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. 里仁學院 課程設計說明書 設計題目：基于單片機智能輸液系統(tǒng)的設計 系 別：電氣工程系 年級專業(yè)：生物醫(yī)學工程12-1 學 號： 121203041015 學生姓名： 周歡 指導教師： 鄭成博 教師職稱： 副教授 里仁學院《課程設計》任務書 課程名稱：基于單片機的智能輸液系統(tǒng)設計 基層教學單位：電氣工程系 指導教師：鄭成博 學號 121203041015 學生姓名 周歡 班級 生物醫(yī)學工程12-1 設計題目 自動送料機傳動裝置（圓柱齒輪一級減速器）SLZ-1 設 計 技 術 參 數(shù) 設計參數(shù)：1.工作電壓：220V 2.報警容量<10ML 3.無線傳輸距離<300m 4.傳輸頻率2.4GHz 設計 要求 1.按要求完成設計參數(shù)2.答辯論文 參考 資料 新型彈簧輸液報警器的研制與應用[J] 單片機原理及其接口技術[M] 等 周次 第一周 第二周 應 完 成 內 容 選擇題目； 針對題目進行資料搜集并分析； 畫出設計電路圖； 對設計各部分功能進行具體分析； 對程序進行注釋； 完成答辯論文。 指導教 師簽字 基層教學單位主任簽字 說明：1、此表一式三份，系、學生各一份，報送院教務科一份。 2、學生那份任務書要求裝訂到課程設計報告前面。 里仁學院 教務科 . . 本次設計是對于目現(xiàn)在輸液過程中存在一系列的醫(yī)療事故而設計的一整套智能輸液系統(tǒng)。通過對傳感器、控制芯片、電機的應用的比較與分析以及通信方式,從而選擇出各部分的最佳方案。 系統(tǒng)包括上位機設計和下位機軟件設計兩部分,上位機是根據虛擬儀器軟件建立可視界面并對各個部分進行編程,可以對正在輸液病人的信息了如指掌。醫(yī)護人員就可以方便對每一個病人的輸液情況進行觀察,萬一出現(xiàn)液滴滴速過快或者過慢的非正常情況,醫(yī)護人員隨時可以處理。下位機設計就是把硬件傳送電路板放在病人那端,是以AT89S52作為控制芯片設計的,外圍電路是必須加的,來實現(xiàn)聲光報警、數(shù)碼顯示、液滴檢測、液位檢測等功能,然后通過無線傳輸模塊PTR8000把相應的數(shù)據傳送出去。該系統(tǒng)價格低、功能齊全、性能好,它的應用將對醫(yī)院的管理和護理自動化的水平有極大提高,并且它的應用前景在醫(yī)療領域也將極其廣泛。 關鍵詞:單片機,無線傳輸模塊，紅外傳感器，報警系統(tǒng) . . 目錄 1引言 1 1.1課題背景 1 1.2課題的研究現(xiàn)狀 2 1.3本課題的研究內容和預期目標 3 2總體方案的設計和工作原理 3 2.1設計方案的選擇 3 2.2設計方案總體結構 4 2.3方案論證與比較 5 2.3.1控制方案選擇 5 2.3.2電機方案的選擇 5 2.3.3步進電動機的選型 6 2.3.4無線模塊的選型 7 2.3.5液滴檢測方案選擇 8 3硬件設計 9 3.1單片機的選型 9 3.2鍵盤設計 13 3.3數(shù)碼顯示電路 15 3.4聲光報警電路 16 3.5液滴檢測電路 17 3.6液位監(jiān)測單元 18 3.7電源電路的設計 19 4軟件設計 20 4.1主控模塊設計 20 4.2點滴速度的測量模塊設計 20 4.3報警模塊的設計 22 . . 1引言 1.1課題背景 隨著智能化控制研究的不斷發(fā)展，自動化臨床設備的研究日益成為醫(yī)療器械發(fā)展的一個重點，因而設計一種智能輸液管理系統(tǒng)實現(xiàn)對輸液過程的全程監(jiān)控是醫(yī)學發(fā)展的必然趨勢。并且隨著微電子技術和信息技術的發(fā)展和應用，衛(wèi)生醫(yī)療領域正進行著一場信息化的革命。在醫(yī)療監(jiān)護領域，傳統(tǒng)的監(jiān)護手段己經不能滿足當今多元化、信息化、個性化的醫(yī)療監(jiān)護需求。由于信息科學、計算機技術、網絡技術以及醫(yī)學信息技術的迅猛發(fā)展以及它們在醫(yī)藥衛(wèi)生領域行業(yè)中廣泛的應用，世界正進入一個數(shù)字醫(yī)療時代。 醫(yī)療設施發(fā)展趨勢的走向是否向上在于單片機智能輸液系統(tǒng)的發(fā)展是否也在向前發(fā)展，畢竟，單片機的性價比非常優(yōu)越，而以前的點滴滴速控制系統(tǒng)，使用的單片機價格比較貴，操作不容易實現(xiàn)，并且對滴速控制精度也較低?，F(xiàn)在單片機可以操作多個控制系統(tǒng)，還可以減輕工作人員的壓力，提高醫(yī)護人員的工作效率。在人為控制下有時如果不小心將會給安全設施帶來很大的麻煩，而且人工控制滴速精度也很難掌握，傳統(tǒng)臨床輸液中有患者、陪護或醫(yī)護人員隨時觀察監(jiān)視藥液余量的情況,牽扯到的精力大、效率低、還不利于病區(qū)的綜合管理的弊端。而使用單片機設計只要在設計時考慮周到，運行起來就不會帶來這種問題了，因此，單片機滴速控制系統(tǒng)將在醫(yī)療中得到廣泛應用。該課題研究將具有重要的理論和實際應用價值，對提高我國醫(yī)療器械水平將會產生具大的影響。醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展是順應科學技術而發(fā)展的，醫(yī)療的安全問題更是離不開科學，把高科技應用到醫(yī)療事業(yè)中來是對醫(yī)療事業(yè)的一大促進與補充。 1.2課題的研究現(xiàn)狀 目前世界上最大的醫(yī)療器械市場是日本、美國、歐盟，但公認的最有潛力的市場卻是中國。醫(yī)療設備與制藥業(yè)和器械產業(yè)的產值在發(fā)達國家比為 1∶1.9；而在中國，這個比例僅為 1∶5。由此可見中國醫(yī)療器械市場在世界的潛力非比尋常。我國已基本明確新時代的醫(yī)療體制的改革方向，國家將每年加大農村基層醫(yī)療衛(wèi)生、公共衛(wèi)生體系和城市社區(qū)的建設，由此可以預見，新的時期就會來臨，那就是我國醫(yī)療器械市場快速發(fā)展的時期[6]。 國外對智能輸液裝置的研究比較早，如日本、美國和德國等國家在上個世紀八十年代末就進行了智能輸液裝置的研制。輸液泵是一種多功能的輸液控制器，能夠比較精確地控制輸液速度，并能實現(xiàn)輸液阻塞、氣泡混入和輸液完成報警等功能。但是價格比較昂貴，在兩萬元人民幣左右。國內對智能輸液裝置的研制起步較晚，大都在九十年代中期才開始研究。不過總的來說功能也只是側重于精確輸液控制，種類比較少，性能也需要改進。由于在規(guī)范的操作下，輸液阻塞、氣泡混入是可以避免的，因此輸液速度的控制和輸液完成報警這些功能成為了人們更為關心的問題。作為一種醫(yī)療器械，安全性、可靠性是其基礎，作為一種普及到每一位輸液病人才能有實際意義的產品，使用方便并且價格低廉又是一種基本要求，所以，這種產品即使安全性、可靠性得到了充分保證，但是如果沒有簡單方便的操作和較低的價格作為其支撐，想要順利推廣也是不可能的。本系統(tǒng)對輸液沒有任何影響，系統(tǒng)操作簡單，安全性高，可靠性高，檢測的精度高。而且整體造價低，沒有使用成本，有很強的市場競爭力和推廣前景。 目前，我國三甲以上的醫(yī)院是563家，二甲縣級以上5000家，“十一五”規(guī)劃的醫(yī)療服務機構，包括社區(qū)醫(yī)院總共是31萬家。也就是說，其中80%以上是個體的診所和縣以下的基層醫(yī)療機構。在這些醫(yī)療機構中，所擁有的醫(yī)療儀器和設備有15%左右是20世紀70年代前后的產品，有60%是上世紀80年代中期以前的產品。因為我國到現(xiàn)在還沒有醫(yī)療器械管理的有關法規(guī)，所以造成一些本應淘汰、報廢的醫(yī)療器械至今還在使用，由于超期“服役”，有部分儀器早就不能準確提供診斷依據了，但是有不少小診所甚至是醫(yī)院，出于經濟利益的考慮仍然繼續(xù)使用。但是隨著我國人民生活水平的提高,人們對生命健康越來越關注,醫(yī)療器械作為一個新興產業(yè)正在蓬勃地發(fā)展。 除此之外，我國還有很多科研醫(yī)療的機構,不少企業(yè)開發(fā)的輸液裝置都申報了專利。但是由于其穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度等方面還達不到實際要求,所以這些專利很少在現(xiàn)實中得到應用。總之,我國對智能輸液裝置的研制比較晚，點滴輸液自動化得到普及,還需要很長的路要走。 1.3本課題的研究內容 整個系統(tǒng)主要包括四個設計模塊：1.從站數(shù)據采集電路，包括液滴信號的采集和液位信號的采集；2.從站數(shù)據處理電路，包括實時數(shù)據的顯示、處理及控制；3.聲光報警電路的設計；4.主站數(shù)據接收部分電路，主要為主站無線接收模塊PTR8000與單片機之間的SPI通信。 . 2總體方案的設計和工作原理 2.1設計方案的選擇 第一種方案是使用彈簧輸液報警器,該報警裝置是由一個可以控制的音樂集成塊,彈簧及兩塊電池組成[1]。輸液報警器掛在彈簧上，使輸液容器的重力轉化為彈簧的壓縮力，輸液結束時，彈簧回縮報警電路被接通，聲光報警，以提醒換藥，雖然有一定的新穎性，但智能化程度不高，難以實現(xiàn)智能化的醫(yī)療監(jiān)測要求。 第二種方案是用輸液瓶液位測量和報警裝置[2]。由彈簧，機架齒輪組的機械零件的裝置。要遵循胡克定律，通過測量重力的輸液瓶和瓶液位報警設備指針來間接測量水平的變化和變化中的報警電路開啟時，在接觸的金屬觸點來實現(xiàn)報警。這個裝置是主要的機械原理液位測量，精密測量和智能化程度不高，難以推廣。 第三種方案是采用光的衍射方法來對微量物體進行測量的裝置已經獲得專利,其原理就是激光束在通過狹縫時得到衍射,而光電接收器收到衍射光后,則顯示信號被輸出。衍射狹縫的寬度是物體重量通過杠桿的作用來改變大小的,來使光電接收器收到的衍射光的強度發(fā)生改變。利用光電接收器把光強的變化轉成電信號而輸出。最后通過顯示的技術將電信號轉化為數(shù)字顯示,達到對物體質量進行讀數(shù)的目的。但該裝置怎么樣應用于輸液報警,其夾持機構和測量精度是一個大難題,故沒有得到推廣。 第四種方案是使用新型PC，攝像頭，計數(shù)模塊和顯示，攝像頭定位裝置，其中相機連接到PC，輸液液滴的圖像和拍攝的圖像的顯示畫面轉移到計數(shù)模塊被安裝在個人電腦主機，用于相機所獲取的圖像信息的收集和分析，計算處理,和液滴的數(shù)量，該計算結果的數(shù)值將被顯示在顯示器上。實用新型計數(shù)模塊以及顯示，攝像頭，PC主機，PC,使用現(xiàn)有的技術，易于實現(xiàn)，輸液的狀態(tài)可以是數(shù)值或圖像直觀的反應，那么輸液的狀態(tài)就會被遠程監(jiān)控，整體結構非常簡單，有效的監(jiān)測。該設備在醫(yī)院的圖像處理技術提出了很高的要求，它是難以推廣。 在輸液過程中會有很多外界隨機事件,如病人的誤動作、液體氣泡等都會影響液滴的重量,導致誤測,甚至引發(fā)誤報警。然而本系統(tǒng)需要每一個床位安裝一臺,與床頭已有的報警系統(tǒng)相聯(lián)系,利于實時監(jiān)控,隨時可以改變輸液時液滴的流速,同時不需要重新布線而增加成本,故推廣應用比較方便。所以結合智能控制技術,根據具體要求給出數(shù)學模型,再由數(shù)學模型給出數(shù)值算法,最后由數(shù)值算法編出程序，使系統(tǒng)能總體尋優(yōu),具有自學習、修復記憶、補償、判斷、決策能力。 2.2設計方案總體結構 上 位 機 顯示模塊 單 片 機 本次設計采用光電檢測與單片機控制，通過PTR8000模塊無線傳輸實現(xiàn)對病人輸液過程的控制?？梢詫崿F(xiàn)功能為：（1）設置輸液時間和速度（2）他們的PTR8000模塊的遠程監(jiān)控輸液速度和輸液時間（3）當輸液臨近結束時或在輸液過程中的發(fā)生異常報警該系統(tǒng)由兩個主要部分組成：（1）主機（監(jiān)控中心）通過PC和PTR8000模塊對每個從站遠程監(jiān)控和報警，收集實時數(shù)據了解病人的基本信息。（2）從站，由單片機系統(tǒng)組成，對一個特定的輸液過程進行控制。它包括：滴速控制模塊、鍵盤與顯示模塊、聲光報警模塊及PTR8000模塊、滴位檢測模塊。如以下圖1所示： 滴位檢測模塊 聲光報警模塊 滴速控制模塊 鍵盤模塊 PTR8000模塊 圖1 從站框架圖 數(shù)碼管顯示 按鈕 圖2 控制面板 2.3方案論證與比較 2.3.1控制方案選擇 方案一:可以采用的是模擬控制方案,最突出的優(yōu)點是價格低廉而且簡單容易操作,但是最大的缺點是精度比較低,不易于功能的擴展。 方案二:采用 AT89S52 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，可用軟件編程實現(xiàn)復雜的計算和控制。這種方案使系統(tǒng)中需要的鍵盤的設定和動態(tài)顯示滴速等功能顯示比較方便，并且可以實現(xiàn)主站與從站之間的通信。數(shù)據傳送時受到的干擾也比較小,傳輸性能好。 因此,本系統(tǒng)采用第二種方案。 2.3.2電機方案的選擇 方案一：伺服電機。 伺服電機可以接收電信號，然后轉換成轉動軸上的角速度與角位移。其轉速要比電機在負載時的轉速高很多。但是就伺服電機的使用情況來說，多數(shù)是在低的轉動慣量、高的啟動轉矩和大轉矩的系統(tǒng)里。并且伺服電機的價格較高，很少使用。 方案二：直流電機。 直流電機上電后立馬轉動，掉電后慣性較大，停機時還要轉動一定角度后才可停下來。轉矩小、沒有抱死功能，如果要求準確地停在一個位置，其閉環(huán)算法太復雜。 方案三：步進電機。 步進電機主要是把電脈沖信號轉換成輸出軸的轉角或轉速，容易開啟停止、正反轉及變速,動態(tài)響應快[7]。價格適中，控制精度較高，適用于較為精確的測量中，還可以有效提高輸液速度的控制精度。步進電機每輸入一個脈沖信號，轉子就會轉過一個角度，步進電機會輸出特定的角位移或者線位移，其與輸入脈沖數(shù)成正比例，步進電機的轉速也與脈沖頻率成正比例關系。本文以單片機為核心，控制了步進電機的工作，其控制信號是數(shù)字信號，也就不需要數(shù)／模轉換了。其具有了快速的啟／停能力，可以在一剎那實現(xiàn)啟停動作，并且其步距角的降低較小，延時短，定位準確，精度高，可操作性較強。 因此選擇方案三。 2.3.3步進電動機的選型 機電一體化的產品關鍵部件之一就是步進電動機，一般被用作定位的控制和定速的控制。步進電機定位精度高、慣量低、控制簡單、沒有累積誤差等特點。 在選擇步進電動機的時候，最先要保證的是步進電動機的輸出功率必須要大于負載所需要的功率。但在選取功率步進電動機時，首先要計算機械的負載所需轉矩，電動機的矩頻特性在一定程度能滿足機械的負載并且有的余量能保證它的運行可靠。在實際的工作進程中，各個頻率下負載的力矩應該在矩頻特性曲線的范圍。一般最大靜力矩大的電動機，那么負載力矩就大。 Y系列三相異步電動機一般用在鼠籠型異步電動機基本系列，全國統(tǒng)一設計。它的功率等級、中心高、安裝尺寸都符合IEC國際電工委員會標準。產品可以和國內外各類機械設備配套。Y系列電機具有效率高、振動小、噪聲低、能耗少、重量輕、體積小，維護方便，性能優(yōu)良、運行可靠等優(yōu)點。 根據一般情況選擇Y80-132。以下表1為參數(shù)： 表1 Y80-132的參數(shù) 機座號 凸緣號 極數(shù) 機座 軸伸 凸圓端蓋 AB AC AD HD L A A/2 B C H K D E F G M N P R S T 孔數(shù) Y80 FF165 2.4 125 62.5 100 50 80 10 19 40 6 15.5 165 130 200 0 12 3.5 4 165 175 150 175 290 2.3.4無線模塊的選型 我們知道就有線通信而言，其擴展的性能較差，布線相對比較麻煩，而且其成本也較高?，F(xiàn)有的有線通信都是將線纜埋藏在地下，這樣就會存在線路腐化、遭到侵蝕的問題，容易影響到通信的質量?？紤]到護士站到病房的距離在大醫(yī)院來說大約在100到200米左右，建議使用PTR8000無線模塊。以下為PTR8000無線數(shù)傳模塊的好處： 目前國內外已經開發(fā)出種類齊全的甚高頻（VHF）無線數(shù)傳模塊，以工作于433MHz和2.4GHz為多。nRF905是一款工作在433/868/915 MHz ISM頻段的單片無線射頻收發(fā)芯片。其顯著特點是： ? 通信距離100～300米(433MHz), 10～40米(2.4GHz) ? 所需外圍元件少，設計方便 ? 工作于國際開放的ISM頻段，無需向專業(yè)部門申請使用許可 ? 作為無線技術方案，它省卻了鋪設傳輸連接線的麻煩，而且升級和增加新的設備非常方便，低功耗 ? nRF905的工作電壓范圍為1.9V～3.6V，其電流消耗很低，發(fā)射電流約為11mA(-10dB輸出)，接收電流約為12.5mA，待機電流為2μA 采用低價格的單片機和無線收發(fā)模塊相結合來構建無線通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點: ? nRF905 作為短距離單片式無線收發(fā)芯片具有低功耗、抗干擾性強、傳輸速率相對較快的特點。價格低廉，開發(fā)平臺較低，硬件設計簡單，開發(fā)周期較短。 ? 可應用于數(shù)據采集、無線抄表、門禁系統(tǒng)、機器人控制等領域，因此具有廣闊的市場空間和發(fā)展?jié)摿Α? 2.3.5液滴檢測方案選擇 方案一:用壓力傳感器來進行測量的方法。壓力傳感器主要是利用壓力的效應而造成的，在輸液瓶的下方加一個壓力傳感器,通過壓力的大小的變化情況來判斷是不是有液滴滴下，壓力傳感器的價格低廉、抗干擾的能力突出而且使用壽命也長。但是在本次設計中不容易實現(xiàn)，實驗結果的誤差會較大。 方案二:用可見光二極管和光敏三極管共同組成的傳感器來測量[3][4]。與光敏二極管相比，光敏三極管則有很大光電流放大的作用，但是較高靈敏度也存在弊端，其在系統(tǒng)中應用時有可能導致滴速測量的不準確，采用了大功率的光敏三極管正好可以彌補這一遺憾，不過他的功耗太大，容易造成不必要的浪費。 方案三:脈沖調制的紅外傳感器。紅外發(fā)射管的最大工作電流是由其平均電流決定的，而且它的調制信號占空比較小，瞬間電流會達到很大，大大提高了信號噪聲比，切實地增強了系統(tǒng)的抗干擾能力[10]。近幾十年來，紅外傳感器價格合適、性能優(yōu)良，正逐步得到了廣大的電子愛好者的喜愛，在工農業(yè)、醫(yī)療等各大行業(yè)中得到廣泛的應用。 因此，本文所設計的系統(tǒng)采用了方案三。 3硬件設計 從站 主站負責協(xié)調和控制整個系統(tǒng)的工作，實現(xiàn)接收從輸液監(jiān)控儀發(fā)送的數(shù)據并對其進行分析和處理。主站包括PC機和無線PTR8000模塊兩部分，它可以看成是一個擴展了的 PC機。PC機負責對輸液過程的監(jiān)控和對輸液數(shù)據的管理，無線PTR8000模塊將PC機擴展成了可以接收無線信號的裝置，并對各個輸液的監(jiān)控儀進行了通信調度，并把接收數(shù)據傳輸?shù)絇C機，然后PC機進行相應的處理。如圖3所示： 主站 MCU MCU PTR8000 MCU PTR8000 MCU PTR8000 MCU MCU MCU PC機 PTR8000 圖3 主站框架圖 當本文的輸液監(jiān)控系統(tǒng)處在工作狀態(tài)時，PTR8000模塊收到數(shù)據后，立即把它傳送給PC機，監(jiān)控管理的軟件在接收到了該輸液數(shù)據之后，就將它保存到了數(shù)據庫，然后經過調用監(jiān)控的模塊，把各個輸液狀態(tài)顯示到用戶界面上，管理者就可清晰的知道各輸液情況，若輸液過程中發(fā)生異常，系統(tǒng)就會發(fā)出聲光報警。 系統(tǒng)硬件和軟件要作統(tǒng)一規(guī)劃,一種功能既可以由軟件實現(xiàn),又可以由硬件實現(xiàn),要根據系統(tǒng)的實時性和性能價格比進行綜合確定,智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)可分為軟件設計、硬件設計兩大部分,硬件設計主要包括用在病人端的發(fā)送板和用在護士端 的接收板,軟件設計包括下位機及在護士端的上位機軟件程序兩大部分。 3.1單片機的選型 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線，看門狗定時器,2個數(shù)據指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口,片內晶振及時鐘電路,另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 主要的功能如下： MCS-51指令系統(tǒng)可以兼容8k可反復擦寫(>1000次）ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作電壓32個雙向I/O口 256x8bit內部RAM256x8bit內部RAM256x8bit內部RAM 全雙工UART串行中斷口線時鐘頻率0-33MHz 2個外部中斷源2個外部中斷源2個外部中斷源 中斷喚醒省電模式3級加密位 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程看門狗（WDT）電路 雙數(shù)據寄存器指針軟件設置空閑和省電功能 以下圖5為引腳圖： 圖5 AT89S52的引腳圖 因為內置軟件看門狗便宜和易于推廣，可免除外部看門狗芯片，以降低成本，而且也容易掌握，和工業(yè)的80C51指令和引腳兼容，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程也靈活方便，故而選擇AT89S52作為下位機的微處理器。 VCC:電源 GND:地 P0口：P0端口是8位雙向的漏極開路的I/O口。當作輸出口用時，每位可以驅動8個TTL型的邏輯電平。當我們對P0口寫入“1”時，此引腳就用作高阻抗輸入來使用。在訪問外部程序和數(shù)據存儲器的時候，P0端口會作為低8位的地址/數(shù)據來使用。在這種情況下，P0端口就具有內部的上拉電阻了。在我們用flash進行編程時，P0端口會接收發(fā)送到的指令字節(jié)；在校驗程序的時候，會輸出指令字節(jié)的。我們知道在程序校驗時，需要合適的外部上拉電阻。 P1口：P1端口是雙向的有內置的上拉電阻8位I/O口，P1口上的輸出端的緩沖器可以同時驅動四個TTL型的邏輯電平進行工作。當我們對P1口寫入“1”的時候，其內部的上拉電阻就會拉高端口，該端口就可以當作輸入口來使用了。當作為輸入使用時，在內部電阻作用下外部被放低的引腳，將會輸出IIL型電流。此外，P1.0會作為計數(shù)器/定時器 2的外部計數(shù)的輸入端口，P1.2會作為計數(shù)器/計時器2觸發(fā)的輸入端口。當我們對flash校驗和編程的時候，P1端口會接到低8位的地址字節(jié)。 P1引腳第二功能如表2所示： 表2 P1引腳的第二功能 P1.0 T2 用作定時器/計數(shù)器T2的外部的計數(shù)輸入端口和時鐘的輸出端口 P1.1 T2EX 用作定時器/計數(shù)器T2的重載/捕捉觸發(fā)的信號與方向控制 P1.5 MOSI 系統(tǒng)編程時用 P1.6 MISO 系統(tǒng)編程時用 P1.7 SCK 系統(tǒng)編程時用 P2口：P2端口是雙向的具有內部的上拉電阻的8位的I/O 端口，P2口上的輸出緩沖器可以驅動四個TTL型的邏輯電平。當我們對P2端口寫入“1”的時候，其內部的上拉電阻就會把端口拉高，此時就當作輸入口來使用了。當該端口被當作輸入口來使用時，在外部被拉低的引腳在內部電阻的作用下，將輸出IIL型電流。在訪問外部的程序存儲器時，P2端口會送出高8位的地址，用16位地址讀取外部數(shù)據存儲器時也是這樣。此時，P2端口會使用很強內部上拉來發(fā)送“1”。在使用8位的地址來訪問外部數(shù)據存儲器的時候，P2端口會輸出P2鎖存器中的內容。當在用flash編程和校驗的時候，P2端口會依據接收到的高8位地址字節(jié)和控制信號來工作。 P3口：P3是雙向的具有內部的上拉電阻的8位的I/O 端口，P3上的輸出緩沖器可以驅動四個TTL型的邏輯電平工作。當我們對P3口寫入“1”的時候，其內部的上拉電阻就會把端口拉高，該端口就可以當作輸入口來使用。當其當作輸入口使用時，在外部被拉低的引腳在內部電阻的作用下，將會輸出IIL型電流。P3端口也可以作為AT89S52的特殊功能來使用。另外，在我們進行flash編程驗的時候，P3端口也會接收控制信號。圖6為最小系統(tǒng)圖： 圖6 AT89S52最小系統(tǒng)電路圖 3.2鍵盤設計 根據要求需要兩個按鈕，具體電路如下: 圖7 鍵盤電路圖 鍵盤由一組按一定規(guī)則來排列的按鍵所組成的。實際上，一個按鍵就是一個起作用的開關元件。通俗來說，鍵盤就是一組按規(guī)則來排列的開關。我們知道按鍵按其結構原理來分成兩類，一類為觸點式的開關按鍵[14]，比如機械式的開關、導電橡膠式的開關等；一類為無觸點的開關按鍵，比如電氣式的按鍵，磁感應的按鍵等。就其特點而言，前者的造價低廉，后者的壽命較長。因此在微機系統(tǒng)里最常用的是觸點式的開關按鍵，本文設計的系統(tǒng)也不例外。 按照接口原理，鍵盤可以分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩大類。這兩種鍵盤的區(qū)別之處是識別鍵符以及給出鍵碼的方法。編碼式鍵盤主要通過硬件實現(xiàn)了對鍵的識別，非編碼式鍵盤是由軟件控制實現(xiàn)了鍵盤定義和識別功能。全編碼式鍵盤可以通過硬件邏輯來提供與鍵相對應的編碼，另外還具有去除抖動與多、竄鍵保護的電路，這類鍵盤的使用較方便，但是需要的硬件較多，價格也較貴，一般的以單片機為核心的應用系統(tǒng)就很少采用。非編碼式鍵盤只是簡單提供了行列矩陣，其它的工作都是由軟件來完成。其經濟性強，廣泛地應用在單片機的系統(tǒng)中[15]，本文所設計的系統(tǒng)便是如此。 本文所設計的系統(tǒng)使用了機械式觸點按鍵開關，其功能是將機械觸點的通斷轉變成電氣方面邏輯關系。就是說，它可以提供標準TTL邏輯的電平，以便可以同通用數(shù)字系統(tǒng)邏輯電平互容。機械式的按鍵在按下或者放開時，在機械彈性的作用下，通常會伴隨一定時間內觸點的機械抖動，而后觸點才可以穩(wěn)定下來。開關機械特性會直接影響抖動時間，一般是5 -10ms。按鍵的通斷狀態(tài)由觸點在其抖動期間內檢測出來，這樣可能會導致出現(xiàn)判斷錯誤。即按鍵在一次按完或者放開期間被誤解為多次的操作，此種情況是絕對不允許發(fā)生的。為了避免觸點機械抖動產生檢測誤判，就必須采取除抖動的措施，可以從硬、軟件兩個方面進行考慮。當鍵數(shù)少時，可以采用硬件除抖，當檢測到了該鍵被釋放后，在去按另外的按鍵。 本文的鍵盤的控制程序具備以下的功能:（1）檢測是否有按鍵按下，并且采取相應的硬件或者軟件措施，來消除按鍵的機械觸點產生的抖動的影響。（2）具有固定可靠邏輯方面的處理方法。而每一次只對一個按鍵進行處理，在此期間對于何種按鍵操作對此系統(tǒng)都不會產生影響，并且無論每次的按鍵時間是多長，系統(tǒng)只完成一次按鍵操作的程序功能。（3）準確無誤地輸出按鍵的值（或者鍵號），來達到跳轉指令的要求。本文的系統(tǒng)因其所使用的按鍵比較少，所以采用了兩個按鈕的鍵盤。列線應分別連接在按鍵開關兩端，行線要由上拉的電阻接在+5V 上。當按鍵未按下時，行線會處在高電平的狀態(tài)下；當按鍵按下時，行線和列線將會導通，此時，行線的電平將會由與此線相連接的列線的電平來決定。這就是來識別按鍵是否按下的關鍵。按鍵是否按下均影響該鍵所在行、列線的電平，各按鍵間都會相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來適當?shù)靥幚?，才能確定閉合鍵的位置。 3.3數(shù)碼顯示電路 按照相關的規(guī)定，輸液時液速的正常范圍應該是每分鐘30到150滴,所以本系統(tǒng)的數(shù)碼管選擇了三位, LED顯示模塊使用了74HC164驅動共陰數(shù)碼管。74HC164是8位的邊沿觸發(fā)式的移位寄存器，它是串行的輸入數(shù)據，然后再并行的輸出。這樣數(shù)據便可通過兩輸入端（DSA或DSB）之一進行串行輸入，任一個輸入端都可以用作高電平的使能端，來控制另一個輸入端輸入數(shù)據。從單片機的串口輸出的信號首先要送到最左邊的移位寄存器（74HC164）,因為移位脈沖的作用，數(shù)據便向右移，以此完成顯示。采用串行顯示，與并行顯示相比，串行顯示占用接口少，更加適用于本系統(tǒng)，數(shù)碼顯示的電路如圖所示。顯示電路的功能是顯示電壓與滴速,開機顯示了電壓的電量,醫(yī)務人員會根據實際情況決定是否應需要插入電源,保證輸液過程的正常工作。當有液滴滴下時,就開始顯示：一方面可以方便護士在給病人輸液時調節(jié)藥液滴速,這樣就防止了只憑經驗來調速，造成調速不準的醫(yī)療隱患;另一方面方便了護士巡房,使醫(yī)療服務更加的準確、高效。以下圖8為顯示電路圖： 圖8 數(shù)碼管顯示電路 3.4聲光報警電路 聲光報警用于以下的兩種情況中:一是輸液瓶中的液體快要滴完時,應及時地通知護士，讓她盡快地拔針,避免造成血液的回流現(xiàn)象,產生危害病的人體健康事故。二是輸液的過程中,如果病人保持一個固定的動作，很快就會感覺到手麻,在稍微的移動了一下,液滴的速度就可能發(fā)生過快或者過慢的現(xiàn)象,但是液速很快會 恢復正常情況，這是不可避免的，這也屬正常的情況,不必發(fā)出報警,盡量的減少了醫(yī)務人員的工作量,若持續(xù)時間超過30秒,就可能是發(fā)生了血管的堵塞現(xiàn)象,或者是針頭松掉了,這時應該及時地報警，提醒護士進行相應地處理[8]。 . 如果是重病患者,根據需要也可以屏蔽蜂鳴器,只要發(fā)光二極管不斷閃動就可以了。本設計采用的蜂鳴器由直流電壓來供電,分為有源和無源兩種。有源的蜂鳴器要直接接到5V的電源就可以連續(xù)地發(fā)聲,而無源的蜂鳴器則與電磁揚聲器相似,要接到音頻輸出的電路中才可以發(fā)聲[9],因此本文設計的系統(tǒng)選用了有源的蜂鳴器。蜂鳴器需要較大的工作電流,單片機的輸入/輸出端口不能驅動其工作,一般需要采用三極管或者是其他的放大器件放大電流后才行。另外,一般的蜂鳴器在接通的時候發(fā)出的聲音較單一,可能導致病人產生反感的情緒,進而造成了身體上的不適,所以本設計采用了定時器中斷程序使得蜂鳴器發(fā)出了有節(jié)奏感的滴滴聲,并且還增加了一個發(fā)光的二極管,伴隨有節(jié)奏感的好聽聲音,發(fā)光的二極管會不斷地閃動起來,醫(yī)務人員就可以及時地進行處理。以下圖9為報警電路圖： 圖9 聲光報警電路 3.5液滴檢測電路 液滴檢測電路是本次設計的重中之重,如果滴速計算的不準,將會帶來很多不必要的麻煩,輸液時間計算也會有所出入,報警不準容易造成護士的手忙腳亂,失去了智能監(jiān)控的作用。信號采集處理電路如下圖所示，若測試時檢測到液滴的電壓差信號過小，可在比較器前加上一級差動放大電路增大檢測的可靠性。由信號采集電路原理圖可以看出，當藥瓶內的液體液面處于光路的上面時(或者液滴滴下切斷了光路)，紅外發(fā)射的二極Send1射出的光就不能被紅外接收的二極管Receive1所接收，從而Receive1就截止了，晶體管也就截止了，OP07的輸出端是高電平了；當藥瓶內的液體液面慢慢下降到光路的附近時(或者沒有了液滴滴下時)，紅外發(fā)射的二極管Send1所射出的光就能被紅外接收的二極管Receive1所接收，從而Receive1就導通了，晶體管也導通了，OP07的輸出端就是低電平了，此時的單片機就產生了外部中斷，驅動相應的電路來發(fā)出相應的報警信號，然后通知醫(yī)務人員來采取緊急措施，從而達到了采集數(shù)據以及控制報警的目的。 圖10 液滴檢測電路 3.6液位監(jiān)測單元 與速度檢測單元一樣，本文也提出兩種可以實現(xiàn)的方法，即有、無損探測。本文考慮到了系統(tǒng)醫(yī)用衛(wèi)生的標準，輸液吊瓶中要應盡量地避免有異物的進入，于是就選用了紅外無損的探測方案[11]。通常情況下，吊瓶壁的厚度與外直徑都要比滴斗要大的多，但當我們增大紅外的發(fā)射功率之后，經過有水與無水儲液瓶所接到的信號不同仍在30-40mV 之間，這說明了紅外的無損的探測方式對超越限值報警的電路而言是行得通的[12]。因為本文的越限報警的電路只是需要工作在液體下降至紅外的發(fā)射接收的通路高度之下，所以本文的傳感器單元所接收的信號無需經過濾波環(huán)節(jié)，只是需要放大工作即可，出于信號的傳輸損耗越小的考慮，本文將初級放大單元的電路和傳感器單元一起設計安裝在了儲液瓶的旁邊。然后在設定一個門限電平，使接收信號高于門限電平時給單片機送入一個信號，產生警報，即構成了越限報警電路[13]，其系統(tǒng)框圖及電路圖分別如下圖11和圖12所示： 圖11 單元框圖 圖12 液位檢測電路圖 3.7電源電路的設計 電源在電路設計中是非常重要的,電壓太大,就會導致電流過大,容易減少元器件的壽命,甚至會燒壞單片機的芯片,造成不可估算的損失,本系統(tǒng)需要產生的電平包括: 5V電壓:單片機控制芯片,紅外對管,步進電機,報警電路。 因此在本設計中采用單電源方案,單電源方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、工作可靠。在設計中我們采用所有元件的適中電壓+5V,它通過變壓器先把生活中常用的交流電變換成+5V的電壓,再用穩(wěn)壓器把它穩(wěn)定在5V。電路圖如下圖所示：IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。當輸出電較大時，7805應配上散熱板。以下圖13為電源電路圖： 圖13 電源電路 4軟件設計 要想保證整個輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計能夠正常的工作,硬、軟件設計都是不可以忽視的組成部分。沒有了硬件,軟件就是一堆亂碼,沒有了軟件,硬件就是空殼了,所以即使硬件設計比較完整,但是如果沒有了軟件應用部分,本文所設計的系統(tǒng)還是不可以工作的。所以只有將合乎設計的要求的嵌入式的軟件控制程序下載至相應的硬件電路板之上,系統(tǒng)的各個部分才能夠正常運行,完成預期。 4.1主控模塊設計 主控模塊作為軟件系統(tǒng)的核心，在工作的時候首先要對數(shù)據緩沖區(qū)和串口部分進行初始化，然后協(xié)調各個子模塊進行工作。本次設計的初始化主要包含以下兩方面，一是對于串口要進行必要的初始化工作，讓其在方式1下工作，而波特率則是由定時器T1的溢出率設定，設定為1200bit/s，并讓其工作在允許接收狀態(tài)下。單片機的外圍電路里使用了頻率是11.0592MHz 的晶振，需要設定定時器1的初始值248(OE8)。串口數(shù)據的通信過程里的發(fā)送和接收必須要通過中斷來進行實現(xiàn)，因此必須要設置串口中斷方式；二是對于外部的中斷0的設置，在輸液的監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，當有液滴滴下的時候，液滴的檢測電路會捕捉所產生電信號的來源，再發(fā)出1個數(shù)字的脈沖信號，送到單片機的內部使其產生了1個外部的中斷0。本系統(tǒng)在中斷計數(shù)的時候，應該啟動外部中斷0，并且將其設定在電平的觸發(fā)模式中，及用于計數(shù)的R4寄存器內部清零[17]。 4.2點滴速度的測量模塊設計 點滴速度存在兩種測量方式。一是：以點滴每次間隙為單位，記錄出一次點滴所用時間，用60來除以點滴的間隔單位的時間就可以得到點滴數(shù)/每分鐘。此方法用除法操作，如果點滴速度比較快，測量誤差也較大。而測量所得到點滴的單位時間誤差會被 60 秒的時間單位所放大。但此方法用在點滴速度的修正上，可以適時的測得點滴速度的變化量，其適用于調整滴速的場合。二是：用單位時間來記錄出點滴數(shù)。利用乘法計算來算出滴速，此法存在一定弊端，如果單位時間里的點滴數(shù)目不是整數(shù)，就容易存在測量的誤差。但若是在滴速恒定情況下，可以采取在許多單位時間里取均值，從而求出單位時間的平均點滴數(shù)，這樣就可以達到比較高的精度[18].在本次設計中，將采用將兩者結合起來的方法進行測量。以點滴為單位，同時對于多個點滴來測量，計算出滴速。如圖是實現(xiàn)原理。 中斷計數(shù) A B 中斷計數(shù) 圖14 脈沖電路圖 定時器 T 0的定時時間是200us，當系統(tǒng)檢測到有脈沖信號發(fā)出時，程序就開始進行相應的中斷處理，將計數(shù)器里存儲的內容讀出來，然后將計數(shù)器進行清零，作為了記錄脈沖信號的初始值，將其計為COUNT=0，當定時器的時間到達了 200us時，程序中斷就會檢測輸入的信號是否是有脈沖信號，同時將計數(shù)器進行加1的操作，即計COUNT=1，另外設置計數(shù)器COUNT=1所記錄的檢測到的脈沖信號的個數(shù)，設置計數(shù)器COUNT=1存儲單元為10，這樣就可循環(huán)存儲脈沖的個數(shù)。我們可以在定時器COUNT=1中取出5個相臨脈沖的信號點（可以設定起始的脈沖點為 x，其相對應于計數(shù)器COUNT數(shù)值為n1，那么第五脈沖點就為x+5，其相對應于計數(shù)器COUNT數(shù)值為n 2），這時就計算出了經過五個脈沖點的時間是：t = (n2 - n1)200us，從而就得到了相臨的脈沖信號時間間隔平均值是：T=t/5，也就得到了點滴速度是：v=60s/T=1500/(n2-n1)[19]。經過以上的分析與計算，就得到了點滴速度的測量程序圖。 開始 定時200us 設置計數(shù)器COUNT=0 設置計數(shù)器COUNT1=0 定時結束 退出中斷 否 是 COUNT加1 檢測到脈沖信號 否 是 COUNT1加1 . 圖15 點滴速度的框架圖 4.3顯示報警模塊的設計 查詢液滴過慢或有沒有液滴落下時及時的報警模塊程序設計主要是依靠 4s 定時中斷程序來實現(xiàn)。根據以上的分析，在輸液進程中滴下的液滴的數(shù)量最主要是利用程序對INT0傳送來的信號邊緣進行檢測計數(shù)，并且在程序中使用R4計數(shù)器加1來實現(xiàn)對液滴的計數(shù)。因此，只要在4s內有液滴滴下時R4中的值就一定會改變，正常的輸液在4s的時間內R4的值是一定會變化的。因此，就可以通過判斷4s內R4的值是否發(fā)生變化，來判斷在這4s的時間間隔中是不是有液滴滴下，當R4的值有變化時就說4s內有液滴滴下;當判斷出R4的值沒有任何變化時就說明4s內沒有液滴滴下，給報警標志位置1，讓它們分別驅動蜂鳴器和發(fā)光二極管進行聲光報警。 在本次設計中若出現(xiàn)以下情況下時就會進行報警：①當輸液正常完成時，這時最后一滴液體以后就沒有液滴滴下了，這就相當于兩滴液體的間隔時間為無窮大，即遠遠大于4s的定時，這時R4的值就不會發(fā)生變化，就開始報警；②輸液因意外情況而發(fā)生中斷的，這時當中斷前的某一液滴滴下后，再就沒有其他液滴滴下了，其與第一種現(xiàn)象是相同的，這時R4的值也不會變化，也發(fā)出報警信號；③輸液太慢時，兩液滴滴下的時間間隔超過了四秒，這時R4的值也不會變化，也報警。 當出現(xiàn)了以上情況時，本系統(tǒng)的單片機的T0端口就輸出了高電平，這時蜂鳴器就會進入到工作的狀態(tài)而開始鳴叫，提醒病人液滴已經輸完或者有意外發(fā)生。其他情況下，也就是兩液滴滴下的時間間隔小于4s時就為正常工作，單片機TO腳就輸出低電平，蜂鳴器停止。流程圖如下圖16所示： 開始 開始 無線模塊初始化 狀態(tài)燈顯示 有液滴滴下 有數(shù)據發(fā)送 N N 接收數(shù)據 Y Y 顯示發(fā)送數(shù)據 液滴是否結束 結束 N 聲光報警 Y 結束 圖16 顯示聲光報警框架圖 聲光報警是系統(tǒng)設計不可或缺的部分,為了不影響病人情緒,報警時我們采用有節(jié)奏的報警聲音,主要有軟件部分來設定,當液滴不再下落超過5S時開始報警報警。 附錄 附錄Ⅰ整體電路圖 附錄Ⅱ程序 滴速控制程序 ORG 0000H RESET: AJMP MAIN ORG 000BH AJMP IT1P ORG 0100H MAIN: MOV SP,#60H MOV TMOD,#01H ACALL PT1M0 HERE: AJMP HERE PT1M0: MOV TL1，#0CH MOV TH1，#0FEH SETB ET1 SETB EA SETB TR1 RET IT1P: MOV TL1，#0CH MOV TH1，#0FEH CPL P1.0 RETI 查詢方式的參考程序如下： MOV TMOD,#01H LOOP: MOV TH1，#0FEH MOV TL1，#0CH SETB TR1 LOOP1: JNB TF1,LOOP1 CLR TR1 CPL P1.0 SJMP LOOP 顯示子程序： DIR SETB P2.2 MOV R7,#08H MOV R0，#7FH DL0 MOV A,@R0 ADD, A,#0DH MOVC A,@A+PC MOV SBUF,A DL1： JNB TI,DL1 CLR TI DEC R0 DJNZ R7，DL0 CLR P2.2 RET SEGTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H,82H,0F8H,90H DB 88H,83H,0C6H,0A1H,86H DB 8FH,0BFH,8CH,0FFH,0FFH 鍵盤子程序： KEYI: MOV A,#00H MOV SBUF,A KL0： JNB TI,KL0 CLR TI KL1： JNB P2.0，PK1 JB P2.1, KL1 PK1： ACALL DL10 JNB P2.0,PK2 JB P2.1，KL2 PK2： MOV R7，#08H MOV R6,#0FEH MOV R3，#00H MOV A,R6 KL5： MOV SBUF,A KL2： JNB TI,KL2 CLR TI JNB P2.0，PKONE JB P2.1，NEXT MOV R4，#08H AJMP PK3 PKONE: MOV R4，#00H PK3： MOV SBUF,#00H KL3： JNB TI,KL3 CLR TI KL4: JNB P2.0,KL4 JNB P2.1 MOV A,R4 ADD A,R3 RET NEXT: MOV A,R6 RL A MOV R6,A INC R3 DJNE R7,KL5 AJMP KEYI DL10: MOV R7,#0AH DL: MOV R6,#0FFH DL6: DJNZ R6,DL6 DJNZ R7,DL RET 蜂鳴報警程序： SOUND: SETB T0 MOV R4，#64H LOOP: MOV R3，#0F9H LOOP1： DJNZ R3，LOOP1 DJNZ R4，LOOP CLR T0 RET 參考文獻 . 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