基于单片机的输液监控系统设计

中文题目：基于单片机的输液监控系统设计外文题目：DESIGN OF INFUSION MONITORING SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP毕业设计（论文）共 69 页（其中：外文文献及译文23页） 图纸共1张 完成日期 2013年6月 答辩日期 2013年6月 摘要 输液是医院常用的治疗手段，传统输液过程中存在着输液速度不精确、需要人工监护等弊端。本文的目的就是设计一种输液监控系统以解决此问题。本文设计的输液监控系统，实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面体积的检测报警，并且动态显示输液速度。使用者可以通过PC设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制。此外系统还实现了多机通信， 即一个主站控制多个从站和主从机之间的数据传输。当输液结束或输液速度发生异常时，从站使用发光二极管和蜂鸣器进行报警，并将报警信号通过串行口传送至主站，主站通过监控软件和蜂鸣器实现声光报警。在整体方案设计中，在保证设计系统能达到的使用要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、实用性、可靠性，对电路系统进行了优化。 本设计基本完成了预想功能，并指明了以后的研究方向和工作重点。 关键词：单片机；PID；步进电机；CAN总线；PCIAbstract Transfusion commonly used as treatment in hospital，but there were some problems，such as inaccurate，need transfusion of artificial guardianship，etcThe goal is to design a transfusion monitoring system in order to solve those problems The infusion monitoring system design by this paper,actualize the infusion rate of test，the control of reservoir fluid bottle volume detection alarm and dynamic display of transfusion speedUsers can through the PC to control transfusion speed.Besides the system also actualize multi-machine communication，that is，a master station to control multiple machines from a station and the masterslave data transmission betweenWhen the infusion end or infusion speed abnormal，slave lightemitting diodes and buzzer to alarm，and will alarm signals through serial transmission to the master，stood by monitoring software realization and buzzer sound-light alarm In the overall program design,in ensuring the use of design systems to achieve the required accuracy and stability of the premise，taking into account the systems portability，practicality，reliability，electrical systems were optimized Finally,the infusion monitoring system design by this paper，and point out future research directions and priorities Keywords：single chip；PID；Stepper Motor；Can Bus；PC I 目录前言11 概述21.1 本设计研究的现状21.2 本设计研究的意义31.3 本设计主要工作内容42 输液监控系统总体方案52.1 系统需求分析52.2 系统方案论证与比较52.2.1 控制方案比较52.2.2 点滴检测方案62.2.3 剩余液体检测方案62.2.4速度控制方案72.2.5电机选择及控制方案72.2.6主从机通信方案82.3 系统总体框图102.4 小结113 系统从站的硬件设计123.1从站系统框图与核心部分电路图123.2从站系统各单元设计133.2.1点滴信号检测单元133.2.2键盘及显示单元163.2.3电源单元183.2.4声光报警单元193.3通信电路硬件设计及其工作原理193.4小结214 输液监控系统下位机软件设计224.1下位机的软件系统的总体设计224.2下位机系统各软件模块的设计234.2.1主模块234.2.2液滴计数模块234.2.3查询液滴有无及液滴过慢时的报警模块程序设计244.2.4通信程序模块程序设计255 输液系统上位机软件设计285.1欢迎界面设计285.2监控/报警界面设计295.3 PC机通信接口模块设计315.3.1 Mscomm控件属性及处理315.3.2通信协议335.3.3本机的通信模块设计335.3.4 MSComm控件属性及应用345.4小结366结论37致谢38参考文献39附录A外文文献译文40附录B 外文文献原文53附录C 部分子程序 64辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言静脉输液是我国目前临床治疗中最主要的一种输液方式，在实践工作中，医护人员一般是靠经验和观察通过转动输液器上的滑轮对滴速进行手动调节的，这种方法经常会出现一些异常情况:临床经验不是很丰富的医护人员对滴速的把握就不会很准确，容易造成输液速度过快导致患者出现不适或速度过慢而影响治疗效果;若输液时间较长，容易导致医护人员和患者的疏忽，增加医疗事故隐患。需要随时监控输液情况，加大了医护人员的工作任务。因此提高输液系统的智能化和自动化以及降低输液过程中的隐患势在必行1。当前国内外各大医院对输液装置进行了广泛的研究，生产出许多新型输液监控装置，但由于价格过于昂贵，未能较好的普及。本文设计了一种以PC机为上位机，以AT89C52单片机为众下位机的RS485/RS232总线智能输液监控系统。上位机采用Visual C+编程语言，创建了一个可视化的人机界面，通过该界面可以设定目标滴速、设定报警形式等信息。下位机设计了具有RS485总线转换接口、吊瓶体积选择键盘、LCD数据显示、液滴红外检测、步进电机控制、声光报警报警等功能的输液终端监控系统。该智能输液系统的预期目标是可以对多床位的输液情况进行远程监控，能针对不同的病人设定不同的滴速，输液出现异常情况时会产生报警，液体输完时可提醒义务人员及时切换至另一瓶。本智能医疗输液系统可以提高医院的服务水平和服务质量，减少输液过程中出现的医疗事故，增强医院市场竞争力。691 概述1.1 本设计研究的现状静脉输液是临床医学中的一个重要的治疗手段和医学监护的一项重要内容，在各个医院的医疗工作中被广泛应用，据统计住院输液率为7080。静脉输液不仅是一种重要的给药途径，而且还是给患者补充体液、营养的重要方法。在输液过程中，输液速度是一个很重要的参数，一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。同时，在静脉输液过程中，必须有人陪护，以防鼓包等事故发生，尤其对术后几乎需要24小时不间断输液的患者的监护，更是让护理者身心憔悴。当护理者发生困倦时，极易发生事故。通过调查得知，目前几乎所有医院因种种原因仍没有采用输液监控系统，而是采用传统的输液方法，即将液体容器挂在一定高度，利用液体静压原理与大气压的作用使液体下滴，将大量灭菌药液直接滴入静脉内，从而达到治疗目的。用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，医护人员按药剂特性对滴速进行控制。由于这种滴速控制是通过肉眼观察进行估计的，需要根据经验来调节，使得点滴流速不够准确，影响了治疗效果，以至危害病人健康。当液体输完时，如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现回血等情况。为此患者家属需要陪同病人并且不断地观察输液情况这样容易导致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影响治疗质量和患者康复。同时，护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷，有时甚至还会产生医疗纠纷。基于以上情况，设计实现一种智能输液监控系统，对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势。 国外对智能型输液装置的研究较早，如日本、美国和德国等国家上世纪八十年代末就进行了智能型输液装置的研制。早在几年前，发达国家许多住院床位就已经配备了输液泵。输液泵是一种多功能输液控制器，能够较为精确地控制输液速度，并实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警。我国只是在一些大医院才有部分配备，且大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日JMS株式会社的OT.601型输液泵(控制精度为10)和SP-500型注射泵，美国、德 国、以色列等国家也有性能较好的产品。但是价格普遍比较昂贵，在几千元人民币左右，使大部分三级甲等以下医院望尘莫及。国内对输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液装置，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的ZNB系列产品。不过总体来说其功能也只是侧重于精确输液控制，种类较少，性能也需改进，加上不菲的价格，所以也只能是和进口输液泵争一点市场份额，未能在各医院大面积的推广普及。由于规范操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的，因此输液速度的控制和输液完成报警成为了人们更为关心的问题。而且输液完成报警器的研制也成为近年来的一个热门项目，根据前年对国家知识产权局专利信息的查询，已有67种输液完成报警器专利技术，但由于各专利技术或多或少都存在着这样或那样的缺陷，诸如安全性、可靠性、成本及可操作性等问题，致使真正转化为产品的专利并不多。作为一种医疗器械，稳定性、安全性、可靠性是基础，作为一种只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品，使用方便和足够低的价格又是一种基本要求，所以，这种产品即便安全性、可靠性得到了充分保证，但如果没有简便的操作和足够低的价格作支撑，想要顺利推广也是不可能的。 我国是世界上拥有医院最多的国家，具有庞大的消费群体。近几年来，由于政府的支持，医疗器械发展迅速2。医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行业。按照原国家经贸委指定的医疗器械行业“十五”发展规划，到2015年我国医疗器械总产值将达到1000亿元，在世界医疗器械市场上的份额将占到5；到2050年这一份额将达到25，成为世界一流的医疗器械制造强国。 目前国内尚未完全解决输液时的自动监控问题。因此，将嵌入式系统技术应用于输液监控装置的研究势在必行。1.2 本设计研究的意义近年来，随着医疗事业的发展，计算机网络管理是现代化医院的一个重要标志，尤其是在医疗监控领域，提出了多元化、信息化、个性化的医疗设备需求。现代科技的进步和发展，为医学监护技术提供了创新条件和新的发展空间，然而医疗监护技术和设备的发展仍不能满足医院、病人、家庭和人身健康各方面提出的要求。因此，网络化医疗监控设备已具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。 静脉输液是最常规和最重要的医疗手段。但是，现行的医院点滴输液方法中，输液速度难以准确限制，医师和护士只能依据经验来控制莫氏管的轮夹，而不能依据患者的病情精确控制药液的速度和流量，这种输液速度控制的方法显然是不方便的，并且可能对患者造成不必要的伤害。所以如果有液体点滴速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高，增加医院和病人的费用。针对这种情况，本文设计实现了一种由单片机控制的液滴速度监控和液位报警装置。该装置可为临床医师提供可靠的数据，对患者的抢救及治疗提供一些帮助。该系统包括红外光电发送接收装置、AT89C52单片机、步进电机、LCD显示屏等。其中红外发送接收装置用于将液滴滴下一滴的信息转化为电信号传入单片机，经过单片机计算其滴液速度，在下位机的LCD显示屏上显示，通过步进电机达到控速的目的。在实际应用当中，还将该系统分为各床位输液监控装置(从站)及监控中心(主站)两部分，以便对多床位进行远程监控。监控中心PC显示各床位的输液情况。当输液结束或出现异常情况时，各床位(从站)的监控仪进行声光报警，并向主站发送报警信号，等待护士前来处理。整个装置简单实用，可应用于门诊输液系统中。因为它有许多的优点，如：操作简单、安装方便、成本低、可以用按键准确控制速度和抗干扰能力强等。所以这种液体点滴速度监控的设计实现是十分有意义的。 1.3 本设计主要工作内容本文设计与实现一套基于AT89C52单片机的智能输液监控系统。该系统综合运用嵌入式系统技术、单片机控制技术、光电检测技术、通信技术、步进电机控制等技术，其主要功能有：(1)设定点滴速度；(2)自动控制液体速度，并实时显示：(3)当输液结束时或出现输液异常时自动报警；(4)分布式主从站设计，通过CAN总线实现输液远程监控。系统的主要特点：(1)采用步进电机，定位精确；(2)硬件采用脉冲调制技术提高红外对管的抗干扰能力；(3)软件利用数字滤波技术提高系统程序的稳定性；(4)合理的人机交互设计，操作简单，显示直观；(5)多路报警信号。 2 输液监控系统总体方案2.1 系统需求分析系统需求分析是在系统设计之前进行收集系统有效信息的阶段，这一阶段的任务通常分两步来完成：首先，从项目来源收集系统的需求信息；其次，对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，这些规格说明里包含了系统设计所需的足够信息。为了使系统正常运行，就必须合理设计系统的整体结构，在系统总体设计时，首先要说明输液监控系统软、硬件功能分配，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成，其次要说明各部分的工作原理，以及工作中各部分之间的关系等问题。 通过调研和讨论，分布式输液监控系统应当适合以下条件：多台监控仪由PC进行统一管理；PC和输液监控仪在同一楼层使用，综合考虑布线等因素，可靠距离应当在百米以上；输液监控仪对输液速度进行监视，如果不在设定范围内就在监控仪和PC上同时进行报警；系统管理软件应该能够对各输液监控仪进行监控；系统应该操作简单，易于使用；系统成本应该控制在合理的价格之内。按照需求分析，系统可分为软件和硬件两大部分，硬件主要有PC、总线适配器和输液监控仪，软件主要为输液监控管理系统。从系统结构的角度来说， 本系统主要由总线适配器、输液监控仪和监控软件管理系统三个子系统构成。 其中本文着重讨论输液监控仪的软硬件设计、PC和输液监控仪之间的通信协议和PC输液监控管理软件系统。总线适配器方面的设计包括：总线类型的论证比较、总线电路设计、通信协议设计等。输液监控管理软件系统的组成模块主要包括：欢迎界面模块、输液监控模块和数据信息管理模块等。 2.2 系统方案论证与比较2.2.1 控制方案比较方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的动态显示滴速及远程通信的功能。 方案二：此方案采用AT89C52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能，并且可以实现主站与从站之间的通信。本人通过大学期间学习对单片机有了一定了解，且单片机价格便宜，功能较多。 综上考虑，采用方案二。2.2.2 点滴检测方案方案一:用压力传感器进行测量的方法。在输液瓶的下面加一个压力传感器，通过感知压力的大小来判断是否有液滴滴下，从而进行滴速测量，但单独液滴质量较小，且在输液中易发生晃动影响测量。方案二:用可见光二极管与光敏三极管组成的传感器来测量，由于外界光线对光敏三极管影响较大，一旦外界光线改变，对滴速测量的准确度会有所影响。如果采用大功率发光管可见小影响，但是这样功率损耗会很大。方案三:采用红外检测技术，在莫氏滴管处对输液速度进行测量。红外发光二极管发光后，光线透过滴斗照射到红外光敏接收二极管，接收二极管将照射到它上面的光线变成电流信号进行输出。如果此时滴斗中没有液滴滴下，光线的衰减就比较小，照射到光电三极管上的电流就比较强;如果此时滴斗中有药液落下时，由于药液挡了一下光线，药液对光线具有吸收和散射的作用，这样就使光敏二极管接收到比较弱的光信号。将光敏二极管输出的电流信号转换为电压信号，通过检测输出端电压信号的强弱就可以检测出有无药液滴下。把检测到的信号经过整形后送入单片机进行处理，就可以计算出输液的点滴速度3。综合考虑上述各种方案，方案三成本低、电路易实现且不受外界光源干扰，故采用方案三。 2.2.3 剩余液体检测方案方案一:采用红外对管实现，跟点滴检测模块一样。让红外发射和光电接收管分别放在滴管两侧，根据接收信号强弱不同，当液面处于警戒线以上时液体对光线有反射和吸收作用，接收的信号较弱;当液面处于警戒线以下时，接收的信号就较强，此时单片机就发出报警信号。方案二:通过设定输液总量和点滴计数来实现。现在使用的一次性输液器的滴系数一般为20滴/ml、15滴/m1、10滴/m1、。点滴系数是指静脉输液时每毫升液体的滴数。目前输液瓶的容量有500ml、250ml、100ml三种，通过按键选择输液瓶的容量和输液器的型号。根据输液瓶的容量、点滴系数、点滴计数值我们就可以计算出剩余液量。比如输液瓶容量为25Oml，滴系数为15滴/ml，点滴计数值为n，这样通过一个简单的数学公式就可算出余液的多少。设定余量20ml为输液快完，此时可以通知单片机输出报警信号。本系统我们采用第二种方式来实现。这样可以简化硬件电路的设计，减少IO口的使用，降低成本。液滴检测后的信号送单片机经处理后通过RS485/RS232总线上传上位机。 2.2.4速度控制方案方案一:通过改变滴管的高度来控制输液滴速。由电机带动输液瓶使输液瓶上升或者下降，以改变滴管的高度从而调节滴速。当实际滴速大于设定滴速时电机正转降低输液瓶的高度，反之反转升高输液瓶的高度。经验证此方案实现起来比较困难，一方面是由于高度与滴速之间属于非线性关系，难以精确调节滴速;另一方面，经试验得出输液瓶在一米高的时候，滴速大致为100滴/min，而一般输液速度不会大于100滴/min，高度只能在一米以下调节，而病床的高度一般都高于一米，输液瓶的高度低于床位才能实现所要求的滴速;并且在输液中，液面也在不断下降，这相当于降低了输液瓶高度，这样不太合理，由此得出这种方案不可取。方案二:通过设计机械装置来夹紧或放松莫氏管来控制输液滴速。利用步进电机的正反转来控制机械装置，使机械装置来夹紧或放松莫氏管，以达到降低或提高滴速的目的。本系统我们采用第二种方案。保留原来输液管上的手动滑轮，以便病人家属可以使用。2.2.5电机选择及控制方案方案一:采用直流电机。直流电机上电后就开始转动，掉电后由于惯性还会转动一定的角度才能停下来，难以实现精确控制,极易造成不必要伤害。方案二:采用步进电机。步进电机的转动角位移与输入脉冲成线性关系，具有良好的跟随性，没有累计误差。易于启停、正反转及变速，动态响应快。控制精度较高。方案三:采用伺服电机。伺服电机在低惯量、高启动转矩、大转矩的系统中经常使用。考虑到上述各种电机的性能和特点，使用步进电机可以较好满足本系统的功能要对以上两种方案进行比较之后，我们决定选择第二种方案，来实现对系统的精确控制。2.2.6主从机通信方案方案一：采用无线方式。 常用的无线方式有红外、蓝牙、Zigbee、无线收发模块等。红外方式的传输距离非常有限，而且易受障碍物的干扰，因此不能应用在本系统当中。蓝牙技术比较复杂，功耗也比较大。无线收发模块RF905、NRF2401a价格虽然能够接受，但是这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试，在空旷场地上200m范围内没有问题，但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构，对电磁波衰减作用非常严重。虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm，但是这样增加了成本，同时擅自增大RF辐射功率不仅会对人身健康产生不利影响，而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用。基于以上原因，否决了无线传输模式，因此只能选择有线传输模式。 方案二：采用有线方式。 常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。并行通信一般在实际当中用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机I/D口较多，需要的传输线也很多，不适合远距离通信，因此弃用而采用串行通信方式。 串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高(可达800kb/s)的场合。因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，成本高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。 异步串行通信有多种总线形式可供选择，如RS232、RS485、CAN总线等。结合AT89C52本身，其内部有一个全双工串行口，共有4种工作方式。方式0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展I/0口的功能；方式1为8位异步通信接口，用于双机通信，在距离小于15m时可直接相接利用单片机本身的m电平直接传输信息，为增加通信距离，减少通信及电源干扰，一般采用RS232C标准进行通信；方式2、方式3均为9位异步通信接口，其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信，也可用于双机通信。在多机系统中，通常采用RS422、RS485串行标准总线进行数据传输。RS485在以1Mbit/s高速率传输时最大传输距离不超过lOOm，而以最低速率传输时传输距离理论上也只有1219m左右(无中继)，即便加上中继最多也只能增加八个，最大传输距离在理论上也只有96km左右，在实际应用当中显然是达不到这个数值的，如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5lOkm，这使系统复杂程度及成本都大大提高，还为系统的后期维护增大了难度。而且RS485还有一些与生俱来的缺点，如数据传输率低、抗干扰能力较弱、网络调试困难、通信失败率高等。 同时RS485使用的是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机，通讯都由它发起的，它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才向下一个节点询问，这样是为了防止多个节点向总线发送数据而造成数据错乱，但导致其总线利用率也是很低的。最为重要的是RS一485的网络特性为单组节点，即只能构成主从式结构系统，一个主站对从站的点对多点网络，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，在这种网络中如果一个节点出现问题，就会导致系统瘫痪，系统的实时性、可靠性较差。也就是说，在错误检测机制方面，RS485只规定了物理层，而没有数据链路层，所以它对错误是无法识别的，除非一些短路等物理错误。这样容易造成一个节点破坏了，拼命向总线发数据(比如一直发1)，这样造成整个总线瘫痪。所以RS485一旦有一个节点损坏，整个总线网络都会瘫痪。作为一个医疗系统，可靠性显然是其第一要务，故而不使用RS485串口通信的方案。2C串行总线方式只要两条线即可实现多机通信，但一般单片机都没有其接口，用软件模拟的话非常复杂，增加了开发周期。，2C数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。但是其总线长度一般不高于25英尺，折合标准长度单位仅为762m，远远不能满足本项目的要求，故而弃用。CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线在以5Kbit/s进行数据传输时，其传输距离在理论上距离可达lOkm，而在实际应用当中有效距离也达到45km，应该能够满足现实生活中医院的需求。在总线利用率方面，由于CANbus是多主从结构，每个节点都有CAN控制器，多个节点发送时，以发送的ID号自动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱，而且一个节点发完，另一个节点可以探测到总线空闲，而马上发送，这样省去了主机的询问，提高了总线利用率，增强了快速性。在网络特性方面，CAN为多组节点，CAN控制器可以点对点、一点对多点(成组)及全局广播中方式传送和接受数据，各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。在通信失败率方面，CAN总线通过CAN总线控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端得状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。当两个节点同时向网络传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输，有效避免了总线冲突。在节点错误对系统的影响方面，由于CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而对节点错误CAN总线型系统基本无影响。在抗干扰方面，CAN的每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用，这点对医疗系统的可靠性起到非常重要的作用。此外CAN总线还有数据传输率高、网络调试容易、后期维护成本低等宝贵特点。 基于上述原因，最终选定上位机与下位机之间采取基于CAN总线的有线异步串行传输通信方式。 2.3 系统总体框图根据前面的系统分析，本文研究的基于AT89C52的输液监控系统主要有三大部分组成，它们分别是由PC机构成的主站、由AT89C52单片机为核心的各个从站以及主从站之间的数据通信线路。根据前面的方案论证，从站电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和A/D转换单元、液滴显示单元、声光报警单元、数据通信单元和单片机外围电路等。其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A/D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整，同时通过CAN总线将信息传送至PC上位机。而在PC上位机中可以通过设计的监控软件对各从站的输液情况进行实时监控。为简化起见电源扩展未画，整体系统框图如图2-1所示。 图2-1 整体系统框图Fig .2-1 Diagram of the system2.4 小结本章简单的分析了输液监控系统的系统需求，并根据系统需求提出了系统构成，再对各子模块进行方案论证后，建立了总体系统框图。 3 系统从站的硬件设计3.1从站系统框图与核心部分电路图 根据从站系统所要实现的功能，为从站系统设计出以下系统框图CANH RXDCANL TXD 驱动电路步进电机AT89C52声光报警 键盘及显示电路EEPROM 检测电路图3-1从站系统结构框图Fig.3-1 From the station system structure diagram从站用AT89C52作为微处理器，蜂鸣器和发光二极管实现声光报警，ULN2001A用于驱动步进电机，电机采用四相八拍进行控制。 AT89C52单片机是Ateml公司出品的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Ateml公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C5l产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8字节Flash，256字节RAM，32位，I/0口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。因为其价格便宜，内置软件看门狗可免除外接看门狗芯片降低成本，又与工业80C51产品指令和引脚完全兼容便于掌握，片上Flash允许程序存储器在系统可编程使用灵活方便，故而选择AT89C52作为下位机的微处理器45。 图3-2 从站系统电路图Fig.3-2 From the station system circuit diagram3.2从站系统各单元设计由于从站系统子模块较多，因此在上图并没有给出十分详细的各单元模块电路，下面将对各单元模块电路分别进行介绍6。 3.2.1点滴信号检测单元滴速检测电路是本系统设计中重要的部分之一，能否准确的对滴速测量是对滴速进行控制的关键。图3-3 滴速检测原理图Fig.3-3 Drip speed detection principle diagram滴速检测采用红外检测技术，在滴管处对输液速度进行测量。红外发射器发出红外光后，光线穿透滴斗后照射到接收二极管，接收二极管将照射到它上的光线转换成电流信号进行输出。如果此时滴斗中没有液滴滴下，光线衰减就比较小，照射到光电二极管电流比较强；如果此时滴斗有液体滴下，由于液滴挡了一下光线，药液对光线具有吸收和散射作用，这样光电二极管接收到比较弱的光信号。将光敏二极管输出的电流信号转换成电压信号，把检测的信号进行整形后送入单片机处理，就可以计算出液滴的速度7。如图3-4所示。 图3-4 点滴检测及信号整形电路 Fig.3-4 Spot detection and signal shaping circuit在检测过程中，将滴管放在检测光线的中间，由于外部光线的影响以及液滴的表面是曲面状的，使其测量产生的波形不稳定，干扰较大。为了提高系统的稳定性和精确度，需要使用单稳态触发器对输出波形进行整形。单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。经过触发信号的作用电路由稳态变到暂稳态，暂稳态是一个暂时的状态，由于RC电路延时的作用，经过一段时间后又自动恢复到稳定状态，并且在输出端可以获得一个脉冲宽度一致的矩形波。单稳态触发电路中，输出的矩形脉冲宽度其实就是暂稳态的时间，它的长短取决于电路的参数值。这里我们采用555定时器组成单稳态触发器。由于正常输液速度为40-100滴/分，以最快速度计算，每分100滴，则每一滴液滴通过的最短时间大约为0.6秒，取R6=100K，C=luF可由公式（3.1）得暂稳态时间为:tw=RCln3=1.110-4秒 (3.1)twTmin可以有效避免两个液滴间的干扰。555单稳电路可以很好的整形。波形示意图如3-5所示。液滴检测电路得到的波形为A图，由于555单稳态触发器是下降沿触发，所以经过反相器后输出B波形图，信号B的下降沿触发单稳电路使其进入暂稳态(DIS波形图)，同时使输出P3.2变为高电平;暂稳时间到了后，使输出P3.2又变为低电平。如此重复作用就形成了稳定的输出波形。P3.2 图3-5信号检测波形Fig.3-5 Waveform signal detection3.2.2键盘及显示单元键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低后者寿命长。因此，微机系统中最常见的是触点式开关按键元件，本设计也不例外。按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。本设计使用的是机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。(1)检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。(2)有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。(3)准确输出按键值(或键号)，以满足跳转指令要求8。 本设计对按键进行功能定义：S1：按下一次，表示对吊瓶液体体积进行选择,选择完毕后再次按下S1确认；连续按下两次表示对输液管型号即输液系数进行选择，选择完毕再次按下S1表示确认。S2：选择500ml；选择20滴/mlS3: 选择250ml；选择15滴/mlS4：选择100ml；选择10滴/ml图3-6键盘电路Fig.3-6 The keyboard circuit显示单元采用LCD，LCD有以下显著特点：（1）低压微功耗：工作电压只有35V，工作电流只有几个微安。因此它成为便携式和手持仪器仪表的显示屏幕。（2）平板型结构：LCD内由两片平行玻璃组成的夹层盒，面积可大可小，且适合于大批量生产，安装时占用体积小，减小了设备的体积。（3）被动显示：液晶本身不发光，而是靠调制外界光进行显示。因此适合人的视觉习惯，不会使人的眼睛疲劳。（4）显示信息量大：LCD的像素可以做得很小，相同面积上可容纳更多信息。（5）没有电磁辐射：在其现实期间不会产生电磁辐射，对环境无污染，有利于人体健康。寿命长：LCD器件本身无老化问题，寿命极长。图3-7 LCD显示模块Fig.3-7 LCD display module3.2.3电源单元任何电气设备的使用均离不开供电系统，在整个单片机系统设计中，电源的设计是必须要考虑的。电源的设计取决于系统所要求的供电方式，如是采用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。在本设计中由于系统所选用的单片机是AT89C52，它的标准工作电压为+5V，采集所用的红外发光二极管和接受三极管以及通讯所用的CAN总线适配器等电路它们的工作电压都是+5V，因此在本设计中采用单电源方案，单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。此外由于设计到对步进电机的控制，步进电机及驱动电路由UN2001N驱动，需要+5V电压。因此我们的目标是设计出一个能够提供+5V的电源，其电路如图3-8所示。 图3-8 电源电路Fig.3-8 power supply circuit3.2.4声光报警单元 本设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当单片机通过对液滴计数计算出剩余液体体积达到预设值或传感器检测不到有液滴下落时，从站单片机控制蜂鸣器和报警灯工作，在发出声光报警的同时向PC主站发出报警信息，在PC机上的主操作页面上，用红色代表报警。 为了不影响别的病人发出报警声后可断开S5键取消蜂鸣器使系统更加人性化。 图3-9报警电路Fig.3-9 warning circuit3.3通信电路硬件设计及其工作原理目前，在许多单片机应用系统中，上、下位机分工明确，作为下位机核心的器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows系统作为操作平台。现阶段，这种应用的核心便是数据通信，它包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间以及客户端和客户端之间的通信，而单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础。单片机和PC通信是通过单片机的串口和PC机串口之间的硬件连接实现的9。RS485半双工异步通信总线是一种被广泛使用的数据通信总线。它具有通信距离远、通信速率、成本低等特点。它可以采用点对点形或星形拓扑结构，可以很容易实现串行口通信。点对点形拓扑结构是一台单片机对于一台PC，根据单片机接口的通信协议，在PC上编写通信软件即可实现通信。星形拓扑结构是一台PC对应多台单片机。在本设计中业就是利用了上面的通信电路在单片机和PC机之间进行数据传输的。在本系统中主要是用于对一远程输液系统的实时监测，这就需要一个通信电路把远程的监控对象数据实时的采集传送给上位监控系统(PC机)。在设计中通过RS-485把下位机的检测系统与上位机(PC机)连接起来，实现正确的数据交换，可以从根本上提高检测系统的执行效率。而下位机和PC机的连接，直接体现在DNC(Direct Numerical Control or Distributed Numerical Control)用一个上位机(PC机)对多台下位机进行控制，完成单片机的数据传输的通信技术。在本设计中将RS-485串口通信与现场总线的优势结合起来。利用RS232口与现场总线的数据转换构成网络检测系统，可实现一台系统主机控制多台检测系统。 图3-10输液监控CAN总线通信系统Fig.3-10Transfusion monitoring CAN bus communication system上位机(PC机)的RS232串行口通过RS232/RS485转换器转换为RS485总线，各下位机通过MAX485芯片连接到总线上。各个下位机设有自己唯一的地址，且下位机之间不能通讯，一切通讯受上位机(PC机)控制开始时，下位机都处于监听状态，等待上位机发出指令。当上位机发出指令时，所有下位机都接收并且将其中的地址帧与自己的地址比较，如果相同则继续解释后面的指令或数据，若不同则不予理睬。在本设计中的通信电路的硬件电路设计主要就是通信节点电路的设计，通信结点电路由RS485/232接口电路、单片机和电源电路组成。RS485/RS232接口电路的主要作用是实现RS485电平和RS232电路之间的转换，其电路图如图3-11所示 图3-11 RS485/RS232转换电路Fig.3-11 The RS485/RS232 conversion circuit3.4小结本章主要是介绍基于AT89C52输液远程监控系统的硬件设计。首先介绍了系统硬件的总体框图。然后具体介绍了每个单元的硬件设计原理和依据。4 输液监控系统下位机软件设计4.1下位机的软件系统的总体设计输液远程监控系统下位机的核心是单片机，而软件是单片机控制系统的关键，一个单片机控制系统的功能实现和可靠性在很大程度上决定于软件。本系统的下位机系统软件设计的重点在于:INTO中断处理程序，主要是用于对红外光电传感器转过来的液滴信号进行计数;4S定时判断和现场报警程序，主要是用于对是否有液滴滴下和液滴过慢时的报警;基于RS485的通信接口程序，关键是软件握手信号的处理10。 图4-1从站软件流程图Fig.4-1 The software flow chart4.2下位机系统各软件模块的设计整个下位机监控系统程序由三个子程序模块和一个主控程序模块构成。主模块核心，管理其他3个子模块，这4个模块均为实模块。4.2.1主模块主模块是核心，它主要是管理各子模块，以及对数据缓冲区以及串口部分的初始化。本设计的初始化部分包括以下功能;串口初始化，串口使用工作方式1，波特率通过定时器T1溢出率设为1200bit/s，容许接收，系统使用的晶振频率为11.0592MHz，必将定时器1的初值设为248(OE8)。串行口数据的发送和接收都是通过中断方式完成的，因此还需要设置串行口的中断方式。(没有完)。外部中断0设置。系统中，当有液滴滴下时，会产生一个数字脉冲，就会在单片机系统中产生一个外部中断O，系统在该中断计数时，需要开启外部中断O，并将其模式设置为电平触发模式，以及用于计数的R4寄存器的请O。定时中断O设置。这就要把定时/计数器O设置在定时的功能。4.2.2液滴计数模块在这个模块中主要利用单片机的边缘检测功能对前面由光电传感器采集经A/D转换器转换过来的数字信号进行负边缘检测，当有液滴滴下时，光电传感器都会检测到液滴信号，再形成一个不规则的低电平脉冲，这个脉冲信号通过A/D转换成数字信号输入到单片机的工INTO中，利用单片机的边缘检测功能对液滴信号进行边缘检测计数，当没有液滴时就为高电平不能形成检测信号，因此，也就不能形成计数中断。这样，只要对由工INTO传来的中断个数计数就相当于对液滴的滴数计数。在这个模块中它只是涉及到一个寄存器R4(它主要是用于计数)和一个外部中断O所以程序比较简单。当有一个外部中断时就对R4进行加1，这样就实现了对液滴的计数，虽然R4的最大值只有255，但是在通信程序中我们设计了每隔4S进行一个循环，在现实输液的过程中在4S的时间间隔内液滴的滴数是不可能达到255滴，所以用一个8位的寄存器对液滴计数完全是可行的。同样每和上位机通信一次我们就把寄存器R4清O，因此就不用担心R4会溢出的问题。外部中断INTO入口保护现场R4+1；F0=0；恢复现场图4-2 液滴计数模块流程图Fig.4-2 Drip count module flow chart4.2.3查询液滴有无及液滴过慢时的报警模块程序设计查询液滴有无及液滴过慢时的报警模块程序设计主要是通过4S定时中断来实现的。在前面我们知道当有液滴时，是通过程序对由INTO所传过来的信号边缘进行检测计数的，在程序中我们是利用对R4加1来实现对液滴计数。因此，只要在4S内有液滴滴下R4中的值就一定会改变，在正常的输液情况下在4S的时间内R4的值是一定会改变的。因此，就通过判断4S内R4的值是否变化，来判断在这4S的时间间隔中是否有液滴滴下，当R4的值有变化时就说明4S内有液滴滴下;当判断出R4的值没有任何变化就说明4S内没有液滴滴下，给报警标志位置1，并把单片机的P1.4脚置1，使它们驱动发光二极管和蜂鸣器进行声光报警。其程序流程在本设计中出出现以下情况下时进行报警:当输液成功完成时，这时最后一滴液体以后没有液滴滴下时这时相当于两滴液体的间隔为无穷大，即远远大于4S的定时，这时R4的值就不会变化，也就报警;输液因意外情况而发生中断，这时中断前的一滴液滴后也没有液滴滴下它就和第一种情况的当输液成功完成时相同，这时R4的值也就不会变化，报警。输液过慢，即两液滴之间的时间间隔超过四秒钟，这时R4的值也就不会变化，也报警。当出现以上几种情况时单片机的PI.3端输出高电平，蜂鸣器进入工作状态开始鸣叫，提醒病人液滴己输完或有意外发生。其他情况下，也就是两液滴滴下的时间间隔小于4秒时为正常工作，单片机的Pl.3端输出为低电平，在蜂鸣器的两端均为低电平，没有电势差，蜂鸣器截止。4S定时中断来否？ 中断入口 N 重置初值 Y R4值是否变化？ N设置声光报警 Y 图4-3报警模块流程图Fig.4-3 The alarm module flow chart4.2.4通信程序模块程序设计要实现输液的远程监控，上下位机之间必须有通信模块。在下位机的模块程序中通信程序的设计是程序设计中的重点。在设计通信程序时，必须设置串行通信口的通信参数和通信协议的约定11。对于通信模块的程序设计，大致分为分为两大部分。第一部分是串行通信口的参数设置。对于主从机之间的通信我们采用串行通信來实现，因为串行通信的硬件实现上比较简单。串行通信是指通信的发送方和接收方之间的数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制的0、1为最小单位进行传输。串行通信的传输速度要比并行通信慢的多，但是串行通信可以简化通信线路。串行通信有同步通信和异步通信两种方式。为实现串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循某种约定的规程。异步通信协议特点是通信双方以一帧作为数据传输单位。每一帧从起始位开始、后跟 数据位（位长度可选）、奇偶位（奇偶检验可选），停止位。一帧的传输经过大致有以下几个步骤：无传输通信线路上处于逻辑“1”状态，或称传号，表明线路无数据传输。 （1）起始传输发送方在任何时刻将通信线路上的逻辑T状态拉至逻辑“0”状态，发出一个空号，表明发送方要开始传输数据。接收方在接收到空号后，开始与发送方同步，并希望收到随后的数据。 （2）数据传输起始位跟着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码。数据位传输规定最低位在前，最高位在后。数据位的确定是根据实际需求以获得最佳传输速度。（3）奇偶传输数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收。奇偶位的逻辑状态取决于奇偶校验的类型。必须保证在同一次传输过程中，每帧选择的奇偶校验类型是一致（4）停止传输奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑状态恒为1,位时间可在1、1.5或2位选择，且必须保证在每帧传输其间均为相同。发送方在发送完1帧后，可连续发送下1帧，也可随机发送下1帧。在这两种情况当接收方收到传号后，双方取得同步。通信双方除遵循相同的数 据传输帧格式外，为确保传输数据的正确性，双方还要