静脉无线输液监控系统_毕业论文(编辑修改稿)

静脉无线输液监控系统_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

线通讯功能。 (3)控制单元软硬件设计。 (4)温度数据显示程序的设计。 河北工程大学毕业 设计说明书 4 2 系统总体设计 系统总体框图 本设计是基于单片机对产生数字信号的高敏感，红外传感器和无线传输模块NRF905 的数 字处理系统。 系统包括 STR89C52 单片机、复位电路、温度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。 系统的总体框图如下 图 21 所示。 图 21 系统的总体框图 红外传感器 STR89C52 NRF905 LCD显示 NRF9055 电源模块 电源模块 STR89C52 河北工程大学毕业 设计说明书 5 3 无线输液监控系统的硬件设计 总体设计 最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路和 JTAG 接口电路。 系统电路图如下图 31 所示。 图 31 系统电路图 输液监控外围电路设计 红外对管的选择 在光谱中波长自 至 400 微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。 医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。 红外线发射管在 LED 封装行业中主要有三个常用的波段，如下 850NM、 875NM、940NM。 根据波长的特性运用的产品也有很大的差异， 850NM 波长的主要用于红外线监控设备， 875NM 主要用于医疗设备， 940NM 波段的主要用于红外线控制设备。 EG：红外线遥控器、光电开关、光电计数设备等。 红外对管是红外线发射管与 光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头河北工程大学毕业 设计说明书 6 配合在一起使用时候的总称。 光敏接收管，它是一个具有光敏特征的 PN 结，属于光敏二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。 无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。 此时光敏管不导通。 当光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。 红外线接收管，功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。 红外线接收头就是在红外线接收管的基础上增加了对微弱信号进行放大的处理 的电路，类似开关电路，接收到红外信号给出高电平（接近工作电压），无红外信号低电平。 管子的极性不能搞错，通常较长的引脚为正极，另一脚为负极。 如果从引脚长度上无法辨识（比如已剪短引脚的），可以通过测量其正反向电阻确定之。 测得正向电阻较小时，黑表笔所接的引脚即为正极。 通过测量红外发光二极管的正反向电阻，还可以在很大程度上推测其性能的优劣。 以 500 型万用表 R1k 档为例，如果测得正向电阻值大于 20kΩ，就存在老化的嫌疑；如果接近于零，则应报废。 如果反向电阻只有数千欧姆，甚至接近于零，则管子必坏无疑；它的反向电阻 愈大，表明其漏电流愈小，质量愈佳。 所选择的红外对管如下图32 所示。 图 32 红外对管实物 红外线对管的判断方法。 人们习惯把红外线发射管和红外线接收管称为红外对管。 红外对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。 初接触红外对管者，较难区分发射管河北工程大学毕业 设计说明书 7 和接收管。 （ 1）用三用表测量识别可用 500 型或其他型号指针式三用表的电阻挡，测量红外对管的极间电阻，以判别红外对管。 判据一：在红外对管的端部不受光线照射的条件下调换表笔测量，发射管的正向电阻小，反向电阻大，且黑表笔接正极 (长引脚 )时，电阻小的 (1k—20k)是发射 管。 正反向电阻都很大的是接收管。 判据二：黑表笔接负极 (短引脚 )时电阻大的是发射管，电阻小并且三用表指针随着光线强弱变化时，指针摆动的是接收管。 注：（ 1）黑表笔接正极，红表笔接负极时测量正向电阻。 （ 2）电阻大是指三用表指针基本不动。 （ 2）通电试验方法判别 用一只发光二极管和 —只电阻与被测的对管串联，如图 2 所示。 图中电阻起限流作用，阻值取 220 欧－－ 510 欧。 LED 发光二极管用来显示被测红外管的工作状态。 用遥控器 (电视机遥控器等 )对着被测管按下遥控器的任意键， LED 亮时，被测管是红外接收管。 不亮则是红外发射 管。 测量红外发光二极管在发射器电路上的工作电压和工作电流，可以简便地判定其工作善如何。 测量管子两端的工作电压时，静态下（即没有按键按下时）通常为零，而动态下（即按下某一按键时）将跳变为一个较小的电压值，因遥控系统的编码方式、驱动电路的结构以及工作电源电压的不同，该电压值通常在 ～ 之间，而且表笔还应微微颤抖。 当使用数字式万用表测量时，其测量值将普遍高于指针式万用表测得的数值，通常在 ～ 之间。 如果出现静态时表针颤抖而动态时不抖、静态下和动态下都颤抖、静态下和动态下均不颤抖，以及动态电 压与静态电压无明显差别等现象，可判定红外发光二极管工作异常，倘若驱动放大电路正常，则多为红外发光二极管损坏。 红外发光二极管应保持清洁、完好状态，尤其是其前端的球面形发射部分既不能存在脏垢之类的污染物，更不能受到摩擦损伤，否则，从管芯发出的红外光将产生反射及散射现象，直接影响到红外光的传播，轻者可能降低遥控的灵敏度，缩减控制距离，重者可能产生失灵，甚至遥控失效。 红外发光二极管在工作过程中其各项参数均不得超过极限值，因此在代换选型时应当注意原装管子的型号和参数，不可随意更换。 另外，也不可任意变更红外发光二极 管的限流电阻。 由于红外光波长的范围相当宽，故红外发光二极管必须与红外接收二极管配对使用，否则将影响遥控的灵敏度，甚至造成失控。 因此在代换选型时，要务必关注其所辐射红外光信号的波长参数。 红外发光二极管封装材料的硬度较低，它的耐高温性能更差，为避免损坏，焊点应当昼远离引脚的根部，焊接温度也不能太高，焊接时间更不宜过长，最好用金属镊河北工程大学毕业 设计说明书 8 子夹住引脚的根部，以帮助散热。 引脚弯折开关的定型应当在焊接之前完成，焊接期间管体与引脚均不得受力。 红外线接收头采用小型设计、内屏蔽模块封装，可以做红外线解码实验，红外线遥控器等等。 配合遥控器完成遥控解码及红外遥控实验。 在红外遥控系统中作为接收元件广泛应用于 视听器材（如 VCD、 DVD、 DVB、 TV等） 家庭器材（如冷气机，电风扇、电灯等） 红外线摇控（如玩具等） 金属封装红外线接收管 ,适用于各类光电转换的自控仪器 ,传感器 .各类光电检测器的信号光源 .根据驱动方式可获得稳定光 .脉冲光 ,缓变光 .常用于控制 ,报警等方面 .持点。 采用反射功能的结构形式 ,光功率较强 ,低驱动电压 ,易与晶体管电路匹配 .结构坚固耐震 .可靠性高 .金属玻璃封装器件 ,耐磨耐温性好 . 接收器对外只有 3 个引脚： Out、 GND、 Vcc 与单片机接口非常方便 （ 1） 脉冲信号输出接，直接接单片机的 IO 口。 （ 2） GND 接系统的地线（ 0V）； （ 3） Vcc 接系统的电源正极（ +5V）。 外围电路的设计 外围电路的选择上包括两个 9013三极管，电阻六个，阻值分别为 1K,， 12K两个， 470一个，一个发光二极管。 外围电路的仿真图如下图 33所示。 图 33 外围电路仿真图河北工程大学毕业 设计说明书 9 NRF905无线传输模块设计 NRF905无线传输模块选择 本设计采用无线传输技术来和上位机进行通讯，来获得实时温度数据。 可以 采用现成的无线传输模块 NRF905。 NRF905 采用 Nordic 公司的是 VLSI ShockBurst 技术。 ShockBurst 使 NRF905 能够提供高速数据传输而不需要昂贵的高速 MCU 来进行数据处理 /时钟覆盖。 通过将于 RF 协议有关的高速信号处理放到芯片内， NRF905 提供给应用的 MCU 一个 SPI 接口，速率由 MCU 自己设定的接口速率来决定。 NRF905 通过ShockBurst 工作模式在在 RF 以最大速率连接时降低数字应用部分的速率来降低应用中的平均电流消耗。 在 ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和和 数据就绪 DR 信号通知 MCU 一个有效地址和数据包已经各自接收完成。 在 ShockBurst TX 模式中，NRF905 自动产生前导码和 CRC 校验码，数据就绪 DR 信号通知 MCU 数据传输应经完成。 这意味着降低 MCU 存储器需求，也就是降低 MCU 成本同时缩短了软件开发时间。 因此 NRF905 广泛应用与遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、工业数据采集系统、无线标签、身份识别等。 其基本特性见下表 31。 表 31 基本特性 参数 数值 单位 工作电压 V 最大发射功率 10 dBm 最大数据传输率 100 kbps 接收模式时工作电流 mA 温度范围 40+85 ℃ 接收灵敏度 100 dBm 掉电模式工作电流 uA 产品特性： (1)430/868/915Mhz 高性能嵌入式模块，多频道选择，低电压低功耗工作。 (2)超小体积，内置环形天线，性能稳定且不受外界影响，对电源不敏感，距离更远。 (3)最大发射功率 +10dBm，高抗干扰 GFSK 调制，可跳频，数据速率 50kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出。 (4)内置完整通信协议和 CRC，只通过 SPI 就可以完 成所有无线收发传输，无线通河北工程大学毕业 设计说明书 10 信和 SPI 通信一样简单。 NRF905 共有四种工作模式，其中两种活动 RX/TX 模式，两种节电模式。 工作模式的有 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 决定，如下表 32 所示 表 32 工作模式 PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式 0 X X 掉电和 SPI 编程 1 0 X Standby 和 SPI 编程 1 1 0 ShockBurst RX 1 1 1 ShockBurst TX NRF905 所有配置都通过 SPI 接口进行，一条 SPI 指令用来决定进行什么操作，SPI 接口只在掉电和 Standby 模式下激活。 如图 33 所示 SPI 接口由 5 个寄存器组成： (1)状态寄存器（ StatusRegister），包含数据就绪 DR 和地址匹配 AM 状态。 (2)RF 配置寄存器（ RFConfiguration Register），包含收发器频率和输出功率等配置信息。 (3)发送地址（ TXAddress），包含目标寄存器地址，字长由配置寄存器设置。 有数据准备就绪 DR 如下图 34 所 示。 图 34 数据准备就绪 DR 无线传输模块设计 本设计采用的是 Nordic 公司的 nRF905 芯片开发的无线传输模块。 该模块工作在433/868/915MHZ 的 ISM 频段，由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收河北工程大学毕业 设计说明书 11 器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。 ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和 CRC 可以很容易通过 SPI 接口进行编程配置电流消耗很低在发射功率为＋ 10dBm 时发射电流为 30mA 接收电流为 POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。 nRF905 是单片射频收发芯片，工作于 433MHz 的 ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体 振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 芯片能耗非常低，以 10dBm 的功率发射时，工作电流仅有 30mA，接收时工作电流只有 ，多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为 ，节能设计更方便。 其 ShockBurst 技术可在通讯时自动生成前导码和 CRC 校验位。 nRF905 适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、报警及安全系统、家庭自动化、遥感监测、无线门禁系统等。 ～ 工作频段。 512 个通讯频道，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求。 发射功率可设置 为： 10dBm、 6dBm、 2dBm 和 10dBm。 通过 SPI 接口与 MCU 连接。 支持 50kbps 传输速率。 ShockBurst 传输模式，自动生成前导码和 CRC 校验码。 工作电压范围： ～ ，待机模式下电流仅为。 工作温度范围： 40℃ ～ +85℃。 工作模式： nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技术。 ShockBurst 技术使nRF905 能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速 MCU 来进行数据处理 /时钟覆盖。 通过将与 RF 协议有关的高速信号处理放到芯片内， nRF905 提供给应用的微控制器一个 SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。 nRF905通过 ShockBurst工作模式在 RF 以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。 在 ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和数据准备就绪 DR 信号通知MCU 一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。 在 ShockBurst TX 模式中， nRF905自动产生前导码和 CRC 校验码，数据准备就绪 DR 信号通知 MCU 数据传输已经完成。 总之，这意味着降低 MCU 的存储器需求也就是说降低 MCU 成本，又同 时缩短软件开发时间。 (1)典型 ShockBurst TX 模式： ① 当应用 MCU 有遥控数据节点时，接收节点的地址 TXaddress 和有效数据TXpayload 通过 SPI 接口传送给 nRF905 应用协议或 MCU 设置接口速度； ② MCU 设置 TRX_CE、 TX_EN 为高来激活 nRF905 ShockBurst 传输； ③ nRF905 ShockBurst： 无线系统自动上电 数据包完成（加前导码和 CRC 校验码） 数据包发送（ 100kbps， GFSK，曼切斯特编码） ④ 如果 AUTO_RETRAN 被设置为高 nRF905 将连续地发送数据包直到 TRX_CE河北工程大学毕业 设计说明书 12 被设置为低； ⑤ 当 TRX_CE 被设置为低时， nRF905 结束数据传输并自动进入 standby 模式。 (2)典型 ShockBurst RX 模式 ① 通过设置 TRX_CE 高， TX_EN 低来选择 ShockBurst 模式； ② 650us 以后， nRF905 监测空中的信息； ③ 当 nRF905 发现和接收频率相同的载波时，载波检测 CD 被置高； ④ 当 nRF905 接收到有效的地址时，地址匹配 AM 被置高； ⑤ 当 nRF905 接收到有效的数据包（ CRC 校验正确）时， nRF905 去掉前导码、地址 和 CRC 位，数据准备就绪（ DR）被置高； ⑥ MCU 设置 TRX_CE 低，进入 standby 模式低电流模式； ⑦ MCU 可以以合适的速率通过 SPI 接口读出有效数据； ⑧ 当所有的有效数据被读出后， nRF905 将 AM 和 DR 置低； ⑨ nRF905 将准备进入 ShockBurst RX、 ShockBurst TX 或 Powerdown 模式。 (3)掉电模式 在掉电模式中， nRF905 被禁止，电流消耗最小，典型值低于。 当进入这种模式时， nRF905 是不活动的状态。 这时候平均电流消耗最小，电池使用寿命最长。 在掉电模式中 ，配置字的内容保持不变。 (4)STANDBY 模式 Standby 模 式在保 持电 流消 耗最 小的 同时保 证最 短的 ShockBurstRX 、ShockBurstTX 的启动时间。 当进入这种模式时，一部分晶体振荡器是活动的。 电流消耗取决于晶体振荡器频率，如：当频率为 4MHZ 时， IDD=12uA。