单片机液体点滴速度监控装置设计毕业设计.docx
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单片机液体点滴速度监控装置设计毕业设计
单片机液体点滴速度监控装置设计
摘要：
本系统是以AT89C51单片机为核心，对医疗注射进行有效监控的一种智能型设备。
采用红外线传感器对液滴速度和液面进行检测；主要是检测点滴速度和控制点滴速度，同时检测液面是否到达警戒线，并且能对异常现象进行报警，这里还采用了8279键盘显示电路用来设定和显示滴速，采用步进电机来调节点滴速度。
关键字：
单片机液体点滴红外传感器
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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日 期：
第一章绪论
1.1单片机应用系统概述
1.1.1单片机及其特点
随着半导体大规模集成电路的不断发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机的早期含义为单片微型计算机，准确反映单片机的本质叫法应为微处理器。
一块单片机芯片就是一台计算机。
由于单片机的这种特殊结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用的微型计算机无法完成的一些工作。
使起具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到的迅猛的发展。
单片机的特点可归纳为以下几个方面：
（1）性能价格比高；
（2）控制功能强；（3）低电压、低功耗；（4）集成度及可靠性高。
1.1.2单片机的一般结构
单片机通常由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能部件通过内部总线相互连接起来。
RAM
ROM
时钟OSC
CPU
中断
定时/计数器
各种I/O
图1.1单片机典型结构框图
1.1.3单片机的应用领域
由于单片机具有上述显著特点，其应用领域无所不至，无论是工业部门，民用部门乃至事业部门，到处都有它的摄影。
现将单片机的应用大致归纳为以下几个方面：
（1）在智能仪器仪表中的应用。
在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；
（2）在机电一体化中的应用。
如数控机械、缝纫机械、医疗设备等领域；
（3）在实时过程控制中的应用。
如工业过程控制、过程监测、航空航天、尖端武器、机器人系统等各种实时控制系统；
（4）在人类生活中的应用。
目前国内外各种家用电器已普遍采用单片机代替传统的控制电路，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、收音机、音响、电风扇及许多高级电子玩具都配上了单片机；
（5）在其他方面的应用。
单片机除以上各方面的应用之外，它还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信系统、计算机外部设备、模糊控制等各领域中。
1.1.4单片机的发展
单片机的发展经历了三个阶段:
第一代单片机始于1976年,以Intel公司的MCS-48系列为代表,其特点是采用专门的结构设计.这个系列的弹片机在片内集成了8位,并行I/O口,8位定时计数器,RAM,ROM等.无串行I/O口,中断处理较简单,片内RAM,ROM容量较小,且寻址范围小于4KB.多用于家用电器,计算器和高级玩具.
第二代单片机以Intel公司的MCS-51系列为代表,其技术特点是完善了外部总线,并确立的单片机的控制功能.外部并行总线规范化为16位地址总线，用以寻址外部64KB的程序存储器和数据存储器空间；8位数据总线及相应的控制总线，形成完整的并行三总线结构。
同时还提供了多机通讯功能的串行I/O口，具有多级中断处理，16位的定时/计数器，片内的RAM和ROM容量增大，有的片内还带有A/D转换接口。
第三代单片机的显著技术特点是全速发展单片机的控制功能,是8位单片机的高性能阶段及16位单片机发展阶段.另外技术学科的边缘性以及电气商的广泛介入是第三代单片机的重要标志.
从单片机的结构功能上看,单片机的发展趋势将向大容量高性能,小容量低价格和外围电路内装化等几个方面发展.
单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制，系统。
单片机应用系统就是利用单片机位某目的而设计的单片机专用系统。
单片机应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。
硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。
第2章总体方案的设计
2.1技术要求
设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置，示意图如右图2.1所示。
2.1.1基本要求
滴速夹
（1）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。
（2）通过改变h2控制点滴速度，如右图所示；也可以通过控制输液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并显示，设定范围为20~150（滴/分），控制误差范围为设定值
10%
1滴。
（3）调整时间≤3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。
（4）当h1降到警戒值（2~3cm）时，能发出报警信号。
2.1.2发挥部分
a．能输出点滴速度和报警信号；
b．接收主站设定的点滴速度信息并显示。
图2.1点滴装置
c．对异常情况进行报警。
2.2系统总体模块图
根据题目的要求，我们可将液体点滴速度监控装置的主要功能归纳为以下几个方面：
滴速检测与控制，液面检测与报警等，具体模块如图2.2所示：
键盘显示
主机
液面检测与报警
控制滴速
滴速检测与报警
图2.2总体模块图
2.3主机各模块图的设计
2.3.1单片机的选择
本系统采用AT89C51单片机进行控制，此单片机特点是性价比高。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
1.主要性能参数：
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节可重擦写Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·全静态操作：
0Hz－24MHz
·三级加密程序存储器
·128×8字节内部RAM
·32个可编程I／O口线
·2个16位定时／计数器
·6个中断源
·可编程串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
2.功能特性概述：
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5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，AT89C51可降至0Hz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.引脚功能说明
·Vcc：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／O口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在FIash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
·P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
FIash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
·P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
P3口引脚功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
————
INT0（外中断0）
P3.3
————
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时／计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时／计数器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口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE／PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
4.时钟振荡器：
AT89C5l中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图2.3
石英晶体时：
C1，C2＝30pF±10pF
陶瓷滤波器：
C1，C2＝40pF±10pF
图2.3内部振荡电路
2.3.2点滴速度测量
对点滴速度的检测大致原理是记录在一段时间内滴下的野地数量，用单片机定时器计时，这样关键是要对落下的野地准确计数，可以考虑到以下几种方案：
方案一：
利用点滴液体的极性，在运动时会引起周围电磁场的变化。
在滴斗的中部加一金属片绕成的闭合圆环，在液滴落下时，会因这个电磁场的变化，圆环上产生静电压的变化，相当于一个微弱的脉冲信号。
在圆环上引出信号，用高阻抗放大器放大处理，再整形成方波脉冲输入单片机计数，如图2.4：
IN
图2.4脉冲整形电路
用这种方法得到的信号极弱，需要对外界干扰进行屏蔽才能捕获，而且对放大器的要求也比较高，一般情况下很难实现。
方案二：
采用超声波传感器。
在滴斗的外壁上固定对超声波发射和接收的传感器，用39。
8KHZ的脉冲调制发射，发射和接收头对称放置在滴斗两侧，让两者正对放置。
当点滴落下经过传感器之间时，挡住接收头接收信号，将产生一个低电平的脉冲信号，在接收头接收解调，用施密特触发器检出该信号，送单片机计数一次。
这样也是建立液滴与电脉冲信号的对应关系，实现点滴计数。
但由于超声波装置的调试麻烦，一般的超声波传感器相对液体体积太大，即使液滴垂直落下，所能阻挡的超声波信号也有限，使得接收到的电信号极其微弱，受外界干扰太大；而且滴斗壁对超声波的反映较强，使信号穿透滴斗在另一边接收比较困难，要保证信号强度需要较高电压，这对病人以及医护人员的操作也会造成一定的危险。
方案三：
采用红外发射-接收管作为传感器来检测点滴。
采用断续式工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。
由于红外对管的发射口直径较小，单光束发射，液体相对红外装置正交落下时，产生的信号很强，很容易检测处理。
考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可以大幅度减少外界干扰。
同时，红外传感器有很多优点：
尺寸小，质量轻，安装在滴斗上较简单，对辅助电路要求少，在近距离可以直接用直流发射，电路简单，性能稳定。
这个方案有效简单，容易实现。
故采用方案三，采用脉冲调制的红外对管发射接收来检测滴速。
2.3.3液面检测和报警
题目要求当瓶内液面降到2—3cm时，能发出报警信号。
这里关键是如何检测到液面高度，而发出报警信号则较容易实现。
检测液面高度有很多方法：
方案一：
采用电容传感器测量液位。
在储液瓶身外贴2块金属薄片作为传感电容，储液面下降，电容两极间的介质常数减小，传感电容的电容值减小，再经过电容/电压变换器转换为电压值，这种方案虽然简单，但由于不同的药液有不同的电容值，加之为了使电容量的变化比较明显，瓶身外的金属薄片设计比较大，影响对液面的肉眼观察，所以不太适用于临床使用，而且在实际制作中误差较大，金属箔也不易固定。
方案二：
采用直射式红外线传感器检测。
利用红外线在液体和空气对红外线吸收的不同，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变的情况下，检测红外接收管接收红外线强度。
当液面高度高于设定高度时红外线接收管接收到红外线光强应小于当液面高度低于设定高度时红外接收管接收到的红外线光强，如图2.5：
图2.5直射式红外传感器检测示意图
方案三：
采用全反射式红外线传感器检测。
红外线从液体射到空气的界面时，如果入射角大于临界角会发生全反射现象。
光线从光密媒质射入光疏媒质，当入射角大于临界角时，就发生全反射现象
利用光的折射定律，可以求出各种媒质对空气（或真空）的临界角．如果用C表示临界角，n表示媒质的折射率，那么，由于空气对该媒质的折射率等于1/n，所以
sinC/sin90°=1/n
由此可得sinC=1/n
利用这一原理，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变和红外发射接收管相对角度大于100度并保持相对位置不变的情况下，检测红外接收管接收红外线强度，如图2.6示：
图1图2
图2.6全反射式红外传感器检测示意图
当液面高度高于设定高度时，大部分全反射光线不能到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较小如（图1）；当液面高度到达设定高度时，大部分全反射光线可到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较大，如（图2）所示。
通过转换电路将红外线接收光强转换为电压信号，用比较器与门限电平比较，则可实现液面控制报警。
由于方案二红外接收管接收红外线强度在两种状态的变化不如方案三的变化明显，方案三可靠性较高，而且方案二的门限电平液体物理特征有明显关系，门限电平需根据液体不同而变化，因题目要求报警液位为2—3cm，方案三液体物理特征引起的误差符合题目要求且门限电平不需要根据液体不同而变化，故选择方案三。
2.3.4液体点滴速度的控制
根据题目的要求，有两个办法。
方案一：
通过电机驱动控制输液软管夹头的松紧来调节点滴的滴速，但在执行元件的选取上要花费脑筋，虽然这种方法优点是控制较精细，调整较迅速，稳定性也比较好，另外，在控制较慢的滴速时容易使塑料软管夹的过紧而变形，从而使液滴由慢速向快速调整过程耗时太长，这只能用于粗调。
方案二：
通过电机驱动控制储液瓶升高或降低（改变h2）,来调节点滴的滴速，通过改变出口与储液瓶处的压强。
这种方法简单易实现，故采用方案二。
2.3.5控制电机及其驱动
方案一：
采用由达林顿管组成的H型PWM桥式驱动电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高。
H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性极强，是一种广泛采用的PWM调速技术，但成本相对较高。
方案二：
采用电阻网络或数字电位器调整直流电动机的分压，从而达到调整的目的。
但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵。
更主要问题在于一般电动机的电阻很小，当电流很大，分压不仅会降低效率，而且也较难实现。
方案三：
用电机实时调节，并辅以测距电路，测量滴斗与地面的距离，根据高度与滴速的对应关系，决定下一步的移动距离，加以调节。
用经验值和实测值一块控制电机动作，以最快的速度完成调节，精度较高，但测距装置电路太复杂，且对于不能严格控制转速的电机意义不大。
方案四：
用步进电机牵引储液瓶，保证储液瓶和滴斗之间的相对距离不变，设定最初的高度，检测当前滴速，根据经验公式，即高度与滴速之间的关系控制电机的转数，达到合适的高度。
由于步进电机的转数很容易控制，测出转轴直径就可以知道瓶子经过的距离，多次调节即可达到设定的滴速。
经分析，采用方案四。
2.3.6设定滴速与键盘显示
在这里，键盘显示用8279可编程的接口芯片。
设定点滴速度用4﹡4键盘，用于键盘布局如下图：
789Set
456Speedset
123Enter
0修改键Cancel
图2.7键盘布局
按键功能说明：
1）0~9为数字键，该数字键表示从站号或者速度；
2）SpeedSet键的功能：
设置点滴速度的功能键；
3）Enter键功能：
确认键。
4）Cancel键功能：
删除当前所设置的数值。
例如：
设置点滴速度为120滴/分
步骤如下：
1）先按下Speedset键，表示开始设置速度。
2）依次输入1、2、0，表示所设置的速度。
3）按Enter键，表示确认。
4）设置完毕。
数码管用八位LED显示器。
第3章硬件设计
3.1各模块的硬件设计
3.1.1滴速检测
利用红外线在液体和空气中对红外线折射的不同，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变的情况下，检测红外接收管接收红外线的强度，原理图如下图所示：
液滴
图3.1红外传感器检测滴速示意图
当液滴通过时，红外接收管接收到红外线光强应大于当无液滴通过时红外接收管接收到的红外线光强。
通过脉冲整形电路得到具体液滴滴速检测，电路图如下：
OUT
图3.2脉冲整形电路
当发射管和接收管之间有液滴通过时，接收管导通，Vin输出的脉冲信号加在运算放大器LM324的反相输入端，LM324的正相输入端输入门限电压VG，将脉冲信号整形后，产生Vout，为一串规则的方波脉冲，脉冲数与液滴滴速一一对应，Vin、VG和VOUT工作波形如下图3.3所示。
发射管限流电阻R4去200欧，电流约为20mA，调节电位器W2可调整门限电压，以抑制干扰。
Vg
图3.3整形后的脉冲波形
3.1.2液面检测及报警
红外线从液体射到空气的截面时如果入射角大于临界角会发生全反射现象，利用这一原理，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变和红外发射接收管相对角度大于100度并保持相对位置不变的情况下，检测红外接收管接收红外线的强度。
如图1所示，当液面高度高于设定高度时，大部分全反射光线不能到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较小；如图2所示，当液面高度到达设定高度时，大部分全反射光线可到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较大。
在此装置中，红外接收管输出的是电平信号而不是脉冲信号，可通过一运算放大器LM324送单片机中断处理，电路图与滴速检测的转换电路类似。
OUT
图3.4电平放大电路
这样可以准确检测到液面下降到警戒线时的情况，由单片机志向中断程序，发出报警信号。
3.1.3点滴滴速控制
点滴控制靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号控制电机上升或下降，从而调节滴斗的高度。
单片机的输出信号是由所测量的点滴速度决定的。
当测量速度小于设定速度时，要求电机正转，带动瓶子升高，则点滴速度增加；反之，当测量速度大于设定速度时，要求电动机反转，使瓶子降低，从而点滴速度降低。
步进电机正转反转的控制以及控制精度，并尽量减少设定速度到稳定的时间，必须对反馈信号处理，选择合适的程序。
电机控制采用四相五线永磁步进电机，以四相八拍方式工作。
单片机的P2口分别接电机的A、B、C和D相，步进电机的驱动电路如下图所示：
P2.3
图3.5步进电机工作方式
按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA次序通电为正转，带动储液瓶升高；按D→DC→C→CB→B→BA→A→AD次序通电为反转，带动储液瓶下降。
75451为OC门，单个OC门的吸收电流为500mA，每相采用一对OC门驱动，吸收电流可达1A。
当控制A相的P2。
0输入低电平时，A相导通，步进电机转到A相，依此类推，其他相工作原理与此相同；当电路中两相同时输入低电平时，步进电机转到两相之间。
此方式工作需要换相8次，转子才转动一个齿距角，所以步进电机的精度比较高，通过调整脉冲周期可控制步进电机转速。
图中二极管和电阻构成泄放电路，以保护OC门不会因步进电机突然停止时在电路中产生过高电压而损坏。
在电机调速的过程中，如果设定的点滴速度过快，可能会使输液瓶上升到支架顶部，则可能拉倒支架，造成危险，因此，在支架的顶部也安装一个红外传感器，当输液瓶上升到极限时，就发出报警信号，通知单片机控制电机停转。
3.1.4键盘显示
按照题目要求，需设置键盘及显示器，这里采用4*4键盘和八位LED显示器。
主要是通过键盘来设置点滴速度，显示器主要用于显示所测量的点滴速度。
主要通过可编程键盘显示器接口8279来驱动。
在键盘显示工作方式中，SL0~SL3输出键盘列扫描和动态显示的位扫描信号。
当选择内部译码方式时，SL0~SL3直接作键盘列（行）扫描线和显示四位扫描线，SL0~SL7输入键盘行（列）线信号，显示器字行码有OUTA0~3、OUTB0~3输出，此时，8279可接4位8段显示器和4*8的键盘。
当选择外部译码方式时，键盘列（行）扫描线由SL0~SL2通过3-8译码器译码提供（因输入数据格式中只
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