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2012年濱州學院大學生電子設計競賽： 醫(yī)院病床輸液監(jiān)控系統(tǒng) 設計報告 參賽隊員：張心清 專業(yè)：交通運輸 參賽隊員：趙劍 專業(yè)：交通運輸 參賽隊員：王猛猛 專業(yè)：交通運輸 日期： 2012年5月4日 摘 要 該設計是以單片機89S52為核心，以鍵盤，碰觸開關及紅外光電開關為輸入系統(tǒng)，以液晶、聲光報警電路及步進電機為輸出系統(tǒng)的智能化輸液控制及監(jiān)控系統(tǒng)。鍵盤系統(tǒng)為獨立式按鍵系統(tǒng)，紅外光電開關的功能為檢測點滴的滴下。步進電機具有轉(zhuǎn)速可控功率大及輸入脈沖不變時可保持大力矩等優(yōu)點，這樣就可以自如控制吊瓶的上、下緩移可以達到智能控制的目的。點滴速度可用鍵盤來設定，同時輸液結(jié)束或發(fā)生異常情況能發(fā)出報警信號。以上面所述裝置為一個從站，主站和從站之間采用自定義串口通信協(xié)議，建立了一個由主站控制128個從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)。 關鍵字 ： 光電開關 STC89C52 步進電機 RS-485總線 12864液晶顯示 This design is based on single chip STC89S52 as the core, with the keyboard, touch switch and electrcal switch for input system ,with LCD sound and light alarm circuit and stepping motor output system for intelligent control and monitoring system infusion. The keyboard system for independent type key system, electrcal switch function to test every drop. Stepping motor speed control with power and input pulse constant can keep the big moment of advantages, which can freely control transfusion bottle and slow moving can achieve the purpose of intelligent control. Can be used to set of dropping speed keyboard, and end the abnormal situation happened or infusion can issued a warning signal. With above device is a from standing, and stand between the Lord from the definition of serial communication protocol and established a standing control by 128 from the cable monitoring system stand. Key word: Photoelectric switch STC89s52 Stepping motor RS-485 bus 12864 LCD display 目 錄 一、系統(tǒng)方案 1 1.1 點滴速度的測量 1 1.2 點滴速度的控制 1 1.3 控制用電動機及驅(qū)動的選擇與比較 1 1.4 系統(tǒng)總體方案 2 二、理論分析與設計 2 2.1 點滴速度檢測電路原理分析 2 2.2 鍵盤控制及顯示電路設計 3 2.3 越限報警電路 4 2.4 電機控制電路電路設計 4 2.5 主從機通信電路設計 5 三、 電路與程序設計 5 3.1 整機詳細電路圖見附錄1 5 3.2 工作流程 5 四、測試方案與測試結(jié)果 7 4.1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù) 7 4.2 主機從機功能測試 7 4.3 測試結(jié)果分析 7 五、總結(jié)： 7 六 、參考文獻 7 附錄1：整機詳細電路圖 8 附錄2：主要控制程序 9 一、系統(tǒng)方案 1.1 點滴速度的測量 方案一 ：采用電感式傳感器測量點滴速度 在輸液器的漏斗外圍繞線圈作為敏感元件。當液滴滴下時電感量發(fā)生變化，通過LC振蕩電路后輸出變化的頻率值，經(jīng)過F/V變換電路及電壓比較后輸出TTL電平信號來檢測點滴速度。此方案測量精度比較高，但是外圍電路比較復雜。 方案二：采用反射式紅外光電傳感器 在輸液器的漏斗一端放置反射式紅外傳感器，當液滴下落時，利用其對紅外線的反射能力，接收端檢測到信號。但是由于水滴的表面不規(guī)則且較小，反射信號較弱且不穩(wěn)定，反射式要求液滴下落時要和傳感器保持精確的夾角，當輸液器上下移動時會產(chǎn)生晃動，從而產(chǎn)生較強的干擾。 方案三：采用槽式紅外光電開關 采用槽式紅外對射式光電開關，集成度高，體積小，功能齊全，電線引出式，電源內(nèi)藏式具備繼電器大功率輸出，具備交直流通用型，電壓范圍寬，抗震性能好，液滴檢測非常穩(wěn)定，對于對精度要求較高的醫(yī)療器械來講，非常合適此方案成本低，經(jīng)過實驗可發(fā)現(xiàn)槽式式紅外光電開關能比較靈敏地測出水滴。利用測量相鄰點滴下落的時間間隔即可確定點滴速度。 綜合考慮選用方案三槽式紅外光電開關。 1.2 點滴速度的控制 由題目可知，控制液滴下落速度主要有兩種方法： 方案一 : 通過步進電機和滑輪系統(tǒng)控制儲液瓶的高度，來達到控制液滴流速的目的； 方案二: 通過控制滴速夾的松緊程度來控制液滴流速。第一項方案實現(xiàn)較為簡便，通過步進電機可方便地實現(xiàn)對儲液瓶高度的調(diào)節(jié)，從而達到控制液滴流速的目的。第二項方案控制滴速夾移動的距離很小，但是滴速夾的松緊調(diào)節(jié)過程中，移動距離，移動阻力等參數(shù)難于計算，用機電系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為困難。 經(jīng)過綜合比較，我們決定選擇方案一。 1.3 控制用電動機及驅(qū)動的選擇與比較 方案一：采用直流電機 由于直流電機上電即轉(zhuǎn)動，掉電后慣性較大，停機時還會轉(zhuǎn)動一定角度后才可停下來。轉(zhuǎn)矩小、無抱死功能，如果要求準確停在一個位置，其閉環(huán)算法較復雜。 方案二：采用步進電機 步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移或線位移的電動機。步進電機每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。用單片機控制步進電機，控制信號為數(shù)字信號，不再需要數(shù)／模轉(zhuǎn)換，具有快速啟／停能力，可在一剎那間實現(xiàn)啟動或停止，且步距角降低小，延時短，定位準確，精度高，可操作性強。 綜合考慮,選用步進電機作為電機驅(qū)動控制電路。 1.4 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖1： 點滴測速 液晶顯示 觸碰開關 從站（單片機） 通信接口電路 主站（單片機） 鍵盤 電機驅(qū)動動 步進電機 聲光報警 圖1 醫(yī)院病床輸液監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)框圖 用G63-E303槽式紅外光電開關檢測液滴速度，由STC89C52單片機控制液晶12864顯示速度床號等信息，并控制電機驅(qū)動L298N,控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，從而改變輸液瓶的高度，控制點滴的速度，單片機再根據(jù)反饋的速度調(diào)整輸液瓶的高度，閉環(huán)反饋準確地控制點滴速度。主機和從機之間利用RS-485總線通信，采用自定義的串口通信協(xié)議，實現(xiàn)主從之間的數(shù)據(jù)交流。采用觸碰開關來檢測異常情況，控制蜂鳴器鳴叫和LED閃爍。 二、理論分析與設計 2.1 點滴速度檢測電路原理分析 圖2 G63-E303槽式紅外光電開關內(nèi)部原理圖 G6-E303槽式紅外光電開關槽式光電開關傳感器，發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能接收到光，三極管2SC1008導通，OUT端被拉低，OUT輸出低電平,LED不亮；當有液滴從槽中落下通過時，光被遮擋，三極管截止，OUT端輸出高電平VCC，LED亮。用STC89C52的T0采集電平變化時下降沿，來實現(xiàn)對液滴的計數(shù)。 液滴下落的速度= X滴/分鐘。 2.2 鍵盤控制及顯示電路設計 鍵盤控制和顯示電路我們采用獨立按鍵和液晶顯示。顯示部分我們采用帶字庫12864液晶顯示器，相比于1602顯示器它的優(yōu)點在于可以顯示漢字，方便我們顯示床號等，點滴速度等的信息，而且它的屏幕較大，可以一次顯示更多的內(nèi)容。 鍵盤采用了4乘2坐標查詢的方式來識別按鍵。其中P10、P11為輸入端口，P12~P15為輸出端口。當P10、P11都為高電平的時候，無論哪個按鍵被按下了，都與按鍵沒被按下的狀態(tài)相同，P12~P15端口的輸入信號都為高電平。當P1^0為低電平，P1^1都為高電平時，若“選擇床號鍵”被按下P1^2口相當于和P1^0口直接相連，P1^2口就讀入低電平，而其他三個口讀入為高電平。若“60”按鍵被按下，同理，P1^3口就讀入低電平，其他三個端口讀入為高電平。其他的按鍵被按下時都沒有反應。這樣就達到了識別“選擇床號鍵、60、100、加”4個按鍵的功能；當P1^1輸出低電平，P1^0端口為高電平時，同理，可以識別“確認、80、120、減”4個按鍵。按照這種方式，通過6個引腳逐列地掃描按鍵，實現(xiàn)識別8個按鍵的功能，相比獨立按鍵節(jié)約了單片機的端口資源。另外我們還在外部中斷0引腳接入了一個獨立式按鍵用來解除報警信號，在外部中斷1 引腳接入了一個獨立式按鍵用來產(chǎn)生外部中斷，從而進入鍵盤掃描程序。 圖3 掃描鍵盤工作原理 圖4 通用矩陣鍵盤原理圖 2.3 越限報警電路 越限報警電路采用觸碰開關進行檢測，把觸碰開關安裝在規(guī)定位置（即分別在輸液管頂部距滑輪5cm處和漏斗由于越限報警距受液瓶頂部5cm處），當輸液瓶移動到警戒位置碰到觸碰開關時，觸碰開關會引起IO口的電平拉低，通過軟件控制發(fā)出報警信號。電路圖如圖5。 圖5 越限報警電路圖 2.4 電機控制電路電路設計 L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相 和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO口來提供模擬時序信號， OUTl~OUT4接步進電機；input1~input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。 圖6 L298驅(qū)動電機原理圖 2.5 主從機通信電路設計 方案一: RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。 方案二: RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。 由于醫(yī)院病床的通信距離一般在一千米范圍之內(nèi)，經(jīng)過綜合比較RS-485總線更能夠滿足通信距離和通信穩(wěn)定性的要求，因此選擇方案二。 3、 電路與程序設計 3.1 整機詳細電路圖見附錄1 3.2 工作流程 主機流程圖： 開始 初始化 返回主程序 解除報警 跳出中斷返回主程序 向從機發(fā)送參數(shù)調(diào)整命令 等待確認 按鍵設置 外部中斷1： 進入按鍵掃描 液晶顯示 雙機通信 外部中斷0 詢問從機 備注：把外部中斷0設為執(zhí)行高優(yōu)先級。 從機流程圖等待RI置1 開串口中斷，報警標志位置位 串口中斷 等待中斷 初始化 開始 ： 進入定時器T0中斷 手動報警觸碰開關報警進入外部中斷0 判斷報警標志位 讀出T2計數(shù)器的值，計算滴速 發(fā)送報警信號，跳出中斷 Y 返回 N 判斷是否有滴數(shù)調(diào)整 傳輸當前點滴數(shù) N 調(diào)整電機轉(zhuǎn)動 Y 判斷當前滴數(shù)是否在誤差范圍內(nèi) 停止電機轉(zhuǎn)動 N Y 備注：將外部中斷0和定時器0中斷設為執(zhí)行高優(yōu)先級（PX0=1;PT0=1） 四、測試方案與測試結(jié)果 4.1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù) 表1 液滴速度檢測測試速據(jù) 單片機檢測速度（滴/分） 實際速度（滴/分） 50 50 53 50 60 59 75 77 表2 液滴速度調(diào)整測試 原始值（滴/分） 預置值（滴/分） 調(diào)整后低速（滴/分） 穩(wěn)定時間（秒） 52 110 103 133 87 120 123 140 105 75 75 137 4.2 主機從機功能測試 將電路連接好，上電測試，從機將點滴的速度送入主機，并在主機中顯示從機的速度和機號，此功能正常。 4.3 測試結(jié)果分析 從以上測試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)已基本完成題目中的各項要求并在此基礎上有所發(fā)揮，其中點滴速度的測量比較精確，在全量程內(nèi)其誤差小于2(滴/分)。設置點滴速度功能中，控制精度在全量程范圍內(nèi)誤差在5%以內(nèi)，但是還是有一定的誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成的： 1 由于瓶中的水不斷減少，造成水滴的下落速度不均勻。 2 在動態(tài)控制時，由于瓶處于運動狀態(tài)，其上升、下降運動不可避免的會產(chǎn)生加速度，導致水滴下落時速度不穩(wěn)定。 3 算法本身不可能是完全精確的，必然存在舍入誤差等，這些誤差會影響測量結(jié)果。 五、總結(jié)： 本系統(tǒng)完成了在滴斗處檢測點滴速度，并制作了一個液晶顯示裝置，能動態(tài)顯示點滴速度（滴/分）。通過改變高度控制點滴速度，點滴速度可用鍵盤設定并顯示，設定范圍為50~120(滴/分)，誤差在要求范圍內(nèi)。當高度到達警戒值時能發(fā)出報警信號，并可以手動解除報警狀態(tài)。每個從站都可以和主站通信。主站可以工作在定點和巡回檢測兩種方式下，可以顯示從站傳輸來的從站號和點滴速度，并設定從站的點滴速度。 六 、個人體會 通過此次項目的制作，我們遇到了很多困難，通過查找資料，小組內(nèi)討論，各個困難都得到了很好的解決，增強了我們的團隊協(xié)作能力，同時也學到了很多知識，特別是利用RS-485總線進行單片機遠距離的通信；單片機多個中斷的嵌套，對單片機中斷有了更深一步理解；能夠同時使用多個定時器計時器；對單片機編程中多個函數(shù)之間的協(xié)調(diào)與嵌套有更深一步的理解，提高了單片機編程的能力。 七、參考文獻 [1] 伍亮.紅外線檢測物體單向運動計數(shù)器.設計師筆記,1997（6）17-18. [2] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程.電子工業(yè)出版社.2009.1. [3] 江海波．深入淺出AVR單片機:從ATmega48/88/168開始.中國電力出版 社,2008.06. [4]康華光.電子技術基礎（模擬部分）.高等教育出版社,2006.01. [5]楊路明.C語言程序設計教程.北京郵電大學出版社,2005.12月. 附錄1：整機詳細電路圖 主機電路圖 從機電路圖