液体点滴速度监控装置

液体点滴速度监控装置液体点滴速度监控装置、设计题目：液体点滴速度监控装置设计成员：指导老师：设计时间：摘要：为了解决人工监测输液治疗所存在的问题，缓解医护人员的工作压力，设计了一种基于光电监测技术、串口通信技术的监测系统。本液体点滴速度监控装置采用TI公司的MSP430F2274单片机作为核心控制芯片，由液晶显示模块、电机驱动模块、传感器模块、电源模块组成。实现点滴速度控制、液晶显示点滴速度、点滴测速等功能。在机械结构上，用一个步进电机，再外加一个定滑轮，来控制滴斗与受液瓶之间的高度，以达到控制液滴的速度目的。采用PWM 驱动芯片控制电机，反射式红外传感器检测液滴滴落的速度，LCD128*64显示点滴的速度。基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法，实现题目要求。而且附加实现主从机通信等扩展功能。关键词：MSP430F2274；串口通信；PWM电机驱动；光电传感器Abstract: In order to address the treatment of intraocular fluid by monitoring the problems and ease the work pressure of health care professionals to design a photovoltaic-based monitoring techniques, serial communication technology of the monitoring system. The speed of the liquid drip monitoring device MSP430F2274 using TIs single-chip control as a core chips, by the liquid crystal display module, motor driver module, sensor module, power module. To achieve speed control drip, drip liquid crystal display speed, bit by bit gun functions. In the mechanical structure, the use of a stepper motor, and then plus a fixed pulley, to control the drip bucket with the bottle between the liquid height, in order to achieve the purpose of controlling the speed of droplets. PWM driver chip used to control motors, reflective infrared sensors detect the speed of droplets drip, LCD128 * 64 shows that the rate of drip. Hardware design based on a reliable and stable software algorithms, the requirements to achieve the title. And the additional achievement of master-slave communication, such as extensions.Keywords: MSP430F2274; serial communication; PWM motor drive; photoelectric sensor目 录1系统设计41.1 设计要求41.1.1 任务41.1.2 要求41.1.3 说明51.2 总体设计方案51.2.1 设计思路51.2.2 方案选择与论证71.2.3 系统组成102系统的硬件电路设计与实现112.1 控制电路的设计112.2 电机驱动电路的设计122.3 显示模块的设计132.4 液体点滴监控电路的设计142.5 电源模块的设计153系统软件设计153.1系统主程序163.2液滴速度监控子程序163.3主从站通信程序173.4液晶显示子程序173.5 编程感想184系统测试184.1 测试使用的仪器184.2 指标测试和测试结果194.2.1液滴检测部分测试194.2.2调整时间的测试194.2.3误差分析204.2.4系统实现的功能205结论20参考文献20附录1 使用说明21附录2 主要元器件清单21附录3 实物图22附录4 电路原理图及印制板图22附录5 程序清单221系统设计1.1 设计要求1.1.1 任务设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置，示意图如图1所示。1.1.2 要求1. 基本要求（1）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。（2）通过改变h2控制点滴速度，如右图所示；也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20150(滴/分)，控制误差范围为设定值 10% 1滴。（3）调整时间3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。图1 液体点滴监控示意图（4）当h1降到警戒值（23cm）时，能发出报警信号。2. 发挥部分设计并制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中，只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站 (仅要求制作一个模拟从站)。（1）主站功能： a具有定点和巡回检测两种方式。 b可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。 c在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度。 d收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。（2）从站功能： a能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定。b接收主站设定的点滴速度信息并显示。c对异常情况进行报警。（3）主站和从站间的通信方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。（4） 其它。1.1.3 说明1. 控制电机类型不限，其安装位置及安装方式自定。2. 储液瓶用医用250毫升注射液玻璃瓶（瓶中为无色透明液体）。3. 受液瓶用1.25升的饮料瓶。4. 点滴器采用针柄颜色为深蓝色的医用一次性输液器（滴管滴出20点蒸馏水相当于1ml0.1ml）。5. 赛区测试时，仅提供医用移动式点滴支架，其高度约1.8m，也可自带支架；测试所需其它设备自备。6. 滴速夹在测试开始后不允许调节。7. 发挥部分第（2）项从站功能中，c中的“异常情况”自行确定。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中信号检测部分包括：液滴监控模块。控制部分包括：电机驱动模块，显示模块，控制器模块，计时模块，按键控制模块六个基础模块，硬件模块框图如图2所示。此外，液体点滴速度监控装置对软件要求相对要高，软件设计部分包括主从机串口通信，液体警戒值判断等模块，软件部分结构如图3所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。控制器模块计时模块电机驱动模块液晶显示模块液滴监控模块按键控制模块图2 系统硬件组成方框图液体剩余量算法键盘扫描函数电机控制函数主从机串口通信函数液晶显示函数MSP430F2274图3 系统软件结构图1.2.2 方案选择与论证（1）控制器模块根据题目要求，控制器主要用于红外对管传感器信号的接收与辨认、控制点滴的速度、控制液晶显示滴速与系统运行以及液体到了警戒值发出信号等。对于控制器的选择有以下几种方案。方案一：采用FPGA作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制监控系统作出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用ATMEL公司的AT89C51作为系统控制器的CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。但由于本系统设计的模块众多，所需I/O口线较多，需两个单片机控制，使其电路复杂，增加了调试的难度。方案三：采用TI公司的MSP430单片机。MSP430在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压为1.83.6 V，正常工作时功耗可控制在200A左右，低功耗模式可实现2A甚至O.1A的低功耗。MSP430系列单片机作为性能优异的MCU在中国已经得到了广泛的应用。MSP430具有高集成度，通常在单个芯片上集成了12位的A/D转换器、比较器、多个定时器，以及片内USART、看门狗、片内DCO等。一般单片就可满足大多数的应用需要。支持JTAG在线编程，可以方便地实现程序的下载、仿真、调试和升级。可以实现液体点滴速度监控装置的设计。方案选择：基于以上分析，拟定方案三。（2）电机的选择方案一：采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,无法达到短距离控制储液瓶上下移动的要求。方案二：采用型号4B2YG的步进电机控制小车的运动，最小步进角为0.9度，因此能实现短距离控制储液瓶上下移动，而且当不给步进电机发送脉冲的时候，能实现自锁，从而能较好的实现储液瓶及时停止的目的。方案选择：经过反复的比较、论证，我们最终选用了方案二。该型号步进电机加驱动器后与单片机接口简单，控制方便。图4 电机驱动电路（3）电机驱动模块电机的驱动电路主要通过电机的正转和反转实现受液瓶位置（高低）的控制，以达到控制点滴滴速的目的。对于电机驱动电路有下面几种方案。方案一：利用9012、2SC8050、及电机构成驱动电路。如图4所示，如果单片机控制口输出高电平，9012截止，2SC8050截止，电机停止运转。单片机控制口输出低电平时，9012导通，2SC8050导通，电机开始运转。该电路比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极管性能非常稳定。 但该方案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离，而电动机在切换时会产生巨大的反电动势，经常烧坏单片机。方案二：利用BA6219B及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。单片机控制口接BA6219B的两个输入控制端IN1,IN2。BA6219的两个输出端OUT1(2),OUT2(10)接电机。图5 电机驱动电路表1 电机转动状态编码表左电机右电机左电机右电机1IN11IN22IN12IN21010正转正转1001正转反转1000正转停0110反转正转0010停正转0101反转反转根据上表可知，只要设定两块BA6219B的1IN1,1IN2,2IN1,2IN2四个控制端口的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态；且BA6219B的最大输出电流为2.2A，可使电动车快速运行。但是这种方法控制较复杂，不宜采用。方案三：使用PWM控制芯片来实现对电机的控制，L298芯片实现电机的驱动。此种方法简单易调，对于控制电机转动的速度最是方便。方案选择：基于以上分析，拟定方案三。（4）显示模块在液滴速度监控过程中，系统需要对液体滴速做必要的显示。我们考虑有以下两种显示方案。方案一：使用传统的数码管显示。数码管具有：低功耗、第损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、放高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。但是其电路复杂，由于时间紧迫不宜采用。方案二：使用液晶显示屏显示时间和路程。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。方案选择：根据以上论述，采用方案二。（5）液体速度监控模块液体速度监控模块实现对液滴滴落的速度进行监控，因此需要利用传感器对其进行探测，并通过软件算法来进行液滴速度的计算。对传感器的选择有以下方案。方案一：采用热探测器。热探测器是利用所接收到的红外辐射后，会引起温度的变化，温度的变化引起电信号输出，且输出的电信号与温度的变化成比例，当红外线被黑线吸收时，温度会减小，电压变低，而红外线没有被吸收时，电压不变，单片机可以根据电压的变化来判断路面的状态。由于温度变化是因为热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境的影响比较大。方案二：采用光电对管。光电探测器接收红外辐射后，由于红外光子直接把材料的束缚电子激发成传导电子，由此引起电信号输出，信号大小与所吸收的光子数成比例。且这些红外光子的能量的大小（即红外光必须满足一定的波长范围），必须满足一定的要求，才能激发束缚电子，起激发作用。光电探测器吸收的光子必须满足一定的波长，否则不能被吸收，所以受外界影响比较小，抗干扰比较强。方案选择：基于以上论证，采用方案二。（6）计时模块计时模块要求实现的功能是对小车从启动到停止的过程进行计时，最小单位为0.01s。由于本系统的控制器是由单片机构成的，其内部有很好的定时系统，因此系统使用MSP430F2274内置的定时器实现该模块功能。（7）电源模块方案一：所有器件采用单电源供电。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺现象，严重干扰单片机的正常工作及传感器的准确检测。方案二：多电源供电。单片机控制部分、显示电路、光电对管部分用小型蓄电池并用稳压块稳压到不同的电压供电，特点小型蓄电池，输出功率大，在负载不稳定的情况下能保证合适的电压和电流输出。而电机驱动部分则采用9V电源供电。这样设计虽然不如单电源方便灵活，但可以将电极驱动所造成的干扰有较高的抑制，提高了系统的稳定性能。方案选择：系统的稳定可靠是电子设计中很重要的一点，所以我们采用方案二。1.2.3 系统组成经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1） 控制模块：采用MSP430F2274单片机；（2） 电机的选择：4B2YG步进电机；（3） 电机驱动模块：采用L298芯片驱动，PWM调制方式控制电机；（4） 显示模块：采用128*64LCD液晶显示屏显示；（5） 点滴速度监控模块：采用光电探测器。（6） 计时模块：采用MSP430F2274内置的定时器。（7） 电源模块：采用双电源供电。系统的基本框图如图6所示。核心控制器件MSP430F2274（主机）电机驱动L298液体点滴速度控 制按键设置点滴速度液体滴速显示LCD128*64电源供电液滴点滴速度监控系统（从机）串口通信红外对管监控液滴速度图6 单片机控制的方框图2系统的硬件电路设计与实现2.1 控制电路的设计单片机接收从传感器检测电路或者按键控制电路输入的逻辑信号和脉冲信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制电流或控制电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。图7 MSP430F2274控制电路单片机MSP730F2274外接液滴监控电路，按键控制电路和显示电路，其中按键控制电路和液滴监控电路是信号输入，显示电路是信号输出。为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的所有引脚用接口引出。图7为控制电路的电路图。2.2 电机驱动电路的设计图8 电机驱动电路分析题目可知，在该系统中，可以通过改变h2的大小，来控制液体点滴的速度。这样，采用步进电机的正反转来改变h2的大小。电机的驱动芯片选用L298N 作为驱动芯片。工作稳定电机驱动信号由单片机提供，信号传至PWM 控制芯片L298N，通过L298N的输出脚与两个电机相连。L298N的连接方法如图8所示。芯片控制方法如表2所示，11脚为高时，当10脚电平高于12脚时，13脚， 14脚端电机正转；12脚电平高于10 脚时，电机倒转；11脚为低时，电机自由控制。表2 L298引脚功能表引脚NameFunction 功能说明1;15Sense A; Sense B电流监测端,1、15，SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地2;3Out 1; Out 21Y1、1Y2输出端4VS功率电源电压,此引脚与地必须连接100nF电容器5;7Input 1; Input 21A1、1A2输入端，TTL电平兼容6;11Enable A; Enable BTTL电平兼容输入 1EN、2EN使能端，低电平禁止输出8GNDGND地9VSS逻辑电源电压。 此引脚与地必须连接100nF电容器10; 12Input 3; Input 42A1、2A2 输入端，TTL电平兼容13; 14Out 3; Out 42Y1、2Y2 输出端 监测引脚152.3 显示模块的设计显示器是人类与应用设备沟通的重要界面，近年来，随着电子技术的飞速发展，液晶显示技术在实际生活中得到了广泛应用。液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化以及接口电路简单等诸多优点在科研、生产和产品设计等领域中发挥着越来越重要的作用。图9 液晶显示电路本系统中采用液晶来显示液体的滴速，系统运行状况等信息。图9所示为液晶与MSP430F2274的连接图。为节省I/O口，采用串口方式与单片机通信。液晶串行接口管脚信息如表3所示。表3 液晶串行接口管脚信息表管脚号名称LEVEL功能1VSS0V电源地2VDD+5V电源正（3.0V5.5V）3VO-对比度（亮度）调整4CSH/L模组片选端，高电平有效5SIDH/L串行数据输入端6CLKH/L串行同步时钟：上升沿时读取SID数据15PSBLL:串口方式17/RESETH/L复位端，低电平有效19AVDD背光源电压+5V20KVSS背光源负端0V2.4 液体点滴监控电路的设计光电对管由水滴上下边缘遮挡可以产生相应的脉冲信号，其他检测系统多有应用，产生的脉冲信号，经单片机处理，可计算滴数，单片机对两滴之间的时间计算可得实时滴速。之后将这些信息通过串口通信方式在液晶上显示出来。图10 液体点滴监控电路图在输液管液滴垂直下落的路径上安装一对光电管来提取液滴的脉冲，这也是一般的做法。如果病人感觉不适可能会晃动滴管，或者其他原因，导致液滴相对的偏离垂直路径，使光电管监测不到液滴。这样显然不行，因此我们用三对光电管覆盖了液滴下落的一个平面，使得输液管晃动时依然可以不漏计液滴。根据接收系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路将接收的系数进行区分，转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制系统做出相应的反应，即控制点滴的速度，或是提示警告信息等。红外光电传感器，它是一种光电子扫描，光电二极管发射，接收管接收并输出的装置。它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。当检测器检测到液滴时，其输出低电平；当没有检测到液滴时，则输出高电平。如图10所示，通过传感器检测液滴，输出低电平，为了不漏记每一个液滴，采用SN74HC32或门将每一个液滴都计入单片机。电位器可调节传感器的灵敏度。2.5 电源模块的设计图11 电源电路本系统要求有3.3V,5V,9V混合输出电源。我们采用了一个多路电源提供系统用电要求，由于单片机MSP430F2274需要工作在3.3V的电压下，以达到低功耗的目的，而一些传感器，液晶等外围设备需要5V与9V的工作电压。9V电压则可以由蓄电池提供。所以我们利用一个7805三端5V稳压管为电路主要组成部分,然后在经过LD33稳压块将5V的直流电转为3.3V的电压，这样就可以为各个模块供电了。电源原理图见图11所示。3系统软件设计系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序是在WIN XP 环境下采用IAR Embedded Workbench软件编写。可以实现系统对传感器的查询，电机的控制，液晶显示等功能。 3.1系统主程序主程序主要起到一个导向和决策功能，决定系统什么时候该做什么。系统的各个功能的实现主要是调用具体的子程序来实现的。系统的主程序流程图如图12所示。开始MCU初始化液晶初始化I/O初始化调用液滴监控子函数调用按键扫描子函数调用液晶显示子函数调用警戒值判断子函数调用主从机通信子函数开定时器中断开I/O口中断开总中断图12 主程序流程图3.2液滴速度监控子程序光电对管信号经比较放大后送入单片机的I/O口产生硬中断，利用单片机程序对信号进行处理，得到需要的滴速和滴数，并经发送模块送出。液滴滴速的计算： v = 60 4096 TIME( /min) 滴，其中TIME 为单片机定时器A的两液滴间的计数寄存器值，4096 为32K 晶振8 分频后的时钟频率，定时器计数满4096 为1 秒。临床实验表明，标准的输液器每20 滴为1ML 液体。设总输液量为V0，已输液时间为t1，接收到的滴速为v，滴数为N，每分钟的总流量为f，剩余药量为V，剩余输液时间为t。3.3主从站通信程序题目要求设计并制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中，只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站 (仅要求制作一个模拟从站)。主站具有定点和巡回检测两种方式。可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度。收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。从站功能能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定。接收主站设定的点滴速度信息并显示。对异常情况进行报警。主站和从站间的通信方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。具体实现程序附录。3.4液晶显示子程序液晶子程序用来显示电路的主要显示部分，使得系统更具人性化。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。清屏写指令写数据送地址调用写子程序调用显示子程序返回图14 液晶显示子程序流程图带中文字库的128X64-0402B每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个168点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。带中文字库的128X64-0402B内部提供1282字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为：00000006H（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）显示自定义字型，02H7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0HF7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表所示。液晶显示流程图如图14所示。表3 液晶串行接口管脚信息表80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH3.5 编程感想基于单片机的程序设计，不仅要充分考虑单片机外部电路的电器特性，更要熟悉单片机的内部功能和控制方式。实践的过程就是熟悉的过程，只有通过不断调试，才能对如何正确使用单片机，创造性地利用单片机的特定功能产生更深刻的认识。例如，软件实现低功耗要用到中断，在使用中断时，为避免中断冲突，往往不在中断函数中直接执行它要触发的功能，而采取在中断函数中对标识变量置位，转回主函数执行相应操作。这样可以保证对绝大多数中断立即响应。这次设计是使用MSP430作核心控制芯片，使用IAR编译环境用C语言编程。IAR C430对MSP430支持的非常好，可以充分发挥MSP430单片机的功能。用C语言可提高软件开发、执行效率以及程序的可读性、可靠性和可移植性。当然为了避免使用低效的语言结构，理解MSP430的结构限制是非常重要的，下面是我的一点感想：（1）因为在MSP430上位域类型上执行缓慢，所以仅在报讯数据存储空间时才使用它。使用unsigned char 或unsigned int 的位屏蔽来代替位域。（2）建议使用unsigned类型，特别是除法求和模运算，对16位数据类型，MSP430的工作效率更高，通常8位数据类型的使用可以节省数据空间，但不可以减少代码大小。由于MSP430结构不支持32位数据类型，所以效率较低。（3）复制结构（Struct）和联合（Union）是耗费较大的操作。应该避免运行结构/联合的赋值等。建议采用指向结构/联合的指针操作。（4）在其他模块之外不使用的变量应当被声明为