液体点滴速度自动监控系统毕业设计论文Word下载.docx
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KEYWORDSPID,Monolithicintegratedcircuits,Littlespeed,Photoelectricsensors,Manyofthecommunications
中文摘要...................................................
英文摘要（任选）……………………………………………………………
1.1量模块方案比较与论证..................................2
1.1.2液体点滴速度测量………………………………………………2
1.2控制模块方案比较与论证………………………………………..3
1.3主从单片机通信方案设计与论证………………………………..4
2.1系统工作原理..........................................6
3系统分立模块设计及工作原理..............................7
3.1键盘框图及工作原理...................................7
3.2数据采集模块及工作原理................................7
3.3声光报警模块.........................................8
3.4电机模块及工作原理...................................9
4.1滴速检测程序.........................................10
4.2电机控制子程序.....................................11
4.3液体点滴速度检测……………………………………………….11
4.4检测电路中的防干扰…………………………………………….12
5系统软件实现…………………………………………………………..14
5.1点滴速度测量…………………………………………………14
5.2自学习的实现……………………………………………….15
5.3点滴速度控制……………………………………………….16
5.4多级串行通信………………………………………………...17
6测量数据与分析............................................18
6.1测试仪器..........................................18
6.2测试方法..........................................18
6.3测试数据与分析....................................18
6.4发挥部分..........................................19
总结.......................................................22
致谢........................................................23
参考文献....................................................24
附录…………………………………………………………………………25
附录1设计系统图…………………………………………………….25
附录2系统版电路原理图…………………………………………….26
前言
随着微电子技术和信息技术的发展和应用，医疗设备领域正在悄悄的发生着一场信息化的革命。
尤其是在医疗监护领域，传统的病房式监护手段已经越来越不能适应当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。
自上世纪70年代美国航天局（NASA）运用远程监护技术对空中的宇航员进行生理参数的监测开始，直到目前美国军方研究的一种供战时使用的人体状态监护仪（PersonalStatusMonitor,PSM），这是一种由士兵佩戴，在战场上监护士兵的呼吸、体温、血压、心率及心电图的监护装置，通过无线电技术使战地指挥官能估计战场上的受伤者是否还活着，并可确定受伤者的所在位置。
目前，医院内以计算机为基础的病人床边监护与中央集中监护系统，已能通过各种方式与各类信息系统相连接，组成一个集数据、波形、语音、图像为一体的有线与无线相结合的信息网络。
在这个网络中可通过各种有线和无线传输方式，将急救现场、急救车、诊疗船、直升机、家庭诊疗所、乡村医院等与急救中心和大型医院相联通，为人类提供在任何地方、任何时候实行远程监护与医疗诊断。
这一现代技术目前正悄悄地进入医院、家庭以及任何载人的运输工具（汽车、火车、船舶、飞机、宇宙飞船等）中，并直接为工作中、行走中和飞行中的个人保健服务。
在欧美发达国家，医疗监护产品升级换代的速度相当迅速，其总体发展趋势是:
（1）应用各种高新技术丰富产品功能，拓展应用范围;
（2）采用多系统组合的积木式结构，即模块化，可根据临床对多种测量、分析控制和记录的需要，组成适宜的监护操作系统;
（3）普遍采用GUI界面，操作直观，实时信号处理准确可靠，信息存储量大，具有联网扩展功能:
（4）软件设计以模块化为基础，以便于硬件设备的升级换代和新功能的扩展;
（5）监护设备的市场已由医院走向家庭，因此要在采用最先进技术的同时，生产操作简易的仪器，以供非医疗机构用户使用。
（6）多参数和整体式监护系统已逐渐取代单体式病人监护仪，如多参数（ECG,SP02,呼吸率、非损伤血压和体温等）携带式个人监护系统，能使医生在医院获得来自任何地方的病人信息。
（7）方便随时随地进行回放的网络化装置也是一个重要的发展趋势;
（8）遥控示踪是另一个增长迅速的领域，因为这种技术能对非卧床病人进行连续监护。
1方案比较、设计与论证
1.1测量模块方案比较与论证
1.1.1储液瓶液面高度测量
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，利用液面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。
超声波测距准确，是一种常用的测距方法。
但是在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：
使用光电传感器定点对液面进行监测。
利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收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即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，简化了外围电路结构。
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。
1.1.2液体点滴速度测量
利用光透射原理。
使用光敏二极管和单向光源实现光检测。
通过光敏二极管接收透射过来的单向光源的光信号，产生脉冲信号。
实现框图如图1－1。
图1－1利用透射检测点滴速度
利用光的反射原理。
使用红外发光二极管和光敏三极管实现光源检测。
红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收三极管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，通过定时采样计算出液体点滴速度。
实现原理框图如图1－2。
图1－2利用反射检测点滴速度
综合比较上面两种方案，利用透射原理来检测点滴速度时，由于储液瓶是透明玻璃瓶，从光源发射出来的光大部分反射，透射光比较微弱，这样检测信号产生误差较大，同时电路需要对微弱信号进行处理，这样就增加了电路设计上的难度；
利用光的反射原理实现时，由于反射信号比较强，这样可以减小信号检测时的误差，同时电路形式要透射时情况简单。
1.2控制模块方案比较与论证
对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案：
用电机来控制调节点滴的速度有两种方案：
通过改变滴斗到受液瓶的高度H2来调节点滴的速度。
由电动机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度H2，从而调节点滴速度。
此种调节方法简单，容易实现。
通过控制滴速夹的松紧来控制点滴的速度。
不过滴速夹用于大范围的调节滴速，难以控制，适用于粗调。
（这是个什么图，需要标注）
1.3主从单片机通信方案设计与论证
并行通信是数据各位同时进行传输的方式，优点在于传输速度快，但是其传输数据宽度导致通信线路复杂，由于本系统数据传输量不大，可使通信线路尽量简单才用串行通信方式。
串行通信能通过同步传送和异步传送两种方式来实现。
方式一：
同步传送方式。
同步传送字符格式简单，其有效数据位传送速率快，但是硬件实现上比较复杂，同时对同步时钟脉冲信号的相位一致性要求很严格。
方式二：
异步传送方式。
异步传送方式以字符为单位一个个发送和接收的，每个字符要用起始位和结束位作为字符开始和结束的标志位。
在异步传送中，字符间隔不固定，需要加空闲位等待传送，这样其完成数据传送的时间较长，异步传送优点就在于实现上简单。
综合比较上面两种方案，本系统中实现单片机与单片机之间的通信采用异步传送方式。
2设计系统组成框图
通过以上方案设计比较，确定系统实现框图如下图2－1：
图2－1系统组成框图
2.1系统工作原理
图2－2位置型PID算式
图2-2给出了系统组成方框图。
通过键盘输入模块输入预置的点滴速度并将数据信息传送给单片机。
系统进入调整方式一（电机为主，等待中断）调整装置刚开始运行时步进电机以定速转动，等待传感装置发出中断信号。
当点滴速度进入一定范围（预置值±
10）时单片机检测到中断信号进入调整方式二（采集信号为主，电机被动）采集装置1通过红外光电传感器对不同标志的检测，并以电信号的形式传给单片机，经运算、分析、处理后单片机通过输出端口将数据传给显示模块和电机，实现点滴速度的显示和对滴瓶高度的控制，使实际点滴速度更接近预置值，由于硬件的限制既不可预测的误差，实际点滴速度极难达到预置值，因此设置当实际点滴速度进入预置值M×
10%±
1滴范围内时电机停止转动，这样就实现了智能控制功能。
另外，数据采集装置1将通过红外光电传感器检测到的信号直接输出给声光报警装置，节省了单片机的资源。
当声光报警持续30秒钟后无人复位，则由单片机发出信号关闭声光报警，同时发出信号控制电机使吊瓶下降直至无液滴滴出，可以大大提高输液的安全系数。
3系统分立模块及工作原理
3.1键盘框图及工作原理
电路如图3-1。
当A部分某一按键被按下时，键盘接地电路导通相应I/O口由高电平下降为低电平，此时单片机系统监测到P1口相应位的电平变化执行相应的子程序，本程序中子程序为对P0口送出所键入数字的四位二进制代码，作为CC4511译码器的输入信号驱动数码管。
例：
按下按键5则P1.6由高电平下降为低电平，单片机系统扫描P1口监测到p1.6的变化执行子程序MOVP0,50H．程序执行后P0口低四位变为0101。
P0口低四位分别送到3片cc4511译码器的A,B,C,D输入端，这样三片CC4511译码器都被设置了相同的预置数，如果要设置十位为预置数则只需按下十位的片选键则十位显示预置数。
同理可以分被选通个位及百位，置数完毕后按确定键，则置数及显示过程完毕，单片机自动完成对输液装置的监测及控制 。
图3-1是什么图需要标注
3.2数据采集模块及工作原理
（1）点滴速度的检测采用红外传感技术实现对滴斗中点滴的检测，电路如图3-2所示。
比较器LM311的门限电压为可调电压，可提供0.8V——5V的电压，以适应不同环境。
当无点滴经过红外传感器感应区时，接收管导通，Vi输出低电平，低于比较器的门限电压V-，V1输出低电平。
当点滴经过感应区时，红外发射管发出的光线在一个短暂的时间内被阻挡，接收管出现一个短暂的截止，Vi输出电平产生一个上升沿，高于比较器的门限电压V-，比较器输出一个高电平脉冲给单片机，触发单片机计数，达到了单位时间内计数的目的。
（2）液面高度的检测采用红外对管传感器对储液瓶中的滴液高度进行检测，电路如图3-3。
它的工作原理如上所述，所不同的是，当储液的高度高于警戒线时，接收管截止，V2输出高电平；
当储液的高度低于警戒线时，接收管导通，V2输出低电平。
图3-3
3.3声光报警模块
图3-4
电路如图3-4。
当点滴的速度低于20滴/分或高于150滴/分时，单片机发出信号使V2出现高电平，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。
同时，当储液瓶中的滴液低于警戒线时，V2输入高电平，也触发蜂鸣器报警，提醒医护人员和受液人采取相应措施，避免危险事故发生。
3.4电机模块及工作原理
单片机控制步进电动机，主要任务是：
一通过延时控制电机转速即控制吊瓶运动速度,二按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制。
每输入一个脉冲电机沿选择方向前进一步，每前进一步电机转动一个固定角度。
从这个意义上讲，电机也是一个数字/角度转换器。
方式
步序
控制位
通电绕组
控制字
三
相
单
三
拍
式
1步
2步
3步
P3.2P3.1P3.0
C相B相A相
001
010
100
A相
B相
C相
01H
02H
03H
根据上表，单三拍相序为A—>
B—>
C—>
A时电机正转，反之A<
—B<
—C<
—A则电机反转。
本题设计的关键是控制电机的旋转方向和步数，把调节的最小绝对误差控制在预置数M×
1滴。
如图3-5
图3-5
4软件程序设计
4.1滴速检测程序
什么图需要标注
如前文所述，在滴管两侧套上红外传感器，液滴滴下时，便产生一个脉冲，INT0发出中断请求信号，记下脉冲数，只需记录两个脉冲所间隔的时间，便能得到滴速。
其中，时间差有定时器的时钟计算得到。
考虑单片机的资源问题，LED显示的驱动信号有单片机的引脚串出提供，有两片CC40194（移位寄存器）构成的七位串行/并行转换器转换成并行输出的信号，取Q3Q4Q5Q6经CC4511驱动数码管。
资源名称
功能
外部中断INT0（下降沿触发）
液滴检测中断
定时器T0（工作方式1，6Mhz）
记脉冲当前时间
其中，AT89C51计算得到的是组合16进制形式的滴速数据N，将其转换成十进制存储﹑串出。
方法：
N除以64H（100），商作为百位，余数除以0AH（10），商作为十位，余数为个位。
电路中S0端接高电平1，S1受Q7控制，二片寄存器连接成串行输入右移工作模式，Q7是转换结束标志。
当Q7=1时，S1为0，使之成为S1S0=01的串入右移工作方式，当Q7=0时，S1=1，有S1S0=10，则串行送数结束，标志着串行输入的数据已转换成并行输出。
4.2电机控制子程序
什么图？
4.3液体点滴速度检测
本系统用光电传感器ST178来检测单位时间内点滴下落的个数，ST178为单电源反射式光电传感器，内含有一个红外发光二极管，一个光敏三极管（用来接收反射回来的红外光）。
当发光二极管发出的红外光大部分被光敏三极管接收时，接收端光敏三极管导通；
光敏三极管接收到的反射红外信号微弱时，接收端光敏三极管截止。
具体电路形式如下图4－5。
图4－5反射检测点滴速度电路
当滴斗处无液滴落下时，红外光在滴斗表面发生全反射，光敏三极管导通，比较器输出低电平；
当滴斗处有液滴落下时，红外光在穿过点滴时有散射现象发生，光敏三极管只能接收到微弱的光信号，光敏三极管截止，比较器输出高电平。
电路输出脉冲信号输入到单片机T0口，单片机对脉冲信号计数，从而确定点滴下落速度。
电路中比较电平由精密稳压管LM336经过电位器分压输出，脉冲信号为低频，故选用低频电压比较器LM339，可减少高频噪声。
设光电传感器接收到可见光时输出电压幅度是
，即输出信号中的直流分量，当检测到点滴时，光电传感器产生脉冲信号输出，通过电解电容C2滤掉脉冲信号中的交流分量，电压比较器对脉冲信号整形。
实际示波器输出波形如下图4－6所示。
图4－6脉冲波形的产生
上图中第一波形为光电传感器检测产生的脉冲信号，第二波形即为电压比较器输出信号。
4.4检测电路中的防干扰
电路中使用光电传感器检测点滴速度和警戒值。
这样系统检测信号受到可见光以及测量调节中点滴抖动的影响，要使检测到的信号尽量准确，需要对系统电路进行抗干扰处理。
（1）防止可见光干扰电路中使用了光电传感器，在接受到发送的红外线的同时，将会接收可见光。
当可见光的强度足够大时，将会影响到接收的红外光信号的精度。
抗可见光干扰可以使用在光电传感器探测头加遮光罩，或使用脉冲频率调制的方法。
由于系统电路中使用直流电源给光电传感器提供工作电压，所以本系统使用在光电传感器探测头上加遮光罩。
（2）防抖动干扰电路中需要检测储液瓶中液面高度以实现报警，同时需要检测点滴速度及通过改变
高度实现对点滴速度的控制，所以测量时被测装置将会移动，当光电传感器和被测装置之间不能紧密连接时，检测到的信号误差，所以要减小被测装置移动时产生的抖动干扰。
本系统中将光电传感器固定在被测装置上，以减小被测装置移动时产生的抖动干扰。
当储液瓶中液面晃动时，会使光敏传感器产生误报警，利用单片机检测信号时，适当加上一段时间的延迟，待系统稳定时再测，可以减小液面晃动时产生的干扰。
（3）干扰的软件处理。
如下图4－7是单片机输入信号的正常波形和异常波形。
图4－7单片机输入信号
检测到正常波形时脉冲宽度是tmS，若软件采集脉冲波形上升沿，则检测到异常波形时，软件在tmS时间内只默认采集了一个上升沿，即将另一个上升沿屏蔽掉，这样软件就能将异常波形转换成正常波形进行处理。
5系统软件实现
本系统的核心在于软件部分。
软件实现了系统各个模块的核心部分。
软件上主要实现了一下几个方面功能。
5.1点滴速度测量
以点滴间隔为单位，记录一次点滴的时间，用60除以点滴单位时间就可得到每分钟的点滴数。
这种方法用到除法操作，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回被60秒这样大的时间单位放大。
但此法在修正点滴速度时，可以实时的测得当前的点滴的速度变化量，适合在调整滴速度使用。
以单位时间记录点滴数。
通过简单的乘法就可计算出点滴速度，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取均值，从而求得单位时间的平均点滴数，这样可以达到比较好的精度。
在本设计系统中，采用将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。
实现原理如下：
图5－1脉冲信号检测
使用定时器
定时
，当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
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