分布式智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

分布式智能輸液系統(tǒng)設(shè)計(jì)概括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、殘液顯示、通訊、報(bào)警等功能。該系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測液滴速度，采用步進(jìn)電機(jī)及其支撐裝置控制液滴速度。液滴檢測與控制性能穩(wěn)定可靠，液滴速度誤差為正負(fù)2滴。此外，通過下位機(jī)與上位機(jī)的串行通訊，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了多臺下位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、操作簡單，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：AT89C52；輸液監(jiān)測；紅外傳感器；步進(jìn)電機(jī)；串行通信目錄一、簡介12系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)22.1總體系統(tǒng)規(guī)劃22.2系統(tǒng)模塊電路方案對比與演示22.3整體系統(tǒng)框圖33主控電路設(shè)計(jì)4AT89C52單片機(jī)的功能特點(diǎn)43.2AT89C52主控電路4管腳分布4單元模塊電路設(shè)計(jì)64.1紅外線感應(yīng)電路64.2溫度檢測電路64.4鍵盤顯示電路84.5多機(jī)通信電路94.6報(bào)警顯示電路94.7數(shù)碼管顯示電路104.8滴速控制電路114.9下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)13結(jié)論15參考文獻(xiàn)161簡介在當(dāng)前的過程控制領(lǐng)域，輸液系統(tǒng)控制的研究受到廣泛關(guān)注。隨著集成電路規(guī)模和復(fù)雜性的不斷提高，各種復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。該單片機(jī)具有控制精度高、性能穩(wěn)定可靠、設(shè)置操作方便、成本低廉等特點(diǎn)。隨著單片機(jī)和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用也從獨(dú)立單機(jī)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化。在大型應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集和上傳通常由單片機(jī)完成，數(shù)據(jù)由PC在后臺進(jìn)行分析處理。由設(shè)備和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的后臺應(yīng)用部分統(tǒng)稱為上位機(jī)。兩者結(jié)合充分發(fā)揮單片機(jī)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和基于計(jì)算機(jī)的圖形處理、顯示和數(shù)據(jù)庫管理方面的優(yōu)勢，使單片機(jī)的應(yīng)用不僅僅局限于自動監(jiān)控或傳統(tǒng)意義上的控制，也形成了一種以網(wǎng)絡(luò)為核心的分布式多點(diǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。據(jù)調(diào)查，目前幾乎所有醫(yī)院仍因各種原因不采用輸液監(jiān)測系統(tǒng)，而是采用傳統(tǒng)的輸液方式，采用人工控制和監(jiān)測。輸液速度和輸液量是不準(zhǔn)確的值。輸液速度由護(hù)士通過轉(zhuǎn)動輸液器上的手動滑輪來控制，并通過目測來估計(jì)。人工監(jiān)測輸液情況給患者和醫(yī)護(hù)人員帶來了諸多不便。目前，有一些與輸液相關(guān)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了輸液監(jiān)測、控制、報(bào)警等功能，但還沒有一套完整的集輸液監(jiān)測、體溫、脈搏、通訊、各種報(bào)警為一體的多功能系統(tǒng)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種綜合上述功能的多功能輸液控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案輸液監(jiān)測與控制是本系統(tǒng)的主要研究目標(biāo)，也是本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的根本保證。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，采用AT89C52單片機(jī)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檢測輸液速度、體溫和脈搏值，RS485總線用于完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)。還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控。系統(tǒng)硬件整體框圖如圖2-1所示。圖2-1整體系統(tǒng)硬件圖2.2系統(tǒng)模塊電路方案對比與論證單片機(jī)輸液系統(tǒng)的控制大致可以分為以下幾個部分：(1)數(shù)據(jù)采集電路該電路的作用主要是采集容器內(nèi)的實(shí)時(shí)液位高度，并負(fù)責(zé)將采集到的信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號致給單片機(jī).(2)數(shù)據(jù)處理單元這部分工作是接收采集模塊致的數(shù)據(jù)，然后與預(yù)先確定的液高值進(jìn)行比較。如果高于預(yù)定值或低于預(yù)定值，則致不同的控制信號控制執(zhí)行部分，從而達(dá)到控制液位。的目標(biāo)。同時(shí)也可以通過鍵盤設(shè)置不同的液位值進(jìn)行調(diào)節(jié)，在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前液位值，達(dá)到精確控制的目的。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)使用一個控制閥，該控制閥可以通過提供電流大小來控制通過它的液體流量。如果單片機(jī)分析發(fā)現(xiàn)瞬間液高遠(yuǎn)低于預(yù)定值，最終會輸出比較大的電流來控制流量閥在單位時(shí)間內(nèi)通過更多的液體，使液高恢復(fù)到盡快達(dá)到所需的液位。位高值。反之，打開排水閥進(jìn)行調(diào)整。(4)多機(jī)通訊單元需要建立一對多的多機(jī)串行通信平臺，即一臺PC機(jī)與多臺單片機(jī)之間的多機(jī)互連，PC機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對每個從機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。2.3系統(tǒng)總體框圖整個系統(tǒng)由主站和從站組成。主站安裝在哺乳室。主要功能是觀察各個從站的工作狀態(tài)和一些簡單的控制功能。當(dāng)從站出現(xiàn)特殊情況報(bào)警時(shí)，主站也同時(shí)報(bào)警，提醒護(hù)理人員進(jìn)行相應(yīng)處理。.每臺輸液器上安裝有從站，完成輸液點(diǎn)設(shè)置、檢測、控制和報(bào)警等功能。主站和從站通過串口連接。由于從站數(shù)量較多，AT89C52自帶的URAT并不好用。因此，采用擴(kuò)展的方法來完成主從站之間的通信功能。從站只要使用1個8位寄存器，就可以完成256個。控制奴隸。系統(tǒng)的整體框圖3主控電路設(shè)計(jì)3.1AT89C52MCU的特點(diǎn)單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：時(shí)鐘振蕩電路、復(fù)位電路、電源電路、程序存儲控制電路。時(shí)鐘振蕩電路必須在XTAL1和XTAL2之間連接一個晶振和一個微調(diào)電容。常用晶振12M，電容為30pf；它由CPU、4kBROM、256BRAM、2個16b定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TO和T1、4個8bI/O端子I：IP0、P1、P2、P3、一個全雙工串行通訊口等組成。特別是該系列單片機(jī)芯片的Flash可編程可擦寫只讀存儲器（E~PROM）在實(shí)際應(yīng)用中的用途非常廣泛，更適用于便攜、省電和特殊信息存儲儀器和系統(tǒng)。有用。單片機(jī)的外圍電路如圖3-1所示。

圖3-1MCU外圍電路3.2AT89C52主控電路管腳分布系統(tǒng)采用AT89C52作為主控單片機(jī)，各功能電路由滴速檢測、液位位置檢測、鍵盤控制、體溫檢測、脈沖檢測、LCD顯示、滴速速度控制和RS485總轉(zhuǎn)換電路組成。輸液控制終端涉及大量的硬件資源。下面是定時(shí)器、中斷源和I/O端口的合理分配。三個定時(shí)器也是分的，T0用于定時(shí)任務(wù)調(diào)度；定時(shí)器T1用于通信波特率控制；T2用于脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖由P1.0輸入。外部中斷0分別通過液滴速度檢測，串口異步通訊中斷1用于與PC通訊。I/O口資源的具體分配如表3-1所示。表3-1I/O口資源分配表4單元模塊電路設(shè)計(jì)4.1紅外線感應(yīng)電路滴速檢測采用傳統(tǒng)方法。一對紅外傳感器連接到墨菲滴管的中間和外側(cè)。液滴“屏蔽”紅外線的原理，使紅外線接收管的電位發(fā)生變化，從而檢測是否有液滴通過。該方法安全、穩(wěn)定、可靠。紅外采集電路：紅外傳感電路用于檢測滴管液體的體積。它安裝在滴管的兩側(cè)。紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅光，光線通過輸液管投射到光電三極管，光電三極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以電流的形式輸出。當(dāng)沒有液滴通過漏斗時(shí)，光衰減小，光電晶體管輸出強(qiáng)電流。當(dāng)一個液滴通過時(shí)，由于液體對紅外線有很強(qiáng)的吸收作用，光會瞬間變大，光電晶體管會輸出很小的電流。因此，不同的液位對應(yīng)不同的輸出水平。跌落檢測電路如圖4-1所示。滴管上裝有紅外線發(fā)射和接收電路，每一滴藥液都會使檢測電路產(chǎn)生一個正脈沖。單片機(jī)通過記錄正脈沖數(shù)來檢測滴液的流量。這些液位數(shù)據(jù)被采集后通過AD致到單片機(jī)，與預(yù)設(shè)的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而獲得相應(yīng)的輸液狀態(tài)。液滴流速檢測如圖4-1所示。圖4-1液滴流速檢測示意圖4.2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位模式分辨率可達(dá)0.0625度，軟件校正精度優(yōu)于0.1度。溫度測量范圍為-55°C~+125°C，測量分辨率為0.0625°C，64位激光校正只讀存儲器ROM適用于各種微控制器或系統(tǒng)機(jī)。用戶可以設(shè)置每個通道的溫度上限和下限。下限，包括寄生功率。DS18B20的結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、高速寄存器。DS18B20的引腳排列如圖4-2所示。圖4-2DS18B20引腳排列4.3A/D轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)的A/D芯片為ADC0809。這種大規(guī)模集成電路芯片采用+5V單電源供電。采用逐次逼近轉(zhuǎn)換原理，可對8路0～+5V輸入模擬電壓進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換。八位并行通用可編程模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0809由單片機(jī)控制驅(qū)動，定時(shí)循環(huán)采集傳感器，然后單片機(jī)將各項(xiàng)測量參數(shù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)處理。電路連接如圖4-3所示，電路轉(zhuǎn)換如圖4-4所示。圖4-3A/D圖4-4A/D電路轉(zhuǎn)換圖4.4鍵盤顯示電路鍵盤是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的基本界面。常見的鍵盤有獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤。獨(dú)立鍵盤配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一條接口線。當(dāng)按鍵數(shù)量較多時(shí)，會浪費(fèi)單片機(jī)的資源。鍵盤顯示電路主要實(shí)現(xiàn)液位設(shè)定值的輸入和實(shí)時(shí)液位的顯示。功能。鍵盤界面及其軟件的設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括：是否有按鍵檢測和判斷鍵值，如果有操作延遲消除抖動，根據(jù)鍵值計(jì)算調(diào)整量并致它連接到執(zhí)行器以打開進(jìn)水或排水閥。一系列動作被處理和執(zhí)行。系統(tǒng)采用4行×4列16鍵行列式鍵盤，占用單片機(jī)P1端口的8個端口。顯示器采用4位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)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(jī)通訊電路系統(tǒng)多機(jī)通訊采用串行通訊工作方式，利用PC機(jī)的RS-485異步通訊口與多臺52系列單片機(jī)組成的下位機(jī)直接聯(lián)網(wǎng)。PC和下位機(jī)之間不需要其他中間適配器。界面簡潔，主要技術(shù)問題可以通過軟件方式解決。一個通用的主從分布式多機(jī)通信系統(tǒng)由一個主控和多個從屬組成。主站致的信息可以被每個從站接收，而從站只能向主站致信息，從站之間不能相互通信。如果從機(jī)之間需要進(jìn)行信息交換，數(shù)據(jù)傳輸也必須通過主機(jī)進(jìn)行。主從分布式多機(jī)通信系統(tǒng)采用分散采集、集中管理的方式：從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和初級處理，主機(jī)聚合數(shù)據(jù)完成綜合處理。，控制。4.6報(bào)警顯示電路聲光報(bào)警電路主要由有源蜂鳴器和閃光燈組成。二極管及其驅(qū)動晶體管組成。顯示電路從74HC138的輸出位選擇到各數(shù)碼管的接地端，連續(xù)選擇，形成掃描。其中，74HC138的數(shù)據(jù)端分別與單片機(jī)的P3相連。0，P13。1、P3。2、使能終止P3。4、用74HC164串口輸出段碼分別到數(shù)碼管的A、B、C、E、F、DP端，數(shù)據(jù)輸入端接P3。0時(shí)，時(shí)鐘以P3終止。4.顯示時(shí)先將串口輸入數(shù)字送至7HC164，再從74HCl64輸出至所有數(shù)碼管接口。在本設(shè)計(jì)中，前四位用于顯示監(jiān)測到的液滴速度，后四位用于顯示設(shè)定的液滴速度。電路圖如圖4-6所示。圖4-6報(bào)警顯示電路4.7數(shù)碼管顯示電路單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的七段數(shù)碼管數(shù)字顯示在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中是必不可少的。例如，它是實(shí)現(xiàn)各種儀器儀表中人機(jī)對話的重要組成部分。它以數(shù)字的形式告訴人們機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，我們采用七段數(shù)碼管顯示。單片機(jī)驅(qū)動數(shù)碼管的方法有很多。按顯示方式可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示是指顯示驅(qū)動電路具有鎖存功能。單片機(jī)發(fā)出要顯示的數(shù)據(jù)后，不再控制LED，而是傳輸新的數(shù)據(jù)，直到下一次顯示。只要當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，忽略數(shù)碼管。靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用CPU時(shí)間少。另一種是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描電路是單片機(jī)將要顯示的字體段碼致到共極，數(shù)碼管的具體點(diǎn)亮由位碼決定。數(shù)碼管的編碼如表4-1所示。數(shù)顯電路圖如圖4-7所示。表4-1七段數(shù)碼管標(biāo)簽圖4-7數(shù)顯電路圖4.8滴速控制電路用于控制輸液速度的控制機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)、帶彈簧的夾子、螺桿和螺桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，通過彈簧本身的彈力來壓住輸液管，螺桿是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，調(diào)節(jié)輸液管的松緊度，從而控制輸液。速度的目的。電機(jī)采用四相繞組，步進(jìn)角為1.8o步進(jìn)電機(jī)，即每200步為一圈，四個輸出端口分別由P2.7、P3.5、P3.6、P3控制。使用了7個。大功率三極管直接驅(qū)動。圖4-8顯示了速度控制機(jī)制。圖4-8速度控制機(jī)構(gòu)4.8.1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制元件的步進(jìn)電機(jī)，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移。在非過載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到脈沖信號時(shí)，它驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度逐步進(jìn)行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)可以控制脈沖頻率。（一）工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)。其工作原理是利用電子電路將直流電源變成分時(shí)電源，多相序控制電流。用這個電流給步進(jìn)電機(jī)供電，使步進(jìn)電機(jī)可以正常工作。驅(qū)動器是步進(jìn)電機(jī)的分時(shí)電源。一般電機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進(jìn)電機(jī)是一步一步旋轉(zhuǎn)的，所以稱為步進(jìn)電機(jī)。具體地，每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器接收到驅(qū)動脈沖信號時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會按照預(yù)設(shè)的方向旋轉(zhuǎn)一個固定的角度。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)控電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移或線性位移的裝置。下面是由四個開關(guān)信號控制的四相步進(jìn)電機(jī)示意圖，如圖4-9所示。圖4-9四相電機(jī)(2)控制圖控制圖如圖4-10所示。單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)輸出接口脈沖分配電路驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)圖4-10控制圖(3)特點(diǎn)一個。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，不累加。乙。步進(jìn)電機(jī)外觀允許的最高溫度：如果步進(jìn)電機(jī)的溫度過高，電機(jī)的磁性材料會先退磁，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩下降，甚至失步。因此，電機(jī)表面允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來說，磁性材料的退磁點(diǎn)都在130攝氏度以上，有的甚至高達(dá)200攝氏度，所以步進(jìn)電機(jī)的表面溫度在80-90攝氏度是完全正常的。丙。步進(jìn)電機(jī)的扭矩會隨著速度的增加而減小。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感會形成反電動勢；頻率越高，反電動勢越大。在它的作用下，電動機(jī)的相電流隨著頻率（或速度）的增加而減小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。d.步進(jìn)電機(jī)低速可以正常運(yùn)行，但高于一定速度就不能啟動，并且有嘯叫聲。e.步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載條件下能正常啟動的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于此值，電機(jī)將無法正常啟動，可能會出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)。改變。在負(fù)載下，啟動頻率應(yīng)該更低。如果要使電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，脈沖頻率應(yīng)該有一個加速過程，即啟動頻率較低，然后以一定的加速度上升到所需的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速上升到高速）。4.9下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)下位機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4-11所示，包括步進(jìn)電機(jī)、滴液移動支架、儲液瓶、滑輪、紅外線發(fā)射連接等，其中滴速夾固定在最大滴速。圖4-11機(jī)器機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)束語經(jīng)過幾周的認(rèn)真和努力，我完成了分布式智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這個過程中，我遇到了很多問題，但這些問題都在導(dǎo)師細(xì)心細(xì)致的指導(dǎo)下很快得到了解決。也讓我學(xué)到了很多知識，也意識到了自己的不足。我認(rèn)為這個設(shè)計(jì)對我來說是一個挑戰(zhàn)和鍛煉。本文通過硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和多點(diǎn)輸液過程的監(jiān)控和管理，自動檢測并顯示液體的滴速，可通過鍵盤設(shè)置滴速，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制滴液速度。滴水速度。設(shè)定值自動報(bào)警。該系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：控制機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有控制速度快、控制準(zhǔn)確、控制精度小于兩滴等優(yōu)點(diǎn)。另外，系統(tǒng)具有RS485接口，可與上位機(jī)通訊，可同時(shí)在上位機(jī)和下位機(jī)上。監(jiān)控