液体点滴速度监控系统的设计

液体点滴速度监控系统的设计
摘要
输液是医院常⽤的治疗⼿段，传统输液过程中存在着输液速度不精确、需要⼈⼯监护等弊端。

本⽂的⽬标就是设计⼀种输液监控系统以解决此问题。

本⽂设计的液体点滴速度监控装置系统，实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液⾯⾼度的检测报警，并且动态显⽰输液速度。

使⽤者可以通过按键设置输液速度，系统将⾃动对输液速度进⾏控制。

此外系统还实现了多机通信，即⼀个主站控制⼀个和主从机之间的数据传输。

当输液结束或输液速度发⽣异常时，从站使⽤发光⼆极管和蜂鸣器进⾏报警，并将报警信号通过串⾏⼝传送⾄主站，主站通过监控软件和蜂鸣器实现声光报警。

系统以8051单⽚机为核⼼，使⽤两块系统板（主机和从机）组成有线监控系统，主机实现对从机的控制及液体点滴速度的显⽰和液体点滴速度的键盘控制；从机通过外围电路检测储液瓶中液⾯⾼度和液体点滴速度；通过从机实现对步进电机控制以实现对储液瓶⾼低的控制，来实现控制液体点滴速度。

在整体⽅案设计中，在保证设计系统能达到的题⽬要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、实⽤性、可靠性，对电路系统进⾏了优化。

关键词：点滴速度；光电传感器；步进电机；单⽚机
ABSTRACT
Transfusion commonly used as treatment in hospital, but there were some problems, such as inaccurate, need transfusion of artificial guardianship, etc. The goal is to design a transfusion monitoring system in order to solve those problems.
The monitoring and controlling system of liquid drop speed by this paper, actualize the infusion rate of test, the control of reservoir fluid bottle level detection alarm and dynamic display of transfusion speed. Users can through the button to control transfusion speed and system will automatically transfusion speed of it. Besides the system also actualize multi-machine communication, that is, a master station to control a multiple machine from a station and the master-slave data transmission between. When the infusion end or infusion speed abnormal, slave light-emitting diodes and buzzer to alarm, and will alarm signals through serial transmission to the master, stood by buzzer sound-light alarm.
The systems use 8051 SCM as machine?s core. Use two systems board (host and slave) component cable monitoring system for control of the machine from host. The master station achieves the displaying of liquid drip speed and the keyboard to control liquid drip speed. Slave machines through the outer circuit testing reservoir liquid bottle in height and liquid dropping speed, and through the control of stepping motor speed control the level of liquid storage bottle to control liquid drop speed.
In the overall program design, in ensuring the use of design systems to achieve th e required accuracy and stability of the premise, taking into account the system?s portability, practicality, reliability, electrical systems were optimized.
Key words: liquid drop speed; photoelectric sensor; Stepper Motor; single chip
⽬录
第⼀章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2课题研究的⽬的和意义 (1)
1.3 输液报警监控系统的⽅法 (2)
1.4 本课题采⽤的输液报警监控内容⽅法简介 (2)
1.5本⽂的结构 (3)
第⼆章输液监控系统的总体⽅案 (4)
2.1 输液监控系统的设计依据和⽬的 (4)
2.2系统⽅案论证与⽐较 (5)
2.2.1 控制⽅案的⽐较 (5)
2.2.2点滴检测⽅案⽐较 (5)
2.2.3液位监测⽅案⽐较 (5)
2.2.4速度控制⽅案 (6)
2.2.5电机的选择 (6)
2.2.6主从机通信⽅案 (7)
2.3系统总体框图 (8)
第三章系统的硬件设计 (10)
3.1 系统的硬件设计 (10)
3.2 从站各系统单元的设计 (11)
3.2.1中央处理单元 (11)
3.2.2点滴信号检测单元 (11)
3.2.3点滴信号的⽐较、滤波、整形电路 (12)
3.2.4 液位检测单元 (13)
3.2.5检测电路的抗⼲扰措施 (14)
3.2.6声光报警电路 (1)
4.
3.2.7 步进电机驱动单元（⾼度调整单元） (15)
3.2.8 主从站接⼝电路 (16)
3.3 主站的硬件电路图及⼯作原理 (17)
3.3.1键盘单元 (18)
3.3.2 数码管显⽰单元 (20)
3.4 主从站芯⽚时钟电路 (21)
3.5 主从站复位单元 (21)
3.6 电源电路 (22)
第四章液体点滴监控系统的软件设计 (24)
4.1 从站各模块软件设计 (25)
4.1.1 主控模块设计 (25)
4.1.2 点滴速度测量模块设计 (25)
4.1.3 电机控制算法 (27)
4.1.3.1 电机控制原理 (27)
4.1.3.2 点滴速度控制 (28)
4.1.4 通信程序通信模块设计 (29)
4.1.4.1 串⼝通信参数设置 (29)
4.1.4.2 通信协议约定 (30)
4.1.4.3 主控模块设计 (31)
4.1.5 报警模块设计 (32)
4.2 从站各模块软件设计 (33)
4.2.1 主控模块设计 (33)
4.2.2 输⼊键盘模块的设计.................................................................33.
4.2.3 数码管显⽰模块的设计 (34)
第五章总结及展望 (37)
5.1总结 (37)
5.2 展望 (38)
5.3⼼得体会 (39)
致谢 (40)
附录⼀电路原理图 (41)
附录⼆部分程序清单 (43)
第⼀章绪论
1.1课题背景
输液(俗称打点滴)是临床医学上最常⽤的治疗⼿段。

在病⼈输液的过程中，往往由于病⼈体质虚弱、昏迷、⼊睡或者医护⼈员正在别处忙碌等⽽⽆法留意到输液全过程，从⽽需要专⼈监护，加重了护理⼈员的劳动负担，也不利于病区的综合管理当输液完毕，若处理不及时，病⼈的⾎液就会因空管⽽倒流⼈输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。

若处理过早，即药液还未完全输尽就摘瓶取管则⼜会造成药液的浪费等等。

因此常引发病⼈的不满以⾄投诉，使医护⼈员⾮常⽆奈。

本课题就是针对上述情况，通过声光报警监控的⽅法实现医院输液情况的实时监测，并通过单⽚机与数码管来实现输液数据的实时显⽰和存储，以及在特殊情况下的报警。

本课题对实现医院现代化、信息化有巨⼤的推动作⽤。

1.2课题研究的⽬的和意义
在输液远程监控系统中，信号提取是医疗监控系统⼯作的⾸要前提。

医疗输液信号⾃动检测和传输也是信号提取的过程，医疗⼯作⼈员常常需要检测和控制液体的储量或液位，如⼈⼯肾机的透析储液罐中液储量、⾃动洗胃机中冲洗液的液量、中医使⽤的药浴机中煎药锅中的⽔位、静脉输液液体量检测等等。

如果对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况下或者在可能会给患者带来伤害甚⾄危机其⽣命。

通过对这些液体储量的监测，医护⼈员便可以随时了解液体余量，并能在液体缺少时及时⾃动和⼈⼯补充或者采取其他措施，维护医疗设备的安全运⾏。

因此，如何更好地对医疗液位进⾏监测，⼀直是医学⼯程⼈员考虑较多的课题之⼀。

⽽在临床医学中，常采⽤静脉穿刺的办法将药液直接经静脉注⼊体内，这种输液⽅式称为静脉输液。

但长期以来没有经济有效的⾃动监控装置，对已输液量或剩余液量等的监控，从⽽需要专⼈监护，加重了护理⼈员的劳动负担，也不利于病区的综合管理。

为此我们设计利⽤检测输液滴数的输液监控系统，该系统⾃动监控输液点滴数，通过主站对从站的输液情况进⾏巡回检测和显⽰。

当剩余量低于设定下限值、输液速度过⾼或过低时，发出声光报警，提醒护理⼈员及时加以处理。

本系统由主站、从站和主从站数据线路组成，主站主要是实现输液数据远程监控、显⽰、存储和特殊情况下的报警。

从站主要是实现输液情况的实时监控。

由于不需要长距离传输信号，所以主从站数据传输线路采⽤通信线路简单的TTL 串⾏通信。

1.3 输液报警监控系统的⽅法
⽬前国内外常见的输液报警监控技术主要是对输液完成信息的提取，它概括起来共有5种⽅法:
①电极法它是从输液瓶⼝插⼊2根电极，利⽤药物的导电特性来检验瓶内药物是否⽤完。

毫⽆疑问，该技术具有较低的成本，但存在着安全隐患—药物特性是否会因通电⽽受到影响，还有电极的消毒问题。

②测重法它是利⽤弹簧秤或压⼒传感器或电磁感应开关(⼲簧管)根据药物重量变化来判断药液输完与否，⽅法虽然简便，但其可靠性和适应性(对袋装及塑料瓶装液体不宜)⽆疑受到质疑。

③液⾯检测法通过固定在输液瓶或输液管上的光电传感器(有采⽤半导体激光的，也有采⽤红外光的)利⽤液⾯下降到预定位置时对光的反射或折射情况的变化来判断药物输完与否。

其中检测瓶内液⾯的，同样可靠性及适应性受到质疑，⽽且采⽤激光光源的还将带来⼀个⾼成本问题。

④超声回波检测法它是通过脉冲信号激励超声波发⽣器发出超声波，当超声到达输液瓶中液⾯后被液⾯反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收需的时间，再根据超声波在介质中传播的速度及仪器安装⾼度，即可得出输液瓶中度。

具有
⾮接触的特点，且性能可靠、安全性好，具有实⽤价值，但是由于超声波探头价格昂贵及安装操作复杂，也阻碍了超声回波技术在静脉输液检测中的应⽤。

⑤液滴计数法它是根据临床医学的有关知识，⼀定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量与药滴数有关，⼀般来说从莫⾮管式滴管滴落的每⼀滴为1/20毫升，或者是每20滴液滴总计⼀毫升。

因此只要能检测液滴滴数，即可检测到药液的输⼊量。

这种技术由于操作⽅便、价格便宜，且可靠性，实⽤性好它已经得到了⼤量的使⽤。

1.4 本课题采⽤的输液报警监控内容⽅法简介
本课题研究的液体点滴速度监控系统采⽤对射式红外光电传感器，它具有⾮接触性测量，响应速度快，受环境影响⼩，测量精度⾼等优点。

它是⼀种可以利⽤其对物体表⾯⿊度的敏感特性，应⽤于测量微⼩的位移。

从光源红外发射管发射出的⼀定强度的光束到达测量⾯后，根据物体表⾯的不同⿊度和表⾯光洁度，部分光散射和反射到红外敏感接收管转变成为和接收管接收到的光强成正⽐的电信号。

对射式光电传感器分为投光器和受光器两部分．两者光轴重合在同⼀直线上。

⼯作时，投光器发出调制光，被受光器接收，变为电信号。

当被测体进⼊检测区时，光被遮挡，受光器⽆光可受．传感器输出状态改变。

输出脉冲再通
过脉冲整形和A/D转换变为⾼低电平，最后输⼊到单⽚机的外部中断0中去。

单⽚机根据⾼低电平的变化来判断液滴的有⽆和对液滴的计数;每⼀个⽔滴产⽣⼀个这样的不规则的负向脉冲，脉冲数⽬与⽔滴数⽬⼀⼀对应。

1.5本⽂的结构
本⽂共分为六章：
第⼀章绪论部分介绍输液监控系统在国内外的研究状况，以及本课题的意义和主要⼯作内容。

第⼆章介绍输液监控系统的总体设计⽅案，分析了系统需求，并对各部分⽅案进⾏了详细的论证⽐较，最终确⽴了各部分⽅案。

第三章对主站和从站当中的硬件部分进⾏了设计，分别给出了主站和从站的系统框图、核⼼部分电路以及通信接⼝部分硬件电路。

第四章对主站和从站的软件部分进⾏了设计，⾸先给出主站和从站软件的总体设计，然后对各模块软件部分分别进⾏设计。

第⼆章输液监控系统的总体⽅案
2.1 输液监控系统的设计依据和⽬的
普通输液是医院常见的⼀种将药液容器(瓶/袋)中的液体药物，通过输液器(管路)，在⼤⽓压作⽤下，向患者静脉输⼊药剂的治疗⽅法。

在病⼈输液过程中通常会有⼏种异常情况发⽣:(l)液体中有⽓泡;(2)针头堵塞;(3)管路堵塞;(4)液体已输完未被发现。

由于输液时间较长，护⼠不可能长间守在患者⾝边，因此上述⼏种情况会给病⼈带来烦恼和伤害，使护理质量下降，造成医疗纠纷。

通常药液中的⽓泡，在正常输液前已被护⼠排除，因⽽可暂不予考虑;病区内多个病⼈在同时输液，输液器分布状况，是医护⼈员所关⼼的。

⼈在输液过程中由于肢体移动或其它原因造成输液中断时，如何及时“准确得到报警信息，也是医护⼈员所关⼼的;病⼈输液结束，残液状况报警也是医护⼈员关⼼的;在利⽤中⼼静脉进⾏输液时，由于中⼼静脉压为负压，输液管路中药液尽时，空⽓极有可能进⼊右⼼造成栓塞，是医护⼈员所关⼼的。

对于上述问题的解决，国内外许多医护⼈员、⼯程技术⼈员想了不少办法。

主要的思路基本是围绕着如何报警来进⾏。

在实际医院护理⼯作中，护理⼈员⼯作⼗分繁忙，尤其是在中⼩医院，护理⼈员少，⽽病区接受输液的病⼈往往较多。

当输液出现异常情况时，即便是床边输液报警器发出了报警信号，护理⼈员也经常会听不到，或听到却来不及处理。

本设计研究的输液报警系统就是针对以上问题的。

在信号的获取部分，采取输液时药液下滴与没有药滴下滴时，通过对脉冲的变化，来得到液体点滴的信号。

在对信号的处理部分，由于液滴并不是规则的矩形，所以，由光敏⼆极管所得的脉冲也不是规则的矩形波，⽽是不规则的图形，⽽单⽚机程序只识别数字信号，所以，我们必须把模拟的原始信号通过转换电路转换成为数字信号。

报警部分的⼯作是建⽴在单⽚机⼯作的基础上的，在医院单⽚机输出低电平。

由于蜂鸣器的⼀端与电源相连⽽导通，蜂鸣器进⼊⼯作状态开始鸣叫，提醒护⼠液滴已输完或异常输液发⽣。

本系统采⽤“单⽚机从站单⽚机主站”⽅案实现了输液⾃动报警功能和上下位机的通信。

它在临床上具有很⼤的应⽤价值。

本系统的研制成功将⼤⼤降低了医务⼈员的⼯作量，减轻了病⼈的负担。

促进医院信息化、⽹络化、⾃动化、智能化的发展，⽅便了医院的⽇常管理⼯作。

本设计所设计的输液报警监控系统，是利⽤了当前市场上价格便宜的MCS-51单⽚机和光电传感器，它针对性强、使⽤⽅便、操作简单、成本低廉、
价格合理、利于推⼴等优点。

⽽它的第⼆个优点即为推⼴容易，它利⽤了已有的报警装置，不需要医院重新布线，从⽽合理利⽤了已有资源。

因此它将会有很⼤的实⽤价值和经济效益。

2.2系统⽅案论证与⽐较
2.2.1 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。

2.2.2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。

2.2.3液位监测⽅案⽐较
⽅案⼀：电极法它是从输液瓶⼝插⼊2根电极，利⽤药物的导电特性来检验瓶内药物是否⽤完。

毫⽆疑问，该技术具有较低的成本，但存在着安全隐患—药物特性是否会因通电⽽受到影响，还有电极的消毒问题。

⽅案⼆：测重法它是利⽤弹簧秤或压⼒传感器或电磁感应开关(⼲簧管)根据药物重量变化来判断药液输完与否，⽅法虽然简便，但其可靠性和适应性(对袋装及塑料瓶装液体不宜)⽆疑受到质疑。

⽅案三：液⾯检测法通过固定在输液瓶或输液管上的光电传感器(有采⽤半导体激光的，也有采⽤红外光的)利⽤液⾯下降到预定位置时对光的反射或折
射情况的变化来判断药物输完与否。

其中检测瓶内液⾯的，同样可靠性及适应性受到质疑，⽽且采⽤激光光源的还将带来⼀个⾼成本问题。

⽅案四：超声回波检测法它是通过脉冲信号激励超声波发⽣器发出超声波，当超声到达输液瓶中液⾯后被液⾯反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收需的时间，再根据超声波在介质中传播的速度及仪器安装⾼度，即可得出输液瓶中度。

具有⾮接触的特点，且性能可靠、安全性好，具有实⽤价值，但是由于超声波探头价格昂贵及安装操作复杂，也阻碍了超声回波技术在静脉输液检测中的应⽤。

⽅案五：液滴计数法它是根据临床医学的有关知识，⼀定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量与药滴数有关，⼀般来说从莫⾮管式滴管滴落的每⼀滴为1/20毫升，或者是每20滴液滴总计⼀毫升。

因此只要能检测液滴滴数，即可检测到药液的输⼊量。

这种技术由于操作⽅便、价格便宜，且可靠性，实⽤性好它已经得到了⼤量的使⽤。

综合⽐较上⾯五种⽅案，从实⽤，简便同时保证测量准确度上，使⽤光电传感器测量储液瓶液⾯⾼度是最理想的选择。

2.2.4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。

2.2.5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。

2.2.6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。

2.3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。

从站
图2-1 系统的结构框图
第三章系统的硬件设计
3.1 系统的硬件设计
根据本系统的功能具体要求，本监控系统的硬件设计主要由两⼤部分组成:
1、从站中央处理器由8051单⽚机构成，完成对某⼀具体的输液控制过程的监控。

同时还包括输液信号获取单元，脉冲整形电
路和A/D转换单元，声光报警电路，电机控制电路，液⾯检测电路。

其中信号获取单元完成输液信号的采集;脉冲整形和A/D转换电路把采集的模拟信号变为数字信号。

声光报警电路⽤来进⾏异常报警。

2、主站中央处理器由8051单⽚机构成，完成对液体点滴控制和显⽰。

3.2 从站的硬件电路图及⼯作原理
从站由8051单⽚机构成，同时还包括输液信号获取单元，脉冲整形电路和A/D转换单元，声光报警电路，电机控制电路，液⾯检测电路。

其硬件具体检测电路如图所⽰：
图3-1 从站设计硬件图
3.2 从站各系统单元的设计
3.2.1中央处理单元
本设计采⽤8051单⽚机作为中央处理控制器。

单⽚机是微型计算机中的个重要分⽀，是微型机发展到⼀定阶段的产物，它的全称是单⽚机微型计算机。

单机是把组成微型计算机的各个功能部件:中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输⼊/输出接⼝(1/0)、定时器、计数器及串⾏通信接⼝等采⽤⼤规模集成制作在⼀块芯⽚中，构成⼀个完整的微型计算机。

它特别适⽤于控制领域，其结构和指令功能都是按照⼯业控制要求来设计的，因⽽⼜叫做单⽚微型控制器(Single Chip Mieroeontroller)。

在国外也把它叫做单⽚微型计算器(Single Chip MICrocomputer)。

8051单⽚机是Intel公司于1980年推出的产品，含有⼀个8位处理器，128B RAM，21个专⽤寄存器，4KB的内部ROM，4个8位并⾏I/O⼝，⼀个全双⼯串⾏I/O⼝，两个16位定时器/计数器。

符合本次设计的要求，所以采⽤8051
单⽚机。

3.2.2点滴信号检测单元
此单元⽤来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采⽤红外对射式光电传感器，如图３－２所⽰：
图3-2 点滴信号检测电路
红外对射传感器是由红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现电—红外线—电的转换。

由于红外光波长⽐可见光长，受可见光影响较⼩，其红外系统具有尺⼨⼩、重量轻、易于安装等优点。

因此是检测液滴滴速的⾸选传感器。

为了减少环境光源的⼲扰、增强信噪⽐，采⽤脉冲调制的⽅式。

传感器的作⽤就是将被测物理量变化过程的信号按照⼀定的规律转化成为适于传输和记录的电量(电压或电流)信号。

传感器输出的电量信号通常⽐较⼩，不能直接⽤来显⽰、记录及进⾏A/D转换因此，我们需要有⼀个环节，把微弱的信号放⼤调整到能与A/D转换器输⼊电压相匹配的幅度。

信号放⼤就是把前⾯由光电传感器所采集到的光电信号转换成为能够处理的电信号。

R1为红外线发光⼆极管的限流电阻，R2起到电流转换为电压的作⽤。

当有液滴滴落时，滴落的液滴把发射管发射的红外光挡住，光敏⼆极管产⽣数值⾮常⼩的暗电流，再经过电阻R2时，R2就把光敏⼆极管上的光通量变化转换成了R1上的电信号的变化，再通过整形和A/D转换，最后送⼊到单⽚机中进⾏处理。

本系统⽤光电传感器ST178来检测单位时间内点滴下落的个数，ST178为单电源反射式光电传感器，内含有⼀个红外发光⼆极管，⼀个光敏三极管（⽤来接收反射回来的红外光）。

当发光⼆极管发出的红外光⼤部分被光敏三极管接收时，接收端光敏三极管导通；光敏三极管接收到的反射红外信号微弱时，接收端光敏三极管截⽌。

具体电路形式如图。

在图中，向下的那个脉冲就是由于液滴落下时，液滴挡住⼀部分的红外线使得红外线光敏⼆极管只能部分接收到红外线发光⼆极管所发出的红外线形成的脉冲，它的脉冲个数是和液滴的个数⼀⼀对应的，也就是说，只要能够数出脉冲的个数也就是知道了液滴的滴数了。

3.2.3点滴信号的⽐较、滤波、整形电路
传感器输出信号通常可以分为两类:⼀类为模拟量，例如压⼒、温度、加速度等的测量;另⼀类为数字量，例如⽤光电或电磁传感器测量转速等的测量。

对模拟量信号进⾏调整匹配时，需要经过放⼤电路、调制与解调电路、滤波电路、采样保持电路、A/D和D/A转换电路等。

⽽对数字信号进⾏调整匹配时，通常只需使信号通过⽐较器电路及整形电路、控制计数器计数即可。

因此是属于上⾯说的第⼆类，只要进⾏⽐较和整形即可。

本单元就是对由光电转换单元传出的数字信号进⾏整形和模数变换，以便实现和单⽚计的接⼝问题。

在本设计中所⽤的⽐较器是LM339A，主要是利⽤了它的单限⽐较器。

在本单元中所⽤的⽐较器是LM339A是单⽐较器，LM339A是晶体管结构，输出级是集电极开路结构。

它具有失调电压平衡调。