液體點滴速度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘 要輸液是醫(yī)院常用的治療手段，傳統(tǒng)輸液過程中存在著輸液速度不精確、需要人工監(jiān)護等弊端。本文的目標(biāo)就是設(shè)計一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)以解決此問題。本文設(shè)計的液體點滴速度監(jiān)控裝置系統(tǒng)，實現(xiàn)了對輸液速度的檢測與控制，實現(xiàn)了對儲液瓶中液面高度的檢測報警，并且動態(tài)顯示輸液速度。使用者可以通過按鍵設(shè)置輸液速度，系統(tǒng)將自動對輸液速度進行控制。此外系統(tǒng)還實現(xiàn)了多機通信，即一個主站控制一個和主從機之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)輸液結(jié)束或輸液速度發(fā)生異常時，從站使用發(fā)光二極管和蜂鳴器進行報警，并將報警信號通過串行口傳送至主站，主站通過監(jiān)控軟件和蜂鳴器實現(xiàn)聲光報警。系統(tǒng)以8051單片機為核心，使用兩塊系統(tǒng)板（主機和從機）組成有線監(jiān)控系

2、統(tǒng)，主機實現(xiàn)對從機的控制及液體點滴速度的顯示和液體點滴速度的鍵盤控制；從機通過外圍電路檢測儲液瓶中液面高度和液體點滴速度；通過從機實現(xiàn)對步進電機控制以實現(xiàn)對儲液瓶高低的控制，來實現(xiàn)控制液體點滴速度。在整體方案設(shè)計中，在保證設(shè)計系統(tǒng)能達到的題目要求的精度和穩(wěn)定度的前提下，考慮到系統(tǒng)的輕便性、實用性、可靠性，對電路系統(tǒng)進行了優(yōu)化。關(guān)鍵詞： 點滴速度；光電傳感器；步進電機；單片機ABSTRACTTransfusion commonly used as treatment in hospital, but there were some problems, such as inaccurate, ne

3、ed transfusion of artificial guardianship, etc. The goal is to design a transfusion monitoring system in order to solve those problems.The monitoring and controlling system of liquid drop speed by this paper, actualize the infusion rate of test, the control of reservoir fluid bottle level detection

4、alarm and dynamic display of transfusion speed. Users can through the button to control transfusion speed and system will automatically transfusion speed of it. Besides the system also actualize multi-machine communication, that is, a master station to control a multiple machine from a station and t

5、he master-slave data transmission between. When the infusion end or infusion speed abnormal, slave light-emitting diodes and buzzer to alarm, and will alarm signals through serial transmission to the master, stood by buzzer sound-light alarm.The systems use 8051 SCM as machines core. Use two systems

6、 board (host and slave) component cable monitoring system for control of the machine from host. The master station achieves the displaying of liquid drip speed and the keyboard to control liquid drip speed. Slave machines through the outer circuit testing reservoir liquid bottle in height and liquid

7、 dropping speed, and through the control of stepping motor speed control the level of liquid storage bottle to control liquid drop speed.In the overall program design, in ensuring the use of design systems to achieve the required accuracy and stability of the premise, taking into account the systems

8、 portability, practicality, reliability, electrical systems were optimized.Key words: liquid drop speed; photoelectric sensor; Stepper Motor; single chip目 錄第一章 緒論.11.1課題背景.11.2課題研究的目的和意義.11.3 輸液報警監(jiān)控系統(tǒng)的方法.21.4 本課題采用的輸液報警監(jiān)控內(nèi)容方法簡介.21.5本文的結(jié)構(gòu).3第二章 輸液監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案.42.1 輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)和目的.42.2系統(tǒng)方案論證與比較.52.2.1 控制方案

9、的比較.52.2.2點滴檢測方案比較.52.2.3液位監(jiān)測方案比較.52.2.4速度控制方案.62.2.5電機的選擇.62.2.6主從機通信方案.72.3系統(tǒng)總體框圖.8第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計.103.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計.103.2 從站各系統(tǒng)單元的設(shè)計.113.2.1中央處理單元.113.2.2點滴信號檢測單元.113.2.3點滴信號的比較、濾波、整形電路.123.2.4 液位檢測單元.133.2.5檢測電路的抗干擾措施.143.2.6聲光報警電路.14.3.2.7 步進電機驅(qū)動單元（高度調(diào)整單元）.153.2.8 主從站接口電路.163.3 主站的硬件電路圖及工作原理.173.3.1鍵盤單

10、元.183.3.2 數(shù)碼管顯示單元.203.4 主從站芯片時鐘電路.213.5 主從站復(fù)位單元.213.6 電源電路.22第四章 液體點滴監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計.244.1 從站各模塊軟件設(shè)計.254.1.1 主控模塊設(shè)計.254.1.2 點滴速度測量模塊設(shè)計.254.1.3 電機控制算法.274.1.3.1 電機控制原理.274.1.3.2 點滴速度控制.284.1.4 通信程序通信模塊設(shè)計.294.1.4.1 串口通信參數(shù)設(shè)置.294.1.4.2 通信協(xié)議約定.304.1.4.3 主控模塊設(shè)計.314.1.5 報警模塊設(shè)計.324.2 從站各模塊軟件設(shè)計.334.2.1 主控模塊設(shè)計.334.

11、2.2 輸入鍵盤模塊的設(shè)計.33.4.2.3 數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計.34第五章 總結(jié)及展望.375.1總結(jié).375.2 展望.385.3心得體會.39致 謝.40附錄一 電路原理圖.41附錄二 部分程序清單.43第一章 緒論1.1課題背景 輸液(俗稱打點滴)是臨床醫(yī)學(xué)上最常用的治療手段。在病人輸液的過程中，往往由于病人體質(zhì)虛弱、昏迷、入睡或者醫(yī)護人員正在別處忙碌等而無法留意到輸液全過程，從而需要專人監(jiān)護，加重了護理人員的勞動負擔(dān)，也不利于病區(qū)的綜合管理當(dāng)輸液完畢，若處理不及時，病人的血液就會因空管而倒流人輸液針管內(nèi)，時間稍長會使扎針處嚴重腫脹。若處理過早，即藥液還未完全輸盡就摘瓶取管則又會造成

12、藥液的浪費等等。因此常引發(fā)病人的不滿以至投訴，使醫(yī)護人員非常無奈。本課題就是針對上述情況，通過聲光報警監(jiān)控的方法實現(xiàn)醫(yī)院輸液情況的實時監(jiān)測，并通過單片機與數(shù)碼管來實現(xiàn)輸液數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲，以及在特殊情況下的報警。本課題對實現(xiàn)醫(yī)院現(xiàn)代化、信息化有巨大的推動作用。1.2課題研究的目的和意義在輸液遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，信號提取是醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)工作的首要前提。醫(yī)療輸液信號自動檢測和傳輸也是信號提取的過程，醫(yī)療工作人員常常需要檢測和控制液體的儲量或液位，如人工腎機的透析儲液罐中液儲量、自動洗胃機中沖洗液的液量、中醫(yī)使用的藥浴機中煎藥鍋中的水位、靜脈輸液液體量檢測等等。如果對儀器中液體儲量疏于監(jiān)測，在液體儲量

13、失控情況下或者在可能會給患者帶來傷害甚至危機其生命。通過對這些液體儲量的監(jiān)測，醫(yī)護人員便可以隨時了解液體余量，并能在液體缺少時及時自動和人工補充或者采取其他措施，維護醫(yī)療設(shè)備的安全運行。因此，如何更好地對醫(yī)療液位進行監(jiān)測，一直是醫(yī)學(xué)工程人員考慮較多的課題之一。而在臨床醫(yī)學(xué)中，常采用靜脈穿刺的辦法將藥液直接經(jīng)靜脈注入體內(nèi)，這種輸液方式稱為靜脈輸液。但長期以來沒有經(jīng)濟有效的自動監(jiān)控裝置，對已輸液量或剩余液量等的監(jiān)控，從而需要專人監(jiān)護，加重了護理人員的勞動負擔(dān)，也不利于病區(qū)的綜合管理。為此我們設(shè)計利用檢測輸液滴數(shù)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動監(jiān)控輸液點滴數(shù)，通過主站對從站的輸液情況進行巡回檢測和顯示。當(dāng)

14、剩余量低于設(shè)定下限值、輸液速度過高或過低時，發(fā)出聲光報警，提醒護理人員及時加以處理。本系統(tǒng)由主站、從站和主從站數(shù)據(jù)線路組成，主站主要是實現(xiàn)輸液數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控、顯示、存儲和特殊情況下的報警。從站主要是實現(xiàn)輸液情況的實時監(jiān)控。由于不需要長距離傳輸信號，所以主從站數(shù)據(jù)傳輸線路采用通信線路簡單的TTL串行通信。1.3 輸液報警監(jiān)控系統(tǒng)的方法目前國內(nèi)外常見的輸液報警監(jiān)控技術(shù)主要是對輸液完成信息的提取，它概括起來共有5種方法:電極法 它是從輸液瓶口插入2根電極，利用藥物的導(dǎo)電特性來檢驗瓶內(nèi)藥物是否用完。毫無疑問，該技術(shù)具有較低的成本，但存在著安全隱患藥物特性是否會因通電而受到影響，還有電極的消毒問題。測重法

15、 它是利用彈簧秤或壓力傳感器或電磁感應(yīng)開關(guān)(干簧管)根據(jù)藥物重量變化來判斷藥液輸完與否，方法雖然簡便，但其可靠性和適應(yīng)性(對袋裝及塑料瓶裝液體不宜)無疑受到質(zhì)疑。液面檢測法 通過固定在輸液瓶或輸液管上的光電傳感器(有采用半導(dǎo)體激光的，也有采用紅外光的)利用液面下降到預(yù)定位置時對光的反射或折射情況的變化來判斷藥物輸完與否。其中檢測瓶內(nèi)液面的，同樣可靠性及適應(yīng)性受到質(zhì)疑，而且采用激光光源的還將帶來一個高成本問題。超聲回波檢測法 它是通過脈沖信號激勵超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲到達輸液瓶中液面后被液面反射回到超聲波接收器，通過檢測超聲波從發(fā)射到接收需的時間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度及儀器安裝

16、高度，即可得出輸液瓶中度。具有非接觸的特點，且性能可靠、安全性好，具有實用價值，但是由于超聲波探頭價格昂貴及安裝操作復(fù)雜，也阻礙了超聲回波技術(shù)在靜脈輸液檢測中的應(yīng)用。液滴計數(shù)法 它是根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)的有關(guān)知識，一定量(以毫升為計量單位)的藥液其輸液量與藥滴數(shù)有關(guān)，一般來說從莫非管式滴管滴落的每一滴為1/20毫升，或者是每20滴液滴總計一毫升。因此只要能檢測液滴滴數(shù)，即可檢測到藥液的輸入量。這種技術(shù)由于操作方便、價格便宜，且可靠性，實用性好它已經(jīng)得到了大量的使用。1.4 本課題采用的輸液報警監(jiān)控內(nèi)容方法簡介 本課題研究的液體點滴速度監(jiān)控系統(tǒng)采用對射式紅外光電傳感器，它具有非接觸性測量，響應(yīng)速度快，受

17、環(huán)境影響小，測量精度高等優(yōu)點。它是一種可以利用其對物體表面黑度的敏感特性，應(yīng)用于測量微小的位移。從光源紅外發(fā)射管發(fā)射出的一定強度的光束到達測量面后，根據(jù)物體表面的不同黑度和表面光潔度，部分光散射和反射到紅外敏感接收管轉(zhuǎn)變成為和接收管接收到的光強成正比的電信號。對射式光電傳感器分為投光器和受光器兩部分兩者光軸重合在同一直線上。工作時，投光器發(fā)出調(diào)制光，被受光器接收，變?yōu)殡娦盘枴．?dāng)被測體進入檢測區(qū)時，光被遮擋，受光器無光可受傳感器輸出狀態(tài)改變。輸出脈沖再通過脈沖整形和A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)楦叩碗娖?，最后輸入到單片機的外部中斷0中去。單片機根據(jù)高低電平的變化來判斷液滴的有無和對液滴的計數(shù);每一個水滴產(chǎn)生一個

18、這樣的不規(guī)則的負向脈沖，脈沖數(shù)目與水滴數(shù)目一一對應(yīng)。1.5本文的結(jié)構(gòu)本文共分為六章：第一章緒論部分介紹輸液監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究狀況，以及本課題的意義和主要工作內(nèi)容。第二章介紹輸液監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，分析了系統(tǒng)需求，并對各部分方案進行了詳細的論證比較，最終確立了各部分方案。第三章對主站和從站當(dāng)中的硬件部分進行了設(shè)計，分別給出了主站和從站的系統(tǒng)框圖、核心部分電路以及通信接口部分硬件電路。第四章對主站和從站的軟件部分進行了設(shè)計，首先給出主站和從站軟件的總體設(shè)計，然后對各模塊軟件部分分別進行設(shè)計。 第二章 輸液監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案 2.1 輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)和目的 普通輸液是醫(yī)院常見的一種將藥

19、液容器(瓶/袋)中的液體藥物，通過輸液器(管路)，在大氣壓作用下，向患者靜脈輸入藥劑的治療方法。在病人輸液過程中通常會有幾種異常情況發(fā)生:(l)液體中有氣泡;(2)針頭堵塞;(3)管路堵塞;(4)液體已輸完未被發(fā)現(xiàn)。由于輸液時間較長，護士不可能長間守在患者身邊，因此上述幾種情況會給病人帶來煩惱和傷害，使護理質(zhì)量下降，造成醫(yī)療糾紛。通常藥液中的氣泡，在正常輸液前已被護士排除，因而可暫不予考慮;病區(qū)內(nèi)多個病人在同時輸液，輸液器分布狀況，是醫(yī)護人員所關(guān)心的。人在輸液過程中由于肢體移動或其它原因造成輸液中斷時，如何及時“準(zhǔn)確得到報警信息，也是醫(yī)護人員所關(guān)心的;病人輸液結(jié)束，殘液狀況報警也是醫(yī)護人員關(guān)心

20、的;在利用中心靜脈進行輸液時，由于中心靜脈壓為負壓，輸液管路中藥液盡時，空氣極有可能進入右心造成栓塞，是醫(yī)護人員所關(guān)心的。對于上述問題的解決，國內(nèi)外許多醫(yī)護人員、工程技術(shù)人員想了不少辦法。主要的思路基本是圍繞著如何報警來進行。在實際醫(yī)院護理工作中，護理人員工作十分繁忙，尤其是在中小醫(yī)院，護理人員少，而病區(qū)接受輸液的病人往往較多。當(dāng)輸液出現(xiàn)異常情況時，即便是床邊輸液報警器發(fā)出了報警信號，護理人員也經(jīng)常會聽不到，或聽到卻來不及處理。本設(shè)計研究的輸液報警系統(tǒng)就是針對以上問題的。在信號的獲取部分，采取輸液時藥液下滴與沒有藥滴下滴時，通過對脈沖的變化，來得到液體點滴的信號。在對信號的處理部分，由于液滴并

21、不是規(guī)則的矩形，所以，由光敏二極管所得的脈沖也不是規(guī)則的矩形波，而是不規(guī)則的圖形，而單片機程序只識別數(shù)字信號，所以，我們必須把模擬的原始信號通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。報警部分的工作是建立在單片機工作的基礎(chǔ)上的，在醫(yī)院單片機輸出低電平。由于蜂鳴器的一端與電源相連而導(dǎo)通，蜂鳴器進入工作狀態(tài)開始鳴叫，提醒護士液滴已輸完或異常輸液發(fā)生。本系統(tǒng)采用“單片機從站 單片機主站”方案實現(xiàn)了輸液自動報警功能和上下位機的通信。它在臨床上具有很大的應(yīng)用價值。本系統(tǒng)的研制成功將大大降低了醫(yī)務(wù)人員的工作量，減輕了病人的負擔(dān)。促進醫(yī)院信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化、智能化的發(fā)展，方便了醫(yī)院的日常管理工作。本設(shè)計所設(shè)計的輸液報

22、警監(jiān)控系統(tǒng)，是利用了當(dāng)前市場上價格便宜的MCS-51單片機和光電傳感器，它針對性強、使用方便、操作簡單、成本低廉、價格合理、利于推廣等優(yōu)點。而它的第二個優(yōu)點即為推廣容易，它利用了已有的報警裝置，不需要醫(yī)院重新布線，從而合理利用了已有資源。因此它將會有很大的實用價值和經(jīng)濟效益。2.2系統(tǒng)方案論證與比較2.2.1 控制方案的比較方案一：此方案是傳統(tǒng)的兩位模擬控制方案，其優(yōu)點是電路簡單，易于實現(xiàn)。但模擬方式難以把精度做的很高，難以實現(xiàn)系統(tǒng)需求中的鍵盤顯示和動態(tài)顯示滴速及遠程通信的功能。方案二：此方案采用MCS-51單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，可用軟件實現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制。這種方案方便地實現(xiàn)了系統(tǒng)需求中的鍵盤設(shè)

23、定和動態(tài)顯示滴速等功能，并且可以實現(xiàn)主站與從站之間的通信。2.2.2點滴檢測方案比較方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏三極管傳感電路。 由于系統(tǒng)外界光源會對光敏二極管的工作有很大的干擾，一旦外界光亮度改變，就會影響對液滴的判斷。如采用超強亮度發(fā)光管可以減小干擾，但功率損失大。所以方案一不可取。方案二：不調(diào)制的紅外對射傳感器。由于直接采用直流電壓對發(fā)光管進行供電，考慮到平均功率的限制，工作電流不能高于元件的額定值，對投幣照射有一定的困難且仍然容易受到外部廣元等干擾。方案三：脈沖調(diào)制的紅外對射傳感器。 紅外發(fā)射管的最大工作電流是由其平均電流決定的，采用占空比小的調(diào)制信號，瞬間電流會達到很大，大大提高了

24、信號噪聲比，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。因此，本設(shè)計采用方案三。2.2.3液位監(jiān)測方案比較方案一：電極法 它是從輸液瓶口插入2根電極，利用藥物的導(dǎo)電特性來檢驗瓶內(nèi)藥物是否用完。毫無疑問，該技術(shù)具有較低的成本，但存在著安全隱患藥物特性是否會因通電而受到影響，還有電極的消毒問題。方案二：測重法 它是利用彈簧秤或壓力傳感器或電磁感應(yīng)開關(guān)(干簧管)根據(jù)藥物重量變化來判斷藥液輸完與否，方法雖然簡便，但其可靠性和適應(yīng)性(對袋裝及塑料瓶裝液體不宜)無疑受到質(zhì)疑。方案三：液面檢測法 通過固定在輸液瓶或輸液管上的光電傳感器(有采用半導(dǎo)體激光的，也有采用紅外光的)利用液面下降到預(yù)定位置時對光的反射或折射情況的變化來判

25、斷藥物輸完與否。其中檢測瓶內(nèi)液面的，同樣可靠性及適應(yīng)性受到質(zhì)疑，而且采用激光光源的還將帶來一個高成本問題。方案四：超聲回波檢測法 它是通過脈沖信號激勵超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲到達輸液瓶中液面后被液面反射回到超聲波接收器，通過檢測超聲波從發(fā)射到接收需的時間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度及儀器安裝高度，即可得出輸液瓶中度。具有非接觸的特點，且性能可靠、安全性好，具有實用價值，但是由于超聲波探頭價格昂貴及安裝操作復(fù)雜，也阻礙了超聲回波技術(shù)在靜脈輸液檢測中的應(yīng)用。方案五：液滴計數(shù)法 它是根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)的有關(guān)知識，一定量(以毫升為計量單位)的藥液其輸液量與藥滴數(shù)有關(guān)，一般來說從莫非管式滴管滴落的每

26、一滴為1/20毫升，或者是每20滴液滴總計一毫升。因此只要能檢測液滴滴數(shù)，即可檢測到藥液的輸入量。這種技術(shù)由于操作方便、價格便宜，且可靠性，實用性好它已經(jīng)得到了大量的使用。綜合比較上面五種方案，從實用，簡便同時保證測量準(zhǔn)確度上，使用光電傳感器測量儲液瓶液面高度是最理想的選擇。2.2.4速度控制方案對液體點滴速度的控制，可以使用下面兩種方案：方案一：采用輸液軟管夾頭的松緊程度來控制液滴流速，控制滴速夾移動的距離很小，但是滴速夾的松緊調(diào)節(jié)過程中，存在很多因素，例如橡膠粘度與液體粘度，彈簧的彈力等等，都為非線性控制量，移動距離，移動阻力等參數(shù)難于計算，用機電系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為困難。所以如果采用夾頭控制

27、難以實現(xiàn)類似的線性控制。方案二：通過電機和滑輪系統(tǒng)控制儲液瓶的高度，來達到控制液滴流速的目的，方案實現(xiàn)較為簡便，通過步進電機可方便地實現(xiàn)對儲液瓶高度的調(diào)節(jié)，從而達到控制液滴流速的目的，但缺點是調(diào)節(jié)儲液瓶移動的的距離比較大，所需時間比較長，而且儲液瓶高度與流速的關(guān)系非線性，并且沒有現(xiàn)成的理論公式可以利用，而只能取足夠多的采樣點，來分析兩者之間的關(guān)系，得出大致的經(jīng)驗公式。在自變量（儲液瓶移動距離）變化范圍較大的情況下，這項工作較為繁雜。第一項第二項方案經(jīng)過綜合比較，使用電機調(diào)整高度來實現(xiàn)控制效果較好，因此決定選擇第二項的方案。2.2.5電機的選擇首先講講電機的選擇，常用的電機主要有以下幾種：直流電

28、機、步進電機、伺服電機。比較上述三種電機，直流電機上電即轉(zhuǎn)動，掉電后慣性較大，停機時還會轉(zhuǎn)動一定角度后才可停下來；轉(zhuǎn)矩小、無抱死功能，如果要求準(zhǔn)確停在一個位置，其閉環(huán)算法較復(fù)雜。步進電機轉(zhuǎn)矩相對直流電機大，價格適中，控制精度較高，適用于較精確的測量中,可有效提高輸液速度的控制精度。伺服電機，機械特性較好、輸出功率較大、起動轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動電路簡單、正反轉(zhuǎn)的控制較容易、且具有抱死功能(未上電時電機的轉(zhuǎn)矩非常大)，但考慮到其實際價格動輒就是幾千塊，故而棄用。綜合考慮上述各種電機的特點后，最終選用步進電機。2.2.6主從機通信方案方案一：采用無線方式。常用的無線方式有紅外、藍牙、Zigbee、無線收發(fā)模

29、塊等。紅外方式的傳輸距離非常有限，而且易受障礙物的干擾，因此不能應(yīng)用在本系統(tǒng)當(dāng)中。藍牙技比較復(fù)雜，功耗也比較大。Zigbee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離為75m，并可擴展至幾百米甚至幾公里，但是此技術(shù)是一個由若干個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，而且現(xiàn)在Zigbee DSSS 2.4G 250kps 3-5公里無線數(shù)據(jù)采集終端模塊的價格在每片1000元左右，若是強行采用此模塊勢必造成成本過高難以推廣。無線收發(fā)模塊RF905、nRF2401a價格雖然能夠接受，但是這種無線模塊并不是非常適合運用在樓宇當(dāng)中，經(jīng)過測試，在空曠場地上200m范圍內(nèi)沒有問題（說明書上說開闊地帶為500m，由于條件有限沒做測

30、試），但是現(xiàn)代樓宇普遍采用鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，對電磁波衰減作用非常嚴重。雖然能夠外加功放以使功率提升至30dbm，但是這樣增加了成本，同時擅自增大RF輻射功率不僅會對人身健康產(chǎn)生不利影響，而且可能會面臨法律上的問題，因此也不宜使用?；谝陨显颍駴Q了無線傳輸模式，因此只能選擇有線傳輸模式。方案二：采用有線方式。常用的有線方式可分為有并行通信和串行通信。并行通信一般在實際當(dāng)中用得較少，其特點是傳輸速度快，但是占用單片機I /O口較多，需要的傳輸線也很多，不適合遠距離通信,因此棄用而采用串行通信方式。串行通信又可分為同步傳輸和異步傳輸，同步傳輸一般用于傳輸信息量大，傳輸速度要求較高（可達800kb /

31、s）的場合。因為它要求由時鐘來實現(xiàn)接收與發(fā)送之間的嚴格同步，對時鐘信號相位的一致性要求非常嚴格，導(dǎo)致其硬件設(shè)備復(fù)雜，成本高，不宜使用，所以采取異步串行通信方式。結(jié)合8051本身，其內(nèi)部有一個全雙工串行口，共有4種工作方式。方式0并不用于通信，而是通過外接移位寄存器芯片實現(xiàn)擴展I/O口的功能；方式1為8位異步通信接口，用于雙機通信，在距離小于1.5m時可直接相接利用單片機本身的TTL電平直接傳輸信息，為增加通信距離，減少通信及電源干擾，一般采用RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)進行通信；方式2、方式3均為9位異步通信接口，其區(qū)別僅在于波特率不同，主要用于多機通信，也可用于雙機通信。所以，共有三種方案可供選擇：

32、方案一：采用I2C總線通信協(xié)議 優(yōu)點是易于實現(xiàn)多機通信并且通信線路簡單，僅需要SDL、SCL兩條通信線。但不適用于較長距離的信號傳輸。方案二：采用TTL串行通信 通信技術(shù)成熟，具有方案一的優(yōu)點，僅需要RXD、TXD兩條通信線，波特率可調(diào)，通信速度快。缺點是易受干擾，不適用于長距離通信。方案三：采用RS485串行通信方式 本方案具有方案二的優(yōu)點，并且抗干擾能力強，可實現(xiàn)較長距離通信。由于主從機傳輸距離較短，從最佳性價比出發(fā)，選擇方案二。 2.3系統(tǒng)總體框圖根據(jù)前面的系統(tǒng)分析，本文研究的基于8051單片機的輸液監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩大部分組成，它們分別是由8051單片機構(gòu)成的主站、由8051單片機的從站

33、以及主從站之間的數(shù)據(jù)通信線路。根據(jù)前面的方案論證，從站電路主要包含以下幾個模塊：輸液信號采集單元、脈沖整形和A /D轉(zhuǎn)換單元、聲光報警單元、數(shù)據(jù)通信單元和單片機外圍電路等，主站電路包括鍵盤電路和數(shù)碼管顯示電路和通信電路。其中輸液信號采集單元完成輸液信號的采集工作，脈沖整形和A /D轉(zhuǎn)換單元把采集到的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號以便單片機進行處理，單片機處理完畢后一方面顯示輸液速度等信息，另一方面根據(jù)設(shè)定的輸液速度對輸液速度進行調(diào)整。步進電機驅(qū)動步進電機速度檢測與液面高度檢測電路聲光報警電路80518051儲液瓶8051數(shù)碼管顯示鍵盤從站 主站圖2-1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)的

34、硬件設(shè)計根據(jù)本系統(tǒng)的功能具體要求，本監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要由兩大部分組成:1、從站 中央處理器由8051單片機構(gòu)成，完成對某一具體的輸液控制過程的監(jiān)控。同時還包括輸液信號獲取單元，脈沖整形電路和A/D轉(zhuǎn)換單元，聲光報警電路，電機控制電路，液面檢測電路。其中信號獲取單元完成輸液信號的采集;脈沖整形和A/D轉(zhuǎn)換電路把采集的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。聲光報警電路用來進行異常報警。2、主站 中央處理器由8051單片機構(gòu)成，完成對液體點滴控制和顯示。3.2 從站的硬件電路圖及工作原理從站由8051單片機構(gòu)成，同時還包括輸液信號獲取單元，脈沖整形電路和A/D轉(zhuǎn)換單元，聲光報警電路，電機控制電路，液面檢測電路。

35、其硬件具體檢測電路如圖所示：圖3-1 從站設(shè)計硬件圖3.2 從站各系統(tǒng)單元的設(shè)計3.2.1中央處理單元本設(shè)計采用8051單片機作為中央處理控制器。單片機是微型計算機中的個重要分支，是微型機發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，它的全稱是單片機微型計算機。單機是把組成微型計算機的各個功能部件:中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出接口(1/0)、定時器、計數(shù)器及串行通信接口等采用大規(guī)模集成制作在一塊芯片中，構(gòu)成一個完整的微型計算機。它特別適用于控制領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)和指令功能都是按照工業(yè)控制要求來設(shè)計的，因而又叫做單片微型控制器(Single Chip Mieroeontro

36、ller)。在國外也把它叫做單片微型計算器(Single Chip MICrocomputer)。8051單片機是Intel公司于1980年推出的產(chǎn)品，含有一個8位處理器，128B RAM，21個專用寄存器，4KB的內(nèi)部ROM，4個8位并行I/O口，一個全雙工串行I/O口，兩個16位定時器/計數(shù)器。符合本次設(shè)計的要求，所以采用8051單片機。3.2.2點滴信號檢測單元此單元用來檢測是否有液滴滴下，其傳感器部分采用紅外對射式光電傳感器，如圖所示：圖3-2 點滴信號檢測電路 紅外對射傳感器是由紅外發(fā)射管和受光管組成的，它的主要功能是實現(xiàn)電紅外線電的轉(zhuǎn)換。由于紅外光波長比可見光長，受可見光影響較小，

37、其紅外系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕、易于安裝等優(yōu)點。因此是檢測液滴滴速的首選傳感器。為了減少環(huán)境光源的干擾、增強信噪比，采用脈沖調(diào)制的方式。傳感器的作用就是將被測物理量變化過程的信號按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成為適于傳輸和記錄的電量(電壓或電流)信號。傳感器輸出的電量信號通常比較小，不能直接用來顯示、記錄及進行A/D轉(zhuǎn)換因此，我們需要有一個環(huán)節(jié)，把微弱的信號放大調(diào)整到能與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配的幅度。信號放大就是把前面由光電傳感器所采集到的光電信號轉(zhuǎn)換成為能夠處理的電信號。R1為紅外線發(fā)光二極管的限流電阻，R2起到電流轉(zhuǎn)換為電壓的作用。當(dāng)有液滴滴落時，滴落的液滴把發(fā)射管發(fā)射的紅外光擋住，光敏二極管產(chǎn)生數(shù)

38、值非常小的暗電流，再經(jīng)過電阻R2時，R2就把光敏二極管上的光通量變化轉(zhuǎn)換成了R1上的電信號的變化，再通過整形和A/D轉(zhuǎn)換，最后送入到單片機中進行處理。本系統(tǒng)用光電傳感器ST178來檢測單位時間內(nèi)點滴下落的個數(shù)，ST178為單電源反射式光電傳感器，內(nèi)含有一個紅外發(fā)光二極管，一個光敏三極管（用來接收反射回來的紅外光）。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光大部分被光敏三極管接收時，接收端光敏三極管導(dǎo)通；光敏三極管接收到的反射紅外信號微弱時，接收端光敏三極管截止。具體電路形式如圖。在圖 中，向下的那個脈沖就是由于液滴落下時，液滴擋住一部分的紅外線使得紅外線光敏二極管只能部分接收到紅外線發(fā)光二極管所發(fā)出的紅外線形成

39、的脈沖，它的脈沖個數(shù)是和液滴的個數(shù)一一對應(yīng)的，也就是說，只要能夠數(shù)出脈沖的個數(shù)也就是知道了液滴的滴數(shù)了。3.2.3點滴信號的比較、濾波、整形電路傳感器輸出信號通?？梢苑譃閮深?一類為模擬量，例如壓力、溫度、加速度等的測量;另一類為數(shù)字量，例如用光電或電磁傳感器測量轉(zhuǎn)速等的測量。對模擬量信號進行調(diào)整匹配時，需要經(jīng)過放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、濾波電路、采樣保持電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路等。而對數(shù)字信號進行調(diào)整匹配時，通常只需使信號通過比較器電路及整形電路、控制計數(shù)器計數(shù)即可。因此是屬于上面說的第二類，只要進行比較和整形即可。本單元就是對由光電轉(zhuǎn)換單元傳出的數(shù)字信號進行整形和模數(shù)變換，以便實現(xiàn)和單

40、片計的接口問題。在本設(shè)計中所用的比較器是 LM339A，主要是利用了它的單限比較器。在本單元中所用的比較器是LM339A是單比較器，LM339A是晶體管結(jié)構(gòu)，輸出級是集電極開路結(jié)構(gòu)。它具有失調(diào)電壓平衡調(diào)節(jié)端(或用作選通端)，并且具有連接負載都多樣性及輸出電流可達5OmA的特點。P3.2光電傳感器輸出圖3-3 比較、整形、濾波電路3.2.4 液位檢測單元同點滴速度檢測部分一樣，考慮到系統(tǒng)的醫(yī)用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用吊瓶中應(yīng)盡量避免異物進入，選擇紅外探測方案。雖然吊瓶壁厚度和外直徑都比滴斗大的多，但在增大了紅外發(fā)射功率后，通過有水和無水的儲液瓶接收信號差異還是可以達到3040mV，這說明紅外探測對于越限報

41、警電路來說也是可行的。由于越限報警電路只需要在液面下降到紅外發(fā)射接收通路高度以下時發(fā)出警報，所以就考慮使用和點滴速度一樣的設(shè)計電路，然后通過連接到計數(shù)器/定時器T1上，通過T1的電平的變化，即可知道液面是否到達警戒液面，然后報警。這樣，電路可以簡單、明了，易于檢測液面。 圖3-4 液面檢測單元3.2.5檢測電路的抗干擾措施電路中使用光電傳感器檢測點滴速度和警戒值。這樣系統(tǒng)檢測信號受到可見光以及測量調(diào)節(jié)中點滴抖動的影響，要使檢測到的信號盡量準(zhǔn)確，需要對系統(tǒng)電路進行抗干擾處理。（1）防止可見光干擾 電路中使用了光電傳感器，在接受到發(fā)送的紅外線的同時，將會接收可見光。當(dāng)可見光的強度足夠大時，將會影響

42、到接收的紅外光信號的精度。抗可見光干擾可以使用在光電傳感器探測頭加遮光罩，或使用脈沖頻率調(diào)制的方法。由于系統(tǒng)電路中使用直流電源給光電傳感器提供工作電壓，所以本系統(tǒng)使用在光電傳感器探測頭上加遮光罩。（2）防抖動干擾 電路中需要檢測儲液瓶中液面高度以實現(xiàn)報警，同時需要檢測點滴速度及通過改變高度實現(xiàn)對點滴速度的控制，所以測量時被測裝置將會移動，當(dāng)光電傳感器和被測裝置之間不能緊密連接時，檢測到的信號誤差，所以要減小被測裝置移動時產(chǎn)生的抖動干擾。本系統(tǒng)中將光電傳感器固定在被測裝置上，以減小被測裝置移動時產(chǎn)生的抖動干擾。當(dāng)儲液瓶中液面晃動時，會使光敏傳感器產(chǎn)生誤報警，利用單片機檢測信號時，適當(dāng)加上一段時間

43、的延遲，待系統(tǒng)穩(wěn)定時再測，可以減小液面晃動時產(chǎn)生的干擾。 （3）干擾的軟件處理。如下圖，是單片機輸入信號的正常波形和異常波形 。 圖3-5 單片機輸入信號檢測到正常波形時脈沖寬度是t mS，若軟件采集脈沖波形上升沿，則檢測到異常波形時，軟件在t mS 時間內(nèi)只默認采集了一個上升沿，即將另一個上升沿屏蔽掉，這樣軟件就能將異常波形轉(zhuǎn)換成正常波形進行處理。3.2.6聲光報警電路本設(shè)計采用一個蜂鳴器與一個發(fā)光二極管實現(xiàn)聲光報警。當(dāng)傳感器檢測液位低于預(yù)設(shè)值或傳感器檢測不到有液滴下落時，從站單片機控制蜂鳴器報警燈工作，在發(fā)出聲光報警的同時向PC主站發(fā)出報警信息。設(shè)計中的聲光報警單元分為兩部分:一是光報警。

44、它是利用8051的I/0口控制驅(qū)動發(fā)光二極管工作實現(xiàn)光報警的功能。二是聲報警。它是利用蜂鳴器發(fā)出聲音提示人們。在本設(shè)計中光報警所使用的是在8051的P3.4腳上接一個發(fā)光二極管，當(dāng)報警信號來臨時，它發(fā)出一亮一滅閃爍信號通知護士人員。聲報警部分它時利用報警器來完成的。現(xiàn)在市場上的報警器的種類很多，比如:揚聲器。蜂鳴器燈，本設(shè)計中選用電磁式蜂鳴器作為報警器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。P3.4圖3-6 聲光報警單元3.2.7 步進電機驅(qū)動單元

45、（高度調(diào)整單元）這部分主要由步進電機及其驅(qū)動電路和一定的機械結(jié)構(gòu)組成。電機安裝在地面，電機的主軸上纏繞一根軟線，軟線通過支架頂部的滑輪系在儲液瓶上。通過電機的旋轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)點滴裝置的高度。步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機，由電脈沖信號即可轉(zhuǎn)變成角位移，比其他類型的電動機更適合于本系統(tǒng)，故選用步進電動機。本系統(tǒng)中使用步進電機來控制的高度，以控制點滴速度。此次設(shè)計采用42BY015型步進電機，采用NOMS管IF530構(gòu)成如圖所示的驅(qū)動電路。該電路的特點是無反向電流灌放電路，最大驅(qū)動電流達1安培。由于8051單片機I/O口得復(fù)位電平為“高”，為了避免開機瞬間由于NOMS管導(dǎo)通對步進電機造成損壞，在單片機I/O口和NMOS管之間加74HC04構(gòu)成的反向器，以改變驅(qū)動邏輯。 圖3-7 電機驅(qū)動電路3.2.8 主從站接口電路主從站通信采用TTL串行通信，TTL通信技術(shù)成熟易