基于单片机的输液监护器设计毕业设计(论文)

基于单片机的输液监护器的设计毕业设计毕业设计基于单片机的输液监护器的设计摘 要针对目前我国大部分医院在对病人进行静脉输液治疗是医护人员监护任务繁重的问题，设计了一套面向所有大中小医院和诊所的医院输液监控系统。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 基于单片机的输液监护器的设计SCM TRANSFUSION MONITORABSTRACT Aiming at the heavy problem of nurses in most of our hospitals when carry on transfusion to the patients currently and then designed a set of system which is called fluid infusion supervision system .It is faced to all the hospitals and clinic. This system take the PC as its master machine. The PC is the controler of the whole system. Take the single chip AT89C51 as a core of the next machine which will test and display the level of the liquid bottle. It can examine and control the speed of lose a liquid accurately. PC communicate with single chip by the total line of RS485.It can make the nurses know the status of loses liquid while patients take the personnel solid. Discussed the constituting of examination principle, total structure and main function parts design and the constitution of software and hardware system. The system is low achievement consumes, low cost and stable function and easy to take, the function is strong.KEYWORDS Supervision of transfusion;AT89C51; signal communication目 录 基于单片机的输液监护器的设计1 输液监护器的总体设计 11.1 系统的构成 11.2 系统框图及工作原理 12 输液监护器的设计方案及论证 32.1 电动机系统方案的选择 32.2 数据采集方案的选择 32.3 键盘方案的选择 42.4 点滴速度计算方案选择 42.5 传输方式的选择 43 输液监护器的硬件设计 53.1 单片机的选用 63.1.1 现有主流单片机的概述 63.1.2 单片机的选用 63.1.3 单片机 I/O 口管脚分配 103.2 执行机构 103.2.1 步进电动机概述 103.2.2 步进电机控制原理 113.3 数据采集模块及工作原理 123.3.1 红外发光二极管和光敏三极管 143.3.2 红外发光二极管主要参数 143.3.3 光敏三极管的主要参数 143.4 电源模块 153.5 声报警模块 15 基于单片机的输液监护器的设计3.6 复位电路 163.7 显示模块 163.7.1 LED 显示器的结构 163.7.2 LED 显示器的显示方法 183.7.3 7 段译码器 CD4511 183.7.4 显示模块电路设计 203.8 键控模块 213.9 通信模块 223.9.1 nRF905nRF905 芯片结构、引脚介绍及工作模式 223.9.2通信协议 274 输液监护器的软件设计 284.1检测程序 284.2 电机控制子程序 314.3 显示子程序 334.4 键盘程序 345 试验及结果分析 385.1 试验过程 385.2 测试结果分析 396 输液监护器的抗干扰措施 406.1 单片机抗干扰的概述 406.2 输液监护器的抗干扰措施 407 结论 418致谢 42 基于单片机的输液监护器的设计9参考文献 43附录 44 基于单片机的输液监护器的设计11 输液监护器的总体设计1.1 系统的构成该监控系统由主从站两大部分组成，其框图如图 1.1：图 1.1 主从站结构框图1）主站（监控中心）由 PC 机作为上位机，采用巡回查询的方式与从站进行通信，收集从站的实时信息，并进行显示及报警。2）从站以 AT89C51 单片机为中心，完成对某一具体输液远程控制过程的监控。1.2 系统框图及工作原理系统总体结构框图如图 1.2 所示 晶振电路复位电路键盘输入AT89C51显示装置报警装置控制电机电源电路nRF905nRF905AT89C51MAX232监控电脑图 1.2 系统的结构框图输液监控系统以 AT89C51 单片机为中心，单片机需要电源电路，复位电路，振荡电 基于单片机的输液监护器的设计2路来保证其正常工作。默认速度设定值为 60 滴/min，可以通过键盘来修改设定值。采集装置通过光电开关传感器对速度进行检测，并以电信号的形式传给单片机，经运算，分析，处理后单片机将数据传送给 LED 显示模块，实现输液速度的显示。通过对设定值和实际值的比较来控制电动机的正，反转，从而带动输液器上的控制齿轮上升下降，达到控制输液速度的目的。另外，当采集装置通过光电开关传感器检测到速度值过高或过低时，直接启动声报警装置。若声报警持续一分钟后无人复位，则由单片机发出信号控制电动机，使输液器上的小齿轮处于无液滴滴出状态，这样可以大大提高输液的安全性。 基于单片机的输液监护器的设计32 输液监护器的设计方案及论证2.1 电动机系统方案的选择 方案一 采用单片机和 A/D 转换构成系统，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，达到改变点滴高度的要求，缺点是控制信号为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，并且步距角为，满足不了控制误差范围为设定值滴的要求。901%10方案二 用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不在需要数/模转换；具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低到，延时短，定位准5 . 7确，精度高，可操作性强。综合考虑题目要求，一方面调节的步长尽可能的小，定位要好；另一方面如果停止信号到来，滑轮能够快速停止。 通过对比，利用步进电机可以自如控制输液器上的手动滑轮，完全满足题目的要求，因此采用方案二。2.2 数据采集方案的选择数据采集一般可以采用以下几种方案：方案一使用发光二极管和光敏三极管组合。方案二使用红外发光二极管和接受管组合。方案三利用激光。通过对比，在这次设计中由于是近距离探测，故采用方案二来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，能有效的抗可见光波段的伪装，对辅助装置要求最少，对人眼无伤害。当然红外光也有一定的缺点，如大气、潮湿的天气、雾和云对它有衰减作用，所以只适用于室内通信。在现代生活中，人们为了更方便的使用红外光这种有效的媒质，利用红外光做出了很多器件，发射式光电检测器就是其中的一种器件，它具体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。 基于单片机的输液监护器的设计42.3 键盘方案的选择方案一 采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的 I/O 口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。方案二 采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 I/O 接口线,每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O 口数目较多，优点为电路设计简单，且编程极其容易。综合考虑两种方案及题目要求，方案二需要 3 个 I/O 口，由于系统资源足够用，故采用方案二。2.4 点滴速度计算方案选择在一定时间内点滴的滴数（即点滴的速度）是单片机通过红外传感器测得的脉冲信号计数获得的，但怎样计算点滴速度以满足在 3 分钟内实现电机对点滴速度的控制是必须考虑的问题方案一 根据一定时间 T（如 30 秒）内滴下的点滴的滴数 n 计算点滴的速，计算公式为：（滴/分） 。根据此方案，若选取的计数时间 T 较短，以 10 秒为例，如检Tnv60测系统误差为 1 滴，则算得的速度误差为 6 滴，此时假设点滴的实际速度为 30 滴/分，而计算速度为 36 滴/分，误差为 30%，大于题目要求的误差范围 10%1 滴。若选取的时间计数 T 较长，则系统达到稳定的时间太长。方案二 根据一定滴数 N 滴下所经过的时间 t 计算点滴的速度，计算公式为（滴/分） 。此方案的误差与系统计算的时间精度有关，通过调整计算的时间精度tNv60可以改进计算误差，达到题目所要求的误差范围。通过比较论证，作者选用方案二。2.5 传输方式的选择方案一：采用 USB 接口，USB 接口属于有线传输方式，数据传输的可靠性高，但不便于扩展。方案二：采用无线通信方式。无线通信便于扩展，使用更便利，适用于大容量的情况。通过比较，考虑到医用输液器的情况，选用了 nRF905 多段单片高速无线收发芯片。 基于单片机的输液监护器的设计53 输液监护器的硬件设计系统总电路图如图 3.1VCC复位加键减键报警 302923222425262728403933323435363738311289765431011121819171615141320P1.0P1.1P1.7RSTP1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P3.0P3.1P3.7XTAL2P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2XTAL1GNDTXDRXDINT0INT1WRT1T0RDP2.7P2.6P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P0.0P0.1P0.7EA/VPPP0.6P0.5P0.4P0.3P0.2ALE/PROGPSENVCCAT89C5121SPEAKER+5VNPN数据采集装置驱动电路步进电动机nRF90512MHZ30pF30pF显显示示模模块块驱驱动动电电路路图 3.1 系统的电路图输液监护器以AT89C51单片机为核心，由显示电路、传感器检测电路、限速报警电路，键盘电路等部分组成。传感器检测电路发出微弱的电信号，经过信号调理电路的放大整形处理，转变成单片机能够接收的电信号，通过单片机的定时计数控制，经过数据的计算处理送液晶显示模块显示，实时显示当前速度。通过按键选择功能设定液体点滴速度的极限速度，当液体点滴速度超过所设定的极限速度时限速报警电路发出报警信号，提示医护人员目前的输液状况异常。 基于单片机的输液监护器的设计63.1 单片机的选用3.1.1 现有主流单片机的概述MCS51 系列单片机是 INTEL 公司在 20 世纪 80 年代初研制的，很快就在全世界得到广泛的推广应用。MCS51 无论是在教学，工业控制，仪器仪表，信息通信，还是在交通，航运，家用电器领域，都取得大量的应用成果。INTEL 公司虽然已经把精力集中在计算机的 CPU 生产上，但是，以 MCS51 技术核心为主导的微控制器技术以被 ATMEL，PHILIPS等公司继承，并在原有的基础上又进行了新的开发，从而产生了和 MCS51 兼容而功能更加强劲的控制器系列。ATMEL 公司所生产的 89 系列单片机就是基于 INTEL 公司的MCS51 系列而研制的并与 MCS51 兼容的微控制器系列。ATMEL 公司是美国在 20 世纪 80 年代中期成立并发展起来的半导体公司，该公司的技术优势在于 FLASH 存储器技术和高质量高可靠性的生产技术。随着业务的发展。20 世纪90 年代，ATMEL 成为全球最大的 EEPROM 供应商，1994 年为了介入单片机市场，ATMEL 公司以 EEPROM 技术与 INTEL 的 80C31 单片机核心技术进行交换，从而取得 80C31 核的使用权。ATMEL 把自身先进的 FLASH 存储技术和 80C31 核相结合，从而生产出了 FLASH 单片机AT89C51 系列。这是一种内部含有 FLASH 存储器的特殊单片机。由于它内部含有大量的FLASH 存储器，所以，在产品开发及生产便携式产品，手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的 MCS51 系列单片机的主流单片机之一。3.1.2 单片机的选用单片机作为系统的主控制单元，它控制所有的输入输出。监控系统是一个单片机最小应用系统，系统中有一些功能无法集成到芯片内部，如晶振，复位电路等，需在片外加相应的辅助电路。对于片内无 ROM 的单片机，还应该配置片外程序存储器。这里选用的是 ATMEL 公司的 AT89C2051 和 AT89C51，都带内置 ROM，只需加电源，震荡电路，复位电路等。单片机最小应用系统如图 3.2 所示 基于单片机的输液监护器的设计7图 3.2 单片机最小应用系统AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的单片机，其指令集和传统的 51 单片机指令集是一样的。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1 AT89C51 主要性能：（1） 与 MCS-51 兼容（2） 4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循环) （3） 全静态工作：0Hz-24KHz（4） 三级程序存储器保密锁定（5） 128*8 位内部 RAM（6） 32 条可编程 I/O 线（7） 两个 16 位定时器/计数器（8） 6 个中断源（9） 可编程串行通道 基于单片机的输液监护器的设计8（10）低功耗的闲置和掉电模式（11）片内振荡器和时钟电路2 AT89C51 管脚图：AT89C51 管脚图如图 3.3 12897654310111218191716151413203029232224252627282140393332343536373831P1.0P1.1P1.7RSTP1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P3.0P3.1P3.7XTAL2P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P2.7P2.6P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P0.0P0.1P0.7EA/VPPP0.6P0.5P0.4P0.3P0.2XTAL1GNDALE/PROGPSENTXDRXDINT0INT1WRT1T0RDAT89C513 AT89C51 引脚功能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/地址的第八位。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 口作为第图 3.3 AT89C51 管脚图 基于单片机的输液监护器的设计9八位地址接收。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： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（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）4 芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止 基于单片机的输液监护器的设计103.1.3 单片机 I/O 口管脚分配 由单片机外部接线可知，I/O 口管脚分配情况如下： P1.0 与报警装置相连，当输液出现异常或报警键被按下时，P1.0 口会有一个高电平，驱动报警装置。 P1.1 是加健按钮的输入，当检测到加键被按下，P1.1 输入一个低电平，设定值加一。 P1.2 是减健按钮的输入，当检测到减键被按下，P1.2 输入一个低电平，设定值加一。 P1.3 是加健按钮的输入，当检测报警键被按下，P1.3 输入一个低电平，给 P1.0 一个高电平，触发报警装置。 P1.4P1.6 为步进电动机的脉冲输入端，通过轮流置一来控制电动机的旋转和转向。 P1.7 为数据采集端口，当有脉冲经过时，就会给 P1.7 一个高电平信号，从而进行脉冲计数，计算流速。 P3 口是与上位机的通信端口 P0.0P0.5 是显示器的位控制端口P2.0P2.3 是显示数据的输出口3.2 执行机构本设计的执行机构采用的是步进电机。单片机控制步进电动机，主要任务是： 按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制。每输入一个脉冲电机沿选择方向前进一步，每前进一步电机转动一个固定角度。从这个意义上讲，电机也是一个数字/角度转换器。3.2.1 步进电动机概述步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持 基于单片机的输液监护器的设计11原有位置处于定位状态。 在电动机定子上有 A、B、C 三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为 A 相、B 相和 C 相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当 A、B、C 三个磁极的线圈依次轮流通电，则 A、B、C 三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按 ABCABCA次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成 ACBACB的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。3.2.2 步进电机控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称 VR）、永磁式步进电机（简称 PM）和混合式步进电机（简称 HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 A-B-CA,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C,A 相的通断。(2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进 基于单片机的输液监护器的设计12电机进行调速。表 3.1步进电机控制原理 r方式 步序 控制位 通电绕组 控制字 三 相单三拍式 1 步 2 步 3 步 P1.6 P1.5 P1.4 C 相 B 相 A 相 0 0 1 0 1 0 1 0 0 A 相 B 相 C 相01H02H03H根据上表，单三拍相序为 ABCA 时电机正转，反之 ABC2最大正向电流(mA) 50发光峰值波长(nm)940正向压降(v)1.5半峰宽度(A)400反向电流(A)50结电容(pf)100反向耐压(v)5截止频率(mHZ)13.3.3 光敏三极管的主要参数硅光敏三极管用于近红外光探测器，以及光耦合，特性识别，过程控制等方面。用陶瓷底座环氧封装，下表列出了硅光敏三极管的主要性能参数，根据性能参数进行液体点滴速度检测电路的设计。表 3.3光敏三极管的主要参数参数符号额定值工作温度()Topr-65 +125存储温度()Tstg-65 +150集射极击穿电压(v)Vceo45集电极基极击穿电压(v)Vcbo45 基于单片机的输液监护器的设计15发射极基极击穿电压(v)Vebo5功率损耗(mW)Pd300集电极电流(mA)Ic1.0饱和电压(v)Vce0.4峰值波长(nm)940开启时间(s)Ton8切断时间(s)Toff73.4 电源模块监控系统采用电池供电，可满足室内走动的需要。为保证输液正常工作，电源电路中还配有电池电量检测装置，在电池电量比较低，可能会影响到输液正常工作的情况下及时报警，提醒更换电池。由于单片机和显示器都需要 5V 左右电源，而 nRF905 需要3.6V 电源，所以这里在做电路板时采用留插槽的方式，提供 5V 电源，然后通过 DCDC芯片 MRCLD33B 得到 3.6V 电源。与监控电脑相连接的电路由电脑供电。单片机和 RS-232C 接口需要 5V 电源，而nRF905 需要 3.6V 电源，所以也要通过芯片 MRCLD33B 得到 3.6V 电源。3.5 声报警模块报警电路如图 3.8 所示，直接接在单片机的 P1.0 脚，在输液前，根据病人情况设定输液速度，当点滴的速度低于 20 滴/分或高于 150 滴/分时，单片机发出信号使 P1.0 出现高电平，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。如有人按报警按钮，I/O 口也会输出高电平，触发蜂鸣器报警，提醒医护人员和受液人采取相应措施，避免危险事故发生。如10 秒后仍然无人处理，则关闭输液器。保证病人安全。+5VI/O口NPNSPEAKER图 3.8 报警电路 基于单片机的输液监护器的设计163.6 复位电路此系统采取的是手动复位，按下复位按钮，在 RST 端就会产生高电位，持续 2 个机械周期，系统就会复位。电路图如图 3.9： R2R1+5V CRST89C51图 3.9 复位电路3.7 显示模块在单片机应用系统中，通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预和数据输入以及应用系统向人报告运行和运行结果。显示模块就是单片机向人汇报运行情况的工具。在单片机系统中,常用的显示器有:（1）发光二极管显示器,简称 LED(Light Emitting Diode);（2）液晶显示器,简称 LCD(Liquid Crystal Display);（3）荧光管显示器，简称 CRT。近年来也开始使用简易的 CRT 接口,显示一些汉字及图形。LED 就能满足显示的要求，所以本设计采取 LED 显示3.7.1 LED 显示器的结构LED 显示器是单片机应用系统中常用的价廉输出设备。它是由若干个发光二极管组成的,当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符。LED 数码管的外形如图 3.10 所示： 基于单片机的输液监护器的设计17图 3.10 LED 外形发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。结构图如图 3.11(a),(b)所示 efdcbag efdcbag(a) 共阳极接法(b)共阴极接法图 3.11 LED 显示器接法对于共阴极 LED,欲点亮的段在字节中所处的位为“1”,对于共阳极 LED,欲点亮的段在字节中所处的位为“0” ，本设计采取的是共阴极接法。表 3.4 LED 共阴/共阳段选编码表显示字符共阴极字型码共阳极字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码03FHC0 C39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HI31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80HH76H89H96FH90HL38HC7H 基于单片机的输液监护器的设计18A 77H88H空格00HFFHB7CH83H3.7.2 LED 显示器的显示方法LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，本设计采取的是动态显示，（1）LED 静态显示方式所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止，例如七段显示器的 a,b,c,d,e,f 导通，g 截止，显示 0。这种显示方式每一位都需要有一个位输出口控制。（2）LED 动态显示方式扫描显示方式,即在某一时刻,只让某一位的位选线处于选通状态,而其它各位的位选线处于关闭状态,同时,段选线上输出相应位要显示字符的字型码,这样同一时刻,4 位 LED中只有选通的那一位显示出字符,而其它三位则是熄灭的。由于人眼有视觉暂留现象,只要每位显示间隔足够短,则可造成多位同时亮的假象,达到显示的目的。本设计采取的是动态显示。3.7.3 7 段译码器 CD4511CD4511 是七段码十六进制锁存译码驱动芯片，它能将四位二进制数编码转换位七段LED 显示器的字段码，同时具有锁存和驱动能力。CD4511 管脚配置如图 3.12 所示： Vss15432610987151112131416LEDABCLTBIedcbagfVddCD4511图 3.12 CD4511 管脚图A，B，C，D BCD 码输入端LE锁存允许端，当 LE=0 时，4 位 BCD 码进入锁存器，当 LE=1 时，输入的数据被锁存，其逻辑图如图 3.13 所示： 基于单片机的输液监护器的设计19/LT 和/BI 的功能如表 3.5 所示，ag 的七段码输出端。锁存器译码器驱动器ACBDedcbagf543图 3.13 CD4511 逻辑图表 3.5 CD4511 真值表输入输出LE/BI/LTD C B Aa b c d e f g 显示*00000000000000001*0111111111111111110111111111111111111* * * * * * *0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1* * * *1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0. .B0123456789. . 基于单片机的输液监护器的设计203.7.4 显示模块电路设计电路图如图 3.14 所示，显示模块有六位数码管组成，七段译码器 CD4511 作为数码管的驱动器。P0.0P0.5 作为六位数码管的位选信号，接在 CD4511 锁存允许端 LE，当P0.0P0.5 某位为低信号时，当 LE=0 时，控制相应的 CD4511 工作，4 位 BCD 码进入锁存器，从而显示相应数字。 30292322242526272840393332343536373831P2.7P2.6P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P0.0P0.1P0.7EA/VPPP0.6P0.5P0.4P0.3P0.2ALE/PROGPSENVCCAT89C5121LEDLTBIBCAgf e d c b aLEDLTBIBCAgf e d c b aLEDLTBIBCAgf e d c b aLEDLTBIBCAgf e d c b aLEDLTBIBCAgf e d c b aLEDLTBIBCAgf e d c b a+5VCD4511CD4511CD4511CD4511CD4511CD4511图 3.14 显示模块电路图3.8 键控模块根据功能上的需要，本输液监护器的键控模块主要用来进行参数设置。使用前可设定液滴，在输液时可随时暂停输液，并可以在任意时刻重新启动继续输液。为提高安全性，还有异常情况造成的流速过快或停止时的报警装置。这样完成所有操作总共需要四个键。复位要占用一个键，病人紧急呼救要占用一个键。速度设定可以采取加减得方式，先在内部设定一个初始值，然后通过加和减的方式改变数值。这样就用到一个加键和一个减键。单片机的 I/O 口丰富，因此四个键直接接在单片机的 I/O 口上，采取循环扫描的工作方式，当某一按键被按下时，键盘接地电路导通相应 I/O 口由高电平下降为低电平，此时单片机系统监测到 P1 口相应位的电平变化执行相应的子程序，本程序中子程序为对 P2 口送出所键入数字的四位二进制代码，作为 CC4511 译码器的输入信号驱动数码管。例：按下按加键则 P1.1 由高电平下降为低电平，单片机系统扫描 P1 口监测到 p1.1的变化执行子程序。 基于单片机的输液监护器的设计21VCC复位 302923222425262728403933323435363738311289765431011121819171615141320P1.0P1.1P1.7RSTP1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P3.0P3.1P3.7XTAL2P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2XTAL1GNDTXDRXDINT0INT1WRT1T0RDP2.7P2.6P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P0.0P0.1P0.7EA/VPPP0.6P0.5P0.4P0.3P0.2ALE/PROGPSENVCCAT89C5121加键减键报警图 3.15 键盘电路3.9 通信模块单片机和监控电脑的连接采用的是无线通信方式，监控电脑能检测并设定输液器的输液速度，并实现远距离的控制。通信芯片采用了无线通信芯片 nRF905。nRF905 可以直接与单片机连接，所以从机控制模块 AT89C51 可直接与 nRF905 连接。而监控电脑不能与 nRF905 直接相连，这就需要 nRF905 先与 AT89C2051 相连，在通过RS232 接口与监控电脑实现连接。通信接口芯片采取的是 MAX232，它主要实现 AT89C2051 的接口与 RS232 之间的电平转换，芯片内部有一个电源变换电路，可把输入的+5V 电源电压变换成 RS232C 输出电平所需的12V +12V 的电压，所以此芯片接口的串行通信系统只需+5V 电源就可以了。3.9.1 nRF905nRF905 芯片结构、引脚介绍及工作模式1) 芯片结构nRF905 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器 基于单片机的输液监护器的设计22等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905 的详细结构如下图 3.16 所示： VSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVDDVDDVDDVDD1V2SPI接口TX地址TX寄存器RX寄存器配置寄存器SHOCKBURST解调处理数据处理CRC处理地址处理GFSK滤波曼彻斯特编码/解码电源管理晶体振荡器频率合成器低噪声放大器功率放大器中频BBFMISOMOSISCKCSNTRX_CEPWR_UPTX_ENCDAMDRuPCLKIREFANT2ANT1XC1XC2VDD _PA10111213123267835916182124 262728293041725311415192021232) 引脚介绍表 3.6 nRF905 引脚引脚名称引脚功能描述1TRX_CE数字输入使 nRF905 工作与接受或发送状态2PWR_UP数字输入工作状态选择3uPCLK时钟输入输出时钟4VDD电源电源正端5VSS电源电源地6CD数字输入载波检测7AM数字输入地址匹配8DR数字输入数据准备好10MISOSPI 输入SPI 输出11MOSISPI 输入SPI 输入12SCKSPI 时钟SPI 时钟 基于单片机的输液监护器的设计2313CSNSPI 片选SPI 片选，低有效14XC1模拟输入晶振输入引脚 115XC2模拟输出晶振输入引脚 219VDD_PA输出电源给功率放大器提供 1.8V 的电压20ANT1射频天线接口 121ANT2射频天线接口 223IREF模拟输入参考输入31VDD_1V2电源低电压正数字输入32TX_EN数字输入=1，发送模式；=0，接受模式3) 工作模式nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905 的工作模式由 TRX_CE、TX_EN 和 PWR_UP 三个引脚决定，详见表 3.7。表 3.7 nRF905 工作模式PWR_UPTRX_CETX_EN工作模式0关机模式10空闲模式110射频接受模式111射频发送模式(1) ShockBurstTM 模式与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行，数据速率由微控制器配置的 SPI 接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在 nRF905 中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于 nRF905 工作于 ShockBurstTM 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在 ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在 ShockBurstTM 发送模式，nRF905 自动产生字头和 CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905 的ShockBurstTM 收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析 nRF905 的发送流程和接收流程。a 发送流程 基于单片机的输液监护器的设计24典型的 nRF905 发送流程分以下几步：A. 当微控制器有数据要发送时，通过 SPI 接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给 nRF905，SPI 接口的速率在通信协议和器件配置时确定；B. 微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式;C. nRF905 的 ShockBurstTM 发送：(1) 射频寄存器自动开启；(2)数据打包(加字头和 CRC 校验码)；(3)发送数据包；(4)当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；D. AUTO_RETRAN 被置高，nRF905 不断重发，直到 TRX_CE 被置低；E. 当 TRX_CE 被置低，nRF905 发送过程完成，自动进入空闲模式。ShockBurstTM 工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论 TRX_EN 和 TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905 才能接受下一个发送数据包。 b 接收流程A. 当 TRX_CE 为高、TX_EN 为低时，nRF905 进入 ShockBurstTM 接收模式；B. 650us 后，nRF905 不断监测，等待接收数据；C. 当 nRF905 检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；D. 当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；E. 当一个正确的数据包接收完毕，nRF905 自动移去字头、地址和 CRC 校验位，然后把数据准备好引脚置高F. 微控制器把 TRX_CE 置低，nRF905 进入空闲模式；G. 微控制器通过 SPI 口，以一定的速率把数据移到微控制器内；H. 当所有的数据接收完毕，nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；I. nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式、ShockBurstTM 发送模式或关机模式。当正在接收一个数据包时，TRX_CE 或 TX_EN 引脚的状态发生改变，nRF905 立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nRF905 正在接收数据包，其可以决定是让 nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。 基于单片机的输液监护器的设计25(2) 器件配置所有配置字都是通过 SPI 接口送给 nRF905。SIP 接口的工作方式可通过 SPI 指令进行设置。当 nRF905 处于空闲模式或关机模式时，SPI 接口可以保持在工作状态。a SPI 接口配置SPI 接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器 5 个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。b 射频配置射频配置寄存器和内容如表 3.8 所示：表 3.8 射频配置寄存器名称位宽描述CH_NO9和 HFREQ_PLL 一起进行频率设置（默认值为 001101100=108）HFREQ_PLL1使 PLL 工作于 433 或 868/915MHZ（默认值为 0） 0- 工作于433MHZ 频段;1- 工作于 868/915MHZ 频段PA_PWR2输出功率（默认值为 00）RX_RED_PWR1接受方式节能端，该位高时，接受工作电流为 1.6mA，同时灵敏度也降低AUTO_RETRAN1自动重发位，只有当 TRX_CE 和 TXEN 为高时才生效RX_AFW3接受地址宽度（默认值为 100），001- 1byteRX 地址; 100- 4byteRX 地址TR_AFW3发送地址宽度（默认值为 100），001- 1byteTX 地址; 100- 4byteTX 地址RX_PW6发送数据宽度（默认值为 100000） 000001- 1byte 发送数据宽度； 000010- 2byte 发送数据宽度 100000- 32byte 发送数据宽度 基于单片机的输液监护器的设计26TX_PW6接受数据宽度（默认值为 100000） 000001- 1byte 接受数据宽度； 000010- 2byte 接受数据宽度 100000- 32byte 接受数据宽度RX_ADDRESS32发送地址标识（默认值为 E7E7E7E7）UP_CLK_FREQ2输出时钟频率（默认为 11） 00- 4MHZ; 01- 2MHZ; 10- 1MHZ; 11- 500KHZUP_CLK_EN1输出时钟使能XOF3晶振频率端，必须与外部晶振频率相对应（默认值为 100） 000- 4MHZ ; 001- 8MHZ； 010- 12MHZ； 011- 16MHZ；100-20MHZCRC_EN1CRC 校验使能端，高为使能，默认值为高CRC_MODE1CRC 方式选择端，高位 16 位，低为 8 位，默认值为高射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在 ShockBurstTM 收发过程中，TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS 和 RX_ADDRESS 4 个寄存器使用字节数由配置字决定。nRF905 进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。采取多机串行通信，系统中只有一个主机，有多个从机，主机发送的信息可传到各个从机或指定的从机。而各个从机发送的信息只能被主机接受。3.9.2 通信协议主站与从站之间要通信，必需遵从一定的协议，这里模仿总线型以太网网络拓扑构建由一个主站及 16 个从站构成的虚拟局域网。1) 地址 FFH 是对所有从机都起作用的一条控制命令：命令各从机恢复 SM2=1 的状态。2)主机发送的控制命令代码为： 00H：要求从机接受数据块 01H：要求从机发送数据块；其他：非法指令。3) 数据块长度：16 个字节。4) 从机状态字格式为： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ERR 0 0 0 0 0trdyrrdy 基于单片机的输液监护器的设计27其中：若 err=1，表示从机接受到非法命令；若 trdy =1，表示从机发送准备就绪；rrdy=1。多机通信实现过程如下；1) 准备阶段 首先定义从机地址；置 SM2=1；REN=1 允许串行口中断。2) 通信阶段 主机发送的地址信息的特征是串行数据的第 9 位为 1，而发送的数据信息的特征是串行数据的第 9 位为 0。对于从机就要利用 SM2 来确认主机是否在呼叫自己。从机处于接收时，置 SM2=1，然后根据接收到的串行数据的第 9 位的值来确定是否接收主机信号。 基于单片机的输液监护器的设计284 输液监护器的软件设计本设计只对从机部分进行程序设计，主程序框图如图 4.1 所示：系统开始系统初始化选择功能设置流速确定是否越界限定在界内刷新设定开始执行是否终止执行初始化是否有点滴通过？计算速度时间间隔计算超过一定时间登记计数，速度速度比较，控制电机YNYNYYN图 4.1 主程序框图4.1检测程序本系统采用光电开关采集信号，当有液滴通过 P1.7 产生一个脉冲，这样就可以通过纪录两滴液体间的时间，经运算就可以得到液滴的速度，流程图如下： 基于单片机的输液监护器的设计29YNYN初始化判断 P1.7=1即是否有液滴启动定时器在检测 P1.7=1即检测第二滴停止计时器利用中断次数得到时间计算出液滴速度图 4.2 检测程序框图ORG 0000HJMP BEGINORG 000BHAJMP CTC0ORG 0100HBEGIN: MOV 33H,#0CH ;设定初始流速60滴/分MOV 34H,#03HMOV 35H,#00HSTART ： MOV TMOD，#01H MOV TH0， #D8H ；定时10毫秒 基于单片机的输液监护器的设计30MOV TL0， #F0HMOV 25H， #00HSETB EASETB ET0HERE1： JB P1.7 REL1SJMP HERE1REL1： SETB TR0HERE2: JB P1.7 REL2SJMP HERE2REL2: CLR TR0速度计算：MOV A, #60MOV B,#100MUL ABMOV R2 BMOV R3 ADIVD: CJNE R3 25H DIVD1DIVD1: JC DIVD2INC 26HSUBB R3,25HDIVD2: SUBB R3,25HDJNZ R2 DIVD二进制转化BCD码MOV A，26HMOV B，#100DIV ABMOV 35H，A MOV A，BMOV B，#10DIV ABMOV 34H，A 基于单片机的输液监护器的设计31MOV 33H，BCALL DISCTCO： MOV TH0，#D8HMOV TL0，#F0HINC 25HRETI4.2 电机控制子程序实际检测值和设定值已经被转换成 BCD 码存在 30H 到 35H 单元，其中 30H 到 32H 是实际值的从低到高位，33H 到 35H 是设定值的从低到高位。电动机的控制就是将实际值和设定值相比较，如果在误差允许范围，电动机无动作，如果实际值小于设定值且差值大于误差允许范围，则电动机正传，反之电动机反转。NNY测试滴速子程序比较原速度与目的速度是否相等目的速度是否大于原速度提高点滴速度其他子程序Y降低点滴速度图 4.3 电机控制程序框图COMP: MOV A,32H ；实际值和检测值比较CJNE A,35H,COMP1MOV A,31H 基于单片机的输液监护器的设计32CJNE A,34H,COMP1MOV A,30HCJNE A,33H,COMP1AJMP STOPCOMP1: JC UPJNC DOWNUP： SETB P1.4 ；电机正转CLR P1.5CLR P1.6SETB P1.5CLR P1.6CLR P1.4SETB P1.6CLR P1.4CLR P1.5AJMP COMPDOWN: SETB P1.4 ；电机反转CLR P1.5CLR P1.6SETB P1.6CLR P1.5CLR P1.4SETB P1.5CLR P1.4CLR P1.6AJMP COMPSTOP: CLR P1.4 电机停止