基于单片机的液体点滴控制系统设计 精品Word格式文档下载.docx
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通过多种方案对比,最终确定的方案操作简便,特别是进行了软件仿真设计,更具科学性以及可靠性,因此可将理论运用于医疗实际中。
本次毕业设计实现了基于单片机的液体点滴速度监控装置的设计。
所设计系统的硬件设计合理,实时性良好,经过扩展和升级,可以用于医院给病人打点滴和工业控制中,具有良好的医用价值和市场价值。
关键词液体点滴监控光电传感器STC89C52液位控制
毕业设计说明书(论文)外文摘要
TitleDesignofliquiddroppingspeedmonitoringdevicebasedonSCM
Abstract
Liquiddropspeedmonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputerisasubstituteformedicalpersonneltomonitorpatients'
intravenousdripspeedintelligentsystems.Thissystemputsforwardabitmonitoringdevice,thedesignmethodoftheavailablebuttonscontroldripalarmtimeandthroughthedisplayshowsthecurrentspeed,whentheliquidislessthancertainstandardcanbethroughthebuzzeralarm,systemUSESaSTC89C52ascoreprocessingunit,throughphotosensitivesensorstomanuallyadjusttheintravenousdripspeed,actually,themethodwasadoptthelevelcontrol.Throughavarietyofschemecomparison,thefinalsolutionissimple,inparticular,throughthesoftwaresimulationmakethedesignmorescientificandreliable,sothetheorycanbeusedinmedicalpractice.
Thegraduationdesignhasrealizedtheliquiddropspeedmonitoringdevicebasedonsinglechip.Thesystem’shardwareisreasonable,goodreal-timeperformance,extendedandupgraded,thesystemcanbeusedinhospitalonthepatientandindustrial,hasagoodmedicinalvalueandmarketvalue.
Keywords:
liquiddropmonitoringphotosensitivesensorSTC89C52levelcontrol
前言
问题的提出
随着现在社会医疗水平的提高,医院的的智能化水平也越来越高,很多医疗设备都需要无人照看或者说需要照看的精力变少。
在打点滴的时候点滴没了需要及时告诉医生处理,但是对于一些昏迷的病人就不能即时通知医生来处理,这样就可能导致病人的血液回流进滴管,造成不必要的伤害,同时对于意外状况点滴停止输液了也需要及时报警。
另外对于点滴的输液速度也需要加以监控用来针对不同病人或者不同人群。
本文提出的基于单片机的液体点滴控制系统,只需要操作仪器,便可以对点滴速度进行监控,以及对点滴过程的异常状况进行报警,这装置对输液速度的监控也能进行准确监控。
概述
随着科学电子技术飞速的发展,单片机性能不断完善,性能价格比显著提高,技术日趋完善。
由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点,因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。
本设计主要任务是设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置,能检测出储液瓶内液体的滴速、可控制液体点滴速度,在液面降到警戒值时能发出报警。
通过此次设计不仅深入了解了单片机系统设计流程,提高了对电路键盘系统及对射式光电传感器的了解。
输出系统由光电传感器监控的吊瓶、LED液晶显示屏及蜂鸣报警电路共同组成。
近几年来,单片机,计算机技术以及传感器技术的发展日新月异,因此使用单片机以及传感器于生活所需的物品中已经成为主流思想,已经成为当今社会发展的需要。
本次设计就是使用了单片机以及传感器来设计贴近生活实际的液体点滴监控装置,该装置可以在医用方面凸显其价值,也可以用于工业等其他行业,提高医院等行业的智能化水平。
通过设计加强了我的实际制作和调试能力,同时也加强对数字电路、单片机和微机原理等课程知识的实际应用能力,为同类产品的进一步发展奠定理论和实践基础。
液体点滴速度监控器在生活中主要就是应用于静脉输液。
随着医院管理系统趋向于电子化、网络化,如何利用计算机与现代控制技术提高医疗器械的自动化成为目前主要应用方向之一。
本系统主要基于STC89C52单片机以及光电传感器来实现液体点滴的监控。
该系统是以单片机作为控制中枢部分,结合外围输入输出系统组成的液体点滴速度监控装置,核心控制为STC89C52单片机,输入系统是以独立式按键来进行控制的。
研究内容
本设计主要研究基于单片机的液体点滴控制系统,分别对传感器检测电路、按键电路、显示电路以及系统的软、硬件各个部分进行了研究。
主要研究内容如下:
(1)系统硬件电路的设计
①根据液体点滴的监控原理,进行液体点滴系统的整体研究与设计。
②针对液体点滴监控系统的整体功能设计各个模块电路。
③对传感器检测电路论证和设计,产生用于监测点滴的信号。
④对按键电路进行设计,可以实现报警功能的开关,以及异常报警的时间
⑤检测数据送入单片机进行计算,从而得出面积。
⑦LCD显示液体当前速度的值,以及已经流过的滴数,以文字显示的方式显示液体速度以及总点滴数。
(2)系统软件的设计
①系统主程序的设计。
②按键子程序的设计。
③单片机计算面积的设计。
④LCD显示程序的设计。
设计特点与创新
该装置实时地监测液体点滴速度,通过单片机对信息进行分析和处理,由主机发出相应指令,调整系统工作平稳,构成了一个高性能的闭环控制系统,实现了对点滴输液速度的直观监测,同时对一些异常情况的出现可实施报警。
利用该装置还能通过主控平台对各个分立系统信息实施自动化、智能化的集中处理。
能方便、简易的操作和使用,对医疗具有很强的实用性。
第一章背景知识介绍
1.1光电传感器介绍
1.1.1什么是光电传感器
光电检测方法是具有精度高、反应快、非接触等优点的一种检测方法,而且该方法可测的参数比较多,光电传感器结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测参数以及控制工程中的应用十分广泛。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、紫外光辐射以及可见光)转变成为电信号的器件[1]。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测一些由于直接变化而引起光量变化的非电量,比如光强、辐射测温、气体、光照度、成分分析以及点滴等;
也可用来检测能够转换成光量变化的其他非电量,比如零件直径、物体表面粗糙度、位移、振动、速度、应变、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
这些年来,随着技术的进步,光电传感器的性能不断提高,特别是CCD图像传感器的产生,为光电传感器的进一步应用开创了新的一页,随着光电传感器的改进,它的应用也越来越强大。
常见的光电传感器有光敏二极管等。
光电传感器的光敏二极管有与普通二极管一样的外形,不同的是它的管壳上有一个嵌着玻璃的窗口,这个窗口的作用是方便光线射入,这样能够增加受光面积,因此一般情况下PN结的面积都比较大,光敏二极管在反向偏置的工作状态下工作,与负载电阻相串联。
它在有光和没有光照射的情况下是不同的,当没有光时,它的性能就和普通二极管一样,反向电流很小,这就是光敏二极管的暗电流;
当有光照时,载流子被激发,产生了电子以及空穴,这就是光电载流子。
在外电场的作用下,光电载流子能够参于导电,形成的反向电流比暗电流大很多,这个反向电流就是光电流。
由于光电流的大小与光照强度有关系,并且是成正比的,于是它的负载电阻上的电信号能够由光照的强弱来改变。
光电传感器的光敏三极管不仅有二极管的把光信号转变为电信号的功能,还可以把电信号进行放大。
光敏三级管与一般的三极管相差不多,一般的光敏三极管是在发射极和集电极作为引出端口,基极则没有引出口,管壳也开窗口,这样就可以方便光线射入。
一般情况下基区面积都很大,发射区则比较小,当光线射入,那么光线就主要被基区吸收,这样做的原因是能够增大光照。
工作时集电结反偏,发射结正偏。
暗电流是在没有光照的情况下产生的,它比一般三极管的穿透电流还小;
在有光照时产生大量的电子空穴对,使得基极产生的电流增大,这时产生的电流成为光电流,综上所述,三极管的灵敏度要比二极管高。
1.1.2光电传感器特点
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触、性能可靠等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样。
1.1.3光电传感器应用
光电传感器可以应用于条形码扫描,简易感光报警器,产品计数器,光电式烟雾报警器,防盗报警电路,液位监控,公共汽车关门安全警示器等等一系列生活中,用处已经深入到人们生活中。
1.2单片机介绍
单片微型计算机简称单片机,他的主要用途是用作于控制系统,因此可以叫它为微控制器,单片机虽然只是一小块芯片,但是说白了就相当于一台计算机,单片机含有很多的优点,使其能够在日常生活以及学习中能够得到广泛的应用。
它的小巧便宜为我们实用单片机学习创造了良好的条件,它使我们学习计算机原理以及结构的最理想的选择。
在二十世纪跨过了三个“电”的时代,电子时代,电子时代和现在已经进入了计算机时代。
然而电脑,通常是指个人计算机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
有一种电脑,大多数人都不是很熟悉,这台智能电脑就是单片机(也称为微控制器)。
这电脑系统只用了一片集成电路,就可以简单的操作和控制一些电子器件。
它在整个电子世界中,它扮演的角色就像是人类大脑,一旦它出故障了,整个设备瘫痪了。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,可以使用在如仪表、实时控制、通讯产品、导航仪、家用电器等地方。
各种各样的产品一旦使用了单片机,它能起到产品升级的效果,因此往往能在产品名称前加上形容词——“智能”,如智能小车等等。
现在有些技术人员或其它业余电子开发爱好者尝试设计一些产品,结果不是电路太复杂,就是功能太简单,很容易就被人模仿。
原因就在于其没有使用想单片机一样的器件。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,单片机可以像硬盘一样进行存储,和我们的家用电脑很相似,它的功能虽然和我们的家用电脑很相似,但是由于种种限制,它的功能要比电脑弱很多。
但是单片机也有其优点,一般的电脑体积很大价格又高,而单片机小巧而且不超过10块,因此也得到广泛使用。
虽然单片机的功能不是很强大,但是用它作为一些电子器件等日常的生活用具的控制工作已经完全足够了,当然它在这些生活用具中充当的是核心部分,相当于大脑。
单片机还有一个优点就是抗干扰能力强,由于这点原因使得它和普通的电脑也有了一定的区别。
单片机的运行需要把程序下载进去,而且下载进去的程序可以修改。
通过下载不同的程序可以实现不同的功能,通过有些程序完成的功能,可能是其它器件不能完成的或者很难完成的。
单片机编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性。
由于单片机的优势就在于它的成本,所以目前占优势地位的软件还是最低级的汇编语言,它是除了二进制机器码以高级一点,那为什么要放弃使用很多已经达到可视化水平的高级语言而用这么低级的东西呢?
原因就是单片机结构简单没有家用计算机那样的CPU,硬盘那么大的存储设备。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行,家用PC的也是承受不了的。
单片机是相对与过去的单板机来说的,单板机是CPU、存储器、I/O系统独立的。
单片机是集成在一块片子上。
单片机先要会编显示、键盘输入、AD、DA其他都是这些的组合。
Stc89c52的实物图如图1-1所示:
图1-1单片机芯片
自从20世纪70年代推出单片机以来,随着计算机技术的发展和在控制系统中的应用,单片机在家用以及实时监监控和智能仪表等领域得到了广泛应用。
单片机的出现使计算机技术从通用型数值计算领域进入带了智能化控制领域,使得嵌入式以及计算机技术的因此得到了重要发展。
1.3Potel99介绍
Protel99采用全新的数据库管理方式。
Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。
所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中,并显示在唯一的综合设计编辑窗口[2]。
Protel99和以前的版本差不多,在protel99中画的原理图一般都比较容易看懂,因此也比较容易理解与学习,对设计系统拥有很大的帮助,protel99的内部界面与Protel98大体相同,不同的是增加了一些新的功能模块。
Protel99采用了先进的技术使得protel99中有一套完整的绘制原理图的工具,有了这套工具可以准确的绘制模型分析板,使用户对系统有更加深入的理解,只能更加用户设计成功的可能性。
因此protel是一个为设计做铺垫的工具。
同时protel99的友好界面使得用户很快就学会如何操作,方便用户查找到各种所需的工具。
Protel99功能强大,含有庞大的元件库,即使找不到的原件,也可以使用它的绘图功能自制原件,这些都为我们设计电子电路的原理图以及印制板提供了良好的环境,因此在功能和特性上都比以前的版本更加强大。
在protel环境下可以把原理图分块,可以直观的看系统的原理图,方便用户对整个系统的理解。
同时通过它自带的PCB制版功能,可以方便用户制造实物板。
1.4Keil介绍
KeilC51一款基于C语言开发的软件,在很多功能上C语言有明显的优势,容易被用户看懂,不像汇编那样那样不易一下子看懂,通过C语言用户的学习更加容易了,C语言在可读性等方面具有很高的优势,所以C语言被广泛使用,这样keil也就被广泛使用。
KeilC51软件有功能强大的调试工具,对用户调试代码有很大的帮助,在Windows界面里面,还可以看到,与汇编比较一下就能体会到KeilC51的工作效率有多高,因此比汇编更加受人喜欢,同时keil含有强大的库函数也对用户学习有莫大的帮助。
通过keil软件可以对代码进行仿真,同时通过它的断点调试功能可以对代码进行断点调试,方便用户对代码的理解,一下子使用户对整个系统的运行过程就了如指掌了。
Keil软件是众多单片机开发软件中比较优秀的一款软件,它可以编辑、编译以及仿真功能,keil软件友好的界面方便用户学习和应用,它在调试程序以及仿真过程中也有很强大的功能。
Protues软件是一款EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件,是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus功能强大,从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
它是世界上第一个能够做到几项工作都能进行的软件(包括PCB软件设计,电路仿真,虚拟模型仿真)其支持8051、HC11AVR、ARM、8086和MSP430等处理器模型,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面,它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译,由于支持的处理器比较多,加上支持的编译种类丰富,他也得到了世界上的广泛应用。
protus的EDA功能有:
(1)可以设计原理图
(2)在protus下进行人工或者自动布线得到PCB图
(3)可以进行电路的仿真
同时Protus含有丰富的资源(元器件资源,仪表资源等),这些都使其功能更加强大。
通过protus软件可以对系统进行整体仿真,方便在制造实物之前排除各种意外状况。
protus在产平开发,教学以及技能考评中都有重要的应用作用,proteus是一个巨大的教学资源,可以用于:
(1)对模拟电路以及数字电路的理解与学习
(2)对单片机以及嵌入式的理解以及学习
(3)进行综合实验(比如说对于微控制器)
(4)对于学生可以进行试验以及设计毕业设计
(5)对于公司可以进行项目设计[3]
在技能考评中易评估、易事实因此可以的应用有:
(1)proteus能直观评估硬件电路的设计正确性
(2)proteus能硬件原理图直观调试软件
(3)proteus能验证整个设计的功能
在产品开发中可以评估风险,便于项目管理与团队开发。
第二章方案比较与论证
本次设计开始的时候想到两种设计方案,方案一是把光电传感器装在滴瓶的瓶口,通过监测瓶口液体没有了便进行报警。
方案二是把光电传感器装在输液管的聚液处,监测不再有液体或者一段时间没有液体经过便进行报警。
2.1方案一
方案一:
对滴瓶中的液体的液位进行监控
该方案中通过光电传感器对滴瓶中的液体的液位进行监控,当没有液体时报警,该方案中光电传感器放出光束监控液面。
当没有液体时没有来自液面的反射光从而进行报警。
(可以把光电传感器装在瓶口处)
图2-2滴瓶
2.2方案二
方案二:
对滴管中的液滴进行监控,当滴管中长时间没有液体滴过,就认为是液体点完,从而报警。
此方法是通过光电传感器放出光束对滴管的液滴监控,当一定时间没有来自液滴的反射光线时,便进行报警。
(可以把光电传感器装在输液管聚液处)
图2-3输液管
2.3方案比较与选择
对于上述两种方案,方案一需要把光电传感器装在点滴瓶上,方案二需要把光电传感器装在滴管上面,如果装在滴瓶上,就算是滴瓶中的液体没有了,滴管中还有很多,在实际医学应用中会会浪费药液,因此实际使用中较差。
而方案二把光电传感器装在滴管上,检测一段时间没有液体流过,就会报警,由于滴管还能储存一点液体,完全来的及报警以后过去处理。
因此方案二更好,贴近实际而且精度也高。
因此本次毕业设计使用的是方案二。
第三章液体点滴速度监控装置的理论分析与参数计算
3.1液体检测
检测是系统精度的关键部位,检测不准确将影响系统的控制精度。
因此在选用检测部件时应尽量减小检测误差,经过理论分析与实验,选用了回归反射型与扩散反射型光电传感器以达到检测精度。
3.1.1检测原理
光电液体检测其主要利用光在通过介质时产生的反射和折射现象来改变光的方向和光量的大小来实现的。
回归反射型光电传感器是将投光器同受光器按一定角度关系封装在同一传感器壳内。
投光器发出的光束需经反射板反射至受光器,受光器通过检测射入光量的多少来判断物体的有无。
由于红外光在通过液体时伴有反射与折射现象同时对红外线有一定的吸收作用,故从投光器发出的光束经过被测介质后再反射回来的光通量大大削弱,从而可判断出液体的有无,如图3-1所示。
3-1液位监测原理
扩散反射型光电传感器的投光器与受光器同样封装在一起,只是没有反射板配合其工作。
液滴检测的原理图如图3-2所示。
当投光器发出的光线遇到液滴时,将通过液滴表面的反射作用把光线反射给受光器,从而来判断物体的有无。
通过这两种传感器的不同工作原理可对不同物理量进行有效的检测,从而满足题目的基本要求。
图3-2滴速检测原理图
3.1.2液滴速度的检测
液滴速度的检测原理主要是检测一滴液体的经过了几个定时时间,因此只要把一滴除以一滴液体经过的定时次数而计算出的定时的时间(定时时间可以由定时的次数计算出来,该设计中定时一次时间为10ms)
图3-3液滴检测示意图
3.1.3液滴累计
液滴的累计主要是通过单片机的中断口来产生的,每一次滴液便产生一次中断,然后计数,如此累加上去。
3.2影响测量精度的因素分析
本次设计主要采用的是光电传感器来监测滴管聚集液体的地方,而影响测量精度的因素也有很多,比如:
(1)如果滴管中的液体滴的比较快,呈现出水柱状,那么使用光电传感器就不能测出液体的流速,也就是不能使用图3-3所示的原理来实现测滴速,会使测量不准确,因此必须保持液体呈现水滴状。
(2)必须把滴管竖直不曲折的放置,这样就不会出现因为滴管曲折而导致液体时而流动时而不流动而产生误差报警。
3.3系统设计思路
该系统的设计主要是采用光电传感器来检测滴管聚液处的液体流速,因此把光电传感器放置在滴管聚液处。
然后把检测结果送入单片机的中断口,单片机则是充当了中枢环节,报警电路则使用蜂鸣器来实现,通过液体监测的结果来判断是否报警。
该设计的按键部分则是用来实现异常状况出现的时候是否报警,以及出现多长异常状况的时候进行报警。
因此设计4个按钮分别实现进入设置界面、异常报警时间上调、异常报警时间下调、以及是否异常报警。
第四章液体点滴速度监控装置硬件电路设计
硬件电路主要分为检测电路、按键电路、显示电路、报警电路以及时钟震荡电路五个部分。
通过该五部分的结合组成了液体点滴速度监控装置。
4.1系统硬件框图
本设计次用STC89C52单片机为核心,通过外部的光电传感器来实现外部中断,每次中断便通过单片机的定时器/中断器来计算中断次数也就是中断时间,从而实现速度的监控,以及异常的报警,然后采用动态扫描来实现LCD动态显示,同时还能够使用按键来改变报警时间,液体点滴速度控制系统的系统框图如图4-1所示:
图4-1液体点滴速度控制系统的系统框图
这个系统通过STC89C52单片机来协调整个系统的工作,光电传感器电路用于监测来自外界的信号送入单片机。
按键电路用于设置不同的参数来控制异常报警以及是否异常报警。
显示电路通过LCD显示当前的液体速度,以及液体的累计滴数。
4.2单片机主机系统电路
4.2.1STC89C52单片机介绍
本次毕业设计采用STC89C52单片机,是一种低功耗、高性能单片机,由于做了很多的改进,因此它的性能比
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