大学毕业设计基于单片机的输液监控系统.docx
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大学毕业设计基于单片机的输液监控系统
毕业论文（设计）
题目：
基于单片机的输液监控系统设计
院系：
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
20102305054
指导教师：
职称：
二Ｏ一四年五月十日
目录
1绪论3
1.1课题背景3
1.2课题研究的目的和意义3
1.3课题的主要研究工作3
2系统总体设计方案4
3输液监控系统硬件电路设计4
3.1单片机主控制电路设计4
3.2前端数据采集器电路设计7
3.3蜂鸣器电路设计12
3.4数码管显示电路设计14
4安装调试17
5结论18
参考文献18
附录18
致谢20
基于单片机的输液监控系统设计
南京信息工程大学电子信息工程专业，南京210044
摘要：
在医院输液的时候，医护人员和病人经常被一个问题所困扰：
在给病人进行输液治疗的时候，经常因为病人身体虚弱、昏睡，而此时医护人员又正在别的地方工作，导致没注意到。
当输液结束以后，如果没有处理及时的话，因为输液管空了，病人静脉血会发生倒流的情况，使病人有发生生命危险的可能。
但是若处理过早，又会造成药液浪费，减轻药效，影响治疗。
本文设计的输液监控系统，利用药液和空气对光的折射率的不同，使同一处光源的光在有、无药液时，发生不同角度的折射，按光接收元件收到的光的强弱输出高电平或低电平，从而确定单片机是否驱动蜂鸣器报警和数码管显示病人座位号码，避免因工作繁忙、病人过多引起错误。
关键字：
单片机；输液；监控；报警
DesignofMonitoringandControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
Yangbaojun
BinjiangCollege,NUIST,Nanjing210044,China
Abstract
Infusioninthehospital,medicalstaffandpatientsareoftenbesetwithaquestion:
whenthetransfusiontreatmenttopatients,oftenbecausethepatient'sbodyweakness,lethargy,andthemedicalstaffareworkingsomewhereelseandthenleadtonottonotice.Whenaftertheinfusion,ifnottimelyhandling,becausetheivempty,patientswithvenousbloodbackflowofhappens,thepatienthasapossibilityofalife.Butifhandledtooearly,itwillcausetheliquidwaste,reducetheeffect,influencethetreatment.Infusionmonitoringsystemdesignedinthispaper,theuseofdifferentlightrefractiveindexofliquidandair,makethelightofthelightsourcewithliquidinthesameplace,differentAngleofrefraction,accordingtothelightreceivingelementreceivesthestrengthofthelightoutputhighlevelorlowlevel,soastodeterminewhetherMCUdrivebuzzeralarmanddigitaltubedisplaythepatientseatnumber,andavoidtheerrorscausedbyjobisbusy,toomanypatients.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;infusion;monitoring;alarm
1绪论
1.1课题背景
在对病人进行临床治疗时，经常用静脉输液的方法，它对于治好病人有很大的关系。
很多病人一天可能需要输入好几组药液。
由于输液的时间比较长，因而容易发生病人疲倦、昏睡的情况。
当输液完成以后，医护人员和病人都没有及时发现，从而医护人员不能够及时换药或者拔掉针头，导致出现空气进入血管形成气栓情况的发生。
轻则会耽误病人治愈疾病，使病人痛苦，重则会使病人发生生命危险。
目前，静脉输液治疗时，通常由病人、陪同人员和医护人员查看输液瓶剩余量，耗费大量精力，而且效率比较低。
针对这种情况，我们不禁产生疑问：
我们能否设计一种可以自动监测药液剩余量，并且当需要换药或者停止输液时，能够及时通知医护人员的报警装置呢？
通过这种问题的启发和我们的积极思考，发现解决此问题的关键在于：
（1）如何才能正确地监测药液剩余量；
（2）应该使用哪种方式去提示医护人员换药；
（3）怎么同时对多个病人的药液剩余量进行监视；
（4）使用哪种方式传送信号才能更加稳定和可靠。
因此，设计一种使用方便、可靠稳定并且报警准确的输液监控系统装置，将会具有很大的实用价值。
1.2课题研究的目的和意义
（1）通过动手实践加深对教材的掌握，并提高自身理论与实际相结合的能力；
（2）充分理解医疗工作中的电子设备，为以后的工作作铺垫；
（3）提高设计单片机电路的水平；
（4）提高动手能力；
（5）减少病人、陪同人员或者医护人员在观察监视药液剩余情况上的精力，提高效率，达到事半功倍的效果；
（6）避免出现空气进入血管形成气栓情况的发生，减轻病人痛苦。
1.3课题的主要研究工作
（1）设计输液监控系统方案；
（2）设计单片机主控制电路；
（3）设计前端数据采集器电路；
（4）设计输液监控系统蜂鸣器报警电路；
（5）设计输液监控系统数码管显示电路；
（6）设计输液监控系统软件电路；
（7）对输液监控系统进行安装调试。
2系统总体设计方案
系统的总的设计方案如图1所示。
工作步骤如下：
（1）前端数据采集器获得报警信号后，将信号发送给单片机；
（2）单片机对发送过来的信号进行处理，驱动蜂鸣器报警和数码管显示病人座位号码。
图1系统总体设计方案图
3输液监控系统硬件电路设计
3.1单片机主控制电路设计
（1）单片机介绍
这个系统运用的是51单片机，AT89C51是一种低电压、高性能的CMOS8位微处理器，它带有4K字节FLASH存储器，简称单片机。
AT89C51是一种只读存储器的单片机，带有2K字节闪存且可编程能擦除。
一般来说，可擦除的单片机只读存储器可以重复擦除一千次。
AT89C51是用ATMEL高密度非易失存储器的制造技术制造而成的，和工业标准的指令集MCS-51以及输出管脚相兼容。
因为它将闪存存储器和多功能8位CPU组合在一个芯片中，所以ATMEL中AT89C51也是一种高效的微控制器，它的另一种精简版本叫AT89C2051。
好多灵活而便宜的嵌入式控制系统方案都有AT89C51单片机的身影。
AT89C51其管脚图如图2所示。
图2AT89C51管脚图
VCC：
电源供电。
GND：
接地。
P0口：
P0口是个八位漏级开路的双向I/O口，每个管脚能够容纳8TTL的门电流。
P0管脚首次写1，就说明它是高电阻输入。
外部程序存储器也可以使用P0，它能够被解释为数据的低八位。
当进行FLASH编程的时候，P0是原有代码的输入端口，在FLASH检查时，P0就输出原有代码，但是这个时候P0的外面一定要接上拉电阻。
P1口：
P1口是内部供给上拉电阻，它也是个八位的双向I/O口，P1口的缓冲器可以容纳输出4TTL的门电流。
当P1口的管脚输入1时，它被内部上拉，成为高电平，一般用来输入；当P1口被外部下拉，它就成为低电平，那么就会输出电流。
在进行FLASH编程和检查的时候，它作为低八位的地址来接收信息。
P2口：
P2口是内部上拉电阻，它和P1口一样，也是个八位的双向I/O口，P2端口缓冲器能够容纳的门电流和P1一样，当P2端口为1时，它的管脚被拉高，成为输入。
在作为输入的时候，它的管脚又被外部拉低，作为输出。
当外部的存储器用P2口进行存取的时候，它则输出高八位地址。
当地址是1的时候，P2口运用内部上拉这一优点，在对外部存储器读写的时候，它则输出其特殊寄存器中的信息。
在FLASH编程和检查的时候，P2口不仅接收高八位的地址信息，而且还接收控制信息。
P3口：
P3口是八个带内部上拉电阻的双向I/O口，能够容纳的门电流和P2一样。
P3口读入1时，它们就被拉至高电平，用作输入。
P3口还能够当作51单片机的某些特殊功能口，如表1所示：
表1P3口特殊功能表
口管脚
备选功能
P3.0RXD
串行输入口
P3.1TXD
串行输出口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4T0
计时器0外部输入
P3.5T1
计时器1外部输入
P3.6/WR
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
P3口同时还可以检查接收控制信号。
RST：
复位输入。
当作为振荡器或者复位器件的时候，必须平衡RST管脚在两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
在访问外部存储器的时候，锁存地址的低位字节采用地址锁存准许的输出电平。
FLASH编程的时候，输入编程脉冲就采用它的引脚。
一般而言，ALE端频率固定不变，有规律地输出正脉冲信号，它的频率是振荡器的六分之一。
所以ALE能够运用于对外部的输出脉冲，有时也用于定时目的。
但是值得关注的是：
每一次ALE作为外部的数据存储器的时候，必须跳过一个脉冲。
假如想停止ALE的输出，我们可以在SFR8EH地址上置0。
每当这个时候，ALE才能够发挥它的作用。
除此之外，它的引脚被稍微拉高了，万一微处理器在外部执行状态时ALE不允许，则置位就没有效果。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
当外部程序的存储器在取值的时候，一个机器周期有且只有两次/PSEN发挥作用。
然而当访问外部数据存储器的时候，之前两次发挥作用的/PSEN信号就不会出现。
/EA/VPP：
在/EA维持低电平的时候，在这时间段的外部程序存储器，不论有没有内部程序的存储器。
在加密的时候，采用方式1，/EA就把内部固定，就是RESET；在/EA维持高电平的时候，在这时间段内，内部程序存储器。
当FLASH编程时，/EA引脚同意也适用于施加12V编程电源。
XTAL1：
反相振荡放大器和内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1为反相放大器的输入端，XTAL2则为反相放大器的输出端。
这个反相放大器能够作为片内振荡器。
不管是石晶振荡或者陶瓷振荡，它都能够运用。
假如XTAL2使用的是外部时钟源驱动器件的话，那它就应不接。
万一有剩余的输入到内部时钟信号，那么就必须经通过一个二分频触发器，所以它对外部时钟信号的脉宽没有一点限制，那么就一定得保证的脉冲的高低电平所用到的宽度。
（2）硬件电路设计
我们把51单片机作为全部输液监控系统的主控制芯片，把它和前端的数据采集器电路、蜂鸣器报警电路和数码管显示电路相连接。
3.2前端数据采集器电路设计
（1）主要元器件介绍
①发光二极管
发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，铟镓氮二极管发蓝光。
原理
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算：
R=（E－UF）/IF
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
极性
发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。
有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
LED单向导通性
LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。
具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。
特性
与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：
工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。
把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9，10个阿拉伯数字以及A，b，C，d，E，F等部分字母（必须区分大小写）。
②光敏三极管
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。
当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。
工作原理
光敏三极管和普通三极管的结构相类似。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。
光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。
它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。
为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。
和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。
光耦合器
主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
工作原理
用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。
当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。
由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。
发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。
输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。
此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。
因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。
③74LS06
该电路中我们一共采用了两个反相器，它的管脚如图3所示：
图374LS06管脚图
74LS06是集电极开路时所输出的6组反相驱动器，它的重要特点的典型值如图4所示：
图474LS06集电极反相驱动器主要电特性
74LS06功能表如图5所示：
图574LS06功能表
74LS06逻辑原理图如图6所示：
图674LS06逻辑原理图
从图中我们可以看出，A1、A2、A3、A4、A5、A6是输入端，Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6是输出端。
（2）硬件电路设计
电路图如图7所示。
图7前端数据采集器电路图
（3）工作原理
一般来说病患都想药水可以尽量都滴完，在只有很少药水剩余的时候才会显示报警，由此我们必须把水位置尽量放的低一点，所以我们把药水液面的位置设计在输液瓶口的输液管的地方，如图8中液面的位置。
如图8所示：
型号为MOCH22A的槽型光电耦合器中的发光二极管发出去的光射入到装有药液的输液管外壁上面，经过输液管外壁的折射，再经过药液的折射后，到达输液管的另一侧外壁的内侧上面，再经过输液管的折射后，进入到空气中，最终被槽型光电耦合器中的光敏三极管接收。
如果输液管中的药水没有到达图中的位置的时候，光敏三极管就可以收到发光二极管所发出的光，这个时候槽型光电耦合器输出端所呈现出的状态是低阻态，它可以等效为电阻与R2分压的结果，使反相器D1输入低电平，D2输出低电平。
如果药水到达图中所示位置后，因为光在药水和空气中的折射率不一样，所以光的路线会发生变化，让原来可以照射到光敏三极管上的光发生偏移，让三极管只可以接收到自然光或灯光，进而引发光电流急剧下降，导致三极管截止。
这个时候槽型光电耦合器输出端所呈现的状态为高阻态，它就等效于电阻与R2分压，使反相器D1端输入的是高电平，D2端输出的是高电平。
图8输液液面示意图
（4）与单片机连接电路图
前端数据采集器和51单片机所连接得电路如图9所示。
图9前端数据采集器和51单片机的连接电路图
（5）与单片机连接工作原理
若D2输入高电平，则单片机工作；若D2输入低电平，则单片机不工作。
3.3蜂鸣器电路设计
（1）蜂鸣器介绍
蜂鸣器是一种电子讯响器，它是一体化结构，它用的是直流电压供电，在计算机、打印机、复印机、报警器等等电子产品中有广泛运用。
蜂鸣器有两个类型，一个是压电式蜂鸣器，另一个则是电磁式蜂鸣器。
驱动方式
因为自激蜂鸣器采用的是直流电压供电的，所以它不必用交流信号来驱动，只要对驱动口输出电平，然后通过三极管放大，这样驱动电流就可以促使蜂鸣器出声，非常简洁明了，所以在这里就不解释自激蜂鸣器了。
只针对所用得二分之一duty的方波信号来驱动蜂鸣器做出解释。
51单片机有两种方法来驱动蜂鸣器：
一种是直接驱动方式，另一种是间接驱动方式。
直接驱动，简而言之就是PWM的输出口驱动。
间接驱动则是通过旋转电平产生的驱动波形，以此来对蜂鸣器驱动。
直接驱动之所以直接，是由于PWM输出口本身能够输出一定的方波。
在51单片机的软件设计过程中，其中某些寄存器是设置PWM口的输出的，能够设置占空比、周期等等。
设置这些寄存器后产生相应的波形并且达到蜂鸣器所需要的频率，一旦打开PWM输出，它就可以输出这个相对应的方波，而这个方波就能够直接驱动蜂鸣器。
采用间接驱动就不如直接驱动来的方便，因为它是用I/O翻转波形的，一定要用定时器定时，翻转之后产生蜂鸣器所需要的波形，斌企鹅符合相应的频率，那么此波形就能够驱动蜂鸣器。
驱动电路
因为蜂鸣器工作时，电流通常有点大，所以51单片机的I/O口没有办法直接驱动（AVR能够驱动小功率的蜂鸣器），因此我们要采用放大电路，通常采用三极管放大电流。
（2）蜂鸣器电路设计
蜂鸣器报警电路图如图10所示。
图10蜂鸣器报警电路图
（3）工作原理
蜂鸣器的正极接到三极管发射极上面，三极管8550主要是做驱动用的。
由于51单片机的I/O口驱动能力不足，所以蜂鸣器发不出声音，由上可知我们可以利用三极管放大电流来驱动，进而能够使蜂鸣器进行工作。
事实上，蜂鸣器是感性元件，它的电流不可以瞬间变化，所以一定要有器件提供续流，这个器件就是续流二极管。
不然的话，蜂鸣器两边产生的几十伏的尖峰电压，会破坏驱动三极管，而且可能影响全部电路系统的另外部分。
当单片机输出高电平时，三极管导通，发射极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音；当当偏激输出低电平时，三极管截止，所以就没有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不会工作进而发出声响。
（4）与单片机连接电路图
蜂鸣器报警电路与单片机连接电路图如图11所示。
图11蜂鸣器报警电路与单片机连接电路图
（5）与单片机连接工作原理
当前端数据采集器发出报警信号后，被单片机接收到，单片机对信号进行处理，将高电平输入蜂鸣器报警电路，使三极管导通，发射极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音。
3.4数码管显示电路设计
（1）数码管介绍
数码管是一种由发光二极管组成的半导体发光器件。
产品分类
按照段数，数码管有七段数码管和八段数码管之分，从字面上就可以看出，八段比七段多一段，即多一个发光二极管也就是多一个小数点显示；按可以输出几个“8”可分为1位、2位、3位、4位等等数码管。
如果按照连接方式的话，那么数码管就有共阳极数码管和共阴极数码管之分。
共阳数码管，顾名思义就是把二极管的阳极全都接到一块，形成公共的阳极的数码管，在我们使用的时候，应该把公共极连接到+5V上，如果其中某一段的发光二极管的阴极是低电平，那么它所所对应的那一字段就显示为亮，如果某个字段的阴极为高电平，它所对应字段就不显示亮。
共阴数码管，简而言之就是把全部的发光二极管的阴极都接到一块，形成公共阴极的数码管。
在运用共阴数码管的时候，我们把公共极和地线相连接，如果某个字段的发光二极管的阳极是高电平，那么它所对应的字段就显示为亮，相反，如果某个字段的阳极是低电平，它所对应的字段就不会显示亮。
驱动方式
概述
如果我们想数码管要能够正常显示的话，那么就必须使用驱动电路，让驱动电路来使数码管的每个段码正常工作，进而输出我们想要的数字，所以根据不一样的数码管的驱动方式，它能够可以分为静态式和动态式驱动。
静态显示驱动
静态驱动，它的每个段码都由单片机的I/O端口驱动。
静态驱动的好
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