基于单片机的输液监控系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的输液监控系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，通过检测输出端电压信号的强弱就可以检测出有无药液滴下。 把检测到的信号经过整形后送入单片机进行处理，就可以计算出输液的点滴速度 [3]。 综合考虑上述各种方案，方案三成本 低、电路易实现且不受外界光源干扰，故采用方案三。 剩余液体检测方案 方案一 :采用红外对管实现，跟点滴检测模块一样。 让红外发射和光电接收管分别放在滴管两侧，根据接收信号强弱不同，当液面处于警戒线以上时液体对光线有反射和吸收作用，接收的信号较弱。 当液面处于警戒线以下时，接收的信号就较强，此时单片机就发出报警信号。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 方案二 :通过设定输液总量和点滴计数来实现。 现在使用的一次性输液器的滴系数一般为 20 滴 /ml、 15滴 /m 10 滴 /m点滴系数是指静脉输液时每毫升液体的滴数。 目前输液瓶的容量有 500ml、 250ml、 100ml 三种，通过按键选择输液瓶的容量和输液器的型号。 根据输液瓶的容量、点滴系数、点滴计数值我们就可以计算出剩余液量。 比如输液瓶容量为 25Oml，滴系数为 15 滴 /ml，点滴计数值为 n，这样通过一个简单的数学公式就可算出余液的多少。 设定余量 20ml 为输液快完，此时可以通知单片机输出报警信号。 本系统我们采用第二种方式来实现。 这样可以简化硬件电路的设计，减少 IO口的使用，降低成本。 液滴检测后的信号送单片机经处理后通过 RS485/RS232 总线上传上位机。 速度控制方案 方案一 :通 过改变滴管的高度来控制输液滴速。 由电机带动输液瓶使输液瓶上升或者下降，以改变滴管的高度从而调节滴速。 当实际滴速大于设定滴速时电机正转降低输液瓶的高度，反之反转升高输液瓶的高度。 经验证此方案实现起来比较困难，一方面是由于高度与滴速之间属于非线性关系，难以精确调节滴速。 另一方面，经试验得出输液瓶在一米高的时候，滴速大致为 100 滴 /min，而一般输液速度不会大于 100 滴 /min，高度只能在一米以下调节，而病床的高度一般都高于一米，输液瓶的高度低于床位才能实现所要求的滴速。 并且在输液中，液面也在不断下降，这相当于降 低了输液瓶高度，这样不太合理，由此得出这种方案不可取。 方案二 :通过设计机械装置来夹紧或放松莫氏管来控制输液滴速。 利用步进电机的正反转来控制机械装置，使机械装置来夹紧或放松莫氏管，以达到降低或提高滴速的目的。 本系统我们采用第二种方案。 保留原来输液管上的手动滑轮，以便病人家属可以使用。 电机选择及控制方案 方案一 :采用直流电机。 直流电机上电后就开始转动，掉电后由于惯性还会转动一定的角度才能停下来，难以实现精确控制 ,极易造成不必要伤害。 方案二 :采用步进电机。 步进电机的转动角位移与输入脉冲成线性关系 ，具有良好的跟随性，没有累计误差。 易于启停、正反转及变速，动态响应快。 控制精度较高。 贾鑫：基于单片机的输液监控系统设计 8 方案三 :采用伺服电机。 伺服电机在低惯量、高启动转矩、大转矩的系统中经常使用。 考虑到上述各种电机的性能和特点，使用步进电机可以较好满足本系统的功能要对以上两种方案进行比较之后，我们决定选择第二种方案，来实现对系统的精确控制。 主从机通信方案 方案一：采用无线方式。 常用的无线方式有红外、蓝牙、 Zigbee、无线收发模块等。 红外方式的传输距离非常有限，而且易受障碍物的干扰，因此不能应用在本系统当中。 蓝牙技术比较复 杂，功耗也比较大。 无线收发模块 RF90 NRF2401a 价格虽然能够接受，但是这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试，在空旷场地上 200m 范围内没有问题，但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构，对电磁波衰减作用非常严重。 虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm，但是这样增加了成本，同时擅自增大 RF 辐射功率不仅会对人身健康产生不利影响，而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用。 基于以上原因，否决了无线传输模式，因此只能选择有线传输模式。 方案二：采用有线方式。 常用的有线方式可分为有并行通信和串 行通信。 并行通信一般在实际当中用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机 I/D 口较多，需要的传输线也很多，不适合远距离通信，因此弃用而采用串行通信方式。 串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高 (可达 800kb/s)的场合。 因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，成本高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。 异步串行通信有多种总线形式可供选择，如 RS23 RS48 CAN 总线等。 结合 AT89C52本身，其内部有一个全双工串行口，共有 4种工作方式。 方式 0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展 I/0 口的功能；方式 1 为 8 位异步通信接口，用于双机通信，在距离小于 1． 5m 时可直接相接利用单片机本身的 m 电平直接传输信息，为增加通信距离，辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 减少通信及电源干扰，一般采用 RS232． C 标准进行通信；方式 方式 3均为 9 位异步通信接口，其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信，也可用于双机通信。 在多机系统中，通常采用 RS42 RS485 串行标准总线进行数据传输。 RS485 在以 1Mbit/s 高速率传输时最大 传输距离不超过 lOOm，而以最低速率传输时传输距离理论上也只有 1219m 左右 (无中继 )，即便加上中继最多也只能增加八个，最大传输距离在理论上也只有 9． 6km 左右，在实际应用当中显然是达不到这个数值的，如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是 5～ lOkm，这使系统复杂程度及成本都大大提高，还为系统的后期维护增大了难度。 而且 RS． 485 还有一些与生俱来的缺点，如数据传输率低、抗干扰能力较弱、网络调试困难、通信失败率高等。 同时 RS485 使用的是单主从结构， 就是一个总线上只能有一台主机，通讯都由它发起的，它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才向下一个节点询问，这样是为了防止多个节点向总线发送数据而造成数据错乱，但导致其总线利用率也是很低的。 最为重要的是 RS一 485 的网络特性为单组节点，即只能构成主从式结构系统，一个主站对从站的点对多点网络，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，在这种网络中如果一个节点出现问题，就会导致系统瘫痪，系统的实时性、可靠性较差。 也就是说，在错误检测机制方面， RS485 只规定了物理层，而没有数据链路层，所以它 对错误是无法识别的，除非一些短路等物理错误。 这样容易造成一个节点破坏了，拼命向总线发数据 (比如一直发 1)，这样造成整个总线瘫痪。 所以 RS485 一旦有一个节点损坏，整个总线网络都会瘫痪。 作为一个医疗系统，可靠性显然是其第一要务，故而不使用 RS485 串口通信的方案。 2C 串行总线方式只要两条线即可实现多机通信，但一般单片机都没有其接口，用软件模拟的话非常复杂，增加了开发周期。 ， 2C 数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。 但是其总线长度一般不 高于 25 英尺，折合标准长度单位仅为 7． 62m，远远不能满足本项目的要求，故而弃用。 CAN，全称为“ Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。 CAN 总线在以 5Kbit/s 进行数据传输时，其传输距离在贾鑫：基于单片机的输液监控系统设计 10 理论上距离可达 lOkm，而在实际应用当中有效距离也达到 4． 5km，应该能够满足现实生活中医院的需求。 在总线利用率方面，由于 CAN． bus是多主从结构，每个节点都有 CAN 控制器，多个节点发送时，以发送的 ID号自动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱，而且一个 节点发完，另一个节点可以探测到总线空闲，而马上发送，这样省去了主机的询问，提高了总线利用率，增强了快速性。 在网络特性方面， CAN 为多组节点， CAN 控制器可以点对点、一点对多点 (成组 )及全局广播中方式传送和接受数据，各节点都可根据总线访问优先权 (取决于报文标识符 )采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。 在通信失败率方面， CAN 总线通过 CAN 总线控制器接口芯片的两个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连，而 CANH 端得状态只能是高电平或悬浮状态， CANL 端只能是低电 平或悬浮状态。 当两个节点同时向网络传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输，有效避免了总线冲突。 在节点错误对系统的影响方面，由于 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而对节点错误 CAN 总线型系统基本无影响。 在抗干扰方面， CAN 的每帧数据都有 CRC 校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用，这点对医疗系统的可靠性起到非常重要的作用。 此外 CAN 总线还有数据传输率高、网络调试容易、后期维护成本低等宝贵特 点。 基于上述原因，最终选定上位机与下位机之间采取基于 CAN 总线的有线异步串行传输通信方式。 系统总体框图 根据前面的系统分析，本文研究的基于 AT89C52 的输液监控系统主要有三大部分组成，它们分别是由 PC机构成的主站、由 AT89C52 单片机为核心的各个从站以及主从站之间的数据通信线路。 根据前面的方案论证，从站电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和 A/D 转换单元、液滴显示单元、声光报警单元、数据通信单元和单片机外围电路等。 其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和 A/D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整，同时通过 CAN 总线将信息传送至 PC 上位机。 而在 PC 上位机中可以通过设计的监控软件对各从站的输液情况进行实时监控。 为简化起见电源扩展未画，整体系统框图如图 21 所示。 图 21 整体系统框图 Fig .21 Diagram of the system 小结 本章简单的分析了输液监控系统的系统需求，并根据系统需求提出了系统构成，再对各子模块进行方案 论证后，建立了总体系统框图。 贾鑫：基于单片机的输液监控系统设计 12 3 系统从站的硬件设计 从站系统框图与核心部分电路图 根据从站系统所要实现的功能，为从站系统设计出以下系统框图 图 31从站系统结构框图 From the station system structure diagram 从站用 AT89C52 作为微处理器，蜂鸣器和发光二极管实现声光报警， ULN2020A 用于驱动步进电机，电机采用 四相八拍进行控制。 AT89C52 单片机是 Ateml 公司出品的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Ateml 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C5l 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89C52 具有以下标准功能： 8字节Flash， 256 字节 RAM， 32位， I/0 口线，看门狗 定时器， 2个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89C52可降至 0HZ 静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作， CANH RXD CANL TXD AT89C52 驱动电 路 步进电机 声光报警 键盘及显示电路 EEPROM 检测电路 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 允许 RAM、定时器／计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 因为其价格便宜，内置软件看门狗可免除外接看门狗芯片降低成本，又与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容便于掌握，片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程使用灵活 方便，故而选择 AT89C52作为下位机的微处理器 [4][5]。 图 32 从站系统电路图 From the station system circuit diagram 从站系统各单元设。