基于单片机的输液滴速控制系统.docx

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基于单片机的输液滴速控制系统

基于单片机的输液滴速控制系统

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

利用单片机设计一个智能化的液体点滴速度监测与控制系统。

该系统由水滴速度测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。

应用水的压强随着高度差的变化而变化的原理，利用控制步进电动机的升降来控制点滴速度。

点滴速度可用键盘来设定，同时在水到达警戒线（2-3cm）以下时能发出报警信号。

关键词：

点滴速度步进电动机单片机

Thedesignoftheliquidinputingsystembesingonone-chipcomputer

Abstract

Withthedevelopmentatfullspeedofscienceandtechnologyinrecentyears,theapplicationoftheone-chipcomputerisbeingmovedtowardsdeepenningconstantly,drivetraditionisitmeasurecrescentbenefittoupgradedaytocontrolatthesametime.Inmeasuringinrealtimeandautomaticallycontrolledone-chipcomputerapplicationsystem,theone-chipcomputeroftenusesasakeypart,onlyone-chipcomputerrespectknowledgeisnotenough,shouldalsofollowtheconcretehardwarestructure,anddirectagainstandusethesoftwareoftarget'scharacteristictocombineconcretly,inordertodoperfectly.

Thedesignofanintelligentspeedmonitoringandcontrolsystemarecontrolledwithsinglechipmicrocomputer.Itiscomposedofawaterdroplettestsystemspeedcontrolsystemdisplay,keyboardandalarmsystem.Applicationoftheprincipleofthewaterpressurechangeswithheight.Tocontrolthedropspeedbyliftingcontrolofwalkingmachine.Youcanusethekeyboardtosetthebitrate,asthesametime,thewaterreachedbelowtheline（2-3cm）canbeissuedawarningsignal.

Keywords:

DripSpeedStepMotorChipMicrocomputer

前言1

第1.1节选题背景2

第1.2节课题的主要内容2

第2.1节系统设计要求4

第2.2节系统设计总体方案5

第2.3节系统原理框图及原理分析6

第2.4节系统各模块方案选择7

第3章硬件设计11

第3.1节单片机应用系统11

第3.2节系统硬件设计21

第3.3节主站及通信网络的设计21

第3.4节从站电路设计28

第4章软件设计33

第4.1节检测点滴速度子程序33

第4.2节储液检测子程序34

第4.3节点滴速度控制子程序34

第4.4节键盘显示子程序......35

第4.5节系统主程序设计...........................................................................................36

第5章系统调试及结果38

第5.1节系统的调试38

第5.2节系统结果38

第5.3节系统抗干扰措施...........................................................................................39

结论41

附录42

参考文献................................................................................................................................49

致谢.........................................................................................................................................50

前言

身为自动化专业的一名学生，我认为科技旨在为人们创造更完美舒适的生活，更完善的科技医疗保证。

工业自动化的发展，不仅减轻了工作给人们带来的巨大负担，而且创造了巨大效益。

在现实生活中，自动化控制更有他的用武之地，甚至有更为广阔的发展空间，而智能医疗酒神人们利用科技保障健康的美好愿望和迫切需要。

在当今最为瞩目的医疗器械行业，一直采用的传统人工点滴输液方式，对于输液速度的测量和控制很不方便，基于此，一种新型的智能测控装置渐渐发展起来。

本课题拟以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。

系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的控制。

设计的主要内容是完成控制系统控制装置的软、硬件设计及调试。

所以在发展迅猛的科技时代，单片机输液点滴速度控制的发展在今和未来将成为医疗设施发展的大趋势。

第1章课题研究价值

第1.1节选题背景

近年来随着科技的迅猛发展，单片机的应用正在不断走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。

在实时检测与自动控制的单片机的应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用。

但是，仅仅掌握单片机方面的知识是远远不够的，还应根据具体的硬件结构，针对具体应用对象的特点进行软硬件的结合，便于完善。

尤其在当今最为瞩目的医疗器械行业，一直采用的传统人工点滴输液方式，对于输液速度的测量和控制很不方便，基于此，一种新型的智能测控装置渐渐发展起来。

在国外，特别是美国，韩国这些医疗设施发达的国家，点滴测控系统已经广泛应用在其医疗行业，并且逐渐成熟，成本低，方便使用。

在国内，目前医院普遍使用的是人工监控点滴输液装置器，将液体容器挂在一定高度，利用势差将液体输入病人体内，用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，医护人员按药剂特性对滴速进行控制，为此研究点控制就显得尤为重要。

第1.2节课题的主要内容

在输液点滴速度控制系统中，应用AT89C52单片机，滴速检测和液面检测可用光电传感器，显示部分选择数码管显示。

键盘直接利用I/O扩展而成。

通讯协议采用串行通信方式。

滴速控制采用步进电机提高输液瓶高度来控制滴速的快慢，步进电动机控制采用模糊控制，报警电路同时采用蜂鸣器和发光二极管。

经过参考一些深入的研究和文献知识，此设计实现具有可行性。

第1.3节研究目的与发展前景

本课题拟以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。

系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的控制。

设计的主要内容是完成控制系统控制装置的软、硬件设计及调试。

单片机输液点滴速度控制的发展在今和未来将成为医疗设施发展的趋势，毕竟，单片机凭着优越的性价比，与以往的点滴滴速控制系统相比，其单片机价格便宜，操作易于实现，而且对滴速的控制要求精度也较高。

再者，单片机操作多机控制系统，还可减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。

第2章　系统方案确定

第2.1节　系统设计要求

本课题拟以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。

系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的控制。

设计的主要内容是完成控制系统控制装置的软、硬件设计及调试。

图2.1系统装置图

基本要求：

1）在滴斗处检测滴速，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/min）。

2）通过改变

控制点滴速度，如图所示，或通过控制输软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。

点滴速度可用键盘设定显示，设定范围为20～150滴/min，控制误差范围设定值（±10％±1）滴。

3）调整时间3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。

4）当

降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。

2、其他部分

设计制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。

16个从站中只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站（仅要求制作一个模拟从站）。

（1）主站功能：

a.具有定点和巡回检测两种方式b.可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。

c.在巡回检测时，主站能任意设定要查询从站的数量、从站号和各从站的点滴速度。

d.收到从站发来的报警信号后，能声光报警并能显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。

（2）从站功能：

a.能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可任意设定，b.接收主站设定的点滴速度信息并显示。

c.对异常情况进行报警。

（3）主站和从站间的通讯方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的量。

第2.2节系统设计总体方案

本系统从站以AT89C52单片机为核心，辅以一些必须的外围电路，实现滴速检测和控制。

而用另外一片AT89C52单片机作为主站，采用通讯协议进行传输，设计实现一个主站控制多个从站的有线监控系统。

主机采用大屏幕液晶显示器，不但可以显示当前滴速、在声光报警后还可显示相应的从机号，更嵌入时间显示模块，实现简单友好的人机界面，符合实际要求。

主站键盘直接采用I/O扩展而成，充分考虑到了操作的便捷和简易性。

外围电路电源均由主机统一控制管理。

监测与点滴速度调节构成从站的主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有滴速检测]]]]、滴速调节、异常报警电路、速度设定与数码显示等。

系统采用光电耦合传感器来进行检测滴速和液面高度产生中断进行计数，采用步进电机升降来进行滴速的控制，如果检测到的滴速在要求误差范围内过快或者过慢，则驱动步进电机来调节储液瓶的高度或者挤压软管达到控制的目的。

当出现异常情况如储液低于（2～3cm）时或者滴速低于或高于要求控制的范围（20～150滴/min）时，则驱动声光报警电路进行报警。

显示装置则采用LED显示器，从站键盘采用8279扩展键盘，另外还可加入红外遥控键盘装置，护士人员不但对从站控制方便也还为医疗人员提供方便，此系统暂没有提供红外遥控键盘装置设计，如读者有兴趣，可自行设计。

电机采用模糊控制算法，提高控制精度，驱动电路由相关的驱动芯片组成[1]。

第2.3节系统原理框图及原理分析

利用步进机和压强的原理来控制水滴的速度，有公式可以知道由于液面高度的不同而使压强不同，从而改变液滴的速度。

这样的系统比控制输液软管的松紧更好控制，而且比较容易实现。

1.8m的高度足以实现速度从20～150（滴／min）的调节。

首先大概测出对应高度所对应的水滴速度，并记下来存在单片机内，需要使用时就直接调出来。

在滴斗处用红外系统来测量水滴的速度，再在储液瓶到瓶口3cm处装一个对射式红外传感器来监控水位。

当在键盘上按人某个点滴速度时，从单片机内调出相对应的某一个高度，然后控制步进电动机转动进行粗调，再利用红外系统进行反馈来细调，直到红外反馈和所按的速度一样为止。

调好以后由于液面的下降和一些其他的因素，又会产生一些速度的变化，或者本身水滴的速度又不是均匀的，所以调好以后速度有可能自身就会发生变化。

可以利用红外监控，智能化的调整高度来控制速度，即利用单片机随时自我调整。

图2.2系统原理框图

第2.4节系统各模块方案选择

2.4.1点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较

方案一：

采用金属电极检测点滴速度信号以及储液瓶液面信号。

用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，当有液滴下落时，金属电极接通，此时产生一个高信号脉冲，无液滴下落时，金属电极断开，由此产生一个高低信号脉冲，通过对高低脉冲进行计数，检测液滴速度（滴／

min），同理，液面也可以采用金属电极检测。

通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。

...13

方案二：

采用光电传感器检测点滴速度以及储液瓶液面信号。

发光二极管发射的平行光束穿过滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液滴滴落时，由于液滴的形状特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，形成低信号脉冲。

液位检测的基本原理与液滴检测相同。

经过实验可发现对射式红外传感器能比较灵敏地测出水滴。

利用测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。

由此方案所选定的装置也可用于判断液位是否到达警戒线。

2.4.2滴速控制方案的论证与比较...13

方案一：

改变输液瓶高度控制点滴速度。

在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，实现对点滴速度的控制，当液滴速低于要求时，提高液瓶的高度增大压强减小滴速，反之则可提高液滴速度。

方案二：

改变输液软管截面积控制点滴速度。

在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积实现点滴速度的控制，当滴速高于要求时，挤压软管则可达到调速要求，反之，则可提高滴速。

如图2.2所示。

图2.3挤压软管滴速控制装置

方案三：

拉紧软管控制点滴速度。

如图2.4所示，可以拉紧软管或者放松软管来控制滴速

图2.3拉紧压软管滴速控制装置

方案一中的高度控制可利用小型电机实现，具有结构简单、控制精度高等特点。

方案二因为输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，难以实现点滴速度的精确控制。

方案三中，虽容易实现，由于作用时间长的话，对软管有损伤，可能引起漏液，且和方案二一样存在输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，此三种方案都有优、缺点，但权衡之下还是方案一更好一些。

因此在本系统采用方案一。

2.4.3电机驱动控制电路

电机驱动控制电路应选取电路结构简单、功耗小、元器件价格便宜的方案。

同时还要实现电机的正反转、转停的双重控制功能，以使其控制的储液瓶能方便地实现上升、下降。

方案一：

采用模糊控制。

其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。

缺点是静态误差不容易控制。

方案二：

采用PI控制。

其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上较易实现，可以达到较小的静态误差[2]。

方案三：

采用模糊控制与PI控制结合的算法。

本系统采用方案三。

2.4.4键盘、显示及声光报警方案选择

方案一：

采用矩阵式键盘，采用矩阵行列扫描方案，优点是当有按键较多时可降低占用单片机的I/O接口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。

方案二：

采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线，每个I/O接口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

缺点是当按键较多时占用单片机的I/O接口数目较多，优点为电路设计简单，且编程及其简单。

综合考虑以上两种方案，由于所需键盘按键数目较多故采用方案一。

2.4.5主从站协议部分...15

方案一：

采用并行总线方式。

多机通信时，结构复杂。

方案二：

采用RS232串行通信。

通信技术成熟，仅需要TXD，RXD两条通信线，波特率可调，通信速度快。

缺点是TTL信号容易受干扰，不利于长距离传输数据。

方案三：

采用RS485串行通信方式。

本方案具有方案二的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。

方案四：

采用

总线通信协议。

优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要SDA，SCL两条通信线。

但是不适合较长距离的信号传输

由于主从机通信距离较短，从最佳性价比出发，选择方案二[3]。

第3章硬件设计

第3.1节单片机应用系统

主站采用单片机AT89C52，串行通讯采用RS232串行通讯接口芯片实现主、从通讯，键盘控制输入设定从站滴速，接入数码管显示从站滴速，当从站滴速或液面出现不正常情况时，驱动声光报警发出声光报警。

从站也是主要以AT89C52单片机为核心，在辅设一些外围电路，从站可以显示并输入设定滴速进行运行，出现异常情况发出声光报警，另外当主、从站通过通讯接口可相互传输和接收信号。

图3.1主站系统框图

图3.2从站系统框图

3.1.1单片机的概述...1

单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。

世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。

在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20世纪70年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。

而单片机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。

单片机的特点：

（1）重量轻、耗电少、价格低、电源单一。

（2）抗干扰能力强、可靠性高。

芯片本身是按工业测控环境设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中，不易被破坏；许多信号通道均在一块芯片内。

（3）集成度限制，片内存储器容量较小。

一般ROM小于8KB，RAM小于256个字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64KB。

（4）面向控制，控制功能强，运行速度快。

其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。

指令系统中均有极其丰富的条件转移指令，I/O口的逻辑操作及位处理功能。

一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。

（5）开发应用方便，研制周期短。

片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各规模的计算机应用系统。

3.1.2单片机的应用

单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。

特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。

（1）单片机在智能仪表中的应用

在各类仪器仪表中，引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提高，例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能PH测试等等。

（2）单片机在工业测控中的应用。

用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等，例如MCS-51单片机控制电镀生产线、温度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT和单片机组成的二级计算机控制系统等。

（3）单片机在计算机网络与通信技术中的应用

AT89C52系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件，例如AT89C52系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、AT89C52单片机无线遥控系统等。

（4）单片机在日常生活及家电中的应用

单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。

例如电子秤、银行计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。

（5）单片机与Internet

随着网络技术的发展，Internet已经成为信息社会的重要组成部分，Internet技术已经深入到日常生活中和工作中。

Internet技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准成熟的

PC工业。

无论是PC机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化，上网方式也大同小异。

而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到Internet，如果能够将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，一方面可充分利用Internet资源，另一方面还可获得一些电子设备信息。

由此可见，单片机与Internet的紧密结合将为单片机应用系统的发展开创另一片天地。

机电一体化是机械工业发展的方向。

它是通过机械技术与微电子技术、信息技术紧密结合而成的一个新的学科领域。

这种结合形成一种技术趋势，涌现了崭新的产品及先进的制造技术，因而使整个机械、仪表、控制的产品结构发生根本变化。

机电一体化产品是指机械微电子技术、机电转换技术、自动控制技术与计算机于一体，具有智能化特征的机电产品。

采用单片机作为机电产品的控制器，可充分发挥其体积小、功能强、可靠性高、价格低、安装灵活方便等优点，提高产品的自动化、智能化水平[4]。

3.1.3AT89C52单片机介绍

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用.

一、功能特性

1、兼容MCS51指令系统

2、8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

3、32个双向I/O口；

4、256x8bit内部RAM；

5、3个16位可编程定时/计数器中断；

6、时钟频率0-24MHz；

7、2个串行中断，可编程UART串行通道；

8、2个外部中断源，共8个中断源；

9、2个读写中断口线，3级加密位；

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

二、引脚

AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0-P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。

图3.3AT89C52