生理盐水恒温控制系统设计Word文档格式.docx
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目录
一、绪论1
1.1研究现状及意义1
1.2系统设计要求1
1.3课题研究内容2
二、硬件系统设计3
2.1系统总体设计3
2.2系统主控模块设计4
2.3温度采集模块设计5
2.3.1温度传感器5
2.3.2温度采集电路的设计7
2.4恒温控制模块设计8
2.5按键显示模块设计9
2.5.1按键电路9
2.5.2显示电路11
2.6报警电路13
三、软件系统设计14
3.1软件系统设计流程14
3.2温度采集子程序设计15
3.3恒温控制子程序设计17
3.4显示程序设计18
四、系统仿真19
4.1仿真软件PROTUES的简介19
4.2仿真步骤19
五、总结21
参考文献22
致谢23
附录24
一、绪论
1.1研究现状及意义
生理盐水，是指生理学实验或临床上常用的渗透压与动物或人体血浆的渗透压相等的氯化钠溶液。
其溶度用于哺乳类动物和人体时是0.85～0.9%，人们平常点滴用的氯化钠注射液浓度是0.9%。
陈锦、李艳在其“不同温度的生理盐水冲洗胸腔对患者的生命体征的影响”一文中提到，用于胸腔冲洗用的生理盐水，如果温度过低，会影响患者的生命体征,甚至死亡。
温度过高，则会破坏活组织细胞，一般温度高达45℃以上，活组织细胞便可被灭活致死[1]。
由此可见，生理盐水的温度的无论是对于医学实验还是临床治疗，都起着关键性的作用。
目前我国对生理盐水温度控制的研究开展得比较少，这方面的相关文献也几乎没有。
在国家大力推进医疗体制改革、努力改善各医院医疗条件的大背景下，通过电子信息技术的引入，使得各项医用药品能够得到合理的储存和监护，具有十分重要的实际意义。
生理盐水恒温系统的设计是现代信息技术在医学领域中的研究内容之一。
用于医学上的生理盐水恒温控制是一种通过微型控制器实现对生理盐水储存设备环境因子实时调控的信息控制技术，是改善医疗基础设施的有效举措之一。
1.2系统设计要求
生理盐水或以袋装形式或其它形式存放于特定的存储容器之中。
下面针对课题设计任务，提出具体的设计要求。
（1）要求能够实现对生理盐水的恒温控制.
（2）能够根据实际需要自由调节待恒定的温度值
（3）控温精度高，偏差小于±
0.5℃。
（4）超温声程报警，按键消除。
（5）友好的人机操作界面
以上为本系统所要完成的设计任务，由于生理盐水主要用于手术时伤口及器官的清洁冲洗，在使用时需要与人体相近的温度进行冲洗，以免因为温度过高或过低对伤口和器官造成外界因素刺激，及造成伤口感染，所以默认将其初始恒定温度值为37度。
1.3课题研究内容
本设计包括了绪论、硬件电路设计、软件设计、系统仿真四部分。
（1）绪论部分
该部分主要是对研究现状及研究意义的论述。
（2）硬件电路设计部分
该部分主要分室对单片机最小系统、温度采集模块、恒温控制模块、按键显示模块、报警电路等进行了设计原理分析，并给出了具体的设计原理图。
（3）软件系统设计部分
该部分则是对系统的软件设计流程进行了分析，并对课题中主要的核心子程序进行了分析和设计。
涉及温度采集子程序的设计、恒温控制子程序的设计和显示子程序的设计。
（4）系统仿真部分
该部分通过利用单片机仿真软件PROTEUS实现了对整个系统的模拟仿真[2]。
本课题主要是以智能温度传感器应用技术和单片机应用技术为核心进行研究，并且以理论分析和系统实现方案为基础，在不断地研究过程中进行不断的调整，完成了一个恒温控制系统的设计。
二、硬件系统设计
2.1系统总体设计
传统的恒温系统采用模拟电路设计，存在不可避免的缺陷，如温度控制的精度差，易出现温度的漂移，电路结构复杂，缺乏友好的人机截面，温度控制的实时性差等。
而医用的生理盐水对温度的精确度要求极高，并且温度控制需要具备一定的实时性。
和传统的模拟电路相比，单片机具有集成度高、体积小、执行速度快、以及能实现智能控制的特点。
所以决定选择目前较为通用的AT89C51单片机来作为整个系统的主控设备[3]。
传统的温度传感器多采用热敏电阻，其线性特性不是很理想，逐渐被新一代的温度传感器所取代。
现在比较流行的性价比较高的温度传感器有AD590和DS18B20。
AD590温度测量精确度高，但是线路设计复杂，需要外接A/D转换器，且编程难度大。
DS18B20则电路简单，编程容易，且传输距离较远，温度测量精度和测量范围也能满足目前的系统设计要求，且价格较低。
所以本设计决定选用DS18B20作为温度测量传感器。
温控电路包括加热和制冷两个功能。
可以通过两个固态继电器作为控制开关，两个继电器分别控制加热装置和制冷装置[4]。
由于恒温控制系统的功能单一，所以在键盘显示电路上，选择采用简单的独立键盘和LED数码管进行显示。
报警电路则采用蜂鸣器报警的方式，并由单片机进行相应的控制。
综上，绘制成系统的结构框图如图2-1所示。
图2-1系统的结构框图
本文设计的生理盐水恒温控制系统采用AT89C51单片机对整个系统进行主控作用，并将多个温度传感器平均置于生理盐水储存容器的各个位置，通过单片机对各点温度的循环采集及计算，从而提高温度采集的准确性。
通过按键可以对预设的温度值进行调节，单片机接收到调整要求后，可通过对加热模块或降温模块的控制，起到对整个系统温度的一个恒定控制。
该系统具有操作简单便捷、采集方便准确、适应性强、成本低以及节省能源的特点，可明显增加使用者的经济效益。
2.2系统主控模块设计
本系统采用Atmel公司所生产的MCS-51系列中的AT89C51单片机作为系统的主控芯片。
由AT89C51单片机构成的最小系统如图2-2所示。
图2-2单片机最小系统
图中可以看出，AT89C51单片机的时钟源，使用的传统的内部时钟电路构成，在其18、19引脚外围接上了12MHz的晶振和用于提高振荡信号稳定性的两个30pf的瓷片电容。
复位电路则采用了传统的按键上电复位。
EA直接接高电平，先使用内部的程序存储器，如果不够再使用外部的。
由于AT89C51内部具有4KB的程序存储器，完全可以满足本设计的要求，因此不需要扩展外部存储设备。
2.3温度采集模块设计
2.3.1温度传感器
（1）常用的温度传感器
温度传感器无非就是能感受温度并转换成可用输出信号的器件。
传统的温度传感器有热电阻和热电偶。
热电阻是当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近时电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；
而当电路因而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过一定温度时，电阻瞬间会剧增，回路中的电流迅速减小到安全值。
热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低。
由于高分子NTC热敏电阻的可设计性好，可通过改变自身的开关温度来调节其对温度的敏感，因而可同时起到过温保护和过流保护两种作用。
高分子NTC热敏电阻是一种直热式、阶跃型热敏电阻，其电阻变化过程与自身的发热和散热情况有关，因而其维持电流、动作电流及动作时间受环境温度影响。
高分子NTC热敏电阻由于电阻可恢复，因而可以重复多次使用。
面积和厚度较小的热敏电阻恢复相对较快；
而面积和厚度较大的热敏电阻恢复相对较慢。
热电偶也是常用的测温元件，其工作原理是当两种不同导体结合成回路时，当两种导体的连接处的两端温度不同时，就会产生一种称为热电流的电流。
此时热电偶的两端就会有温差存在，显示仪表就会显示出产生的热电动势。
热电动势会随着温度的增大而增大。
热电偶的工作参数只与材料有关，与其大小、形状等无关。
因此可以根据需要，将产品做成不同的形状、大小，而不影响其性能。
但其实际操作相对复杂，且测温效果不稳定。
在传统的温度传感器的基础上，添加模数转换电路以及存储器件就可以形成集成式的数字温度传感器了。
DS18B20是目前较为常用的数字温度传感器之一，利用它来进行温度测量，可以不必过多考虑其它参数问题及外围电路的设计，使得系统设计更为简单。
（2）数字式传感器DS18B20
DS18B20是由DALLAS半导体公司生产的单线智能温度传感器，与传统的热敏电阻相比，其优势在于智能[5][6][7]。
智能表现在能够直接读出被测温度，根据对测量温度精度的不同要求，可以选择9到12位的数字值来进行温度量化。
不同的位数对应的转换时间是不一样的，9位的转换方式需要93.75ms，而12位的则需要750ms。
所以因根据自己的需要来选择不同的转换方式。
不同的转换方式代表不同的分辨率，数值越高，转换的温度分辨率就越高，得到的温度数据就越精确。
比如选择12位的温度转换方式，那么得到的温度数值就是DS18B20所能达到最大得温度分辨率，为0.0625℃。
DS18B20的主要特性包括适应电压范围更宽，电压范围可以由3.0V到5.5V之间。
在寄生电源方式下还可以由数据线给DS18B20供电[8][9]。
DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，极大的节省了片上资源。
多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，其全部的传感元件和转换电路集成在一个小小的集成电路内，几乎不占用什么空间。
DS18B20转换速度更快。
转换完成后的结果可直接输出数字形式的温度信号，并且以“单总线”串行方式传送给单片机，同时传送CRC校验码，帮助设计人员发现错误。
和传统的温度检测相比DS18B20只需三根导线和一个电阻。
不需要其他任何外围电路即可测得温度数据。
故电路非常简单。
2.3.2温度采集电路的设计
在本设计中，为了使得温度的测量值能够体现生理盐水存储容器中温度的均衡性。
设计了多个DS18B20温度传感器，进行多点测温[10][11]。
DS18B20和单片机的连接有两种方法。
一种利用DS18B20的单总线特性，在一个I/O口上连多个传感器了，这种连接方式，电路结构清楚，但是编程复杂[12]。
在这种方式下的温度传感器DS18B20和单片机的接口电路如图2-3所示。
图2-3DS18B20和单片机的单总线多芯片接口电路
还有一种连接方式是多个DS18B20各自接一个单片机的I/O口，这种方法的好处是对DS18B20的操作之间不会受到干扰，简化了程序的书写。
坏处是当DS18B20有很多个时，或者有别的元器件要占用大量的单片机I/O口时，就会显得单片机不够用。
由于本设计的功能相对来说不是非常复杂，不需要额外的占用到过多的单片机引脚。
因此在最终采用了后面这种连接方式。
该连接方式下的电路原理图如图2-4所示。
图2-4系统中DS18B20和单片机的接口电路
图中可以看出，系统中8个温度传感器分别和单片机的的8个引脚连接（DQ0～DQ7和P2口的8个引脚连接），由单片机分别进行数据的读取和处理。
单片机和每一个传感器的连接接口上都接了阻值为4.7k的上拉电阻。
2.4恒温控制模块设计
恒温控制模块的功能有两个：
温度过高时的降温处理和温度偏低时的加热处理，分别对应这两块控制电路。
在控制电路的设计上，本设计决定采用固态继电器作为控制开关。
固态继电器又称为固体继电器，英文为SolidStateRelay，简称SSR。
和传统继电器不同之处在于，将传统电接点改为由半导体器件作为切换装置，因此可以认为是没有触点的继电器，它是一个有源四端器件，其中有两个引脚作为输入控制端，两个为输出控制端。
由于固体继电器采用了光电隔离技术，使得输入端和输出端之间处于隔离状态。
当输入端加上有效信号时，输出端就能从常闭状态转变为常通状态。
和电磁继电器相比除了能实现开关功能外，固态继电器还具有开关速度快，工作可靠等特点，并具有很好的防潮、防腐的特性，且可以和TTL逻辑电路兼容。
恒温控制模块与单片机的接口电路如图2-5所示。
图2-5恒温控制模块与单片机的接口电路
如果实际测量温度低于预设的恒定值，就通过程序控制，使得AT89C51的P3.3脚输出一个高电平，去控制晶体三极管Q5导通，继电器K1导通，加热设备开始运转。
类似的，当实际温度高于预设的恒定温度值时，就控制P3.4脚使得三极管Q6导通，K2闭合，降温设备开始运转。
2.5按键显示模块设计
2.5.1按键电路
根据系统要求，按键可已有矩阵式和独立式两种接法。
（1）矩阵键盘
矩阵式接法通常用于按键数量较多时，通过将按键排成矩阵形式的键盘，可以减少对单片机引脚的占用，如图2-6所示。
图2-6矩阵式按键连接
图中可以看出，水平线和垂直线之间只是相交而不连通，只能通过相应的按键来实现连通。
从而实现了8个引脚对16个按键的控制。
相比独立的按键形式要多出一倍的按键数量。
尤其当所连接的按键数量越多时，效果更明显。
所以，当系统需要较多功能键时，矩阵接法是不错的一个选择。
然而，在节省单片机引脚资源的同时，矩阵式键盘也有其弱势的一面，由于结构相对复杂，所以在电路连接，尤其是在按键的程序识别上，较为麻烦。
在按键不多且引脚资源丰富的时候，可以选用另一种按键连接形式——独立式连接。
（2）独立按键
独立式按键，即一个单片机引脚对应一个单独的按键。
这种接法，结构简单，且按键之间互不影响，也不存在按键识别难的问题。
其缺点在于当按键数量较多时，会占用过多的I/O接口，造成I/O口线的浪费。
本系统由于只需要对恒定的温度值进行设定，所需按键不多，所以选择独立式的按键连接方式。
这种连接方式可以降低程序的编写难度。
本设计的按键电路如图2-7所示。
图2-7独立按键电路
（3）按键的消抖
由于系统是采用廉价的机械式按键，在实际使用时会存在抖动现象，所以必须采用相应的去抖措施。
常用的去抖方法有硬件和软件去抖两种。
硬件去抖，通常是用过施密特整形电路对实现对按键信号的抖动信号进行处理，使得按键信号只转化为高电平和低电平两种稳定状态，从而达到消抖的目的；
软件消抖是指通过程序上的设计来去除按键的抖动，首先需要编写一个5m左右的延时子程序，当检测到有按键按下时，首先调用
这个子程序，使得按键的抖动时间过去（按键抖动时间小于5ms），待按键稳定后，在对按键是否按下进行判断（按下按键时会存在一段稳定的时间）。
当松开按键时，也要进行这个延时子程序的调用，以免对按键产生多次重复识别。
由于硬件消抖需要额为的增加硬件，会提高设计成本，所以本系统选择软件延时削抖的方法。
2.5.2显示电路
本系统使用LED数码管组成显示电路。
数码管由7个发光二极管组成，有共阳和共阴两种结构。
通过译码电路可以实现对8位输入数据的译码，从而点亮LED数码管上对应的发光二极，形成相应的数字。
LED数码管和单片机构成的显示电路，有静态和动态两种显示方式。
（1）静态显示
静态显示是指每一个数码管的段码数据由一个单片机的I/O端口进行控制。
其特点是各个数码管显示相对独立，每一个数码管接收的显示字符一但确定，相应I/O口的输出段码将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因如此，其数码管的显示亮度也较高。
这种显示方式还有一个优点就是占用CPU时间少，显示编程和控制。
但是当数码管过多时将占用大量的I/O端口。
如果系统有4个数码管连接成静态显示的话，单段码连接线就需要4×
8＝32个I/O口来控制，其电路将变得相对复杂，成本也较高。
（2）动态显示
当系统中的数码管的位数过多时，往往采用动态的接口方式，动态显示方式能够节省大量的I/O端口，并能降低系统功耗。
该显示方式是通过将所有数码管的段选线并联在一起，通过对各数码管位选端的分时选通，来实现对各数码管的数据传输。
所谓动态显示是指通过轮流向各位数码管送出段码和相应的位选信号，利用人眼的视觉暂态效应，使人在感官上产生好像每位数码管都在同时显示的错觉。
正因如此，所以动态显示的亮度会相较静态显示暗些。
动态显示时要注意对数码驻留时间的控制，保证显示的亮度，同时要注意数码管的扫描频率，保证显示不闪烁。
为了保证在动态显示时，每个数码管能够正常显示，需要保证每个数码管的点亮时间在1～2ms之间。
本系统采用动态显示的方式，数码管采用6位一体的集成数码管，其和单片机的接口电路如图2-8所示。
图2-8LED显示器与单片机的接口电路
单片机是核心控制器件，所以去引脚的输出驱动能力有限，无法直接驱动LED数码管，所以在图中是通过在P0口和数码管的段选引脚间，加接了一个驱动芯片74LS245来实现的。
该芯片是一个具有双向三态功能的驱动芯片，当19脚CE端为低电平时芯片选通，处于数据运行传输状态。
其中的1脚为数据传输方向选择端，该引脚接低电平时，数据从B端入，A端出；
为高电平时，则A端输入数据，B端作为数据输出端。
在本系统中，段选数据从P0口输出经74LS245A端输入，由B端输出给数码管的A～DP引脚。
位选数据则直接由P1.0～P1.5来实现。
2.6报警电路
为了保证生理盐水不会因为温度过高或过低而出现变质的情况，在程序中应该要设定温度上下限值，当温度超限时，系统应该具有自动报警功能。
本设计的报警电路由晶体三极管和蜂鸣器组成。
当温度超限时，可以通过控制三极管的基极，使其输出一定频率的矩形脉冲信号，从而使得蜂鸣器和电源有序的接通，使蜂鸣器产生振动，发出相应的音频信号，达到报警的目的。
报警电路如图2.8所示。
图
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