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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-07-20 02:23 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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由于從站系統(tǒng)子模塊較多,因此在上圖并沒(méi)有給出十分詳細(xì)的各單元模塊電路,下面將對(duì)各單元模塊電路分別進(jìn)行介紹[6]。 滴速檢測(cè)電路是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的部分之一,能否準(zhǔn)確的對(duì)滴速測(cè)量是對(duì)滴速進(jìn)行控制的關(guān)鍵。圖33 滴速檢測(cè)原理圖 Drip speed detection principle diagram滴速檢測(cè)采用紅外檢測(cè)技術(shù),在滴管處對(duì)輸液速度進(jìn)行測(cè)量。紅外發(fā)射器發(fā)出紅外光后,光線穿透滴斗后照射到接收二極管,接收二極管將照射到它上的光線轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)進(jìn)行輸出。如果此時(shí)滴斗中沒(méi)有液滴滴下,光線衰減就比較小,照射到光電二極管電流比較強(qiáng);如果此時(shí)滴斗有液體滴下,由于液滴擋了一下光線,藥液對(duì)光線具有吸收和散射作用,這樣光電二極管接收到比較弱的光信號(hào)。將光敏二極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),把檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行整形后送入單片機(jī)處理,就可以計(jì)算出液滴的速度[7]。如圖34所示。 圖34 點(diǎn)滴檢測(cè)及信號(hào)整形電路 Spot detection and signal shaping circuit在檢測(cè)過(guò)程中,將滴管放在檢測(cè)光線的中間,由于外部光線的影響以及液滴的表面是曲面狀的,使其測(cè)量產(chǎn)生的波形不穩(wěn)定,干擾較大。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度,需要使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)輸出波形進(jìn)行整形。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。經(jīng)過(guò)觸發(fā)信號(hào)的作用電路由穩(wěn)態(tài)變到暫穩(wěn)態(tài),暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)暫時(shí)的狀態(tài),由于RC電路延時(shí)的作用,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后又自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),并且在輸出端可以獲得一個(gè)脈沖寬度一致的矩形波。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路中,輸出的矩形脈沖寬度其實(shí)就是暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間,它的長(zhǎng)短取決于電路的參數(shù)值。這里我們采用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。由于正常輸液速度為40100滴/分,以最快速度計(jì)算,每分100滴,取R6=100K,C=luF可由公式()得暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間為:tw=RCln3=104秒 ()twTmin可以有效避免兩個(gè)液滴間的干擾。555單穩(wěn)電路可以很好的整形。波形示意圖如35所示。液滴檢測(cè)電路得到的波形為A圖,由于555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是下降沿觸發(fā),所以經(jīng)過(guò)反相器后輸出B波形圖,信號(hào)B的下降沿觸發(fā)單穩(wěn)電路使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)(DIS波形圖)。暫穩(wěn)時(shí)間到了后。如此重復(fù)作用就形成了穩(wěn)定的輸出波形。 圖35信號(hào)檢測(cè)波形 Waveform signal detection鍵盤是由一組規(guī)則排列的按鍵組成,一個(gè)按鍵實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)關(guān)元件,也就是說(shuō)鍵盤是一組規(guī)則排列的開(kāi)關(guān)。按鍵按照結(jié)構(gòu)原理可分為兩類,一類是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵,如機(jī)械式開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電橡膠式開(kāi)關(guān)等;另一類是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)按鍵,如電氣式按鍵,磁感應(yīng)按鍵等。前者造價(jià)低后者壽命長(zhǎng)。因此,微機(jī)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵元件,本設(shè)計(jì)也不例外。按鍵按照接口原理可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤兩類,這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識(shí)別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法。編碼鍵盤主要是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵的識(shí)別,非編碼鍵盤主要是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤的定義與識(shí)別。全編碼鍵盤能夠由硬件邏輯自動(dòng)提供與鍵對(duì)應(yīng)的編碼,此外,一般還具有去抖動(dòng)和多鍵、竄鍵保護(hù)電路,這種鍵盤使用方便,但需要較多的硬件,價(jià)格較貴,一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。本設(shè)計(jì)使用的是機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān),其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說(shuō),它能提供標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平,以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。機(jī)械式按鍵再按下或釋放時(shí),由于機(jī)械彈性作用的影響,通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng),然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來(lái)。(1)檢測(cè)有無(wú)按鍵按下,并采取硬件或軟件措施,消除鍵盤按鍵機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)的影響。(2)有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個(gè)按鍵,其間對(duì)任何按鍵的操作對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響,且無(wú)論一次按鍵時(shí)間有多長(zhǎng),系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。(3)準(zhǔn)確輸出按鍵值(或鍵號(hào)),以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求[8]。 本設(shè)計(jì)對(duì)按鍵進(jìn)行功能定義:S1:按下一次,表示對(duì)吊瓶液體體積進(jìn)行選擇,選擇完畢后再次按下S1確認(rèn);連續(xù)按下兩次表示對(duì)輸液管型號(hào)即輸液系數(shù)進(jìn)行選擇,選擇完畢再次按下S1表示確認(rèn)。S2:選擇500ml;選擇20滴/mlS3: 選擇250ml;選擇15滴/mlS4:選擇100ml;選擇10滴/ml圖36鍵盤電路 The keyboard circuit顯示單元采用LCD,LCD有以下顯著特點(diǎn):(1)低壓微功耗:工作電壓只有3~5V,工作電流只有幾個(gè)微安。因此它成為便攜式和手持儀器儀表的顯示屏幕。(2)平板型結(jié)構(gòu):LCD內(nèi)由兩片平行玻璃組成的夾層盒,面積可大可小,且適合于大批量生產(chǎn),安裝時(shí)占用體積小,減小了設(shè)備的體積。(3)被動(dòng)顯示:液晶本身不發(fā)光,而是靠調(diào)制外界光進(jìn)行顯示。因此適合人的視覺(jué)習(xí)慣,不會(huì)使人的眼睛疲勞。(4)顯示信息量大:LCD的像素可以做得很小,相同面積上可容納更多信息。(5)沒(méi)有電磁輻射:在其現(xiàn)實(shí)期間不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,有利于人體健康。壽命長(zhǎng):LCD器件本身無(wú)老化問(wèn)題,壽命極長(zhǎng)。圖37 LCD顯示模塊 LCD display module任何電氣設(shè)備的使用均離不開(kāi)供電系統(tǒng),在整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,電源的設(shè)計(jì)是必須要考慮的。電源的設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)所要求的供電方式,如是采用單電源方案,還是多電源方案,系統(tǒng)的功耗有無(wú)特殊規(guī)定等。在本設(shè)計(jì)中由于系統(tǒng)所選用的單片機(jī)是AT89C52,它的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為+5V,采集所用的紅外發(fā)光二極管和接受三極管以及通訊所用的CAN總線適配器等電路它們的工作電壓都是+5V,因此在本設(shè)計(jì)中采用單電源方案,單電源方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作可靠。此外由于設(shè)計(jì)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路由UN2001N驅(qū)動(dòng),需要+5V電壓。因此我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠提供+5V的電源,其電路如圖38所示。 圖38 電源電路 power supply circuit 本設(shè)計(jì)采用一個(gè)蜂鳴器與一個(gè)發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。當(dāng)單片機(jī)通過(guò)對(duì)液滴計(jì)數(shù)計(jì)算出剩余液體體積達(dá)到預(yù)設(shè)值或傳感器檢測(cè)不到有液滴下落時(shí),從站單片機(jī)控制蜂鳴器和報(bào)警燈工作,在發(fā)出聲光報(bào)警的同時(shí)向PC主站發(fā)出報(bào)警信息,在PC機(jī)上的主操作頁(yè)面上,用紅色代表報(bào)警。 為了不影響別的病人發(fā)出報(bào)警聲后可斷開(kāi)S5鍵取消蜂鳴器使系統(tǒng)更加人性化。 圖39報(bào)警電路 warning circuit目前,在許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,上、下位機(jī)分工明確,作為下位機(jī)核心的器件的單片機(jī)往往只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和通信,而上位機(jī)通常以基于圖形界面的Windows系統(tǒng)作為操作平臺(tái)?,F(xiàn)階段,這種應(yīng)用的核心便是數(shù)據(jù)通信,它包括單片機(jī)和上位機(jī)之間、客戶端和服務(wù)器之間以及客戶端和客戶端之間的通信,而單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信則是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。單片機(jī)和PC通信是通過(guò)單片機(jī)的串口和PC機(jī)串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)的[9]。RS485半雙工異步通信總線是一種被廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。它具有通信距離遠(yuǎn)、通信速率、成本低等特點(diǎn)。它可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形或星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以很容易實(shí)現(xiàn)串行口通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一臺(tái)單片機(jī)對(duì)于一臺(tái)PC,根據(jù)單片機(jī)接口的通信協(xié)議,在PC上編寫通信軟件即可實(shí)現(xiàn)通信。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一臺(tái)PC對(duì)應(yīng)多臺(tái)單片機(jī)。在本設(shè)計(jì)中業(yè)就是利用了上面的通信電路在單片機(jī)和PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在本系統(tǒng)中主要是用于對(duì)一遠(yuǎn)程輸液系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),這就需要一個(gè)通信電路把遠(yuǎn)程的監(jiān)控對(duì)象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集傳送給上位監(jiān)控系統(tǒng)(PC機(jī))。在設(shè)計(jì)中通過(guò)RS485把下位機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)(PC機(jī))連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)交換,可以從根本上提高檢測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率。而下位機(jī)和PC機(jī)的連接,直接體現(xiàn)在DNC(Direct Numerical Control or Distributed Numerical Control)用一個(gè)上位機(jī)(PC機(jī))對(duì)多臺(tái)下位機(jī)進(jìn)行控制,完成單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。在本設(shè)計(jì)中將RS485串口通信與現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)。利用RS232口與現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)系統(tǒng)主機(jī)控制多臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)。 圖310輸液監(jiān)控CAN總線通信系統(tǒng) monitoring CAN bus munication system上位機(jī)(PC機(jī))的RS232串行口通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485總線,各下位機(jī)通過(guò)MAX485芯片連接到總線上。各個(gè)下位機(jī)設(shè)有自己唯一的地址,且下位機(jī)之間不能通訊,一切通訊受上位機(jī)(PC機(jī))控制開(kāi)始時(shí),下位機(jī)都處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),等待上位機(jī)發(fā)出指令。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令時(shí),所有下位機(jī)都接收并且將其中的地址幀與自己的地址比較,如果相同則繼續(xù)解釋后面的指令或數(shù)據(jù),若不同則不予理睬。在本設(shè)計(jì)中的通信電路的硬件電路設(shè)計(jì)主要就是通信節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì),通信結(jié)點(diǎn)電路由RS485/232接口電路、單片機(jī)和電源電路組成。RS485/RS232接口電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)RS485電平和RS232電路之間的轉(zhuǎn)換,其電路圖如圖311所示 圖311 RS485/RS232轉(zhuǎn)換電路 The RS485/RS232 conversion circuit本章主要是介紹基于AT89C52輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先介紹了系統(tǒng)硬件的總體框圖。然后具體介紹了每個(gè)單元的硬件設(shè)計(jì)原理和依據(jù)。4 輸液監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的核心是單片機(jī),而軟件是單片機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和可靠性在很大程度上決定于軟件。本系統(tǒng)的下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于:①INTO中斷處理程序,主要是用于對(duì)紅外光電傳感器轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的液滴信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。②4S定時(shí)判斷和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警程序,主要是用于對(duì)是否有液滴滴下和液滴過(guò)慢時(shí)的報(bào)警。③基于RS485的通信接口程序,關(guān)鍵是軟件握手信號(hào)的處理[10]。 圖41從站軟件流程圖 The software flow chart整個(gè)下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序由三個(gè)子程序模塊和一個(gè)主控程序模塊構(gòu)成。主模塊核心,管理其他3個(gè)子模塊,這4個(gè)模塊均為實(shí)模塊。主模塊是核心,它主要是管理各子模塊,以及對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及串口部分的初始化。本設(shè)計(jì)的初始化部分包括以下功能。①串口初始化,串口使用工作方式1,波特率通過(guò)定時(shí)器T1溢出率設(shè)為1200bit/s,容許接收,必將定時(shí)器1的初值設(shè)為248(OE8)。串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過(guò)中斷方式完成的,因此還需要設(shè)置串行口的中斷方式。(沒(méi)有完)。②外部中斷0設(shè)置。系統(tǒng)中,當(dāng)有液滴滴下時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字脈沖,就會(huì)在單片機(jī)系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)外部中斷O,系統(tǒng)在該中斷計(jì)數(shù)時(shí),需要開(kāi)啟外部中斷O,并將其模式設(shè)置為電平觸發(fā)模式,以及用于計(jì)數(shù)的R4寄存器的請(qǐng)O。③定時(shí)中斷O設(shè)置。這就要把定時(shí)/計(jì)數(shù)器O設(shè)置在定時(shí)的功能。在這個(gè)模塊中主要利用單片機(jī)的邊緣檢測(cè)功能對(duì)前面由光電傳感器采集經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行負(fù)邊緣檢測(cè),當(dāng)有液滴滴下時(shí),光電傳感器都會(huì)檢測(cè)到液滴信號(hào),再形成一個(gè)不規(guī)則的低電平脈沖,這個(gè)脈沖信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)的工INTO中,利用單片機(jī)的邊緣檢測(cè)功能對(duì)液滴信號(hào)進(jìn)行邊緣檢測(cè)計(jì)數(shù),當(dāng)沒(méi)有液滴時(shí)就為高電平不能形成檢測(cè)信號(hào),因此,也就不能形成計(jì)數(shù)中斷。這樣,只要對(duì)由工INTO傳來(lái)的中斷個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)就相當(dāng)于對(duì)液滴的滴數(shù)計(jì)數(shù)。在這個(gè)模塊中它只是涉及到一個(gè)寄存器R4(它主要是用于計(jì)數(shù))和一個(gè)外部中斷O所以程序比較簡(jiǎn)單。當(dāng)有一個(gè)外部中斷時(shí)就對(duì)R4進(jìn)行加1,這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴的計(jì)數(shù),雖然R4的最大值只有255,但是在通信程序中我們?cè)O(shè)計(jì)了每隔4S進(jìn)行一個(gè)循環(huán),在現(xiàn)實(shí)輸液的過(guò)程中在4S的時(shí)間間隔內(nèi)液滴的滴數(shù)是不可能達(dá)到255滴,所以用一個(gè)8位的寄存器對(duì)液滴計(jì)數(shù)完全是可行的。同樣每和上位機(jī)通信一次我們就把寄存器R4清O,因此就不用擔(dān)心R4會(huì)溢出的問(wèn)題。外部中斷INTO入口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)R4+1;F0=0;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)圖42 液滴計(jì)數(shù)模塊流程圖 Drip count module flow chart查詢液滴有無(wú)及液滴過(guò)慢時(shí)的報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)主要是通過(guò)4S定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在前面我們知道當(dāng)有液滴時(shí),是通過(guò)程序?qū)τ蒊NTO所傳過(guò)來(lái)的信號(hào)邊緣進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù)的,在程序中我們是利用對(duì)R4加1來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴計(jì)數(shù)。因此,只要在4S內(nèi)有液滴滴下R4中的值就一定會(huì)改變,在正常的輸液情況下在4S的時(shí)間內(nèi)R4的值是一定會(huì)改變的。因此,就通過(guò)判斷4S內(nèi)R4的值是否變化,來(lái)判斷在這4S的時(shí)間間隔中是否有液滴滴下,當(dāng)R4的值有變化時(shí)就說(shuō)明4S內(nèi)有液滴滴下。當(dāng)判斷出R4的值沒(méi)有任何變化就說(shuō)明4S內(nèi)沒(méi)有液滴滴下,給報(bào)警標(biāo)志位置1,使它們驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警。其程序流程在本設(shè)計(jì)中出出現(xiàn)以下情況下時(shí)進(jìn)行報(bào)警:①當(dāng)輸液成功完成時(shí),這時(shí)最后一滴液體以后沒(méi)有液滴滴下時(shí)這時(shí)相當(dāng)于兩滴液體的間隔為無(wú)窮大,即遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4S的定時(shí),這時(shí)R4的值就不會(huì)變化,也就報(bào)警。②輸液因意外情況而發(fā)生中斷,這時(shí)中斷前的一滴液滴后也沒(méi)有液滴滴下它就和第一種情況的當(dāng)輸液成功完成時(shí)相同,這時(shí)R4的值也就不會(huì)變化,報(bào)警。輸液過(guò)慢,即兩液滴之間的時(shí)間間隔超過(guò)四秒鐘,這時(shí)R4的值也就不會(huì)變化,也報(bào)警。,蜂鳴器進(jìn)入工作狀態(tài)開(kāi)始鳴叫,提醒病人液滴己輸完或有意外發(fā)生。其他情況下,也就是兩液滴滴下的時(shí)間間隔小于4秒時(shí)為正常工作,在蜂鳴器的兩端均為低電平,沒(méi)有電勢(shì)差,蜂鳴器截止。4S定時(shí)中斷來(lái)否? 中斷入口 N 重置初值
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