医院病床输液监控系统设计报告.doc

2012年滨州学院大学生电子设计竞赛： 医院病床输液监控系统设计报告参赛队员：张心清 专业：交通运输参赛队员：赵剑 专业：交通运输参赛队员：王猛猛 专业：交通运输日期： 2012年5月4日摘 要该设计是以单片机89S52为核心，以键盘，碰触开关及红外光电开关为输入系统，以液晶、声光报警电路及步进电机为输出系统的智能化输液控制及监控系统。键盘系统为独立式按键系统，红外光电开关的功能为检测点滴的滴下。步进电机具有转速可控功率大及输入脉冲不变时可保持大力矩等优点，这样就可以自如控制吊瓶的上、下缓移可以达到智能控制的目的。点滴速度可用键盘来设定，同时输液结束或发生异常情况能发出报警信号。以上面所述装置为一个从站，主站和从站之间采用自定义串口通信协议，建立了一个由主站控制128个从站的有线监控系统。关键字 ： 光电开关 STC89C52 步进电机 RS-485总线 12864液晶显示 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 录一、系统方案11.1 点滴速度的测量11.2 点滴速度的控制11.3 控制用电动机及驱动的选择与比较11.4 系统总体方案2二、理论分析与设计22.1 点滴速度检测电路原理分析22.2 键盘控制及显示电路设计32.3 越限报警电路42.4 电机控制电路电路设计42.5 主从机通信电路设计5三、 电路与程序设计53.1 整机详细电路图见附录153.2 工作流程5四、测试方案与测试结果74.1 系统测试数据74.2 主机从机功能测试74.3 测试结果分析7五、总结：7六 、参考文献7附录1：整机详细电路图8附录2：主要控制程序9一、系统方案1.1 点滴速度的测量方案一 ：采用电感式传感器测量点滴速度在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。当液滴滴下时电感量发生变化，通过LC振荡电路后输出变化的频率值，经过F/V变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度。此方案测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。方案二：采用反射式红外光电传感器在输液器的漏斗一端放置反射式红外传感器，当液滴下落时，利用其对红外线的反射能力，接收端检测到信号。但是由于水滴的表面不规则且较小，反射信号较弱且不稳定，反射式要求液滴下落时要和传感器保持精确的夹角，当输液器上下移动时会产生晃动，从而产生较强的干扰。方案三：采用槽式红外光电开关采用槽式红外对射式光电开关，集成度高，体积小，功能齐全，电线引出式，电源内藏式具备继电器大功率输出，具备交直流通用型，电压范围宽，抗震性能好，液滴检测非常稳定，对于对精度要求较高的医疗器械来讲，非常合适此方案成本低，经过实验可发现槽式式红外光电开关能比较灵敏地测出水滴。利用测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。 综合考虑选用方案三槽式红外光电开关。1.2 点滴速度的控制 由题目可知，控制液滴下落速度主要有两种方法：方案一 : 通过步进电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的；方案二: 通过控制滴速夹的松紧程度来控制液滴流速。第一项方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的。第二项方案控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。经过综合比较，我们决定选择方案一。1.3 控制用电动机及驱动的选择与比较方案一：采用直流电机由于直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来。转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。方案二：采用步进电机步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。步进电机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数模转换，具有快速启停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低小，延时短，定位准确，精度高，可操作性强。综合考虑,选用步进电机作为电机驱动控制电路。1.4 系统总体方案系统实现框图如图1： 点滴测速 液晶显示 触碰开关 从站（单片机） 通信接口电路 主站（单片机） 键盘 电机驱动动 步进电机 声光报警图1 医院病床输液监控系统系统框图 用G63-E303槽式红外光电开关检测液滴速度，由STC89C52单片机控制液晶12864显示速度床号等信息，并控制电机驱动L298N,控制步进电机的正反转，从而改变输液瓶的高度，控制点滴的速度，单片机再根据反馈的速度调整输液瓶的高度，闭环反馈准确地控制点滴速度。主机和从机之间利用RS-485总线通信，采用自定义的串口通信协议，实现主从之间的数据交流。采用触碰开关来检测异常情况，控制蜂鸣器鸣叫和LED闪烁。二、理论分析与设计2.1 点滴速度检测电路原理分析图2 G63-E303槽式红外光电开关内部原理图G6-E303槽式红外光电开关槽式光电开关传感器，发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能接收到光，三极管2SC1008导通，OUT端被拉低，OUT输出低电平,LED不亮；当有液滴从槽中落下通过时，光被遮挡，三极管截止，OUT端输出高电平VCC，LED亮。用STC89C52的T0采集电平变化时下降沿，来实现对液滴的计数。 液滴下落的速度= X滴/分钟。2.2 键盘控制及显示电路设计键盘控制和显示电路我们采用独立按键和液晶显示。显示部分我们采用带字库12864液晶显示器，相比于1602显示器它的优点在于可以显示汉字，方便我们显示床号等，点滴速度等的信息，而且它的屏幕较大，可以一次显示更多的内容。键盘采用了4乘2坐标查询的方式来识别按键。其中P10、P11为输入端口，P12P15为输出端口。当P10、P11都为高电平的时候，无论哪个按键被按下了，都与按键没被按下的状态相同，P12P15端口的输入信号都为高电平。当P10为低电平，P11都为高电平时，若“选择床号键”被按下P12口相当于和P10口直接相连，P12口就读入低电平，而其他三个口读入为高电平。若“60”按键被按下，同理，P13口就读入低电平，其他三个端口读入为高电平。其他的按键被按下时都没有反应。这样就达到了识别“选择床号键、60、100、加”4个按键的功能；当P11输出低电平，P10端口为高电平时，同理，可以识别“确认、80、120、减”4个按键。按照这种方式，通过6个引脚逐列地扫描按键，实现识别8个按键的功能，相比独立按键节约了单片机的端口资源。另外我们还在外部中断0引脚接入了一个独立式按键用来解除报警信号，在外部中断1 引脚接入了一个独立式按键用来产生外部中断，从而进入键盘扫描程序。 图3 扫描键盘工作原理图4 通用矩阵键盘原理图2.3 越限报警电路越限报警电路采用触碰开关进行检测，把触碰开关安装在规定位置（即分别在输液管顶部距滑轮5cm处和漏斗由于越限报警距受液瓶顶部5cm处），当输液瓶移动到警戒位置碰到触碰开关时，触碰开关会引起IO口的电平拉低，通过软件控制发出报警信号。电路图如图5。 图5 越限报警电路图2.4 电机控制电路电路设计 L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相 和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO口来提供模拟时序信号， OUTlOUT4接步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。图6 L298驱动电机原理图2.5 主从机通信电路设计 方案一: RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 方案二: RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 由于医院病床的通信距离一般在一千米范围之内，经过综合比较RS-485总线更能够满足通信距离和通信稳定性的要求，因此选择方案二。3、 电路与程序设计3.1 整机详细电路图见附录1 3.2 工作流程 主机流程图： 开始 初始化返回主程序解除报警跳出中断返回主程序向从机发送参数调整命令等待确认按键设置外部中断1：进入按键扫描液晶显示双机通信外部中断0询问从机备注：把外部中断0设为执行高优先级。从机流程图等待RI置1开串口中断，报警标志位置位 串口中断 等待中断 初始化 开始：进入定时器T0中断手动报警触碰开关报警进入外部中断0判断报警标志位读出T2计数器的值，计算滴速发送报警信号，跳出中断 Y 返回 N判断是否有滴数调整传输当前点滴数N调整电机转动Y判断当前滴数是否在误差范围内停止电机转动NY备注：将外部中断0和定时器0中断设为执行高优先级（PX0=1;PT0=1）四、测试方案与测试结果4.1 系统测试数据表1 液滴速度检测测试速据单片机检测速度（滴/分） 实际速度（滴/分）5050535060597577表2 液滴速度调整测试原始值（滴/分）预置值（滴/分）调整后低速（滴/分）稳定时间（秒）521101031338712012314010575751374.2 主机从机功能测试将电路连接好，上电测试，从机将点滴的速度送入主机，并在主机中显示从机的速度和机号，此功能正常。4.3 测试结果分析从以上测试结果可以看出，本系统已基本完成题目中的各项要求并在此基础上有所发挥，其中点滴速度的测量比较精确，在全量程内其误差小于2(滴/分)。设置点滴速度功能中，控制精度在全量程范围内误差在5%以内，但是还是有一定的误差，经分析主要是由以下原因造成的： 1 由于瓶中的水不断减少，造成水滴的下落速度不均匀。 2 在动态控制时，由于瓶处于运动状态，其上升、下降运动不可避免的会产生加速度，导致水滴下落时速度不稳定。 3 算法本身不可能是完全精确的，必然存在舍入误差等，这些误差会影响测量结果。五、总结：本系统完成了在滴斗处检测点滴速度，并制作了一个液晶显示装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。通过改变高度控制点滴速度，点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为50120(滴/分)，误差在要求范围内。当高度到达警戒值时能发出报警信号，并可以手动解除报警状态。每个从站都可以和主站通信。主站可以工作在定点和巡回检测两种方式下，可以显示从站传输来的从站号和点滴速度，并设定从站的点滴速度。六 、个人体会 通过此次项目的制作，我们遇到了很多困难，通过查找资料，小组内讨论，各个困难都得到了很好的解决，增强了我们的团队协作能力，同时也学到了很多知识，特别是利用RS-485总线进行单片机远距离的通信；单片机多个中断的嵌套，对单片机中断有了更深一步理解；能够同时使用多个定时器计时器；对单片机编程中多个函数之间的协调与嵌套有更深一步的理解，提高了单片机编程的能力。七、参考文献1 伍亮.红外线检测物体单向运动计数器.设计师笔记,1997（6）17-18.2 郭天祥.新概念51单片机C语言教程.电子工业出版社.2009.1.3 江海波深入浅出AVR单片机:从ATmega48/88/168开始.中国电力出版 社,2008.06.4康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社,2006.01.5杨路明.C语言程序设计教程.北京邮电大学出版社,2005.12月.附录1：整机详细电路图主机电路图 从机电路图