课程设计（论文）-基于单片机的医用点滴余液液位监测报警系统.doc

I 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 目目 录录 1 1 前言前言.1 1 2 2 总体方案设计总体方案设计.2 2 2.12.1 方案论证方案论证.2 2.22.2 方案选择方案选择.3 3 3 单元模块设计单元模块设计 .4 4 3.13.1 监测模块监测模块.4 3.23.2 单片机模块单片机模块.4 3.33.3 LEDLED 信息显示模块信息显示模块.6 3.43.4 控制输入模块控制输入模块.7 3.53.5 报警模块报警模块.7 4 4 软件设计软件设计.9 9 5 5 系统调试系统调试.1010 6 6 结论结论 .1111 7 7 总结和体会总结和体会 .1212 8 8 参考文献参考文献 .1313 附录附录 1 1：附图：附图 .1414 1.11.1 原理图原理图.1414 1.21.2 电路电路 PCBPCB 板图板图.1515 1.31.3 软件代码软件代码.1616 附录附录 2 2：相关设计软件：相关设计软件 .1818 1 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 1 1 前言前言 随着社会的发展，随着科技的进步。运来越多的地方需要用到一些高科技 设备来为人们服务。 目前医院普遍使用的是人工监控点滴输液装置器，将液体容器挂在一定高 度，利用势差将液体输入病人体内，用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速， 药物的有无将威胁病人的生命安全，为此 医护人员要不定时的观察药物的情 况，本设计根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能， 使用了红外对射传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀 性液体液位的控制，简单、方便、安全、具有较高的使用价值。如何使这种 手工操作走向自动化或半自动化，让护理人员监控病人打点滴的进程时间得到 充分利用，这就要求医疗器械加速自动化与半自动化进程，提高医护质量。 本文介绍了一种操作方便、显示直观、可集中控制、具有报警功能的智 能型液体点滴速度监控系统。该系统可让医护人员在控制室 监控不同受液者 的输液状况，也可以直接到输液室直接改变输液状态，了解病人的输液进程， 及时通知处理将快完成的输液。 2 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 2 2 总体方案设计总体方案设计 本次设计思想主要是想借助单片机， 对医疗点滴输液加以半自动化的控 制。首先通过液位传感器检测信号， 然后将检测到的信号送给单片机进行处 理，通过数码管和报警装置，将床位信息显示 在监控室，然后由护理人员对 具体情况进行处理。 2.12.1 方案论证方案论证 设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。 方案一 ：如图 2.1 所示系统上电工作后，用户首先通过键盘设定温度 的初值，单片机系统将用户设置的 “警戒值”保存地址空间中。安装于被 监测对象上的超声液位传感器 ，将实时监测数据经 A/D 转换，送入单片机 连接 I/O 口。单片机进入主程序后，开始以查询的方式检测转换的数据 ， 并将相应的数值通过数码管显示输出。当检测的液位小于设置的初值时， 单片机将 控制报警系统响起，以提醒医护人员。 3 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 超超声声波波传传感感器器 A/D转转换换 报报警警装装置置 单单片片机机控控 制制系系统统 LED显示 键盘输入 LED显显示示 键键盘盘输输入入 图 2.1 液位监测报警系统方案一框图 方案二：如图 2.2 所示系统结构框图， 本方案仍以微型单片机为控制 核心，由检测模块、信息处理模块 、LED 信息显示模块、控制输入模块 和 报警模块五大部分组成。整个系统工作 前，先将传感器装于点滴瓶 “警戒” 液位水平处。 单片机启动 ，开始监测工作。当液位低于警戒液位时，传感 器将输出一低电平，送入 P1.0 口（一张床位对应一个口，本设计只取一张 床位模拟） ，然后由单片机内部的程序，对信息进行处理，将病床号显示到 LED 上，同时报警启动，提醒医护人员。当由控制输入后，表示医护人员已 经去对事件进行处理。系统将复位，等待其他的床位监测信息。 红红外外对对射射型型传传感感器器 报报警警装装置置 单单片片机机处处 理理系系统统 LED显示 键盘输入 LED显显示示 控控制制输输入入 4 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 图 2.2 液位监测报警系统方案二框图 2.22.2 方案方案选择选择 方案一与方案二有很多相似之处 ，两个设计都运用到了单片机，用到了 传感器，运用了 LED 显示管，而且在功能方面都很相似 。但综合分析：超声 波传感器较红外传感器要贵得多，而且方案一还需要 A/D 转换，成本就更高。 而且应用对象为点滴瓶，采用方案一，安装不方便，而且超声波传感器在这种 应用下存在盲区，且对不同的大小的点滴瓶都要重新设定参数。对于方案二而 言，成本低，最重要的是安装上方便，医护人员可根据点滴瓶的大小，在安 装时进行调整。因此，从设计和经济的角度讲，我们组采用了方案二。 5 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 3 3 单元模块设计单元模块设计 本课程设计主要 由监测模块、信息处理模块（单片机模块） 、LED 信息显 示模块、控制输入模块和报警模块五大部分组成。其中最核心部分的部分是 信息处理模块 和检测模块 。 3.13.1 监测模块监测模块 本模块采用的是红外对射型 余液液位传感器。 发光二极管和光敏二 极管分别安装于 “警戒”液位（由医护人员根据实际情况设定）两侧， 处于对射状态。在高位警戒液位时， LM339 的反向输入端即 3 端口输入 高电平，此时 5 端口输出高电平，即送入单片机的P1.0 口。当低于警 戒液位时，光敏二极管导通， 3 端则输入低电平， 5 端随之也取反，然 后送入单片机处理，已发出报警。其原理图如图3.1： 6 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 图 3.1 红外对射型 液位传感器原理图 3.23.2 单片机模块单片机模块 3.2.13.2.1 AT89C52AT89C52 概述概述 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8 位单片机， 片内含 8kbytes 的可反复擦写的 只读程序存储器（PEROM ）和 256 bytes 的随机取数据存储器（RAM )，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性 存储技术生产，与标准 MCS 一 51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置 通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C52 单片机适应于许多高性价比的应用场合。 7 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 图 3.3 AT89C52 引脚 3.2.23.2.2 AT89C52AT89C52 主要性能参数主要性能参数 与 Mcs 一 51 产品指令系统和引脚完全兼容 8k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：OHz 一 24MHz 三级加密程序存储器 128X8 字节内部 RAM 32 个可编程 I / O 口线 3 个 16 位定时计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 8 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 低功耗空闲和掉电模式 3.2.33.2.3 AT89C52AT89C52 功能特性概述功能特性概述 AT89C52 提供以下标准功能：8k 字节 Flash 闪速存储器，256 字节内部 RAM ，32 个 I / O 口线，3 个 16 位定时计数器，一个 6 向量两级中 断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时， AT89C52 可降至 OHz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作 模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM ，定时计数器，串行 通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停 止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.33.3 LEDLED 信息显示信息显示模块模块 本设计选用 4 位共阳极数码管作为显示模块 。数码管的 A、B、C、D、E、F、G 和 DP 分别与单片机的 P2.0P2.7 相连。而 四位数码管的位则通过 74HC138 译码器来选通。 74HC138 是一个 3-8 译码器。 74HC138 的 A、B、C 与单片机的 P1.5、P1.6、P1.7 相连通， 我们可以通过程序控制 P1.5、P1.6、P1.7 的输出进而控制 3-8 译码 器的输出，从而达到选位的目的。本次课程设计中的四位数码管 与 单片机的 连接电路如图 3.3，其选通情况如表 33： 9 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 图 3.2 LED 信息显示模块电路图 表 33：数码管选位情况表 P1.7 P1.6 P1.5C B A 选位情况 0 0 00 0 0 Y0 输出高电平即第 1 位被选中 0 0 10 0 1 Y1 输出高电平即第 2 位被选中 0 1 00 1 0 Y2 输出高电平即第 3 位被选中 0 1 10 1 1 Y3 输出高电平即第 4 位被选中 3.43.4 控制输入控制输入模块模块 本模块有 2 个独立按键，一个是复位按键，另一个为解除报警按键， 10 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 接在 P3.0 口。具体接线图如图 3.4： 图 3.4 按键与单片机硬件接口电路 3.53.5 报警模块报警模块 此次课程设计中为了达到 低于“设定”液位后报警且显示对应床号的目 的。我们的主要思想是：当 1 号床位的点滴低于“设定”液位，由红外液位 传感器输出的低电平，送入单片机的 P1.0 口（四张床位的检测信号分别对应 P1.0、 P1.1 、P1.2、 P1.3） ，然后由单片机的内部加以处理， 由 P2 口、 P1 口的高三位、74LS138 译码器等作用，在 LED 上显示出对应的床位。同时 在 P3.7 口的作用下，报警器响起。如果按下 P3.0 口外接的按钮，则报警停 止，显示也熄灭，表示已有医护人员对信息进行处理。其报警电路如图 3.6。 11 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 图 3.4 报警电路 12 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 4 4 软件设计软件设计 软件设计主要分为初始化程序、存储单元和中断设置初始化，主程序 （内嵌报警程序） 、报警中断子程序、中断服务子程序（显示程序） 、延迟子 程序。先对要用到的存储单元，I/O 口，寄存器进行相应的设置，然后主程序 对四个端口 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 进行循环检测，当检测到有效信号时， 则对相应存储单元赋值，然后继续其他端口检测，定时时间到时，对四个存储 单元内的数据进行输出显示，报警也响起；当主程序检测到 P3.0 为高电平时， 则终止报警，同时存储单元再次初始化，继续循环检测，重复相同 “动作” 。 程序流程图如图 4.1。 . 程程序序、存存储储单单 元元、中中断断设设置置初初 始始化化 主主程程序序（包包含含报报 警警程程序序） 中中断断服服务务子子程程序序 （显显示示程程序序） 延延迟迟子子程程序序 结结束束 报报警警中中断断子子程程序序 图 4.1 程序流程图 13 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 5 5 系统调试系统调试 本次设计在系统硬件调试方面，初期在老师的指导下，没遇到什么困难。 困难主要出现在后期，与软件合成后调试时，发现传感器信号输出方面无变化， 最后经过与同题目的其他组的同学交流，用他们的传感部分测试后发现，问题 处在红外发光二极管上， 替换后测试小系统工作正常，达到预期效果。 表 5.1 管脚电压值 上电后（V）接电阻，电容后 （V） 接芯片后（V） USB5.055.085.02 J3 供电5.055.085.01 稳压管5.055.085.02 单片机5.055.085.02 74HC1385.055.085.02 MAX2325.055.085.02 在软件方面，调试时间较长，问题主要是扫描显示部分，方案就修改过 好几次。最后对以前的一个单片机编程作业的代码，进行了修改、调试，也终 于达到了方案的总体要求。 14 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 6 6 结论结论 我们的设计题目为基于单片机的医用点滴余液液位 监测报警系统。在这 次设计中我们主要用到了 AT89C52 单片机和红外对射型液位传感器。 采用红外对射型液位传感器在满足设计要求的前提下，成本也较低，这 也就意味着其可以大范围的推广。更重要的是其安装方面比较简单，医护人 员可根据实际情况，即输液瓶的大小，对监测 “警戒”液位进行调节，这也 是采用此方案最重要的原因。而且，对于外界，如温度、湿度等的变化，其 抗干扰也较强。 最终设计的小系统，在软件、硬件合成并调试完成之后，在模拟条件下 基本达到了设计要求，各项功能测试也在预期之内 。 15 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 当然，在许多细节上，设计还不够完善，对一些意外情况的发生，解决 措施还没分析到位。例如，如果在外界作用下，点滴瓶产生晃动，则会影响 信号的监测，甚至产生漏警的可能性。 总而言之，任何一种设计，理论上先期分析是必要的。但更重要的是， 还是要根据设计成果在实际使用过程中，暴露出来的不足，加以改进完善， 使其更好的服务于人民生活。 7 总结总结和体会和体会 经过近乎四周的查资料和学习 ，终于完成了本次课程设计。这次课程设 计与以往的设计相比较，收获颇多。 16 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 首先，是精神上的。开始觉得题目还挺简单的，但是，真正要付诸实施 时，才感受到“书到用时方恨少”这句话的真理之所在。感到自己平时觉得 还是学到些东西的，这个时候怎么好像一点都用不到。后来慢慢才发现，自 己理论联系实际的能力还是太差，而且理论的基础也不牢固。 再次，通过这次课程设计，自己 进一步熟悉和掌握了 ISIS 仿真软件 PROTEL 软件,体会到 ISIS、PROTEL 等功能强大的设计软件，在现代电子系统 设计中发挥的强大的作用。 更重要的是，自己的实际动手能力得到了很大的 提高。 而且，通过这次设计，更深切地感觉到团队合作的重要性。 是全体组员 的共同努力，才完成了此次智能仪器课程设计任务！ 总之，以往的课程设计都是停留在理论层面上，而 这次课程设计的实际 意义非常明显。经过这次课程设计， 自己从心理上就成长了不少，这将是自 己以后人生路上一笔宝贵的财富。 17 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 8 8 参考文献参考文献 1 刘刚、秦永左. 单片机原理及应用. 北京：北京大学出版社，20061. 2 胡汉才. 单片机原理及其接口技术 . 北京：清华大学出版社，2004. 3 蔡美琴、张为民.MCS-51 系列单片机系统及其应用（第二版） . 北 京：高等教育出版社，2004. 4 杨振江、杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例 .西安电子科技 大学出版社，2002. 5 刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用 M. 北京：国防工业 出版社，1998. 18 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 19 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 附录附录 1 1：附图：附图 1.11.1 原理图原理图 注明：注明：1、四位数码管分别对应四张床位 2、原理图左边四个按钮用来模拟四个液位传感器 20 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 1.21.2 电路电路 PCBPCB 板图板图 21 武汉理工大学课程设计说明书 说明书 1.3 软件代码软件代码 ORG 0000H AJMP START ORG 000BH ;INT0 LJMP TIMER ORG 0030H START: MOV SP, #75H MOV R1, #6CH MOV R3, #8FH MOV P2, #0FFH MOV DPTR, #LEDTAB MOV P3, #0 MOV TMOD,#01H MOV TL0, #0F0H MOV TH0, #0EFH SETB EA SETB ET0 SETB TR0 MOV 6CH, #5 MOV 6DH, #5 MOV 6EH, #5 MOV 6FH, #5 ;= MAIN: JB P0.0, BED