输液滴速测量仪设计大学论文.docx
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输液滴速测量仪设计大学论文
毕业设计说明书
简易输液滴速测量仪设计
11050444X19
马强俊
信息商务学院
学生姓名:
学号:
自动控制系
学院:
电气工程及其自动化
系名:
刘天野
专业:
指导教师:
2015年6月
简易输液滴速测量仪设计
摘要:
随着科技的日益发展,越来越多的领域需要对液体的流动有一个精确的控制。
在医疗保健领域有时对于药液的流速控制有更加迫切的需要,它测量结果的准确对否直接影响着病人的生命健康,也对于减小医院护士的劳动压力有着至关重要的作用。
目前,医院常用的医疗器械是输液泵,它的工作原理是动力挤压输液,只能适用于急用,可是不适合普及。
为了满足医疗机构对于输液系统的精确度要求越来越高以及普及适用,急需要出现即实用又廉价的液体检测装置。
研制新型输液仪表是非常必要的。
本文介绍的就是基于单片机的输液滴速测量仪,它是以ATMEL公司的AT89C51单片机系统与红外对射光电传感器结合的滴速测量仪。
它的实用性与普及性特别强,具有很高的现实意义与实用价值,本设计具有报警装置、实时液晶显示模块,利用汇编工具进行软件设计。
该装置的特点是:
操作简单,稳点性强,动态监测和显示准确,成本低廉。
本文首先介绍了目前国内外的研究现状和未来发展趋势。
其次,根据研制要求,选择出合适的传感器、单片机、液晶显示器模块的具体方案。
接着,根据实际需求设计出单片机硬件系统,该系统能够收集到实时数据,液体滴速的显示和超出规定速度的报警等功能。
最后介绍了与该硬件系统相对应的软件设计过程。
关键词:
单片机,传感器,点滴速度,液晶显示,数据收集
Designofsimpletransfusiondropspeedmeasuringinstrument
Abstract:
Withthescienceandtechnologydeveloping,anaccuratecontroltotheflowofliquidshouldbeneededinmoreandmorefields.Tocontrolthecurrentspeedofsoupsometimesiseagertoberequiredinhealthcare,becausetheresultofwhetherisaccuratehasadirectinfluenceonpatients’healthandthereductionofnursesworkingpress.Sofar,infusionpumpispopularequipmentinhospitalwhichworksbydynamicsqueezinginfusion.Althoughtheinfusionisconstantinacertainamountoftime,duetothenumberofunevenbitandhighcost,itcanonlybeappliedtoemergencies,butnotforthepopularity.Inordertomeethighrequirementforaccusationoninfusionsysteminhealthcareinstitutionanditspopularity,practicalandcheepliquiddetectiondeviceisurgenttobeneeded.Itisalsonecessarytodevelopanewinfusioninstrumenttocompensatefordefectsinthemedicalfield.
本文介绍的就是基于单片机的输液滴速测量仪,它是以ATMEL公司的AT89C51单片机系统与红外对射光电传感器结合的滴速测量仪。
它的实用性与普及性特别强,具有很高的现实意义与实用价值,本设计具有报警装置、实时液晶显示模块,利用汇编工具进行软件设计。
该装置的特点是:
操作简单,稳点性强,动态监测和显示准确,成本低廉。
ThisisMCUinfusiondrippingspeedmeasuringinstrumentbasedon,itisbyATMELCorporationAT89C51singlechipmicrocomputersystemandinfraredshotofthephotoelectricsensorinconjunctionwiththedrippingspeedmeasuringinstrument.Itspracticalityandpopularizationofparticularlystrong,hasveryhighpracticalsignificanceandpracticalvalue.
Thedesignofalarmdevice,areal-timeliquidcrystaldisplaymodule,softwaredesignusingassemblytool.Thedeviceischaracterizedinthat:
theoperationissimple,steadyandstrong,dynamicmonitoringandaccuratedisplayandlowcost.
Thispaperfirstintroducesthecurrentresearchstatusandfuturedevelopmenttrendsathomeandabroad.Secondly,accordingtothedesignrequirements,selectionofspecificprogramssuitablesensor,SCM,LCDmodule.Then,accordingtotheactualneedstodesignahardwaresystem.Thesystemcancollectreal-timedata,theliquiddropspeeddisplayandbeyondtheprescribedspeedalarmandotherfunctions.Introducedthesoftwaredesignprocessandthecorrespondinghardwaresystem.
Keywords:
sensor,dropspeed,liquidcrystaldisplay,datacollection
1引言1
2.1系统原理2
2.2该设备的工作过程2
6.2.1主要性能13
6.2.2AT89C51引脚图和主要引脚说明14
8软件设计19
8.2显示子程序22
8.2.1显示子程序流程图22
8.2.3计数子程序分析与流程图23
9结论与展望25
参考文献27
致谢30
1引言
科学技术越来越发达,需要在更多的领域精确的控制液体的流速,在医疗领域也需要对药液的滴速进行精确的控制。
静脉输液是一种常用的给药技术,在临床上,由于病人的用药和情况不同,必须给与适当的液体滴速,如果液体流速过快,很有可能中毒,甚至会发生更加严重的情况。
如果液体流速过慢,则会延长输液时间或者是发生药量不足,会增加医院的护理工作和影响患者的情绪。
在常规的输液中,我们一般用的都是挂瓶点滴,利用眼镜观察滴速,用手动夹子进行控制,这样对于做到液体的精确控制很不容易,增加了护理的工作量[1]。
输液泵可以准确的测量液体滴速,自动报警,可以减轻护理难度,但是它的成本高,不方便移动,灵活性差,所以不适合普及使用。
为了满足临床的适用,急需研制一种操作方便,成本低廉的装置。
本文提出的滴速测量仪是以单片机为核心,利用传感器和液晶显示模块配合,通过对数据的收集和软件的汇编对液体滴速进行测量控制。
本设计主要需要完成以下几方面的工作:
(1)测量仪的整体方案设计。
结合多方面的考虑,选取适合的法案,使单片机与传感器有机的结合在一起。
(2)测量仪的硬件设计。
单片机和红外传感器的适当选取以及电路的设计。
(3)测量仪的软件设计。
液滴的检测、滴速显示和报警程序。
(4)检测的结果分析。
2系统总体设计
2.1系统原理
图2.1系统设计框图
该检测仪以AT89C51单片机为核心,利用红外对射技术、光电传感技术,由数码管显示电路、红外传感器检测电路、报警装置电路等部分组成。
首先通过传感器检测电路,发出的电信号,再进行信号的放大整形处理,转变成电信号,由单片机进行接收,再经过单片机的精确计算与控制,由显示器进行显示,显示出当前的液滴数[2]。
当液体点滴速度超过事先设定的滴速范围时,报警器便发出报警信号。
2.2该设备的工作过程
第一:
接通电源。
第二:
当液滴穿过传感器时,传感器可以接受到信号,将信号输出。
第三:
信号传递到单片机后,单片机开始工作,将其信息进行统计,并且存储。
第四:
在显示屏上显示出计数的结果。
第五:
设定输液速度的范围,当前显示的输液速度超出这个范围时,报警装置会自动发出报警信号。
第六:
关闭电源,停止检测。
3传感器的选取
3.1红外传感器概述
红外线属于一种电磁射线,它的特性无线电或X射线一样[3]。
红外线的波长有760纳米至1毫米,在微波与可见光之间,它是比红光长的非可见光。
能够捕捉到红外线这种不可见光,就是所谓的红外线光电传感器。
采用专用的红外发射管很接受管,转化为电信号。
根据设计内容要求选择合适的传感器,下图就是光的波长分布情况。
图3.1光的波长分布图
3.1.1直射式光电传感器
由对称于光抽的接收器和发射器组成,就是直射式光电传感器。
光线经发射器发射后直接进入接收器。
但是在发射器和接收器之间由被检测物体阻断光线时,就会使光电开关动作,于是产生了一个电信号。
当检测物体是可以遮光的时,我们首先想到的检测方式就是直射式光电传感器。
直射式光电传感器结构如图2.2:
图3.2直射式光电传感器结构示意图
3.1.2反射式光电传感器
直接反射式光电开关是把发射器和接收器装入同一个装置内,将被测物体放置在前方,这个光电传感器是通过光的反射原理进行光电控制。
当被检测物将光线挡住,接收器就不能正常的接受到光线,光信号就会发生变化,于是光电传感器就工作,输出一个控制信号。
直接反射式的光电传感器适合检测表面光亮或反光率比较高的被检测物体。
图3.3就是直接反射式光电传感器的结构:
图3.3直接反射式光电传感器结构示意图
3.1.3槽式光电传感器
槽式光电开关是接收器和发射器集一体的传感器,发射器和接收器分别在槽的两边,当光抽被被检测物体遮挡住,就会发出开关信号,光电开关开始动作。
它是比较安全可靠的,分辨出透明与半透明物体检测出变化的信号,但是槽宽则决定了感应接收信号的强弱与接收信号的距离,由于槽两边的距离短,用于检测体积大的物体是不合适的。
只能测相对较小的物体。
图3.4是槽式光电开关传感器的结构:
图3.4槽式光电开关传感器结构示意图
3.1.4反射板反射式光电传感器
反射板反射式光电开关也是一种接收器和发射器集一体的传感器,当发射器发出的光线碰见反射板,就会被反射板反射回接收器,如果光电开关与反射板被被检测物体遮挡住,阻碍其接受光线,就会触发光电开关,产生一个检测开关信号。
图3.5为反射板反射式光电传感器的结构:
图3.5反射板反射式光电传感器
3.2传感器的选型
3.2.1传感器的选用原则
传感器千差万别,选择传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数,使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法,并且就在特定条件下的传感器作出一个误差估计[4]。
如今的传感器在原理与结构上多种多样,如何选取正确的传感器为自己所用,适合被测对象以及测量环境。
成为一个重要的选取参考。
当传感器确定之后,相对应的测量方法以及所需要的测量电路就可以随之确定。
传感器选择是否合理直接关系到测量结果的成败。
3.2.1.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
如果要进行一个具体的测量,通过分析各方面的因素之后,根据考虑被测量的特点和传感器的使用条件,选出一种合适的传感器。
如测量距离的大小;传感器体积对被测量的影响;有线测量还是无线测量;接触式的或非接触式的;传感器的具体来源;传感器的价格。
考虑上述问题之后,就可以选取出适合自己的传感器。
3.2.1.2输入光波长的选择
当使用光电传感器时,要注意发射器与接收器的波长敏感范围。
与被测量无关的光信号很多,如果接收器可接收到范围很宽的光线,那么无关的光线也很容易被接收到。
影响测量精度。
因此一定要选择适合范围的波长的光的传感器,减少外界的影响。
3.2.1.3频率响应特性
要想保持不失真的测量条件,就必须在允许频率范围内,但在实际中,传感器的响应必然会出现一定延迟的现象,由于液滴的下落是一个很慢的过程,于是延迟时间越短越好,这样对于传感器频率要求就要很低。
在动态测量期间,所需传感器的频率响应特性必须根据实际信号的情况来确定,防止产生太大的误差。
3.2.1.4稳定性
所谓稳定性就是指传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力。
除了传感器结构本身影响稳定性外,其主要的原因是使用环境。
因此,最不容忽视的就是该传感器要有较强的环境适应力。
根据使用环境的具体情况,选取适当的传感器。
本设计的使用环境非常好,所以稳定性要求比较容易满足。
3.2.1.5精度
精度是整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高就越贵,所以,只要能够满足测量系统精度要求的传感器就可以。
这样就可以选择一个适合的相对廉价的传感器。
3.2.2传感器的选用
在此次设计中,对于测量方法和传感器的选用有很多种方法,在选择传感器时,根据对传感器的各方面分析,选取了适合本设计的红外传感器。
红外传感器的种类多种多样。
所以必须采用一个最佳方案[5]。
根据本设计任务要求,需要设计一个成本低,操作简单,适用性强,并且是不接触式的液滴测量仪等。
所以根据要求和各方面的考虑,决定用红外对管实现该设计。
随着光敏三极管接收到不同强度的光,就会产生不同的电流,再进行整合成高低电平,通过输出端输出,是否有液滴滴落就可以根据高低电平来判断,液体点滴速度就可以通过相邻点滴时间间隔来确定。
该方案操作简单,成本低廉,电路简单,稳定性好,对无关光线的抗干扰能力强,因此采用红外对管实现。
3.3传感器的几何光学分析
红外发光二极管与光敏三极管有不同的安装方法,对检测结果就有不同的影响,所以必须对传感器进行几何光学分析。
要想达到检测输液速度的目的,就必须有合理的安装位置,否则就会导致检测失败。
通过对红外发光二极管与光敏三极管之间的中心线与下落液滴的相对位置分析,可以得出一个适合红外发光二极管与光敏三极管检测的位置。
通过对大众药液的折射率的范围分析,确定选用折射率平均值为1.40的药液。
该系统主要由一个发光二极管和一个光敏三极管构成。
随着光敏三极管接收到不同强度的光,就会产生不同的电流,通过CD4093整合成高低电平进行输出。
3.4传感器滴数检测电路
如图3.6示,由一对发射器、接收管的电路组成的传感器滴数检测电路,主要是由发光二极管和光敏三极管组成。
当没有液滴落下时,接收管可以接收到光线强度正常的光线。
当有液滴落下时,红外光会发生漫反射,液滴吸收光线并且会产生一定的散射作用,导致光线强度发生减弱变化。
接收管接信号将其经过整形,送到单片机的计数器T0,如此就能检测到液滴的滴数[6]。
传感器滴数检测电路的电路图如图3.6。
图3.6传感器检测电路
4发射器与接收器
4.1红外发光二极管
首先根据红外发光二极管的特性曲线,确定正常工作时二极管的正向电压,以及发光波长和工作电流等[7]。
在下图4.1中,左图是正向伏安特性曲线,而右图是发射光谱特性曲线。
通过左图可以得出,当正向电压小于1V时,正向电流约等于零,几乎没有变化;当正向电压大于1V时,正向电流发生了很大的变化,随着电压的增大急剧增大。
可以看出电压大约为1.3V时,红外二极管可以正常工作。
通过右图曲线可以看出,相对发光强度达到顶峰时红外发光二极管的发光波长约为0.94µm,因此光敏三极管也应该在波长为0.94µm附近对入射光有相应的敏感响应,这将成为选择光敏三极管的重要依据。
图4.1发光二极管特性曲线图
4.2光敏三极管
如下图所示,1脚为发射极,2脚为基极,3脚为集电极。
光敏三极管由这三个引脚构成。
图4.2光敏三极管
上面分析到光敏三极管的理想响应波长应为0.94µm。
外界环境对光敏三极管有着很大的影响。
当周围光线增强、温度升高时,光电流也会随之增强。
从而可见,光线和温度对光敏三极管有很大的影响。
在设计过程中必须避免这样的影响,不能由于环境而影响结果。
5电路参数的计算
在图3.6中,当发射器与接收器之间没有液滴滴下时,发射器发出的光可以正常的吧被接收器收到,这时输出端会产生高电平信号。
当发射器与接收器之间有液滴滴下时,发射器发出的光被液滴遮住,接收器不能接受到强烈的光信号,输出端产生低电平信号。
通过信号整形,将产生的高低电平信号送入单片机。
通过事先设定的程序算法计算出液体滴落的速度,实现滴速的检测。
根据图3.6,选取合适的红外发光二极管,确定红外发光二极管的正向压降最大正向电流,于是根据电源电压,就可以算出电阻
如式5.1。
(5.1)
式中:
:
电源电压
:
正向压降(<1.50)
:
最大正向电流
当选定适合的光敏三极管后,就可以知道三极管的发射和极集电极间的饱和电压、集电极电流,可以通过式5.2求得
。
(5.2)
式中:
:
电源电压
:
光敏三极管集电极与发射极间的饱和电压
:
光敏三极管集电极电流
当选定合适的三极管9014后,可以由式5.3求得
。
(5.3)
式中:
:
电源电压
:
9014集电极与发射极间的饱和电压
:
9014集电极电流
通过选定合适的的三极管9014,可以由式5.4求得
。
(5.4)
式中:
:
9014基极-发射极饱和压降
:
9014电流放大倍数额定值
:
9014集电极电流
根据以上电路值计算,来设计传感器检测电路。
6单片机的选择
6.1现有主流单片机的概述
单片机产品多种多样,目前市场上多达70多个系列,500多个品种其中。
那些厂家定制的专用单片机、针对专门业务和专门市场的单片机品种还没有包括在内[8]。
Intel公司在20世纪80年代初研制出了MCS-51系列单片机,并且很快就得到全世界的认同,广泛的推广应用。
通过对Intel公司的MCS-51系列和MCS-51兼容的微控制器系列研究,ATMEL公司生产出了89系列单片机。
最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。
在Intel公司将80C51对外开放后,将使用权通过专利互换将其出让给世界上许多著名的生产商。
一些公司发挥自身的优势,针对不同测控对象将其要求的外围电路与80C51单片机进行兼容,如A/D、PWM、HSL/HSO、I2C、WDT、FlashROM等,开发出功能多种多样的的新品种。
这样80C51单片机就成为了众多厂家所支持和发展的单片机,统称为80C51系列单片机80C51在市场上成为8位单片机的主流,这已是客观事实,实际上已成为了事实的标准MCU芯片。
6.2单片机的选用
本检测仪对数据处理速度没有很高的要求,则采用由美国ATMEL公司生产的8位AT89C51单片机即可。
AT89C51内含4kb的可擦只读程序存储器和128b的随机存储器,是由美国ATMEL公司生产的一种低电压、高性能8位单片机。
器件兼容MCS-51指令系统,片内含有Flash存储单元与通用8位中央处理器。
6.2.1主要性能
(1)与MCS-51微控制器产品系列兼容。
(2)4K字节可重擦写FLASH闪速存储器。
(3)1000字擦写周期。
(4)全静态工作:
0Hz至24MHz。
(5)3级加密程序存储器。
(6)128*8位内部RAM。
(7)32条可编程I/O线。
(8)2个16位定时器/计数器。
(9)6个中断源。
(10)可编程串行UART通道。
(11)低功耗空闲和掉电模式。
6.2.2AT89C51引脚图和主要引脚说明
AT89C51有40个引脚,如图6.1示。
图6.1AT89C51引脚图
6.2.2.1各个引脚说明
AT89C51主要使用的引脚功能如表6.1下[9]:
表6.1AT89C51引脚功能表
VCC
为单片机的提供电源电压的端口。
P0
P0口(P1.0~P1.7)是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口。
作为输出端口时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入,对端口写1时,又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序或数据存储器时,它是时分多路转换的地址(低8位)/数据总线,在访问期间将激活内部的上拉电阻。
P1
P1口(P1.0~P1.7)口是一个8位双向I/O端口,其中P1.2~P1.7引脚带有内部上拉电阻,P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入(AIN1)。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流,并能直接驱动LED显示。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口。
P2口作输入口使用时,因为内部有上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
P2
P2口(P2.0~P2.7)口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2口的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口。
P2口作输入口使用时,因为内部有上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
P3
P3口(P3.0~P3.7)口是是带有内部上拉电阻的7个双向I/O端口。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O口引脚而只读。
P3口输出缓冲器可吸收20mA电流。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口。
P3口作输入口使用时,因为内部有上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
P3.0RXD串行通信输入。
P3.1TXD串行通信输出。
P3.2INT0外部中断0输入,低电平有效。
续表6.1AT89C51引脚功能表
P3
P3.3INT1外部中断1输入,低电平有效。
P3.4T0计数器0外部事件计数输入端。
P3.5T1计数器1外部事件计数输入端。
P3.6WR外部随机存储器的写选通,低电平有效。
P3.7RD外部随机存储器的读选通,低电平有效。
XTAL1:
接外部晶振的一个引脚。
在
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