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正文內(nèi)容

醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

2025-06-25 12:15 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 極好的物質(zhì)條件 , 現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制 , 從手機 , 電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話 , 集群移動通信 , 無線電對講機等 。 5. 單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當廣泛 , 例如醫(yī)用呼吸機 , 各種分析儀 , 監(jiān)護儀 ,超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等 。 某些專用單片機設(shè)計用于 實現(xiàn)特定功能,從而在各種電路中進行模塊化應用,而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機,看似簡單的功能,微縮在純電子芯片中(有別于磁帶機的原理),就需要復雜的類似于計算機的原理。如:音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中(類似于 ROM),由微控制器讀出,轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號(類似于聲卡)。 在大型電路中,這種模塊化應用極大地縮小了體積,簡化了電路,降低了損壞、錯誤率,也方便于更換。 此外 , 單片機在工商 , 金融 , 科研、教育 , 國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途 。 單片機的發(fā)展趨勢 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 8 現(xiàn)在可以說單 片機是百花齊放 , 百家爭鳴的時期 , 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機 , 從 8位、 16 位到 32 位 , 數(shù)不勝數(shù) , 應有盡有 , 有與主流 C51 系列兼容的 , 也有不兼容的 , 但它們各具特色 , 互成互補 , 為單片機的應用提供廣闊的天地 。 縱觀單片機的發(fā)展過程 , 可以預示單片機的發(fā)展趨勢 , 大致有 : CMOS 化 MCS51系列的 8031 推出時的功耗達 630mW, 而現(xiàn)在的單片機普遍都在 100mW 左右 ,隨著對單片機功耗要求越來越低 , 現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了 CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝 )。 象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝 )和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝 ).CMOS 雖然功耗較低 , 但由于其物理特征決定其工作速度不夠高 , 而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點 , 這些特征 , 更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合 。 所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑 。 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲 (RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、并行和串行通信接口 , 中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上 , 增強型的單片機集成了如 A/D 轉(zhuǎn) 換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機將 LCD(液晶 )驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上 , 這樣單片機包含的單元電路就更多 , 功能就越強大 。 甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做 , 制造出具有自己特色的單片機芯片 。 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多 , 各具特色 , 但仍以 80C51 為核心的單片機占主流 , 兼容其結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品 , ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 Winbond 系列單和指令系統(tǒng)的有PHILIPS 公司片機 。 所以 C8051 為核心的單片機占據(jù)了半壁江山 .而 Microchip 公司的PIC精簡 指令集 (RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭 , 中國臺灣的 HOLTEK 公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增 , 與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢 , 占據(jù)一定的市場分額 。 在一定的時期內(nèi) , 這種情形將得以延續(xù) , 將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面 , 走的是依存互補 , 相輔相成、共同發(fā)展的道路 。 輸液監(jiān)控系統(tǒng)以 AT89C51 單片機為中心,單片機 需要電源電路、復位電路、振電路 保證其正常工作。系統(tǒng)的默認速度設(shè)定值為 60 滴 /min, 可以通過鍵盤來修改設(shè)定值。采集裝置通過光電開關(guān)傳感器 對速度進行檢測,并以電信號的形式傳給單片機,經(jīng)運算、分析、處理 后單片機將數(shù)據(jù)傳 給 LCD 顯示 模塊,實現(xiàn)輸液速度的顯示。通過對設(shè)定值和實際值 的比較來控制電動機的正、反轉(zhuǎn),從而帶動輸液器上 的控制齒輪上升下降,達到控制輸 液速度的目的。另外,當采集裝置通過光電開關(guān)傳感器檢測到的速度值 低或過高時,直接啟動 聲報警裝置。若聲報警持續(xù) 1 分鐘后無人復位,則有單片機發(fā)出信號控河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 9 制電動機,使輸液器上的下滑輪處于無液滴滴出的狀態(tài),這樣可以大大提高 輸液的安全性。 單片機論證( 89C51) 由于 EEPROM 的合理使用,電擦除可編程只讀存儲器 EEPROM 近年來已得到廣泛應用,其主要優(yōu)點是能在應用系統(tǒng)中進行在 線改寫,并能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)而不需要后備電源。而 89C51 就是采用了 4KB 的 EEPROM,并且采用了 HCMOS 工藝,既保持了 HMOS 高速度和高密度的特點外,還具有 CMOS 低功耗的特點,基于此,我們選用 89C51 作為單片機芯片 。 系統(tǒng)組成 如下 圖 21: 圖 21 根據(jù)設(shè)計的基本功能要求,設(shè)計方案的選擇如下 。 數(shù)據(jù)采集方案 數(shù)據(jù)采集一般可以采用以下幾種方案: 方案一:使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合。 方案二:使用紅外發(fā)光二極管和接收管組合 。 方案三:利用激光。 通過對比,在設(shè)計中由于是近距離檢測,故采用方案一來完成數(shù)據(jù)采集。雖然紅 89C51 滴速檢測 氣泡、液位檢測 顯示器模塊 鍵盤模塊 聲光報警模塊 電機控制模塊 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 10 外光波長比可見光長,受可見光的影響較小,但是紅外光也有一定的缺點 ,如大氣、潮濕的天氣、霧和云 對它有衰減作用 。因此選擇了方案一,優(yōu)點是價格便宜 ,便于批量生產(chǎn)。 鍵盤方案的選擇 方案一:采用矩陣 式鍵盤,此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式,優(yōu)點是 當按鍵較多時可降低單片機 I/O 口的數(shù)量, 缺點為電路復雜,加大了編程難度。 方案二:采用獨立式按鍵,每個按鈕單獨占有一根 I/O 口線,每個 I/O 口的工作狀態(tài) 互不影響,此類鍵盤采用端口直接掃描方式。其缺點是當按鍵較多時占用單片機的 I/O 口數(shù)目較多,優(yōu)點是電路設(shè)計及簡單,編程相對容易一些。 綜合考慮兩種方案及題目要求,由于本設(shè)計除去復位鍵,只需要擴展 3 個功能鍵,采用方案二也僅僅需要 3 個 I/O 口,系統(tǒng)資源足夠用,故采用方案二。 電動機系統(tǒng)方案的選擇 方案一:采用步 進電動機控制。步進電動機 的精度很高,可實現(xiàn)精確的步距角運動,由其組成的位置控制系統(tǒng)定位準確,穩(wěn)定時間短,一般可采用開環(huán)控制。采用單片機控制步進電動機,控制信號為數(shù)字信號,不再需要數(shù) /模轉(zhuǎn)換,具有快速起 /停功能,步距角可降低到 度、延時短、定位準確 、精度高和可操作性強。與驅(qū)動控制器匹配使用時,控制起來也十分方便,很容易構(gòu)成 數(shù)字位置控制系統(tǒng)。但步進電動機機的控制系統(tǒng)相對復雜,變成困難,價格比直流電動機高。 方案二: 采用直流電動機 控制。直流電動機精度較低,不易實現(xiàn)精確的位置控制。用直流電動機調(diào)整輸液滑輪的上下 移動,用單片機和 A/D 轉(zhuǎn)換構(gòu)成系統(tǒng),控制普通電動機的步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向,可以考慮達林頓管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài),精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速,減小因慣性 、速度和步距角過大而引起的調(diào)整誤差。其控制信號為模擬信號,需要將單片機輸出的序列脈沖轉(zhuǎn)換,延長了控制時間,將難以控制其精確位置,系統(tǒng)穩(wěn)定性也比較差。但使用方便,價格便宜。 小型執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動元件一般選擇直流電動機或步進電動機。綜合考慮題目要求,考慮到本設(shè)計的實際情況,從價格方面考慮,用價格便宜的直流電動機控制輸液器的調(diào)節(jié)滑 輪,因此采用方案二 。 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 11 計算輸液速度方案的選擇 在一定時間內(nèi)點滴的滴數(shù)(即點滴的速度)是單片機通過對紅外傳感器測得的脈沖信號計數(shù)獲得的,但怎樣計算輸液速度以滿足在 3 分鐘內(nèi)實現(xiàn)電動機對輸液速度的控制是必須要考慮的問題。 方案一:在一定時間 t內(nèi)滴下的點滴的滴數(shù) n計算點滴的速度,計算公式為 v=60n/t。根據(jù)此方案,若選取的計數(shù)時間 t 較短,以 t=10s 為例,如果檢測到 6 滴,此時假設(shè)點滴的實際速度為 30 滴 /min,而計算速度為 36 滴 /min(60*6/10), 誤差為 20%,大于題目要求的誤差范圍 10%177。 1 滴 。若選取的時間計數(shù) t較長,則系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間太長。 方案二:根據(jù)一定滴數(shù) n 滴下所經(jīng)過的時間 t 計算點滴的速度,計算公式為v=60n/t(滴 /min)。此方案的誤差與系統(tǒng)計算的時間精度有關(guān)。通過調(diào)整計算的時間精度可以減少計算誤差,達到題目所要求的誤差范圍。 通過比較,選用方案二。 顯示方案選擇 方案一:采用串行顯示接口芯片 MAX7219,由單片機的三位 I/O 口來直接對其進行控制,并由 MAX7219 直接連接 LED,因為 7219 可以直接驅(qū)動 LED。 方案二:選用液晶顯示模塊 LCM103, LCM103 是一個 10 位 8 段帶小數(shù)點的液晶顯示模塊,內(nèi)部含看門狗 /時鐘發(fā)生器和顯示 RAM,可顯示任意字段筆畫, 34 線位串行接口,可方便與單片機接口相連,具有低功耗特性。 通過以上兩種方案的比較和本設(shè)計的要求,我們選擇用方案二, LCM103 顯示清晰,穩(wěn)定可靠,且編程較為簡單。 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 12 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換器 由于單片機處理的必須是數(shù)字信號,而傳感器輸出的卻是模擬量,所以在單片機的實時測控和智能化儀表等應用系統(tǒng)中,需將檢測到的連續(xù)變化的模擬量壓力轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量,才能輸入到單片機中進行處理。所以 系統(tǒng)設(shè)計中需要用到 A/D轉(zhuǎn)換器 。 A/D 轉(zhuǎn)換器概述 A/D 轉(zhuǎn)換器( ADC)的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,以便于計算機進行處理。 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展, A/D 轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制任務的需要 , 大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片應運而生。 ADC0809 是一種逐次比較式 8 路模擬輸入、 8位數(shù)字量輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器,其輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器,可直接連到 MCS51 的數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809 可對 0~ 5V 的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計 用單片機控制 ADC0809 的工作過程如下: 首先用指令選擇 0809 的一個模擬輸入通道,當執(zhí)行 MOVX @DPTR, A時,單片機的WR 信號有效,給 0809 的 START 引腳送入脈沖,開始對選中通道進行轉(zhuǎn)換。當轉(zhuǎn)換結(jié)束后, 0809 發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束 EOC(高電平)信號,該信號可供單片機查詢,也可反相后作為向單片機發(fā)出的中斷請求信號;當執(zhí)行指令: MOVX A, @DPTR, 單片機發(fā)出讀控制 RD 信號, OE 端有高電平,且 把經(jīng)過 0809 轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字量讀到 A累加器中。 下面的程序是采用軟件延時的方式,分別對 8路模擬信號輪流采樣 1次,并依次把結(jié)果轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)存儲區(qū)的轉(zhuǎn)換程序。 MAIN: MOV R1, data MOV DPTR, 7FF8H MOV R7, 08H LOOP: MOVX @DPTR, A MOV R6, 0AH 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 13 DELAY: NOP NOP NOP DJNZ R6, DELAY MOVX A, @DPTR MOV @R1, A INC DPTR INC R1 DJNZ R7, LOOP 單片機最小系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)是一個 單片機最小應用系統(tǒng),系統(tǒng)中有一些功能器件無法集成到芯片內(nèi)部,如晶振、復位電路等,需要在片外加上相應的輔助電路。對于片內(nèi)無 ROM 的單片機,還應該配置片外程序存儲器。這里選用 的是 ATMEL 公司的 AT89C51,帶有內(nèi)置ROM,只需外加電源、振蕩電路、復位電路等。 如下圖 31 圖 31 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書 14 數(shù)據(jù)采集電路 采集部分的傳感器采用光電開關(guān)。 光電 開關(guān)是一種靠感受外部物體對其內(nèi)部震蕩器之影響而達到輸出轉(zhuǎn)換的傳感器。它可非接觸式感應,感應精度高,反應速度快,抗干擾性能好,環(huán)境適應能力強,防油,防水,使用壽命長 。 下圖 32 是幾種常見的: 圖 32 3. 4 檢測 滴速檢測 采用紅
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