基于AT89S52单片机的医用输液液位控制报警器设计

1、 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目： 基于at89s52单片机的医用输液液位控制报警器设计姓 名： 学 号： 平顶山工业职业技术学院 2011 年 12 月 9 日摘 要静脉输液是现在医院中常用的输液方式，大部分的输液要靠医护人员手动控制滴速，输液过程中药液温度取决于所处环境温度，医护人员要不定时的巡查，已确定输液是否结束。这样在输液高峰期，医护人员很难应付，常常会造成无法及时停止输液，而造成“回血”等现象。由于环境因素造成的低温输液反应，以及滴速不准确带来的药理反应，有时甚至会造成医疗事故，简易输液报警器在这种情况下应运而生。本设计再结

2、合实际生活和课题的实际要求，以单片机控制为核心，采用红外对射技术，光电传感技术，电机控制技术，并解决了大电流控制的问题。在分析各部分实施方案后。提出了输液检测与控制方案的设计方案。系统包括输液报警单元，液位检测单元，滴速检测单元，显示单元和电源单元。通过硬件电路的设计和软件编程的设计，实现了输液滴速计数，显示，越限报警等功能，并详细介绍了各个模块的硬件设计和工作原理，给出了各部分的软件流程。为更好的实现，自行设计了相应的机械执行机构，是红外对射和光电检测装置中液位，滴速以及电机控制的信号采集得到了保证，系统稳定性增强，使整个系统性能得到提高，实现了输液过程中滴速，液位越限报警的自动控制。本系统

3、可适当改进，在医疗输液领域有广阔的应用前景。关键字：静脉输液；单片机控制；红外对射；光电检测；滴速检测；越限报警；绪 论 随着社会现代化进程的不断推进，传统的服务方式已远远不能满足人们的需求，尤其在公共医疗设施方面，追求相关产品的安全、智能、高效已经成为必然选择，也成为企业不断研发的动力。 在医院输液(俗称打吊针)有一个难题长期困扰着病人与医护人员：在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷或入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意，当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。若处理过早，即药液还末完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等

4、。因此常引发病人的不满以至投诉，甚至使医护人员无奈。而医用输液报警器的设计和投入应用，可以较好地解决输液中所遇到的这些困扰。静脉输液是最常规和最重要的医疗手段。但是现行的医用点滴输液方法中，静脉输液器都是悬挂在病人的上头才能输液，输液速度难以准确控制，医师和护士只能依据经验来来控制墨菲氏管的轮夹，而不能依据患者病情的程度控制药液的速度和流量，这种输液控制的方法显然是不方便的，并且可能对患者赵成不必要的伤害。这对特护病人和对输液速度有较严格的病人是不方便的。传统的输液设备笨重、体积大、价格贵，增加了医院和病人的费用。输液报警器会自动监测病人输液液面的变化，当输液完毕时发出报警提示声，医护人员有足

5、够的时间拔针或换药，避免了“回血”等现象的发生。输液报警器的使用既可减轻医护人员和陪护人员的劳动强度，又能最大限度地利用药物，避免了浪费。所以有输液报警器的使用，必将受到医务人员和病人的欢迎。针对这种情况，本文设计了一种由单片机控制的液滴速度监控液面报警装置。该系统包括红外发射接收装置，at89s52单片机，步进电机，led显示屏和蜂鸣器等。其中红外对射传感器接收装置用于将液滴滴下一滴的信息转化为电信号传入单片机，经过单片机计算其点滴速度，并在led显示屏上显示，用电动机控制速度。当输液完成时或出现异常情况是会声光报警。因为它有很多的优点，可以较为准确地控制速度，可以报警，设备简单，价格便宜。

6、所以对输液报警的研究十分有意义。第1章 方案设计与论证设计要求：设计并制作一台简易的医生用输液液位控制报警器。1.具有液滴速度计算功能（单位：滴/分钟），范围在0-300滴/分钟。2.当输液瓶内剩余量低于报警值时或出现意外情况时，显示控制器将发出声音报警，提示输液者。3. 显示器：4位一体数码管。4. 采用蜂鸣器报警，音乐声自定。5. 自行设计并制作满足本设计任务要求的+5v电源供电。1.1 点滴检测方案比较 方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大，此

7、方案一定不可取。 方案二：不调制的红外对外传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部光源等干扰。 方案三：脉冲调制的红外对外传感器。红外对射管的最大工作电流是由其平均电流决定的采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。输液管莫非氏 管的形状决定了检测滴速的方法,药液在滴管处以液滴的形式一滴一滴滴落。光源发出的光垂直照射滴管并在滴管的剖面的中心线上，光线经过滴管没有折射发生（如图1-1所示）。而液滴滴落的过程中要经过滴管的中心线，当有也液滴经过光源和红外

8、对射管之间时，光线会发生折射和散射，导致接收器收不到光信号，这时红外对射管的输出要产生一个电压跳变，利用这个电平跳变可以实现对经过滴管的液滴进行计数。示意图如图1-2所示图1-2 红外对射滴速检测示意图图1-1 光线走向示意图图 因此，本方案采用方案三。1.2 液位检测方案比较 方案一：使用拉力传感器间接测量。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用液位高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑，在设计系统中不合适。 方案二：利用超声波测量液面高度。利用超声波在不同物质，不同密度内传播速度不同的原理，通过检测超声波发射后的回拨时间来检测超声波穿过物质的结

9、构，利用mcu定时控制超声波的发射，利用中断接受检测到的回波，然后经mcu的数据处理获得需要的数据。此系统中，可预先测定液位到达警戒线时的回拨时间，然后将每次测量结果与此进行比较，便可得知是否到达警戒液位。超声波测距准确，是一种常用的测距方法。但是超声波探测不可避免的存在一些盲区，盲区的大小与相应的mcu处理速度相关，在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿模块及相应的软件算法以改善超声探测随环境温度的变化所产生的变化。考虑到软、硬件的复杂程度及要求的测量精度，以及本系统存在液体产生的表面波动，使用超声波传感器检测液面会产生较大的误差，同时超声波传感器安装方位的确定也是一大难题。 方案三：使用光

10、电传感器定点対液面进行监测。可以采用红外对管进行实现。根据接收管接收到的光强大小（时间间隔3秒）来判断液位是否到达警戒线。利用光在不同媒质界面的折射和反射原理，通过光电传感器接受光信号实现液面检测功能。此外光电传感器安装方便，只需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上（图1-3）即可，不需要详细计算储液瓶液面高度，简化了外围电路结构。图1-3 光电传感器安装示意图 综合比较上面三种方案，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。1.3 速度控制方案 对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案： 方案一：采用输液软管夹头松紧程度来控制液体的流速，控制滴速夹移动的距离

11、很小，但是滴速夹的松紧过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难以计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。方案二：通过电机和齿轮系统控制莫非试管的松紧程度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对莫非试管的控制，从而达到控制液滴流速的目的。原有的输液管上配有一楔形手动控制滴速控制装置，内有滑槽，通过推动滑槽上的圆形滚轮来控制输液的快慢。在本系统的滴速控制中，保留原有的控制装置以备应急使用，应用电机来控制输液的滴速。方案如下（图1-4）：电机选用步进电机，利用电机的旋

12、转，通过装配一螺杆，将旋转运动变为直线运动，推动（或者拽回）螺杆一端带有内螺纹的滑块挤紧（或者放松）莫非氏管,从而实现输液滴速的自动控制。第一项和第二项方案经过综合比较，使用电机控制度来实现控制效果较好，因此决定选择第二项的方案。图1-4 电机控制滴速示意图1.4 电机选择及控制方案 常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。 方案一：直流电机上电即可转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停止，如果要 求准确控制其转动的角度，其闭环算法比较复杂，系统硬件也会相应麻烦。 方案二：伺服电机的机械特性较好，输出功率大，启动转矩大，驱动电路简单，正反转控制容易且 有抱死功能，

13、但有由于其实际价格偏高，不适合普遍使用。 方案三：步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行元件。步进电机转矩相对直流电机大，控制精度比较高，其步进转过的一个角度也固定，适用于较精确的测量，这可有效提高输液速度的控制精度。 因此，电机选用步进电机最佳。第2章 系统的硬件设计2.1芯片介绍 2.1.1 at89c52单片机1. at89c52单片机内部结构单片机的功能框图（如图2-1），在一块儿小芯片上集成一个微机计算机的各个部分，其核心部分是中央处理器cpu，它由运算器和控制器两大部分组成。运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，有算术逻辑单元（alu）、位处理器、累加器（acc），寄存器

14、b、暂存器tmp1和tmp2组成。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由控制逻辑、内部振荡电路osc、指令寄存器及其译码器、程序计数器pc及其增量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器psw、ram地址寄存器、数据指针dptr、堆栈指针sp等组成。图2-1 单片机内部结构2.at89c52单片机的功能及引脚兼容标准mcs-51指令系统的at89c52单片机（图2-2）是美国atmel公司生产的一个低电压，高性能cmos 8位单片机，推荐时钟为0hz-24hz,在本系统中选取时钟周期为24hz,片内含8k bytes的芯片简述可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的

15、随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准mcs51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大的at89c52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。图2-2 单片机封装 at89c52单片机有40个引脚， 32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线 ，at89c52单片机可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降开发成本。外围采

16、用两片串行输入显示驱动接口芯片max7219，其硬件开销小，且编程简单。 采用串行e2prom24lc01用于工况参数的设定，这些参数设定后，在24lc01中分3个区域存放，以3中取2方式读取，以保证正确率。串行器件的选用，系统的硬件简单，调试方便。1）at89c52单片机的主要功能特性 1)兼容mcs51指令系统 2)32个双向i/o口 3)3个16位可编程tim/con中断 4)2个串行中断5)2个外部中断源 6)2个读写中断口线 7)低功耗空闲和掉电模式 8)8k可反复擦写(1000次)flash rom 9)256x8bit内部ram 10)时钟频率0-24mhz 11)可编程uart

17、串行通道 12)共6个中断源 13)3级加密位 14)软件设置睡眠和唤醒功能2）主要功能说明单片机at89c52的所有引脚的基本功能如图2-3所示。图2-3单片机引脚vcc(40脚)：主电源正端，接+5v; gnd(10脚)：接地端。xtal1（19脚）片内高增益反相放大器的输入端，接外部石英晶体和电容的一端，若使用外部输入时钟，该引脚必须接地。xtal1（18脚）片内高增益反相放大器的输出端，接外部石英晶体和电容的一端，若使用外部输入时钟，该引脚作为外部输入时钟的输入端。reset/vpd(9脚) 复位输入端，高电平有效，此端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上高电平就可以完成复位ea/v

18、pp(31脚) 片内程序存储器选通控制端低电平有效。当ea保持低电平时将只访问片外程序存储器。当ea保持高电平时，执行访问片内程序存储器。i/o(输入/输出)：p0、p1、p2、p3（1）p0口(3932脚)：p0口有两种工作方式：一是作为普通的i/o端口使用二是在cpu访问片外存储器时，它是一个标准的双向i/o口，采用分时复位方式提供低8位地址和用作8位双向数据总线。（2）p1口(18脚)：p1口仅作普通的i/o端口使用，校验时，要求外接上拉电阻。（3）p2口(2128脚)：p2口有两种工作方式：一是作为普通的i/o端口使用，二是访问外部存储器时，p2口作高8位地址线使用。（4）p3口(21

19、28脚)： p3口是一个自带上拉电阻的8位准双向i/o接口。p3口与其它的i/o口有很大区别，它除作为般准双向io口外，每个引脚还有第二功能（表2-1）表2-1 第二功能端口引脚第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（定时/计数器0）p3.5t1（定时/计数器1）p3.6wr（外部数据ram写使能信号）p3.7rd（外部数据ram读使能信号） rst： 复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位（图2-4所示）。图2-4 复位电路ale/prog： 当访问外部程序存

20、储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该位置位后，只有一条movx和movc指令才能将ale激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale禁止位无效。psen： 程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89

21、c52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次rsen信号。 ea/vpp： 外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000hffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp。xtal1： 振荡器(图2-5所示)反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。xtal2： 振

22、荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器： at89c52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pf10pf，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pf10pf。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图右图所示。这种

23、情况下，外部时钟脉冲接到xtal1端，即内部时钟发生器的输入端，xtal2则悬空。图2-5 振荡器中断寄存器： at89c52有6个中断源，2个中断优先级，ie寄存器控制各中断位，ip寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。数据存储器： at89c52有256个字节的内部ram，80hffh高128个字节与特殊功能寄存器（sfr）地址是重叠的，也就是高128字节的ram和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7fh以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128字节ram还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊

24、功能寄存器。定时器0和定时器1：at89c52的定时器0和定时器1的工作方式与at89c51相同定时器2：定时器2是一个16位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用。定时器/计数器（t/c）定时和计数功能由工作方式寄存器tmod进行选择。tmod只能进行字节操作，不能位寻址。其格式如下（表2-2）。表2-2位d7d6d5d4d3d2d1d0字节地址tmodgatem1m0gatem1m089hgate：门控制位。gate=0时，只要软件使tr0或tr1置1就可以启动定时器。gate=1时，只有或引脚为高电平且tr0或tr1由软件置1后，才能启动定时器。：定时或计数功能选择

25、位。=0时，用于定时。=1时，用于计数。m1和m0位：t1和t0工作方式选择位。定时器/计数器有4种工作方式，由m1和m0进行设置，如表2-3所示表2-3 t1和t0工作方式选择位.m1 m0工作方式功能选择00方式013位定时器/计数器01方式116位定时器/计数器10方式28位定时器/计数器11方式3t0分为两个独立的8位位定时器/计数器。t1此时停止计数3.at89c52单片机中断系统中断是使cpu暂停当前工作，去处理当前中断事件，执行完当前中断服务，再回到原程序的过程。at89c52共有6个中断向量：两个外中断（int0和int1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。所有

26、这些中断源如图2-6所示。这些中断源可通过分别设置专用寄存器ie的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。ie也有一个总禁止位ea，它能控制所有中断的允许或禁止。返回主程序主程序主程序断点响应中断中断服务子程序图2-6 中断请求中断源是向cpu发出中断请求的事件。中断源入口地址如表2-4。表2-4 中断源入口地址中断源请求标志入口地址优先级外部中断0ie00003h最高级最低级定时器中断0tf0000bh外部中断1 ie10013h定时器中断1tf1001bh串口发送接受中断t1/r10023h2. 定时器/计数器控制寄存器 tcon(88h) 表2-5表2-5 tcon地址位d7d6d5d4

27、d3d2d1d0字节地址tcontf1tr1tf0tr0ie1it1ie0t088h位地址8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88hit0：外部中断0触发方式控制位。it0=0，int0 (p3.2)为低电平触发方式；it0=1，int0 (p3.2)为边沿触发方式。ie0：外部中断0标志位。ie0=1，外部中断0向cpu请求中断。it1：外部中断1触发方式控制位。ie1：外部中断1标志位。tf0：t0中断溢出标志位。t0溢出硬件置1，响应中断后硬件清0(在查询方式下软件清0)。tf1：t1中断溢出标志位，功能同tf0。tr0：t0的启停控制位。tr1：t1的启停控制位。2.1.2 55

28、5定时器555定时器（如图2-7）是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少个几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路。555定时器的电源电压范围宽，双极型555定时器为516v，cmos555定时器为318v.可以提供与ttl及cmos数字电路兼容的接口电平。555定时器还可以输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。它在脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电器与电子玩具等领域都有着广泛的应用。图2-7 555定时器封装它的各个引脚功能如下： 1脚：外接电源负端vss或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源vcc，双极型时

29、基电路vcc的范围是4.5 16v，cmos型时基电路vcc的范围为3 18v。一般用5v。 3脚：输出端vo 2脚：低触发端 6脚：th高触发端 4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、th处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：vc为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01f电容接地，以防引入干扰。 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。图2-8为双极型5g555定时器的电路结构图。图2-8 555定时器电路结构它由电压比较器c1和c2（包括电阻分压器）、g1和

30、g2组成的基本rs触发器、集电极开路的放电v和输出缓g3散步分组成。c1和c2为两个电压比较器，当co端悬空时，它们的基准电压为vcc经3个5k 电阻分压后提供。ur1=2/3vcc为比较器c1的基准电压，th（阈值输入端)为其输入端。ur2=1/3vcc为比较器c2的基准电压，tr /(触发输入端）为其输入端。co为控制端，当外接固定电压uco时，则 ur1=uco、ur2=1/2uco。rd/ 为直接置0端，只要 rd/=0，输出uo便为低电平，正常工作时，rd/端必须为高电平。 下面分析5g555的逻辑功能。设th和tr/端的输入电压分别为u11和u12,5q555定时器的工作情况如下：

31、当u11ur1、u12ur2时,比较器c1和c2的输出uc1=0、uc2=1，基本rs触发器被置0，q=0、q/=1，输出uo=0,同时v导通。当u11ur1、u12ur2时,两个比较器输出uc1=1、uc2=0，基本rs触发器被置01，q=1、q/=0，输出uo=1,同时v截止。当u11ur2时,uc1=01、uc2=1，基本rs触发器保持原状态不变。综上所述，5g555定时器的功能如下表2-6所示。表2-6输入输出u11u12rd/uov状态00导通2/3vcc1/3vcc10导通2/3vcc1/3vcc11截止1/3vcc1不变不变2.1.3 uln2003auln是集成达林顿管ic，内

32、部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,npn晶体管矩阵,最大驱动电压=50v,电流=500ma,输入电压=5v,适用于ttl coms,由达林顿管组成驱动电路。它的输出端允许通过电流为200ma，饱和压降vce约1v左右，耐压bvceo约为36v。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动uln2003时，上拉2k的电阻较为合适，同时，com引脚应该悬空或接电源。 uln2003a（如图2-9所示）是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达35

33、0ma。uln2003的17脚为信号输入脚，依次对应的输出端为1610脚，8脚为接地端。当驱动电源电压为+12 v时，若要求数码管每段导通电流为40 ma，则每段的限流电阻为50。图2-9 uln2003a电路结构uln2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅npn达林顿管组成，具有7个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500 ma，导通时输出电压约1 v，截止时输出电压可达50v。 uln2003 的封装（如图2-10所示）采用dip16 或sop16。该电路的特点如下: uln2003的每一对达林顿都串联一个2.7k的基极电阻,在5v的工作电压下它能与ttl和cmos电路直接

34、相连, 可以并联使用，在相应的oc输出管脚上串联几个欧姆的均流电阻后再并联使用，防止阵列电流不平衡，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。图2-10 uln2003a封装uln2003a的作用： uln2003是大电流驱动阵列, 具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点经常在以下电路中使用，作为：显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中，在驱动继电器这种装置时，com端最好接上电源，以用来泄放继电器线圈的反向电动势。输入5v ttl电平，输出可达500ma/50v,输出还可以在高负载电流并行运行。它的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一

35、个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入uln2003a的。uln2003a在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。uln2003的输出端允许通过ic电流200ma，饱和压降vce 约1v左右，耐压bvceo约为36v。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(ssr)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。uln2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500ma，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力

36、。2.1.4 步进电机控制原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称vr）、永磁式步进电机（简称pm）和混合式步进电机（简称hb）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：1.控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为a-b-cd,通电控制脉冲必须严

37、格按照这一顺序分别控制a,b,c，d相的通断。2.控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。3.控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.2 系统各部分设计 根据前面的系统分析，本文输液监控系统其中包含的主要模块有：输液信号采集单元、声光报警单元、电动机单元、液滴显示单元、液位检测单元和单片机外围电路等。输液信号采集单元将采集到的信号经过整形后发送给单片机，经单片机处理后在键盘上显示计算所得的液滴滴速

38、，来调整控制电动机的正反转，实现控制滴速。当达到报警预设值时，发生声光报警。得出整体系统框图如图2-11at89c52单片机外围电路输入信号采集单元步进电机及驱动液滴显示单元声光报警单元剩余液位检测图2-11 整体系统框图2.2.1 点滴检测单元此单元模块用来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采用红外对射传感器， 红外对射传感器是由红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现电红外线电的转换。由于红外光波长比可见光长，受可见光的影响较小，其红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。因此是检测液滴滴速的首选传感器。为了减少环境光源的干扰、增加信噪比，采用脉冲调制的方式。如图2-12所示图2-12

39、 点滴检测电路2.2.2 液位检测单元 同速度检测部分一样，本文也曾提了两种实现方法，即有损检测和无损检测。考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，所以采用红外无损探测方案。虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大得多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水储液瓶接收信号差异还是可以达到30到40mv,这说明红外无损探测对于越限报警电路来说也是可行的。液面检测原理图如图2-13所示。红外对夹管在滴管两边一个发射管发出的红外光被一头的接收管所接收。一旦光路上有水滴通过，由于水对红外光的反射和折射，使得接收管的接收信号变弱，形成一个小脉冲。同理当液面低于所检测液面时，使得接收管接收信号变

40、弱。将检测到的信号送入单片机int0和int1产生中断进行计数。图2-13 液面检测原理为了验证以上的理论分析，专门用示波器记录了多次这样的脉冲如图2-14所示。 脉冲图2-14 干扰波形图多次测量稳定，虽有一些vbas上下的波动，但是脉冲还是比较的明显，通过设定一个参考电平vref，可以用运放来产生一个ttl电平的脉冲，经多次分析，有以下不稳定因素：1.外界对红外对管的干扰附近辐射源对信号干扰极大。为此，采取黑色覆盖物包裹在对管周围，既可以很好地吸收水滴反射和折射的红外光，而且能尽量减小干扰。2.vref的选取考虑应略大于vbas，这样可以减小波动对脉冲信号的影响。但是不能太高，不然无法精确

41、测量出脉冲来。所以可以使用精密电阻来微调vref，让其保持在一个合适的值。充分考虑到系统的稳定性和可靠性，本单元硬件抗干扰由单稳态电路构成，通过改变电阻电容参数，消除双脉冲干扰。电路如图2-15所示图2-15 液位测量电路2.2.3显示单元 常用的显示器有数码管（led），液晶显示器（lcd)和荧光屏显示。其中一数码管显示最便宜，而且它的配置灵活，与单片机接口简单，广泛应用于单片机系统中。 led显示器是单片机应用系统中常用的显示器件。它由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符如表2-7所示。常用的led显示器显示器

42、是7段位数码管（如图2-16），它一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。这种显示器有共阳极和共阴极两种，共阴极数码管公共端接地（如图2-17），共阳极数码管公共端接电源（如图2-18）。每段发光二极管需要510ma的驱动电流才能正常发光，一般需要加限流电阻控制电流的大小。表2-7 显示字符显示字符共阳极字码共阴极字码dpgfedcba0c0h3fh110000001f9h06h111110012a4h5bh101001003b0h4fh10110000499h66h10011001592h6dh10010010682h7dh100

43、000107f8h07h11111000880h7fh10000000990h6fh10010000a88h77h10001000b83h7ch10000011cc6h39h11000110da1h5eh10100001e86h79h10000110f8eh71h10001110p8ch73h10001100uc1h3eh11000001lc7h38h11000111h89h76h10001001灭00hffh00000000图2-17 共阳极图2-16 7段数码管内部字段led和引脚分布图2-18 共阴极发光二极管（led）是一种由磷化镓（gap）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的

44、发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个led发光二极管一样，一般为510ma；正向电压随发光材料不同表现为1.82.5v不等。7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。1. 静态显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74ls573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，cpu才执行一次显示更新子程序，

45、这样大大节省了cpu的时间，提高了cpu的工作效率；缺点是位数较多时，所需i/o口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式动态显示。2.动态显示所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位i/o口（称为扫描口或字位口），控制各位

46、led显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，cpu必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了cpu的大量时间，降低了cpu工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。综合以上考虑，由于温度显示为精确到小数点后两位，故只需4个数码管，又考虑到cpu工作效率与电源效率，本毕业设计采用静态显示，为共阳极显示。显示电路原理图2-19图2-19 显示电路2.2.4 声光报警单元 本设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当传感器检测到液位低于预设值或传感器检测不到有液滴下落时，单片机控制蜂鸣器

47、和报警灯工作，发出声光报警。 在实际应用中，如果设定的速度过高，输液瓶上升到支架顶部时，仍达不到设定的滴速，输液瓶继续上升有可能会拉到支架，造成危险。所以在支架的顶部安装一个红外探测器，如检测到输液瓶上升到支架顶部，则发出信号，通知单片机控制电机停转，同时发出声光报警。电路如图2-20.图2-20 声光报警电路2.2.5 步进电机及驱动电路 步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件之一。由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制得到了广泛的应用。大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强、价格低的步进电机机控制驱动器提供了先进的技术和足够的资源。本设计移永磁

48、步进电机为例介绍步进电动机控制器的设计。步进电动机根据工作原理分为反应式、永磁式、永磁感应式3类。以永磁式步进电动机为例，介绍步进电动机的基本结构和工作原理。永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，它的输出转矩大，倒台性能好。断电时有定位转矩，消耗功率低；转子的级数与钉子的级数相同，所以步矩角较大，启动和运行频率较低，并需要正负脉冲信号。但在其相应相序加上反向绕组，就不需要负脉冲。永磁式步进电动机有四相：a、b、c、d。工作方式有：单四拍：即abcd顺序通电；双四拍：即abbdcdda顺序通电；八拍：即aabbccdd顺序通电；四相步进电动机工作方式的电源通电时序与波形

49、如图2-22所示图2-21 步进电机时序与波形控制系统有单片机、施密特反相器74hc14、达林顿管阵列驱动芯片uln2003a和人机接口部分组成，如图2-22所示。人机接口只是增加了3个按键，按键的功能在程序流程图中给出了。相关的关键部分器件名称及其在电路中的主要功能如下。图2-22 步进电机及驱动电路单片机;完成步进电动机的控制方式、状态监测。uln2003：驱动步进电机。74hc14：斯密特反相器。2.2.6供电单元任何电气设备的使用均离不开供电系统，在整个单片机系统设计中，电源的设计是必须考虑的。电源的设计取决于系统所要求的供电方式，如是采用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊

50、规定等。本设计中由于系统所选用的单片机是at89c52,它的标准工作电压为+5v，采集所用的发光二极管和光敏三极管等电路它们的工作电压都是+5v,因此在本设计中采用单电源方案(如图2-23)，单电源方案的优点是电路简单，工作可靠。图2-23电源电路第3章 系统的软件设计3.1 软件总体系统设计根据设计的要求可画出软件设计流程图，如图3-1所示led显示开始sfr初始化由eeprom读取预设值是否有异常声光报警扫描外设端口自动控制滴速电动机正反转结束图3-1 总体流程图3.2 各模块软件设计监控系统程序有若干个子程序和一个主程序组成，其中主程序模块是软件设计的核心，其作用是管理协调子模块，使子模

51、块按照设计的流程工作。3.2.1 主控模块设计 主控模块是软件设计的核心，在工作的时候首先对数据缓冲区和串口部分进行初始化，然后协调各子模块进行工作。本设计的初始化包括两个方面，一个是对串口进行初始化，让串口工作在方式1，波特率则由定时器t1的溢出进行设定，设置为122bit/s，并处于允许接受的状态。单片机外围电路中使用频率为11.0592mhz的晶振，需将定时器1的初始值设定为248（0e8）。因为串口数据通信过程中的发送和接受都必须通过中断来进行实现，因此还必须设定串口的中断工作方式；另一方面是对外部中断0的设置，在输液监控系统中，每当有液滴下落时，液滴检测电路就会将其产生的电信号捕捉，

52、送到信号整形与a/d转换电路中，最后产生一个数字脉冲，送至单片机内部使之产生一个外部中断1.系统在此中断计数时，需要开启外部中断0，且将其设置在电平触发模式，以及用于技术的r4寄存器清零。流程图如图3-2 开始初始化有无中断循环处理定时中断有图3-2 主控程序3.2.2 点滴速度测量模块设计 点滴速度可以有以下两种方法进行测量。方法一：以时间间隔为单位，记录点滴的时间，用60除以点滴单位时间就可以得到每分钟的点滴数。这种算法用于除法操作，而且当点滴速度较快时，测量误差较大，因为测量单位点滴时间的误差会被60秒这样大的时间单位放大。但此法在修正点滴速度时，可以实时的测量当前的点滴的速度变化率，适

53、合在调整速度使用。方式二：以单位时间记录点滴数。通过简单的乘法就可以计算出点滴速度，但此法也存在单位时间内不是完整的点滴数目，从而存在一定的测量误差。但是此法在点滴速度恒定的情况下，可以采用多个单位时间求平均值，从而求得单位时间的平均点滴数，这样可以得到比较好的精度。在本系统设计中采用两者结合的方法进行测量。以点滴为单位，同时记录单位时间内的点滴数，通过对多个点滴测量计算出点滴速度。实现原理如图使用定时器t1定时200us,但检测到第一个到来的脉冲信号时，程序进行中断处理，将计数器存储内容读出，再将计数器清零作为记录脉冲信号的初始值计为count=0，当定时器到达200us时，程序中断检测输入信号是否有脉冲信号到来，同时计数器加1即为count=1，另外设定计数器count=1记录检测到的脉冲信号个数，设定计数器count=1的存储单元为10，这样可以通过循环存储脉冲个数。在定时器cou