分布式智能輸液系統(tǒng)的設計

1、分布式智能輸液系統(tǒng)的設計 摘要摘要 設計了一種以AT89C52為核心的多功能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有液滴檢測、 液滴速度控制、體溫檢測、脈搏檢測、余液顯示、通信和報警等功能。系統(tǒng)采 用紅外傳感器檢測液滴速度，用步進電機及其配套裝置來控制液滴速度。液滴 檢測與控制等性能穩(wěn)定可靠，液滴速度誤差為正負2滴。另外，通過下位機與上 位機之間的串行通信，系統(tǒng)還實現(xiàn)了對多下位機進行遠程的監(jiān)控與管理。測試 結果表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、響應速度快、操作簡便，在醫(yī)療衛(wèi)生領域中具有廣 泛的應用前景。 關鍵詞關鍵詞：AT89C52；輸液監(jiān)控；紅外傳感器；步進電機；串行通信 Abstract This paper desig

2、ned a transfusion-surveillance-control system which used AT89C52 as its core. This transfusion-surveillance-control system had multiple functions such as liquid drop detection, liquid speed control, body temperature detection, pulse detection, remainder liquid display, communication and alarm etc. T

3、his system employed infrared sensors to detect liquid drops and used step motor with other parts to control the liquid speed. The performance in liquid detection and control of this system was stable. The errors of liquid speed was 2 drops. In addition，the remote monitoring and managing of several l

4、ower computers was achieved by Serial communicationThe experiment results show that the system is stable in performance，fast response and simple in operationThe system has bright application future in medical. Keywords: AT89C52； Transfusion-surveillance-control； Infrared Sensor； Stepping motor； Seri

5、al communication 目目 錄錄 1.引言引言.1 2 系統(tǒng)整體方案的設計系統(tǒng)整體方案的設計.2 2.1 系統(tǒng)總體方案.2 2.2 系統(tǒng)模塊電路方案比較與論證.2 2.3 系統(tǒng)總框圖.3 3 主控電路的設計主控電路的設計.4 3.1 AT89C52 單片機的功能特點 .4 3.2 AT89C52 主控電路的管腳分布 .4 4 4 單元模塊電路設計單元模塊電路設計.6 4.1 紅外線傳感電路.6 4.2 溫度檢測電路.6 4.4 鍵盤顯示電路.8 4.5 多機通信電路.9 4.6 報警顯示電路.9 4.7 數(shù)碼管顯示電路.10 4.8 滴速控制電路.11 4.9 下位機硬件電路設計.

6、13 結束語結束語.15 參考文獻參考文獻.16 1.引言引言 在目前過程控制領域中輸液系統(tǒng)控制的研究引起廣泛關注，隨著集成電路 規(guī)模日趨大型化、復雜化,各種復雜的液位控制系統(tǒng)已成為的一個研究熱點。單 片機以其控制精度高,性能穩(wěn)定、可靠,設置操作方便,造價低等特點,應用到輸 液系統(tǒng)的控制之中,不但保證了系統(tǒng)的準確性和可靠性,而且增強了人機交力。 隨著單片機和微機技術的不斷發(fā)展,單片機的應用也從獨立的單機向網(wǎng)絡發(fā)展, 由PC機和多臺單片機構成的多機網(wǎng)絡測控系統(tǒng)已成為單片機技術發(fā)的一個方向。 在一個大型的應用系統(tǒng)中,通常由單片機完成數(shù)據(jù)的采集和上傳,后臺則通 過PC機對數(shù)據(jù)進行分析并處理，在這樣的

7、系統(tǒng)中,單片機系統(tǒng)一般稱之為下位機,由 PC機、網(wǎng)絡設備、數(shù)據(jù)庫服務器組成的后臺應用部分則統(tǒng)稱為上位機。二者結 合,充分發(fā)揮了單片機在實時數(shù)據(jù)采集和微機對圖形處理、顯示以及數(shù)據(jù)庫管理 上的優(yōu)點,使得單片機的應用已不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的自動監(jiān)測或控制,而 形成了向以網(wǎng)絡為核心的分布式多點系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 通過調查得知，目前幾乎所有醫(yī)院因種種原因仍沒有采用輸液監(jiān)控系統(tǒng)， 而是采用傳統(tǒng)的輸液方法，用人工控制和監(jiān)視。輸液速度和輸液量是一個不精 確的值，輸液速度是護士通過轉動輸液器上的手動滑輪來控制，通過肉眼觀察 進行估計的，利用人工監(jiān)視輸液情況，給病人和醫(yī)務人員帶來許多不便。目前 已有一些相關輸液的

8、產(chǎn)品，實現(xiàn)了輸液監(jiān)視、控制、報警等功能，但還沒有整 一套集輸液監(jiān)控、體溫、脈搏、通信、多種報警于一體多功能系統(tǒng)。為此，本 文設計一種集上述功能于一體的多功能的輸液控制系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)整體方案的設計系統(tǒng)整體方案的設計 2.1 系統(tǒng)系統(tǒng)總體方案總體方案 輸液監(jiān)視與控制是本系統(tǒng)的主要研究目標，也是本系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的 根本保證。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，采用了AT89C52單片機作為主控芯片，采用紅 外傳感器、數(shù)字溫度傳感器和壓電薄膜力敏傳感器分別用于檢測輸液速度、體 溫和脈搏值，應用RS485總線完成與上位機的數(shù)據(jù)傳送，也可以實現(xiàn)網(wǎng)絡化集 中監(jiān)控。系統(tǒng)硬件整體框圖如圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)硬件整體

9、圖 2.2 系統(tǒng)模塊電路方案比較與論證系統(tǒng)模塊電路方案比較與論證 單片機輸液系統(tǒng)的控制可以大致分為以下幾個部分： （1）數(shù)據(jù)采集電路 該電路的功能主要是采集容器中即時的液位高度，并且負責把這個采集到 的信號轉換成單片機可以識別的數(shù)字信號并送入單片機。 （2）數(shù)據(jù)處理單元 這部分的工作是接收采集模塊送來的數(shù)據(jù)，然后和事先預定的液體高度值 進行比較，高出預定值或者低于預定值將會發(fā)出不同的控制信號來控制執(zhí)行部 分從而能夠達到控制液位的目的。同時還能夠通過鍵盤設定不同的液位值來進 行調整，并在數(shù)碼管上顯示當前液位值，達到精確控制的目的。 （3）執(zhí)行機構 該機構采用的是一個能夠通過提供其電流大小來控制通

10、過其中的液體流量 的控制閥。如果單片機分析得出即時的液體高度比預定值低許多時，就會最終 輸出一個數(shù)值比較大的電流，來控制流量閥在單位時間內通過更多的液體，使 液體高度盡快地回復到所需液位高度值。反之，開啟排水閥進行調整。 （4）多機通信單元 要建立一個一對多的多機串行通信平臺，即一臺 PC 機與多個單片機之間進 行多機互聯(lián)，PC 機作為主機，單片機作為從機，實現(xiàn)主機對各個從機的控制， 以及主機與從機之間的數(shù)據(jù)傳輸。 2.3 系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)總框圖 整個系統(tǒng)由主站和從站兩部分組成。主站安裝在護理室，主要功能是觀察 各從站的工作狀態(tài)和相應的一些簡單的控制功能，當從站的有特殊情況報警時， 主站也同時報

11、警，提醒護理工作人員進行相應的處理。從站安裝在每個輸液器 上，以完成輸液點數(shù)的設置、檢測、控制和報警等功能。主、從站之間采用串 口方式相連。因為從站個數(shù)較多，用AT89C52 自帶的URAT 不易實現(xiàn)，為此 在主、從站之間采用擴展的方式來完成通信功能，只要在從站中用一8 位寄存 器就可完成256 個從站的控制。系統(tǒng)總框圖如圖2-2所示。 圖 2-2 系統(tǒng)總框圖 3 主控電路的設計主控電路的設計 3.1 AT89C52 單片機的功能特點單片機的功能特點 單片機的最小系統(tǒng)包括：時鐘振蕩電路、復位電路、電源電路、程序儲 存控制電路。時鐘振蕩電路必須在 XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶體振蕩器和

12、微 調電容，晶體振蕩器常用 12M，電容用 30pf；復位電路采用上電復位，采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個 16b 的定時計數(shù)器 TO 和 T1，4 個 8b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機 片內的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實際中有著十分 廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該 單片機外圍電路如圖 3-1 所示。 圖 3-1 單片機外圍電路 3.2 AT89C52 主控電路的管腳分布主控電路的管腳

13、分布 系統(tǒng)以AT89C52作為主控MCU，各功能電路由點滴速度檢測、液面位 置檢測、鍵盤控制、體溫檢測、脈搏檢測、LCD顯示、點滴速度速度控制以 及RS485總轉換等電路組成。輸液控制終端所涉及的硬件資源比較多，下面 對定時器、中斷源和I/O口進行合理分配。 三個定時器也進行了分工，T0用于定時任務調度；定時器T1用于通信 波特率控制；T2用于脈搏計數(shù)，由P1.0輸入計數(shù)脈沖。外中斷0分別用液滴 速度檢測，串口異步通信中斷1用于與PC機通信。對I/O端口資源具體分配 如表3-1所示。 表 3-1 I/O 端口資源分配表 4 4 單元模塊電路設計單元模塊電路設計 4.1 紅外線傳感電路紅外線傳感

14、電路 點滴速度檢測采用傳統(tǒng)方法，在茂菲氏滴管的中部外側接上一對紅外傳 感器，利用液滴對紅外線的“遮擋”使紅外接收管的電位變化的原理，檢測 是否有液滴經(jīng)過，這種方法安全、穩(wěn)定可靠。 紅外線采集電路：紅外傳感電路用來檢測滴管內液體的體積。它安裝在 滴管的兩側。紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅光，光透過輸液管投射到光電三極管， 光電三極管將接受到的光信號轉換為電信號以電流的形式輸出。當漏斗中沒 有液滴通過時，光線衰減小，光電三極管輸出較強的電流。當有液滴通過時， 由于液體對紅外線有很強的吸收作用，光線瞬將大，光電三極管輸出很小的 電流。所以不同的液位，對應著不同的輸出電平。液滴檢測電路如圖 4-1 所示，紅外發(fā)

15、射、接收電路裝在滴管上，每一滴藥水都將使檢測電路產(chǎn)生一 個正脈沖。單片機正是通過記錄正脈沖個數(shù)來檢測點滴的流速。通過AD將 這些電平數(shù)據(jù)采集下來送給單片機與預設的液位數(shù)據(jù)進行對比，從而得出相 應的輸液狀態(tài)。液滴流速檢測如圖4-1所示。 圖 4-1 液滴流速檢測圖 4.2 溫度檢測電路溫度檢測電路 溫度檢測采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，這種電路簡單，測量速度快， 12 位方式分辨率可達 0.0625 度，利用軟件修正精度優(yōu)于 0.1 度。測溫范圍 為-55+125，測量分辨率為 0.0625,內含 64 位經(jīng)過激光修正的只讀存 儲器 ROM 適配各種單片機或系統(tǒng)機，用戶可分別設定各路溫度的

16、上、下限， 內含寄生電源。 DS18B20 內部結構主要由四部分組成：64 位光刻 ROM,溫度傳感器,非 揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL,高速暫存器。DS18B20 的管腳排列如圖 4- 2 所示。 圖 4-2 DS18B20 管腳排列圖 4.3 A/D 轉換電路轉換電路 本系統(tǒng)A /D芯片所選用的是ADC0809，該大規(guī)模集成電路芯片是一種由 單一+5V電源供電，采用逐次逼近轉換原理，能夠對8路0+5V輸入模擬電壓 進行分時轉換的八位并行通用型可編程模數(shù)轉換器。ADC0809由單片機控制 驅動對傳感器進行定時循環(huán)采集，然后單片機將各測量參數(shù)傳至PC機，進行 后臺數(shù)據(jù)處理。電路連接如圖

17、4-3所示，電路轉換如圖4-4所示。 圖 4-3 A/D 轉換連接圖 圖 4-4 A/D 電路轉換圖 4.4 鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路 鍵盤是實現(xiàn)人機對話的基本接口。常見的鍵盤有獨立式鍵盤和矩陣式鍵 盤。獨立式鍵盤配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根接口線， 在按鍵數(shù)量較多時，浪費單片機資源，鍵盤顯示電路主要是實現(xiàn)液位設定值 的輸入和顯示實時液位的功能。鍵盤接口及其軟件的設計任務主要包括：是 否有鍵按下的檢測并判斷鍵值，有操作則進行延時去消抖，并根據(jù)鍵值計算 出調整量送執(zhí)行機構開啟進水或排水閥，進行一系列的動作處理和執(zhí)行。本 系統(tǒng)采用4行4列的16鍵行列式鍵盤，占用單片機P1口的8個

18、端口。顯示采 用4位LED數(shù)碼管顯示當前液位測量值。如圖4-5所示。 圖4-5 鍵盤顯示電路 4.5 多機通信電路多機通信電路 系統(tǒng)多機通信采用串行通信工作方式，利用PC機的RS-485異步通信口 直接與多臺52系列單片機組成的下位機進行聯(lián)網(wǎng)，PC機與下位機之間不需 要其它中間適配器，系統(tǒng)接口簡單，主要技術問題均可通過軟件方法得以解 決。 一般的主從集散式多機通信系統(tǒng)是由1臺主機和多臺從機組成的，主機 發(fā)送信息可被各個從機接收，而從機只能對主機發(fā)送信息，從機間不能互相 通訊。若從機之間需要進行信息交換，也必須通過主機來進行數(shù)據(jù)傳輸。主 從集散式多機通信系統(tǒng)采用了分散采集、集中管理的辦法：由從機

19、進行數(shù)據(jù) 采集及初級處理，而主機匯總數(shù)據(jù)并完成綜合處理，同時還能根據(jù)情況隨時 向各個從機發(fā)出操作命令，進行控制。 4.6 報警顯示電路報警顯示電路 聲光報警電路主要由有源蜂鳴器、閃爍發(fā)光。二極管及其驅動三極管組 成。顯示電路由74HC138輸出位選到每一個數(shù)碼管的接地端，不斷選通構成 掃描。其中，74HC138的數(shù)據(jù)端分別接單片機的P30，P131，P32，使 能端接P34。使用74HC164串行輸出段碼分別到數(shù)碼管的 A、B、C、E、F、DP端，其中數(shù)據(jù)輸入端接P30，時鐘端接P34。顯示時， 先將串行輸入端數(shù)碼送到7HC164，再由74HCl64輸出到所有數(shù)碼管的接口。 本設計用前四位顯示

20、監(jiān)測的液滴速度，后四位用來顯示設定的液滴速度，電 路圖如圖4-6所示。 圖 4-6 報警顯示電路 4.7 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路 單片機實現(xiàn)七段數(shù)碼管的顯示數(shù)碼顯示在單片機應用系統(tǒng)中是比不可少 的，比如在各種儀器儀表中它是實現(xiàn)人機對話的重要組成部分。它以 數(shù)字 的形式告訴人們機器的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)的處理結果。本次設計中我們使用的 是七段數(shù)碼管顯示。 單片機驅動數(shù)碼管的方法有很多中方法，按顯示方法可分為靜態(tài)顯示和 動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅動電路具有鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù) 據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的數(shù)據(jù)。只要當 前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化就無須理睬數(shù)碼管。靜態(tài)

21、顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用CPU時 間少。另外一種就是動態(tài)掃描顯示，動態(tài)掃描電路就是單片機把所要顯示的 字形段碼發(fā)往公共極，具體點亮那個數(shù)碼管有位碼確定，表4-1給出數(shù)碼管 的編碼。數(shù)碼顯示電路圖如4-7所示。 表4-1 七段數(shù)碼管的標碼 圖4-7 數(shù)碼顯示電路圖 4.8 滴速控制電路滴速控制電路 輸液速度控制采用的控制機構由步進電機、帶彈簧的夾子、絲桿和螺絲 行機構依靠彈簧本身的彈性壓住輸液管，通過步進電機帶動絲桿調節(jié)輸液管 的松緊，以達到控制輸液速度的目的。電機采用了四相繞組、步進角為1.8 步進電機，即每轉動200步為一圈，由P2.7、P3.5、P3.6、P3.7四個端口輸出 控制的四個大功率三

22、極管直接驅動。圖4-8為速度控制機構。 圖 4-8 速度控制機構 4.8.1 步進電機步進電機 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機 件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率 和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它 就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋 轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻。 （1 1）工作原理）工作原理 步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變 成分時供電的，多相時

23、序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機 才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，一般電機都是連續(xù)旋轉 的，而步進電機是一步步轉動的，故叫步進電機。具體而言，每當步進電機 的驅動器收到一個驅動脈沖信號，步進電機就會按照預先設定的方向轉動一 個固定的角度。步進電機是數(shù)字控制電機。步進電機是一種將電脈沖轉換為 角位移或線位移的裝置。下面是四個開關信號控制的四相步進電機示意圖如 圖 4-9 所示。 圖 4-9 四相電機 （2）控制示意圖）控制示意圖 控制示意圖如圖 4-10 所示。 +88.8 M1 MOTOR-BLDCM A -A B -B 圖 4-10 控制示意圖 （3）特點）特點

24、a a一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，且不累積。 b b步進電機外表允許的最高溫度： 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降 乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退 磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝 氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常 c c步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相 繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作 用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 d d步進電機低速時可以正

25、常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯 叫聲。 e.e. 步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能 夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能 發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到 高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度 升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 4.9 下位機硬件電路設計下位機硬件電路設計 下位機機械結構如圖4-11所示，包括步進電機、點滴移動支架、儲液瓶、 滑輪、紅外發(fā)射接等其中，滴速夾固定于最大滴速處。 單片機系統(tǒng) 輸出接口 脈沖分配電路 驅動電路 步進 電機

26、 圖 4-11 機機械結構 結束語結束語 經(jīng)過這幾周的認真和努力，我完成了分布式智能輸液系統(tǒng)的設計，在此 過程中，我遇到了很多問題，但都在指導老師認真和一絲不茍的指點下這些 問題很快解決了，同時也使我學到了很多知識，從而認識到自己的不足。我 想，這次設計對我而言是一次挑戰(zhàn)，一次鍛煉。 本文通過硬件設計實現(xiàn)了對單點和多點輸液過程的監(jiān)控和管理，自動檢 測并顯示液體的點滴速度，能夠用鍵盤設定點滴速度，調整步進電機控制點 滴速度，在液位降到設定值時自動報警。系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：控制機構采 用步進電機實現(xiàn)，具有控制速度快、控制準確，控制精度在兩滴以內，另外， 系統(tǒng)具有RS485 接口，能與上位機通信，可以同時在上位機和下位機上監(jiān)控 點滴速度等信息，實現(xiàn)一機多能，一機多用的功能。該系統(tǒng)終端機既可聯(lián)網(wǎng) 使用，適合于各級各類醫(yī)院，也可以單機獨立使用，適合于個體診所。 通過實驗測試系統(tǒng)各檢測傳感器、控制執(zhí)行機構、顯示、報警等各功能 正常，性能達到預定設計要求。結果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定、響應速度快、操作 簡便、安全，具有廣泛的應用前景和理想的市場價值。 參考文獻參考文獻 【1】李蕾, 張曉蓉, 莊匯文. 一種輸液檢測報警裝置的研制J. 醫(yī)療設備信息, 2003,18(3):14-15. 【2】 何希才. 傳感器及其應用實例 M . 北京: 機械工業(yè)出版社,2004. 【3】 張益清,