基于单片机智能输液系统的设计

里仁学院

课程设计说明书

设计题目：基于单片机智能输液系统的设计 系 别：电气工程系 年级专业：生物医学工程12-1 学 号： 121203041015 学生姓名： 周欢

指导教师： 郑成博 教师职称： 副教授

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里仁学院《课程设计》任务书

课程名称：基于单片机的智能输液系统设计

基层教学单位：电气工程系 指导教师：郑成博 学号 设计题目 121203041015 学生姓名 周欢 班级 生物医学工程12-1 自动送料机传动装置（圆柱齿轮一级减速器）SLZ-1 设计参数：1.工作电压：220V 2.报警容量<10ML 设 计 技 术 参 数 3.无线传输距离<300m 4.传输频率2.4GHz 设计 要求 参考 资料 周次 应 完 成 内 容 指导教 师签字 1.按要求完成设计参数2.答辩论文 新型弹簧输液报警器的研制与应用[J] 单片机原理及其接口技术[M] 等 第一周 选择题目； 针对题目进行资料搜集并分析； 画出设计电路图； 第二周 对设计各部分功能进行具体分析； 对程序进行注释； 完成答辩论文。 基层教学单位主任签字 说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

里仁学院 教务科

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摘要

本次设计是对于目现在输液过程中存在一系列的医疗事故而设计的一整套智能输液系统。通过对传感器、控制芯片、电机的应用的比较与分析以及通信方式,从而选择出各部分的最佳方案。

系统包括上位机设计和下位机软件设计两部分,上位机是根据虚拟仪器软件建立可视界面并对各个部分进行编程,可以对正在输液病人的信息了如指掌。医护人员就可以方便对每一个病人的输液情况进行观察,万一出现液滴滴速过快或者过慢的非正常情况,医护人员随时可以处理。下位机设计就是把硬件传送电路板放在病人那端,是以AT89S52作为控制芯片设计的,外围电路是必须加的,来实现声光报警、数码显示、液滴检测、液位检测等功能,然后通过无线传输模块PTR8000把相应的数据传送出去。该系统价格低、功能齐全、性能好,它的应用将对医院的管理和护理自动化的水平有极大提高,并且它的应用前景在医疗领域也将极其广泛。

关键词:单片机,无线传输模块，红外传感器，报警系统

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目录

1引言 ............................................................... 1 1.1课题背景 ......................................................... 1 1.2课题的研究现状 ................................................... 2 1.3本课题的研究内容和预期目标 ....................................... 3 2总体方案的设计和工作原理 ........................................... 3 2.1设计方案的选择 ................................................... 3 2.2设计方案总体结构 ................................................. 4 2.3方案论证与比较 ................................................... 5 2.3.1控制方案选择 ................................................... 5 2.3.2电机方案的选择 ................................................. 5 2.3.3步进电动机的选型 ............................................... 6 2.3.4无线模块的选型 ................................................. 7 2.3.5液滴检测方案选择 ............................................... 8 3硬件设计 ........................................................... 9 3.1单片机的选型 ..................................................... 9 3.2键盘设计 ........................................................ 13 3.3数码显示电路 .................................................... 15 3.4声光报警电路 .................................................... 16 3.5液滴检测电路 .................................................... 17 3.6液位监测单元 .................................................... 18 3.7电源电路的设计 .................................................. 19 4软件设计 .......................................................... 20 4.1主控模块设计 .................................................... 20 4.2点滴速度的测量模块设计 .......................................... 20 4.3报警模块的设计 .................................................. 22

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1引言

1.1课题背景

随着智能化控制研究的不断发展，自动化临床设备的研究日益成为医疗器械发展的一个重点，因而设计一种智能输液管理系统实现对输液过程的全程监控是医学发展的必然趋势。并且随着微电子技术和信息技术的发展和应用，卫生医疗领域正进行着一场信息化的革命。在医疗监护领域，传统的监护手段己经不能满足当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。由于信息科学、计算机技术、网络技术以及医学信息技术的迅猛发展以及它们在医药卫生领域行业中广泛的应用，世界正进入一个数字医疗时代。

医疗设施发展趋势的走向是否向上在于单片机智能输液系统的发展是否也在向前发展，毕竟，单片机的性价比非常优越，而以前的点滴滴速控制系统，使用的单片机价格比较贵，操作不容易实现，并且对滴速控制精度也较低。现在单片机可以操作多个控制系统，还可以减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。在人为控制下有时如果不小心将会给安全设施带来很大的麻烦，而且人工控制滴速精度也很难掌握，传统临床输液中有患者、陪护或医护人员随时观察监视药液余量的情况,牵扯到的精力大、效率低、还不利于病区的综合管理的弊端。而使用单片机设计只要在设计时考虑周到，运行起来就不会带来这种问题了，因此，单片机滴速控制系统将在医疗中得到广泛应用。该课题研究将具有重要的理论和实际应用价值，对提高我国医疗器械水平将会产生具大的影响。医疗事业的发展是顺应科学技术而发展的，医疗的安全问题更是离不开科学，把高科技应用到医疗事业中来是对医疗事业的一大促进与补充。

1.2课题的研究现状

目前世界上最大的医疗器械市场是日本、美国、欧盟，但公认的最有潜力的市场却是中国。医疗设备与制药业和器械产业的产值在发达国家比为 1∶1.9；而在中国，这个比例仅为 1∶5。由此可见中国医疗器械市场在世界的潜力非比寻常。

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我国已基本明确新时代的医疗体制的改革方向，国家将每年加大农村基层医疗卫生、公共卫生体系和城市社区的建设，由此可以预见，新的时期就会来临，那就是我国医疗器械市场快速发展的时期[6]。

国外对智能输液装置的研究比较早，如日本、美国和德国等国家在上个世纪八十年代末就进行了智能输液装置的研制。输液泵是一种多功能的输液控制器，能够比较精确地控制输液速度，并能实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警等功能。但是价格比较昂贵，在两万元人民币左右。国内对智能输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期才开始研究。不过总的来说功能也只是侧重于精确输液控制，种类比较少，性能也需要改进。由于在规范的操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的，因此输液速度的控制和输液完成报警这些功能成为了人们更为关心的问题。作为一种医疗器械，安全性、可靠性是其基础，作为一种普及到每一位输液病人才能有实际意义的产品，使用方便并且价格低廉又是一种基本要求，所以，这种产品即使安全性、可靠性得到了充分保证，但是如果没有简单方便的操作和较低的价格作为其支撑，想要顺利推广也是不可能的。本系统对输液没有任何影响，系统操作简单，安全性高，可靠性高，检测的精度高。而且整体造价低，没有使用成本，有很强的市场竞争力和推广前景。

目前，我国三甲以上的医院是563家，二甲县级以上5000家，“十一五”规划的医疗服务机构，包括社区医院总共是31万家。也就是说，其中80%以上是个体的诊所和县以下的基层医疗机构。在这些医疗机构中，所拥有的医疗仪器和设备有15%左右是20世纪70年代前后的产品，有60%是上世纪80年代中期以前的产品。因为我国到现在还没有医疗器械管理的有关法规，所以造成一些本应淘汰、报废的医疗器械至今还在使用，由于超期“服役”，有部分仪器早就不能准确提供诊断依据了，但是有不少小诊所甚至是医院，出于经济利益的考虑仍然继续使用。但是随着我国人民生活水平的提高,人们对生命健康越来越关注,医疗器械作为一个新兴产业正在蓬勃地发展。

除此之外，我国还有很多科研医疗的机构,不少企业开发的输液装置都申报了

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专利。但是由于其稳定性、可靠性和灵敏度等方面还达不到实际要求,所以这些专利很少在现实中得到应用。总之,我国对智能输液装置的研制比较晚，点滴输液自动化得到普及,还需要很长的路要走。

1.3本课题的研究内容

整个系统主要包括四个设计模块：1.从站数据采集电路，包括液滴信号的采集和液位信号的采集；2.从站数据处理电路，包括实时数据的显示、处理及控制；3.声光报警电路的设计；4.主站数据接收部分电路，主要为主站无线接收模块PTR8000与单片机之间的SPI通信。

2总体方案的设计和工作原理

2.1设计方案的选择

第一种方案是使用弹簧输液报警器,该报警装置是由一个可以控制的音乐集成块,弹簧及两块电池组成[1]。输液报警器挂在弹簧上，使输液容器的重力转化为弹簧的压缩力，输液结束时，弹簧回缩报警电路被接通，声光报警，以提醒换药，虽然有一定的新颖性，但智能化程度不高，难以实现智能化的医疗监测要求。

第二种方案是用输液瓶液位测量和报警装置[2]。由弹簧，机架齿轮组的机械零件的装置。要遵循胡克定律，通过测量重力的输液瓶和瓶液位报警设备指针来间接测量水平的变化和变化中的报警电路开启时，在接触的金属触点来实现报警。这个装置是主要的机械原理液位测量，精密测量和智能化程度不高，难以推广。

第三种方案是采用光的衍射方法来对微量物体进行测量的装置已经获得专利,其原理就是激光束在通过狭缝时得到衍射,而光电接收器收到衍射光后,则显示信号被输出。衍射狭缝的宽度是物体重量通过杠杆的作用来改变大小的,来使光电接收器收到的衍射光的强度发生改变。利用光电接收器把光强的变化转成电信号而输出。最后通过显示的技术将电信号转化为数字显示,达到对物体质量进行读数的目的。但该装置怎么样应用于输液报警,其夹持机构和测量精度是一个大难题,故没有得到推广。

第四种方案是使用新型PC，摄像头，计数模块和显示，摄像头定位装置，其

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中相机连接到PC，输液液滴的图像和拍摄的图像的显示画面转移到计数模块被安装在个人电脑主机，用于相机所获取的图像信息的收集和分析，计算处理,和液滴的数量，该计算结果的数值将被显示在显示器上。实用新型计数模块以及显示，摄像头，PC主机，PC,使用现有的技术，易于实现，输液的状态可以是数值或图像直观的反应，那么输液的状态就会被远程监控，整体结构非常简单，有效的监测。该设备在医院的图像处理技术提出了很高的要求，它是难以推广。

在输液过程中会有很多外界随机事件,如病人的误动作、液体气泡等都会影响液滴的重量,导致误测,甚至引发误报警。然而本系统需要每一个床位安装一台,与床头已有的报警系统相联系,利于实时监控,随时可以改变输液时液滴的流速,同时不需要重新布线而增加成本,故推广应用比较方便。所以结合智能控制技术,根据具体要求给出数学模型,再由数学模型给出数值算法,最后由数值算法编出程序，使系统能总体寻优,具有自学习、修复记忆、补偿、判断、决策能力。

2.2设计方案总体结构

本次设计采用光电检测与单片机控制，通过PTR8000模块无线传输实现对病人输液过程的控制。可以实现功能为：（1）设置输液时间和速度（2）他们的PTR8000模块的远程监控输液速度和输液时间（3）当输液临近结束时或在输液过程中的发生异常报警该系统由两个主要部分组成：（1）主机（监控中心）通过PC和PTR8000模块对每个从站远程监控和报警，收集实时数据了解病人的基本信息。（2）从站，由单片机系统组成，对一个特定的输液过程进行控制。它包括：滴速控制模块、键盘与显示模块、声光报警模块及PTR8000模块、滴位检测模块。如以下图1所示：

图1 从站框架图

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滴位检测模块 滴速控制模块 键盘模块 单 片 机 显示模块 上 位 机 声光报警模块 PTR8000模块 课程设计

图2 控制面板 按钮

数码管显示

2.3方案论证与比较2.3.1控制方案选择

方案一:可以采用的是模拟控制方案,最突出的优点是价格低廉而且简单容易操作,但是最大的缺点是精度比较低,不易于功能的扩展。

方案二:采用 AT89S52 单片机系统来实现，可用软件编程实现复杂的计算和控制。这种方案使系统中需要的键盘的设定和动态显示滴速等功能显示比较方便，并且可以实现主站与从站之间的通信。数据传送时受到的干扰也比较小,传输性能好。

因此,本系统采用第二种方案。

2.3.2电机方案的选择

方案一：伺服电机。

伺服电机可以接收电信号，然后转换成转动轴上的角速度与角位移。其转速要比电机在负载时的转速高很多。但是就伺服电机的使用情况来说，多数是在低的转动惯量、高的启动转矩和大转矩的系统里。并且伺服电机的价格较高，很少使用。

方案二：直流电机。

直流电机上电后立马转动，掉电后惯性较大，停机时还要转动一定角度后才可停下来。转矩小、没有抱死功能，如果要求准确地停在一个位置，其闭环算法太复杂。

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方案三：步进电机。

步进电机主要是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速，容易开启停止、正反转及变速,动态响应快[7]。价格适中，控制精度较高，适用于较为精确的测量中，还可以有效提高输液速度的控制精度。步进电机每输入一个脉冲信号，转子就会转过一个角度，步进电机会输出特定的角位移或者线位移，其与输入脉冲数成正比例，步进电机的转速也与脉冲频率成正比例关系。本文以单片机为核心，控制了步进电机的工作，其控制信号是数字信号，也就不需要数／模转换了。其具有了快速的启／停能力，可以在一刹那实现启停动作，并且其步距角的降低较小，延时短，定位准确，精度高，可操作性较强。

因此选择方案三。

2.3.3步进电动机的选型

机电一体化的产品关键部件之一就是步进电动机，一般被用作定位的控制和定速的控制。步进电机定位精度高、惯量低、控制简单、没有累积误差等特点。

在选择步进电动机的时候，最先要保证的是步进电动机的输出功率必须要大于负载所需要的功率。但在选取功率步进电动机时，首先要计算机械的负载所需转矩，电动机的矩频特性在一定程度能满足机械的负载并且有的余量能保证它的运行可靠。在实际的工作进程中，各个频率下负载的力矩应该在矩频特性曲线的范围。一般最大静力矩大的电动机，那么负载力矩就大。

Y系列三相异步电动机一般用在鼠笼型异步电动机基本系列，全国统一设计。它的功率等级、中心高、安装尺寸都符合IEC国际电工委员会标准。产品可以和国内外各类机械设备配套。Y系列电机具有效率高、振动小、噪声低、能耗少、重量轻、体积小，维护方便，性能优良、运行可靠等优点。

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根据一般情况选择Y80-132。以下表1为参数：

表1 Y80-132的参数

机凸座缘号号 Y8FF162.数极机座 AA /2 6122.5 01轴伸 凸圆端盖 孔AAAHL B C H K D E F G M N P R S T 数B C D D 11581146 0 0 0 9 0 0 5 .5 0 0 56300 2 5 5 5 0 5 0 121.4 675793111120 5 4 5 2.3.4无线模块的选型

我们知道就有线通信而言，其扩展的性能较差，布线相对比较麻烦，而且其成本也较高。现有的有线通信都是将线缆埋藏在地下，这样就会存在线路腐化、遭到侵蚀的问题，容易影响到通信的质量。考虑到护士站到病房的距离在大医院来说大约在100到200米左右，建议使用PTR8000无线模块。以下为PTR8000无线数传模块的好处：

目前国内外已经开发出种类齐全的甚高频（VHF）无线数传模块，以工作于433MHz和2.4GHz为多。nRF905是一款工作在433/868/915 MHz ISM频段的单片无线射频收发芯片。其显著特点是：

? 通信距离100～300米(433MHz), 10～40米(2.4GHz) ? 所需外围元件少，设计方便

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? 工作于国际开放的ISM频段，无需向专业部门申请使用许可

? 作为无线技术方案，它省却了铺设传输连接线的麻烦，而且升级和增加新的设备非常方便，低功耗

? nRF905的工作电压范围为1.9V～3.6V，其电流消耗很低，发射电流约为11mA(-10dB输出)，接收电流约为12.5mA，待机电流为2μA 采用低价格的单片机和无线收发模块相结合来构建无线通信系统具有以下优点: ? nRF905 作为短距离单片式无线收发芯片具有低功耗、抗干扰性强、传输速率相对较快的特点。价格低廉，开发平台较低，硬件设计简单，开发周期较短。

? 可应用于数据采集、无线抄表、门禁系统、机器人控制等领域，因此具有广阔的市场空间和发展潜力。

2.3.5液滴检测方案选择

方案一:用压力传感器来进行测量的方法。压力传感器主要是利用压力的效应而造成的，在输液瓶的下方加一个压力传感器,通过压力的大小的变化情况来判断是不是有液滴滴下，压力传感器的价格低廉、抗干扰的能力突出而且使用寿命也长。但是在本次设计中不容易实现，实验结果的误差会较大。

方案二:用可见光二极管和光敏三极管共同组成的传感器来测量[3][4]。与光敏二极管相比，光敏三极管则有很大光电流放大的作用，但是较高灵敏度也存在弊端，其在系统中应用时有可能导致滴速测量的不准确，采用了大功率的光敏三极管正好可以弥补这一遗憾，不过他的功耗太大，容易造成不必要的浪费。

方案三:脉冲调制的红外传感器。红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，而且它的调制信号占空比较小，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，切实地增强了系统的抗干扰能力[10]。近几十年来，红外传感器价格合适、性能优良，正逐步得到了广大的电子爱好者的喜爱，在工农业、医疗等各大行业中得到广泛的应用。

因此，本文所设计的系统采用了方案三。

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3硬件设计

主站负责协调和控制整个系统的工作，实现接收从输液监控仪发送的数据并对其进行分析和处理。主站包括PC机和无线PTR8000模块两部分，它可以看成是一个扩展了的 PC机。PC机负责对输液过程的监控和对输液数据的管理，无线PTR8000模块将PC机扩展成了可以接收无线信号的装置，并对各个输液的监控仪进行了通信调度，并把接收数据传输到PC机，然后PC机进行相应的处理。如图3所示：

MCU MCU PTR8000 图3 主站框架图

PC机 MCU MCU PTR8000 PTR8000 MCU MCU MCU PTR8000 从站 主站 当本文的输液监控系统处在工作状态时，PTR8000模块收到数据后，立即把它传送给PC机，监控管理的软件在接收到了该输液数据之后，就将它保存到了数据库，然后经过调用监控的模块，把各个输液状态显示到用户界面上，管理者就可清晰的知道各输液情况，若输液过程中发生异常，系统就会发出声光报警。

系统硬件和软件要作统一规划,一种功能既可以由软件实现,又可以由硬件实现,要根据系统的实时性和性能价格比进行综合确定,智能输液监控系统可分为软件设计、硬件设计两大部分,硬件设计主要包括用在病人端的发送板和用在护士端 的接收板,软件设计包括下位机及在护士端的上位机软件程序两大部分。

3.1单片机的选型

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指

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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。

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O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，AT89S52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，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。

主要的功能如下：

·MCS-51指令系统可以兼容·8k可反复擦写(>1000次）ISP Flash ROM ·4.5-5.5V工作电压·32个双向I/O口

·256x8bit内部RAM256x8bit内部RAM·256x8bit内部RAM ·全双工UART串行中断口线·时钟频率0-33MHz ·2个外部中断源·2个外部中断源2个外部中断源 ·中断唤醒省电模式·3级加密位

·灵活的ISP字节和分页编程·看门狗（WDT）电路 ·双数据寄存器指针·软件设置空闲和省电功能 以下图5为引脚图：

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123456781312151431191891716P1P1P1P1P1P1P1P101234567P0P0P0P0P0P0P0P0P2P2P2P2P2P2P2P2012345670123456739383736353433322122232425262728INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89S52RXDTXDALE/PPSEN10113029

图5 AT89S52的引脚图

因为内置软件看门狗便宜和易于推广，可免除外部看门狗芯片，以降低成本，而且也容易掌握，和工业的80C51指令和引脚兼容，片上Flash允许程序存储器在系统可编程也灵活方便，故而选择AT89S52作为下位机的微处理器。 VCC:电源 GND:地

P0口：P0端口是8位双向的漏极开路的I/O口。当作输出口用时，每位可以驱动8个TTL型的逻辑电平。当我们对P0口写入“1”时，此引脚就用作高阻抗输入来使用。在访问外部程序和数据存储器的时候，P0端口会作为低8位的地址/数据来使用。在这种情况下，P0端口就具有内部的上拉电阻了。在我们用flash进行编程时，P0端口会接收发送到的指令字节；在校验程序的时候，会输出指令字节的。我们知道在程序校验时，需要合适的外部上拉电阻。

P1口：P1端口是双向的有内置的上拉电阻8位I/O口，P1口上的输出端的缓冲器可以同时驱动四个TTL型的逻辑电平进行工作。当我们对P1口写入“1”的时候，其内部的上拉电阻就会拉高端口，该端口就可以当作输入口来使用了。当作为输入使用时，在内部电阻作用下外部被放低的引脚，将会输出IIL型电流。此外，

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P1.0会作为计数器/定时器 2的外部计数的输入端口，P1.2会作为计数器/计时器2触发的输入端口。当我们对flash校验和编程的时候，P1端口会接到低8位的地址字节。

P1引脚第二功能如表2所示：

表2 P1引脚的第二功能

P1.0 T2 用作定时器/计数器T2的外部的计数输入端口和时钟的输出端口 P1.1 T2EX 用作定时器/计数器T2的重载/捕捉触发的信号与方向控制 P1.5 P1.6 P1.7 MOSI MISO SCK 系统编程时用 系统编程时用 系统编程时用 P2口：P2端口是双向的具有内部的上拉电阻的8位的I/O 端口，P2口上的输出缓冲器可以驱动四个TTL型的逻辑电平。当我们对P2端口写入“1”的时候，其内部的上拉电阻就会把端口拉高，此时就当作输入口来使用了。当该端口被当作输入口来使用时，在外部被拉低的引脚在内部电阻的作用下，将输出IIL型电流。在访问外部的程序存储器时，P2端口会送出高8位的地址，用16位地址读取外部数据存储器时也是这样。此时，P2端口会使用很强内部上拉来发送“1”。在使用8位的地址来访问外部数据存储器的时候，P2端口会输出P2锁存器中的内容。当在用flash编程和校验的时候，P2端口会依据接收到的高8位地址字节和控制信号来工作。

P3口：P3是双向的具有内部的上拉电阻的8位的I/O 端口，P3上的输出缓冲器可以驱动四个TTL型的逻辑电平工作。当我们对P3口写入“1”的时候，其内部的上拉电阻就会把端口拉高，该端口就可以当作输入口来使用。当其当作输入口使用时，在外部被拉低的引脚在内部电阻的作用下，将会输出IIL型电流。P3端口也可以作为AT89S52的特殊功能来使用。另外，在我们进行flash编程验的时候，P3端口也会接收控制信号。图6为最小系统图：

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VCC5V1D1R1A47016LED1234567813121514C115P12M1918VCC5VC3CRYSTAL910uFR210K1716C215P31P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89S52RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728GNDGND 图6 AT89S52最小系统电路图

3.2键盘设计

根据要求需要两个按钮，具体电路如下:

VCCR11KR21KP2.0P2.1

图7 键盘电路图

GND键盘由一组按一定规则来排列的按键所组成的。实际上，一个按键就是一个起作用的开关元件。通俗来说，键盘就是一组按规则来排列的开关。我们知道按键按其结构原理来分成两类，一类为触点式的开关按键[14]，比如机械式的开关、导电橡胶式的开关等；一类为无触点的开关按键，比如电气式的按键，磁感应的

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按键等。就其特点而言，前者的造价低廉，后者的寿命较长。因此在微机系统里最常用的是触点式的开关按键，本文设计的系统也不例外。

按照接口原理，键盘可以分为编码式键盘和非编码式键盘两大类。这两种键盘的区别之处是识别键符以及给出键码的方法。编码式键盘主要通过硬件实现了对键的识别，非编码式键盘是由软件控制实现了键盘定义和识别功能。全编码式键盘可以通过硬件逻辑来提供与键相对应的编码，另外还具有去除抖动与多、窜键保护的电路，这类键盘的使用较方便，但是需要的硬件较多，价格也较贵，一般的以单片机为核心的应用系统就很少采用。非编码式键盘只是简单提供了行列矩阵，其它的工作都是由软件来完成。其经济性强，广泛地应用在单片机的系统中[15]，本文所设计的系统便是如此。

本文所设计的系统使用了机械式触点按键开关，其功能是将机械触点的通断转变成电气方面逻辑关系。就是说，它可以提供标准TTL逻辑的电平，以便可以同通用数字系统逻辑电平互容。机械式的按键在按下或者放开时，在机械弹性的作用下，通常会伴随一定时间内触点的机械抖动，而后触点才可以稳定下来。开关机械特性会直接影响抖动时间，一般是5 -10ms。按键的通断状态由触点在其抖动期间内检测出来，这样可能会导致出现判断错误。即按键在一次按完或者放开期间被误解为多次的操作，此种情况是绝对不允许发生的。为了避免触点机械抖动产生检测误判，就必须采取除抖动的措施，可以从硬、软件两个方面进行考虑。当键数少时，可以采用硬件除抖，当检测到了该键被释放后，在去按另外的按键。

本文的键盘的控制程序具备以下的功能:（1）检测是否有按键按下，并且采取相应的硬件或者软件措施，来消除按键的机械触点产生的抖动的影响。（2）具有固定可靠逻辑方面的处理方法。而每一次只对一个按键进行处理，在此期间对于何种按键操作对此系统都不会产生影响，并且无论每次的按键时间是多长，系统只完成一次按键操作的程序功能。（3）准确无误地输出按键的值（或者键号），来达到跳转指令的要求。本文的系统因其所使用的按键比较少，所以采用了两个按钮的键盘。列线应分别连接在按键开关两端，行线要由上拉的电阻接在+5V 上。

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当按键未按下时，行线会处在高电平的状态下；当按键按下时，行线和列线将会导通，此时，行线的电平将会由与此线相连接的列线的电平来决定。这就是来识别按键是否按下的关键。按键是否按下均影响该键所在行、列线的电平，各按键间都会相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来适当地处理，才能确定闭合键的位置。

3.3数码显示电路

按照相关的规定，输液时液速的正常范围应该是每分钟30到150滴,所以本系统的数码管选择了三位, LED显示模块使用了74HC164驱动共阴数码管。74HC164是8位的边沿触发式的移位寄存器，它是串行的输入数据，然后再并行的输出。这样数据便可通过两输入端（DSA或DSB）之一进行串行输入，任一个输入端都可以用作高电平的使能端，来控制另一个输入端输入数据。从单片机的串口输出的信号首先要送到最左边的移位寄存器（74HC164）,因为移位脉冲的作用，数据便向右移，以此完成显示。采用串行显示，与并行显示相比，串行显示占用接口少，更加适用于本系统，数码显示的电路如图所示。显示电路的功能是显示电压与滴速,开机显示了电压的电量,医务人员会根据实际情况决定是否应需要插入电源,保证输液过程的正常工作。当有液滴滴下时,就开始显示：一方面可以方便护士在给病人输液时调节药液滴速,这样就防止了只凭经验来调速，造成调速不准的医疗隐患;另一方面方便了护士巡房,使医疗服务更加的准确、高效。以下图8为显示电路图：

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课程设计

DS112345678DPYaabcfbgdeecdfdpgdpDPY_7-SEG_DPQAQBQCQDQEQFQGQH345610111213QAQBQCQDQEQFQGQH34561011121312345678DS2DPYaabcfbgdeecdfdpgdpDPY_7-SEG_DPQAQBQCQDQEQFQGQH34561011121312345678DS3DPYaabcfbgdeecdfdpgdpDPY_7-SEG_DP123456781312151431191891716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89S52P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27393837363534333221222324252627289812CLRCLKAB9812CLRCLKAB9812CLRCLKABMC74HC164MC74HC164MC74HC164RXDTXDALE/PPSEN10113029

图8 数码管显示电路

3.4声光报警电路

声光报警用于以下的两种情况中:一是输液瓶中的液体快要滴完时,应及时地通知护士，让她尽快地拔针,避免造成血液的回流现象,产生危害病的人体健康事故。二是输液的过程中,如果病人保持一个固定的动作，很快就会感觉到手麻,在稍微的移动了一下,液滴的速度就可能发生过快或者过慢的现象,但是液速很快会 恢复正常情况，这是不可避免的，这也属正常的情况,不必发出报警,尽量的减少了医务人员的工作量,若持续时间超过30秒,就可能是发生了血管的堵塞现象,或者是针头松掉了,这时应该及时地报警，提醒护士进行相应地处理[8]。

如果是重病患者,根据需要也可以屏蔽蜂鸣器,只要发光二极管不断闪动就可以了。本设计采用的蜂鸣器由直流电压来供电,分为有源和无源两种。有源的蜂鸣器要直接接到5V的电源就可以连续地发声,而无源的蜂鸣器则与电磁扬声器相似,要接到音频输出的电路中才可以发声[9],因此本文设计的系统选用了有源的蜂鸣器。蜂鸣器需要较大的工作电流,单片机的输入/输出端口不能驱动其工作,一般需要采用三极管或者是其他的放大器件放大电流后才行。另外,一般的蜂鸣器在接通的时候发出的声音较单一,可能导致病人产生反感的情绪,进而造成了身体上的不适,所以本设计采用了定时器中断程序使得蜂鸣器发出了有节奏感的滴滴声,并且

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还增加了一个发光的二极管,伴随有节奏感的好听声音,发光的二极管会不断地闪动起来,医务人员就可以及时地进行处理。以下图9为报警电路图：

VCC+5BELLLEDT01KPNP

图9 声光报警电路

GND3.5液滴检测电路

液滴检测电路是本次设计的重中之重,如果滴速计算的不准,将会带来很多不必要的麻烦,输液时间计算也会有所出入,报警不准容易造成护士的手忙脚乱,失去了智能监控的作用。信号采集处理电路如下图所示，若测试时检测到液滴的电压差信号过小，可在比较器前加上一级差动放大电路增大检测的可靠性。由信号采集电路原理图可以看出，当药瓶内的液体液面处于光路的上面时(或者液滴滴下切断了光路)，红外发射的二极Send1射出的光就不能被红外接收的二极管Receive1所接收，从而Receive1就截止了，晶体管也就截止了，OP07的输出端是高电平了；当药瓶内的液体液面慢慢下降到光路的附近时(或者没有了液滴滴下时)，红外发射的二极管Send1所射出的光就能被红外接收的二极管Receive1所接收，从而Receive1就导通了，晶体管也导通了，OP07的输出端就是低电平了，此时的单片机就产生了外部中断，驱动相应的电路来发出相应的报警信号，然后通知医务人员来采取紧急措施，从而达到了采集数据以及控制报警的目的。

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VCCR2500R1100R41KVCCOUT11D?LEDQ1NPNLEDR3100KR510KGND2CON2VCCT1GNDGNDGND 图10 液滴检测电路

GND3.6液位监测单元

与速度检测单元一样，本文也提出两种可以实现的方法，即有、无损探测。本文考虑到了系统医用卫生的标准，输液吊瓶中要应尽量地避免有异物的进入，于是就选用了红外无损的探测方案[11]。通常情况下，吊瓶壁的厚度与外直径都要比滴斗要大的多，但当我们增大红外的发射功率之后，经过有水与无水储液瓶所接到的信号不同仍在30-40mV 之间，这说明了红外的无损的探测方式对超越限值报警的电路而言是行得通的[12]。因为本文的越限报警的电路只是需要工作在液体下降至红外的发射接收的通路高度之下，所以本文的传感器单元所接收的信号无需经过滤波环节，只是需要放大工作即可，出于信号的传输损耗越小的考虑，本文将初级放大单元的电路和传感器单元一起设计安装在了储液瓶的旁边。然后在设定一个门限电平，使接收信号高于门限电平时给单片机送入一个信号，产生警报，即构成了越限报警电路[13]，其系统框图及电路图分别如下图11和图12所示：

图11 单元框图

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VCCVCCVCCR1220R21.5KR310K40106R51K40106INT13300PLEDNPN-PHOTOGNDR4VCC100KGNDGND

图12 液位检测电路图

3.7电源电路的设计

电源在电路设计中是非常重要的,电压太大,就会导致电流过大,容易减少元器件的寿命,甚至会烧坏单片机的芯片,造成不可估算的损失,本系统需要产生的电平包括:

5V电压:单片机控制芯片,红外对管,步进电机,报警电路。

因此在本设计中采用单电源方案,单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。在设计中我们采用所有元件的适中电压+5V,它通过变压器先把生活中常用的交流电变换成+5V的电压,再用稳压器把它稳定在5V。电路图如下图所示：IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电较大时，7805应配上散热板。以下图13为电源电路图：

11220V9V4225VP0Vin+5VGNDRLRES2C2ELECTRO1BRIDGE1TRANSFORMERC1ELECTRO133VCCGND 图13 电源电路

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4软件设计

要想保证整个输液监控系统设计能够正常的工作,硬、软件设计都是不可以忽视的组成部分。没有了硬件,软件就是一堆乱码,没有了软件,硬件就是空壳了,所以即使硬件设计比较完整,但是如果没有了软件应用部分,本文所设计的系统还是不可以工作的。所以只有将合乎设计的要求的嵌入式的软件控制程序下载至相应的硬件电路板之上,系统的各个部分才能够正常运行,完成预期。

4.1主控模块设计

主控模块作为软件系统的核心，在工作的时候首先要对数据缓冲区和串口部分进行初始化，然后协调各个子模块进行工作。本次设计的初始化主要包含以下两方面，一是对于串口要进行必要的初始化工作，让其在方式1下工作，而波特率则是由定时器T1的溢出率设定，设定为1200bit/s，并让其工作在允许接收状态下。单片机的外围电路里使用了频率是11.0592MHz 的晶振，需要设定定时器1的初始值248(OE8)。串口数据的通信过程里的发送和接收必须要通过中断来进行实现，因此必须要设置串口中断方式；二是对于外部的中断0的设置，在输液的监控系统的过程中，当有液滴滴下的时候，液滴的检测电路会捕捉所产生电信号的来源，再发出1个数字的脉冲信号，送到单片机的内部使其产生了1个外部的中断0。本系统在中断计数的时候，应该启动外部中断0，并且将其设定在电平的触发模式中，及用于计数的R4寄存器内部清零[17]。

4.2点滴速度的测量模块设计

点滴速度存在两种测量方式。一是：以点滴每次间隙为单位，记录出一次点滴所用时间，用60来除以点滴的间隔单位的时间就可以得到点滴数/每分钟。此方法用除法操作，如果点滴速度比较快，测量误差也较大。而测量所得到点滴的单位时间误差会被 60 秒的时间单位所放大。但此方法用在点滴速度的修正上，可以适时的测得点滴速度的变化量，其适用于调整滴速的场合。二是：用单位时间来记录出点滴数。利用乘法计算来算出滴速，此法存在一定弊端，如果单位时

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间里的点滴数目不是整数，就容易存在测量的误差。但若是在滴速恒定情况下，可以采取在许多单位时间里取均值，从而求出单位时间的平均点滴数，这样就可以达到比较高的精度[18].在本次设计中，将采用将两者结合起来的方法进行测量。以点滴为单位，同时对于多个点滴来测量，计算出滴速。如图是实现原理。

中断计数

A B

中断计数

图14 脉冲电路图

定时器 T 0的定时时间是200us，当系统检测到有脉冲信号发出时，程序就开始进行相应的中断处理，将计数器里存储的内容读出来，然后将计数器进行清零，作为了记录脉冲信号的初始值，将其计为COUNT=0，当定时器的时间到达了 200us时，程序中断就会检测输入的信号是否是有脉冲信号，同时将计数器进行加1的操作，即计COUNT=1，另外设置计数器COUNT=1所记录的检测到的脉冲信号的个数，设置计数器COUNT=1存储单元为10，这样就可循环存储脉冲的个数。我们可以在定时器COUNT=1中取出5个相临脉冲的信号点（可以设定起始的脉冲点为 x，其相对应于计数器COUNT数值为n1，那么第五脉冲点就为x+5，其相对应于计数器COUNT数值为n 2），这时就计算出了经过五个脉冲点的时间是：t = (n2 - n1)×200us，从而就得到了相临的脉冲信号时间间隔平均值是：T=t/5，也就得到了点滴速度是：v=60s/T=1500/(n2-n1)[19]。经过以上的分析与计算，就得到了点滴速度的测量程序图。

21 开始 定时200us

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是 COUNT1加1 检测到脉冲信号 否 COUNT加1 是 定时结束 否 退出中断 设置计数器COUNT1=0 设置计数器COUNT=0

图15 点滴速度的框架图

4.3显示报警模块的设计

查询液滴过慢或有没有液滴落下时及时的报警模块程序设计主要是依靠 4s 定时中断程序来实现。根据以上的分析，在输液进程中滴下的液滴的数量最主要是利用程序对INT0传送来的信号边缘进行检测计数，并且在程序中使用R4计数器加1来实现对液滴的计数。因此，只要在4s内有液滴滴下时R4中的值就一定会改变，正常的输液在4s的时间内R4的值是一定会变化的。因此，就可以通过判断4s内R4的值是否发生变化，来判断在这4s的时间间隔中是不是有液滴滴下，

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当R4的值有变化时就说4s内有液滴滴下;当判断出R4的值没有任何变化时就说明4s内没有液滴滴下，给报警标志位置1，让它们分别驱动蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。

在本次设计中若出现以下情况下时就会进行报警：①当输液正常完成时，这时最后一滴液体以后就没有液滴滴下了，这就相当于两滴液体的间隔时间为无穷大，即远远大于4s的定时，这时R4的值就不会发生变化，就开始报警；②输液因意外情况而发生中断的，这时当中断前的某一液滴滴下后，再就没有其他液滴滴下了，其与第一种现象是相同的，这时R4的值也不会变化，也发出报警信号；③输液太慢时，两液滴滴下的时间间隔超过了四秒，这时R4的值也不会变化，也报警。

当出现了以上情况时，本系统的单片机的T0端口就输出了高电平，这时蜂鸣器就会进入到工作的状态而开始鸣叫，提醒病人液滴已经输完或者有意外发生。其他情况下，也就是两液滴滴下的时间间隔小于4s时就为正常工作，单片机TO脚就输出低电平，蜂鸣器停止。流程图如下图16所示：

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图16 显示声光报警框架图

结束 Y 声光报警 液滴是否结束 N

结束 Y 显示发送数据 Y 接收数据 有液滴滴下 N

有数据发送 N 状态灯显示 无线模块初始化 开始 开始 声光报警是系统设计不可或缺的部分,为了不影响病人情绪,报警时我们采用有节奏的报警声音,主要有软件部分来设定,当液滴不再下落超过5S时开始报警报警。

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附录

附录Ⅰ整体电路图

DS112abDPYa12DS2abDPYa12DS3abDPYaVCC3335VD14cfgb4cf4cfb1R1A161P10P00395d5dgbdg4702P11P01386ee6eec56eecLED3P12P02377fdcdp7fddp7fddp4P13P03368gdp8gdp8g5dp无线模块6P14P0435DPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DP7P15P05348P16P0633P17P0732339QA49QA49QA3138CLRQB58CLRQB8CLRQB4GNDGND12INT1P2021INT0P2122CLKQCCLKQC5CLKQC5231QD61QD61QD615P22242AQE102AQE102AQE101114T1P2325BQF11BQF11BQF12C1C2T0P2426QG12QG12QG1315P15P31P2527QH13QH13QH12MEA/VPP2628MC74HC164MC74HC164MC74HC16419P2718X1VCCC3CRYSTALX25V9RESETRXD1010uF17TXD11R216RDALE/P3010KWRPSEN29AT89S52VCCVCCVCCR1R22201.5KR310KVCC+54010640106R5INT11KBELL3300PLEDNPN-PHOTOLEDGNDR4VCC100KGNDGNDT01KPNP1125VP0220V9V42Vin+5VGNDDNGRLRES2BRIDGE1TRANSFORMER3C13C2ELECTRO1ELECTRO1VCCGND

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VCCVCCR2R45001KR1100VCCOUT11D2T1DIODE2Q1CON2NPNVCCD1R3100KR510KGNDGNDGNDGNDGNDVCCR1R21K1KP2.0P2.1GND

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附录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

查询方式的参考程序如下： MOV TMOD,#01H LOOP: MOV TH1，#0FEH MOV TL1，#0CH SETB TR1

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