【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，通過(guò)檢測(cè)輸出端電壓信號(hào)的強(qiáng)弱就可以檢測(cè)出有無(wú)藥液滴下。把檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，就可以計(jì)算出輸液的點(diǎn)滴速度 [3]。 綜合考慮上述各種方案，方案三成本 低、電路易實(shí)現(xiàn)且不受外界光源干擾，故采用方案三。 剩余液體檢測(cè)方案 方案一 :采用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)，跟點(diǎn)滴檢測(cè)模塊一樣。讓紅外發(fā)射和光電接收管分別放在滴管兩側(cè)，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱不同，當(dāng)液面處于警戒線以上時(shí)液體對(duì)光線有反射和吸收作用，接收的信號(hào)較弱 。當(dāng)液面處于警戒線以下時(shí)，接收的信號(hào)就較強(qiáng)，此時(shí)單片機(jī)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 方案二 :通過(guò)設(shè)定輸液總量和點(diǎn)滴計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在使用的一次性輸液器的滴系數(shù)一般為 20 滴 /ml、 15滴 /m 10 滴 /m點(diǎn)滴系數(shù)是指靜脈輸液時(shí)每毫升液體的滴數(shù)。目前輸液瓶的容量有 500ml、 250ml、 100ml 三種，通過(guò)按鍵選擇輸液瓶的容量和輸液器的型號(hào)。根據(jù)輸液瓶的容量、點(diǎn)滴系數(shù)、點(diǎn)滴計(jì)數(shù)值我們就可以計(jì)算出剩余液量。比如輸液瓶容量為 25Oml，滴系數(shù)為 15 滴 /ml，點(diǎn)滴計(jì)數(shù)值為 n，這樣通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式就可算出余液的多少。設(shè)定余量 20ml 為輸液快完，此時(shí)可以通知單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)。 本系統(tǒng)我們采用第二種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，減少 IO口的使用，降低成本。液滴檢測(cè)后的信號(hào)送單片機(jī)經(jīng)處理后通過(guò) RS485/RS232 總線上傳上位機(jī)。 速度控制方案 方案一 :通 過(guò)改變滴管的高度來(lái)控制輸液滴速。由電機(jī)帶動(dòng)輸液瓶使輸液瓶上升或者下降，以改變滴管的高度從而調(diào)節(jié)滴速。當(dāng)實(shí)際滴速大于設(shè)定滴速時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)降低輸液瓶的高度，反之反轉(zhuǎn)升高輸液瓶的高度。經(jīng)驗(yàn)證此方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，一方面是由于高度與滴速之間屬于非線性關(guān)系，難以精確調(diào)節(jié)滴速 。另一方面，經(jīng)試驗(yàn)得出輸液瓶在一米高的時(shí)候，滴速大致為 100 滴 /min，而一般輸液速度不會(huì)大于 100 滴 /min，高度只能在一米以下調(diào)節(jié)，而病床的高度一般都高于一米，輸液瓶的高度低于床位才能實(shí)現(xiàn)所要求的滴速 。并且在輸液中，液面也在不斷下降，這相當(dāng)于降 低了輸液瓶高度，這樣不太合理，由此得出這種方案不可取。 方案二 :通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械裝置來(lái)夾緊或放松莫氏管來(lái)控制輸液滴速。利用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制機(jī)械裝置，使機(jī)械裝置來(lái)夾緊或放松莫氏管，以達(dá)到降低或提高滴速的目的。 本系統(tǒng)我們采用第二種方案。保留原來(lái)輸液管上的手動(dòng)滑輪，以便病人家屬可以使用。 電機(jī)選擇及控制方案 方案一 :采用直流電機(jī)。直流電機(jī)上電后就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，掉電后由于慣性還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度才能停下來(lái)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制 ,極易造成不必要傷害。 方案二 :采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移與輸入脈沖成線性關(guān)系 ，具有良好的跟隨性，沒(méi)有累計(jì)誤差。易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。控制精度較高。 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 方案三 :采用伺服電機(jī)。伺服電機(jī)在低慣量、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)中經(jīng)常使用。 考慮到上述各種電機(jī)的性能和特點(diǎn)，使用步進(jìn)電機(jī)可以較好滿足本系統(tǒng)的功能要對(duì)以上兩種方案進(jìn)行比較之后，我們決定選擇第二種方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制。 主從機(jī)通信方案 方案一：采用無(wú)線方式。 常用的無(wú)線方式有紅外、藍(lán)牙、 Zigbee、無(wú)線收發(fā)模塊等。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(lán)牙技術(shù)比較復(fù) 雜，功耗也比較大。無(wú)線收發(fā)模塊 RF90 NRF2401a 價(jià)格雖然能夠接受，但是這種無(wú)線模塊并不是非常適合運(yùn)用在樓宇當(dāng)中，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在空曠場(chǎng)地上 200m 范圍內(nèi)沒(méi)有問(wèn)題，但是現(xiàn)代樓宇普遍采用鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，對(duì)電磁波衰減作用非常嚴(yán)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(shí)擅自增大 RF 輻射功率不僅會(huì)對(duì)人身健康產(chǎn)生不利影響，而且可能會(huì)面臨法律上的問(wèn)題，因此也不宜使用?；谝陨显颍駴Q了無(wú)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(shí)際當(dāng)中用得較少，其特點(diǎn)是傳輸速度快，但是占用單片機(jī) I/D 口較多，需要的傳輸線也很多，不適合遠(yuǎn)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(dá) 800kb/s)的場(chǎng)合。因?yàn)樗笥蓵r(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)接收與發(fā)送之間的嚴(yán)格同步，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)相位的一致性要求非常嚴(yán)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。 異步串行通信有多種總線形式可供選擇，如 RS23 RS48 CAN 總線等。結(jié)合 AT89C52本身，其內(nèi)部有一個(gè)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(guò)外接移位寄存器芯片實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展 I/0 口的功能；方式 1 為 8 位異步通信接口，用于雙機(jī)通信，在距離小于 1． 5m 時(shí)可直接相接利用單片機(jī)本身的 m 電平直接傳輸信息，為增加通信距離，遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 減少通信及電源干擾，一般采用 RS232． C 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信；方式 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(jī)通信，也可用于雙機(jī)通信。在多機(jī)系統(tǒng)中，通常采用 RS42 RS485 串行標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 RS485 在以 1Mbit/s 高速率傳輸時(shí)最大 傳輸距離不超過(guò) lOOm，而以最低速率傳輸時(shí)傳輸距離理論上也只有 1219m 左右 (無(wú)中繼 )，即便加上中繼最多也只能增加八個(gè)，最大傳輸距離在理論上也只有 9． 6km 左右，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中顯然是達(dá)不到這個(gè)數(shù)值的，如果真需要長(zhǎng)距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，多模光纖的傳輸距離是 5～ lOkm，這使系統(tǒng)復(fù)雜程度及成本都大大提高，還為系統(tǒng)的后期維護(hù)增大了難度。而且 RS． 485 還有一些與生俱來(lái)的缺點(diǎn)，如數(shù)據(jù)傳輸率低、抗干擾能力較弱、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試?yán)щy、通信失敗率高等。 同時(shí) RS485 使用的是單主從結(jié)構(gòu)， 就是一個(gè)總線上只能有一臺(tái)主機(jī)，通訊都由它發(fā)起的，它沒(méi)有下命令，下面的節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送，而且要發(fā)完即答，受到答復(fù)后，主機(jī)才向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)詢問(wèn)，這樣是為了防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，但導(dǎo)致其總線利用率也是很低的。最為重要的是 RS一 485 的網(wǎng)絡(luò)特性為單組節(jié)點(diǎn)，即只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，一個(gè)主站對(duì)從站的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，在這種網(wǎng)絡(luò)中如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差。也就是說(shuō)，在錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制方面， RS485 只規(guī)定了物理層，而沒(méi)有數(shù)據(jù)鏈路層，所以它 對(duì)錯(cuò)誤是無(wú)法識(shí)別的，除非一些短路等物理錯(cuò)誤。這樣容易造成一個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞了，拼命向總線發(fā)數(shù)據(jù) (比如一直發(fā) 1)，這樣造成整個(gè)總線癱瘓。所以 RS485 一旦有一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)都會(huì)癱瘓。作為一個(gè)醫(yī)療系統(tǒng)，可靠性顯然是其第一要?jiǎng)?wù)，故而不使用 RS485 串口通信的方案。 2C 串行總線方式只要兩條線即可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，但一般單片機(jī)都沒(méi)有其接口，用軟件模擬的話非常復(fù)雜，增加了開(kāi)發(fā)周期。， 2C 數(shù)據(jù)傳送率可高達(dá)每秒十萬(wàn)位，高速方式時(shí)在每秒四十萬(wàn)位以上，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。但是其總線長(zhǎng)度一般不 高于 25 英尺，折合標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位僅為 7． 62m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本項(xiàng)目的要求，故而棄用。 CAN，全稱為“ Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 CAN 總線在以 5Kbit/s 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其傳輸距離在賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 理論上距離可達(dá) lOkm，而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中有效距離也達(dá)到 4． 5km，應(yīng)該能夠滿足現(xiàn)實(shí)生活中醫(yī)院的需求。在總線利用率方面，由于 CAN． bus是多主從結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有 CAN 控制器，多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，以發(fā)送的 ID號(hào)自動(dòng)進(jìn)行仲裁，這樣就可以實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)不錯(cuò)亂，而且一個(gè) 節(jié)點(diǎn)發(fā)完，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以探測(cè)到總線空閑，而馬上發(fā)送，這樣省去了主機(jī)的詢問(wèn)，提高了總線利用率，增強(qiáng)了快速性。在網(wǎng)絡(luò)特性方面， CAN 為多組節(jié)點(diǎn)， CAN 控制器可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) (成組 )及全局廣播中方式傳送和接受數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán) (取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符 )采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。在通信失敗率方面， CAN 總線通過(guò) CAN 總線控制器接口芯片的兩個(gè)輸出端 CANH 和 CANL 與物理總線相連，而 CANH 端得狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)， CANL 端只能是低電 平或懸浮狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸，有效避免了總線沖突。在節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)的影響方面，由于 CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，因而對(duì)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤 CAN 總線型系統(tǒng)基本無(wú)影響。在抗干擾方面， CAN 的每幀數(shù)據(jù)都有 CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境中使用，這點(diǎn)對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)的可靠性起到非常重要的作用。此外 CAN 總線還有數(shù)據(jù)傳輸率高、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試容易、后期維護(hù)成本低等寶貴特 點(diǎn)。 基于上述原因，最終選定上位機(jī)與下位機(jī)之間采取基于 CAN 總線的有線異步串行傳輸通信方式。 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 AT89C52 的輸液監(jiān)控系統(tǒng)主要有三大部分組成，它們分別是由 PC機(jī)構(gòu)成的主站、由 AT89C52 單片機(jī)為核心的各個(gè)從站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(gè)模塊：輸液信號(hào)采集單元、脈沖整形和 A/D 轉(zhuǎn)換單元、液滴顯示單元、聲光報(bào)警單元、數(shù)據(jù)通信單元和單片機(jī)外圍電路等。其中輸液信號(hào)采集單元完成輸液信號(hào)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(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理完畢后一方面顯示輸液速度遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 等信息，另一方面根據(jù)設(shè)定的輸液速度對(duì)輸液速度進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)通過(guò) CAN 總線將信息傳送至 PC 上位機(jī)。而在 PC 上位機(jī)中可以通過(guò)設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件對(duì)各從站的輸液情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)電源擴(kuò)展未畫(huà)，整體系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 圖 21 整體系統(tǒng)框圖 Fig .21 Diagram of the system 小結(jié) 本章簡(jiǎn)單的分析了輸液監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)需求，并根據(jù)系統(tǒng)需求提出了系統(tǒng)構(gòu)成，再對(duì)各子模塊進(jìn)行方案 論證后，建立了總體系統(tǒng)框圖。 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 3 系統(tǒng)從站的硬件設(shè)計(jì) 從站系統(tǒng)框圖與核心部分電路圖 根據(jù)從站系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，為從站系統(tǒng)設(shè)計(jì)出以下系統(tǒng)框圖 圖 31從站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 From the station system structure diagram 從站用 AT89C52 作為微處理器，蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警， ULN2020A 用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)采用 四相八拍進(jìn)行控制。 AT89C52 單片機(jī)是 Ateml 公司出品的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Ateml 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C5l 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8字節(jié)Flash， 256 字節(jié) RAM， 32位， I/0 口線，看門(mén)狗 定時(shí)器， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89C52可降至 0HZ 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作， CANH RXD CANL TXD AT89C52 驅(qū)動(dòng)電 路 步進(jìn)電機(jī) 聲光報(bào)警 鍵盤(pán)及顯示電路 EEPROM 檢測(cè)電路 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 允許 RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜，內(nèi)置軟件看門(mén)狗可免除外接看門(mén)狗芯片降低成本，又與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容便于掌握，片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程使用靈活 方便，故而選擇 AT89C52作為下位機(jī)的微處理器 [4][5]。 圖 32 從站系統(tǒng)電路圖 From the station system circuit diagram 從站系統(tǒng)各單元設(shè)