基于at89c51单片机医院输液监控系统

基于at89c51单片机医院输液监控系统 引言静脉输液是临床医疗工作中常用的辅助治疗手段在我国临床应用非常广泛是一种利用液体静压原理使液体下滴经静脉输入大量无菌溶液或药物的治疗方法在进行静脉输液的过程中需要根据输注的药物和患者的病情对输液进度进行实时监控目前普遍采用人工方式进行监控对病人来说存在很多潜在的危险当输液瓶中的药液输完或药液发生堵塞时医护人员若未能及时处理就会发生回血或其他危险给病人造成痛苦甚至发生医疗事故目前国家在医疗体制改革和医学模式转变过程中静脉输液在医疗中占有重要的地位针对现有静脉输液中存在的问题采用光电检测单片机和通信技术设计了输液自动监控装置它能够轻松地实现对液体滴速的检测显示与控制当输液液体低于设定位置时的声光报警并通过串行口与主机相连实现远程集中控制功能该装置的使用在增加输液安全性的同时也减少了医护人员的劳动 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RS485Abstract 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 RS485It 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 strongKeywords Supervision of transfusionAT89C51 signal communicationRS485第1章 绪论11 选题背景及依据静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段但目前大多数医院及医疗机构都没有实现输液的自动监控管理从而在输液过程中当输液完成需要换药时需要医务人员发现及时否则就会出现空气进入血管内形成空气栓赛凝血堵塞针头等情况轻则延误治疗重则会危及病人生命安全发生医疗事故平时临床输液中采取的应对措施一般是由患者陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况从而加重了护理人员的劳动负担也不利于病区的综合管理随着电子技术的发展结合临床实践可以开发基于单片机的医院输液监控系统来代替人工监护即减轻医务人员的工作强度及病人和医务人员不断观察输液是否完成而形成的压力同时管理系统记录输液过程并能够作为医疗档案为解决各种医患纠纷提供证据又实现医疗护理自动化和智能化12 主要研究内容课题主要研究系统结构设计采用主从式结构输液过程中液位的检测滴速的检测显示与控制报警系统的设计通信系统的设计传感器及各种器件的选择与计算等13国内外发展现状输液在国内具有巨大的市场规模与市场容量2002年我国输液销售总量为60亿瓶销售总额超过500亿元据分析我国输液的总体市场潜量高达120亿瓶在如此大的输液市场下医院进行输液用药治疗时对患者输液进度的监控普遍由患者陪护人员或医务人员来进行一方面影响病人休息和治疗也给医护人员的高效工作带来了诸多不便实时输液监控已成为现代医疗中必需的一部分德国的费森尤斯集团其产品Orche stra 中的 Base Intensive是一个提供输液数据管理的输液工作站 主要用于ICU 病房让ICU医生拥有功能强大的输液管理系统德国贝朗公司开发的输液治疗监护管理系统也主要用于ICU病房它集输液治疗监护于一体具有药物列表输注模式选择同步信息显示药物走势记录等功能医生根据患者病情在药物列表上选中某药就可以设置该药的输液速度现在国内这方面的研发还不多并且耗资巨大由此可看出在输液监控方面国内和国外都在开发大型的多功能的自动输液监控系统这些设备在实现强大功能的同时也有很大的体积和不菲的价格并且很多输液监控系统都是在大型医院集中使用非常不适用于社区医疗的输液实时监控不可能在大多数的医疗过程中普遍使用第2章 系统总体结构设计根据医院的床位和护理要求本系统的基本思想是操作的集中化和控制的分散化即采用分布式控制系统通过高速的数据通信把各个分散点的信息集中起来进行集中的监视和操作21 主要内容功能及技术指标1通过串行通信方式构成主从式结构PC作为主机收集各从站的实时信息从机将各种实时信号送给主机以便实时监控和记录2从机由单片机构成完成对某一输液控制过程的监控包括光电传感器脉冲整形电路二极管显示电路声光报警电路等3从机数目不少于32滴液速度1315滴每秒22 系统总体结构设计该输液监控系统由主站和从站两部分组成其框图见图2-1第一部分是由计算机PC和实时监控软件组成的上位机即主站监控中心管理监控系统第二部分是以单片机AT89C51为核心及其外围设备构成的智能检测和控制系统主控PC机作为上位机用于监控所有的输液终端输液情况输液监控终端所检测到的各种数据通过RS485总线传送给主控PC机完成系统功能当吊瓶中的液体低于设定值时系统自动发出报警信号提醒医护人员进行相关处理单片机系统能够完成输液滴速的监测与显示在输液监控终端选用RS485收发器芯片485完成由单片机到RS485串行数据接口标准的转换主控PC机采用485HE外置型RS232RS485转换器直接插入PC机的串口利用PC机串口供电具有接收发送自动转换无需RTS控制软件兼容广泛本系统采用RS485总线主要是因为RS485总线在硬件方面具有通信距离远 可达1219m 能实现点对多点通信总线电路简单安装方便也克服了RS232通信距离近只适合于点对点的缺点跟其他总线相比在软件方面具有总线协议简单的优点系统包括光电传感器脉冲整形电路二极管显示电路声光报警电路等从机的数目为32个将这些实时的信息传送到主站以便实时监控和记录图2-1 系统原理图23 系统主要功能1可对输液速度进行精确地实时检测与显示2当输液的速度与设定的速度不相等时能通过步进电机对输液速度进行调节3能将病人输液进度信息送到主站医护人员就可以同时对多个病人的输液进度进行监控可直接把报警信号发送到主站提醒医护人员进行处理4可在输液过程中进行人为地强制报警同时当液体低于设定位置时即输液结束时可自动报警24 系统工作原理 系统工作原理如图2-2所示 输液液滴的速度v可以用v KApm表达其中A为流通截面积取决于管夹对输液软管夹力引起的软管变形的大小变形越大流通截面积越小p为压差取决于吊瓶悬挂的高度悬挂的高度越高压差越大K为比例系数取决于液体的粘度等一些流体特性m为流量特性指数介于05到1之间本文利用手动调节输液软管变形的大小需要什么样的液滴速度就通过调节手动调节旋钮调整流通截面积 图3-2 系统工作原理图吊瓶液面监测系统用于检测剩余液体的数量安放在吊瓶悬挂夹上当剩余液体达到下限时系统发出报警信号提示医护人员进行处理第3章 硬件系统设计31 上位机的设计上位机采用计算机控制技术以目前被广泛采用的PC机作为多床位的监控中心建立友好的用户界面便于医生和护士操作接收从下位机传输上来的实时数据并显示和报警整个系统的监控是由上位机的运行的监控软件来完成的32 下位机的设计下位机以单片机AT89C51为核心辅以必要的外围设备及电路实现了滴速的检测显示以及吊瓶液位的检测和报警其系统框图见图3-1图3-1 下位机原理框图com 单片机处理部分设计设计的思想是实用和小型化中心处理部分主要采用AT89C51单片机AT89C51单片机完全可以满足本系统的设计要求相对于其他具有相当功能的器件来说具有价格便宜对环境要求不高工作稳定等优点AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS 8位单片机片内含4K Bytes的可反复擦写的只读程序存储器ROM和128 Bytes的随机存取数据存储器RAM器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产兼容标准的MCS-51指令系统内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元功能强大可灵活应用于各种控制领域1功能特性概述AT89C51提供以下标准功能4K字节Flash闪速存储器128字节内部RAM32个IO口线两个16位定时计数器一个5向量两级中断结构一个全双工串行通讯口片内振荡器及时钟电路见图3-2 AT89C51 功能方块图同时AT89C51可降至0Hz的静态操作并支持两种软件可选的节电工作模式空闲方式停止CPU的工作但允许RAM定时计数器串行通讯口及中断系统继续工作掉电方式保存RAM中的内容但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位图3-2 AT89C51 功能方块图ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器它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外形及引脚排列如图3-3所示图3-3 AT89C51的管脚图2管脚说明VCC供电电压GND接地P0口P0口为一个8位漏级开路双向IO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低八位在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IO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口作为第八位地址接收端 P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向IO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IO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 P30 RXD串行输入口P31 TXD串行输出口P32 INT0外部中断0P33 INT1外部中断1P34 T0记时器0外部输入P35 T1记时器1外部输入P36 WR外部数据存储器写选通P37 RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号RST复位输入当振荡器复位器件时要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALEPROG当访问外部存储器时地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节在FLASH编程期间此引脚用于输入编程脉冲在平时ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号此频率为振荡器频率的16因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的然而要注意的是每当用作外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0此时 ALE只有在执行MOVXMOVC指令是ALE才起作用另外该引脚被略微拉高如果微处理器在外部执行状态ALE禁止置位无效PSEN外部程序存储器的选通信号在由外部程序存储器取指期间每个机器周期两次PSEN有效但在访问外部数据存储器时这两次有效的PSEN信号将不出现EAVPP当EA保持低电平时则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH不管是否有内部程序存储器注意加密方式1时EA将内部锁定为RESET当EA端保持高电平时此间内部程序存储器在FLASH编程期间此引脚也用于施加12V编程电源VPPXTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出该反向放大器可以配置为片内振荡器石晶振荡和陶瓷振荡均可采用如采用外部时钟源驱动器件XTAL2应不接有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 3时钟振荡电路设计AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器振荡电路如图3-4因为一个机器周期含有6个状态周期而每个状态周期为2个振荡周期所以一个机器周期共有12个振荡周期如果外接石英晶振的振荡频率为12MHz故而一个机器周期为1uS图3-4 时钟振荡电路外接石英晶体及电容C1C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路对外接电容C1C2虽然没有十分严格的要求但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低振荡器工作的稳定性起振的难易程度及温度稳定性外接石英晶体电容使用30pF10 pF4复位电路设计复位电路虽然简单但其作用非常重要一个单片机系统能否正常运行首先要检查是否能复位成功复位操作有上电自动复位和手动复位两种方式为了方便医护人员操作设计采用上电自动复位的方式上电自动复位是在加电瞬间电容通过时间来实现的其电路如图3-5在通电瞬间电容C通过电阻R充电RST端出现正脉冲用以复位只要电源Vcc上升时间不超过1ms就可以实现上电自动复位即接通电源就可以实现系统的复位初始化关于参数的选定在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间大于2个机器周期这里选用的是12MHz的石英晶振可取C 10FR 82k图3-5 上电复位电路com测电路设计根据本系统液位滴速检测的特点只能选用光传感器中的光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器它首先把被测量的变化转换成光信号的变化然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号光电传感器一般由光源光学通路和光电元件三部分组成光电检测方法具有精度高反应快非接触等优点而且可测参数多传感器的结构简单形式灵活多样因此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件它是把光信号红外可见及紫外光辐射转变成为电信号的器件 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器它可用于检测直接引起光量变化的非电量如光强光照度辐射测温气体成分分析等也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量如零件直径表面粗糙度应变位移振动速度加速度以及物体的形状工作状态的识别等光电式传感器具有非接触响应快性能可靠等特点因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用1 光电传感器原理由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的按光电元件光学测控系统输出量性质可分二类即模拟式光电传感器和脉冲 开关 式光电传感器模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流它与被测量间呈单值关系模拟式光电传感器按被测量 检测目标物体 方法可分为透射 吸收 式漫反射式遮光式 光束阻档 三大类所谓透射式是指被测物体放在光路中恒光源发出的光能量穿过被测物部份被吸收后透射光投射到光电元件上所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上再从被测物体表面反射后投射到光电元件上所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份使投射刭光电元件上的光通量改变改变的程度与被测物体在光路位置有关 光敏二极管是最常见的光传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口以便于光线射入为增加受光面积PN结的面积做得较大光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下并与负载电阻相串联当无光照时它与普通二极管一样反向电流很小称为光敏二极管的暗电流当有光照时载流子被激发产生电子-空穴称为光电载流子在外电场的作用下光电载流子参于导电形成比暗电流大得多的反向电流该反向电流称为光电流光电流的大小与光照强度成正比于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外还有对电信号放大的功能光敏三级管的外型与一般三极管相差不大一般光敏三极管只引出两个极-发射极和集电极基极不引出管壳同样开窗口以便光线射入为增大光照基区面积做得很大发射区较小入射光主要被基区吸收工作时集电结反偏发射结正偏在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo 1Icbo很小比一般三极管的穿透电流还小当有光照时激发大量的电子-空穴对使得基极产生的电流Ib增大此刻流过管子的电流称为光电流集电极电流Ic 1Ib可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度2光电传感器的结构光电传感器在一般情况下有三部分构成它们分为发送器接收器和检测电路 发送器对准目标发射光束发射的光束一般来源于半导体光源发光二极管 LED 激光二极管及红外发射二极管光束不间断地发射或者改变脉冲宽度接收器有光电二极管光电三极管光电池组成在接收器的前面装有光学元件如透镜和光圈等在其后面是检测电路它能滤出有效信号和应用该信号3光电传感器的分类和工作方式 槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电发光器能发出红外光或可见光在无阻情况下光接收器能收到光但当被检测物体从槽中通过时光被遮挡光电开关便动作输出一个开关控制信号切断或接通负载电流从而完成一次控制动作槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米 对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开就可使检测距离加大由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关简称对射式光电开关它的检测距离可达几米乃至几十米使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧检测物通过时阻挡光路收光器就动作输出一个开关控制信号 反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内在它的前方装一块反光板利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式 或反射镜反射式 光电开关正常情况下发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到一旦光路被检测物挡住收光器收不到光时光电开关就动作输出一个开关控制信号 扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器但前方没有反光板正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的当检测物通过时挡住了光并把光部分反射回来收光器就收到光信号输出一个开关信号红外线发射与接收的方式有两种其一是直射式其二是反射式直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端中间相距一定距离反射式指发光管与接收管并列一起平时接收管始终无光照只在发光管发出的红外光线遇到反射物时接收管收到反射回来的红外光线才工作4传感器的选型在上面四种类型的光电传感器中最适合液位滴速检测的是对射型光电传感器采用红外发光二极管作为发光器用光敏三极管作为收光器制成一个对射型光电传感器采用直射式将发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端1发光管选用广州某电子公司型号为IR204C-A的红外发光二极管其实物和参数见图3-6图3-6 R204C-A红外发光二极管实物参数图2接收管选用该公司型号为PT928-6C的红外接收三极管其实物和参数见图3-7图3-7 PT928-6C红外接收三极管实物参数图5液位检测原理将红外光发射-接收对管固定在吊瓶两侧红外发光二极管发出红外光光线透过吊瓶照射到光电三极管光电三极管将接收到的光信号转换成电信号输出系统要求当瓶内液面降到23cm时能发出报警信号这里的关键是如何检测到液面高度采用红外对管实现让红外发射和接收管正对放置在瓶子两边根据接收信号强弱不同用触发器或比较器处理可得到水位到达临界线时会引起较大的电信号差异由此判断水位到达警戒线单片机发出报警信号其信号通过电子线路输入数据处理模块处理后报警处理模块自动发出输液终点提示6液位信号红外检测电路设计在红外监测中当没有液滴落下时输出电压为 0 V当有液滴落下时液滴挡住了由发光二极管发射的红外光使接收管的感光量受到影响输出一个脉冲电压该脉冲电压只有几毫伏采用运放LM324对此脉冲信号进行放大1通用型低功耗集成四运放LM324图3-8 LM324管脚图2LM324的特点1短跑保护输出2真差动输入级3可单电源工作3V-32V4低偏置电流最大100nA5每封装含四个运算放大器6具有内部补偿的功能7共模范围扩展到负电源8行业标准的引脚排列9输入端具有静电保护功能该放大电路的放大倍数为A R6 R5 22 M22 k 10000 经过放大后该输出脉冲的电压的值达到伏级便于后续工作的进行同样采用LM 324来构成电压比较电路其中Vg为10k的滑动变阻器电压比较的基值可以通过改变滑动变阻器的值来进行调节从运放LM324的7脚输出的脉冲电压信号可以直接输入单片机进行处理3液位信号红外检测部分电路如图3-9所示图 3-9 红外检测电路为了保护红外光二极管不会因为电流过大而烧掉在发射管和接收管的两端分别串联一个上拉电R3R4起限流保护作用7 液位检测装置设计为了检测方便这里专门设计了液位检测装置如图3-10该装置为吊瓶的瓶托瓶托边缘上装有三个等长的绳子用于在支架上挂吊瓶输液时将吊瓶直接放入瓶托即可无需调整探头在距瓶口23cm处安装检测探头发射探头和接收探头正对水平安装在瓶口两侧该装置大大减少了医护人员的工作图3-10 液位检测探头检测示意图1-红外线发射器2-调制载波红外线3-红外线检测器4-输液液面5-输液瓶瓶托滴速检测电路设计1 滴速检测原理滴速测量其原理图如图3-11所示将红外光发射-接收对管固定在茂菲氏管两侧红外发光二极管发出红外光光线透过茂菲氏管照射到光电三极管光电三极管将接收 到的光信号转换成电信号输出采用红外对射管其优点是可以非接触的探测液滴能很好的满足临床中无菌操作的要求图3-11 滴速检测原理图红外发射管发射的光束经过茂菲氏管的液滴滴落线投射到红外接受管的感光面在没有液滴滴落时红外接收管接收到的光照度最大产生的光生电流也最大当有液滴滴落时由于液滴的光学特性使光束发散投射到红外接收管上的光照度将下降从而使光生电流下降由于不同类型的药液透明半透明和不透明液滴的光学特性不同形成不同幅度的负脉冲只要检测红外接收管的输出电流脉冲就可以探测出有无液滴的通过光敏器件输出的脉冲信号极小容易受到外界干扰需要用电压比较电路对电压进行去干扰并整形为规则的脉冲信号经放大电路放大后送单片机进行后续处理为了防止输液器的漏斗倾斜引起水滴的偏移导致不正常的检测可用两三枚红外发射管和一枚红外接收管组成如图3-11所示将该传感器套在输液器的漏斗上确保液滴的检测无误2滴速检测电路和液位检测电路一样见图3-12图3-12 滴速检测电路3滴速检测探头装置设计按瓶装输液临床使用实际情况为便于护士方便快速地使用特将探头光学检测系统置入一自行设计弹簧夹中护士在为患者建立输液系统并挂上输液瓶后将该弹簧夹夹在需检测的输液瓶瓶颈处即可瓶装输液检测探头结构见图3-13图3-13 滴速检测探头装置1-载波信号发射器2-载波信号检测器3-弹簧夹主支架4-弹簧夹辅助支架5-输液瓶6-弹簧夹声光报警电路设计当输液完成或在输液过程中出现突发事件的时候需要通过报警提醒医护人员进行相关的处理在实际的应用系统中经常将闪光报警和单频音报警结合起来使用以便更好的引起医护人员的注意1单频音报警电路设计实现单频音报警的接口电路比较简单其发音元件通常采用压电蜂鸣器当在蜂鸣器两引脚上加3V15V直流工作电压时就能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响压电式蜂鸣器结构简单耗电少更适合于单片机系统的应用压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流可在P10口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动如图3-14图 3-14 单频音报警电路在图中P10接三极管的基极输入端 当P10输出高电平1时三极管导通蜂鸣器通电而发音当P10输出低电平0时三极管截止蜂鸣器停止发音2闪光报警电路设计闪光报警是最简单也是最常用的一种报警方式单片机应用系统中的闪光报警就是在控制指示灯的程序中加入定时程序按一定的时间间隔来交替点亮与熄灭指示灯闪光报警在硬件连接上非常简单可利用AT89C51的IO口直接驱动发光二极管实现如图3-15图3-15 闪光报警电路com 显示电路设计1显示方式选择显示电路主要完成对输液过程中滴速的实时显示显示有两种方式一是LCD显示二是LED数码管显示由于LED数码管显示亮度高显示效果清晰醒目这里选用LED数码管进行显示数码管是一种半导体发光器件其基本单元是发光二极管7段LED数码管则在一定形状的绝缘材料上利用单只LED组合排列成8字型的数码管分别引出它们的电极点亮相应的点划来显示出0-9的数字图3-16为数码管外形图3-17为数码管内部标识图3-16 数码管外形 图3-17 数码管内部标识LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的数码管共阳数码管在应用时应将公共极COM接到5V当某一字段发光二极管的阴极为低电平时相应字段就点亮当某一字段的阴极为高电平时相应字段就不亮见图3-18共阳数码管内部结构图3-18共阳数码管内部结构共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上当某一字段发光二极管的阳极为高电平时相应字段就点亮当某一字段的阳极为低电平时相应字段就不亮图3-19 为共阴数码管内部结构图3-19 共阴数码管内部结构数码管要正常显示就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码从而显示出我们要的数字因此根据数码管的驱动方式的不同可以分为静态式和动态式两类1 静态显示驱动静态驱动也称直流驱动静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的IO端口进行驱动或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动静态驱动的优点是编程简单显示亮度高缺点是占用IO端口多如驱动5个数码管静态显示则需要5840根IO端口来驱动要知道一个89C51单片机可用的IO端口才32个实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动增加了硬件电路的复杂性图3-20为数码管静态显示接法图3-20 数码管静态显示接法2 动态显示驱动数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划abcdefgdp的同名端连在一起另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路位选通由各自独立的IO线控制当单片机输出字形码时所有数码管都接收到相同的字形码但究竟是那个数码管会显示出字形取决于单片机对位选通COM端电路的控制所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开该位就显示出字形没有选通的数码管就不会亮通过分时轮流控制各个数码管的的COM端就使各个数码管轮流受控显示这就是动态驱动在轮流显示过程中每位数码管的点亮时间为12ms由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应尽管实际上各位数码管并非同时点亮但只要扫描的速度足够快给人的印象就是一组稳定的显示数据不会有闪烁感动态显示的效果和静态显示是一样的能够节省大量的IO端口而且功耗更低图3-21为数码管动态显示接法图3-21 数码管动态显示接法由于数码管显示明亮易于肉眼观看选择数码管进行显示数码管的动态显示相对于静态显示来说动态显示占用的IO 端口少电路简单选择数码管的动态显示方式2 显示电路设计本系统采用两位共阳数码管动态显示的方式8位字段码输入端接入AT89C51的P0口P0口在用作输出口时必须接上拉电阻两位位选comAT89C51的P0口输出时需要外接上拉电阻两位位选端不是与P2口直接连接而是通过三极管连接这样是为了增加驱动能力P20输出为0时三极管导通也就是说当P20输出为0时三极管导通与其相连的共阳极数码管显示器开始工作P20输出为1时三极管截止与其相连的共阳极数码管显示器停止工作显示电路见图3-22图3-22 显示电路com键电路设计在输液过程中难免会出现突发性事件所以系统设计了一个紧急呼叫键当出现突发事件时按下紧急呼叫键可快速通知医护人员进行处理增加了输液的安全性同时当报警发生时设计采用手动按键停止报警的方式按键设置在从机只有医护人员来到从机才能停止报警提高了医护人员处理事件的及时性按键电路如图3-23图3-23 按键电路通信系统设计计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式由于串行通讯方式具有使用线路少成本低特别是在远程传输时避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用在串行通讯时要求通讯双方都采用一个标准接口使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯RS232和RS485是目前最常用的两种串行通信总线com 通信方案论证1采用RS232总线RS-232-C接口又称 EIARS-232-C是目前最常用的一种串行通讯接口它是在 1970年由美国电子工业协会EIA联合贝尔系统调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的准则它的全名是数据终端设备DTE和数据通讯设备DCE之间串行二进制数据交换接口技术标准该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器对连接器的每个引脚的信号内容加以规定还对各种信号的电平加以规定接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系即逻辑1-5 -15V逻辑05 15V噪声容限为2V即要求接收器能识别低至3V的信号作为逻辑0高到-3V的信号作为逻辑1接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座通常插头在DCE端插座在DTE端一些设备与PC机连接的RS-232-C接口因为不使用对方的传送控制信号只需三条接口线即发送数据接收数据和信号地所以采用DB-9的9芯插头座传输线采用屏蔽双绞线传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4的情况下传输电缆长度应为50英尺其实这个4的码元畸变是很保守的在实际应用中约有99的用户是按码元畸变10-20的范围工作的所以实际使用中最大距离会远超过50英尺由于RS-232-C接口标准出现较早难免有不足之处主要有以下四点1 接口的信号电平值较高易损坏接口电路的芯片又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接2 传输速率较低在异步传输时波特率为 20Kbps3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式这种共地传输容易产生共模干扰所以抗噪声干扰性弱4 传输距离有限最大传输距离标准值为50英尺实际上也只能用在50米左右2采用RS485总线针对RS-232-C 的不足于是就不断出现了一些新的接口标准RS-485就是其中之一它具有以下特点1RS-485的电气特性逻辑1以两线间的电压差为2-6V表示逻辑0以两线间的电压差为-2-6V 表示接口信号电平比RS-232-C降低了就不易损坏接口电路的芯片且该电平与TTL电平兼容可方便与TTL电路连接2RS-485的数据最高传输速率为10Mbps3RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合抗共模干能力增强即抗噪声干扰性好4RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺实际上可达3000米另外 RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器即单站能力而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器即具有多站能力这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络com 通信方案的选择因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输com 单片机与PC机通信系统设计通信电路可以将32个输液从站与主站的主机 PC机 连接起来构成输液监控网络从而实现输液的遥控通信工作方式则为主从式通信主机主动查询若主站一次收不到从站来的应答信号则由主站再发送一次协议连续三次收不到应答信号则说明该系统的通信出现故障系统则给出相应警告提示如果系统给出应答则双方进入数据通信状态主机 上位机 和从机 下位机 间的信息交换方式采用串行通信方式通信的转送方式采用RS485半双工配置通信接口芯片采用485485芯片的结构和引脚都非常简单内部含有一个驱动器和接收器其引脚图和结构图见图3-24它主要实现 AT89C51的异步串行接口与RS232C 标准串行通信电路之间的电平转换485采用单一电源5V工作额定电流为300A采用半双工通讯方式它完成TTL电平转换为RS485电平的功能图 3-24 485引脚图和结构图485引脚说明RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可RE和DE端分别为接收和发送的使能端当RE为逻辑0时器件处于接收状态当DE为逻辑1时器件处于发送状态因为485工作在半双工状态所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可A端和B端分别为接收和发送的差分信号端当A引脚的电平高于B时代表发送的数据为1当A的电平低于B端时代表发送的数据为0在与单片机连接时接线非常简单只需要一个信号控制485的接收和发送即可同时将A和B端之间加匹配电阻一般可选100的电阻图3-25为485典型工作电路图 3-26为485与单片机接口电路 图3-25 485典型工作电路 图3-26 485与单片机接口电路第4章 软件系统设计一个单片机控制系统硬件电路是它的骨架但是只有硬件系统是不能工作的系统想要正常工作还需要软件系统的支持软件系统采用MCS-51汇编指令作为编程语言采用模块化编程设计各个模块的子程序用于在主程序中循环调用以这种方式的编程不仅简化了编程者的任务还使得程序的调试变得更加容易医院输液监控系统的软件系统主要由主程序液位检测子程序滴速检测子程序显示子程序声光报警子程序等组成系统软件流程图如图5-1图4-1 系统软件流程图41 主程序设计在主程序中首先对系统进行初始化规定相关过程的入口地址等然后通过子程序的调用完成系统的所有功能主程序流程图如图5-2图4-2主程序流程图42滴速检测子程序设计滴速的检测对单片机来说是对外部脉冲信号进行频率计数频率的定义是一秒时间内信号变化的次数对频率的测量有两种方法计数法和计时法即测频法和测周期法1计数法计数法是将被测信号通过一个闸门信号加到加到计数器进行计数的方法如果闸门打开的时间为T计数器得到的计数值为N1则被测频率为f N1T改变时间T即可改变测量频率范围如图5-3所示设在T时间计数器的精确计数值应为N根据计数器的计数特性可知N1的绝对误差是N1 N1N1的相对误差为 N1-NN 1N由N1的相对误差可知N的数值越大相对误差越小成反比关系为了减小相对误差可以通过增大T的方法来降低测量误差图4-3 测频法测量原理2计时法计时法又称为测周期法这种方法使用被测信号来控制闸门的开闭而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器闸门在外信号的一个周期内打开这样计数器得到的计数值就是外脉冲信号的周期然后求周期的倒数就得到外脉冲信号的频率首先把被测信号通过二分频获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号然后用一个周期T1的高频方波信号作为计数脉冲在一个信号周期T的范围内对T1信号进行计数如图5-4所示图4-4 计时法测量原理根据本设计的要求和性能指标首先要确定能满足这些指标的频率测量方法由上述频率测量原理与方法的讨论可知用计数法获得的计数数据在闸门信号为一秒时不需要进行任何换算计数器所计数据就是信号频率而用计时法所测的信号周期数据还需要求倒数运算才能得到信号频率而求倒数运算对于中小型数字集成电路来书很难实现因此计时法不适合本系统要求设计采用计数法进行滴速的测量设计中选用定时器T0进行定时T1作为计数器由于每滴液体在经过光电感应探测器时都会引起一次单片机T0口的电平变化即产生一个下降沿所以液滴产生的下降沿数目就可认为是所滴下的液滴数滴速的采集程序设计分为两部分即定时程序和计数程序com序设计选用AT89C51的定时器T0完成定时5s功能选用T0的方式一置T0定时初值为50ms循环100次即可完成5s定时用一个计数单元20H存放循环的次数每循环一次20H单元自减一当20H单元为0时则5s定时到时其程序流程图如图5-5图4-5 定时子程序流程图com序设计滴速测试程序系统设计要求滴液速度为1315滴每秒即频率为02Hz033Hz计数器最多计数65536次因此不需要对计数单元进行扩展即可完成计数需求计数器的TL1和TH1用于计数为了增加测量精度先测出5s内的液滴数然后将5s内的滴数乘以12便可得到1分钟的液滴数当5秒定时到时采集计数数据其程序流程图如图5-6图4-6 计数子程序流程图com序代码DSMOV TMOD 51H定时器T0定时方式一T1计数方式一 01010001 MOV TL0 0B0HMOV TH0 3CH置50ms初值MOV 20H 100设置循环次数10010050ms 5sMOV TH1 00HMOV TL0 000HMOV 21H 0MOV 22H 0存放采集到的数据SETB TR1启动T1SETB TR0启动T0WAIT AJMP WAIT等待中断RETT0INT 定时5s产生中断DJNZ 20H NEXT1CLR TR1关闭T1CLR TR0关闭T0MOV 21H TL1MOV 22H TH1ACALL DISPLAYAJMP EXITNEXT1 MOV TL0 0B0H MOV TH0 3CH继续定时EXIT RETI43显示子程序设计本系统采用两位共阳数码管动态显示的方式8位字段码输入端接入AT89C51的P0口两位位选com两位位选端不是与P2口直接连接而是通过三极管连接这样是为了增加驱动能力P20输出为0时三极管导通也就是说当P20输出为0时三极管导通与其相连的共阳极数码管显示器开始工作P20输出为1时三极管截止与其相连的共阳极数码管显示器停止工作因此在编程时需要考虑引脚的输出状态以使共阳极数码管显示器正常显示测得的滴速系统设计要求滴液速度为1315滴每秒输液滴速慢以频率的标准方式显示显然会影响精度程序设计数码管以滴分的标度进行显示可以减小滴速显示误差在上面的设计中为了增加测量精度先测出5s内的液滴数然后将5s内的滴数乘以12便可得到1分钟的液滴数显示子程序流程图如图5-7图4-7 显示子程序流程图com程序代码DISPLAYMOV A 21H取5s计数值MOV B 1016进制转换为10进制DIV ABAB的商存入A余数存入BMOV R1 AR1存放十位数MOV R2 BR2存放个位数ADD B R2相当于B2MOV R2 BADD B R2相当于B4MOV R2 BADD B R2相当于B8ADD B R2相当于B12ADDC A R1相当于A2MOV R1 AADDC A R1相当于A4MOV R1 AADDC A R1相当于A8ADDC A R1相当于A12MOV R1 A此时R1存放以分为单位的十位数MOV R2 B此时R2存放以分为单位的个位数MOV R3 50设导通频率为50LOOP1MOV A R2取个位数ACALL CHANG调用显示CLR P21开个位显示ACALL DLY10ms调用延时10ms程序SETB P21开关个位显示MOV A R1取十位数ACALL CHANG调用显示CLR P20开十位显示ACALL DLY10ms调用延时10ms程序SETB P20开关十位显示RETCHANGMOVC A ADPTR取表子程序MOV P0 ARETDLY10msMOV R6 20D1MOV R7 248DJNZ R7 DJNZ R6 D1RET延时返回TABLEDB 0C0H0F9H0A4H0B0HDB 99H92H82H0F8HDB 80H90H88H83HDB 0C6H0A1H86H8EHRET44液位检测子程序设计com测子程序流程图图4-8 液位检测子程序流程图com测子程序代码YYJNB P15 LA检测输入信号LAACALL DELLY1延时消抖JNB P15 ALARM再次检测若有输入转入报警子程序AJMP LPDELAY1MOV R1 0AAHLD2 MOV R2 0BBHLD1 NOPDJNZ R2 LD1DJNZ R1 LD2RET45声光报警子程序设计蜂鸣器通过三极管电阻接在了AT89C51的P10口上 P10接三极管的基极输入端 当P10输出高电平1时三极管导通蜂鸣器通电而发音当P10输出低电平0时三极管截止蜂鸣器停止发音发光二极管接在了AT89C51的P36口上当P36输出低电平0时二极管正向偏置而发光当P36输出高电平1时二极管反向偏置而不发光通过软件延时循环编程实现蜂鸣器发出连续嘀嘀嘀的声响同时使发光二极管闪烁当液位低于设定值或按下紧急呼叫键接在P17时会启动报警程序直到按下接在P16的停止报警键报警停止报警子程序流程图见图5-9图4-9 报警子程序流程图com程序代码ALARMSETB P37关闭正常工作指示灯SETB P10启动蜂鸣器SD MOV R0 200延时01sDL MOV R1 250改变R0或R1的值可改变声音长短DJNZ R1 DJNZ R0 DLCLR P10输出方波LJMP LIGHTLIGHTCLR P36点亮发光二极管LCALL DELLAY2调用延时子程序SETB P36关闭发光二极管LCALL DELLAY2调用延时子程序SJMP LIGHT二极管循环点亮与熄灭DELAY2MOV R7 200延时01sDL MOV R6 250改变R0或R1的值可改变二极管亮灭时间长短DJNZ R6 DJNZ R7 DLRETJNB P16 ALARM检测是否停止报警CLR P10关闭蜂鸣器SETB P36关闭发光二极管CLR P37开正常工作指示灯RET总结1 结果分析该医院输液监控系统装置不仅是一个简单的控制问题 他还涉及到医学光学电学传感器应用单片机控制通信和PC 机程序设计等诸多问题该装置将多门学科有机地结合起来 并成功的应用到实际的问题中去了该装置有针对性强使用方便操作简单成本低廉价格合理利于推广等优点可以利用医院已有的报警装置 不需要医院重新布线 从而合理利用已有资源并且该装置调节速度快功能齐全性能指标优良 最大相对误差仅有2 2 系统改进参考文献1 蒋力培1 单片微机实用教程 北京 机械工业出版社2 林伸茂18051 单片机彻底研究实习篇 北京 人民邮电出版社3 求是科技1 单片机通信技术与工程实践 北京 人民邮电出版社4 李宝连 王剑钢1 基于RS485 接口的医院输液监控系统 山西电子技术 5 高海生 杨文焕 周承高1 单片机应用技术大全 西安 西南交通大学出版社 6 Myke Predko1PC 接口技术内幕 北京 中国电力出版社7 陈平陈彦 实时监护系统的设计与实现 计算机工程与应用8 李军玲郭明春王丽萍 医用点滴监视器的设计与实现 大连大学学报9 范建伟 BP01 型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用 国外电子元器件10 范红刚冯成胡建国等 数字人体心率检测仪的设计 电子工程师11 缪家鼎徐文娟牟同升 光电技术 浙江大学出版社 12 王功利刘景蒋建华 红外对管及其在测量滴流速度方面的应用 电子技术应用 13 徐君毅张友德王小勇 MCS 51 单片微机原理与应用 复旦大学出版社 外文原文与翻译英文AT89c5l Features Compatible with MCS-51 Products4K Bytes of In-System Reprogrammable Flash MemoryEndurance 1000 WriteErase CyclesFully Static Operation 0 Hz to 24 MHzThree-level Program Memory Lock128 x 8-bit Internal