基于单片机的输液滴速控制系统的设计

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本系统以Atmel89C52单片机为核心，辅以步进电机驱动、键盘、LCD 显示、LED 显示、光电传感器数据采集等外围电路组成，实现了一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。电机控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。主站使用LCD 显示，用户界面友好。

关键字：单片机；驱动；键盘；光电传感器

The Design of the Liquid Inputting System Basing

on One-chip Computer

Abstract

With the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is being moved towards deepening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the concrete hardware structure , and direct against and use the software of target's characteristic to combine concretely, in order to do perfectly.

The system is designed to construct a wired monitor system of a master station controlling multiple slave stations, with a one-micro controller Atmel89C52 as the key, complimented by stepper motor drive, keyboard, LCD display, LED display and photoelectric censor data collection outside circuit. The combination of fuzzy control working on the motor drive can effectively reduce the amount of over regulating and stable error and shorten the time of adjusting.

Key words: one-chip computer; drive; keyboard; Photoelectric

摘要...................................................................................................................... I Abstract.............................................................................................................. II 第1章绪论 . (1)

1.1 前言 (1)

1.2 单片机的特点与应用 (1)

1.3 MCS-51单片机的基本组成 (1)

1.4 课题的主要内容与需求 (2)

第2章系统方案确定 (3)

2.1 系统设计要求 (3)

2.2 系统设计总体方案 (3)

2.3 系统各模块方案选择 (4)

2.3.1 点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较 (4)

2.3.2 滴速控制方案的论证与比较 (5)

2.3.3 键盘、显示及声光报警部分 (5)

2.3.4 电机控制算法的选择 (5)

第3章硬件设计 (6)

3.1 系统硬件设计 (6)

3.2 主站及通信网络的设计 (7)

3.3 从站电路设计 (8)

第4章软件设计 (11)

4.1 主站软件设计 (11)

4.1.1 主站总体流程设计 (11)

4.1.2 报警程序设计 (12)

4.2 从站主要电路设计 (12)

4.2.1 系统定义和总体流程 (12)

结论 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

附录A键盘显示程序 (17)

附录B报警程序 (19)

附录C滴速与液面检测显示程序 (20)

致谢 (24)

第1章绪论

1.1前言

单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。

在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20世纪70年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。而单片机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度[1]。

1.2单片机的特点与应用

一、单片机的特点：

(1)重量轻、耗电少、价格低、电源单一。

(2)抗干扰能力强、可靠性高。

(3)集成度限制，片内存储器容量较小。

(4)面向控制，控制功能强，运行速度快。

(5)开发应用方便，研制周期短。

二、单片机的应用

单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用[2]。

1.3MCS-51单片机的基本组成

在一块小芯片上集成了一个微型计算机的各个部分，其核心部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，由算术逻辑单元ALU、位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2等组成[3]。

控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由控制逻辑、内部振荡电路OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器PC及其增

量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器PSW、RAM地址寄存器、数据指针DPTR、堆栈指针SP等组成。

1.4课题的主要内容与需求

一、要求

本课题是以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。

二、内容

1)、总体方案的确定；2)、单片机的选择；3)、各模块电路的设计；

4)、软件设计；5)、各模块调试；6)、撰写设计说明书。

第2章系统方案确定

2.1系统设计要求

主减本系统要求设计一个以单片机为核心的液体点滴速度监测与控制装置，检测点滴速度、控制点滴速度，并能发出报警信号，系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控[4]。设计主要是完成群控系统控制的硬、软件设计及调试。

基本要求：1)在滴斗处检测滴速，并制作一个数显装置，能动态显示

h控制点滴速度，如图2-1所示，或通过点滴速度（滴/min）。2)通过改变

控制输软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定显示，设定范围为20～150滴/min，控制误差范围设定值(±10％±1)滴。

3)调整时间3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据

h降到警戒值(2～3cm)时，能发出报警信号。

为止）。4)当

图2-1液体滴速监测与控制装置

2.2系统设计总体方案

本系统从站以AT89C52单片机为核心，辅以一些必须的外围电路，

实现滴速检测和控制。而用另外一片AT89C52单片机作为主站，采用通讯协议进行传输，设计实现一个主站控制多个从站的有线监控系统。主机采用大屏幕液晶显示器，不但可以显示当前滴速、在声光报警后还可显示相应的从机号，更嵌入时间显示模块，实现简单友好的人机界面，符合实际要求。主站键盘直接采用I/O扩展而成，充分考虑到了操作的便捷和简易性。外围电路电源均由主机统一控制管理。监测与点滴速度调节构成从站的主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有滴速检测、滴速调节、异常报警电路、速度设定与数码显示等。系统采用光电耦合传感器来进行检测滴速和液面高度产生中断进行计数，采用步进电机升降来进行滴速的控制，如果检测到的滴速在要求误差范围内过快或者过慢，则驱动步进电机来调节储液瓶的高度或者挤压软管达到控制的目的。当出现异常情况如储液低于(2～3cm)时或者滴速低于或高于要求控制的范围(20～150滴/min)时，则驱动声光报警电路进行报警。显示装置则采用LED 显示器，从站键盘采用8279扩展键盘[5]，另外还可加入红外遥控键盘装置，护士人员不但对从站控制方便也还为医疗人员提供方便，此系统暂没有提供红外遥控键盘装置设计，如读者有兴趣，可自行设计。电机采用模糊控制算法，提高控制精度，驱动电路由相关的驱动芯片组成。

2.3系统各模块方案选择

2.3.1点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较

采用光电传感器检测点滴速度以及储液瓶液面信号，发光二极管发射的平行光束穿过滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液滴滴落时，由于液滴的形状特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，形成低信号脉冲[6]。,如图2-2：

图2-2点滴速度检测和液面检测原理图

2.3.2滴速控制方案的论证与比较

改变输液瓶高度控制点滴速度，在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，实现对点滴速度的控制，当液滴速低于要求时，提高液瓶的高度增大压强减小滴速，反之则可提高液滴速度。

2.3.3键盘、显示及声光报警部分

显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统从站使用8279 扩展键盘和LED 显示器；而主站部分由于要求实时显示多组数据，因此选用MGLS12864 液晶显示器显示。4×4 键盘直接利用I/O 扩展而成。声光报警电路也可直接利用单片机I/O口输出放大驱动二极管发出声光报警。

2.3.4电机控制算法的选择

电动机包括直流电动机、交流电动机及步进电动机等三种，其在工业控制中扮演极重要角色。其中，由于步进电动机的驱动方式简单、激活快速及定位准确等优点，被广泛应用于计算机外设上。鉴于此优点，本系统采用步进电动机控制点滴滴速[7]。

第3章硬件设计

3.1系统硬件设计

主站采用当前主流单片机AT89C52，串行通讯采用RS232串行通讯接口芯片实现主、从通讯，键盘控制输入设定从站滴速，接入显示器显示从站滴速。主从站系统总体框图如图3-1所示。

图3-1a)主站系统框图b)从站系统框图

3.2主站及通信网络的设计

主站硬件电路设计

1)MGLS12864液晶显示器

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H～00FH的16字节的内容决定，当(000)=FFH 时，则屏的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当(3FFH)=FFH时，则显示屏的右下角显示一短亮线；当(000H)=FFH，(001H)=00H，(002H)=FFH，(003H)=00H，…(00EH)=FFH，(00FH)=00H时，则在屏的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理[8]。

用LCD显示一个字符时比较复杂，应为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同的位为“1”，其他的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮，这样一来就组成某个字符。但对于内带字符发生器的控制器（如HD61202）来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

MGLS12864液晶显示模块接口定义如表3-1所示。

表3-1MGLS12864液晶显示模块接口定义

表3-2MGLS12864液晶显示选信号组合

寄存器选择信号、读/写选通信号、使能信号。片选信号未选。具体硬件接线图见附表C[9]。

3.3从站电路设计

滴速检测与液面检测电路设计

本系统采用AUTONICS光电传感器作为滴速和液面检测，考虑到储液瓶的大小，我选用了如表3-3所示型号传感器。

表3-3光电传感器型号及特性

24VDC OUTPUT 滴速和液面检测原理图如图2-2所示。红外对管夹在滴管两边一个发射管发出的红外光被一头的接收管所接收。一旦光路上有水滴通过，由于水对红外光的反射与折射，使得接收管的接收信号变弱，形成一个小脉冲。同理当液面低于所检测液面时，使得接收管接收信号变弱。将检测得到信号送入单片机INT0和TNT1产生中断进行计数[10]。

为了验证以上的理论分析，专门用示波器记录了多次这样的脉冲，如图3-2所示。

多次测量稳定，虽有一些Vbas上下的波动，但是脉冲还是比较明显，通过设定一个参考电平Vref，可以用运放来产生一个TTL电平的脉冲。经多次分析，有以下不稳定因素：

(1)外界对红外对管的干扰附近辐射源对信号干扰极大。为此，采取黑色覆盖物包裹在对管周围，既可以很好地吸收水滴反射和折射的红外光，而且能尽量减小干扰。

(2)Vref的选取考虑Vref的选取应该略大于Vbas，这样可以减小波动对输出脉冲信号的影响。但不能太高，不然无法精确测量出脉冲来。所以，可以使用精密电阻来微调Vref,让其保持在一个合适的值[11]。

充分考虑到系统的稳定性和可靠性，本系统硬件抗干扰由单稳态电路构成，通过改变电阻电容参数，消除双脉冲干扰。电路如图3-3所示。

图3-3 系统硬件电路图

第4章软件设计

4.1主站软件设计

4.1.1主站总体流程设计

由于系统程序较大，而且要求实时处理的随机事件较多，因此采用了由系统标志统筹整个系统协调工作的程序设计方法，所有子程序调用一次后立即返回主程序，提高了系统的工作效率。主站流程图如4-1所示。

图4-1 主站流程图

4.1.2报警程序设计

首先进行标志判断，如果标志为0则声光报警，标志为1则表示正常。声光报警程序流程图[12]如图4-2所示。

图4-2 声光报警程序流程图

4.2从站主要电路设计

4.2.1系统定义和总体流程

1）各输入/输出口定义和说明

本系统中各I/O口定义如表4-1、4-2和4-3所示。悬空管脚为未选用。

表4-1单片机与步进电动机连接关系

表4-2单片机与8279的连接关系

表4-3其它I/O口定义

在程序存储器和数据存储器中合理分配存储空间，包括系统主程序、常数表格、功能子程序的划分、入口地址表、数据暂存区等。存储空间分配的见表4-4所示。

表4-4内存地址分配

由于系统程序较大，而且和站主站一样要求实时处理的随机事件较多，因此从站的程序设计采用模块化程序设计。流程图如4-5示。

图4-5 从站整体流程图

结论

这次设计我受益非浅,论文从开始到成形我查阅了很多资料，当拿到一个课题后，首先查阅资料是相当重要的。原本对PROTELL有点生疏的我，在接到本次设计课题后，我有点担心自己会做不好,但在老师与同学的鼓励下我慢慢地接受了这次锻炼自己的机会。从硬件电路图的确定到通过查阅资料我都十分认真的对待，力争每一个部分不会出现太大的错误，在这个过程中我发现自己在电脑应用软件上不是很了解，以后我一定要花多一点的时间去学习。本次设计对系统软件设计仍然有点模糊,所以在今后的工作中,我将继续加深对这方面的理解。此次设计由于各种原因，在软件和硬件方面有很多的地方没有得到很好的解决，所以今后要经常地检验一下自己的学习成果。

经过几个月的奋战,本次设计终于完成。毕业设计是大学课程中的最后一门课程,它是三年来所学知识的结晶。体现了所学知识与实践的结合，希望我们在以后的工作中也要学会理论与实践结合的重要性。

参考文献

1王迎旭编著．单片机原理与应用研究机械．工业出版社，2004：34~46 2吴炳胜，王桂梅等编著．80C51单片机原理与应用．冶金工业出版社，2001：23~27

3宗光华，李大寨编著．多单片机系统应用技术．国防工业出版社，2003：37~40

4赵亮，侯国锐编著．单片机C语言编程与实例．人民邮电出版社，2003：23~48

5杨忠煌，黄博俊，李文昌编著．单芯片8051实务与应用．中国水利水电出版社，2001：50~62

6刘月龙，曹中平，王善磊．2003年全国大学生电子设计竟赛论文．吉林大学．指导教师：曹军胜，李宝华，王剑钢

7胡锦等编著．单片机技术实用教程．高等教育出版社，2003：41~47 8罗伟雄等编著．通信原理与电路．北京理工大学出版社，2001：23~31 9IAR System．M SP430 C Complier Programming Guide Dallas TX：TI，1996:45~57

10孙涵芳等编著．单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社，1998：15~36

11刘国荣主编．单片微型计算机技术．机械工业出版社，1996：21~47 12苏凯，刘国庆，陈国平编著．MCS-51系列单片机系统原理与设计．治金工业出版社，2003：33~52

13刘大茂主编．单片机原理及应用．上海交通大学出版社,2001：23~39 14张振荣主编．MCS-51单片机原理及使用技术．人民邮电大学出版社，2000：11~25

15李建忠编著．单片机原理及应用．西安电子科技大学出版，2002：35~49

附录

附录A键盘显示程序

******************键盘显示程序******************* PORT1 REG P1

PORT2 REG P0

ORG 0000H

JMP MAIN

ORG 0030H

MAIN: MOV SP,#5FH

MOV PORT2,#0FFFH

LOOP: MOV R0,#4

MOV R1,#0EFH ;先扫描R0列

MOV R2,#0FFH;预设未按键NLINE: MOV A,R1

MOV PORT1,A;送出列扫描码

MOV A,PORT1 ;读入行扫描码

ORL A,#0F0H ;判断是否有键按下

CJNE A,#0FFH,KEYIN ;无键按下转

MOV A,R1

RL A

MOV R1,A

DJNZ R0,NLINE

JMP LOOP

KEYYIN: MOV R2,A