美價廉，經濟實用，成為技術更加成熟的新一代單片機應用系統。AT89C52內部含有大容量的Flash存儲器，功能強，性價比憂，可以反復擦寫，給用戶提供了極大的方便，所以在生產開發及便攜式商品中、手提式儀器等方面有著十分廣泛的應用，也是目前取

73、代傳統的MCS-51系列單片機的主流單片機之一?；谏鲜霰鞠到y采用與8031兼容的AT89C52單片機。</p><p>　　2.3.2　點滴速度檢測和液面檢測方案的論證與比較</p><p>　　方案一：采用金屬電極檢測點滴速度信號以及儲液瓶液面信號。如圖2.2a所示，用藥液的導電特性實現液滴速度及儲液瓶液面信號的檢測，當有液滴下落時，金屬電極接通，此時產生一個高信號脈沖，無液滴下落時，

74、金屬電極斷開，由此產生一個高低信號脈沖，通過對高低脈沖進行計數，檢測液滴速度（滴／min），同理，液面也可以采用金屬電極檢測，如圖2.2b所示。通常電極采用不銹鋼等耐腐蝕材料制成。</p><p>　　方案二：采用光電傳感器檢測點滴速度以及儲液瓶液面信號，原理如圖2.3a所示。發光二極管發射的平行光束穿過滴管投射到光敏三極管的感光面上，在沒有液滴滴落時，光敏三極管接收到的光照度最大，產生的光電流也最大，當有液滴滴

75、落時，由于液滴的形狀特性，使平行光束發散，投射到光敏三極管上的光照度將減弱，從而使光敏三極管產生的光電流減小，形成低信號脈沖。液位檢測的基本原理與液滴檢測相同,如圖2.3b所示。</p><p>　　a) 　　 b) 　　a) 　　b)</p><p>　　圖2.2　金屬電極檢測滴速和液面裝置　

76、 圖2.3　光電傳感器檢測滴速和液面裝置</p><p>　　電極接觸控制方式原理簡單，易于實現，可靠性強，但會導致藥品污染，危及患者安全。而光電控制方式雖然結構復雜，紅外發射接收傳感器具有體積小、測量精度高、靈敏度好、避免與被測物直接接觸且安裝方便等優點。易受外界光源影響，但可防止藥品的污染，保證患者用藥安全，所以本系統采用方案二。</p><p>　　2.3.3　滴速控制方案的論證與

77、比較　 </p><p>　　方案一：改變輸液瓶高度控制點滴速度。</p><p>　　在輸液管截面積確定的條件下，利用儲液瓶高度不同所引起的液體壓強差的改變，實現對點滴速度的控制，當液滴速低于要求時，提高液瓶的高度增大壓強減小滴速，反之則可提高液滴速度。</p><p>　　方案二：改變輸液軟管截面積

78、控制點滴速度。</p><p>　　在輸液瓶高度確定的條件下，通過改變輸液管導通截面積實現點滴速度的控制，當滴速高于要求時，擠壓軟管則可達到調速要求，反之，則可提高滴速。如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4　擠壓軟管滴速控制裝置　　　　　　　圖2.5　拉緊壓軟管滴速控制裝置</p><p>　　方案三：拉緊軟管控制點滴速度。</p><

79、p>　　如圖2.5所示，可以拉緊軟管或者放松軟管來控制滴速。方案一中的高度控制可利用小型電機實現，具有結構簡單、控制精度高等特點。方案二因為輸液軟管的截面積較小且形變后恢復速度較慢，難以實現點滴速度的精確控制。方案三中，雖容易實現，由于作用時間長的話，對軟管有損傷，可能引起漏液，且和方案二一樣存在輸液軟管的截面積較小且形變后恢復速度較慢，此三種方案都有優、缺點，但權衡之下還是方案一更好一些。因此在本系統采用方案一?！　　　　　　　?/p>

80、　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　2.3.4　電機控制算法的選擇</p><p>　　電動機包括直流電動機、交流電動機及步進電動機等三種，其在工業控制中扮演極重要角色。其中，由于步進電動機的驅動方式簡單、激活快速及定位準確等優點，被廣泛應用于計算機外設上。鑒于此優點，本系統采用步進電動機控制點滴滴速。</p><p>　　步進電機控制算法的選擇直接

81、影響到系統的性能和技術指標，在本系統的設計中起著關鍵的作用。較為可行的方案有：</p><p>　　方案一：采用模糊控制。其優點是不需要精確知道被控對象的數學模型，而且適用于具有較大滯后特性的被控對象。缺點是靜態誤差不容易控制。</p><p>　　方案二：采用PI控制。其優點是理論和技術都很成熟，在單片機上較易實現，可以達到較小的靜態誤差。</p><p>　　方

82、案三：采用模糊控制與PI 控制結合的算法。</p><p><b>　　本系統采用方案一。</b></p><p>　　2.3.5　鍵盤、顯示及聲光報警部分</p><p>　　顯示部分可選擇液晶顯示和數碼管顯示。本系統從站使用8279 擴展鍵盤和LED 顯示器；而主站部分由于要求實時顯示多組數據，因此選用MGLS12864 液晶顯示器顯示。4

83、×4 鍵盤直接利用I/O 擴展而成。聲光報警電路也可直接利用單片機I/O口輸出放大驅動二極管發出聲光報警。</p><p>　　2.3.6　主從站協議部分</p><p>　　方案一：采用并行總線方式。多機通信時，結構復雜。</p><p>　　方案二：采用RS232 串行通信。通信技術成熟，僅需要TXD，RXD兩條通信線，波特率可調，通信速度快。缺點是T

84、TL信號容易受干擾，不利于長距離傳輸數據。</p><p>　　方案三：采用RS485 串行通信方式。本方案具有方案二的優點，并且抗干擾能力強，可實現較長距離通信。</p><p>　　方案四：采用總線通信協議。優點是易于實現多機通信并且通信線路簡單，僅需要SDA，SCL 兩條通信線。但是不適合較長距離的信號傳輸</p><p>　　由于主從機通信距離較短，從最佳性

85、價比出發，選擇方案二。</p><p><b>　　第3章　硬件設計</b></p><p>　　3.1　系統硬件設計</p><p>　　主站采用當前主流單片機AT89C52，串行通訊采用RS232串行通訊接口芯片實現主、從通訊，鍵盤控制輸入設定從站滴速，接入顯示器顯示從站滴速，當從站滴速或液面出現不正常情況時，驅動聲光報警發出聲光報警。從站

86、也是主要以AT89C52單片機為核心，在輔設一些外圍電路，從站可以顯示并輸入設定滴速進行運行，出現異常情況發出聲光報警，另外當主、從站通過通訊接口可相互傳輸和接收信號。主從站系統總體框圖如圖3.1所示。</p><p><b>　　a)</b></p><p><b>　　b)</b></p><p>　　圖3.1　a)主

87、站系統框圖　b)從站系統框圖</p><p>　　3.2主站及通信網絡的設計</p><p>　　3.2.1　主站硬件電路設計</p><p>　　1）MGLS12864液晶顯示器</p><p>　　點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行由16字節，共16&#

88、215;8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區1024字節相對應，每一字節的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區的000H～00FH的16字節的內容決定，當（000）=FFH時，則屏的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則顯示屏的右下角顯示一短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，…（00EH）=

89、FFH，（00FH）=00H時，則在屏的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。</p><p>　　用LCD顯示一個字符時比較復雜，應為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏上某幾個位置對應的顯示RAM區的8字節，還要使每字節的不同的位為“1”，其他的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮，這樣一來就組成某個字符。但對于內帶字符發生器的控制器（如

90、HD61202）來說，顯示字符就比較簡單了，可讓控制器工作在文本方式，根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數找出顯示RAM對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。</p><p>　　MGLS12864液晶顯示模塊接口定義如表3.1所示。</p><p>　　表3.1　 MGLS12864液晶顯示模塊接口定義</p><p>　　MGLS12864液

91、晶顯示接口信號中的兩片選信號組合如表3.2所示</p><p>　　表3.2　MGLS12864液晶顯示選信號組合</p><p>　　本系統采用P0口作為液晶顯示器數據輸入信號，P2.0～P2.2分別為寄存器選擇信號、讀/寫選通信號、使能信號。片選信號未選。具體硬件接線圖見附表C。</p><p><b>　　2）I/O擴展鍵盤</b><

92、;/p><p>　　為了充分利用從站單片機的CPU，提高CPU的使用效率。在本設計中，鍵盤采用中斷控制方式，即只有在按下某一個特定的按鍵（本設計中為“設定”鍵）時，才向單片機發送一個中斷信號，使單片機產生中斷，從而使單片機轉向處理鍵盤中斷子程序，對鍵盤進行動態掃描，接受外界輸入的鍵值（包括數字鍵和“確定”鍵），當按下“確定”時，系統便退出鍵盤中斷子程序，轉向主程序進行滴速的檢測與控制。也就是說在未按“設定”鍵以前，按

93、數字鍵和“確定”是無效的。</p><p>　　在單片機應用系統中，通常應具有人機對話功能，能隨時發出各種控制命令和數據輸入以及報告應用系統的運行狀態與運行結果。鍵盤可以分為獨立式和矩陣式，每一類按其編碼法又都分為編碼及非編碼兩種類型。</p><p>　　獨立式鍵盤是指直接利用I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵占有一根I/O口線，每根I/O口線的工作狀態不會影響其他I/O口線工

94、作。獨立式鍵盤接口電路配置靈活，軟件結構簡單，但每一個按鍵必須占一根I/O線，在鍵數較多時，I/O線浪費較大，因此，在本系統中，為了減少I/O口線的占有用，采用矩陣式鍵盤。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是用一個按鍵加以連接，但其結構要復雜一些，識別也要復雜一些。接線如圖3.2所示。P1.0～P1.3作為輸入線，P1.4～P1.7用為輸出線。列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O作為輸出端，而列線所接

95、的I/O口作為輸入端。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，輸入線就會被拉低，這樣，通過讀輸入線的狀態就可得知是否有鍵被按下。</p><p><b>　　3）聲光報警電路</b></p><p>　　設計要求系統發生故障時發出聲光報警信號，可選擇一只蜂鳴器來實現這一功能。壓電式蜂鳴器工作時約需10mA的驅動電流

96、，由于單片機輸出信號不能直接驅動蜂鳴器，因此外接驅動電路，電路設計如圖3.3所示。蜂鳴器作為三極管VT3的集電極負載，當VT3導通時，蜂鳴器發出鳴叫聲；VT3截止時，蜂鳴器不發聲，R是限流電阻。</p><p>　　將VT3的基極接到單片機的P2.7管腳上，P3.7作為輸出口使用。當P2.7＝0時，VT3、VT2導通時，使蜂鳴器和LED1的兩個管腳間獲得將近5V的直流電壓，蜂鳴器和故障燈中有電流通過，而產生蜂鳴和

97、故障燈點亮；當P2.7＝1時，VT截止，故障燈和蜂鳴器的兩管腳間的直流電壓接近0V，故不工作，而正常燈兩管腳間有接近5V電壓而工作。</p><p>　　3.2.2　通信網絡設計</p><p>　　RS232是目前被廣泛使用的異步串行數字通信電氣標準，由電子工業協會EIA（Electronics Industry Association）制定。過去數十年中，RS232在低速數據通信領域出

98、盡了風頭。這種傳輸速度不快、傳輸距離也不遠的接口能夠在幾乎所有民用通信設備中占據主要角色，一個原因是早期用戶對通信速度和距離的要求不高（距離可以通過調制解調器加長）；另一個原因是它被所有PC、服務器認同為標準串行接口，成為計算機與桌面設備之間最簡單、有效通用的聯接通道之一。出于同樣的原因，在多單片機之間的通信中RS232也占據著重要位置。</p><p>　　RS232標準推薦的物理聯接器有25(DB-25)針型

99、和新一代的9(DB-5)針型，它們在計算機和連接線上的位置和定義如圖3.4和表3.3所示。 </p><p>　　表3.3　RS232接口定義</p><p>　　以上信號在通信過程之中可能會全部或部分使用，最簡單的通信僅需TXD、RXD和SG即可完成，其它的握手信號可以做適當處理或者直接懸空，至于是否可以懸空，這根據通信程序而定，本系統中具體接線圖如附圖C所示。

100、</p><p>　　MAX232系列芯片是把單片機輸出的TTL電平轉換為RS232標準電平（邏輯1：-15V～-5V;邏輯0：+5V～+15V）。圖3.5為MAX232封裝圖。引腳說明如表3.4所示。</p><p>　　表3.4　MAX232引腳說明</p><p>　　3.3　從站電路設計</p><p>　　3.3.1　滴速檢測與液面

101、檢測電路設計</p><p>　　本系統采用AUTONICS光電傳感器作為滴速和液面檢測，考慮到儲液瓶的大小，我選用了如表3.5所示型號傳感器。</p><p>　　表3.5　光電傳感器型號及特性</p><p>　　滴速和液面檢測原理圖如圖2.3所示。紅外對管夾在滴管兩邊一個發射管發出的紅外光被一頭的接收管所接收。一旦光路上有水滴通過，由于水對紅外光的反射與折射，

102、使得接收管的接收信號變弱，形成一個小脈沖。同理當液面低于所檢測液面時，使得接收管接收信號變弱。將檢測得到信號送入單片機INT0和TNT1產生中斷進行計數。</p><p>　　為了驗證以上的理論分析，專門用示波器記錄了多次這樣的脈沖，如圖3.6所示。多次測量穩定，雖有一些Vbas上下的波動，但是脈沖還是比較明顯，通過設定一個參考電平Vref，可以用運放來產生一個TTL電平的脈沖。經多次分析，有以下不穩定因素： &

103、lt;/p><p>　　(1)外界對紅外對管的干擾附近輻射源對信號干擾極大。為此，采取黑色覆蓋物包裹在對管周圍，既可以很好地吸收水滴反射和折射的紅外光，而且能盡量減小干擾。</p><p>　　(2)Vref的選取考慮Vref的選取應該略大于Vbas，這樣可以減小波動對輸出脈沖信號的影響。但不能太高，不然無法精確測量出脈沖來。所以，可以使用精密電阻來微調Vref,讓其保持在一個合適的值。<

104、;/p><p>　　充分考慮到系統的穩定性和可靠性，本系統硬件抗干擾由單穩態電路構成，通過改變電阻電容參數，消除雙脈沖干擾。電路如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7　滴速和液面檢測電路</p><p>　　3.3.2　鍵盤顯示電路設計</p><p>　　1）8279擴展鍵盤接口芯片</p><p>　　8279

105、是一種通用可編程鍵盤、顯示器接口，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分采用掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣鍵盤連接，能對鍵盤不斷掃描，自動去抖動，自動識別按下的鍵并給出鍵碼，能對多個鍵同時按下實行保護。</p><p>　　顯示部分按掃描方式工作，它為顯示器提供多路復用信號，最多能顯示16個字符或數字。8279引腳圖如圖3.8所示；引腳定義如表3.6所示。</p><p>　　表

106、3.6　8279引腳定義</p><p>　　2）LED顯示電路設計</p><p>　　單片機應用系統中，通常都需要進行人機對話。這包括人對應用系統的狀態干預與數據輸入，以及向人們顯示運行狀態與運行結果等。顯示器、鍵盤就是用來完成人機對話活動的機通道。</p><p>　　由于單片機的并行口不能直接驅動LED顯示器，必須采用專用的驅動電路芯片。使之產生足夠大的電流

107、，顯示器才能正常工作。如果驅動電路能力差，即負載能力不夠，顯示器亮度就低，而且驅動電路長期在超負荷下運行容易損壞。</p><p>　　LED顯示器的顯示控制方式有靜態和動態兩，若選擇靜態顯示，則LED驅動器選擇較為簡單，只要驅動器的驅動能力與顯示器電流匹配即可，而且一般只需考慮段的驅動；動態顯示則不同，由于一位數據的顯示是由段和位選信號共同配合完成的，因此，要同時考慮段和位的驅動能力，而且段的驅動能力決定位的驅

108、動能力。</p><p>　?、佟ED顯示器的選擇　在應用系統中，設計要求不同，使用的LED顯示器的位數也不相同，因此生產廠家生產了多種位數、尺寸、型號不同的LED顯示器?？紤]到最高滴速和從站號位數，在本系統設計中選擇了4位一體的LED顯示器，簡稱“4-LED”，如圖3.9所示。第一位用于顯示從站號，后三位用于顯示滴速。</p><p>　?、凇ED的段驅動芯片選擇　LED的段驅動電路

109、有很多種，本系統中可選擇BCD-7段鎖存/譯碼/驅動74LS48作為段驅動電路。圖3.10所示為74LS48的管腳圖。</p><p>　　管腳圖中大寫字母A、B、C、D為BCD碼的輸入端，小寫字母a、b、c、d、e、f、g為字型碼輸出端，LT為燈測試輸入端，RBI為消隱輸入，RBO為消隱輸出。8279擴展鍵盤顯示電路如圖3.11所示。</p><p>　　圖4.9　從站接收流程圖<

110、/p><p>　　第5章　系統調試、抗干擾及制板</p><p>　　本次設計基本上完成了課題要求,實現了單片機對液體的點滴速度的測量與控制 液面檢測與報警和主從機間的通訊。本設計是以單片機為核心,通過紅外線傳感器對點滴及液面進行檢測,經過555單穩態電路送入單片機,再通過軟件編程實現對其達到測量與控制的目的。同時設有報警裝置,一旦有異?，F象發生,單片機將會發出報警指令。主從機通信部分采用RS