基于單片機輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、摘 要 輸液是醫(yī)院常用的治療手段，傳統(tǒng)輸液過程中存在著輸液速度不精確，需要人工監(jiān)護等弊端。本文設計了一種以C8051F410單片機為核心的布線式輸液監(jiān)控系統(tǒng)用以解決此問題。系統(tǒng)通過RS-485接口實現(xiàn)有線通信與監(jiān)控，具有液滴檢測，液滴速度調(diào)控，報警等功能。采用紅外傳感器技術檢測液滴和輸液高度，單片機用以實現(xiàn)輸液速度計算和顯示，通過查詢鍵盤，將實時設定的點滴速度值與實際輸液速度進行比較，來控制步進電機調(diào)節(jié)輸液瓶高度，從而控制點滴速度，輸液結(jié)束或異常時自動報警提示。 關鍵詞: 輸液監(jiān)控；單片機；液滴檢測；速度調(diào)控 ABSTRACT Infusion as a treatment is common

2、ly used in hospital. During the traditional transfusion, the rate of infusion is imprecise, it also requires manual monitoring and exists other defects. This paper design a cabling type system which using C8051F410 single-chip as its core to solve above-mentioned problems.This system through the RS-

3、485 interface to achieve communication and monitoring, It has many functions, such as testing the drop, controlling the speed of drop and alarm functions. Using infrared sensors to detect a liquid drop and the height of liquid medicine, the micro-controller achieve to calculate and display the speed

4、 of drop.From querying the keyboard in real time to read the value of the set rate, the system compares the set rate with the actual infusion rate to control the stepper motor running to adjust the infusion bottles height, and thus control the rate of drop.When the infusion is ending or abnormal,the

5、 system will start the alarm program.KEYWORD: infusion monitor; single-chip;speed detection;speed control II目 錄摘要ABSTRACT第1章 引言1 1.1 課題背景1 1.2 課題研究的目的和意義1 1.3 論文的組織結(jié)構(gòu)2第2章 系統(tǒng)總體設計3 2.1 系統(tǒng)整體框圖3 2.2 C8051F410單片機介紹3第3章 系統(tǒng)硬件設計5 3.1 方案論證5 3.1.1液滴速度檢測方案5 3.1.2液位檢測方案5 3.1.3速度控制方案5 3.1.4電機選擇及控制方案6 3.1.5鍵盤顯示單元

6、6 3.2 模塊的硬件設計7 3.2.1系統(tǒng)的組成單元7 3.2.2 通信接口電路設計8 3.2.3液滴信號檢測模塊8 3.2.4鍵盤及顯示模塊8 3.2.5聲光報警模塊13 3.2.6電動機驅(qū)動模塊13第4章 系統(tǒng)軟件設計14 4.1 軟件設計框架14 4.2 芯片主要寄存器介紹16 4.2.1 PCA計數(shù)器/定時器16 4.2.2 PCA捕捉/比較模塊16 4.2.3 PCA控制寄存器17 4.3 算法分析與實現(xiàn)18 4.3.1 電動機的轉(zhuǎn)速18 4.3.2 蜂鳴器音頻和音量20 4.3.3 滴速的檢測21 4.4 測試結(jié)果與分析22 4.4.1 測試方案22 4.4.2 主要測試結(jié)果23

7、 4.4.3 測試結(jié)果分析23結(jié)論24參考文獻25附頁26第1章 引言1.1 課題背景 上世紀90年代至今，國內(nèi)外相關的專家積極探索，輸液監(jiān)控系統(tǒng)一直在不斷改進。在國內(nèi)：09年張婉姣申請了一種輸液監(jiān)控報警器的專利：包括光源發(fā)射器、光源接收器、電源模塊、控制器和報警電路，光源發(fā)射器和光源接收器要對應設置，光源接收器輸出端連接到控制器的信號輸入端，控制器的信號輸出端連接到報警電路的信號輸入端1。該輸液監(jiān)控報警器在輸液出現(xiàn)不正常時或瓶內(nèi)液滴快要滴完的時候會進行聲光報警。該輸液監(jiān)控報警器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、報警準確率高等。缺點：功能較少。徐鳳霞等人利用MCS-51系列單片機與電力線載波芯片結(jié)合其

8、他軟件、硬件開發(fā)出病區(qū)輸液遠程監(jiān)控系統(tǒng)。劉世平等人研制的輸液智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時在病房和護士站發(fā)出聲光報警，且在報警的同時自動停止輸液。另外，在護士工作站可以顯示該病床的輸液的相關信息。在國外：在40世紀80年代就開始有研究。德國、韓國、美國、日本等發(fā)達國家都進行了輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究，目前對輸液泵的研究有較大成就2。輸液泵的功能齊全，操作方便，安全性高，但是價格比較昂貴。其應用在我國國內(nèi)醫(yī)院鮮有應用。 基于單片機的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計的課題研究，是為了在借鑒前人經(jīng)驗的基礎之上，努力設計出性價比較高的輸液監(jiān)控系統(tǒng)。1.2 課題研究的目的和意義 目前，臨床治療上的靜脈輸液的輸液過程存在安全隱患，它主要

9、面臨著兩個問題。一是輸液速度問題。在醫(yī)院，輸液速度的調(diào)節(jié)一般由醫(yī)院護士或者病人通過旋轉(zhuǎn)輸液滴管上的機械滑輪，目測出大概速度，效率不高3。在長時間的輸液過程中，護士需要保持緊張情緒對病人進行管理和監(jiān)督，工作強度大。對于患者來說，在護理人員忙碌的時候須時刻關注自己的輸液情況，得不到休息而影響治療效果。二是可能出現(xiàn)靜脈血回流。有時護理人員因為其他原因沒有及時回來處理或者病人太累沒有注意到，結(jié)果造成靜脈血回流的情況，對患者造成心靈上和身體上的傷害。總之，傳統(tǒng)的人工輸液監(jiān)護形式弊端很多，克服目前輸液過程中時間浪費、精力浪費、服務水平低下等弊端，需要研制輸液監(jiān)控系統(tǒng)，對患者的輸液過程進行自動化監(jiān)控。1.3

10、 論文的組織結(jié)構(gòu)第1章 主要介紹了輸液點滴監(jiān)控系統(tǒng)的背景與研究意義，本課題的主要工作和內(nèi)容以及本文的組織結(jié)構(gòu)。 第2章為系統(tǒng)的總體設計。 第3章為系統(tǒng)硬件設計，主要進行了系統(tǒng)方案論證，介紹了硬件結(jié)構(gòu)的設計方法。包括通信接口單元，C8051F410單片機最小系統(tǒng)、點滴信號檢測單元、鍵盤與顯示單元、聲光報警單元、電動機模塊單元。 第4章為系統(tǒng)軟件設計。先介紹系統(tǒng)從站工作的主要流程，說明系統(tǒng)中用到的幾個比較重要的寄存器，再分塊介紹了部分軟件的算法與實現(xiàn)，包括PCA捕捉模塊、電動機模塊、聲光報警模塊。 第5章為結(jié)論。 第6章為參考文獻。 33第2章 系統(tǒng)總體設計2.1 系統(tǒng)整體框圖根據(jù)前面的系統(tǒng)分析，

11、本文基于C8051F410的輸液監(jiān)控系統(tǒng)主要模塊有：輸液信號采集單元、聲光報警單元、電動機單元、按鍵顯示單元、通信單元和單片機外圍電路等。輸液信號采集單元將采集到的信號經(jīng)過整形后發(fā)送給單片機，經(jīng)單片機處理后在鍵盤上顯示計算所得的液滴滴速并將其與所設定的值進行比較來控制電動機的正反轉(zhuǎn)。從站系統(tǒng)框圖如圖2-1。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2.2 C8051F410單片機介紹 C8051F410是一款完全集成的低功耗混合芯片上系統(tǒng)型MCU。它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器核（可達50MIPS），高精度可編程的24.5MHZ內(nèi)部振蕩器，可達32KB的片內(nèi)FLASH存儲器，2304字節(jié)的片內(nèi)RA

12、M，4個通用的16位定時器，6個捕捉/比較模塊和帶看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），硬件CRC引擎，溫度傳感器，片內(nèi)電壓比較器，且擁有多達24個I/O端口。 具有片內(nèi)上電復位，VDD監(jiān)視器，看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F410是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。 C8051F410片內(nèi)Silicon Labs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)

13、調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。C8051F410單片機最小系統(tǒng)如下圖所示：圖2-2 C8051F410單片機最小系統(tǒng)第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1 方案論證3.1.1 點滴速度檢測方案 方案一 ：采用電感式傳感器測量點滴速度。在輸液器的漏斗外圍繞線圈作為敏感元件。當液滴滴下時電感量發(fā)生變化，通過LC振蕩電路后輸出變化的頻率值，經(jīng)過F/V變換電路及電壓比較后輸出TTL電平信號來檢測點滴速度。此方案測量精度比較高，但是外圍電路比較復

14、雜。方案二：采用紅外對管發(fā)射接收。采用斷續(xù)式的工作方式，在點滴落下時阻擋了接收管接收紅外線，產(chǎn)生高電平的脈沖信號。為了提高抗干擾能力，可以采用兩對紅外傳感器一發(fā)一收，而不是只用一只傳感器以反射式狀態(tài)工作。紅外傳感器有以下優(yōu)點：尺寸小、質(zhì)量輕，安裝在滴斗上較簡單。它對輔助電路要求少，在近距可以用直流發(fā)射，電路簡單，性能穩(wěn)定。方案二簡單，較容易實現(xiàn)，而且使用了非接觸式光學測量方法，避免了交叉感染7，因此采用此方法。 3.1.2 液位檢測方案方案一：同點滴速度測量模塊，仍然采用紅外對管發(fā)射接收。根據(jù)該接收管收到的光強的大小來判斷液位是否達到警戒水位。利用光在不同媒介界面的折射或反射原理，通過光電傳感

15、器來接受光信號實現(xiàn)液面檢測功能。此外，紅外線對射管安裝方便，只需將其固定在輸液瓶外壁上即可，不需要詳細計算儲液瓶液面的高度，簡化了外圍電路結(jié)構(gòu)。方案二：采用拉力傳感器檢測。將拉力傳感器接在滑輪與輸液瓶之間，利用液面高度變化和拉力變化之間的線性關系進行間接測量，但是拉力傳感器價格高，從實用性考慮效果不佳。方案三：用測定電容的方法來檢測。在瓶壁上用兩塊薄金屬箔包裹構(gòu)造出一個電容。根據(jù)電容中的介質(zhì)不同，可以確定是否達到警戒水位。此數(shù)據(jù)可以由實驗中得出。綜合比較上面上中方法，從實用，簡便同時保證測量精確度上，使用紅外線模塊測量液面高度是理想的選擇。 3.1.3 速度控制方案方案一：通過改變輸液瓶的高度

16、來調(diào)節(jié)點滴的速度。由電動機帶動儲液瓶使儲液瓶緩慢平穩(wěn)地上升或下降來改變受液瓶的高度，從而調(diào)節(jié)點滴速度。方案二：通過控制滴速夾的松緊來控制點滴的速度。不過滴速夾用于大范圍地調(diào)節(jié)滴速，而且存在很多因素，例如橡膠粘度與液體粘度，輸液管受擠壓后的恢復情況等等，這些都是非線性控制量，因此其移動距離，移動阻力等參數(shù)難于計算，用機電系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為困難，比較適用于粗調(diào)。方案一調(diào)節(jié)方法簡單，容易實現(xiàn)，其硬件連接如圖3-1。 圖3-1 電動機控制輸液瓶模型3.1.4 電機選擇及控制方案常用的電機主要有以下幾種：直流電機、步進電機、伺服電機。方案一：直流電機上電即可轉(zhuǎn)動，掉電后慣性較大，停機時還會轉(zhuǎn)動一定角度后才

17、可停止，如果要求準確控制其轉(zhuǎn)動的角度，其閉環(huán)算法比較復雜，系統(tǒng)硬件也會相應麻煩。 方案二：伺服電機的機械特性較好，輸出功率大，啟動轉(zhuǎn)矩大，驅(qū)動電路簡單，正反轉(zhuǎn)控制容易且有抱死功能，但有由于其實際價格偏高，不適合普遍使用。方案三：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行元件8。步進電機轉(zhuǎn)矩相對直流電機大，控制精度比較高，其步進轉(zhuǎn)過的一個角度也固定，適用于較精確的測量，這可有效提高輸液速度的控制精度。因此，電機選用步進電機最佳。3.1.5 鍵盤顯示單元滴速的大小要由人工設定，滴速的設定值與實際值也都必須在鍵盤上顯示。方案一：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤。液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無輻

18、射危險、平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、抗干擾能力強等特點。但由于只需顯示三位速度值，信息量比較少，用LCD顯示成本相對偏高。方案二：采用8位LED七段數(shù)碼管顯示點滴數(shù)目。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對外界環(huán)境要求較低。同時數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。本設計采用TM1639外部擴展芯片，通過三個端口便可實現(xiàn)了鍵盤和LED顯示功能，節(jié)省并預留了端口來進行功能優(yōu)化。3.2 模塊的硬件設計3.2.1 系統(tǒng)的組成單元系統(tǒng)主要有5個單元構(gòu)成，分別是C8051F410單片機最小系統(tǒng)、紅外線檢測單元、步進電機單元、聲光報警單元、鍵盤

19、及顯示單元，如圖3-2所示。 圖3-2 系統(tǒng)組成單元3.2.2 通信接口電路設計因為PC機RS232串口采用的是RS232傳輸協(xié)議，它的高低電平分別為-l2V和+12V，與單片機的電平不一致，所以不能將PC機和單片機用電纜直接進行連接，在PC機和單片機之間必須增加一個RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換電路，即通信接口電路通常選擇專用的RS232接口電平轉(zhuǎn)換集成電路，如MAX232、HIN232等，NIH232和MAX232可以直接互換。這里選用NIH232CP芯片來完成串口接口電路 。圖3-1 通訊接口電路3.2.3 點滴信號檢測模塊此單元模塊用來檢測是否有液滴滴下，其傳感器部分采用紅外對射器。紅外對

20、射傳感器是由紅外發(fā)射管和接收管組成的，它的主要功能是實現(xiàn)電紅外線電的轉(zhuǎn)換。其基本原理是以光電效應為基礎，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。當有液滴滴落要經(jīng)過光源和光電接受器件之間時，光線會發(fā)生折射和散射，導致光電接收器件接收不到光信號，這時光電器件輸出一個電平跳變。由于紅外光波長比可見光長，敏感波長為0.76m1.5m附近，受可見光影響較小，其紅外系統(tǒng)也具有尺寸小，重量輕，易于安裝等優(yōu)點，因此它是檢測液滴滴速的首選傳感器。3.2.4 鍵盤及顯示模塊此系統(tǒng)使用的鍵盤與顯示單元都是通過TM1639擴展后再連接到單片機上。TM1639是帶鍵盤掃描接口的LE

21、D（發(fā)光二極管顯示器）驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅(qū)動、鍵盤掃描等電路，其硬件原理圖如圖3-3。它主要應用于冰箱、空調(diào) 、家庭影院等產(chǎn)品的高段位顯示屏驅(qū)動和鍵盤掃描。 圖3-3 TM1639管腳定義GR1GR8，分別是8個位輸出接口SEG1SEG4，SEG9SEG12分別是8個段輸出接口，其中SEG1SEG4也用作鍵掃描K0K1是鍵掃描數(shù)據(jù)輸入端VDD接邏輯電源GND接邏輯地DIO是串行通訊接口的數(shù)據(jù)輸入/輸出口,在時鐘上升沿輸入/輸出串行數(shù)據(jù)，從低位開始。CLK是串行通訊接口的數(shù)據(jù)時鐘輸入接口。STB為串行通訊接口的數(shù)據(jù)的片選接口，在上升或下降沿初始

22、化串行接口，隨后等待接收指令。STB為低后的第一個字節(jié)作為指令，當處理指令時，當前其它處理被終止，當STB 為高時，CLK 被忽略。經(jīng)過譯碼，取最高B7、B6兩位比特位以區(qū)別不同的指令，當他們?yōu)?1時為數(shù)據(jù)命令指令，如下表3-1所示，10時為顯示控制命令設置，11時為地址命令設置；CLK為時鐘輸入口，在上升沿輸入/輸出串行數(shù)據(jù)。 表3-1 TM1639數(shù)據(jù)命令指令 TM1639與控制器通過三線串口進行數(shù)據(jù)傳輸，讀取和接收數(shù)據(jù)時序分別見圖3-4（a）和圖3-4（b），可以看出，讀取和接收1個BIT都在時鐘的上升沿操作，讀取/寫入數(shù)據(jù)，均按照從低位地址到高位地址，從字節(jié)的低位到高位操作。（需要注意

23、：讀數(shù)據(jù)時，從串行時鐘CLK的第8個上升沿開始設置指令到CLK下降沿讀數(shù)據(jù)之間需要一個等待時間Twait。） 3-4（a）數(shù)據(jù)接收時序圖 3-4 (b) 數(shù)據(jù)讀取時序圖 TM1639擴展后，其硬件原理圖如圖3-5所示。 圖3-5 TM1639硬件原理圖 一般來說，多個數(shù)碼管的連接并不是把每個數(shù)碼管都獨立的與可編程邏輯器件連接，而是把所有的LED管的輸入連在一起。這樣做的好處有兩點：一是節(jié)約了器件的IO口；其二是降低了功耗。每次向LED寫數(shù)據(jù)時，通過片選選通其中一個LED，然后把數(shù)據(jù)寫入該LED管，因此每個時刻只有一個LED管是亮的。為了能持續(xù)看見LED上面的顯示內(nèi)容，必須對LED管進行掃描，即

24、依次并循環(huán)地點亮各個LED管。利用人眼的視覺暫停效應，在一定的掃描頻率下，人眼就會看見好幾個LED一起點亮。每個LED的功耗較大，如果所有的LED一起點亮，其功耗較大。利用掃描的方式，每個時刻只有一個LED管是亮的，可以大大的減少功耗。掃描頻率大小不許合適才能有很好的效果。如果太小，而每個LED開啟的時間大于人眼的視覺暫停時間，那么會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。而掃描頻率太大，則會造成LED的頻繁開啟和關斷，大大增加LED功耗（開啟和關斷的時刻功耗很大）。一般來說，掃描頻率選在50Hz比較合適。 3.2.5 報警模塊當傳感器檢測到液位低于預設值或傳感器檢測不到有液滴滴落時，單片機控制蜂鳴器，在發(fā)出聲光報警的

25、同時向主站發(fā)出報警信息。壓電式蜂鳴器工作時約需10mA的驅(qū)動電流，由于單片機輸出信號不能直接驅(qū)動蜂鳴器，因此外接驅(qū)動電路。如下圖所示，蜂鳴器作為三極管Q2的集電極負載，當Q2導通時，蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲；Q2截止時，蜂鳴器不發(fā)聲，R4是限流電阻。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此使用推挽式輸出來驅(qū)動蜂鳴器。我們可以通過改變單片機P03引腳輸出波形的頻率來調(diào)整控制蜂鳴器音調(diào)，產(chǎn)生不同音色，音調(diào)的聲音。另外，通過改變輸出波形高電平的占空比，則可以調(diào)整蜂鳴器的

26、聲音大小。在實際應用中，如果設定的滴速過高，輸液瓶上升到支架頂部時，仍達不到設定的滴速，輸液瓶繼續(xù)上升有可能會拉倒支架，造成危險。所以在支架的頂部安裝一個紅外探測器，如檢測到輸液瓶上升到支架頂部，則發(fā)出信號，通知單片機控制電機停轉(zhuǎn)，同時發(fā)出聲光報警并向主站發(fā)送報警信號。另外，在檢測到的輸液速度過低時或者輸液即將結(jié)束的時候也會發(fā)出報警信號。3.2.6 電動機驅(qū)動模塊步進電機由單片機產(chǎn)生脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路變換、放大后輸入步進電機?？刂齐娐访堪l(fā)一個脈沖，驅(qū)動電路則驅(qū)動步進電機走一步，這種控制方式叫脈沖控制型。單片機輸出控制三極管通斷來給步進電機驅(qū)動信號。其中驅(qū)動器中通過光耦來進行隔離。驅(qū)動步進電機采用

27、24V供電，而控制電路采用5V供電。CP為脈沖輸入信號，每給一個脈沖，電機便會走一步，如果停止給CP的脈沖輸入，則步進電機便會立即停止工作。單片機首先通過設定值和現(xiàn)有值的差值判斷出電機的轉(zhuǎn)動方向，然后發(fā)出相應的脈沖，調(diào)整輸液瓶高度，因此，可以通過步進電機準確的控制輸液瓶的高度。而CW為正反轉(zhuǎn)控制信號，通過控制CW來控制電機使輸液瓶正反轉(zhuǎn)。整個電機驅(qū)動模塊如圖3-5。圖3-6 電動機硬件原理圖 第4章 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計框架 圖4-1 主程序流程圖 主程序功能:它對一系列寄存器進行初始化，其中包括PCA控制寄存器，PCA方式寄存器，中斷寄存器，內(nèi)部振蕩器控制寄存器，計數(shù)器/定時器控制寄

28、存器，端口I/O交叉開關控制寄存器。在其循環(huán)程序中主要進行顯示滴速（實際滴速與設置滴速），鍵盤查詢，判斷與設置滴速與實際滴速之間的關系從而控制電動機正反轉(zhuǎn)，另外循環(huán)程序中還要判斷是否有報警信號，如果有則要使發(fā)光二極管發(fā)光，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，停止電動機工作。主程序的功能流程圖如圖4-1。 系統(tǒng)中還包括兩種中斷，分別是PCA中斷，定時器中斷。 PCA中斷：PCA包括兩個中斷，用于統(tǒng)計兩滴液滴滴下時它們之間的時間間隔，因此它可以用來計算的液滴的滴速。定時器中斷：本系統(tǒng)共有2個定時器中斷，用來形成固定頻率的脈沖來供給電動機和蜂鳴器使用。4.2 芯片主要寄存器介紹信號的采集是系統(tǒng)工作的前提，也是保證系統(tǒng)準

29、確性最初始的一步，如果采集到的信號能夠準確有效，將使整個裝置的可靠性得到提高。當有液滴滴落時，紅外接受傳感器會傳過來一個上升沿脈沖，系統(tǒng)采集液滴信息時就是檢測上升沿和上升沿之間的間隔時間。這主要用到了PCA捕捉模塊和PCA計數(shù)器/定時器寄存器。4.2.1 PCA計數(shù)器/定時器 16位的PCA計數(shù)器/定時器由兩個8位的SFR組成：PCA0L和PCA0H。PCA0H是16位計數(shù)器/定時器的高字節(jié)（MSB），而PCA0L是低字節(jié)（LSB）。在讀PCA0L時，“瞬象寄存器”自動鎖存PCA0H的值，隨后讀PCA0H時將訪問這個“瞬象寄存器”而不是PCA0H本身。先讀PCA0L寄存器可以保證正確讀取整個1

30、6位PCA0計數(shù)器的值。讀PCA0H或PCA0L不影響計數(shù)器工作。PCA0MD寄存器中的CPS2-CPS0位用于選擇PCA計數(shù)器/定時器的時基。當計數(shù)器/定時器溢出時（從0xFFFF到0x0000），PCA0MD中的計數(shù)器溢出標志（CF）被置為邏輯1并產(chǎn)生一個中斷請求（如果CF中斷被允許）。將PCA0MD中ECF位設置為邏輯1即可允許CF標志產(chǎn)生中斷請求。當CPU轉(zhuǎn)向中斷服務程序時，CF位不能被硬件自動清除，必須用軟件清除。注意，要使CF中斷得到響應，必須先總體允許PCA0中斷。通過將EA位（IE.7）和EPCA0位（EIE1.4）設置為邏輯1來總體允許PCA0中斷。清除PCA0MD寄存器中的

31、CIDL位將允許PCA在微控制器內(nèi)核處于空閑方式時繼續(xù)正常工作。4.2.2 PCA捕捉/比較模塊 芯片有6個捕捉模塊，每個模塊都可被配置為獨立工作，有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位脈寬調(diào)制器和16位脈寬調(diào)制器。每個模塊在CIP-51系統(tǒng)控制器中都有屬于自己的特殊功能寄存器（SFR），這些寄存器用于配置模塊的工作方式和與模塊交換數(shù)據(jù)。 PCA0CPMn寄存器用于配置PCA捕捉/比較模塊的工作方式，表4-1概述了模塊工作在不同方式時該寄存器各位的設置情況。置位PCA0CPMn寄存器中的ECCFn位將允許模塊的CCFn中斷。注意：要使單個的CCFn中斷得到響應，必須

32、先整體允許PCA0中斷。通過將EA位（IE.7）和EPCA0位（EIE1.3）設置為邏輯1來整體允許PCA0中斷。 表4-1 PCA捕捉/比較模塊的PCA0CPM寄存器設置PWM16 ECOM CAPP CAPN MATTOGPWMECCF工作方式X X 1 0 0 0 0 X 用CEXn的正沿觸發(fā)捕捉 X X 0 1 0 0 0 X 用CEXn的負沿觸發(fā)捕捉 X X 1 1 0 0 0 X 用CEXn的跳變觸發(fā)捕捉 X 1 0 0 1 0 0 X 軟件定時器 X 1 0 0 1 1 0 X 高速輸出 X 1 0 0 X 1 1 X 頻率輸出&

33、#160;0 1 0 0 X 0 1 X 8位脈沖寬度調(diào)制器 1 1 0 0 X 0 1 X 16位脈沖寬度調(diào)制器  4.2.3 PCA控制寄存器下面是對與PCA工作有關的PCA控制寄存器進行的說明。 表4-2 PCA0CN：PCA控制寄存器CF CR CCF5 CCF4 CCF3 CCF2 CCF1 CCF0 CF:PCA計數(shù)器/定時器溢出標志，當PCA計數(shù)器/定時器從0XFFFF到0X0000溢出時由硬件置位。在計數(shù)器/定時器溢出(CF)中斷被允許時，該位置1將導致CPU轉(zhuǎn)向PCA中斷服務程序。該位不能由硬件自動清0，必須用軟件清0。 CR：PCA計數(shù)器/定時器運行控制

34、，當它為1時，允許PCA計時器/定時器。CCF0:PCA模塊0捕捉/比較標志，在發(fā)生一次匹配或捕捉時該位由硬件置位。當CCF0中斷被允許時，該位置1將導致CPU轉(zhuǎn)向PCA中斷服務程序。該位不能由硬件自動清0，必須用軟件清0。 4.3 算法分析與實現(xiàn)4.3.1 電動機的轉(zhuǎn)速 系統(tǒng)中輸液瓶的高低是由電動機來帶動。由于輸液瓶上升下降要保持輸液的平穩(wěn)性和垂直型，因此電動機轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速不能過快，但是為了能夠及時地調(diào)整輸液速度與設定值一樣，電動機的轉(zhuǎn)速又不宜過慢。這里就先介紹一下本設計中步進電機速度的計算方法。無論使用何種勵磁方法，采用何種運行方式，步距角與齒數(shù)z、拍數(shù)N之間均存在如下關系： （1）上式說明

35、：轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個步距角就等于轉(zhuǎn)過了1/(N z)轉(zhuǎn)，也就是說，每輸入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/（N z）轉(zhuǎn)。因而，若脈沖頻率為f（單位為脈沖數(shù)/s, pulse per second ,pps），則轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)過f/(N·z)轉(zhuǎn)。所以，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n(r/s)為 （2）式中 步距角。步距角小，可以提高工作機械的精度；而提高輸入脈沖的頻率可以提高轉(zhuǎn)速，可以提高工作機械的工作效率。因此，想改變步進電機的轉(zhuǎn)速，就要改變輸給電機的波形頻率。其中，脈沖波由單片機定時產(chǎn)生，改變定時器1的初值就可以改變脈沖的頻率。void timer_isr0(void) interrupt 1 /供給步進電機使用 T

36、H0=0xe6; TL0=0xff; p00=p00; TF0=0;步進電機轉(zhuǎn)向的控制比較簡單，只需要設定一個轉(zhuǎn)向控制位即可。控制位為高電平時正向轉(zhuǎn)動，為低電平時反向轉(zhuǎn)動。所以在發(fā)送控制脈沖時只需判斷轉(zhuǎn)向控制位的電平就可以發(fā)送正向或反向脈沖，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。if(setdata>frequence)TR0=1;p02=1;/如果檢測到設定的速度比檢測速度高，則電動機正轉(zhuǎn)if(setdata<frequence)TR0=1;p02=0;/如果檢測到設定的速度比檢測的速度低，則電動機反轉(zhuǎn)if(setdata=frequence)TR0=0;/停止定時器工作，即沒有定時器中斷，不會產(chǎn)生電動

37、機脈沖。4.3.2 蜂鳴器音頻和音量 通過改變單片機P04引腳輸出波形的頻率來調(diào)整控制蜂鳴器音調(diào)，產(chǎn)生不同音色，音調(diào)的聲音。另外，通過改變輸出波形高電平的占空比，則可以調(diào)整蜂鳴器的聲音大小。void t1(void) interrupt 3 using 3/給蜂鳴器發(fā)生用 TH1=0xe6; TL1=0xff; p04=p04; 4.3.3 滴速的檢測通過PCA捕捉模塊來判定液滴的滴落及計算其速度。設定P01為其檢測口，當發(fā)現(xiàn)上升沿的時候，PCA捕捉模塊捕捉到匹配條件，進入PCA中斷。這時，PCA定時器會自動記錄發(fā)生匹配時的時間，當下一個上升沿來臨時，也記錄下時間，兩者相減，通過計算便可得出一

38、分鐘內(nèi)的滴數(shù)。其中PCA定時器的一個定時周期為257ms，如果發(fā)生溢出，在允許溢出中斷的條件下，則可在其中斷設置一個計數(shù)值，記錄它的周期數(shù)，這樣便能檢測出準確地滴速了。液滴檢測原理圖如圖3-2。輸液平均點滴數(shù)的計算：設5滴的時間間隔分別為T1、T2、.T5，平均滴數(shù)計算公式如下： （3）式中Ti的單位為秒，N為輸液速率。圖3-2 PCA定時捕捉原理void pca() interrupt 11 uchar m,k; if (CCF0)/脈沖上升沿中斷 CCF0 = 0;/此標志位有軟件置位 TH1=TL1=n=ff=0;/如果沒有信號進來一直讓定時器1中的n往上加 if(flag=0)/表示脈

39、沖上升沿為第一次 k=0; flag=1; previous_capture_value = PCA0CPH0*256+PCA0CPL0;/將第一次捕捉到的始終作為 /計數(shù)初值 else current_capture_value =k*65536+PCA0CPH0*256+PCA0CPL0;/當前上升沿來臨時 /PCA定時器中的數(shù)與溢出次數(shù)*65536相加，作為計數(shù)終值。 capture_period = current_capture_value - previous_capture_value;/兩者相減便是兩滴 /液滴之間的時間間隔 previous_capture_value = P

40、CA0CPH0*256+PCA0CPL0;/將PCA定時器中的值賦值給 /變量，計數(shù)初值。 bufm=capture_period; m+; if(m>4)m=0;/計算5次捕捉到時間的平均值，第六次取到的數(shù)值取代第一次，使取 /值更準確 k=0; if(CF) /PCA計數(shù)器/定時器溢出中斷 k+;/中斷一次，k加1，相當于65536個PCA定時器時鐘周期 CF=0;/此標志位有軟件置位 4.4 測試結(jié)果及分析4.4.1 測試方案 電機驅(qū)動控制精度的測試：設定一個滴速，通過電機帶動滑輪改變儲液瓶的高度，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄目測值和顯示值。 調(diào)整到新穩(wěn)定所需時間的測試：改變滴速設置后，測量調(diào)

41、整到目標速度的時間。4.4.2 主要測試結(jié)果 表4-1 電機驅(qū)動控制精度的測試設定值（滴/分鐘）目測值（滴/分鐘）顯示值（滴/分鐘）測試1999697-100測試2605959-62測試3112115109-114表4-2 調(diào)整到新穩(wěn)定所需時間的測試達到目標速度所需時間（秒）測試1（6080）36測試2（8060）34測試3（70-110）57測試4（11070）534.4.3 測試結(jié)果分析由測試結(jié)果表一中的數(shù)據(jù)可以看出，測得的滴數(shù)與實際滴數(shù)幾乎相等，相差在13滴，在藥理方滴數(shù)浮動范圍內(nèi)（不超過10滴），光電檢測電路的設計滿足需求。顯示滴速與實際滴速之所以會有相差，一部分原因是因為液滴落下時，

42、實際上的時間間隔就不一樣，另外也可能是算法不夠完善。由表二的數(shù)據(jù)可得出系統(tǒng)調(diào)整到設定的狀態(tài)未超過一分鐘（調(diào)整的數(shù)值小于40滴/分鐘）實際上調(diào)整的滴數(shù)大概也在這個范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)能夠較快調(diào)整到醫(yī)務人員所希望達到的理想數(shù)值。其中顯示的數(shù)據(jù)是采集5次得數(shù)據(jù)的平均值，因此到數(shù)值穩(wěn)定會有一段時間延長，測得的數(shù)據(jù)也更穩(wěn)當。結(jié) 論通過本次設計，我掌握了輸液點滴監(jiān)控系統(tǒng)的設計以及醫(yī)療監(jiān)控設備今后的大概的發(fā)展，也熟悉如何設計一個獨立的系統(tǒng)，了解了光電傳感器，了解電機驅(qū)動，同時我也掌握了單片機編程的一些思想和方法。系統(tǒng)仍存在著許多不足，例如墨菲式滴管如果稍微受到有幅度的擺動便會影響點滴的檢測，而實際中輸液瓶必將會

43、受到病人或者醫(yī)師的調(diào)整或者碰撞，如何固定這兩者之間的聯(lián)系以及如何減小整個系統(tǒng)的體積，這些都還有待加強。在主從站通信這塊沒有做出硬件，希望日后能夠?qū)崿F(xiàn)無線通訊的功能。可以預測，醫(yī)用輸液監(jiān)護系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢將是把通信技術和單片機技術結(jié)合在一起，從而進一步提高系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)更加精密可靠，并且成本低廉，易于推廣。同時，網(wǎng)絡化和智能化也是輸液監(jiān)護系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。參考文獻1馬將，楊昆，文宇橋，鐘朵莉。醫(yī)用輸液監(jiān)護器的設計J.四川理工學院學報：自然科學版，2013（2）392于敏麗，王彤，霍艷玲?；诩t外技術的輸液點滴速度監(jiān)控裝置的設計J.激光與紅外，2007,3（10）：1097.3楊鳳云.基于

44、51單片機的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計碩士學位論文.南京：南京理工大學，2012.24吳雪松，苗振魁，楊學友，等。單片機控制自動輸液泵的研制。5籣利峰，李洪振。低成本輸液報警器制作J.醫(yī)療裝備，2010（8）：18-196醫(yī)藥資訊網(wǎng).王產(chǎn)醫(yī)療設備發(fā)展將扭轉(zhuǎn)依賴進口局面2006.11.12/2007.01.017張樂華.2000年醫(yī)療器械的嶄新前景.當代醫(yī)學，2000,6（9）：678劉世平，薛大磊，葛強.智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)中國專利.泰山職業(yè)技術學院9南建輝，熊鳴，王軍茹.單片機原理與應用實例M.北京：清華大學出版社，2003.10劉賀.輸液監(jiān)控智能系統(tǒng)的研制碩士學位論文.重慶：重慶理工大學，201011張

45、永,輸液監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計D.遼寧:大連交通大學,2006.12Fengge Bai,Wen Bai.Design of Transfusion Speed Monitor Based on MCU and Photoelectric SwitchJ.International Conference on Information Engineering and Computer Science,2009,(4):1-4.13雍小爛,陳霞,廖靜,楊莉,余戟.靜脈輸液速度護理探討J.西南國防醫(yī)藥,2002,12(4):341-342.14李和太,趙新,李新,夏加寬.智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研制J沈陽工業(yè)

46、大學學報,2006,28(3):319-326.15Neff TA,Fischer JE,Schulz G,Baenziger O,Weiss M.Infusion pump performance with cmedicineJ.2001,27(1):287291. 16王紫婷,王瑞峰,嚴天峰.智能液體點滴速度監(jiān)控儀J.自動化與儀器儀表,2004,(5):48-49. 附 頁#include "C8051F410.h"#include "tm1639.c"sbit led1=P05;sbit p00=P00;/電動機脈沖信號sbit p01=P01;/

47、接受外來中斷信號sbit p02=P02;/電動機正反轉(zhuǎn)信號sbit p03=P03;/蜂鳴器信號sbit p04=P04;sbit p10=P10;/接受報警信號sbit p11=P11;/二極管信號sfr16 TMR2RL=0xCA;sfr16 TMR2=0xCC;unsigned char n,flag=0,ff; uchar number,flagnum,hundred,ten,zero;unsigned long setdata,buff=0;static long current_capture_value, previous_capture_value;static long c

48、apture_period,average;unsigned long buf5=50,50,50,50,50;void PCA_Init() PCA0CN = 0x40;PCA0MD=0x01; PCA0CPM0 = 0x21; PCA0CPL0 = 0x04c6; PCA0CPH0 = 0x00; void Timer_Init() T2SPLIT=0; TMR2RL=0Xfd00; TMR2=TMR2RL;ET2=1; TMOD=0x11;TH0=0xe6; TL0=0xff;TH1=0x07;TH0=0xf6;/TR0=1;TR1=1; void Port_IO_Init()P0MDO

49、UT = 0x0d; P0SKIP = 0x01; XBR1 = 0x41; void Interrupts_Init()EIE1=0x10;IE=0xAA; void Init_Device(void) PCA_Init(); Timer_Init(); Port_IO_Init(); Interrupts_Init(); void main()long frequence;uchar i,keystore,begin=0;/beginPCA0MD&=0x40;OSCICN=0X84;Init_Device();EA=1;p11=0;while(1) for(i=0;i<5;i

50、+)buff=buff+bufi; average=buff/5; buff=0; keystore=keyquery(); init1639(1); if(keystore>=1)&&(keystore<=8) while(keyquery()>=1)&&(keyquery()<=8); if(keystore=4)number+;if(number>9)number=0; if(keystore=1)flagnum=1; if(keystore=2)flagnum=2; if(keystore=3)flagnum=3; if(f

51、lagnum=1)hundred=number;begin=0;TR0=0; if(flagnum=2)ten=number;begin=0;TR0=0; if(flagnum=3)zero=number;begin=0;TR0=0; if(keystore=5)setdata=hundred*100+ten*10+zero;begin=1; frequence=6000/(average*100/255208);if(ff=1)frequence=0;init1639(1);ledAddressRegularDispaly(1,(int)frequence/1000);ledAddressRegularDispaly(2,(int)frequence%1000/100); ledAddressRegularDispaly(3,(int)frequence%100/10); ledAddressRegularDispaly(4,(int)frequence%10); ledAddressRegularDispaly(5,(int)hundred);ledAddressRegularDispaly(6,(int)ten);ledAddressRegularDispaly(7,(int)zero);write1639(brightnessLever+3);if(beg