基于單片機(jī)的醫(yī)院輸液檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第一章 緒 論第一章 緒 論1.1 課題的背景和意義很多年前，靜脈輸液技術(shù)出現(xiàn)在醫(yī)療技術(shù)的大軍中，在此之后經(jīng)過(guò)不斷的完善和改進(jìn)。在20世紀(jì)逐漸成為醫(yī)療體系中最重要的系統(tǒng)之一，也成為目前世界上最常用也是最直接有效的臨床治療手段之一。在1628年，William Harvey就提出了震驚世界的血液循環(huán)理論，為后人研發(fā)靜脈輸液治療系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)，因此他也被大家公認(rèn)為現(xiàn)代靜脈輸液治療的開(kāi)山鼻祖。靜脈輸液產(chǎn)品的模式主要經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展和變遷。第一代靜脈輸液產(chǎn)品主要是被應(yīng)用于20世紀(jì)初期，這是一種全開(kāi)放式的系統(tǒng)，在當(dāng)時(shí)的醫(yī)療條件下發(fā)揮著非常巨大的作用，在醫(yī)院、軍隊(duì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，廣口玻璃瓶

2、和天然橡膠材質(zhì)制造的輸液管路組合成這套系統(tǒng)；第二代靜脈輸液產(chǎn)品屬于半開(kāi)放式輸液系統(tǒng)，它是由玻璃或硬塑料容器與一次性輸液管路構(gòu)成的。這種系統(tǒng)得到了改進(jìn)，在輸液管中增加了濾膜，減少了污染機(jī)會(huì)，輸液線(xiàn)管的生產(chǎn)高度集中，使其工業(yè)化程度不斷增高，質(zhì)量和安全性得到很大的提高；第三代靜脈輸液產(chǎn)品，也被稱(chēng)為全封閉靜脈輸液系統(tǒng)，在輸液過(guò)程中利用重力原理，滴液軟袋容器取代原先的玻璃和塑料材質(zhì)，在外界大氣壓強(qiáng)作用下緩慢扁癟，這種系統(tǒng)不使用進(jìn)口針，袋內(nèi)外不必連通，軟袋形成閥針和藥物是雙層結(jié)構(gòu)，避免了溶液與外界的直接接觸，因而具有十分優(yōu)越的防污染功能。現(xiàn)在市面主要還是以第二代輸液產(chǎn)品為主，在輸液過(guò)程中，需要醫(yī)護(hù)人員及時(shí)

3、發(fā)現(xiàn)藥液是否需要更換并處理，否則就會(huì)造成空氣進(jìn)入血管形成空氣栓塞、凝血阻塞針頭等危險(xiǎn)情況，輕則延誤治療，重則會(huì)危及病人生命安全，發(fā)生醫(yī)療事故。目前病人在醫(yī)院中進(jìn)行輸液時(shí)，需要由病人自身、陪侍人員或者醫(yī)務(wù)工作者不斷注意觀(guān)察藥液的剩余情況，這樣既加重了醫(yī)護(hù)工作者的工作負(fù)擔(dān)，也讓病區(qū)的綜合管理變得不便利。為此設(shè)計(jì)這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療護(hù)理的自動(dòng)化和智能化。另外，輸液的速度也是一項(xiàng)重要的參考數(shù)據(jù)，不同的病況、不同的輸液目的和藥物性質(zhì)的差別這些因素都會(huì)導(dǎo)致輸液速度的不同。輸液速度大體可以分為以下幾種情況：（1）慢速：患有顱腦和心肺疾病的病人及老年人輸液一般得采用慢速滴入。緩慢輸液的速度

4、一般要求在每分鐘2-4ml以下，有時(shí)甚至需要在1ml以下。（2）正常速度：為了補(bǔ)充因正常生理消耗的輸液以及為了輸入某些特定的液體（如激素、維生素、抗菌素等）時(shí)，滴速一般控制在每分鐘5ml左右，這也就是通常所說(shuō)的輸液速度每分鐘60-80滴。（3）快速：嚴(yán)重脫水的病人，但前提是心肺功能良好，應(yīng)采用每分鐘10ml左右的速度進(jìn)行輸液治療，總輸液量最好在8個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成，以便病人在輸液結(jié)束后得到充足的休息。因缺血導(dǎo)致的休克病人，搶救時(shí)的輸液速度可以加快到每分鐘15ml。因?yàn)榭焖俚妮斠?小時(shí)可輸入2000ml液體，使已休克病人的病情得到最大程度的緩解。而當(dāng)試探性補(bǔ)救急性腎功能衰竭的病人時(shí)，常需要快速注射濃

5、度為10%的葡萄糖溶液500ml，這時(shí)需要以每分鐘15-25ml速度快速輸入。鑒于以上所述的多種原因，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了這套能夠檢測(cè)到輸液結(jié)束并進(jìn)行及時(shí)報(bào)警和實(shí)時(shí)控制輸液過(guò)程的滴速的智能醫(yī)用輸液檢測(cè)系統(tǒng)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，電子醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用起步早，并經(jīng)過(guò)實(shí)際臨床證明，得到廣泛的應(yīng)用，早已形成了設(shè)備的智能化和自動(dòng)化。早期的電子醫(yī)療設(shè)備都是高、精、尖的大型設(shè)備，而且龐大的投資，使全面推廣受到限制。一家德國(guó)集團(tuán)創(chuàng)建輸液數(shù)據(jù)管理工作站主要用于在重癥監(jiān)護(hù)病房，重癥監(jiān)護(hù)病房的醫(yī)生可以更方便的進(jìn)行輸液系統(tǒng)的管理。這套設(shè)備集輸液治療監(jiān)護(hù)于一體，具有藥物輸入模式選擇、同步

6、信息處理、藥物走勢(shì)記錄等功能。輸液護(hù)士需要添加的藥物，可以根據(jù)藥品清單進(jìn)行處理，并可以設(shè)置輸液速度。中國(guó)在這方面起步較晚，很多設(shè)備都是進(jìn)口產(chǎn)品，其價(jià)格相當(dāng)昂貴。但國(guó)內(nèi)輸液監(jiān)測(cè)設(shè)備也是逐步發(fā)展。近年來(lái)，醫(yī)療保健制度和醫(yī)療模式不斷完善。因?yàn)殪o脈輸液在醫(yī)療中一直以來(lái)占有非常大的比重，科研人員也對(duì)靜脈輸液系統(tǒng)不斷進(jìn)行改進(jìn)和更新。泉州人民解放陸軍醫(yī)院，利用杠桿的原理，當(dāng)液瓶中的藥水在輸液過(guò)程中重量會(huì)不斷減輕，在彈簧的作用下，磁鐵逐漸和干簧管接近，當(dāng)輸液完畢時(shí)，輸液瓶減輕到一定的重量，磁鐵和彈簧片開(kāi)關(guān)對(duì)齊，使電路接通，蜂鳴器報(bào)警。天津武警總隊(duì)醫(yī)院使用液體導(dǎo)電原理完成報(bào)警，這個(gè)系統(tǒng)中，一個(gè)包有絕緣材料的進(jìn)氣

7、針和一個(gè)輸液針，構(gòu)成連接頭，通過(guò)兩線(xiàn)接通使電路報(bào)警。開(kāi)始時(shí)，輸液瓶充滿(mǎn)了液體，液體導(dǎo)電，電流通過(guò)兩針和液體，使電路接通。隨著液面逐漸降低，當(dāng)液面低于針尖擺放的位置，這時(shí)電路斷開(kāi)，揚(yáng)聲器隨即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。靜脈輸液在我國(guó)國(guó)內(nèi)一直具有巨大的市場(chǎng)規(guī)模和市場(chǎng)容量。在2002年年終的統(tǒng)計(jì)中，我國(guó)輸液銷(xiāo)售總量為60億瓶，銷(xiāo)售總額超過(guò)500億元。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，我國(guó)輸液的總體市場(chǎng)潛量能夠高達(dá)120億瓶。在如此大的輸液市場(chǎng)下，醫(yī)院進(jìn)行輸液用藥治療時(shí)，對(duì)患者輸液進(jìn)度的監(jiān)控，需要由病人自身、陪侍人員或者醫(yī)務(wù)工作者不斷注意觀(guān)察藥液的剩余情況，這樣既加重了醫(yī)護(hù)工作者的工作負(fù)擔(dān)，也讓病區(qū)的綜合管理變得不便利。隨著科技的不

8、斷進(jìn)步，實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控已成為現(xiàn)代醫(yī)療中應(yīng)該具備的一部分。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，尤其是在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用更是突飛猛進(jìn)。隨著單片機(jī)在監(jiān)測(cè)和報(bào)警技術(shù)中的發(fā)展，其在提高電子醫(yī)療設(shè)備性?xún)r(jià)比，促進(jìn)電子醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展和普及中起到越來(lái)越重要的作用?，F(xiàn)在的監(jiān)控系統(tǒng)正在從以往的體積大、價(jià)格貴、操作復(fù)雜向著體積小巧、性?xún)r(jià)比高、操作簡(jiǎn)單發(fā)展，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以適用于社區(qū)醫(yī)療的輸液實(shí)時(shí)監(jiān)控，適用于普通民眾。- 52 -第二章 系統(tǒng)方案的選定第二章 系統(tǒng)方案的選定本系統(tǒng)可分幾大模塊進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，這樣既節(jié)省時(shí)間又能方便逐個(gè)解決，本系統(tǒng)共分為液位檢測(cè)報(bào)警模塊、滴速檢測(cè)控制模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊四大模塊。2.1

9、 警戒液面檢測(cè)方案液面的檢測(cè)方法有許多種，按原理可分為靜壓式、光電式、電容式、射線(xiàn)式；按傳感器是否與液體接觸可分為接觸式和非接觸式。由于輸液的安全要求，藥液應(yīng)該盡量避免與外界接觸，這樣就能保證無(wú)污染，所以采用非接觸式?？紤]到靈敏度的因素所以決定采用光電檢測(cè)方法。光電檢測(cè)液面的基本原理是，根據(jù)光線(xiàn)分別在液體和氣體中的折射率不同的原理，從而使從同一光源發(fā)出來(lái)的光線(xiàn)在有液體和無(wú)液體時(shí)產(chǎn)生折射的角度不同，使光電接收器接收到強(qiáng)弱不同的的光信號(hào)，從而產(chǎn)生電流大小不同的電流信號(hào)，導(dǎo)致出現(xiàn)不同程度的高、低電平，最終來(lái)判斷液位是否低于設(shè)定的液面，從而決定報(bào)警與否。經(jīng)過(guò)查閱資料和具體試驗(yàn)，可歸納為一下兩種：方案一

10、：首先要考慮到設(shè)定好最低的液面高度，因?yàn)檩斠浩鞯牟孱^在輸液瓶中有一定的高度，而且還要考慮給醫(yī)護(hù)人員拔針頭或者換藥的時(shí)間，所以設(shè)定的最低液面位置應(yīng)該略高于輸液器的插頭，如下圖2-1所示： 無(wú)水有水圖2-1 方案一示意圖在設(shè)定的液面位置處，光源發(fā)出的光線(xiàn)入射到藥瓶外壁，經(jīng)過(guò)藥瓶以及藥液的折射到達(dá)瓶?jī)?nèi)壁，再經(jīng)過(guò)藥瓶的折射后進(jìn)入空氣，被光敏電阻接收到。由于藥液的折射以及瓶口的弧形結(jié)構(gòu)使得光線(xiàn)路徑因折射而上翹。當(dāng)藥液下降到設(shè)定的位置時(shí)，由于藥液和空氣的折射率不同，光線(xiàn)路徑會(huì)發(fā)生改變，使得光電二極管接收到的光照強(qiáng)度大大減弱，僅僅接收到背景光，從而使得光電二極管產(chǎn)生的電流極具下降，通過(guò)后續(xù)電路進(jìn)行報(bào)警。方案

11、二：方案一比較適合報(bào)警時(shí)間提前量小的時(shí)候。另一種測(cè)量方法方便解決這個(gè)問(wèn)題，如下圖2-2所示： 有水無(wú)水圖2-2 方案二示意圖為更加準(zhǔn)確的進(jìn)行液位檢測(cè)，光源必須與容器中心要有一定的偏移，否則判定不了液體是否已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的液面。其方案二的原理和方案一相同，只是改變了光線(xiàn)路徑，使得光電傳感器的位置稍有不同。2.2 滴速檢測(cè)方案輸液速度的檢測(cè)可以通過(guò)測(cè)量輸液剩余重量以及時(shí)間來(lái)確定，輸液重量的變化不便于實(shí)時(shí)測(cè)定和控制。出于傳感器的精度和成本的考慮，會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間大大延長(zhǎng)，不利于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)際應(yīng)用。利用莫非氏管做成輸液管的滴壺來(lái)檢測(cè)滴速的方法，藥液在滴壺處會(huì)一滴一滴的滴落，鑒于上述液位檢測(cè)方案

12、中的測(cè)量方法，滴速的測(cè)量也可以采用光電檢測(cè)方法，光源發(fā)出的光垂直照射到滴壺的中心線(xiàn)上，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)滴壺時(shí)不會(huì)產(chǎn)生折射，而是會(huì)直接沿著直徑方向射出如下圖2-3所示：圖2-3 光線(xiàn)走向示意圖高電平低電平高電平而液滴滴落時(shí)，因萬(wàn)有引力的作用力一定會(huì)經(jīng)過(guò)滴壺的中心線(xiàn)，當(dāng)液滴經(jīng)過(guò)光源和光電接收器件之間時(shí)，光線(xiàn)會(huì)發(fā)生折射，從而使光線(xiàn)路徑發(fā)生變化，導(dǎo)致光電接收器瞬間接收不到光電信號(hào)，這時(shí)光電接收器的輸出就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電平跳變，通過(guò)對(duì)這個(gè)電平跳變的統(tǒng)計(jì)，就可以計(jì)算出經(jīng)過(guò)滴管中的液滴數(shù)量。示意圖2-4如下：圖2-4 光電滴速檢測(cè)示意圖2.3 滴速控制方案方案一：通過(guò)改變輸液瓶的高度來(lái)控制滴速。當(dāng)輸液管截面積一定時(shí)，輸

13、液瓶所處于不同的高度，其瓶?jī)?nèi)液體的壓強(qiáng)差也是不同的，液滴的滴速也隨之不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滴速的控制。當(dāng)液滴滴速低于要求值時(shí)，提高輸液瓶的高度，增大壓強(qiáng)，增大滴速，反之則可降低液滴速度。方案二：通過(guò)改變輸液軟管的面積來(lái)控制滴速。 凸輪軸心軟管固定板圖A軟管固定點(diǎn)電動(dòng)機(jī)圖B圖2-5 滴速控制設(shè)備在固定好輸液瓶后，將輸液軟管緊靠在固定板上。這時(shí)就可以通過(guò)改變輸液軟管的橫截面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速度的控制。當(dāng)輸液滴速高于預(yù)定值時(shí)，單片機(jī)利用步進(jìn)電機(jī)控制凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，擠壓輸液軟管，迫使輸液軟管的橫截面減小，從而降低輸液滴速。反之，則可提高滴速。實(shí)物如上圖A所示。方案三：通過(guò)拉緊或放松軟管來(lái)控制滴速。如上圖B，利用尼龍線(xiàn)

14、拉緊或放松來(lái)控制滴速。方案一中可利用小型步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸液瓶的高度高低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度相對(duì)而言更高些。方案二因?yàn)檩斠很浌艿慕孛娣e本身就較小，并且在形變后恢復(fù)較慢，很難達(dá)到精確控制滴速的要求。方案三中，雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但是如果作用的時(shí)間長(zhǎng)的話(huà)，對(duì)軟管就會(huì)產(chǎn)生損傷，可能會(huì)引起漏液，且和方案二一樣存在輸液軟管的截面積本身較小，且形變后恢復(fù)較慢。這三種方案各有優(yōu)、缺點(diǎn)，但在對(duì)比之下還是確定采用方案一。2.4 鍵盤(pán)、顯示方案顯示部分可選擇液晶顯示和數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)中由于要求實(shí)時(shí)顯示出滴速等多組數(shù)據(jù)，因此顯示模塊選用了1602LCD液晶顯示器。鍵盤(pán)模塊中選用了單片機(jī)自帶的3×3 鍵盤(pán)，直接利

15、用I/O 擴(kuò)展而成。聲光報(bào)警電路也可直接利用單片機(jī)I/O口輸出放大驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)出聲光報(bào)警。第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及硬件設(shè)計(jì)第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)共有液位檢測(cè)報(bào)警模塊、滴速檢測(cè)控制模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊四大功能模塊，本章主要分析該系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)組成，重點(diǎn)介紹液位檢測(cè)報(bào)警電路、滴速檢測(cè)控制模塊以及該系統(tǒng)所涉及的元器件功能。3.1 系統(tǒng)主體框架系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，將其與現(xiàn)場(chǎng)滴速檢測(cè)、液位檢測(cè)、報(bào)警電路、鍵盤(pán)和顯示電路等相連，整體構(gòu)成一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)滴速度及液位高度檢測(cè)采用光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。藍(lán)光LED燈和光敏電阻分別作為發(fā)射管與接收管放置于點(diǎn)滴瓶與滴斗兩側(cè)，

16、藍(lán)光LED燈發(fā)出光線(xiàn)，光線(xiàn)透過(guò)輸液管照射到光敏電阻，光敏電阻將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流輸出。當(dāng)輸液管沒(méi)有液滴通過(guò)時(shí)，光線(xiàn)衰減程度小，光敏電阻輸出比較強(qiáng)的光電流。當(dāng)有液滴通過(guò)輸液管時(shí)，在液滴對(duì)光線(xiàn)的吸收和散射作用下，照射到光敏電阻的光信號(hào)比較弱，它輸出比較弱的光電流。因此，通過(guò)檢測(cè)光敏電阻的輸出電流，轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，即可探測(cè)出滴斗是否有液滴通過(guò)；同樣原理，點(diǎn)滴瓶液位檢測(cè)原理相同，當(dāng)液面降低到警戒線(xiàn)以下時(shí)，光線(xiàn)由被遮擋變成完全照射到接收管，這兩者之間的電壓產(chǎn)生了跳變，便可以通過(guò)單片機(jī)控制器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置啟動(dòng)。3.2 系統(tǒng)控制核心AT89C51單片機(jī)3.2.1 單片機(jī)概述單片機(jī)，又名

17、微控制器，它采用一定的工藝手段將CPU、存儲(chǔ)器和I/O口集成在同一個(gè)芯片上，其發(fā)展十分迅速。自1975年美國(guó)德克薩斯儀器公司(Texas Instruments)第一塊微型計(jì)算機(jī)芯片TMS-1000問(wèn)世以來(lái)，在短短20年間，單片機(jī)技術(shù)已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一個(gè)強(qiáng)大的分支，因?yàn)樗募夹g(shù)規(guī)范和特性突出使其發(fā)展的道路和應(yīng)用的領(lǐng)域可以無(wú)限擴(kuò)展。單片機(jī)是為了完善工業(yè)操制的需要而發(fā)展誕生的，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心器件，因而它在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器等中得到了廣泛的應(yīng)用。它體積小、個(gè)性突出、物美價(jià)廉的特點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷的擴(kuò)展，內(nèi)部功能也得到了不斷的改進(jìn)和完善。單片機(jī)除了在以上領(lǐng)域表現(xiàn)搶眼外

18、，還在自動(dòng)化高級(jí)電子玩具產(chǎn)品中也不斷作為核心控制器件出現(xiàn)。3.2.2 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.單片機(jī)的特點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片作為系統(tǒng)控制的核心部件，除了能夠完成通用微機(jī)CPU的數(shù)值計(jì)算功能外，還必須具有靈活、強(qiáng)大的控制功能，以便對(duì)系統(tǒng)的輸入量、輸出量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。由于單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，經(jīng)常工作在高溫、強(qiáng)電磁干擾，甚至含有腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境之下，另外在太空中應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)還必須具有抗輻射功能，這就決定了單片機(jī)CPU與通用CPU的不同適應(yīng)特點(diǎn)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)CPU更能很好的適應(yīng)惡劣環(huán)境，完成人類(lèi)因自身原因無(wú)法完成的工作，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破。（1）單片機(jī)CPU對(duì)抗干擾性和工作溫度

19、范圍都要求比較高，一般能夠抵抗外界電磁干擾或者對(duì)干擾能作出反應(yīng)來(lái)調(diào)整自身屬性，而通用微機(jī)CPU一般要求在室溫下工作，抗干擾能力較弱；（2）單片機(jī)CPU可靠性強(qiáng)。在工業(yè)控制中，要求的就是高精度，不允許任何差錯(cuò)，高精度產(chǎn)品很多都是差之毫厘，謬之千里；（3）單片機(jī)CPU指令系統(tǒng)比通用微機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單易懂。單片機(jī)的程序一般采用C語(yǔ)言進(jìn)行編譯，利用Keil等軟件生成機(jī)器語(yǔ)言后燒入單片機(jī)；（4）單片機(jī)CPU更新?lián)Q代速度比通用微機(jī)處理器慢很多，Intel公司1980年推出標(biāo)準(zhǔn)MCS-51內(nèi)核8051(HMOS工藝)、80C51(CHMOS工藝)單片機(jī)芯片后，持續(xù)生產(chǎn)、使用10年，直到1996年3月才被增強(qiáng)型MC

20、S-51內(nèi)核8xC5x系列芯片取代。由于增強(qiáng)型MCS-51單片機(jī)芯片均采用CHMOS工藝，因此Philips公司將“增強(qiáng)型MCS-51”內(nèi)核稱(chēng)為“增強(qiáng)型80C51”內(nèi)核。2.單片機(jī)的應(yīng)用目前單片機(jī)已廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域。強(qiáng)大的單片機(jī)對(duì)工業(yè)行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代起到了很重要的帶動(dòng)作用。單片機(jī)的高精小特點(diǎn)決定了單片機(jī)在智能儀器儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、民用電子產(chǎn)品等方面表現(xiàn)突出。下面就根據(jù)搜集的資料注重介紹一下單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的強(qiáng)大具體表現(xiàn)：（1）單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用單片機(jī)在實(shí)驗(yàn)室、交通運(yùn)輸監(jiān)測(cè)、計(jì)數(shù)計(jì)量等各種儀器儀表之中經(jīng)常出現(xiàn)，其主要作用是使儀器儀表更加智能化，提高了

21、它們的測(cè)量精度，并且強(qiáng)化了器件的功能，簡(jiǎn)化了儀器儀表的結(jié)構(gòu)要求，在設(shè)備的應(yīng)用、維護(hù)和更新中更加簡(jiǎn)單易行，如船舶航行狀態(tài)記錄儀，家電操控，電度表水表，電容、電阻、電感測(cè)量?jī)x，煙草水分測(cè)試器，智能超聲波測(cè)距儀等。單片機(jī)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，給傳統(tǒng)的儀器儀表帶來(lái)了根本性的變革。 （2）單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的重要方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程，對(duì)發(fā)展機(jī)器的自動(dòng)化、智能化提供了可能性。（3）單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用單片機(jī)也廣泛的應(yīng)用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，如對(duì)工業(yè)上能源提

22、煉時(shí)的溫酸度、化學(xué)成分的測(cè)量和控制，使工作人員更加輕松安全的操作設(shè)備，使系統(tǒng)工作于最佳的狀態(tài)，從而促進(jìn)了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。在航空航天、通信、工業(yè)機(jī)器人控制等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中都將單片機(jī)作為中心控制器。3.2.3 單片機(jī)的管腳及最小系統(tǒng)1.MCS-51單片機(jī)的管腳功能采用HMOS制造工藝的MCS-51單片機(jī)都采用40管腳雙列直插式封裝；而采用CHMOS制造工藝的89C51/89C31,除采用40腳雙列直插式封裝外，還有用方形封裝方式。如下圖3-1所示為Atmel公司生產(chǎn)的雙列直插式封裝單片機(jī)管腳圖。圖3-1 單片機(jī)管腳圖各管腳功能說(shuō)明如下：(1)主電源管腳VCC(40腳)：接+5

23、V；VSS(20腳)：接地。(2)時(shí)鐘引腳XTAL1(18腳)：片內(nèi)振蕩電路輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。XTAL2(19腳)：片內(nèi)振蕩器電路的輸出端，是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。(3)輸入/輸出引腳輸入/輸出引腳(I/O)口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。4個(gè)8位端口的特性：不能都用作用戶(hù)的I/O扣，出8051、8751外真正可歸用戶(hù)使用的I/O口只有P1口以及作為第一功能使用時(shí)得P3口；I/O的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力：P0口的每條口線(xiàn)能以吸收電流方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路。P1、P2、P3口均只能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL

24、電路；P3口具有雙重功能，其第二功能如表3-1所示。表3-1 P3口的第二功能引腳第二功能P3.0RXD 串行口輸入端P3.1TXD 串行口輸出端P3.2INT0 外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.3INT1 外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及I/O口寫(xiě)選通信號(hào)輸出端，低電平有效P3.7RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及I/O口讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效(4)控制引腳這部分包括RESET(即RST)，ALE，PSEN、EA等，此類(lèi)引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)選功能。RST/VPD(

25、9腳)：RST即為RESET,VPD為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)段。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)VCC掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源VPD，為內(nèi)部RAM提供備用電源，以保證片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。ALE/PROG(30腳)：正常工作時(shí)為ALE（允許地址鎖存）功能，提供把低字節(jié)地址鎖存到外部鎖存器的信號(hào)。ALE引腳以不變的頻率周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)。因此，它還可對(duì)外輸出時(shí)鐘信號(hào)，或用于定時(shí)目的。但是，每當(dāng)單片機(jī)需要訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)TTL電路。對(duì)于片內(nèi)具有E

26、PROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖PROG。PSEN(29腳)：這個(gè)管腳作為片外程序存儲(chǔ)器讀信號(hào)選通的輸出端，低電平有效。在從外部程序存儲(chǔ)器取指令期間，每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在此期間，單片機(jī)每次訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不會(huì)出現(xiàn)。同樣PSEN就可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。EA/VPP(31腳)：EA為片外程序存儲(chǔ)器選用端。當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的是內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但當(dāng)PC(程序計(jì)數(shù)器)值超過(guò)某值時(shí)，單片機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存的內(nèi)容。當(dāng)EA端保持低電平時(shí)，則不論是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，單片機(jī)只會(huì)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器。在EPRO

27、M編程期間，此引腳用于施加編程電源VPP。綜上所述，MCS-51系列單片機(jī)的引腳可歸納為以下兩點(diǎn)：(1)單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因?yàn)樵S多引腳都具有第二功能；(2)單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)總線(xiàn)形式，由P2，P0口組成16位地址總線(xiàn)；由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線(xiàn)；由PSEN與P3口中的WR,RD構(gòu)成對(duì)外部存儲(chǔ)器及I/O的讀/寫(xiě)控制，由P3口的其他引腳構(gòu)成串行口、外部中斷輸入、計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入。2.單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)加晶振電路、復(fù)位電路、外部程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、按鍵以及數(shù)碼顯示管等構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。這些電路是保證單片機(jī)正常工作的必備電路。下面介紹最小系統(tǒng)的典型模塊。(1)單片機(jī)晶振電路MCS

28、-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，其中管腳XTAL1和XTAL2就是該反相放大器的輸入端和輸出端，由一個(gè)起到反饋?zhàn)饔玫钠饩w諧振器和單片機(jī)內(nèi)部的放大器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，這種方式形成的時(shí)鐘信號(hào)稱(chēng)為內(nèi)部時(shí)鐘方式，如下圖3-3所示。VCCGNDY1R1C1C2XTAL1 MCS-51XTAL2 MCS-51 XTAL1 XTAL2VSS NOT圖3-3 晶振電路(2)單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)當(dāng)振蕩器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果在RST引腳保持2個(gè)機(jī)器周期，也就是24個(gè)振蕩周期的高電平，單片機(jī)內(nèi)部就會(huì)執(zhí)行復(fù)位操作，以后每個(gè)周期單片機(jī)都會(huì)執(zhí)行一次復(fù)位，直到RST端變成低電平

29、。為了保證單片機(jī)正常復(fù)位，考慮VCC的上升時(shí)間的振蕩器建立時(shí)間，通常設(shè)計(jì)成使RST端持續(xù)20ms以上的高電平。復(fù)位后單片機(jī)從程序存儲(chǔ)器的地位0000H處開(kāi)始運(yùn)行，內(nèi)部寄存器的狀態(tài)如下表3-2：表3-2 復(fù)位后單片機(jī)寄存器狀態(tài)專(zhuān)用寄存器復(fù)位狀態(tài)專(zhuān)用寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HTH200HDPTR0000HTL200HP0-P3FFHRLDH00HIPXXX0000BRLDL00HIE0XX0000BSCON00HTMOD00HSBUFXXXXXXXXTCON00HPCON0XXXX0000BT2CON00H

30、復(fù)位后，ALE和PESE為高電平，但內(nèi)部RAM不受復(fù)位的影響，因此內(nèi)部RAM的狀態(tài)無(wú)法確定。單片機(jī)復(fù)位電路上電復(fù)位電路如下圖a，在VCC和VDD之間接入RC電路。在上電時(shí)RST端電位和VCC是相同的，隨之電容充電電流緩慢減小，RST端的電位也緩慢下降。當(dāng)VCC的上升時(shí)間低于1ms，同時(shí)振蕩器建立的時(shí)間沒(méi)超過(guò)10ms時(shí)，按圖中的時(shí)間(C1=22uf,R1=1K),系統(tǒng)開(kāi)始上電復(fù)位，這樣就能保證電路在上電開(kāi)機(jī)時(shí)可靠的完成復(fù)位操作。因?yàn)樯想姀?fù)位至少要在振蕩器建立時(shí)間加兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，所以在上電復(fù)位過(guò)程，RST端的電平必須要比施密特觸發(fā)器的最小值要高，這樣才能完成操作。如圖3-4所示的幾種復(fù)位電路

31、：VCCVCCMCS-51RST MCS-51RST S1R2200¦¸R1RES2R11k¦¸C122uFC122uFVCCRETMCS-51C122uFC222uFR2200¦¸R11k¦¸S1圖a圖b圖c圖3-4 a)上電復(fù)位 b)按鍵電平復(fù)位 c)按鍵脈沖復(fù)位3.3 光電檢測(cè)報(bào)警電路這部分包括滴速檢測(cè)和液面檢測(cè)兩部分，因?yàn)閮烧邫z測(cè)原理相同，故統(tǒng)一介紹。對(duì)于光電傳感器的選擇，考慮到儲(chǔ)液瓶的大小，我選用了將藍(lán)光LED燈作為光線(xiàn)發(fā)射裝備，將光敏電阻作為接收裝備，利用光敏電阻的特性，產(chǎn)生電壓跳變，從而進(jìn)行檢測(cè)。3.

32、3.1 光電收發(fā)單元的選擇本系統(tǒng)的光電變換類(lèi)型為模擬量的變換，即將被測(cè)的光信息量變?yōu)殡娦畔⒘俊Ｈ肷涞焦怆娊邮掌骷系墓饷裘嫔瞎庑畔⒘?，與產(chǎn)生管光電流成正比。所以，光電流的大小就能很好的反映被測(cè)點(diǎn)的光信息量的大小。即光電器件輸出的光電流I是被測(cè)信息量的Q函數(shù):I=F(Q)。1.光電發(fā)射部分光電器件上產(chǎn)生的電流大小，不僅與被測(cè)信息量大大小有關(guān)，而且還和光的輻射密度。光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量和光學(xué)器件本身的性能有關(guān)，所以要求光源的性能要穩(wěn)定，在空氣中不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重散射。特別要求它們的特性不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間、電壓變化以及溫度變化等原因而發(fā)生變化。否則外界因素的變化就會(huì)導(dǎo)致輸出電流的明顯變化，影響檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于光電發(fā)射部

33、分的選擇，本系統(tǒng)將選用的是藍(lán)光LED燈。為了保證光線(xiàn)可以盡可能少擴(kuò)散、沿直線(xiàn)的方向照射，因此在LED燈上套有一個(gè)橡膠套。藍(lán)光LED燈是實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)、容易購(gòu)買(mǎi)和性?xún)r(jià)比高的發(fā)射元件，并且藍(lán)光LED燈完全符合本次設(shè)計(jì)的要求。2.光電接受部分當(dāng)被測(cè)對(duì)象因光的折射、反射、或者被測(cè)對(duì)象本身輻射強(qiáng)度的發(fā)生變化。而導(dǎo)致光信號(hào)幅度的大小也隨之改變。為準(zhǔn)確測(cè)量幅度的變化大小，必選選用線(xiàn)性好、響應(yīng)快的器件。系統(tǒng)報(bào)警和滴速檢測(cè)是利用電信號(hào)幅度變化，來(lái)判斷是否報(bào)警。由于為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便以及節(jié)省經(jīng)費(fèi)，故選擇常用的電路元件光敏電阻。3.3.2 液面檢測(cè)和滴速檢測(cè)電路這兩個(gè)電路的檢測(cè)原理相似。但考慮到綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，故將液面

34、檢測(cè)電路和滴速檢測(cè)設(shè)計(jì)成兩種電路，分開(kāi)介紹。1.滴速檢測(cè)電路圖3-5 滴速檢測(cè)控制電路液滴信號(hào)可見(jiàn)光檢測(cè)部分電路如上，為了保護(hù)光敏電阻，在發(fā)射管和接收管的兩端分別串聯(lián)一個(gè)電阻R11，R12，起限流作用。在可見(jiàn)光檢測(cè)時(shí)，當(dāng)沒(méi)有液滴落下時(shí)，輸出電壓為0V，當(dāng)有液滴落下時(shí)，液滴對(duì)由藍(lán)光LED燈發(fā)射出來(lái)的光線(xiàn)有阻礙作用，使感光受到一定影響，輸出一個(gè)脈沖電壓。該脈沖電壓因?yàn)樘。什捎眠\(yùn)算放大器LM324對(duì)這脈沖進(jìn)行放大。放大倍數(shù)為A=R14/R13=10000，經(jīng)過(guò)放大后才能進(jìn)行正常的后續(xù)處理。同樣采用LM324構(gòu)成電壓比較器，其中Vg為滑動(dòng)變阻器，具體值由設(shè)計(jì)實(shí)物測(cè)試得到。在一步LM324的7腳輸出

35、的脈沖信號(hào)就可以輸入到C51的P3.4(定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0)，T0設(shè)定為計(jì)數(shù)方式時(shí)。脈沖信號(hào)輸入T0口，T0端口出現(xiàn)由“1”到“0”的負(fù)跳變脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器則加1，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)滴速的測(cè)量。(控制步進(jìn)機(jī))2.液面測(cè)量圖3-6 液面檢測(cè)電路這部分電路設(shè)計(jì)以上述光電檢測(cè)報(bào)警電路為準(zhǔn)，同樣利用液體對(duì)光線(xiàn)的吸收作用。當(dāng)點(diǎn)滴瓶液位低于測(cè)試出來(lái)的臨界值時(shí)，光敏電阻會(huì)接受到發(fā)射管發(fā)出的光線(xiàn)，產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)，輸入到555定時(shí)器的2管腳，這時(shí)施密特觸發(fā)器將邊沿變化緩慢的波形整形成為邊沿陡峭的矩形脈沖，之后送到單片機(jī)的P3.2(INT0)口，作為外部中斷0的觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)的P2.2口與聲音報(bào)警電路連接。利用單片機(jī)接收

36、中斷信號(hào)并控制P2.2輸出低電平，該信號(hào)經(jīng)隔置電容加到揚(yáng)聲器上，從而啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。(控制步進(jìn)機(jī))之后等待復(fù)位鍵RESET復(fù)位。3.3.3 報(bào)警電路當(dāng)檢測(cè)到液位下降到設(shè)定位置和沒(méi)有點(diǎn)滴通過(guò)滴壺等異常情況出現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，電路如下圖所示。蜂鳴器作為三極管VT3的集電極負(fù)載，當(dāng)VT3導(dǎo)通時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音實(shí)現(xiàn)報(bào)警；VT3截止時(shí)，蜂鳴器不會(huì)產(chǎn)生聲音，其中的電阻為限流電阻。將VT3的基極連到單片機(jī)的P2.7管腳上，P3.7作為單片機(jī)的輸出端口。當(dāng)輸出為低電平時(shí)，VT3、VT2導(dǎo)通，使蜂鳴器和LED1故障燈(黃色)兩個(gè)管腳之間產(chǎn)生5V的電壓，從而啟動(dòng)蜂鳴器和LED導(dǎo)通，

37、產(chǎn)生蜂鳴和黃色燈光實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。當(dāng)輸出為高電平，VT3、VT2截止，使蜂鳴器和LED1故障燈(黃燈)兩個(gè)管腳之間產(chǎn)生0V的電壓，而使蜂鳴器和LED2正常燈(綠燈)兩個(gè)管腳之間產(chǎn)生5V的電壓，從而產(chǎn)生綠色燈光。圖3-7 聲光報(bào)警電路3.4 顯示電路3.4.1 顯示方式的選擇本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示輸液過(guò)程中的滴速，普通的顯示方式分為L(zhǎng)CD顯示和LED數(shù)碼管顯示。由于LCD液晶顯示效果清晰明了，所以這里選用LCD1602液晶顯示屏進(jìn)行顯示。液晶顯示的分類(lèi)方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等，這里選用的是LCD1602字符性液晶顯示屏。用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)，既要找到和顯示屏幕上某幾

38、個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個(gè)字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.4.2 顯示電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)按照需求采用一個(gè)LCD1602液晶顯示的方式，顯示屏上需要用3*3鍵盤(pán)輸入一個(gè)固定值和顯示出滴速檢測(cè)控制模塊檢測(cè)到的速度。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。LCD1602液晶顯示有11個(gè)控制指令

39、，如表3-3所示：表3-3 液晶顯示控制指令表指令功能清屏清DDRAM和AC值歸位AC=0，光標(biāo)、畫(huà)面回HOME位輸入方式設(shè)置設(shè)置光標(biāo)、畫(huà)面移動(dòng)方式顯示開(kāi)關(guān)控制設(shè)置顯示、光標(biāo)及閃爍開(kāi)、關(guān)光標(biāo)、畫(huà)面位移光標(biāo)、畫(huà)面移動(dòng)，不影響DDRAM功能設(shè)置工作方式設(shè)置（初始化指令）CGRAM地址設(shè)置設(shè)置CGRAM地址。A5A0=03FHDDRAM地址設(shè)置DDRAM地址設(shè)置讀BF及AC值讀忙標(biāo)志BF值和地址計(jì)數(shù)器AC值寫(xiě)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入DDRAM或CGRAM內(nèi)讀數(shù)據(jù)從DDRRAM或CGRAM數(shù)據(jù)讀出編程時(shí)經(jīng)常用到的幾個(gè)指令：（1）清屏指令如表3-4所示：表3-4 清屏指令表RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4

40、 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 0 0 0 0 1（2）顯示開(kāi)關(guān)控制指令如表3-5所示：表3-5 顯示開(kāi)關(guān)控制指令表RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 0 1 D C B功能：設(shè)置顯示、光標(biāo)及閃爍開(kāi)、關(guān)。其中： D表示顯示開(kāi)關(guān)：D=1為開(kāi)，D=0為關(guān)；C表示光標(biāo)開(kāi)關(guān)：C=1為開(kāi)，C=0為關(guān)；B表示閃爍開(kāi)關(guān)：B=1為開(kāi)，B=0為關(guān)。（3）光標(biāo)、畫(huà)面位移指令如表3-6所示：表3-6 光標(biāo)、畫(huà)面位移指令RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 1 S/C R/L * *功

41、能：光標(biāo)、畫(huà)面移動(dòng)，不影響DDRAM。其中： S/C=1：畫(huà)面平移一個(gè)字符位；S/C=0：光標(biāo)平移一個(gè)字符位；R/L=1：右移；R/L=0：左移。（4）功能設(shè)置，如表3-7所示： 表3-7 功能設(shè)置指令表RS R/WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 1 DL N F * *功能：工作方式設(shè)置（初始化指令）。其中：DL=1，8位數(shù)據(jù)接口；DL=0，四位數(shù)據(jù)接口； N=1，兩行顯示；N=0，一行顯示； F=1，5´10點(diǎn)陣字符；F=0，5´7點(diǎn)陣字符。設(shè)計(jì)的顯示電路如下：圖3-8 顯示電路3.5 按鍵電路在輸液過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生一些突發(fā)

42、性事件，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)緊急呼叫鍵。當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，按下緊急呼叫鍵，可以及時(shí)通知醫(yī)護(hù)人員前來(lái)進(jìn)行處理，這樣一來(lái)，就增加了輸液過(guò)程的安全性。同時(shí)，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，設(shè)計(jì)采用手動(dòng)按鍵停止報(bào)警的方式，按鍵設(shè)置在方便位置。只有醫(yī)護(hù)人員來(lái)到床位時(shí)才能停止報(bào)警，提高醫(yī)護(hù)人員處理事件的及時(shí)性。如下圖按鍵電路。圖3-9 按鍵電路3.6 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)一般可以分為全編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種。全編碼鍵盤(pán)能夠由硬件邏輯自動(dòng)提供和按鍵對(duì)一個(gè)的編碼。這種鍵盤(pán)使用方便，但需要較多硬件，價(jià)格較高。而非編碼鍵盤(pán)只能簡(jiǎn)單地提供高、低電平兩種不同的輸入矩陣，其他工作都可以用軟件來(lái)代替完成，由于它的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，所以在本系統(tǒng)中采

43、用非編碼鍵盤(pán)。3.6.1 鍵盤(pán)原理介紹1.原理簡(jiǎn)介鍵盤(pán)接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的一環(huán)，作為人機(jī)交互界面里最常用的輸入設(shè)備。我們可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路與程序前，我們需要了解鍵盤(pán)和組成鍵盤(pán)的按鍵的一些知識(shí)。2.按鍵的輸入原理單片機(jī)應(yīng)用通常使用機(jī)械觸點(diǎn)按鈕開(kāi)關(guān)，其主要功能是機(jī)械轉(zhuǎn)換成電能的邏輯。換句話(huà)說(shuō)，它提供了通用的數(shù)字邏輯電平兼容標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平。除了特殊的復(fù)位電路和復(fù)位功能的復(fù)位按鈕，其他按鈕來(lái)切換狀態(tài)設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的特殊性。一套功能鍵或數(shù)字鍵被按下時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)完成的按鈕集的功能。因此，關(guān)鍵的信息輸入是密切相關(guān)的軟件架構(gòu)的過(guò)程。一組

44、鍵，或通過(guò)接口電路與單片機(jī)連接鍵盤(pán)。查詢(xún)或中斷的微控制器，可以用來(lái)了解是否有按鍵的輸入和檢查哪一個(gè)按鈕被按下時(shí)，它的關(guān)鍵是檢測(cè)到按下鍵盤(pán)并進(jìn)行處理，如果不按任何鍵繼續(xù)執(zhí)行其他程序。3.按鍵去抖原理機(jī)械式按鍵，然后按下或釋放，由于機(jī)械靈活性的作用，通常伴有一定時(shí)間的接觸機(jī)械抖動(dòng)，然后穩(wěn)定的接觸。開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)度，一般為510毫秒，力學(xué)性能?？梢钥闯?，從圖中，在測(cè)試過(guò)程中的關(guān)鍵和OFF狀態(tài)接觸抖動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤。也就是說(shuō)，一旦按一個(gè)鍵或釋放誤認(rèn)為多個(gè)操作，這種情況是不允許的。為了克服由于機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)的誤報(bào)的關(guān)鍵接觸，必須采取的抖措施，可以考慮兩個(gè)方面的硬件，軟件。在一般情況下，按鍵的數(shù)量較

45、少，可以是硬件去抖，按鍵的數(shù)量大，使用軟件去抖。按鈕去抖過(guò)程中檢測(cè)到一個(gè)鍵被按下，應(yīng)推遲15ms到10ms的延時(shí)子程序(贖回)等待一段時(shí)間，然后再確定是否按下一個(gè)鍵時(shí)，如果法官按鈕被按下，按鈕是有效的，如果未按判決按鈕，關(guān)鍵抖動(dòng)或干擾的描述應(yīng)返回來(lái)判斷。真正的鍵盤(pán)被按下之前，相應(yīng)的處理程序，基本鍵輸入，即使進(jìn)一步確定是否一個(gè)鍵釋放。獨(dú)立按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每個(gè)鍵必須占用一個(gè)I / O口線(xiàn)，這樣的浪費(fèi)，最關(guān)鍵的是，I / O口線(xiàn)。為更多更復(fù)雜的系統(tǒng)或關(guān)鍵的矩陣鍵盤(pán)的場(chǎng)合都可以使用。 3×3矩陣鍵盤(pán)3北行和3行線(xiàn)跨結(jié)構(gòu)，位于按鈕的交匯點(diǎn)的行列中，因此，構(gòu)成了9個(gè)按鍵。沒(méi)有連接

46、線(xiàn)的行列的交點(diǎn)，當(dāng)按下按鈕時(shí)，在導(dǎo)行線(xiàn)和列線(xiàn)的交叉點(diǎn)。沒(méi)有鍵被按下時(shí)，在高速狀態(tài)下的排線(xiàn)，當(dāng)一個(gè)鍵被按下，行，列，通過(guò)路口指南，此時(shí)，線(xiàn)，南行的水平列線(xiàn)將連接線(xiàn)和此行的水平?jīng)Q定。這是關(guān)鍵，以確定是否按一個(gè)鍵。然而，在矩陣式鍵盤(pán)的每一行與四柱線(xiàn)線(xiàn)相交，交集的按鈕被按下或不影響行線(xiàn)和列線(xiàn)的關(guān)鍵水平，每個(gè)鍵會(huì)互相影響，重點(diǎn)分析必須是一行行，列線(xiàn)信號(hào)，并妥善處理一起，并確定了封閉的關(guān)鍵位置。3.6.2 鍵盤(pán)電路圖鍵盤(pán)電路，根據(jù)輸液速度的要求，利用它輸入一個(gè)數(shù)值，設(shè)定為預(yù)設(shè)滴速，利用單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。當(dāng)無(wú)按鍵時(shí)，P0.0口到P0.5口輸入是000111，它的行輸入電壓是低電平，高電平觸發(fā)。它的列輸入

47、電壓的高電平，低電平觸發(fā)。有按鍵按下時(shí)，根據(jù)行列電壓的變化得打按鍵所在的行數(shù)和列數(shù)，并進(jìn)行計(jì)算。K=行+列*3.得到輸入的數(shù)值。電路圖如下：圖3-10 鍵盤(pán)電路3.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)k成正比，它的轉(zhuǎn)速n，或線(xiàn)速度v與脈沖頻率f成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速；能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適用采用單片機(jī)控制。2.

48、具體分類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁方式分類(lèi)，可以分為三種：永磁式、反應(yīng)式和混合式(HB)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般為兩相，其轉(zhuǎn)矩和體積較小達(dá)不到本次設(shè)計(jì)的要求；反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動(dòng)都很大，對(duì)輸液過(guò)程都會(huì)造成影響，因此也遭棄用；混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相，本次設(shè)計(jì)采用的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起到至關(guān)重要的作用控制輸液的進(jìn)行。因此小本節(jié)介紹單片機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理可知，這類(lèi)的步進(jìn)電機(jī)一般有三種工作方式：三相單三拍 ABC三相雙三拍 ABBCCA三相六拍 AAB

49、BBCCCA按照上述方式進(jìn)行通電的話(huà)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，當(dāng)按相反方向通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。在本系統(tǒng)中，用單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2分別控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A,B,C相繞組。由控制方式得出以下控制模型，如下三表。表3-8 三相單三拍節(jié)拍通電相控制模型正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制13A0000000101H22B0000001002H31C0000010004H表 3-9 三相雙三拍節(jié)拍通電相控制模型正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制13AB0000000103H22BC0000011006H31CA00000010105H表3-10 三相六拍節(jié)拍通電相控制模型正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制16A000

50、0000101H25AB0000001103H34B0000001002H43BC0000011006H52C0000010004H61CA0000010105H4.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)TB6560AHQTB6560AHQ兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)、溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)，采用HZIP25封裝（尺寸：36.5×17mm），耐壓40V、電流3.5A（峰值）、16細(xì)分，外圍電路簡(jiǎn)單。適配57mm機(jī)座及其以下所有兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖3-11是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。單片機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用編程通過(guò)P2.1到P2.4的輸出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四相八拍驅(qū)

51、動(dòng)邏輯模式。當(dāng)P2.1口輸入111000001,P2.2口輸入000011111,P2.3口輸入100000111,P2.4口輸入001110000時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。反之反轉(zhuǎn)。圖3-11 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)4.1 軟件概述上一節(jié)已經(jīng)介紹了該系統(tǒng)的硬件電路，但只有硬件電路并不能使系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)還需要軟件的設(shè)計(jì)和軟硬件的綜合調(diào)試。由單片機(jī)完成實(shí)時(shí)輸液液面檢測(cè)報(bào)警、輸液滴速監(jiān)測(cè)操作以及整體輸液路線(xiàn)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行，這套系統(tǒng)不僅可以大大減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還能保證輸液穩(wěn)定安全進(jìn)行。因?yàn)橄到y(tǒng)自備報(bào)警功能，所以它能實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)護(hù)處理，從而減

52、少因監(jiān)護(hù)不力而出現(xiàn)的輸液異常事故的發(fā)生。本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的方法，本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的輸液監(jiān)測(cè)軟件包括：光電液面檢測(cè)程序模塊、光電檢測(cè)報(bào)警程序模塊、光電滴速檢測(cè)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、按鍵掃描和LCD顯示模塊等。使用C語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)功能：醫(yī)護(hù)人員可以根據(jù)病情和輸液溶液的成分，通過(guò)鍵盤(pán)輸入預(yù)定的輸液過(guò)程中所需要的輸液速度，由輸液系統(tǒng)自動(dòng)完成滴速數(shù)據(jù)的采集和處理，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后自動(dòng)完成液面的檢測(cè)和處理。再醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理好狀況后能進(jìn)行復(fù)位，并能直接用于下一輪的輸液治療。C語(yǔ)言調(diào)試環(huán)境介紹本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)工具，并通過(guò)Keil 軟件進(jìn)行

53、程序的編譯及調(diào)試。Keil 是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列單片機(jī)的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境。Keil 軟件中提供了豐富大量的庫(kù)函數(shù)和功能齊全的集成開(kāi)發(fā)工具uVision4，uVision4全是Windows經(jīng)典界面，操作方便。Keil 生成目標(biāo)的HEX文件效率非常之高，而且格式清晰，易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)Keil環(huán)境更能體現(xiàn)自身的優(yōu)勢(shì)。與匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是可讀性上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。將Keil軟件壓縮包從網(wǎng)上下載后，就可以了安裝。在安裝完成之后對(duì)程序進(jìn)行編輯、編譯。(1)在啟動(dòng)uVision4后，界面如圖4-1所示。圖4-1 啟動(dòng)界面(2)在File(文

54、件)菜單里選擇New(新建)命令，則在下面的灰色框中打開(kāi)一個(gè)如“記事本”一樣的編輯窗口。在工作區(qū)的代碼編輯窗口里輸入編寫(xiě)的代碼，并把編寫(xiě)好的代碼保存在一個(gè)文件夾中，這里文件擴(kuò)展名一定要保存為.c格式，如圖4-2所示：圖4-2 新建界面(3)新建一個(gè)工程。在Project(工程)菜單里選擇New Project(新建工程)命令，則出現(xiàn)創(chuàng)建新工程對(duì)話(huà)框，如圖4-3所示：圖4-3 新建工程界面選擇好工程名稱(chēng)后保存，習(xí)慣上工程的名稱(chēng)與保存的C51文件名一致。在單擊“保存”按鈕時(shí)，立刻回出現(xiàn)51系列CPU類(lèi)型庫(kù)對(duì)話(huà)框，用來(lái)選擇這個(gè)工程所采用的51系列CPU型號(hào)，如圖4-4所示：圖4-4 選擇單片機(jī)型號(hào)選

55、擇CPU后，單擊“確定”按鈕，一個(gè)工程就建立好了，這時(shí)，新建立的工程出現(xiàn)在工程窗口中。右擊工程工作區(qū)里的源代碼組，選擇Add Files toGrouP Source GrouP 1(把文件加入到源代碼組)命令，把剛保存的C51程序源代碼加入到新建工程中。這時(shí)就可以對(duì)編寫(xiě)的源程序進(jìn)行編譯和調(diào)試.如以上輸入的代碼調(diào)試結(jié)果如圖4-5所示:圖4-5 編譯和調(diào)試界面(4)在工程窗口中右擊Target1,在彈出的快捷菜單中選擇OPtion for TargetTarget 1。在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中的“輸出”選項(xiàng)卡中，選擇“建立HEX文件”復(fù)選框，這樣在編譯文件時(shí)，會(huì)輸出相應(yīng)HEX文件，如圖4-6所示：圖4-6 編譯界面(5)在源文件目錄下，可以看到編譯生成的HEX文件，將HEX文件寫(xiě)入單片機(jī)中，就可以進(jìn)行仿真和調(diào)試，如圖4-7所示。圖4-7 仿真和調(diào)試界面4.2 軟件設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中主要有兩大主要模塊：液面檢測(cè)報(bào)警模塊，滴速檢測(cè)控制模塊。下面主要介紹這兩大模塊的程序設(shè)計(jì)：(一)液面檢測(cè)報(bào)警模塊系統(tǒng)對(duì)液面位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到液面低于警戒線(xiàn)