输液滴速监控设计
1绪论
1.1选题背景
1.2选题目的及意义.
1.3 输液报警监控系统的方法
1.4 本课题采用的输液报警监控内容方法简介
1.5本文的结构
2输液滴速监控系统的总体方案
2.1 输液滴速监控系统的设计依据和目的
2.2系统方案论证与比较
2.2.1 控制方案的比较
2.2.2点滴检测方案比较
2.2.3液位监测方案比较
2.2.4速度控制方案
2.2.5电机的选择
2.2.6主从机通信方案
2.3系统总体框图
3输液滴速监控系统的硬件设计
3.1 系统的硬件设计
3.2 从站各系统单元的设计
3.2.1中央处理单元
3.2.2点滴信号检测单元
3.2.3点滴信号的比较、滤波、整形电路.
3.2.4 液位检测单元
3.2.5检测电路的抗干扰措施
3.2.6声光报警电路
3.2.7 步进电机驱动单元
3.2.8 主从站接口电路
3.3 主站的硬件电路图及工作原理
3.3.1键盘单元
3.3.2 数码管显示单元
3.4 主从站芯片时钟电路
3.5 主从站复位单元
3.6 电源电路
4输液滴速监控系统的软件设计
4.1 从站各模块软件设计
4.1.1 主控模块设计
4.1.2 点滴速度测量模块设计
4.1.3 电机控制算法
4.1.3.1 电机控制原理
4.1.3.2 点滴速度控制
4.1.4 通信程序通信模块设计
4.1.4.1 串口通信参数设置
4.1.4.2 通信协议约定
4.1.4.3 主控模块设计
4.1.5 报警模块设计
4.2 从站各模块软件设计
4.2.1 主控模块设计
4.2.2 输入键盘模块的设计
4.2.3 数码管显示模块的设计
5总结
系统方案论证与比较
1 控制方案的比较
方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速及远程通信的功能。
方案二：此方案采用MCS-51单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能，并且可以实现主站与从站之间的通信。
2点滴检测方案比较
方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。 由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。
方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部广元等干扰。
方案三：脉冲调制的红外对射传感器。 红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。
因此，本设计采用方案三。
3速度控制方案
对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案：
方案一：采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。
方案二：通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。在自变量（储液瓶移动距离）变化范围较大的情况下，这项工作较为繁杂。
第一项第二项方案经过综合比较，使用电机调整高度来实现控制效果较好，
因此决定选择第二项的方案。
4电机的选择
首先讲讲电机的选择，常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。比较上述三种电机，直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来；转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中,可有效提高输液速度的控制精度。伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能(未上电时电机的转矩非常大)，但考虑到其实际价格动辄就是几千块，故而弃用。综合考虑上述各种电机的特点后，最终选用步进电机。
6主从机通信方案
方案一：采用无线方式。
常用的无线方式有红外、蓝牙、Zigbee、无线收发模块等。红外方式的传输距离非常有限，而且易受障碍物的干扰，因此不能应用在本系统当中。蓝牙技比较复杂，功耗也比较大。Zigbee技术的标准传输距离为75m，并可扩展至几百米甚至几公里，但是此技术是一个由若干个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，而且现在Zigbee DSSS 2.4G 250kps 3-5公里无线数据采集终端模块的价格在每片1000元左右，若是强行采用此模块势必造成成本过高难以推广。无线收发模块RF905、nRF2401a价格虽然能够接受，但是这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试，在空旷场地上200m范围内没有问题（说明书上说开阔地带为500m，由于条件有限没做测试），但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构，对电磁波衰减作用非常严重。虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm，但是这样增加了成本，同时擅自增大RF辐射功率不仅会对人身健康产生不利影响，而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用。基于以上原因，否决了无线传输模式，因此只能选择有线传输模式。
方案二：采用有线方式。
常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。并行通信一般在实际当中
用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机I /O口较多，需要的传输线
也很多，不适合远距离通信,因此弃用而采用串行通信方式。
串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高（可达800kb /s）的场合。因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，成本高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。结合8051本身，其内部有一个全双工串行口，共有4种工作方式。方式0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展I/O口的功能；方式1为8位异步通信接口，用于双机通信，在距离小于1.5m时可直接相接利用单片机本身的TTL电平直接传输信息，为增加通信距离，减少通信及电源干扰，一般采用RS-232-C标准进行通信；方式2、方式3均为9位异步通信接口，其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信，也可用于双机通信。
所以，共有三种方案可供选择：
方案一：采用I2C总线通信协议 优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要SDL、SCL两条通信线。但不适用于较长距离的信号传输。
方案二：采用TTL串行通信 通信技术成熟，具有方案一的优点，仅需要RXD、TXD两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是易受干扰，不适用于长距离通信。
方案三：采用RS485串行通信方式 本方案具有方案二的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。
由于主从机传输距离较短，从最佳性价比出发，选择方案二。
系统总体框图
根据前面的系统分析，本文研究的基于8051单片机的输液滴速监控系统主要有两大部分组成，它们分别是由8051单片机构成的主站、由8051单片机的从站以及主从站之间的数据通信线路。根据前面的方案论证，从站电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和A /D转换单元、声光报警单元、数据通信单元和单片机外围电路等，主站电路包括键盘电路和数码管显示电路和通信电路。其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A /D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整。
