基于單片機(jī)智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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. 里仁學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別：電氣工程系 年級專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程12-1 學(xué) 號： 121203041015 學(xué)生姓名： 周歡 指導(dǎo)教師： 鄭成博 教師職稱： 副教授 里仁學(xué)院《課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書 課程名稱：基于單片機(jī)的智能輸液系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基層教學(xué)單位：電氣工程系 指導(dǎo)教師：鄭成博 學(xué)號 121203041015 學(xué)生姓名 周歡 班級 生物醫(yī)學(xué)工程12-1 設(shè)計(jì)題目 自動送料機(jī)傳動裝置（圓柱齒輪一級減速器）SLZ-1 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)：1.工作電壓：220V 2.報(bào)警容量<10ML 3.無線傳輸距離<300m 4.傳輸頻率2.4GHz 設(shè)計(jì) 要求 1.按要求完成設(shè)計(jì)參數(shù)2.答辯論文 參考 資料 新型彈簧輸液報(bào)警器的研制與應(yīng)用[J] 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M] 等 周次 第一周 第二周 應(yīng) 完 成 內(nèi) 容 選擇題目； 針對題目進(jìn)行資料搜集并分析； 畫出設(shè)計(jì)電路圖； 對設(shè)計(jì)各部分功能進(jìn)行具體分析； 對程序進(jìn)行注釋； 完成答辯論文。 指導(dǎo)教 師簽字 基層教學(xué)單位主任簽字 說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報(bào)送院教務(wù)科一份。 2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計(jì)報(bào)告前面。 里仁學(xué)院 教務(wù)科 . . 本次設(shè)計(jì)是對于目現(xiàn)在輸液過程中存在一系列的醫(yī)療事故而設(shè)計(jì)的一整套智能輸液系統(tǒng)。通過對傳感器、控制芯片、電機(jī)的應(yīng)用的比較與分析以及通信方式,從而選擇出各部分的最佳方案。 系統(tǒng)包括上位機(jī)設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分,上位機(jī)是根據(jù)虛擬儀器軟件建立可視界面并對各個(gè)部分進(jìn)行編程,可以對正在輸液病人的信息了如指掌。醫(yī)護(hù)人員就可以方便對每一個(gè)病人的輸液情況進(jìn)行觀察,萬一出現(xiàn)液滴滴速過快或者過慢的非正常情況,醫(yī)護(hù)人員隨時(shí)可以處理。下位機(jī)設(shè)計(jì)就是把硬件傳送電路板放在病人那端,是以AT89S52作為控制芯片設(shè)計(jì)的,外圍電路是必須加的,來實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、數(shù)碼顯示、液滴檢測、液位檢測等功能,然后通過無線傳輸模塊PTR8000把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送出去。該系統(tǒng)價(jià)格低、功能齊全、性能好,它的應(yīng)用將對醫(yī)院的管理和護(hù)理自動化的水平有極大提高,并且它的應(yīng)用前景在醫(yī)療領(lǐng)域也將極其廣泛。 關(guān)鍵詞:單片機(jī),無線傳輸模塊，紅外傳感器，報(bào)警系統(tǒng) . . 目錄 1引言 1 1.1課題背景 1 1.2課題的研究現(xiàn)狀 2 1.3本課題的研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo) 3 2總體方案的設(shè)計(jì)和工作原理 3 2.1設(shè)計(jì)方案的選擇 3 2.2設(shè)計(jì)方案總體結(jié)構(gòu) 4 2.3方案論證與比較 5 2.3.1控制方案選擇 5 2.3.2電機(jī)方案的選擇 5 2.3.3步進(jìn)電動機(jī)的選型 6 2.3.4無線模塊的選型 7 2.3.5液滴檢測方案選擇 8 3硬件設(shè)計(jì) 9 3.1單片機(jī)的選型 9 3.2鍵盤設(shè)計(jì) 13 3.3數(shù)碼顯示電路 15 3.4聲光報(bào)警電路 16 3.5液滴檢測電路 17 3.6液位監(jiān)測單元 18 3.7電源電路的設(shè)計(jì) 19 4軟件設(shè)計(jì) 20 4.1主控模塊設(shè)計(jì) 20 4.2點(diǎn)滴速度的測量模塊設(shè)計(jì) 20 4.3報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 22 . . 1引言 1.1課題背景 隨著智能化控制研究的不斷發(fā)展，自動化臨床設(shè)備的研究日益成為醫(yī)療器械發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，因而設(shè)計(jì)一種智能輸液管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對輸液過程的全程監(jiān)控是醫(yī)學(xué)發(fā)展的必然趨勢。并且隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，衛(wèi)生醫(yī)療領(lǐng)域正進(jìn)行著一場信息化的革命。在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)手段己經(jīng)不能滿足當(dāng)今多元化、信息化、個(gè)性化的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。由于信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及醫(yī)學(xué)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及它們在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域行業(yè)中廣泛的應(yīng)用，世界正進(jìn)入一個(gè)數(shù)字醫(yī)療時(shí)代。 醫(yī)療設(shè)施發(fā)展趨勢的走向是否向上在于單片機(jī)智能輸液系統(tǒng)的發(fā)展是否也在向前發(fā)展，畢竟，單片機(jī)的性價(jià)比非常優(yōu)越，而以前的點(diǎn)滴滴速控制系統(tǒng)，使用的單片機(jī)價(jià)格比較貴，操作不容易實(shí)現(xiàn)，并且對滴速控制精度也較低?，F(xiàn)在單片機(jī)可以操作多個(gè)控制系統(tǒng)，還可以減輕工作人員的壓力，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率。在人為控制下有時(shí)如果不小心將會給安全設(shè)施帶來很大的麻煩，而且人工控制滴速精度也很難掌握，傳統(tǒng)臨床輸液中有患者、陪護(hù)或醫(yī)護(hù)人員隨時(shí)觀察監(jiān)視藥液余量的情況,牽扯到的精力大、效率低、還不利于病區(qū)的綜合管理的弊端。而使用單片機(jī)設(shè)計(jì)只要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮周到，運(yùn)行起來就不會帶來這種問題了，因此，單片機(jī)滴速控制系統(tǒng)將在醫(yī)療中得到廣泛應(yīng)用。該課題研究將具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對提高我國醫(yī)療器械水平將會產(chǎn)生具大的影響。醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展是順應(yīng)科學(xué)技術(shù)而發(fā)展的，醫(yī)療的安全問題更是離不開科學(xué)，把高科技應(yīng)用到醫(yī)療事業(yè)中來是對醫(yī)療事業(yè)的一大促進(jìn)與補(bǔ)充。 1.2課題的研究現(xiàn)狀 目前世界上最大的醫(yī)療器械市場是日本、美國、歐盟，但公認(rèn)的最有潛力的市場卻是中國。醫(yī)療設(shè)備與制藥業(yè)和器械產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值在發(fā)達(dá)國家比為 1∶1.9；而在中國，這個(gè)比例僅為 1∶5。由此可見中國醫(yī)療器械市場在世界的潛力非比尋常。我國已基本明確新時(shí)代的醫(yī)療體制的改革方向，國家將每年加大農(nóng)村基層醫(yī)療衛(wèi)生、公共衛(wèi)生體系和城市社區(qū)的建設(shè)，由此可以預(yù)見，新的時(shí)期就會來臨，那就是我國醫(yī)療器械市場快速發(fā)展的時(shí)期[6]。 國外對智能輸液裝置的研究比較早，如日本、美國和德國等國家在上個(gè)世紀(jì)八十年代末就進(jìn)行了智能輸液裝置的研制。輸液泵是一種多功能的輸液控制器，能夠比較精確地控制輸液速度，并能實(shí)現(xiàn)輸液阻塞、氣泡混入和輸液完成報(bào)警等功能。但是價(jià)格比較昂貴，在兩萬元人民幣左右。國內(nèi)對智能輸液裝置的研制起步較晚，大都在九十年代中期才開始研究。不過總的來說功能也只是側(cè)重于精確輸液控制，種類比較少，性能也需要改進(jìn)。由于在規(guī)范的操作下，輸液阻塞、氣泡混入是可以避免的，因此輸液速度的控制和輸液完成報(bào)警這些功能成為了人們更為關(guān)心的問題。作為一種醫(yī)療器械，安全性、可靠性是其基礎(chǔ)，作為一種普及到每一位輸液病人才能有實(shí)際意義的產(chǎn)品，使用方便并且價(jià)格低廉又是一種基本要求，所以，這種產(chǎn)品即使安全性、可靠性得到了充分保證，但是如果沒有簡單方便的操作和較低的價(jià)格作為其支撐，想要順利推廣也是不可能的。本系統(tǒng)對輸液沒有任何影響，系統(tǒng)操作簡單，安全性高，可靠性高，檢測的精度高。而且整體造價(jià)低，沒有使用成本，有很強(qiáng)的市場競爭力和推廣前景。 目前，我國三甲以上的醫(yī)院是563家，二甲縣級以上5000家，“十一五”規(guī)劃的醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)，包括社區(qū)醫(yī)院總共是31萬家。也就是說，其中80%以上是個(gè)體的診所和縣以下的基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)。在這些醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，所擁有的醫(yī)療儀器和設(shè)備有15%左右是20世紀(jì)70年代前后的產(chǎn)品，有60%是上世紀(jì)80年代中期以前的產(chǎn)品。因?yàn)槲覈浆F(xiàn)在還沒有醫(yī)療器械管理的有關(guān)法規(guī)，所以造成一些本應(yīng)淘汰、報(bào)廢的醫(yī)療器械至今還在使用，由于超期“服役”，有部分儀器早就不能準(zhǔn)確提供診斷依據(jù)了，但是有不少小診所甚至是醫(yī)院，出于經(jīng)濟(jì)利益的考慮仍然繼續(xù)使用。但是隨著我國人民生活水平的提高,人們對生命健康越來越關(guān)注,醫(yī)療器械作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)正在蓬勃地發(fā)展。 除此之外，我國還有很多科研醫(yī)療的機(jī)構(gòu),不少企業(yè)開發(fā)的輸液裝置都申報(bào)了專利。但是由于其穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度等方面還達(dá)不到實(shí)際要求,所以這些專利很少在現(xiàn)實(shí)中得到應(yīng)用?？傊?我國對智能輸液裝置的研制比較晚，點(diǎn)滴輸液自動化得到普及,還需要很長的路要走。 1.3本課題的研究內(nèi)容 整個(gè)系統(tǒng)主要包括四個(gè)設(shè)計(jì)模塊：1.從站數(shù)據(jù)采集電路，包括液滴信號的采集和液位信號的采集；2.從站數(shù)據(jù)處理電路，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、處理及控制；3.聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)；4.主站數(shù)據(jù)接收部分電路，主要為主站無線接收模塊PTR8000與單片機(jī)之間的SPI通信。 . 2總體方案的設(shè)計(jì)和工作原理 2.1設(shè)計(jì)方案的選擇 第一種方案是使用彈簧輸液報(bào)警器,該報(bào)警裝置是由一個(gè)可以控制的音樂集成塊,彈簧及兩塊電池組成[1]。輸液報(bào)警器掛在彈簧上，使輸液容器的重力轉(zhuǎn)化為彈簧的壓縮力，輸液結(jié)束時(shí)，彈簧回縮報(bào)警電路被接通，聲光報(bào)警，以提醒換藥，雖然有一定的新穎性，但智能化程度不高，難以實(shí)現(xiàn)智能化的醫(yī)療監(jiān)測要求。 第二種方案是用輸液瓶液位測量和報(bào)警裝置[2]。由彈簧，機(jī)架齒輪組的機(jī)械零件的裝置。要遵循胡克定律，通過測量重力的輸液瓶和瓶液位報(bào)警設(shè)備指針來間接測量水平的變化和變化中的報(bào)警電路開啟時(shí)，在接觸的金屬觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)報(bào)警。這個(gè)裝置是主要的機(jī)械原理液位測量，精密測量和智能化程度不高，難以推廣。 第三種方案是采用光的衍射方法來對微量物體進(jìn)行測量的裝置已經(jīng)獲得專利,其原理就是激光束在通過狹縫時(shí)得到衍射,而光電接收器收到衍射光后,則顯示信號被輸出。衍射狹縫的寬度是物體重量通過杠桿的作用來改變大小的,來使光電接收器收到的衍射光的強(qiáng)度發(fā)生改變。利用光電接收器把光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)成電信號而輸出。最后通過顯示的技術(shù)將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字顯示,達(dá)到對物體質(zhì)量進(jìn)行讀數(shù)的目的。但該裝置怎么樣應(yīng)用于輸液報(bào)警,其夾持機(jī)構(gòu)和測量精度是一個(gè)大難題,故沒有得到推廣。 第四種方案是使用新型PC，攝像頭，計(jì)數(shù)模塊和顯示，攝像頭定位裝置，其中相機(jī)連接到PC，輸液液滴的圖像和拍攝的圖像的顯示畫面轉(zhuǎn)移到計(jì)數(shù)模塊被安裝在個(gè)人電腦主機(jī)，用于相機(jī)所獲取的圖像信息的收集和分析，計(jì)算處理,和液滴的數(shù)量，該計(jì)算結(jié)果的數(shù)值將被顯示在顯示器上。實(shí)用新型計(jì)數(shù)模塊以及顯示，攝像頭，PC主機(jī)，PC,使用現(xiàn)有的技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)，輸液的狀態(tài)可以是數(shù)值或圖像直觀的反應(yīng)，那么輸液的狀態(tài)就會被遠(yuǎn)程監(jiān)控，整體結(jié)構(gòu)非常簡單，有效的監(jiān)測。該設(shè)備在醫(yī)院的圖像處理技術(shù)提出了很高的要求，它是難以推廣。 在輸液過程中會有很多外界隨機(jī)事件,如病人的誤動作、液體氣泡等都會影響液滴的重量,導(dǎo)致誤測,甚至引發(fā)誤報(bào)警。然而本系統(tǒng)需要每一個(gè)床位安裝一臺,與床頭已有的報(bào)警系統(tǒng)相聯(lián)系,利于實(shí)時(shí)監(jiān)控,隨時(shí)可以改變輸液時(shí)液滴的流速,同時(shí)不需要重新布線而增加成本,故推廣應(yīng)用比較方便。所以結(jié)合智能控制技術(shù),根據(jù)具體要求給出數(shù)學(xué)模型,再由數(shù)學(xué)模型給出數(shù)值算法,最后由數(shù)值算法編出程序，使系統(tǒng)能總體尋優(yōu),具有自學(xué)習(xí)、修復(fù)記憶、補(bǔ)償、判斷、決策能力。 2.2設(shè)計(jì)方案總體結(jié)構(gòu) 上 位 機(jī) 顯示模塊 單 片 機(jī) 本次設(shè)計(jì)采用光電檢測與單片機(jī)控制，通過PTR8000模塊無線傳輸實(shí)現(xiàn)對病人輸液過程的控制?？梢詫?shí)現(xiàn)功能為：（1）設(shè)置輸液時(shí)間和速度（2）他們的PTR8000模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控輸液速度和輸液時(shí)間（3）當(dāng)輸液臨近結(jié)束時(shí)或在輸液過程中的發(fā)生異常報(bào)警該系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分組成：（1）主機(jī)（監(jiān)控中心）通過PC和PTR8000模塊對每個(gè)從站遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警，收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了解病人的基本信息。（2）從站，由單片機(jī)系統(tǒng)組成，對一個(gè)特定的輸液過程進(jìn)行控制。它包括：滴速控制模塊、鍵盤與顯示模塊、聲光報(bào)警模塊及PTR8000模塊、滴位檢測模塊。如以下圖1所示： 滴位檢測模塊 聲光報(bào)警模塊 滴速控制模塊 鍵盤模塊 PTR8000模塊 圖1 從站框架圖 數(shù)碼管顯示 按鈕 圖2 控制面板 2.3方案論證與比較 2.3.1控制方案選擇 方案一:可以采用的是模擬控制方案,最突出的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉而且簡單容易操作,但是最大的缺點(diǎn)是精度比較低,不易于功能的擴(kuò)展。 方案二:采用 AT89S52 單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算和控制。這種方案使系統(tǒng)中需要的鍵盤的設(shè)定和動態(tài)顯示滴速等功能顯示比較方便，并且可以實(shí)現(xiàn)主站與從站之間的通信。數(shù)據(jù)傳送時(shí)受到的干擾也比較小,傳輸性能好。 因此,本系統(tǒng)采用第二種方案。 2.3.2電機(jī)方案的選擇 方案一：伺服電機(jī)。 伺服電機(jī)可以接收電信號，然后轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動軸上的角速度與角位移。其轉(zhuǎn)速要比電機(jī)在負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速高很多。但是就伺服電機(jī)的使用情況來說，多數(shù)是在低的轉(zhuǎn)動慣量、高的啟動轉(zhuǎn)矩和大轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)里。并且伺服電機(jī)的價(jià)格較高，很少使用。 方案二：直流電機(jī)。 直流電機(jī)上電后立馬轉(zhuǎn)動，掉電后慣性較大，停機(jī)時(shí)還要轉(zhuǎn)動一定角度后才可停下來。轉(zhuǎn)矩小、沒有抱死功能，如果要求準(zhǔn)確地停在一個(gè)位置，其閉環(huán)算法太復(fù)雜。 方案三：步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)主要是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，容易開啟停止、正反轉(zhuǎn)及變速,動態(tài)響應(yīng)快[7]。價(jià)格適中，控制精度較高，適用于較為精確的測量中，還可以有效提高輸液速度的控制精度。步進(jìn)電機(jī)每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，步進(jìn)電機(jī)會輸出特定的角位移或者線位移，其與輸入脈沖數(shù)成正比例，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比例關(guān)系。本文以單片機(jī)為核心，控制了步進(jìn)電機(jī)的工作，其控制信號是數(shù)字信號，也就不需要數(shù)／模轉(zhuǎn)換了。其具有了快速的啟／停能力，可以在一剎那實(shí)現(xiàn)啟停動作，并且其步距角的降低較小，延時(shí)短，定位準(zhǔn)確，精度高，可操作性較強(qiáng)。 因此選擇方案三。 2.3.3步進(jìn)電動機(jī)的選型 機(jī)電一體化的產(chǎn)品關(guān)鍵部件之一就是步進(jìn)電動機(jī)，一般被用作定位的控制和定速的控制。步進(jìn)電機(jī)定位精度高、慣量低、控制簡單、沒有累積誤差等特點(diǎn)。 在選擇步進(jìn)電動機(jī)的時(shí)候，最先要保證的是步進(jìn)電動機(jī)的輸出功率必須要大于負(fù)載所需要的功率。但在選取功率步進(jìn)電動機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械的負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)的矩頻特性在一定程度能滿足機(jī)械的負(fù)載并且有的余量能保證它的運(yùn)行可靠。在實(shí)際的工作進(jìn)程中，各個(gè)頻率下負(fù)載的力矩應(yīng)該在矩頻特性曲線的范圍。一般最大靜力矩大的電動機(jī)，那么負(fù)載力矩就大。 Y系列三相異步電動機(jī)一般用在鼠籠型異步電動機(jī)基本系列，全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)。它的功率等級、中心高、安裝尺寸都符合IEC國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品可以和國內(nèi)外各類機(jī)械設(shè)備配套。Y系列電機(jī)具有效率高、振動小、噪聲低、能耗少、重量輕、體積小，維護(hù)方便，性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)一般情況選擇Y80-132。以下表1為參數(shù)： 表1 Y80-132的參數(shù) 機(jī)座號 凸緣號 極數(shù) 機(jī)座 軸伸 凸圓端蓋 AB AC AD HD L A A/2 B C H K D E F G M N P R S T 孔數(shù) Y80 FF165 2.4 125 62.5 100 50 80 10 19 40 6 15.5 165 130 200 0 12 3.5 4 165 175 150 175 290 2.3.4無線模塊的選型 我們知道就有線通信而言，其擴(kuò)展的性能較差，布線相對比較麻煩，而且其成本也較高?，F(xiàn)有的有線通信都是將線纜埋藏在地下，這樣就會存在線路腐化、遭到侵蝕的問題，容易影響到通信的質(zhì)量?？紤]到護(hù)士站到病房的距離在大醫(yī)院來說大約在100到200米左右，建議使用PTR8000無線模塊。以下為PTR8000無線數(shù)傳模塊的好處： 目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出種類齊全的甚高頻（VHF）無線數(shù)傳模塊，以工作于433MHz和2.4GHz為多。nRF905是一款工作在433/868/915 MHz ISM頻段的單片無線射頻收發(fā)芯片。其顯著特點(diǎn)是： ? 通信距離100～300米(433MHz), 10～40米(2.4GHz) ? 所需外圍元件少，設(shè)計(jì)方便 ? 工作于國際開放的ISM頻段，無需向?qū)I(yè)部門申請使用許可 ? 作為無線技術(shù)方案，它省卻了鋪設(shè)傳輸連接線的麻煩，而且升級和增加新的設(shè)備非常方便，低功耗 ? nRF905的工作電壓范圍為1.9V～3.6V，其電流消耗很低，發(fā)射電流約為11mA(-10dB輸出)，接收電流約為12.5mA，待機(jī)電流為2μA 采用低價(jià)格的單片機(jī)和無線收發(fā)模塊相結(jié)合來構(gòu)建無線通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn): ? nRF905 作為短距離單片式無線收發(fā)芯片具有低功耗、抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率相對較快的特點(diǎn)。價(jià)格低廉，開發(fā)平臺較低，硬件設(shè)計(jì)簡單，開發(fā)周期較短。 ? 可應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、無線抄表、門禁系統(tǒng)、機(jī)器人控制等領(lǐng)域，因此具有廣闊的市場空間和發(fā)展?jié)摿Α? 2.3.5液滴檢測方案選擇 方案一:用壓力傳感器來進(jìn)行測量的方法。壓力傳感器主要是利用壓力的效應(yīng)而造成的，在輸液瓶的下方加一個(gè)壓力傳感器,通過壓力的大小的變化情況來判斷是不是有液滴滴下，壓力傳感器的價(jià)格低廉、抗干擾的能力突出而且使用壽命也長。但是在本次設(shè)計(jì)中不容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差會較大。 方案二:用可見光二極管和光敏三極管共同組成的傳感器來測量[3][4]。與光敏二極管相比，光敏三極管則有很大光電流放大的作用，但是較高靈敏度也存在弊端，其在系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)有可能導(dǎo)致滴速測量的不準(zhǔn)確，采用了大功率的光敏三極管正好可以彌補(bǔ)這一遺憾，不過他的功耗太大，容易造成不必要的浪費(fèi)。 方案三:脈沖調(diào)制的紅外傳感器。紅外發(fā)射管的最大工作電流是由其平均電流決定的，而且它的調(diào)制信號占空比較小，瞬間電流會達(dá)到很大，大大提高了信號噪聲比，切實(shí)地增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力[10]。近幾十年來，紅外傳感器價(jià)格合適、性能優(yōu)良，正逐步得到了廣大的電子愛好者的喜愛，在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各大行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 因此，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了方案三。 3硬件設(shè)計(jì) 從站 主站負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)接收從輸液監(jiān)控儀發(fā)送的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析和處理。主站包括PC機(jī)和無線PTR8000模塊兩部分，它可以看成是一個(gè)擴(kuò)展了的 PC機(jī)。PC機(jī)負(fù)責(zé)對輸液過程的監(jiān)控和對輸液數(shù)據(jù)的管理，無線PTR8000模塊將PC機(jī)擴(kuò)展成了可以接收無線信號的裝置，并對各個(gè)輸液的監(jiān)控儀進(jìn)行了通信調(diào)度，并把接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，然后PC機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。如圖3所示： 主站 MCU MCU PTR8000 MCU PTR8000 MCU PTR8000 MCU MCU MCU PC機(jī) PTR8000 圖3 主站框架圖 當(dāng)本文的輸液監(jiān)控系統(tǒng)處在工作狀態(tài)時(shí)，PTR8000模塊收到數(shù)據(jù)后，立即把它傳送給PC機(jī)，監(jiān)控管理的軟件在接收到了該輸液數(shù)據(jù)之后，就將它保存到了數(shù)據(jù)庫，然后經(jīng)過調(diào)用監(jiān)控的模塊，把各個(gè)輸液狀態(tài)顯示到用戶界面上，管理者就可清晰的知道各輸液情況，若輸液過程中發(fā)生異常，系統(tǒng)就會發(fā)出聲光報(bào)警。 系統(tǒng)硬件和軟件要作統(tǒng)一規(guī)劃,一種功能既可以由軟件實(shí)現(xiàn),又可以由硬件實(shí)現(xiàn),要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和性能價(jià)格比進(jìn)行綜合確定,智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)可分為軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)兩大部分,硬件設(shè)計(jì)主要包括用在病人端的發(fā)送板和用在護(hù)士端 的接收板,軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)及在護(hù)士端的上位機(jī)軟件程序兩大部分。 3.1單片機(jī)的選型 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線，看門狗定時(shí)器,2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路,另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 主要的功能如下： MCS-51指令系統(tǒng)可以兼容8k可反復(fù)擦寫(>1000次）ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作電壓32個(gè)雙向I/O口 256x8bit內(nèi)部RAM256x8bit內(nèi)部RAM256x8bit內(nèi)部RAM 全雙工UART串行中斷口線時(shí)鐘頻率0-33MHz 2個(gè)外部中斷源2個(gè)外部中斷源2個(gè)外部中斷源 中斷喚醒省電模式3級加密位 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程看門狗（WDT）電路 雙數(shù)據(jù)寄存器指針軟件設(shè)置空閑和省電功能 以下圖5為引腳圖： 圖5 AT89S52的引腳圖 因?yàn)閮?nèi)置軟件看門狗便宜和易于推廣，可免除外部看門狗芯片，以降低成本，而且也容易掌握，和工業(yè)的80C51指令和引腳兼容，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程也靈活方便，故而選擇AT89S52作為下位機(jī)的微處理器。 VCC:電源 GND:地 P0口：P0端口是8位雙向的漏極開路的I/O口。當(dāng)作輸出口用時(shí)，每位可以驅(qū)動8個(gè)TTL型的邏輯電平。當(dāng)我們對P0口寫入“1”時(shí)，此引腳就用作高阻抗輸入來使用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器的時(shí)候，P0端口會作為低8位的地址/數(shù)據(jù)來使用。在這種情況下，P0端口就具有內(nèi)部的上拉電阻了。在我們用flash進(jìn)行編程時(shí)，P0端口會接收發(fā)送到的指令字節(jié)；在校驗(yàn)程序的時(shí)候，會輸出指令字節(jié)的。我們知道在程序校驗(yàn)時(shí)，需要合適的外部上拉電阻。 P1口：P1端口是雙向的有內(nèi)置的上拉電阻8位I/O口，P1口上的輸出端的緩沖器可以同時(shí)驅(qū)動四個(gè)TTL型的邏輯電平進(jìn)行工作。當(dāng)我們對P1口寫入“1”的時(shí)候，其內(nèi)部的上拉電阻就會拉高端口，該端口就可以當(dāng)作輸入口來使用了。當(dāng)作為輸入使用時(shí)，在內(nèi)部電阻作用下外部被放低的引腳，將會輸出IIL型電流。此外，P1.0會作為計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 2的外部計(jì)數(shù)的輸入端口，P1.2會作為計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器2觸發(fā)的輸入端口。當(dāng)我們對flash校驗(yàn)和編程的時(shí)候，P1端口會接到低8位的地址字節(jié)。 P1引腳第二功能如表2所示： 表2 P1引腳的第二功能 P1.0 T2 用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部的計(jì)數(shù)輸入端口和時(shí)鐘的輸出端口 P1.1 T2EX 用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的重載/捕捉觸發(fā)的信號與方向控制 P1.5 MOSI 系統(tǒng)編程時(shí)用 P1.6 MISO 系統(tǒng)編程時(shí)用 P1.7 SCK 系統(tǒng)編程時(shí)用 P2口：P2端口是雙向的具有內(nèi)部的上拉電阻的8位的I/O 端口，P2口上的輸出緩沖器可以驅(qū)動四個(gè)TTL型的邏輯電平。當(dāng)我們對P2端口寫入“1”的時(shí)候，其內(nèi)部的上拉電阻就會把端口拉高，此時(shí)就當(dāng)作輸入口來使用了。當(dāng)該端口被當(dāng)作輸入口來使用時(shí)，在外部被拉低的引腳在內(nèi)部電阻的作用下，將輸出IIL型電流。在訪問外部的程序存儲器時(shí)，P2端口會送出高8位的地址，用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)也是這樣。此時(shí)，P2端口會使用很強(qiáng)內(nèi)部上拉來發(fā)送“1”。在使用8位的地址來訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時(shí)候，P2端口會輸出P2鎖存器中的內(nèi)容。當(dāng)在用flash編程和校驗(yàn)的時(shí)候，P2端口會依據(jù)接收到的高8位地址字節(jié)和控制信號來工作。 P3口：P3是雙向的具有內(nèi)部的上拉電阻的8位的I/O 端口，P3上的輸出緩沖器可以驅(qū)動四個(gè)TTL型的邏輯電平工作。當(dāng)我們對P3口寫入“1”的時(shí)候，其內(nèi)部的上拉電阻就會把端口拉高，該端口就可以當(dāng)作輸入口來使用。當(dāng)其當(dāng)作輸入口使用時(shí)，在外部被拉低的引腳在內(nèi)部電阻的作用下，將會輸出IIL型電流。P3端口也可以作為AT89S52的特殊功能來使用。另外，在我們進(jìn)行flash編程驗(yàn)的時(shí)候，P3端口也會接收控制信號。圖6為最小系統(tǒng)圖： 圖6 AT89S52最小系統(tǒng)電路圖 3.2鍵盤設(shè)計(jì) 根據(jù)要求需要兩個(gè)按鈕，具體電路如下: 圖7 鍵盤電路圖 鍵盤由一組按一定規(guī)則來排列的按鍵所組成的。實(shí)際上，一個(gè)按鍵就是一個(gè)起作用的開關(guān)元件。通俗來說，鍵盤就是一組按規(guī)則來排列的開關(guān)。我們知道按鍵按其結(jié)構(gòu)原理來分成兩類，一類為觸點(diǎn)式的開關(guān)按鍵[14]，比如機(jī)械式的開關(guān)、導(dǎo)電橡膠式的開關(guān)等；一類為無觸點(diǎn)的開關(guān)按鍵，比如電氣式的按鍵，磁感應(yīng)的按鍵等。就其特點(diǎn)而言，前者的造價(jià)低廉，后者的壽命較長。因此在微機(jī)系統(tǒng)里最常用的是觸點(diǎn)式的開關(guān)按鍵，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也不例外。 按照接口原理，鍵盤可以分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩大類。這兩種鍵盤的區(qū)別之處是識別鍵符以及給出鍵碼的方法。編碼式鍵盤主要通過硬件實(shí)現(xiàn)了對鍵的識別，非編碼式鍵盤是由軟件控制實(shí)現(xiàn)了鍵盤定義和識別功能。全編碼式鍵盤可以通過硬件邏輯來提供與鍵相對應(yīng)的編碼，另外還具有去除抖動與多、竄鍵保護(hù)的電路，這類鍵盤的使用較方便，但是需要的硬件較多，價(jià)格也較貴，一般的以單片機(jī)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)就很少采用。非編碼式鍵盤只是簡單提供了行列矩陣，其它的工作都是由軟件來完成。其經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，廣泛地應(yīng)用在單片機(jī)的系統(tǒng)中[15]，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)便是如此。 本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用了機(jī)械式觸點(diǎn)按鍵開關(guān)，其功能是將機(jī)械觸點(diǎn)的通斷轉(zhuǎn)變成電氣方面邏輯關(guān)系。就是說，它可以提供標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯的電平，以便可以同通用數(shù)字系統(tǒng)邏輯電平互容。機(jī)械式的按鍵在按下或者放開時(shí)，在機(jī)械彈性的作用下，通常會伴隨一定時(shí)間內(nèi)觸點(diǎn)的機(jī)械抖動，而后觸點(diǎn)才可以穩(wěn)定下來。開關(guān)機(jī)械特性會直接影響抖動時(shí)間，一般是5 -10ms。按鍵的通斷狀態(tài)由觸點(diǎn)在其抖動期間內(nèi)檢測出來，這樣可能會導(dǎo)致出現(xiàn)判斷錯誤。即按鍵在一次按完或者放開期間被誤解為多次的操作，此種情況是絕對不允許發(fā)生的。為了避免觸點(diǎn)機(jī)械抖動產(chǎn)生檢測誤判，就必須采取除抖動的措施，可以從硬、軟件兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。當(dāng)鍵數(shù)少時(shí)，可以采用硬件除抖，當(dāng)檢測到了該鍵被釋放后，在去按另外的按鍵。 本文的鍵盤的控制程序具備以下的功能:（1）檢測是否有按鍵按下，并且采取相應(yīng)的硬件或者軟件措施，來消除按鍵的機(jī)械觸點(diǎn)產(chǎn)生的抖動的影響。（2）具有固定可靠邏輯方面的處理方法。而每一次只對一個(gè)按鍵進(jìn)行處理，在此期間對于何種按鍵操作對此系統(tǒng)都不會產(chǎn)生影響，并且無論每次的按鍵時(shí)間是多長，系統(tǒng)只完成一次按鍵操作的程序功能。（3）準(zhǔn)確無誤地輸出按鍵的值（或者鍵號），來達(dá)到跳轉(zhuǎn)指令的要求。本文的系統(tǒng)因其所使用的按鍵比較少，所以采用了兩個(gè)按鈕的鍵盤。列線應(yīng)分別連接在按鍵開關(guān)兩端，行線要由上拉的電阻接在+5V 上。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，行線會處在高電平的狀態(tài)下；當(dāng)按鍵按下時(shí)，行線和列線將會導(dǎo)通，此時(shí)，行線的電平將會由與此線相連接的列線的電平來決定。這就是來識別按鍵是否按下的關(guān)鍵。按鍵是否按下均影響該鍵所在行、列線的電平，各按鍵間都會相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來適當(dāng)?shù)靥幚?，才能確定閉合鍵的位置。 3.3數(shù)碼顯示電路 按照相關(guān)的規(guī)定，輸液時(shí)液速的正常范圍應(yīng)該是每分鐘30到150滴,所以本系統(tǒng)的數(shù)碼管選擇了三位, LED顯示模塊使用了74HC164驅(qū)動共陰數(shù)碼管。74HC164是8位的邊沿觸發(fā)式的移位寄存器，它是串行的輸入數(shù)據(jù)，然后再并行的輸出。這樣數(shù)據(jù)便可通過兩輸入端（DSA或DSB）之一進(jìn)行串行輸入，任一個(gè)輸入端都可以用作高電平的使能端，來控制另一個(gè)輸入端輸入數(shù)據(jù)。從單片機(jī)的串口輸出的信號首先要送到最左邊的移位寄存器（74HC164）,因?yàn)橐莆幻}沖的作用，數(shù)據(jù)便向右移，以此完成顯示。采用串行顯示，與并行顯示相比，串行顯示占用接口少，更加適用于本系統(tǒng)，數(shù)碼顯示的電路如圖所示。顯示電路的功能是顯示電壓與滴速,開機(jī)顯示了電壓的電量,醫(yī)務(wù)人員會根據(jù)實(shí)際情況決定是否應(yīng)需要插入電源,保證輸液過程的正常工作。當(dāng)有液滴滴下時(shí),就開始顯示：一方面可以方便護(hù)士在給病人輸液時(shí)調(diào)節(jié)藥液滴速,這樣就防止了只憑經(jīng)驗(yàn)來調(diào)速，造成調(diào)速不準(zhǔn)的醫(yī)療隱患;另一方面方便了護(hù)士巡房,使醫(yī)療服務(wù)更加的準(zhǔn)確、高效。以下圖8為顯示電路圖： 圖8 數(shù)碼管顯示電路 3.4聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警用于以下的兩種情況中:一是輸液瓶中的液體快要滴完時(shí),應(yīng)及時(shí)地通知護(hù)士，讓她盡快地拔針,避免造成血液的回流現(xiàn)象,產(chǎn)生危害病的人體健康事故。二是輸液的過程中,如果病人保持一個(gè)固定的動作，很快就會感覺到手麻,在稍微的移動了一下,液滴的速度就可能發(fā)生過快或者過慢的現(xiàn)象,但是液速很快會 恢復(fù)正常情況，這是不可避免的，這也屬正常的情況,不必發(fā)出報(bào)警,盡量的減少了醫(yī)務(wù)人員的工作量,若持續(xù)時(shí)間超過30秒,就可能是發(fā)生了血管的堵塞現(xiàn)象,或者是針頭松掉了,這時(shí)應(yīng)該及時(shí)地報(bào)警，提醒護(hù)士進(jìn)行相應(yīng)地處理[8]。 . 如果是重病患者,根據(jù)需要也可以屏蔽蜂鳴器,只要發(fā)光二極管不斷閃動就可以了。本設(shè)計(jì)采用的蜂鳴器由直流電壓來供電,分為有源和無源兩種。有源的蜂鳴器要直接接到5V的電源就可以連續(xù)地發(fā)聲,而無源的蜂鳴器則與電磁揚(yáng)聲器相似,要接到音頻輸出的電路中才可以發(fā)聲[9],因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用了有源的蜂鳴器。蜂鳴器需要較大的工作電流,單片機(jī)的輸入/輸出端口不能驅(qū)動其工作,一般需要采用三極管或者是其他的放大器件放大電流后才行。另外,一般的蜂鳴器在接通的時(shí)候發(fā)出的聲音較單一,可能導(dǎo)致病人產(chǎn)生反感的情緒,進(jìn)而造成了身體上的不適,所以本設(shè)計(jì)采用了定時(shí)器中斷程序使得蜂鳴器發(fā)出了有節(jié)奏感的滴滴聲,并且還增加了一個(gè)發(fā)光的二極管,伴隨有節(jié)奏感的好聽聲音,發(fā)光的二極管會不斷地閃動起來,醫(yī)務(wù)人員就可以及時(shí)地進(jìn)行處理。以下圖9為報(bào)警電路圖： 圖9 聲光報(bào)警電路 3.5液滴檢測電路 液滴檢測電路是本次設(shè)計(jì)的重中之重,如果滴速計(jì)算的不準(zhǔn),將會帶來很多不必要的麻煩,輸液時(shí)間計(jì)算也會有所出入,報(bào)警不準(zhǔn)容易造成護(hù)士的手忙腳亂,失去了智能監(jiān)控的作用。信號采集處理電路如下圖所示，若測試時(shí)檢測到液滴的電壓差信號過小，可在比較器前加上一級差動放大電路增大檢測的可靠性。由信號采集電路原理圖可以看出，當(dāng)藥瓶內(nèi)的液體液面處于光路的上面時(shí)(或者液滴滴下切斷了光路)，紅外發(fā)射的二極Send1射出的光就不能被紅外接收的二極管Receive1所接收，從而Receive1就截止了，晶體管也就截止了，OP07的輸出端是高電平了；當(dāng)藥瓶內(nèi)的液體液面慢慢下降到光路的附近時(shí)(或者沒有了液滴滴下時(shí))，紅外發(fā)射的二極管Send1所射出的光就能被紅外接收的二極管Receive1所接收，從而Receive1就導(dǎo)通了，晶體管也導(dǎo)通了，OP07的輸出端就是低電平了，此時(shí)的單片機(jī)就產(chǎn)生了外部中斷，驅(qū)動相應(yīng)的電路來發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號，然后通知醫(yī)務(wù)人員來采取緊急措施，從而達(dá)到了采集數(shù)據(jù)以及控制報(bào)警的目的。 圖10 液滴檢測電路 3.6液位監(jiān)測單元 與速度檢測單元一樣，本文也提出兩種可以實(shí)現(xiàn)的方法，即有、無損探測。本文考慮到了系統(tǒng)醫(yī)用衛(wèi)生的標(biāo)準(zhǔn)，輸液吊瓶中要應(yīng)盡量地避免有異物的進(jìn)入，于是就選用了紅外無損的探測方案[11]。通常情況下，吊瓶壁的厚度與外直徑都要比滴斗要大的多，但當(dāng)我們增大紅外的發(fā)射功率之后，經(jīng)過有水與無水儲液瓶所接到的信號不同仍在30-40mV 之間，這說明了紅外的無損的探測方式對超越限值報(bào)警的電路而言是行得通的[12]。因?yàn)楸疚牡脑较迗?bào)警的電路只是需要工作在液體下降至紅外的發(fā)射接收的通路高度之下，所以本文的傳感器單元所接收的信號無需經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，只是需要放大工作即可，出于信號的傳輸損耗越小的考慮，本文將初級放大單元的電路和傳感器單元一起設(shè)計(jì)安裝在了儲液瓶的旁邊。然后在設(shè)定一個(gè)門限電平，使接收信號高于門限電平時(shí)給單片機(jī)送入一個(gè)信號，產(chǎn)生警報(bào)，即構(gòu)成了越限報(bào)警電路[13]，其系統(tǒng)框圖及電路圖分別如下圖11和圖12所示： 圖11 單元框圖 圖12 液位檢測電路圖 3.7電源電路的設(shè)計(jì) 電源在電路設(shè)計(jì)中是非常重要的,電壓太大,就會導(dǎo)致電流過大,容易減少元器件的壽命,甚至?xí)龎膯纹瑱C(jī)的芯片,造成不可估算的損失,本系統(tǒng)需要產(chǎn)生的電平包括: 5V電壓:單片機(jī)控制芯片,紅外對管,步進(jìn)電機(jī),報(bào)警電路。 因此在本設(shè)計(jì)中采用單電源方案,單電源方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單、工作可靠。在設(shè)計(jì)中我們采用所有元件的適中電壓+5V,它通過變壓器先把生活中常用的交流電變換成+5V的電壓,再用穩(wěn)壓器把它穩(wěn)定在5V。電路圖如下圖所示：IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。以下圖13為電源電路圖： 圖13 電源電路 4軟件設(shè)計(jì) 要想保證整個(gè)輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠正常的工作,硬、軟件設(shè)計(jì)都是不可以忽視的組成部分。沒有了硬件,軟件就是一堆亂碼,沒有了軟件,硬件就是空殼了,所以即使硬件設(shè)計(jì)比較完整,但是如果沒有了軟件應(yīng)用部分,本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還是不可以工作的。所以只有將合乎設(shè)計(jì)的要求的嵌入式的軟件控制程序下載至相應(yīng)的硬件電路板之上,系統(tǒng)的各個(gè)部分才能夠正常運(yùn)行,完成預(yù)期。 4.1主控模塊設(shè)計(jì) 主控模塊作為軟件系統(tǒng)的核心，在工作的時(shí)候首先要對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和串口部分進(jìn)行初始化，然后協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊進(jìn)行工作。本次設(shè)計(jì)的初始化主要包含以下兩方面，一是對于串口要進(jìn)行必要的初始化工作，讓其在方式1下工作，而波特率則是由定時(shí)器T1的溢出率設(shè)定，設(shè)定為1200bit/s，并讓其工作在允許接收狀態(tài)下。單片機(jī)的外圍電路里使用了頻率是11.0592MHz 的晶振，需要設(shè)定定時(shí)器1的初始值248(OE8)。串口數(shù)據(jù)的通信過程里的發(fā)送和接收必須要通過中斷來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此必須要設(shè)置串口中斷方式；二是對于外部的中斷0的設(shè)置，在輸液的監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，當(dāng)有液滴滴下的時(shí)候，液滴的檢測電路會捕捉所產(chǎn)生電信號的來源，再發(fā)出1個(gè)數(shù)字的脈沖信號，送到單片機(jī)的內(nèi)部使其產(chǎn)生了1個(gè)外部的中斷0。本系統(tǒng)在中斷計(jì)數(shù)的時(shí)候，應(yīng)該啟動外部中斷0，并且將其設(shè)定在電平的觸發(fā)模式中，及用于計(jì)數(shù)的R4寄存器內(nèi)部清零[17]。 4.2點(diǎn)滴速度的測量模塊設(shè)計(jì) 點(diǎn)滴速度存在兩種測量方式。一是：以點(diǎn)滴每次間隙為單位，記錄出一次點(diǎn)滴所用時(shí)間，用60來除以點(diǎn)滴的間隔單位的時(shí)間就可以得到點(diǎn)滴數(shù)/每分鐘。此方法用除法操作，如果點(diǎn)滴速度比較快，測量誤差也較大。而測量所得到點(diǎn)滴的單位時(shí)間誤差會被 60 秒的時(shí)間單位所放大。但此方法用在點(diǎn)滴速度的修正上，可以適時(shí)的測得點(diǎn)滴速度的變化量，其適用于調(diào)整滴速的場合。二是：用單位時(shí)間來記錄出點(diǎn)滴數(shù)。利用乘法計(jì)算來算出滴速，此法存在一定弊端，如果單位時(shí)間里的點(diǎn)滴數(shù)目不是整數(shù)，就容易存在測量的誤差。但若是在滴速恒定情況下，可以采取在許多單位時(shí)間里取均值，從而求出單位時(shí)間的平均點(diǎn)滴數(shù)，這樣就可以達(dá)到比較高的精度[18].在本次設(shè)計(jì)中，將采用將兩者結(jié)合起來的方法進(jìn)行測量。以點(diǎn)滴為單位，同時(shí)對于多個(gè)點(diǎn)滴來測量，計(jì)算出滴速。如圖是實(shí)現(xiàn)原理。 中斷計(jì)數(shù) A B 中斷計(jì)數(shù) 圖14 脈沖電路圖 定時(shí)器 T 0的定時(shí)時(shí)間是200us，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有脈沖信號發(fā)出時(shí)，程序就開始進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理，將計(jì)數(shù)器里存儲的內(nèi)容讀出來，然后將計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，作為了記錄脈沖信號的初始值，將其計(jì)為COUNT=0，當(dāng)定時(shí)器的時(shí)間到達(dá)了 200us時(shí)，程序中斷就會檢測輸入的信號是否是有脈沖信號，同時(shí)將計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1的操作，即計(jì)COUNT=1，另外設(shè)置計(jì)數(shù)器COUNT=1所記錄的檢測到的脈沖信號的個(gè)數(shù)，設(shè)置計(jì)數(shù)器COUNT=1存儲單元為10，這樣就可循環(huán)存儲脈沖的個(gè)數(shù)。我們可以在定時(shí)器COUNT=1中取出5個(gè)相臨脈沖的信號點(diǎn)（可以設(shè)定起始的脈沖點(diǎn)為 x，其相對應(yīng)于計(jì)數(shù)器COUNT數(shù)值為n1，那么第五脈沖點(diǎn)就為x+5，其相對應(yīng)于計(jì)數(shù)器COUNT數(shù)值為n 2），這時(shí)就計(jì)算出了經(jīng)過五個(gè)脈沖點(diǎn)的時(shí)間是：t = (n2 - n1)200us，從而就得到了相臨的脈沖信號時(shí)間間隔平均值是：T=t/5，也就得到了點(diǎn)滴速度是：v=60s/T=1500/(n2-n1)[19]。經(jīng)過以上的分析與計(jì)算，就得到了點(diǎn)滴速度的測量程序圖。 開始 定時(shí)200us 設(shè)置計(jì)數(shù)器COUNT=0 設(shè)置計(jì)數(shù)器COUNT1=0 定時(shí)結(jié)束 退出中斷 否 是 COUNT加1 檢測到脈沖信號 否 是 COUNT1加1 . 圖15 點(diǎn)滴速度的框架圖 4.3顯示報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 查詢液滴過慢或有沒有液滴落下時(shí)及時(shí)的報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)主要是依靠 4s 定時(shí)中斷程序來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上的分析，在輸液進(jìn)程中滴下的液滴的數(shù)量最主要是利用程序?qū)NT0傳送來的信號邊緣進(jìn)行檢測計(jì)數(shù)，并且在程序中使用R4計(jì)數(shù)器加1來實(shí)現(xiàn)對液滴的計(jì)數(shù)。因此，只要在4s內(nèi)有液滴滴下時(shí)R4中的值就一定會改變，正常的輸液在4s的時(shí)間內(nèi)R4的值是一定會變化的。因此，就可以通過判斷4s內(nèi)R4的值是否發(fā)生變化，來判斷在這4s的時(shí)間間隔中是不是有液滴滴下，當(dāng)R4的值有變化時(shí)就說4s內(nèi)有液滴滴下;當(dāng)判斷出R4的值沒有任何變化時(shí)就說明4s內(nèi)沒有液滴滴下，給報(bào)警標(biāo)志位置1，讓它們分別驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警。 在本次設(shè)計(jì)中若出現(xiàn)以下情況下時(shí)就會進(jìn)行報(bào)警：①當(dāng)輸液正常完成時(shí)，這時(shí)最后一滴液體以后就沒有液滴滴下了，這就相當(dāng)于兩滴液體的間隔時(shí)間為無窮大，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4s的定時(shí)，這時(shí)R4的值就不會發(fā)生變化，就開始報(bào)警；②輸液因意外情況而發(fā)生中斷的，這時(shí)當(dāng)中斷前的某一液滴滴下后，再就沒有其他液滴滴下了，其與第一種現(xiàn)象是相同的，這時(shí)R4的值也不會變化，也發(fā)出報(bào)警信號；③輸液太慢時(shí)，兩液滴滴下的時(shí)間間隔超過了四秒，這時(shí)R4的值也不會變化，也報(bào)警。 當(dāng)出現(xiàn)了以上情況時(shí)，本系統(tǒng)的單片機(jī)的T0端口就輸出了高電平，這時(shí)蜂鳴器就會進(jìn)入到工作的狀態(tài)而開始鳴叫，提醒病人液滴已經(jīng)輸完或者有意外發(fā)生。其他情況下，也就是兩液滴滴下的時(shí)間間隔小于4s時(shí)就為正常工作，單片機(jī)TO腳就輸出低電平，蜂鳴器停止。流程圖如下圖16所示： 開始 開始 無線模塊初始化 狀態(tài)燈顯示 有液滴滴下 有數(shù)據(jù)發(fā)送 N N 接收數(shù)據(jù) Y Y 顯示發(fā)送數(shù)據(jù) 液滴是否結(jié)束 結(jié)束 N 聲光報(bào)警 Y 結(jié)束 圖16 顯示聲光報(bào)警框架圖 聲光報(bào)警是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可或缺的部分,為了不影響病人情緒,報(bào)警時(shí)我們采用有節(jié)奏的報(bào)警聲音,主要有軟件部分來設(shè)定,當(dāng)液滴不再下落超過5S時(shí)開始報(bào)警報(bào)警。 附錄 附錄Ⅰ整體電路圖 附錄Ⅱ程序 滴速控制程序 ORG 0000H RESET: AJMP MAIN ORG 000BH AJMP IT1P ORG 0100H MAIN: MOV SP,#60H MOV TMOD,#01H ACALL PT1M0 HERE: AJMP HERE PT1M0: MOV TL1，#0CH MOV TH1，#0FEH SETB ET1 SETB EA SETB TR1 RET IT1P: MOV TL1，#0CH MOV TH1，#0FEH CPL P1.0 RETI 查詢方式的參考程序如下： MOV TMOD,#01H LOOP: MOV TH1，#0FEH MOV TL1，#0CH SETB TR1 LOOP1: JNB TF1,LOOP1 CLR TR1 CPL P1.0 SJMP LOOP 顯示子程序： DIR SETB P2.2 MOV R7,#08H MOV R0，#7FH DL0 MOV A,@R0 ADD, A,#0DH MOVC A,@A+PC MOV SBUF,A DL1： JNB TI,DL1 CLR TI DEC R0 DJNZ R7，DL0 CLR P2.2 RET SEGTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H,82H,0F8H,90H DB 88H,83H,0C6H,0A1H,86H DB 8FH,0BFH,8CH,0FFH,0FFH 鍵盤子程序： KEYI: MOV A,#00H MOV SBUF,A KL0： JNB TI,KL0 CLR TI KL1： JNB P2.0，PK1 JB P2.1, KL1 PK1： ACALL DL10 JNB P2.0,PK2 JB P2.1，KL2 PK2： MOV R7，#08H MOV R6,#0FEH MOV R3，#00H MOV A,R6 KL5： MOV SBUF,A KL2： JNB TI,KL2 CLR TI JNB P2.0，PKONE JB P2.1，NEXT MOV R4，#08H AJMP PK3 PKONE: MOV R4，#00H PK3： MOV SBUF,#00H KL3： JNB TI,KL3 CLR TI KL4: JNB P2.0,KL4 JNB P2.1 MOV A,R4 ADD A,R3 RET NEXT: MOV A,R6 RL A MOV R6,A INC R3 DJNE R7,KL5 AJMP KEYI DL10: MOV R7,#0AH DL: MOV R6,#0FFH DL6: DJNZ R6,DL6 DJNZ R7,DL RET 蜂鳴報(bào)警程序： SOUND: SETB T0 MOV R4，#64H LOOP: MOV R3，#0F9H LOOP1： DJNZ R3，LOOP1 DJNZ R4，LOOP CLR T0 RET 參考文獻(xiàn) . 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