基于单片机的医院输液检测系统设计

1、第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题的背景和意义很多年前，静脉输液技术出现在医疗技术的大军中，在此之后经过不断的完善和改进。在20世纪逐渐成为医疗体系中最重要的系统之一，也成为目前世界上最常用也是最直接有效的临床治疗手段之一。在1628年，William Harvey就提出了震惊世界的血液循环理论，为后人研发静脉输液治疗系统奠定了理论基础，因此他也被大家公认为现代静脉输液治疗的开山鼻祖。静脉输液产品的模式主要经历了三个阶段的发展和变迁。第一代静脉输液产品主要是被应用于20世纪初期，这是一种全开放式的系统，在当时的医疗条件下发挥着非常巨大的作用，在医院、军队等领域得到了广泛的应用，广口玻璃瓶

2、和天然橡胶材质制造的输液管路组合成这套系统；第二代静脉输液产品属于半开放式输液系统，它是由玻璃或硬塑料容器与一次性输液管路构成的。这种系统得到了改进，在输液管中增加了滤膜，减少了污染机会，输液线管的生产高度集中，使其工业化程度不断增高，质量和安全性得到很大的提高；第三代静脉输液产品，也被称为全封闭静脉输液系统，在输液过程中利用重力原理，滴液软袋容器取代原先的玻璃和塑料材质，在外界大气压强作用下缓慢扁瘪，这种系统不使用进口针，袋内外不必连通，软袋形成阀针和药物是双层结构，避免了溶液与外界的直接接触，因而具有十分优越的防污染功能。现在市面主要还是以第二代输液产品为主，在输液过程中，需要医护人员及时

3、发现药液是否需要更换并处理，否则就会造成空气进入血管形成空气栓塞、凝血阻塞针头等危险情况，轻则延误治疗，重则会危及病人生命安全，发生医疗事故。目前病人在医院中进行输液时，需要由病人自身、陪侍人员或者医务工作者不断注意观察药液的剩余情况，这样既加重了医护工作者的工作负担，也让病区的综合管理变得不便利。为此设计这个监测系统来解决这个现实问题，实现医疗护理的自动化和智能化。另外，输液的速度也是一项重要的参考数据，不同的病况、不同的输液目的和药物性质的差别这些因素都会导致输液速度的不同。输液速度大体可以分为以下几种情况：（1）慢速：患有颅脑和心肺疾病的病人及老年人输液一般得采用慢速滴入。缓慢输液的速度

4、一般要求在每分钟2-4ml以下，有时甚至需要在1ml以下。（2）正常速度：为了补充因正常生理消耗的输液以及为了输入某些特定的液体（如激素、维生素、抗菌素等）时，滴速一般控制在每分钟5ml左右，这也就是通常所说的输液速度每分钟60-80滴。（3）快速：严重脱水的病人，但前提是心肺功能良好，应采用每分钟10ml左右的速度进行输液治疗，总输液量最好在8个小时之内完成，以便病人在输液结束后得到充足的休息。因缺血导致的休克病人，抢救时的输液速度可以加快到每分钟15ml。因为快速的输液2小时可输入2000ml液体，使已休克病人的病情得到最大程度的缓解。而当试探性补救急性肾功能衰竭的病人时，常需要快速注射浓

5、度为10%的葡萄糖溶液500ml，这时需要以每分钟15-25ml速度快速输入。鉴于以上所述的多种原因，在本次毕业设计中设计和开发了这套能够检测到输液结束并进行及时报警和实时控制输液过程的滴速的智能医用输液检测系统。1.2 国内外研究现状和发展前景在西方发达国家，电子医疗设备的应用起步早，并经过实际临床证明，得到广泛的应用，早已形成了设备的智能化和自动化。早期的电子医疗设备都是高、精、尖的大型设备，而且庞大的投资，使全面推广受到限制。一家德国集团创建输液数据管理工作站主要用于在重症监护病房，重症监护病房的医生可以更方便的进行输液系统的管理。这套设备集输液治疗监护于一体，具有药物输入模式选择、同步

6、信息处理、药物走势记录等功能。输液护士需要添加的药物，可以根据药品清单进行处理，并可以设置输液速度。中国在这方面起步较晚，很多设备都是进口产品，其价格相当昂贵。但国内输液监测设备也是逐步发展。近年来，医疗保健制度和医疗模式不断完善。因为静脉输液在医疗中一直以来占有非常大的比重，科研人员也对静脉输液系统不断进行改进和更新。泉州人民解放陆军医院，利用杠杆的原理，当液瓶中的药水在输液过程中重量会不断减轻，在弹簧的作用下，磁铁逐渐和干簧管接近，当输液完毕时，输液瓶减轻到一定的重量，磁铁和弹簧片开关对齐，使电路接通，蜂鸣器报警。天津武警总队医院使用液体导电原理完成报警，这个系统中，一个包有绝缘材料的进气

7、针和一个输液针，构成连接头，通过两线接通使电路报警。开始时，输液瓶充满了液体，液体导电，电流通过两针和液体，使电路接通。随着液面逐渐降低，当液面低于针尖摆放的位置，这时电路断开，扬声器随即发出报警信号。静脉输液在我国国内一直具有巨大的市场规模和市场容量。在2002年年终的统计中，我国输液销售总量为60亿瓶，销售总额超过500亿元。据相关数据分析，我国输液的总体市场潜量能够高达120亿瓶。在如此大的输液市场下，医院进行输液用药治疗时，对患者输液进度的监控，需要由病人自身、陪侍人员或者医务工作者不断注意观察药液的剩余情况，这样既加重了医护工作者的工作负担，也让病区的综合管理变得不便利。随着科技的不

8、断进步，实时输液监控已成为现代医疗中应该具备的一部分。经过几十年的发展，单片机技术不断进步，尤其是在嵌入式系统的应用更是突飞猛进。随着单片机在监测和报警技术中的发展，其在提高电子医疗设备性价比，促进电子医疗设备的发展和普及中起到越来越重要的作用。现在的监控系统正在从以往的体积大、价格贵、操作复杂向着体积小巧、性价比高、操作简单发展，本次设计的系统可以适用于社区医疗的输液实时监控，适用于普通民众。- 52 -第二章 系统方案的选定第二章 系统方案的选定本系统可分几大模块进行分块设计，这样既节省时间又能方便逐个解决，本系统共分为液位检测报警模块、滴速检测控制模块、键盘模块、显示模块四大模块。2.1

9、 警戒液面检测方案液面的检测方法有许多种，按原理可分为静压式、光电式、电容式、射线式；按传感器是否与液体接触可分为接触式和非接触式。由于输液的安全要求，药液应该尽量避免与外界接触，这样就能保证无污染，所以采用非接触式。考虑到灵敏度的因素所以决定采用光电检测方法。光电检测液面的基本原理是，根据光线分别在液体和气体中的折射率不同的原理，从而使从同一光源发出来的光线在有液体和无液体时产生折射的角度不同，使光电接收器接收到强弱不同的的光信号，从而产生电流大小不同的电流信号，导致出现不同程度的高、低电平，最终来判断液位是否低于设定的液面，从而决定报警与否。经过查阅资料和具体试验，可归纳为一下两种：方案一

10、：首先要考虑到设定好最低的液面高度，因为输液器的插头在输液瓶中有一定的高度，而且还要考虑给医护人员拔针头或者换药的时间，所以设定的最低液面位置应该略高于输液器的插头，如下图2-1所示： 无水有水图2-1 方案一示意图在设定的液面位置处，光源发出的光线入射到药瓶外壁，经过药瓶以及药液的折射到达瓶内壁，再经过药瓶的折射后进入空气，被光敏电阻接收到。由于药液的折射以及瓶口的弧形结构使得光线路径因折射而上翘。当药液下降到设定的位置时，由于药液和空气的折射率不同，光线路径会发生改变，使得光电二极管接收到的光照强度大大减弱，仅仅接收到背景光，从而使得光电二极管产生的电流极具下降，通过后续电路进行报警。方案

11、二：方案一比较适合报警时间提前量小的时候。另一种测量方法方便解决这个问题，如下图2-2所示： 有水无水图2-2 方案二示意图为更加准确的进行液位检测，光源必须与容器中心要有一定的偏移，否则判定不了液体是否已经达到了设定的液面。其方案二的原理和方案一相同，只是改变了光线路径，使得光电传感器的位置稍有不同。2.2 滴速检测方案输液速度的检测可以通过测量输液剩余重量以及时间来确定，输液重量的变化不便于实时测定和控制。出于传感器的精度和成本的考虑，会使系统的调整时间大大延长，不利于该系统的设计以及实际应用。利用莫非氏管做成输液管的滴壶来检测滴速的方法，药液在滴壶处会一滴一滴的滴落，鉴于上述液位检测方案

12、中的测量方法，滴速的测量也可以采用光电检测方法，光源发出的光垂直照射到滴壶的中心线上，光线经过滴壶时不会产生折射，而是会直接沿着直径方向射出如下图2-3所示：图2-3 光线走向示意图高电平低电平高电平而液滴滴落时，因万有引力的作用力一定会经过滴壶的中心线，当液滴经过光源和光电接收器件之间时，光线会发生折射，从而使光线路径发生变化，导致光电接收器瞬间接收不到光电信号，这时光电接收器的输出就会产生一个电平跳变，通过对这个电平跳变的统计，就可以计算出经过滴管中的液滴数量。示意图2-4如下：图2-4 光电滴速检测示意图2.3 滴速控制方案方案一：通过改变输液瓶的高度来控制滴速。当输液管截面积一定时，输

13、液瓶所处于不同的高度，其瓶内液体的压强差也是不同的，液滴的滴速也随之不同，从而实现对滴速的控制。当液滴滴速低于要求值时，提高输液瓶的高度，增大压强，增大滴速，反之则可降低液滴速度。方案二：通过改变输液软管的面积来控制滴速。 凸轮轴心软管固定板图A软管固定点电动机图B图2-5 滴速控制设备在固定好输液瓶后，将输液软管紧靠在固定板上。这时就可以通过改变输液软管的横截面来实现对输液速度的控制。当输液滴速高于预定值时，单片机利用步进电机控制凸轮转动，挤压输液软管，迫使输液软管的横截面减小，从而降低输液滴速。反之，则可提高滴速。实物如上图A所示。方案三：通过拉紧或放松软管来控制滴速。如上图B，利用尼龙线

14、拉紧或放松来控制滴速。方案一中可利用小型步进电机来实现输液瓶的高度高低，结构简单、精度相对而言更高些。方案二因为输液软管的截面积本身就较小，并且在形变后恢复较慢，很难达到精确控制滴速的要求。方案三中，虽然比较容易实现，但是如果作用的时间长的话，对软管就会产生损伤，可能会引起漏液，且和方案二一样存在输液软管的截面积本身较小，且形变后恢复较慢。这三种方案各有优、缺点，但在对比之下还是确定采用方案一。2.4 键盘、显示方案显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统中由于要求实时显示出滴速等多组数据，因此显示模块选用了1602LCD液晶显示器。键盘模块中选用了单片机自带的3×3 键盘，直接利

15、用I/O 扩展而成。声光报警电路也可直接利用单片机I/O口输出放大驱动二极管发出声光报警。第三章 系统结构组成及硬件设计第三章 系统结构组成及硬件设计本系统共有液位检测报警模块、滴速检测控制模块、键盘模块、显示模块四大功能模块，本章主要分析该系统的总体电路结构组成，重点介绍液位检测报警电路、滴速检测控制模块以及该系统所涉及的元器件功能。3.1 系统主体框架系统以AT89C51单片机为控制核心，将其与现场滴速检测、液位检测、报警电路、键盘和显示电路等相连，整体构成一个监测系统。系统现场点滴速度及液位高度检测采用光电检测技术实现。蓝光LED灯和光敏电阻分别作为发射管与接收管放置于点滴瓶与滴斗两侧，

16、蓝光LED灯发出光线，光线透过输液管照射到光敏电阻，光敏电阻将接收的光信号转换成电流输出。当输液管没有液滴通过时，光线衰减程度小，光敏电阻输出比较强的光电流。当有液滴通过输液管时，在液滴对光线的吸收和散射作用下，照射到光敏电阻的光信号比较弱，它输出比较弱的光电流。因此，通过检测光敏电阻的输出电流，转换为电压脉冲信号，即可探测出滴斗是否有液滴通过；同样原理，点滴瓶液位检测原理相同，当液面降低到警戒线以下时，光线由被遮挡变成完全照射到接收管，这两者之间的电压产生了跳变，便可以通过单片机控制器产生报警信号驱动声光报警装置启动。3.2 系统控制核心AT89C51单片机3.2.1 单片机概述单片机，又名

17、微控制器，它采用一定的工艺手段将CPU、存储器和I/O口集成在同一个芯片上，其发展十分迅速。自1975年美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个强大的分支，因为它的技术规范和特性突出使其发展的道路和应用的领域可以无限扩展。单片机是为了完善工业操制的需要而发展诞生的，它是自动控制系统的核心器件，因而它在工业控制、智能化仪器仪表、家用电器等中得到了广泛的应用。它体积小、个性突出、物美价廉的特点，使其应用领域得到不断的扩展，内部功能也得到了不断的改进和完善。单片机除了在以上领域表现抢眼外

18、，还在自动化高级电子玩具产品中也不断作为核心控制器件出现。3.2.2 单片机的特点及应用1.单片机的特点：单片机芯片作为系统控制的核心部件，除了能够完成通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便对系统的输入量、输出量进行实时检测并控制，实现自动控制功能。由于单片机主要用于工业控制，经常工作在高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体等恶劣环境之下，另外在太空中应用的单片机系统还必须具有抗辐射功能，这就决定了单片机CPU与通用CPU的不同适应特点，因为单片机CPU更能很好的适应恶劣环境，完成人类因自身原因无法完成的工作，实现技术上的突破。（1）单片机CPU对抗干扰性和工作温度

19、范围都要求比较高，一般能够抵抗外界电磁干扰或者对干扰能作出反应来调整自身属性，而通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力较弱；（2）单片机CPU可靠性强。在工业控制中，要求的就是高精度，不允许任何差错，高精度产品很多都是差之毫厘，谬之千里；（3）单片机CPU指令系统比通用微机系统简单易懂。单片机的程序一般采用C语言进行编译，利用Keil等软件生成机器语言后烧入单片机；（4）单片机CPU更新换代速度比通用微机处理器慢很多，Intel公司1980年推出标准MCS-51内核8051(HMOS工艺)、80C51(CHMOS工艺)单片机芯片后，持续生产、使用10年，直到1996年3月才被增强型MC

20、S-51内核8xC5x系列芯片取代。由于增强型MCS-51单片机芯片均采用CHMOS工艺，因此Philips公司将“增强型MCS-51”内核称为“增强型80C51”内核。2.单片机的应用目前单片机已广泛应用到国民经济的很多领域。强大的单片机对工业行业的技术改造和产品更新换代起到了很重要的带动作用。单片机的高精小特点决定了单片机在智能仪器仪表、机电一体化、实时监测系统、民用电子产品等方面表现突出。下面就根据搜集的资料注重介绍一下单片机在各个领域内的强大具体表现：（1）单片机在智能仪表中的应用单片机在实验室、交通运输监测、计数计量等各种仪器仪表之中经常出现，其主要作用是使仪器仪表更加智能化，提高了

21、它们的测量精度，并且强化了器件的功能，简化了仪器仪表的结构要求，在设备的应用、维护和更新中更加简单易行，如船舶航行状态记录仪，家电操控，电度表水表，电容、电阻、电感测量仪，烟草水分测试器，智能超声波测距仪等。单片机在该领域的应用，给传统的仪器仪表带来了根本性的变革。 （2）单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业发展的重要方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。单片机的出现促进了机电一体化的进程，对发展机器的自动化、智能化提供了可能性。（3）单片机在实时控制系统中的应用单片机也广泛的应用于各种实时控制系统中，如对工业上能源提

22、炼时的温酸度、化学成分的测量和控制，使工作人员更加轻松安全的操作设备，使系统工作于最佳的状态，从而促进了系统的生产效率，提高了产品的质量。在航空航天、通信、工业机器人控制等各种实时控制系统中都将单片机作为中心控制器。3.2.3 单片机的管脚及最小系统1.MCS-51单片机的管脚功能采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而采用CHMOS制造工艺的89C51/89C31,除采用40脚双列直插式封装外，还有用方形封装方式。如下图3-1所示为Atmel公司生产的双列直插式封装单片机管脚图。图3-1 单片机管脚图各管脚功能说明如下：(1)主电源管脚VCC(40脚)：接+5

23、V；VSS(20脚)：接地。(2)时钟引脚XTAL1(18脚)：片内振荡电路输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2(19脚)：片内振荡器电路的输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。(3)输入/输出引脚输入/输出引脚(I/O)口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。4个8位端口的特性：不能都用作用户的I/O扣，出8051、8751外真正可归用户使用的I/O口只有P1口以及作为第一功能使用时得P3口；I/O的负载驱动能力：P0口的每条口线能以吸收电流方式驱动8个TTL电路。P1、P2、P3口均只能驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL

24、电路；P3口具有双重功能，其第二功能如表3-1所示。表3-1 P3口的第二功能引脚第二功能P3.0RXD 串行口输入端P3.1TXD 串行口输出端P3.2INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3INT1 外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6WR 外部数据存储器及I/O口写选通信号输出端，低电平有效P3.7RD 外部数据存储器及I/O口读选通信号输出端，低电平有效(4)控制引脚这部分包括RESET(即RST)，ALE，PSEN、EA等，此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复选功能。RST/VPD(

25、9脚)：RST即为RESET,VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护段。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），使单片机复位。当VCC掉电时，该引脚可接上备用电源VPD，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中的数据不会丢失。ALE/PROG(30脚)：正常工作时为ALE（允许地址锁存）功能，提供把低字节地址锁存到外部锁存器的信号。ALE引脚以不变的频率周期性地发出正脉冲信号。因此，它还可对外输出时钟信号，或用于定时目的。但是，每当单片机需要访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL电路。对于片内具有E

26、PROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲PROG。PSEN(29脚)：这个管脚作为片外程序存储器读信号选通的输出端，低电平有效。在从外部程序存储器取指令期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，单片机每次访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。同样PSEN就可以驱动8个TTL负载。EA/VPP(31脚)：EA为片外程序存储器选用端。当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC(程序计数器)值超过某值时，单片机将自动转向执行外部程序存储器储存的内容。当EA端保持低电平时，则不论是否有内部程序存储器，单片机只会访问外部存储器。在EPRO

27、M编程期间，此引脚用于施加编程电源VPP。综上所述，MCS-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点：(1)单片机功能多，引脚数少，因为许多引脚都具有第二功能；(2)单片机对外呈现总线形式，由P2，P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由PSEN与P3口中的WR,RD构成对外部存储器及I/O的读/写控制，由P3口的其他引脚构成串行口、外部中断输入、计数器的计数脉冲输入。2.单片机最小系统构成单片机加晶振电路、复位电路、外部程序存储器、数据存储器、按键以及数码显示管等构成了单片机的最小系统。这些电路是保证单片机正常工作的必备电路。下面介绍最小系统的典型模块。(1)单片机晶振电路MCS

28、-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其中管脚XTAL1和XTAL2就是该反相放大器的输入端和输出端，由一个起到反馈作用的片外晶体谐振器和单片机内部的放大器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式，如下图3-3所示。VCCGNDY1R1C1C2XTAL1 MCS-51XTAL2 MCS-51 XTAL1 XTAL2VSS NOT图3-3 晶振电路(2)单片机复位电路单片机复位后的状态当振荡器处于运行状态时，如果在RST引脚保持2个机器周期，也就是24个振荡周期的高电平，单片机内部就会执行复位操作，以后每个周期单片机都会执行一次复位，直到RST端变成低电平

29、。为了保证单片机正常复位，考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常设计成使RST端持续20ms以上的高电平。复位后单片机从程序存储器的地位0000H处开始运行，内部寄存器的状态如下表3-2：表3-2 复位后单片机寄存器状态专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HTH200HDPTR0000HTL200HP0-P3FFHRLDH00HIPXXX0000BRLDL00HIE0XX0000BSCON00HTMOD00HSBUFXXXXXXXXTCON00HPCON0XXXX0000BT2CON00H

30、复位后，ALE和PESE为高电平，但内部RAM不受复位的影响，因此内部RAM的状态无法确定。单片机复位电路上电复位电路如下图a，在VCC和VDD之间接入RC电路。在上电时RST端电位和VCC是相同的，随之电容充电电流缓慢减小，RST端的电位也缓慢下降。当VCC的上升时间低于1ms，同时振荡器建立的时间没超过10ms时，按图中的时间(C1=22uf,R1=1K),系统开始上电复位，这样就能保证电路在上电开机时可靠的完成复位操作。因为上电复位至少要在振荡器建立时间加两个机器周期内完成，所以在上电复位过程，RST端的电平必须要比施密特触发器的最小值要高，这样才能完成操作。如图3-4所示的几种复位电路

31、：VCCVCCMCS-51RST MCS-51RST S1R2200¦¸R1RES2R11k¦¸C122uFC122uFVCCRETMCS-51C122uFC222uFR2200¦¸R11k¦¸S1图a图b图c图3-4 a)上电复位 b)按键电平复位 c)按键脉冲复位3.3 光电检测报警电路这部分包括滴速检测和液面检测两部分，因为两者检测原理相同，故统一介绍。对于光电传感器的选择，考虑到储液瓶的大小，我选用了将蓝光LED灯作为光线发射装备，将光敏电阻作为接收装备，利用光敏电阻的特性，产生电压跳变，从而进行检测。3.

32、3.1 光电收发单元的选择本系统的光电变换类型为模拟量的变换，即将被测的光信息量变为电信息量。入射到光电接收器件上的光敏面上光信息量，与产生管光电流成正比。所以，光电流的大小就能很好的反映被测点的光信息量的大小。即光电器件输出的光电流I是被测信息量的Q函数:I=F(Q)。1.光电发射部分光电器件上产生的电流大小，不仅与被测信息量大大小有关，而且还和光的辐射密度。光学系统的质量和光学器件本身的性能有关，所以要求光源的性能要稳定，在空气中不会发生严重散射。特别要求它们的特性不会因为时间、电压变化以及温度变化等原因而发生变化。否则外界因素的变化就会导致输出电流的明显变化，影响检测结果。对于光电发射部

33、分的选择，本系统将选用的是蓝光LED灯。为了保证光线可以尽可能少扩散、沿直线的方向照射，因此在LED灯上套有一个橡胶套。蓝光LED灯是实验室中常见、容易购买和性价比高的发射元件，并且蓝光LED灯完全符合本次设计的要求。2.光电接受部分当被测对象因光的折射、反射、或者被测对象本身辐射强度的发生变化。而导致光信号幅度的大小也随之改变。为准确测量幅度的变化大小，必选选用线性好、响应快的器件。系统报警和滴速检测是利用电信号幅度变化，来判断是否报警。由于为了设计的简便以及节省经费，故选择常用的电路元件光敏电阻。3.3.2 液面检测和滴速检测电路这两个电路的检测原理相似。但考虑到综合运用所学知识，故将液面

34、检测电路和滴速检测设计成两种电路，分开介绍。1.滴速检测电路图3-5 滴速检测控制电路液滴信号可见光检测部分电路如上，为了保护光敏电阻，在发射管和接收管的两端分别串联一个电阻R11，R12，起限流作用。在可见光检测时，当没有液滴落下时，输出电压为0V，当有液滴落下时，液滴对由蓝光LED灯发射出来的光线有阻碍作用，使感光受到一定影响，输出一个脉冲电压。该脉冲电压因为太小，故采用运算放大器LM324对这脉冲进行放大。放大倍数为A=R14/R13=10000，经过放大后才能进行正常的后续处理。同样采用LM324构成电压比较器，其中Vg为滑动变阻器，具体值由设计实物测试得到。在一步LM324的7脚输出

35、的脉冲信号就可以输入到C51的P3.4(定时/计数器T0)，T0设定为计数方式时。脉冲信号输入T0口，T0端口出现由“1”到“0”的负跳变脉冲时，计数器则加1，由此实现对滴速的测量。(控制步进机)2.液面测量图3-6 液面检测电路这部分电路设计以上述光电检测报警电路为准，同样利用液体对光线的吸收作用。当点滴瓶液位低于测试出来的临界值时，光敏电阻会接受到发射管发出的光线，产生一个电平信号，输入到555定时器的2管脚，这时施密特触发器将边沿变化缓慢的波形整形成为边沿陡峭的矩形脉冲，之后送到单片机的P3.2(INT0)口，作为外部中断0的触发信号，单片机的P2.2口与声音报警电路连接。利用单片机接收

36、中断信号并控制P2.2输出低电平，该信号经隔置电容加到扬声器上，从而启动报警系统。(控制步进机)之后等待复位键RESET复位。3.3.3 报警电路当检测到液位下降到设定位置和没有点滴通过滴壶等异常情况出现时，单片机就会发出报警信号，从而发出声光报警信号，电路如下图所示。蜂鸣器作为三极管VT3的集电极负载，当VT3导通时，蜂鸣器发出声音实现报警；VT3截止时，蜂鸣器不会产生声音，其中的电阻为限流电阻。将VT3的基极连到单片机的P2.7管脚上，P3.7作为单片机的输出端口。当输出为低电平时，VT3、VT2导通，使蜂鸣器和LED1故障灯(黄色)两个管脚之间产生5V的电压，从而启动蜂鸣器和LED导通，

37、产生蜂鸣和黄色灯光实现声光报警。当输出为高电平，VT3、VT2截止，使蜂鸣器和LED1故障灯(黄灯)两个管脚之间产生0V的电压，而使蜂鸣器和LED2正常灯(绿灯)两个管脚之间产生5V的电压，从而产生绿色灯光。图3-7 声光报警电路3.4 显示电路3.4.1 显示方式的选择本系统需要实时显示输液过程中的滴速，普通的显示方式分为LCD显示和LED数码管显示。由于LCD液晶显示效果清晰明了，所以这里选用LCD1602液晶显示屏进行显示。液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等，这里选用的是LCD1602字符性液晶显示屏。用LCD显示一个字符时，既要找到和显示屏幕上某几

38、个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.4.2 显示电路设计本系统按照需求采用一个LCD1602液晶显示的方式，显示屏上需要用3*3键盘输入一个固定值和显示出滴速检测控制模块检测到的速度。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。LCD1602液晶显示有11个控制指令

39、，如表3-3所示：表3-3 液晶显示控制指令表指令功能清屏清DDRAM和AC值归位AC=0，光标、画面回HOME位输入方式设置设置光标、画面移动方式显示开关控制设置显示、光标及闪烁开、关光标、画面位移光标、画面移动，不影响DDRAM功能设置工作方式设置（初始化指令）CGRAM地址设置设置CGRAM地址。A5A0=03FHDDRAM地址设置DDRAM地址设置读BF及AC值读忙标志BF值和地址计数器AC值写数据数据写入DDRAM或CGRAM内读数据从DDRRAM或CGRAM数据读出编程时经常用到的几个指令：（1）清屏指令如表3-4所示：表3-4 清屏指令表RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4

40、 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 0 0 0 0 1（2）显示开关控制指令如表3-5所示：表3-5 显示开关控制指令表RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 0 1 D C B功能：设置显示、光标及闪烁开、关。其中： D表示显示开关：D=1为开，D=0为关；C表示光标开关：C=1为开，C=0为关；B表示闪烁开关：B=1为开，B=0为关。（3）光标、画面位移指令如表3-6所示：表3-6 光标、画面位移指令RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 1 S/C R/L * *功

41、能：光标、画面移动，不影响DDRAM。其中： S/C=1：画面平移一个字符位；S/C=0：光标平移一个字符位；R/L=1：右移；R/L=0：左移。（4）功能设置，如表3-7所示： 表3-7 功能设置指令表RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 1 DL N F * *功能：工作方式设置（初始化指令）。其中：DL=1，8位数据接口；DL=0，四位数据接口； N=1，两行显示；N=0，一行显示； F=1，5´10点阵字符；F=0，5´7点阵字符。设计的显示电路如下：图3-8 显示电路3.5 按键电路在输液过程中可能会发生一些突发

42、性事件，所以本系统设计一个紧急呼叫键。当有突发事件发生时，按下紧急呼叫键，可以及时通知医护人员前来进行处理，这样一来，就增加了输液过程的安全性。同时，当报警发生时，设计采用手动按键停止报警的方式，按键设置在方便位置。只有医护人员来到床位时才能停止报警，提高医护人员处理事件的及时性。如下图按键电路。图3-9 按键电路3.6 键盘电路设计键盘一般可以分为全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供和按键对一个的编码。这种键盘使用方便，但需要较多硬件，价格较高。而非编码键盘只能简单地提供高、低电平两种不同的输入矩阵，其他工作都可以用软件来代替完成，由于它的经济实用性，所以在本系统中采

43、用非编码键盘。3.6.1 键盘原理介绍1.原理简介键盘接口电路是单片机系统设计非常重要的一环，作为人机交互界面里最常用的输入设备。我们可以通过键盘输入数据或命令来实现简单的人机通信。在设计键盘电路与程序前，我们需要了解键盘和组成键盘的按键的一些知识。2.按键的输入原理单片机应用通常使用机械触点按钮开关，其主要功能是机械转换成电能的逻辑。换句话说，它提供了通用的数字逻辑电平兼容标准TTL逻辑电平。除了特殊的复位电路和复位功能的复位按钮，其他按钮来切换状态设置控制功能或输入数据的特殊性。一套功能键或数字键被按下时，单片机系统应完成的按钮集的功能。因此，关键的信息输入是密切相关的软件架构的过程。一组

44、键，或通过接口电路与单片机连接键盘。查询或中断的微控制器，可以用来了解是否有按键的输入和检查哪一个按钮被按下时，它的关键是检测到按下键盘并进行处理，如果不按任何键继续执行其他程序。3.按键去抖原理机械式按键，然后按下或释放，由于机械灵活性的作用，通常伴有一定时间的接触机械抖动，然后稳定的接触。开关抖动的时间长度，一般为510毫秒，力学性能。可以看出，从图中，在测试过程中的关键和OFF状态接触抖动，可能会导致判断错误。也就是说，一旦按一个键或释放误认为多个操作，这种情况是不允许的。为了克服由于机械振动检测的误报的关键接触，必须采取的抖措施，可以考虑两个方面的硬件，软件。在一般情况下，按键的数量较

45、少，可以是硬件去抖，按键的数量大，使用软件去抖。按钮去抖过程中检测到一个键被按下，应推迟15ms到10ms的延时子程序(赎回)等待一段时间，然后再确定是否按下一个键时，如果法官按钮被按下，按钮是有效的，如果未按判决按钮，关键抖动或干扰的描述应返回来判断。真正的键盘被按下之前，相应的处理程序，基本键输入，即使进一步确定是否一个键释放。独立按键电路配置灵活，软件结构简单，每个键必须占用一个I / O口线，这样的浪费，最关键的是，I / O口线。为更多更复杂的系统或关键的矩阵键盘的场合都可以使用。 3×3矩阵键盘3北行和3行线跨结构，位于按钮的交汇点的行列中，因此，构成了9个按键。没有连接

46、线的行列的交点，当按下按钮时，在导行线和列线的交叉点。没有键被按下时，在高速状态下的排线，当一个键被按下，行，列，通过路口指南，此时，线，南行的水平列线将连接线和此行的水平决定。这是关键，以确定是否按一个键。然而，在矩阵式键盘的每一行与四柱线线相交，交集的按钮被按下或不影响行线和列线的关键水平，每个键会互相影响，重点分析必须是一行行，列线信号，并妥善处理一起，并确定了封闭的关键位置。3.6.2 键盘电路图键盘电路，根据输液速度的要求，利用它输入一个数值，设定为预设滴速，利用单片机对键盘进行扫描。当无按键时，P0.0口到P0.5口输入是000111，它的行输入电压是低电平，高电平触发。它的列输入

47、电压的高电平，低电平触发。有按键按下时，根据行列电压的变化得打按键所在的行数和列数，并进行计算。K=行+列*3.得到输入的数值。电路图如下：图3-10 键盘电路3.7 步进电动机驱动电路设计1.步进电动机原理步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电动机的角位移量与脉冲数k成正比，它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适用采用单片机控制。2.

48、具体分类步进电动机按照励磁方式分类，可以分为三种：永磁式、反应式和混合式(HB)。永磁式步进电动机一般为两相，其转矩和体积较小达不到本次设计的要求；反应式步进电动机一般为三相，可实现大转矩输出，但噪声和振动都很大，对输液过程都会造成影响，因此也遭弃用；混合式步进电动机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相，本次设计采用的两相混合式步进电动机。3.步进电动机驱动方式因为在本系统中步进电动机起到至关重要的作用控制输液的进行。因此小本节介绍单片机步进电动机控制系统，根据三相步进电动机工作原理可知，这类的步进电机一般有三种工作方式：三相单三拍 ABC三相双三拍 ABBCCA三相六拍 AAB

49、BBCCCA按照上述方式进行通电的话，步进电动机就会实现正转，当按相反方向通电时，步进电动机就实现反转。在本系统中，用单片机的P1.0，P1.1，P1.2分别控制步进电动机的A,B,C相绕组。由控制方式得出以下控制模型，如下三表。表3-8 三相单三拍节拍通电相控制模型正转反转二进制十六进制13A0000000101H22B0000001002H31C0000010004H表 3-9 三相双三拍节拍通电相控制模型正转反转二进制十六进制13AB0000000103H22BC0000011006H31CA00000010105H表3-10 三相六拍节拍通电相控制模型正转反转二进制十六进制16A000

50、0000101H25AB0000001103H34B0000001002H43BC0000011006H52C0000010004H61CA0000010105H4.步进电机驱动TB6560AHQTB6560AHQ两相混合式步进电动机驱动芯片，内置双全桥MOSFET驱动、温度保护及过流保护，采用HZIP25封装（尺寸：36.5×17mm），耐压40V、电流3.5A（峰值）、16细分，外围电路简单。适配57mm机座及其以下所有两相混合式步进电动机。图3-11是步进电动机驱动电路图。单片机控制转动时，利用编程通过P2.1到P2.4的输出脉冲来控制步进电动机的转动方式。系统设计为四相八拍驱

51、动逻辑模式。当P2.1口输入111000001,P2.2口输入000011111,P2.3口输入100000111,P2.4口输入001110000时，步进电动机正转。反之反转。图3-11 步进电动机驱动电路第四章 系统软件设计和实现第四章 系统软件设计和实现4.1 软件概述上一节已经介绍了该系统的硬件电路，但只有硬件电路并不能使系统正常工作，系统还需要软件的设计和软硬件的综合调试。由单片机完成实时输液液面检测报警、输液滴速监测操作以及整体输液路线结构的执行，这套系统不仅可以大大减轻医护人员的工作量和劳动强度，而且还能保证输液稳定安全进行。因为系统自备报警功能，所以它能实时进行监护处理，从而减

52、少因监护不力而出现的输液异常事故的发生。本系统的程序设计采用模块化和结构化的方法，本系统需要设计的输液监测软件包括：光电液面检测程序模块、光电检测报警程序模块、光电滴速检测控制模块、步进电机控制模块、按键扫描和LCD显示模块等。使用C语言对系统的软件进行程序设计。输液监测系统的软件实现功能：医护人员可以根据病情和输液溶液的成分，通过键盘输入预定的输液过程中所需要的输液速度，由输液系统自动完成滴速数据的采集和处理，系统开始运行后自动完成液面的检测和处理。再医护人员及时处理好状况后能进行复位，并能直接用于下一轮的输液治疗。C语言调试环境介绍本系统采用C语言作为程序设计工具，并通过Keil 软件进行

53、程序的编译及调试。Keil 是美国Keil Software公司出品的51系列单片机的C语言开发环境。Keil 软件中提供了丰富大量的库函数和功能齐全的集成开发工具uVision4，uVision4全是Windows经典界面，操作方便。Keil 生成目标的HEX文件效率非常之高，而且格式清晰，易理解。在开发大型软件时Keil环境更能体现自身的优势。与汇编语言相比，C语言无论在结构上还是可读性上都有明显的优势，因而易学易用。将Keil软件压缩包从网上下载后，就可以了安装。在安装完成之后对程序进行编辑、编译。(1)在启动uVision4后，界面如图4-1所示。图4-1 启动界面(2)在File(文

54、件)菜单里选择New(新建)命令，则在下面的灰色框中打开一个如“记事本”一样的编辑窗口。在工作区的代码编辑窗口里输入编写的代码，并把编写好的代码保存在一个文件夹中，这里文件扩展名一定要保存为.c格式，如图4-2所示：图4-2 新建界面(3)新建一个工程。在Project(工程)菜单里选择New Project(新建工程)命令，则出现创建新工程对话框，如图4-3所示：图4-3 新建工程界面选择好工程名称后保存，习惯上工程的名称与保存的C51文件名一致。在单击“保存”按钮时，立刻回出现51系列CPU类型库对话框，用来选择这个工程所采用的51系列CPU型号，如图4-4所示：图4-4 选择单片机型号选

55、择CPU后，单击“确定”按钮，一个工程就建立好了，这时，新建立的工程出现在工程窗口中。右击工程工作区里的源代码组，选择Add Files toGrouP Source GrouP 1(把文件加入到源代码组)命令，把刚保存的C51程序源代码加入到新建工程中。这时就可以对编写的源程序进行编译和调试.如以上输入的代码调试结果如图4-5所示:图4-5 编译和调试界面(4)在工程窗口中右击Target1,在弹出的快捷菜单中选择OPtion for TargetTarget 1。在出现的对话框中的“输出”选项卡中，选择“建立HEX文件”复选框，这样在编译文件时，会输出相应HEX文件，如图4-6所示：图4-6 编译界面(5)在源文件目录下，可以看到编译生成的HEX文件，将HEX文件写入单片机中，就可以进行仿真和调试，如图4-7所示。图4-7 仿真和调试界面4.2 软件设计在本系统中主要有两大主要模块：液面检测报警模块，滴速检测控制模块。下面主要介绍这两大模块的程序设计：(一)液面检测报警模块系统对液面位置进行检测，当检测到液面低于警戒线