基于单片机的输液滴速控制系统的设计(共27页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上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

2、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 ComputerAbstractWith 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 meas

3、ure 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 hardwa

4、re structure , and direct against and use the software of targets 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, comp

5、limented by stepper motordrive, 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:

6、 one-chip computer; drive; keyboard; Photoelectric目 录专心-专注-专业第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

7、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。1.3 MCS-51单片机的基本组成在一块小芯片上集成了

8、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

9、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，能动态显示点滴速度（滴/min）。2)通

10、过改变控制点滴速度，如图2-1所示，或通过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20150滴/min，控制误差范围设定值(101)滴。3)调整时间3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。4)当降到警戒值(23cm)时，能发出报警信号。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

11、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(23cm)时或者滴速低于或高于要求控制的范围(2015

12、0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

13、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。44 键

14、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。显示器AT89C52键盘声光报警电路RS2

15、32串行通讯接品芯片从站1#从站16#a) 显示器AT89C52键盘声光报警电路电机驱动电路电机储液瓶速度检测电路液面检测电路RS232串行通讯接口芯片主站b)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MN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168=128个点组成，屏上6416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000H00FH的16字节的内容决定，当(00

16、0)=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68或88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HD612

17、02）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3-1 MGLS12864液晶显示模块接口定义序号符号状态功能1GSA输入片选A2GSB输入片选B3GND电源地4VCC逻辑电源正5V0液晶显示驱动电源6D/I输入寄存器选择信号7R/W输入读/写选择信号8E输入使能信号9DB0三态数据总线（最低位）10DB1三态数据总线11DB2三态数据总线12DB3三态数据总线13DB4三态数据总线14DB5三态数据总线15DB6三态数

18、据总线16DB7三态数据总线（最高位）MGLS12864液晶显示接口信号中的两片选信号组合如表3-2所示表3-2MGLS12864液晶显示选信号组合GSAGSBMGLS1286400禁止使用01左区10右区11未选本系统采用P0口作为液晶显示器数据输入信号，P2.0P2.2分别为寄存器选择信号、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C9。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型号检测距离电源特性BYD30-DDT,DDT-T,S

19、1030mm12-24VDCNPN OPEN COLLECTOR OUTPUTBM200-DDT200mm12-24VDCNPN OPEN COLLECTOR 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。脉冲 TUVrefVbas图3-2脉冲波形图图

20、 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

21、，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。 开始系统初始化按键解释和设定系统标志读标志准备接受从站数据声光报警及显示处理读标志准备发送主站数据返回图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。开始PLAY=1?定时200sP2.

22、7清零输出驱动故障机和蜂鸣器发出声光报警清除标志返回P2.7置1输出 驱动正常灯点亮YN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P1口方向功能P1口方向功能P1.0输出步进电动机驱动信号A1P1.4未用P1.1输出步进电动机驱动信号A2P1.5未用P1.2输出步进电动机驱动信号A3P1.6未用P1.3输出步进电动机驱动信号A4P1.7未用表4-2单片机与8279的连接关系AT89C52单片机管脚8279管脚P0.0P0

23、.7D0D7P3.6()P3.7()RST（9脚）RSTALE(30脚)CLKP2.0IRQP2.1CSP2.2A0表4-3其它I/O口定义P3.2输入滴速检测输入端P2.7输出声光报警输出端P3.3输入液面检测输入端2）内存空间地址分配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ROMRAM0000H复位地址入口4HF7FH命令状态区，特定数据缓冲区0003H外部中断源0000BH定时中断源020H4FH结果数据区0013H外部中断源100H1FH数据暂存区001BH定时中

24、断源160H7FH堆栈区0023H串行口中断2000H及以上功能程序3）从站总体流程设计由于系统程序较大，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 从站整体流程图开始系统初始化键扫描键识别显示读中断标志0读中断标志1读发送标志读接收标志读电机控制标志键处理置标志显示加1点滴速度与设定点滴速度相比较置电机控制标志置报警标志标志清0液面高度与设定液面高度相比较置报警标志标志清0发送信息发送标志清0读取信息标志清0置发送标志控制电机升降返回结 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

25、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

26、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，2004：34462 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，2001：23273 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，2003：37404 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，2003：23485 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，2001：50626 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

27、胡锦等编著单片机技术实用教程高等教育出版社，2003：41478 罗伟雄等编著通信原理与电路北京理工大学出版社，2001：23319 IAR SystemM SP430 C Complier Programming Guide Dallas TX：TI，1996:455710 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，1998：153611 刘国荣主编单片微型计算机技术机械工业出版社，1996：214712 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，2003：335213 刘大茂主编单片机原理及应用上海交通大学出版社,2001：233914 张振荣主

28、编MCS-51单片机原理及使用技术人民邮电大学出版社，2000：112515 李建忠编著单片机原理及应用西安电子科技大学出版，2002：3549附 录附录A键盘显示程序*键盘显示程序*PORT1 REG P1PORT2 REG P0 ORG 0000H JMP MAIN ORG 0030HMAIN: MOV SP,#5FH MOV PORT2,#0FFFHLOOP: 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

29、 ;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 LOOPKEYYIN: MOV R2,A CALL DELAY1NOPEN: MOV A,PORT1 ORL A,#0F0H CJNE A,#0FFH,NOPEN CALL DELAY1 CALL TRANF CALL CHANG MOV PORT2 ;扫描码从P0输出 JMP LOOPDELAY1: MOV R7,#30 ;延时1秒子程序 MOV R6,#0$1: DJNZ R6,$ DJNZ R7,$1 RETTRANF: MOV B,

30、#0 MOV A,R1C1: RC AJNC C2INC B INC B INC BINC B JMP C1C2: MOV A,R2RR ARR ARR ARR AC3: RR AJNC C4INC BJMP C3C4: MOV A,BRETCHENG: INC AMOVC A,A+PCRETDB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0HDB 99H,92H,82H,83HDB 80H,90H,88H,83HDB 0C6H,0A1H,86H,8EHEND附录B报警程序*报警程序*BELL: JB FLAG,NEXT0 ;标志位为1,转NEXT0 JNB FLAG,NEXT1 ;标志位为0,转NE

31、XT1NEXT0: SETB P2.7;置高电平输出，点亮LEDNEXT1: MOV R2,#200DV: CLR P2.7 ;置低电平输出，驱动三极管发出光并报警 LCALL DELY500 DJNZ R2,DV CPL FLAGSJMP STARTDELY500: MOV R7,#250 LOOP: NOP DJNZ R7,LOOP RETEND附录C滴速与液面检测显示程序* 检测滴速和液面程序*ORG 0000H JMP START ORG 0003H ；键盘中断子程序起始地址JMP KEY ORG 001BH ；液完报警中断子程序起始地址 JMP BELL ORG 0013H ；人为报

32、警中断子程序起始地址 JMP BELL ORG 0023H ；串行通讯中断子程序起始地址 JMP CRXDSTART:MOV 20H,#00H ；保存滴速实际值 MOV 21H,#00H ；保存滴速设定值 JNB P2.7,START1 MOV 21H,#80 ；设定经验（系统默认）滴速为80滴/分START1: MOV SP,#80 ；设堆栈 MOV TMOD,#B MOV TL0,#FFH ；给T0寄存器赋初值FFH，以接受中断 MOV TH0,#FFH SETB TR0 ；启动T0，准备接收中断 MOV TL0,#00H ；清空T1寄存器赋，以便对滴速进行计数 MOV TH0,#00H

33、SETB TR1 ；开始对滴速脉冲计数 MOV IE,#B ；开中断允许 MOV TCON,#B ；设定INT0为下降沿触发 MOV R1,#60 ；定时250毫秒，用于测定滴速 SHJI:MOV R2,#250 D1 :MOV R3,#248 DJNZ R3,$ DJNZ R2,D1 DJNZ R1,SHJI CLR TR0 ；定时时间到，停止计数 MOV A,TH0 ；保存滴速，先读取高8位 JZ LLL1 MOV 20H,#150H ；否则如滴速大于150滴/分，则报警， CALL BELL ；调用报警子程序 JMP LLL2 LLL1:MOV A,TL0 ；检测滴速是否处于警戒范围内

34、CLR C SUBB A,22H ；22H为保存滴速最大警戒值单元 JNC WARN ；滴速大于最大警戒值，则报警 JMP LLL2 CLR C MOV A,TL0 SUBB A,#23H ；23H为保存滴速最小警戒值单元 JC WARN ；滴速小于最小警戒值，则报警 MOV 20H,TL0LLL2：CALL S_BINBCD ；将滴速数值转化为BCD码，以供显示 CALLDISP ；调用显示子程序，显示滴速实际值 MOV A,20H SUBB A,21H ；21H为保存滴速设定值单元 JZ START ；实际滴速=设定滴速，则返回 MOV B,#m PUSH PSW MUL A,B MOV

35、R4,A ；保存乘积的低8位 MOV A,B JZ JUDG MOV R4,#255 ；如果高8位不为0，即步数大于255， ；则设定本监控周期最大转动步数为255 JUDG:POP PSW JC REV FOR :MOV R0,#00H ；否则C=0，正转，正转取码指针初值 START2: MOV A,R0 ；取码指针载入A MOV DPTR,#BU_TABLE ；数据指针指到BU-TABLE MOV A,a+BU-TABLE ；至BU-TABLE取值 JZ FOR ；取到结束码，跳至FOR CPL A MOV P2,A ；将取到的码输出到P2口 CALL DELAY ；20毫秒延时（速度）

36、 INC R0 ；取码指针加1，取下一个码 DJNZ R4,START2 JMP START REV: MOV R0,#05H ；反转取码指针初值START3: MOV A,R0 MOV DPTR,#BU_TABLE MOV A,A+DPTR JZ REV ；取到结束码00H，则跳至REN CPL A MOV P2,A CALL DELAY ；延时20毫秒 INC R0 DJNZ R4,START3 ；未走完步数，则继续 JMP START致 谢经过几个月的努力，毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中，学到很多有用的知识，也积累了不少宝贵的实践经验。在论文的写作过程中，指导老师段瑞珍老师无比细心、无私无求的给予我很多的帮助，没有段老师的指导和同学的帮助，论文无法顺利完成。在此我真诚的感谢他们。同时，我还要感谢同组的同学们，他们也给予了我很大的帮助，向他们表示深深的谢意。谨向在百忙中抽出宝贵时间评审我的论文的各位老师致以真挚的感谢。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有很多可敬的师长、同学、朋友给了我许多的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！