安 徽 三 联 学 院.docx

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安徽三联学院

安徽三联学院

ANHUISANLIANUNIVERSITY

题目基于单片机的多功能输液系统

英文题目Takethesinglechipatransfusion-surveillance-controlSystem

院系信息与通信技术系

专业电子信息工程

姓名唐钟

年级08级

指导教师徐丽萍周森

二零一二年五月

摘要

针对我国广大农村医疗合作社在对病人进行静脉输液治疗过程中出现的医务人员监护任务繁重等问题，设计了一种以AT89C51为核心的多功能输液监控系统。

本系统以PC为上位机作为整个系统的控制监控中心，用单片机AT89C51为核心作为下位机通过光电传感器对吊瓶的液位进行检测及报警，并对滴速进行精确地检测与控制。

上位机与下位机用RS485总线进行串行通信，能够使医护人员实时了解输液状态。

论述了该系统的检测原理、总体结构、主要功能部件设计和软硬件系统的组成。

该系统低功耗、成本低、性能稳定、便于携带、实用性强。

关键词：

输液监控、AT89C51、串行通信、RS485

Abstract

AimingattheheavyproblemofnursesinmostofourRuralmedicalcooperativeswhencarryontransfusiontothepatientscurrentlyandthendesignedasetofsystemwhichiscalledfluidinfusionsupervisionsystem.Thispaperdesignedatransfusion-surveillance-controlersystemwhichusedAT89C51asitscore.ThissystemtakethePCasitismastermachine.ThePCisthecontrolofthewholesystem.TakethesinglechipAT89C51asacoreofthenextmachinewhichwilltestanddisplaytheleveloftheliquidbottle.Itcanexamineandcontrolthespeedoflosealiquidaccurately.PCcommunicatewithsinglechipbythetotallineofRS485.Itcanmakethenursesknowthestatusoflosesliquidwhilepatientstakethepersonnelsolid.Discussedtheconstitutingofexaminationprinciple,totalstructureandmainfunctionpartsdesignandtheconstitutionofsoftwareandhardwaresystem.Thesystemislowachievementconsumes,lowcostandstablefunctionandeasytotake,thefunctionisstrong.

Keywords:

Supervisionoftransfusion；AT89C51；signalcommunication；RS485

前言

病人接受治疗，静脉输液是最基本的手段。

目前农村医疗合作社因为条件有限，普遍使用的是人工监视点滴输液装置，通过传统的莫菲氏点滴法，将液体容器挂在一定高度，利用势差将液体输入人体内，用软管夹对软管加紧和放松控制滴速，医务人员按药剂特性对滴速进行控制。

这样的操作结果使得输液速度和输液量不确定，这种情况给病人和医务人员带来许多危险和失误，比如错误的调节液滴速度、没有及时的为病人换输液瓶。

尤其是一些特殊患者，心胀病患者、老人、婴儿或者需要自助或护理的病人来说。

目前医院和特殊医疗中心已经在使用一些相关输液仪器和输液泵，实现了输液监控、控制、报警等功能。

但农村医疗合作社因为经济条件差，医务人员少等诸多因素，他们很少使用那些价格昂贵的输液装置。

这种情况很不利于中国广大农村劳动人民的生命安全和临床医疗服务。

本论文阐述的是基于AT89C51单片机的一种集监控、滴速控制、声光报警等功能的多功能输液控制系统。

其采用了当今最流行的光电式监控手段，实现了基于RS485总线的有线监控网络化管理。

本系统具有操作方便、成本低、功耗低、可靠性强等特点。

这样必然给农村医务人员带来极大影响，也是未来智能化医疗服务发展的趋势。

第一章系统总体设计

1、1设计思想及预期目标

传统的临床护理中，多采用莫菲氏滴管输液法，莫菲氏点滴法问世至今已有一百多年的历史，该法在治疗病人中起到了无可替代的作用，但使用中现今发现有很多弊端。

随着电子技术的发展，智能化控制在各行各业的应用也日益普及，多功能的输液控制系统的设计成为必要。

它利用单片机作为微控制器驱动红外传感器采集滴液滴速信号，再对步进电机进行控制来调节滴液流速，这样就弥补了莫菲氏点滴法的诸多不足。

同时它通过显示电路和声光报警电路更直观表现输液控制的智能化，与主站的通信让这个多功能输液控制系统可以进行集中监控。

这种设计使得该系统操作方便、显示直观、集中监控具有报警功能，适合在医院及农村医疗合作社推广使用，以加速医疗器械加速自动化与半自动化进程，提高医护质量，人名群众的生命健康得到有效保障。

1、2系统总体结构设计

总体上确定以AT89C51为控制芯片，各功能电路由点滴速度检测电路、液面位置检测电路、键盘控制电路、OLCD显示电路、点滴速度控制电路、声光报警电路，以及RS485总线连接上位机电路组成的系统结构。

系统结构框图如图1-1所示。

图3-1系统的整体结构框图

1、3系统主要实现功能

系统利用红外传感器测液滴流速，将采集转换的数据送与主控芯片AT89C51，CPU则控制步进电机蠕动角和速度，将步进电机的角度转动量转化为直线给进，并反复计算得出这一段时间内电机控制下的实际滴数再与预设值相比，保证系统在允许误差范围内正常工作。

另一信号采集系统负责检测液面高低，一旦低于警戒高度，就会驱动电机转动，关闭输液管，停止输液，发出声光报警信号。

控制按钮可以预制液滴流速、输液量和输液间隔时间等。

液晶显示系统显示滴液流速和实时输液量。

第二章硬件设计

2、1传感器及主要模块元件选择

输液点滴控制系统的关键技术在于点滴状态的准确监测，点滴监测的稳定性及准确性是整个系统的核心指标。

ELS-950系列传感器是Gems公司推出的微型光电液位传感器，可用于监控包括OHV型液体在内的各种液态介质。

该系列传感器配有TPE超模压电子镶件、TPE绝缘线和氟硅酮橡胶O形密封圈，具有防水、耐候性结构，适应各种恶劣环境。

目前，红外检测方法具有量程宽、功耗低、灵敏度高、寿命长等优点，在监控和通信系统中有广泛应用，因此选用红外传感器来检测液滴流速。

系统终端配有显示屏，滚动显示输液状态信息或来自医务监控中心的指示。

当药液即将输送完毕，系统自动发送信息到监控中心，同时终端屏幕显示已报告状态信息，当监控中心医务人员响应后，屏幕则显示医生已经前来处理字样。

如若系统发送状态信息后，超过了系统设定时间，监控中心仍然没有响应，则屏幕提示病人手动辅助按键，同时系统自动再次发送点滴完毕报告。

系统终端显示文字信息较少，而且可以采取滚屏方式，因此采用了128×64点阵微型液晶显示屏。

由于病房内通常光线比较明亮，而且病人输液经常在白天，要求显示屏具有高亮度显示的特性。

针对这一需求，系统终端配备OLED显示屏。

OLED显示屏具有高亮度、高对比度、宽视角、响应速度快以及低功耗的特点。

本系统采用RS485总线主要是因为RS485总线在硬件方面具有通信距离远（可达1219m），能实现点对多点通信，总线电路简单，安装方便，也克服了RS232通信距离近，只适合于点对点的缺点，跟其他总线相比，在软件方面具有总线协议简单的优点。

中心处理部分主要采用AT89C51单片机。

AT89C51单片机完全可以满足本系统的设计要求，相对于其他具有相当功能的器件来说，具有价格便宜，对环境要求不高，工作稳定等优点。

2、2主控芯片单片机的描述

设计的思想是实用和小型化，中心处理部分主要采用AT89C51单片机。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBytes的可反复擦写的只读程序存储器（ROM）和128Bytes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，兼容标准的MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域。

2、2、1功能特性概述

AT89C51提供以下标准功能：

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，一个全双工串行通讯口，片内振荡器及时钟电路，见图3-1AT89C51功能方块图。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作但允许RAM、定时/计数器、串行通讯口及中断系统继续工作掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

如图2-1AT89C51功能方框图。

图2-1AT89C51功能方框图

2、2、2管脚说明

图2-2-1AT89C51管脚图（图片来自Protessional）

VCC：

供电电压；

GND：

接地；

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收端。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电

流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2、2、3时钟振荡电路设计

AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图2-2-2。

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶振的振荡频率为12MHz，故而一个机器周期为1uS。

图2-2-2时钟振荡电路（图片来自Protessional）

外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。

外接石英晶体，电容使用30pF±10pF。

2、2、4复位电路设计

复位电路虽然简单，但其作用非常重要。

一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。

复位操作有上电自动复位和手动复位两种方式。

为了方便医护人员操作，设计采用上电自动复位的方式。

上电自动复位是在加电瞬间电容通过时间来实现的其电路如图2-2-3。

在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。

只要电源Vcc上升时间不超过1ms，就可以实现上电自动复位，即接通电源就可以实现系统的复位初始化。

关于参数的选定在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。

这里选用的是12MHz的石英晶振，可取C=10霧，R=8.2k。

图2-2-3上电复位电路（图片来自Protessional）

2、2、5电源电路

电源是电路运转的动力来源，电源模块是系统硬件极为重要的模块。

输液监控智能系统从站中各模块所需要的电压有5V和3.3V。

微机电源将220V的电压转换为12V，再将12V电源接入从站POWER接口「16'012V电压经MC78M05CT转化为5V,5V电压为系统提供工作电压，电源电路如图2-2-4所示。

为防止电源适配器极性不正确时烧毁电路板，电路在设计上加入了二极管工N4007。

为了防止高频数字信号干扰模拟信号，MC78M05CT的输入和输出端分别采用两个电容进行电源稳压滤波，为系统提供稳定的电压。

图2-2-4电源电路图（图片来自Protel）

2、3液位检测电路设计

2、3、1光电液位传感器的工作原理

光电液位传感器ELS-950由三部分组成：

光电探头、电子开关和外部引线。

传感器探头固态封装，顶部棱镜形状，内含红外放光二极管和光接收器。

发光二极管发出的红外光被导入顶部的棱镜，当棱镜暴露在空气中时，光线直接从棱镜反射到光接收器；当液体浸没棱镜时，二极管发出的光线多数折射到液体中，只有少部分光线反射回接收器。

通过感应接收光源量的变化，接收器驱动内部电气开关，从外部引脚输出不同的电平信号。

传感器工作原理如图2-3-1所示。

图2-3-1传感器ELS-950工作原理图

ELS-950传感器性能参数如表2-1所示。

液位监测精度

±1mm

最大吸入电流

40mA

最大输出电压

30VDC

工作电压（±10﹪）

+5VDC/+12VDC

工作电流（±10﹪）

4mA/10mA

工作温度

-40℃～110℃

工作承受压力

0～250PSI

O形圈

碳氟化合物

外壳

聚砜树脂

电子装置

超模压TPE

表2-1ELS-950传感器性能指标

2、3、2数字电路的硬件设计

传感器ELS-950以单片机芯片AT89C51为驱动，A/D转换采用AD公司生产的12位芯片AD574A，转换时间为25s,数字位数可设为12位，也可设为8位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直接接口7。

根据接收信号强弱不同，用触发器或比较器处理，可得到水位到达临界线时会引起较大的电信号差异，由此判断水位到达警戒线，单片机发出报警信号。

电路示意图如图2-3-2所示。

OLED显示

图2-3-2光纤传感器液位检测电路设计

2、3、3液位检测装置设计

光电液位传感器不但灵敏度高、稳定性好，而且安装简单快捷。

传感器后端

引线可以和前端分离。

医生在配药时将传感器探头从瓶口插入，在进行临床点滴

后，医务人员将接口连接上即可使用。

对于瓶装液体的点滴，传感器的安装见图3-9。

在插入传感器之前，医务人员需要在瓶塞上打一个约6mm的小孔，以便放入传感器探头。

由于瓶塞的弹性作用，以及传感器探头表面呈螺纹状、底部配有橡胶O型环，输液过程中，药液不会外流。

图2-3-3光电传感器安装示意图

2、4滴速检测电路设计

目前，国内外比较流行的医疗点滴监测方案有三种：

液压检测法、输液导管

红外检测法以及输液瓶红外检测法。

本方案的液滴检测采用直射式红外光电传感器ST150进行输液导管红外检测，ST150主要特点如下：

（1）采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。

（2）采用非接触检测方式。

（3）光缝宽度（分辨率）有0.8mm、0.4mm两种。

（4）外形尺寸小巧，灵敏度高且价格便宜。

2、4、1基于红外传感器的滴速检测原理

其工作原理是：

在滴斗处对滴液进行检测。

红外发光二极管发出红外光，光线透过输液管照射到光敏三极管，光敏三极管将接收到的光信号转换成电流输出。

当滴斗中没有液滴通过时，光线衰减小，光电二极管输出比较强的光电流；当滴斗中有液滴通过时，由于液滴对光线吸收和散射作用，照射到光敏三极管的

光信号比较弱输出比较弱的光流，将电流的变化转换为电压的变化，通过检测输出端电压的变化，就可以探测出有无液滴通过。

液滴探测原理图如图2-4-1。

图2-4-1液滴探测原理图

只要对接收模块提供VCC和地端，就可以从Vo接收到电压信号，Vo接单片机端脚ADC7通过A/D转换将电压信号转化为电脉冲信号。

2、4、2滴速检测电路设计

如下图2-4-2所示：

图2-4-2滴速检测电路

2、5滴速控制模块设计

对滴速控制力求快速而稳定，且到极限时应确保能完全关闭输液器，以防空气进人血管或回流。

本系统采用Atmel-mage8通过ULN2003A驱动微型步进电机，由微型步进电初正、反转带动传动机从而控制胶管的松或紧，实现滴速的调控。

2、5、1步进电机的工作原理

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。

每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步进角。

脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。

在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。

它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。

2、5、2步进电机的分类

步进电机分三种：

反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。

2、5、3步进电机的静态指标

相数：

产生不同对极N,S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步进角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度（转子齿数j*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步进角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步进角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

静转矩：

电机在额定静态作用下，当电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

本系统采用EPSON的UMX-1型4相永磁式步进电机，步进电机引脚如图所示。

它的相数为4，步进角为7.5度、12V、相电阻200Ω,电流60mA、定位转距350g.cm、最大静转距736g.cm。

步进电机的引脚如图2-5-1所示，实物如图2-4-4所示。

图2-5-1步进电机引脚示意图

图2-5-2步进电机实物图

下图2-5-3为步进电机的原理图：

图2-5-3步进电机原理图（图片来自Protel）

2、6声光报警与显示电路

系统设置的声光报警和OLED显示电路主要针对液位检测和滴速检测的信号，单片机做出判断发出报警信息。

因为临床输液液滴流速范围是8～120滴/秒左右，可设定显示范围在0～200滴/秒。

用每个液滴所产生的脉冲信号刷新一次显示。

2、6、1报警设置如下：

报警范围液滴速度低于5滴/秒以下，高于200滴/秒时发出报警信号；预置输液量剩余低于15ml。

报警方式声音（可关闭）、闪烁显示。

实现方式如原理图2-6-1所示。

图2-6-1声光报警电路图（图片来自Protessional）

输液完成时，单片机将其P3.7口置低，使三极管Q4的BE两极导通，进而使三极管Q4的CE两极导通。

当三极管CE两极导通时，蜂鸣器和LED发光二极管同时接通，蜂鸣器发出报警同时LED发光二极管被点亮。

由于蜂鸣器接通时只是发出单一的声响，如果声响很大会对患者造成一