基于单片机的输液滴速控制系统的设计毕业设计.docx
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基于单片机的输液滴速控制系统的设计毕业设计
基于单片机的输液滴速控制系统的设计
本任务及要求：
以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制的系统，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群控。
设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。
设计包括：
1、总体方案的确定；2、单片机的选择；3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计
1绪论-------------------------------------1
2方案论证---------------------------------2
3硬件方案设计-----------------------------4
4软件反感设计-----------------------------9
5调试-------------------------------------17
6技术小结---------------------------------18
7致谢-------------------------------------19
8参考文献---------------------------------20
基于单片机的输液滴速控制系统的设计
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。
本系统以Atmel89C52单片机为核心，辅以步进电机驱动、键盘、LCD显示、LED显示、光电传感器数据采集等外围电路组成，实现了一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。
电机控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。
主站使用LCD显示，用户界面友好。
关键字：
单片机；驱动；键盘；光电传感器
摘 要
第1章 单片机及多单片机应用系统
1.1 单片机的概述
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。
1.2 单片机的特点与应用
一、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。
二、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
MCS-51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MCS-51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、MCS-51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。
1.3 MCS-51单片机的基本组成
1.3.1 MCS-51单片机的内部结构及管脚功能
一、MCS-51单片机的内部结构
MCS-51单片机的功能框图如图1.1所示。
在一块小芯片上集成了一个微型计算机的各个部分，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，由算术逻辑单元（ALU）、位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2等组成。
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1.1 MCS-51单片机内部结构
二、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80C51/80C31,除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。
如图1.2所示为双列直插式封装单片机管脚图。
图1.2 8031管脚
各管脚功能说明如下：
⑴ 电源管脚
VCC（40脚）:
接＋5V；VSS（20脚）：
接地。
⑵ 时钟信号脚
XTAL1（19脚）,XTAL2（18脚）:
外部时钟信号脚。
⑶ 控制线
1）RST/Vpd（9脚）:
当作RST使用时，为复位输入端；当作为Vpd使用时，当VCC掉电下，可作备用电源。
2）
/Vpp（31脚）：
为访问内部或外部程序储存器的选择号。
对片内RPROM编程时，Vpp接入21V编程电压。
3）ALE/
（30脚）：
当访问外部储存器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位送入地址锁存器，不访问外部储存器时，ALE端仍以固定的振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号。
当对片内EPROM编程时，该管脚PROG用于输入编程脉冲。
4）
（29脚）：
外部程序存储器读选通信号。
⑷ 输入/输出口线
1）P0口（32～39脚）：
双向I/O口，既可接地址锁存器作低8位地址I/O口使用也可以作数据I/O口使用。
能驱动8个LSTTL负载。
2）P1口（1～8脚）：
具有内部上位电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个LSTTL负载。
3）P2口（21～28脚）：
8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，在接收外部存储器时，P2口作为地址高8位。
能驱动4个LSTTL负载。
4）P3口（10～17脚）：
8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，其每一位又有如下特殊功能：
P3.0（RXD）：
串行口输入端。
P3.1（TXD）：
串行口输出端。
P3.2（
）:
外部中断0输入端，低电平有效。
P3.3（
）:
外部中断1输入端，低电平有效。
P3.4（T0）：
定时/计数器0外部事件计数输入端。
P3.5（T1）：
定时/计数器1外部事件计数输入端。
P3.6（
）:
外部数据存储器写选通信号，低电平有效。
P3.7（
）:
外部数据存储器读选通信号，低电平有效。
1.3.2单片机最小系统构成
单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。
下面以典型MCS-51单片机为代表介绍最小系统的各个部分。
一、单片机晶振电路
MCS-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，管脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振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，如图1.3a所示；图1.3b所示为外部时钟方式。
a） b）
图1.3 a）外部时钟方式 b）内部时钟方式
二、单片机复位电路
1）单片机复位后的状态
无论是HMOS型还是CHMOS型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机的RST引脚保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至RST端变低。
为保证单片机可靠复位，设计复位电路时要考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常使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址0000H处开始运行，内部寄存器的状态如表1.1所示。
表1.1 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
PC
0000H
TH0
00H
ACC
00H
TL0
00H
B
00H
TH1
00H
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
PSW
00H
TL1
00H
SP
07H
TH2
00H
DPTR
0000H
TL2
00H
P0～P3
FFH
RLDH
00H
IP
×××0000B
RLDL
00H
IE
0××0000B
SCON
00H
TMOD
00H
SBUF
××××××××
TCON
00H
PCON
0××××0000B
T2CON
00H
复位后，ALE和PESE为高电平，内部RAM不受复位的影响，此时内部RAM的状态不确定。
2）单片机复位电路
如图1-4所示分别为单片机的几种复位电路。
a） b）
c）
图1.4 a）上电复位 b）按键电平复位 c）按键脉冲复位
上电复位如图1.4a所示，它是在VCC与VSS管脚之间接入RC电路。
上电瞬间RST端电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降。
只要VCC的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，按图中的时间常数（C1=22μF，R1=1KΩ），上电复位 电路就能保证在上电开机时完成复位操作。
上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上2个机器周期。
在这段时间内，RST端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。
图1.4b所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。
为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去耦电容。
在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图1.4c所示。
系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。
1.4 多单片机控制系统的概述
随着人类社会的不断进步，工程科学技术在推动人类文明的进步中一直起着发动机的作用。
随着科学技术的不断更新，单片机控制系统在各个领域中的应用日趋广泛，不但使得更多的单片机控制系统投入生产设备，大大的提高了劳动生产效率和产品质量，改善劳动条件。
在工业控制领域，多机控制系统很多，如大型检测监控系统、机器人控制系统、水利工程、桥梁工程等。
单个单片机在这些应用场合往往只负责一小部分系统和控制和检测，对于整个系统的检测和各个子系统的协调控制则由功能更为强大的单片机的或者工业PC机来完成。
单片机虽然有着强劲的功能，但在要求快速响应、实时性强、控制量多的场合（如电梯群控系统等），单个单片机是很难胜任的，虽然此时可以选用高性能处理器，但综合考虑其性价比，多单片机控制系统更为突出。
多单片机控制系统就是指由多个单片机或者PC机与多个单片机构成的更为复杂的控制系统，其间构成多为分布式等，多个单片机通过网络协议连接成主从式或者对等式等。
在性能更为强大的基础上能完成的任务更复杂、应用场合更多、人机界面更完善，在此等应用场合，多单片机控制系统显示出了优越性。
单片机以高可靠性、高性价比、小小体积等而广泛应用工业控制、数据采集、智能化仪表等实时控制系统中。
但其内存小，指令系统简单，在人机交换数据管理等方面有一定的局限性。
因此利用PC机与单片机混合控制系统就能将一系列的参数有机的结合起来。
PC机与单片机构成的控制系统是典型的多机控制系统，它可分两类：
一类是PC机与单个单片机构成的双机控制系统；另一类是PC机与多个单片机构成分布式控制系统。
在工业控制系统中，一般较为复杂一点的应用系统多采用PC机作为上位机，其价格不但昂贵而且对于小型系统也不适合，因此基于此种问题，我们不妨采用单片机作为上位机，简易键盘输入，LED数码管作显示，PLC作控制单元。
这样不但可以将单片机的优点不互补，而且其体积小，成本低，使用方便，作为多机控制的另一个领域。
现场总线在工业控制甚至民用领域中应用最为广泛，可靠而简单的连接降低了分布线的成本，灵活而功能强大的协议又为系统模块设计提供了保证。
目前，将现场总线与以单片机为核心的多个物理层模块连接应用构成多机控制系统也倍受人们欢迎。
1.5 单片机在输液点滴的研究现状
随着科学技术的发展，MCS-51为核心的单片机控制系统，已经渗透到日常生活的各个方面。
相对其他领域来说，速度控制是单片机系统最典型，最广泛的应用领域之一。
单片机输液滴速控制是医院中常见的问题。
输液滴速控制针对不同的病人情况采用不同的点滴速度进行输液控制，比如对成人输液滴速一般设在60~80滴/分钟，而对儿童输液滴速一般设在30~40滴为宜。
医院中常见的输液管虽然能进行速度调节，但调节不准确，不易控制，而且常因为疏忽大意发生血液回流现象，有时速度过快还会对病人造成不良反应，另外作为医疗过程，医务人员也需要对每个病人的输液过程进行监控和记录完善病人档案，为此研究点滴速度控制就显得非常必要。
且单片机的控制容易实现，控制过程也比较简单，更能够满足输液滴速的高要求控制。
目前市场上常见的点滴速度控制产品主要是输液泵，此种设备控制精度高，功能也比较强大，但价格不菲，适用于输液要求较高的场合，而且使用前后都要进行清洗，不太方便。
针对以上情况我们对系统进行改进设计了一种方便实用、低成本的滴速速测控系统。
在输液点滴速度控制系统中，广泛应用与8051系列兼容的单片机，滴速检测和液面检测可用光电传感器或者电容式传感器，显示部分可选择液晶显示和数码管显示。
键盘可采用8279扩展键盘或者直接利用I/O扩展而成。
通讯协议采用串行通信方式RS232。
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或者PI控制或者两者结合控制，报警电路同时采用蜂鸣器和发光二极管。
1.6 课题的主要内容及发展前景
1.6.1课题的主要内容
一、要求
本课题是以单片机为核心，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群控。
设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。
二、内容
1）、总体方案的确定；2）、单片机的选择；3）、各模块电路的设计；4）、软件设计；5）、各模块调试；6）、撰写设计说明书。
1.6.2课题的发展现状与前景展望
随着电子技术的发展，我们在生活中的各方面大部分都采用了人工智能代替人，特别在一些工业应用场合。
应用技术的飞速发展，使得单片机应用系统已经逐渐成熟，应用也越来越广泛，目前，单片机已经成为IP库中的重要成员。
我个人认为，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。
在人为控制下有时候如不小心将会为安全设施带来很大的麻烦，而且人工控制滴速精度也很难掌握，而使用单片机设计只要在设计时考虑周到，运行起来就不会带来这种问题了，因此，单片机滴速控制系统将在医疗中得到广泛应用。
医疗事业的发展是顺应科学技术而发展的，医疗的安全问题更离不开科学，把高科技应用到医疗事业中来是对医疗事业的一大促进与补充。
随着现代信息和电子技术应用领域的不断拓宽，越来越多的应用领域提出了各种特殊要求。
例如，航空航天领域要求的小体积大系统，信息应用领域提出的个性化等要求，都使得一般固件技术难以胜任。
特别是在民用领域，重视个性化的产品设计概念使应用电子产品的更新速度极快，而且小批量多品种的要求也越来越高。
这就是提出了小批量产品与成本、集成化与成本、产品研制周期与成本等一系列的问题。
也将是单片机在医疗设施中展的必然趋势。
第2章 系统方案确定
2.1 系统设计要求
本系统要求设计一个以单片机为核心的液体点滴速度监测与控制装置，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群控。
设计主要是完成群控系统控制的硬、软件设计及调试。
1、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2.1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、其它部分
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数量。
2.2 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。
2.3 系统各模块方案选择
2.3.1 单片机型号的选择
本系统是以单片机为核心的输液滴速控制系统，单片机应用系统性能优越，价格便宜，而且功能强大，用户界面友好，虽然工业PC机、PLC和DSP等，其性能虽也强，比如PLC、DSP等功能强，可靠性也极高，使用方便，体积小巧，但其性价比远没有单片机应用系统高，在更多的工业控制应用场合，单片机应用系统突出的性价比而迎得用户的青睐。
设计这样一个简单的应用系统，Intel公司的8051和其它的一些公司芯片均可选用。
其他一些MCS-51系列兼容的芯片，如ATMEL公司生产的AT89C××系列单片机，该单片机完全与8031兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用，成为技术更加成熟的新一代单片机应用系统。
AT89C52内部含有大容量的Flash存储器，功能强，性价比忧，可以反复擦写，给用户提供了极大的方便，所以在生产开发及便携式商品中、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS-51系列单片机的
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