红外遥控点滴输液控制器的设计.doc

内容编辑整目 录摘 要Abstract目 录第一章 绪 论11.1 计算机控制系统概述11.2 智能化输液系统的展望21.3 智能化输液系统的发展状况31.4 课题来源及意义51.5 本课题解决的主要问题6第二章 方案论证72.1 系统设计要求72.2 方案比较72.3 设计方案11第三章 硬件系统分析133.1硬件总体结构133.2 检测与控制电路设计163.2.1 滴速检测电路163.2.2 液位报警检测173.2.3 电机驱动控制电路183.2.4 键盘、显示和报警电路203.2.5 串行通讯接口电路253.2.6电源转换模块27第四章 软件设计284.1 总体软件设计流程图284.2 中断子程序软件设计294.3 显示模块软件设计304.4 上位机通讯模块30第五章 结论32第六章 致谢33参考文献34附录I35摘 要在当今世界，我们依靠智能终端技术已经越来越普遍，特别在一些精确的领域方面。现代静脉输液流速和护理的要求越来越高,在过去我国的医疗比较落后,容易出现护理人员的不小心.导致病人死亡的事情发生， 为了解决类似这些治疗过程发生的事情，所以我们设计红外遥控点滴输液控制器的设计.AT89C52控制电机。然后挤压输液管控制然后对液体点滴速度的控制，采用红外线传感器检测点滴速度，第一他的反应快，第二灵敏度高。 临床可以根据病人的不同情况配置不一样的点滴输液控制的速度，第二步由医护人员用眼睛直接进行观察，在过去的年代，技术还比较落后，主要依靠医护人员手动来控制输液速度大小，这样不易精确控制输液速度和还不放心在繁忙的时候。输液过程当中，可能会因为流速太快,导致病人血管爆炸，心脏加速，更严重的是导致心肌梗塞;假如当输液的速度太慢，那又不可以满足病人治疗要求，达到的效果不好和同时延长输液时间，治疗严重受影响而而且还给患者和护理工作压力增加很大。 医院的医用输液控制器还有很多功能，归纳起来，点滴输液泵能够实现以下功能: （1）第一可以精确测量和控制输液速度得大小。 (2)可精确测定和控制输液量的大小。 （3）流速均匀，不产生脉动。 (4)能对气泡、空液、漏液、心率发生异常现象和输液时液体管阻塞等异常情况进行报警的功能，系统并自动切断输液通路。 关键词：单片机 电机 红外线光源 两个传感器 7281 串行通讯接口AbstractAlong with the technological development, more and more realms need discharge or current velocities of the convection proceed precision control, The particularly modern medical treatment realm loses the liquid current velocity to the vein to want with the nursing of flow to beg more and more high. At present, Chinas medical institutions to drip injection, the most Guardianship of the traditional manual method of manual control, as a result of health care Less staff and more patients, easy to deal with due to monitor timely and triggered Medical malpractice. It can be seen on the course of treatment similar to those used Automated monitoring and management is imperative. This device is to adopts a AT89C52s enter the type electrical engineering squeeze to lose the liquid control system liquid intravenous drop speed. Combining the adoption infrared ray light fax feels machine examination intravenous drop speed,respond quick,the sensitivity is good. Combine detailed introducing the single electrical engineering control system that a machine constitute, and pass to expand BC7281 design for completing keyboard with realistic electric circuits. That system can also pass the slice of 串行通讯接口 constitutes with place of honor machine the lord from the control network, realizes to unify the control. Combine to have the liquid of lose over the friendly bubble reports to the police to wait the function, using the vivid convenience.We usually say the intravenous infusion, referred to as drip or hanging infusion and water, is one of the most commonly used method in the clinical treatment of patients, is todays nursing professionals in the field of a commonly used drug treatment technology.Clinical can according to patients condition configuration is not the same as the infusion control speed, the second step by health care professionals with the eyes directly were observed, in past times, technology is relatively backward, mainly rely on medical staff manual to control the size of a transfusion speed, so is not easy to precise control infusion speed and still is not at ease in the busy time.The infusion process, may lead to poisoning phenomenon, the more serious thing is can lead to edema and heart failure was the cause of death; when the infusion speed too slow may also occur in the dosage is not enough, effect is not good and not necessary to extend the time of infusion in the treatment of severely affected and returned to the patients and nursing work pressure increases greatly.The worlds medical drip infusion instrumentation systems in several parts of the main components: the computer system, the pump means, detecting means, alarm devices and input and display devices.Hospital medical infusion controller there are many features, to sum up, drip infusion pump can achieve the following functions:Keywords: AT89C52s the type of stepping the sensor BC7281 串行通讯接口第一章 绪 论随着我国科技和国防经济的提升，智能化已经越来于普遍了，在古代的医疗护理的传统方式不能满足当今的病人了。在这种背景下，智能控制的设计已经迫在眉睫，医院病区护理智能化监控系统应运而生了。1.1 计算机控制系统概述 第1次改革：20世55年代末为智能化发展的萌芽刚刚开始。 第2次改革：20世纪70年代中后期是计算机控制走进社会 第3次改革：20世纪80年代是计算机与实物链接起来的发展时期。 第4次改革：20世纪90年代初至现在是计算机智能控制到我们身边。图1.1连续控制系统的典型结构红外遥控点滴输液控制的设计的系统如图，红外遥控点滴输液控制的设计的系统中各处位置为连续信号。在图中，设定一个值与反馈得来的数据值经过比较器比较，产生偏差值，控制器再进行数字比较，使它产生一定的偏差，被控参数的值达到我们希望值。比较器和控制器主要由单片机控制，就组成了计算机和实物控制系统，红外遥控点滴输液控制的设计系统中，单片机输入和输出是数字信号形式输出，我们控制的参数一般都是虚拟的参数，执行器的输入信号都是模拟量。图1.2 计算机控制系统基本框图计算机在医疗事业中，发展前景不错，计算机管理系统可以及时、全面、准确地提供患者的全部资料。过去到医院治病需要的程序比较麻烦，而现在的治病需要的程序要简单很多。医院的工作人员可以方便地通过计算机网络检测到每一个病人，查看输液瓶每时每刻的状态。红外遥控点滴输液系统进入医院，不仅医院带来了高效率，而且使医疗诊断与服务水平大大提高。当我们现在去看病，我们大大免去各种排队办手续的麻烦事，在病人最多最忙的时间便可以得到医生治疗。1.2 智能化输液系统的展望随着智能化技术从西方快速发展。智能化的设备已经悄悄走到我们身边。主要在医用方面，将是医用与智能终端技术紧密结合在一起，智能化设备，使我们在很多复杂的地方减少了很多的麻烦。1.3 智能化输液系统的发展状况1.国外产业发展状况通过红外线控制单片机一体化的技术覆盖面很广.在国外的智能一体化技术,他们主要以智能 微机电系统组成,.在最近的几年的发展当中,智能技术基本已经取代了人类的劳动力,应用前景如早晨的阳光，越来越照射在外面身边每一个角落,包含检测、控制、有关工艺技术,1.4 课题来源及意义红外遥控点滴输液控制系统的设计，医院所有的工作人员都可以通过该智能系统实时观察患者旁边的报警相关提示，根据医生提供的治疗参数，设定护理参数指标，充分发挥理想化护理特点，减轻医院护理人员的劳动及精神强度，提高护理人员工作效率，医疗临床操作过程也更加有序化，从而使医院护理工作迈上一个新里程。1.5 本课题解决的主要问题（1）单片机为核心，外部电路为辅，实现了点滴速度的监测和控制；并实现液位及时报警监测及出现异常报警。 包含四方面，第一即滴速、第二液位检测，第三是报警，第四是控制流速，利用光转换成电的形式检测液体滴速、液位的高低。当红外传感器感应到的实时点滴速度与设定速度数据有较大偏差时，通过单片机的处理，计算出偏差，从而立马控制电机正转或反转，通过输液瓶上升和下降控制它的高度，实现点滴速度大小调节，使它到达我们预料的速度。当输液瓶低于三分之一厘米时，传感器接受到的光信号转换成电信号，传输给单片机。然后报警器进行报警。第二章 方案论证 本设计主要利用红外光对输液点滴的速度控制，使理想化监护病人的要求。达到更精确，更有序的目的，2.1 系统设计要求该设计来源于我们身边的实践中，应用于各个医院需要的护理要求，对红外遥控点滴输液系统的设计包含以下几个方面。1.实时性点滴输液是我们每时每刻实时观看，对控制系统第一个要求是具有实时性，2准确性输液的过程中，需要我们随时随地观察输液过程中的点滴速度的大小，进行较精确控制才行，3.抗干扰性 不要受声音和其他自然光线的控制。可以稳定长期的控制它的功能，2.2 方案 点滴速度的检测采用红外光转换成电信号的形式，主要的原理是发光二极管发射的红外光束照射到光敏三极管的感光表面上，假如没有在没有点滴滴落，那么所有的红外光就会被感应的传感器就收到，即收到的光照度最大，产生的光转换成电的也随之最大，假如有点滴滴落时，由于点滴挡住了光线，三极管不可以接受到光线，照射到光敏三极管上的光照度就会大大减弱，从而使光敏传感器转换成电流就会减小，图2.2 点滴检测示意图 液位报警检测假如输液点滴输液瓶的液体下降到最低液面三分之一厘米时，能发出报警信号。就会及时报警，告诉护理人员处理，可采用以下几种方案。方案:使用红外感应的原则。让红外发射和接收管被放在两侧的瓶子。根据接收到的信号强度是不同的,使用比较器治疗,可用水资源大电信号不同,所以水位报警,单片机发送报警信号。方案一器件比较简单，软、硬件也都相对较容易实现， 控制调节滴速要改变点滴输液的速度我们有两个办法。一是我们用传统的手动控制调节速度，即当速度太慢的时候利用手和眼睛判断他的流速，调节流速夹，但是那样我们输液不安全也不均匀，二是用单片机控制液瓶的高度，即但红外感光感应输液瓶，传出给单片机，单片机控制再控制电机转动，改变输液瓶的高度，即改变输液瓶的压强，用压强的大小从而调节滴速。用于粗调来说还可以，不可以用来精确医疗设备中。(l)电机的选择:方案:采用齿轮电机。齿轮电动机的转动步数与输入脉冲信号成正比，当它转一圈后，在没有任何误差的情况下，具有优良的记忆能力；单片机反应的速度比较快，很快传输到电机，使它立马于起停、需要正转的时候正传反转的时候反转；加速转动的时候就会加速，适用于较精确的测量设备当中。红外遥控点滴输液控制器的设计选用齿轮电机很容易用单片机控制，并且精确且具有自锁能力。当脉冲信号停止输入单片机的时候，则电机可以保持原来的位置上。转动的角度大小与脉冲数信号的比值成正比，转动的速度与脉冲频率成正比。(2)检测及控制装置:控制框图如图2.3所示。将电动机和机械装置安装在我们提前预设好的轨道路线的上，把单片 ，键盘，显示器组成最小系统。图2.3 存储瓶升降控制滴速原理 下位机滴速设定与报警、显示模块本系统的报警装置包括一个极大的音频放大器一个三极管组成的放大器放大的小的喇叭。报警时，由单片机先传入信号给三极管，然后单片机启动报警器设备，发出像刺激紧张的声音，但在外面设计当中接入单片机的的电流是比较小的，电流太小不能启动喇叭，因此我们研制了三极管放大比较器处理，将很小的电压经过放大器的处理去推动喇叭，并能产生10033分贝警号响声。2.3 设计方案红外遥控点滴输液控制系统由红外线发射和红外接收接收两大部分组成，系统由单片机芯片来进行控制操作。红外遥控点滴输液控制器的设计的电路由几部份组成：发光发出的红外光线，红外线接收电路部分。红外遥控点滴输液控制系统分为两部分，第一部分是由计算机和单片机系统组成；第二部分是由以单片机为核心及其外围设备构成的智能检测、控制和显示系统组成。红外遥控点滴输液控制系统以单片机ATAT89C52为核心，实现了点滴速度的检测和输液速度大小的控制；当输液瓶液位高度低于输液瓶的三分之一时，单片机控制电路报警；与此同时，数据会传输到LED显示屏上显示出来。整个系统如图2.5所示。第三章 硬件系统分析3.1 硬件总体结构红外遥控点滴输液控制器的设计运用了我们所学过的电子监察检测技术、点滴输液控制器的设计系统可以分为传感器检测部分和控制部分。传感器：点滴输液控制器的设计利用红外光线对输液瓶发射和接收，即红外光传输给传感器，然后传感器输出电信号，再由分析电路：点滴输液速度测量电路、点滴输液瓶检测电路。 红外遥控点滴输液控制器系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号判断，点滴的速度用数码管的显示，点滴大小可以的自动检测、自动调速。控制电路包含3个电路：单片机控制一个电路、单片机控制电动机电路、单片机LED数码管显示电路。从电路图得知，接收管与发射管他们是相互相对，在没有点滴滴入到点滴瓶时，点滴瓶的传感器接收到信号，电流大小为零；当有点滴滴下时，下落的水滴挡住了红外线的光照此时输液瓶接收不到光线，此时输出为高电平，同时产生一个较长的脉冲信号，产生的脉冲信号需要经过一级施密特触发器整形，稳压过后输出一个正向的脉冲信号送给单片机，单片机就可以的测出点滴流速的大小，图3.1 AT89C52接脚图下面是AT89C52单芯片接脚图，此单芯片刚开始由外国公司所制造。AT89C52必须有电压，电源接脚为接地端口、接电源端口，工作电压在5-15V之间，通常使用5V，可保持单片机正常工作。管脚应用说明：P0.0：声音报警端口输出；P0.1：光报警端口输出；P0.2：齿轮电机的正向调向端输出；P0.3：齿轮电机的反向调向端输出；P0.4：齿轮电机的步距角驱动端输出；P1.0：吊瓶点滴检测输入端接口；P1.1：吊瓶液位检测输入端接口；P1.2：BC7281的数据连接端接口；P1.3：BC7281的时钟连接端接口；P1.4：BC7281的键盘连接端接口；P3.0：MAX485的接收端接口；P3.1：MAX485的发送端接口；AT89C52是一个八位单片微机，并提供32条输入输出信号线，定时器由2个bit、计数器，和五个中断向量组成。图3.3 硬件设计框图3.2 检测与控制电路设计该智能红外监控输液系统由五大部分组成：点滴输液速自动检测电路、报警检测装置、点滴流速电路以及遥控按键与报警电路组成。3.2.1 滴速检测电路将红外光线转换成电流的形式，将红外发射的装置安装在输液瓶的侧，另一侧安装一个接收一个红外线的传感器，发光二极管发出红外光，光线透过输液瓶管再折射到光电三极管表面，光电三极管表面将接收到的光信号转换成电信号输出，就像太阳能的形式一样，当输液管有点滴通过时，三极管放大电流输出的点为高电平，当输液管没有点滴通过时光线不发生折射，光电三极管输出低电平。 检测电路，主要由红外线发射、接收、脉冲和整形几部分组成，送至单片机相应口。图3.4 滴速检测电路由于红外光在水中和空气中的折射率不同，从而通过空气和水后的偏差也是不同而设计。其报警信号也是由输液瓶旁边的传感器来决定的。当输液瓶的液面的高度为三分之一厘米后，会由传感器的接收部分产生检测信号，即为报警信号。该电流再经三极管的放大产生更大的电流，将电流以脉冲波形再次输入单片机的上，其结果如图所示，脉冲数目与点滴数目为他们成一一对应的关系。图3.5（a）图3.5（b）图3.5（c）图3.5 滴速检测电路输出波形图3.2.2 液位报警检测我们设置当液面降到预先设定的的警戒值（离输液瓶低端3厘米到4厘米时)系统会发出报警信号，红外光在空气及水中的折射程度系数不同，通过空气和水后接收到的光的强度也就不同。这样就可以产生的电流强度也就不同，我们选定红外传感器，使它对红外光线的接收比较好，电路连接与滴速检测电路相同，不过红外接收管输出的不是脉动信号，而是电流信号，单片机接收液位检测电路发来的中断请求信号，立即发出声光报警的提示。利用液位压产生压强不同的原理，液位测量技术是液位敏感元件在液位发生不同压强变化时,压强传感器把压强数字转换成电流的形式出来,我们利用差压变送器这样就简单了很多、不需电动机构工作等特点,被广泛用于医院点滴输液测量场合。红外遥控点滴输液控制器系统采用电容作为液在液面平稳的情况下，接收端的电阻产生高电平，约为5.5V；在水面降低一段位置后，传感器则会产生电压电平，大约120210mV，使接收管两端电压击穿；然而在液面接近警戒线时，会输出高或者低电平交替方式。当液面高于警戒线时的时候，此时传感器不会接收到任何信号，那时不会产生电流，也就不会产生脉冲信号，而电动机拖动瓶子做直线运动，不会产生下降沿脉冲信号。没有这样的信号产生，单片机就不会产生声光报警信号。图3.6 滴位检测电路3.2.3 电机驱动控制电路1.控制原理红外遥控点滴输液控制器系统通过改变液瓶与地面的高度产生势能的大小来控制，也就是势能发生变化来改变点滴速度大小，通过精度较高的齿轮电机转动控制来调节。来实现对输液速度大小的控制，可以利用精度较高齿轮电机接收来自单片机2的脉冲信号，产生反馈信号，输出一定频率的脉冲信号控制电动机正转或者反转，齿轮电机旋转速度 主要是通过机械次轮带动，将顺时针运转方式变为直线运动方式，这样电动可以随时升高或者下降输液瓶的高度，改变点滴流速大小。2.齿轮电动机的单片机控制齿轮电机是单纯的单片机控制电动机。它由光信号转换电流信号再转换成角位移形式，给一个脉冲信号，齿轮电机就转动一个精确的幅度形式，非常适合于单片机控制。其基本控制作用如下: （1）控制齿轮电机的顺序及转向，通常我们把电流信号转换成脉冲信号。按给定的工作方式正常顺序通电，需要齿轮电机就正转的时候正转;如果按反向接通电路，则齿轮电机就开始反转。 （2）控制齿轮电机的速度速度大小。如果给齿轮电流信号，它就会轻微转一步，再发一个控制脉冲信号，它就会再转一步。脉冲的频率取决于齿轮电机的转速的大小。调整单片机发出对脉冲的频率控制的大小，就可以对齿轮电机进行调整速度的大小，按ABC-D-A次序通电为正转，按N=9，转子的齿数为52，则 单片机与齿轮电动机接口如图3.7所示。图3.7 齿轮电动机接口图3.2.4 键盘、显示和报警电路1.报警电路以下两种情况则发生报警:（1）警戒报警。当输液瓶液位高度低于我们预先设定的值，比如三分之一厘米时，液位传感器发出电流信号，该信号通过转换成脉冲信号传输给单片机，单片机控制声光报警，发出报警信号。图3.8 声光报警电路AT89C52芯片:引脚给出一个低电流能驱动喇叭。单片机一个引脚给出一个低电压就能击穿低压二极管，击穿以后起到使声光报警的电路导通。使它可以报警，1.键盘及显示控制芯片（1）制造一个红外遥控器，适用于任何型号的数码管和发光二极管2、振荡电路外接元件的参数为R=1.8K-3.0K, C=220pF，占用CPU时间会更少，显示也比较稳定，而当采用15K电阻时，芯片的各项工作参数与原来保持一致，从而可以直接替换。在Vcc=12V, R=4.6K的情况下，振荡电路的振荡频率约为6.OMHz;而当R=12K时，震荡电路频率大约为2.1MHz。（3）键盘矩阵键盘矩阵与显示电路一定加入稳压二极管和10K的电阻。当使用遥控功能时，即所用到的遥控比较少时，我们也不能将其中未连接遥控器上的的电阻省掉。图3.9 BC7281电路图红外遥控点滴输液控制器系统需要pnp型三极管就可以，三极管与几个三极管组成就形成我们最经常用的放大电路模块，基极和发射极和集电极无需限制电流电阻。BC7281也可以接成共阴模块电路的形式，电路如下图，当采用三极管的类型为NPN型，那么我们就达到相反作用，也可以采用集成模块来驱动，作为位驱动电路。电路的高电平输出能力相对很小很小，这样会会造成段驱动能力提供不足。图3.10 LED数码管电路图显示装置共阳极数码管将发光二极管的阳极都连在一起，而阴极对应的各段可分别控制，用来显示规定时间内点滴速度大小。当输液瓶旁边的传感器采集的数据传输单片机时，单片机再将数据传给显示寄存器，输入数值。使用时将触发器的锁存时钟与一级锁存的时钟并联在一起上，这样锁存器与移位寄存器同步但其内容比移位寄存器落后一个脉冲，移位寄存器串行数据输出的时序图如下：图3.11 时序图输出共阳极数码管中，被脉冲激发的共阳极数码管相应段对应的数据为高电平。没有被脉冲信号激发的区段为低电平，图3.12 转换器图3.13 4*4键盘功能机构示意图图3.14 4*4键盘排列图微处理器我们可以用一块或者几块集成电路模块组成，微处理器通过判断引脚产生的高电平或者低电平判断有没有按键按下，通常把阻值为1000的电阻限制电流大小，同时限制LED数码管的电流大小。阻止流过电路的电流太大，LED承受不了那么大的电流，那样会烧坏芯片，但不应为了过分追求数码管的亮度而随便减小其电阻值，还有防7281A芯片长时间工作会烧坏。阻值为1000k和100k的电阻分别称为下拉电阻会起到更好的作用，3.2.5 串行通讯接口电路为了产品的全方位方面考虑，采用串行接口设计作为输入和输出接口，也可设计为既作为输入又作为输出的接口。我们可以采用两种方法实现这个功能，一种是利用作为一个输入通路，另一个作输出通路；我们还可以把它作为双向通路，既作为输入同时作为输出。串行通讯接口工作方式更加便宜方便。因为这种方式使用数据要少很多，节约成本。缺点是速度比并行传输慢很多，但是数据传输量比较少。 串行通讯接口接口标准：串行通讯接口将其中一边定义为c，另一边定义为d，通常情况下，驱动器c 和d之问的正电平我们把他们设置成+5+12V，另有一个信号我们需要接地（G），当接收端c和d之间有大于+220mV的电平时，输出电平称为符合电平，当小于-220mV时，就会输出电平为不符合电平。接收器上的电平范围通常在+5-+12V之间。串行通讯接口的输出电压是-6V至+15V之间；接收器最小输入电阻值10k欧姆。传输距离最大为2000米左右，最大传输速率为1 .10Mb/s。 MAX485芯片介绍及电路连接图MAX485采用的是一个直流电源+10 V工作，额定功率为330W，与单片机相连即可；输入和输出端分别为接收和发送端，当输出为符合0时，芯片处于接收状态；输出为符合1时，器件处于发送状态，a和b主要是产生差值，当一端引脚的电平高于另一端引脚时，发送的数据为1；当一端的电平低于另一端时，发送的数据为0。图3.15 MAX485电路连接图3.2.6 电源转换模块红外遥控点滴输液控制器的设计电源模块是由220V的交流电源通过电源转换器，转换成5v的电压。具体电源转器电路图如下图： 图3.16 5V电源供电电路 第四章 软件设计 4.1 总体软件设计流程图 图4.1 总体软件设计流程图第一步齿轮定时器初始化，时钟初始化。可以通过按键设定点滴输液速度的大小，也可选择手动调节点滴输液流速的大小。 先查看是否可以报警，需要报警得时候则启动报警指示灯和蜂鸣器可以达到我们预料的结果，.然后比较当时流速与要求流速是否相等，假如不相等则计算出两者误差的差值，通过单片机的处理，驱动齿轮电机控制输液瓶的高低。当点滴滴落的速度达到我们要求值后。最后，用LED液晶显示屏显示当前的点滴的速度。（1） 当输液的流速大于人工设置的流速的情况下，对比初始预先值表，然后对单片机计数器进行设置。（2）当输液的流速小于预设的流速时情况下，则查找单片机预先设置初值表，然后对计数器进行相应的设置。（3）当输液的流速在他们范围之间内时，则不对