点滴速度检测设计报告.docx

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点滴速度检测设计报告

电子产品设计报告

题目点滴速度检测设计

组别第三组

姓名农世安、黄勇深、廖晓

系（院）信息工程系

班级11应用电子（3+2）

指导教师龙祖连、倪杰、张存吉

二O一二年八月二十二日

目录

一、引言……………………………………………………3

二、系统总体设计…………………………………………4

2.1系统原理框图及原理分析…………………………4

2.2方案设计与论证………………………………………6

2.2.1显示模块…………………………………………6

2.2.2微控制器模块……………………………………6

2.2.3电机驱动控制模块……………………………7

2.2.4键盘方案的选择……………………………8

2.2.5无线传输模块………………………………………9

2.2.6系统最终方案确定……………………………………9

三、系统的具体设计与实现…………………………………10

3.1系统的总体设计方案…………………………………10

3.1.1单片机控制模块…………………………………10

3.1.2步进电机驱动模块………………………………12

3.1.3液晶显示模块………………………………………14

3.1.4点滴速度检测模块…………………………………16

3.2软件设计…………………………………………………16

四、总结…………………………………………………20

点滴速度检测设计

摘要：

本系统设计是以单片机AT89S52为核心，以键盘及红外对射式传感器作为输入系统，以液晶屏及电动机作为输出系统的智能化输液控制及监测系统。

键盘系统为矩阵式按键系统，红外传感器的功能为检测点滴的速度。

电动机具有转速可控功率大及输入脉冲不变时可保持大力矩等优点，这样就可以自如控制吊瓶的上、下缓移可以达到智能控制的目的。

关键字：

红外对射式传感器矩阵式按键系统智能化输液控制监测系统

一、引言

目前各类医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的身体水平线以上才能输液，这种传统的输液设施的输液速度难以准确控制，这对特护病人和对输液速度有较严格要求的病人是不方便的，也会加重医护人员的工作强度。

本系统就是为了减少人力浪费，获得良好医疗效果而设计的液体点滴速度监控装置，利用这种装置可以通过电机控制储液瓶的高度来达到控速的目的；通过传感系统来确定点滴速度和对液位警戒线的检测；通过键盘设置液体点滴速度。

二、系统总体设计

2.1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1系统组成及原理框图

2.2方案设计与论证

根据竞赛设计任务的总体要求，本系统可以划分为以下个基本模块，针对各个模块的功能要求，分别有以下一些不同的设计方案：

2.2.1显示模块

方案一：

采用8位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。

该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能，显示格式受限制，且耗电量大，不宜用电池给系统供电。

方案二：

采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数，采用12864四行十六个字符的显示，能同时显示距离、里程。

综上分析，我们采用了第二个方案。

2.2.2微控制器模块

方案一：

此方案采用AT89C51八位单片机实现。

它内存较小，只有4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，无在线下载编程功能，也无在线仿真功能。

只能通过编程器烧写成以.hex为后缀名的文件。

方案二：

此方案采用AT89S52八位单片机实现。

它内存较大，有8K的字节Flash闪速存储器，比AT89C51要多4K。

它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

综上分析，我们采用了第二个方案。

2.2.3电机驱动控制模块

电机驱动控制模块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：

采用直流电机由于直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来。

转矩小，无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。

方案二：

采用步进电机，步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。

步进机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线性位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。

用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数/模转换，具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低小，延时短，定位准确，精度高，可操作性强。

考虑到上述各种电机的特点，由此选用步进电机作为电机驱动控制电路。

综上分析，我们采用了第二个方案。

电路如下图。

图2电机驱动电路框图

2.2.4键盘方案的选择

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。

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。

综上分析，我们采用了第一个方案。

2.2.5无线传输模块

无线传输模组以Nrf2401A芯片为核心，提供了一路的数据发送和两路的数据接收功能，该电路为低电压低功耗器件，其工作电压不高于3.6V。

2.2.6系统最终方案确定

根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块确定如下：

（1）点滴速度显示采用液晶屏模块。

（2）微控制器采用AT89S52单片机。

（3）点滴速度控制是利用步进电机正反转来调整储液瓶

的高度来实现。

（4）采用的是矩阵式键盘。

（5）从站采用无线模块来对其进行控制。

三、系统的具体设计与实现

3.1、系统的总体设计方案

采用AT89S52单片机作为控制核心对矩阵键盘的数据读取，用矩阵键盘来对电机控制模块进行控制点滴瓶的高度，反射式光电传感器模块进行检测点滴每分钟的滴数，读取反射式光电传感器模块的信号并进行计算处理，分析并在液晶屏上显示，同时无线模块对从站进行控制，并送入液晶显示器12864显示。

系统设计框图如图3所示

3.1.1、单片机控制模块

该模块由AT89S52单片机组成在设计方面，AT89S52的EA接高电平，其外围电路提供能使之工作的晶振脉冲、复位按键，四个I/O口分别接8路的单列IP座方便与外围设备连接。

当AT89S52芯片接到来自温度传感器的信号以及来自时钟芯片的信号时，其内部程序将根据信号的类型进行处理，并且将处理的结果送到显示模块、报警模块，发送控制信号控制各模块。

该模块的硬件电路如下图4

图3系统设计框图

图4单片机控制模块

3.1.2、电机驱动模块

L298N采用双全桥驱动器构成的双直流电机驱动电路原理图如图5所示。

驱动电路输出OUT1、OUT2和OUT3、OUT4端口通过J1的1、2、3、4、分别连接2个直流电机，作为电机的驱动控制信号，通过改变1、2的输出电平和3、4的输出电平，可分别控制左右两个电机；微控制器提供的控制信号通过光耦TLP5214送入L298N，用来隔离微控制器电路与电机驱动电路。

当改变1、2、3、4的PWM的占空比，可控制电机的转速。

L298N控制电机正反转状态如表1所示。

8个快速恢复二极管采用1N5822，用来泄放电机绕组电流，保护L298N芯片。

图5电机驱动模块

表1电机驱动控制正反转状态表

3.1.3、液晶显示模块

该模块是由12864液晶显示器件组成,液晶显示模块是128*64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微机处理：

8-位并行及串行两种连接方式（串口接线方式如图6），具有多种功能：

光标显示、画面移动，睡眠模式等。

当模块在接受指令前，微处理顺必须先确认内部处于非忙碌状态，即读取BF标志时BF需为0，可以接受新的指令；如果在送出一个指令前并不检查BF标志，那么在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即是等待前一个指令确实执行完成；“RE”为基本指令集与扩充指令集的选择控制位元，当变更“RE”位元后，往后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位元，否则使用相同的指令集时，不需要每次重设“RE”位元。

电路图如图7所示。

图6串口接线方式

图7液晶显示模块接口

3.1.4、点滴速度检测模块

该模块应用了反射式光电传感器，采用反射式红外收发器，可以应用在点滴测速中。

当被检测的物体为白色时，红外光电二极管U1的光线会被白纸反射回来，光敏三极管导通，IN1输出为低电平，比较器LM311的2脚接地，与LM3113脚的基准电压比较后，在LM311的7脚输出一个低电平，将比较器的输出送入单片机中进行判断。

所以我们可以把传感器装在输液管上，并在传感器的对立面放上白色纸块，当药液滴落的一瞬间，药液挡在了传感器与白色纸块之间，阻挡了红外光的反射光线，导致接收信号偏弱，从而产生了信号波动，以此来进行对点滴的计数。

3.2软件设计

软件设计是指在硬件电路的基础上，以程序的形式实现算法，进而实现液体点滴速度监控的功能。

该系统的软件采用S52编写，分为若干个子程序模块，包括键盘、显示模块，电动驱动模块等，以此实现采集数据，并对数据进行设定、显示、调整等处理。

软件各部分编程思路框图如下：

1.检测点滴速度子程序

2、储液子程序

3、点滴速度控制子程序

4、键盘显示子程序

5、系统主程序设计

四、总结

利用本系统装置可以通过传感器及步进电机进行液体点滴速度的自动调节，从而实现工作安全可靠，减少人力浪费，获得良好医疗效果的目的。

为了不断地完善和改进，同时提高系统的灵活适用性，可以对系统进行进一步开发设计。

在本次设计的过程中，我们查阅了大量的资料，包括查阅书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。

在方案设计方面，分析筛选出最优的方案，通过这次的设计，让我们了解了设计电路的程序与设计理念。

通过这次学习，让我们对很多种电路有了大概的了解，对于我以后的学习有很大的帮助。

同时在这次论文的设计中倪杰老师给了我们很多宝贵的意见，在此我们表示忠心的感谢。