基于单片机的输液滴速控制系统的设计.docx

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基于单片机的输液滴速控制系统的设计

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

TheDesignoftheLiquidInputtingSystemBasingonOne-chipComputer

Abstract

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

Thesystemisdesignedtoconstructawiredmonitorsystemofamasterstationcontrollingmultipleslavestations,withaone-microcontrollerAtmel89C52asthekey,complimentedbysteppermotor　drive,keyboard,LCDdisplay,LEDdisplayandphotoelectriccensordatacollectionoutsidecircuit.Thecombinationoffuzzycontrolworkingonthemotordrivecaneffectivelyreducetheamountofoverregulatingandstableerrorandshortenthetimeofadjusting.

Keywords:

one-chipcomputer;drive;keyboard;Photoelectric

第1章绪论

1.1前言

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]。

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。

（3）集成度限制，片内存储器容量较小。

（4）面向控制，控制功能强，运行速度快。

（5）开发应用方便，研制周期短。

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[2]。

1.3MCS-51单片机的基本组成

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[3]。

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。

1.4课题的主要内容与需求

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。

第2章系统方案确定

2.1系统设计要求

主减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[4]。

设计主要是完成群控系统控制的硬、软件设计及调试。

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。

图2-1液体滴速监测与控制装置

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[5]，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点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较

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[6]。

如图2-2：

图2-2点滴速度检测和液面检测原理图

2.3.2滴速控制方案的论证与比较

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。

2.3.3键盘、显示及声光报警部分

显示部分可选择液晶显示和数码管显示。

本系统从站使用8279扩展键盘和LED显示器；而主站部分由于要求实时显示多组数据，因此选用MGLS12864液晶显示器显示。

4×4键盘直接利用I/O扩展而成。

声光报警电路也可直接利用单片机I/O口输出放大驱动二极管发出声光报警。

2.3.4电机控制算法的选择

电动机包括直流电动机、交流电动机及步进电动机等三种，其在工业控制中扮演极重要角色。

其中，由于步进电动机的驱动方式简单、激活快速及定位准确等优点，被广泛应用于计算机外设上。

鉴于此优点，本系统采用步进电动机控制点滴滴速[7]。

第3章硬件设计

3.1系统硬件设计

主站采用当前主流单片机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，接入显示器显示从站滴速。

主从站系统总体框图如图3-1所示。

a）

显

示

器

AT89C52

键

盘

声光

报警

电路

电机驱动电路

电

机

储

液

瓶

速度检测电路

液面检测电路

RS232串行通讯接口芯片

主

站

b）

图3-1　a）主站系统框图　b）从站系统框图

3.2主站及通信网络的设计

主站硬件电路设计

1）MGLS12864液晶显示器

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H～00FH的16字节的内容决定，当（000）=FFH时，则屏的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则显示屏的右下角显示一短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，…（00EH）=FFH，（00FH）=00H时，则在屏的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理[8]。

用LCD显示一个字符时比较复杂，应为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同的位为“1”，其他的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮，这样一来就组成某个字符。

但对于内带字符发生器的控制器（如HD61202）来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在LCD上