输液点滴速度检测仪设计方案

输液点滴速度检测仪设计

摘 要

随着科学技术的飞速发展，越来越多的领域需要对流体的流量或流速进行精确控制，尤其是在医疗领域方面。例如，临床上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。输液速度对病人和医疗人员来说都是至关重要的。不适当的输液速度会给病人带来危险，还会给医护人员带来不必要的麻烦，因此用一个输液控制仪器来进行输液速度的控制是很有意义的。 本文介绍的基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的设计是以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，并与直射式光电传感器相结合的液体点滴测量系统，它具有很高的应用价值和现实意义，运用实时LED模块，采用了汇编编程工具进行软件设计。系统设计充分考虑了信号检测电路及显示电路的可靠性与稳定性。该测量仪的特点是:操作简单、点滴速度测量稳定可靠、动态显示及时准确、成本低廉。 本文首先介绍了常用医用输液仪器的分类和现状以及未来医用输液仪器的发展趋势。其次，根据系统设计要求制定出传感器、单片机、显示模块等重要器件的选择方案，接着，根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、液体点滴的实时显示和报警等功能。最后，介绍了和系统硬件配套的软件设计过程。

关键词:传感器，单片机，输液，点滴速度，LED显示，计数

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目 录

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前 言

随着科学技术的发展，越来越多的领域需要对流体的流量或流速进行精确控制，如化工领域里对微量化学元素的检测和分析常需精确控制流量。医疗保健领域中药液的流量与

流速有时也要精确控制。

静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。临床

上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。输液过快，可能会导致中毒,更严重时会导致水肿和心力衰竭。输液过慢则可能发生药量不够或无谓地延长输液时间，使治疗受影响并给患者和护理工作增加不必要的负担。常规临床输液，普遍采用挂瓶输液，并用 眼睛观察，依靠手动夹子来控制输液速度，不易精确控制输液速度，而且工作量大。目前医用输液仪器系统主要由以下几部分组成：微机系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置。

医用输液仪器可满足多种功能的需求，归纳起来，输液泵能够实现以下功能: (1>可精确测量和控制输液速度。 (2>可精确测定和控制输液量。 (3>液流线性度好，不产生脉动。

(4>能对气泡、空液、漏液、心率异常和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切断输液通路。

目前在我国的大、中、小型医院及下属社区卫生院、诊所等医疗机构进行输液治疗，输液速度和输液量几乎全部都是不准确的。输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，输液量也是护士用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的。输液速度监控等仪器设备没有被广泛采用。这样不仅会影响预期治疗效果。而且对于一些对人体器官作用敏感需要严格控制输液速度和输液量的药物，由于个体差异机体耐受力不同，特别是在手术中、大手术后以及病情危重需要严格控制输液速度和输液量的人群，会导致病情加重，有的甚至危及生命。输液泵是解决输液速度的一种有效方法，采用动力挤压输液，在一定时间内输液量是一定的，但期间点滴速度并不均匀。而且机器成本和耗材成本太高，只适用于急救和重症情况。SJK型数字输液监控仪性能稳定，使用简便、易操作，但价格比较昂贵，应用较少。而在未来的医疗机构里，特别是一些著名的大型医院里，在给病人输液时，对输液速度和输液量的数值的准确程度的要求会越来越高，因此就需要既实用又廉价的输液检测新产品的出现。 课题的任务是设计并实现一个基于单片机的液滴点滴速度自动检测仪，检测仪表具有意外情况报警功能与液滴速度实时显示功能，本课题主要完成以下几方面的工作: (1>检测仪的整体方案设计。根据检测仪功能要求并且考虑产品的性价比，决定采用单片机与红外传感器相结合。 (2>检测仪硬件设计。主要包括单片机芯片的选型、红外传感器的选型及电路的设计。

(3>检测仪软件设计。主要包括显示、液滴检测程序设计和报警程序等。 (4>检测仪的实验结果分析。

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第一章 液体点滴速度检测仪的传感器设计与分析

§1.1 红外传感器概述

红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线[1]。人眼可见的波长为380nm-78mm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线，红外线光电传感器，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通电路而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，而且检测距离可近可远，根据具体情况选择自己合适的传感器即可，图1-1为不同波长的光的分布情况。 图1-1 光的波长分布图

§1.1.1 直射式光电传感器

直射式光电传感器包括在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，直射式光电传感器是最可靠的检测模式。直射式光电传感器结构示意图如下： 个人资料整理 仅限学习使用

图1-2 直射式光电传感器结构示意图

§1.1.2 直接反射式光电传感器

直接反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。直接反射式光电传感器结构示意图如下： 图1-3 直接反射式光电传感器结构示意图

§1.1.3 槽式光电传感器

槽式光电开关通常是标准的U字型结构其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一个光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化的信号，分辨透明与半透明物体，但槽间的距离一般比较小，不适合检测体积较大的物体。槽式光电开关传感器结构示意图如下： 图1-4 槽式光电开关传感器结构示意图

§1.1.4 反射板反射式光电传感器

反射板反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射板，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。反射板反射式光电传感器示意图如下： 个人资料整理 仅限学习使用

图1-5 反射板反射式光电传感器

§1.2 传感器的设计

§1.2.1 传感器的选用原则

传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此根据需要选用最适宜的传感器[5]。 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量电路也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器选择是否合理。

§1.2.1.1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：测量距离的大小；被测量位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式。信号的引出方法，有线或是无线测量。传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后，就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

§1.2.1.2 输入光波长的选择

通常，在光电传感器的使用范围内，可见光的影响是无处不在的。因此要注意光电开关发射器与光电开关接收器的波长敏感范围。如果接收器可接收的光的波长范围很宽，与被测量无关的外界光信号也容易混入.也会被放大系统放大，影响测量精度。因此选择光电传感器的时候，要求传感器本身应具有最佳波长使用范围，尽量减少外界信号的干扰，如果传感器对可见光非常的敏感，可以将传感器系统与可见光隔离，避免其受到外界影响。

§1.2.1.3 频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总会有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，频率低的传感器可测信号的频率较低，在动态测量

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中，应根据实际信号的特点来确定所需传感器的频率响应特性，以免产生过大的误差，因为液滴下落的速度很慢，要求传感器频率很低即可，所以一般的光电传感器都可以满足此项要求。

§1.2.1.4 稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力被称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，液体点滴速度测量装置的使用环境非常好，此项要求很容易得到满足。

§1.2.1.5 精度

精度是传感器的一个重要的性能指标.它是关系到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，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选地过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

§1.2.2 传感器的选用

在此次设计中，对于测量液滴的滴数来说，可以选用多个传感器。根据传感器的特性分析得出，红外传感器是比较好的选择。在红外传感器中，又分很多种。所以需要选用一个最佳的方案。 方案一，采用液位传感器来检测。将一液位传感器置于受液瓶中，根据液位传感器感受到的液位起伏来检测是否有点滴落下。 方案二，采用红外对管实现，根据光敏三极管接收到的光强的强弱变化，从而使光敏三极管产生电流，经整合形成高低电平进行输出，通过对高低电平的变化来判断是否有液滴地下。 方案三，采用光纤传感器，将光线传感器固定于滴斗外侧。当有液滴落下时，光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动，从而判定是否有液滴落下。 综合分析，方案一将传感器置于液体中，不可取。同时由于相邻两次液位差距很小，会引入较大的测量误差。方案三采用光纤传感器，测量精度较高，但是光纤传感器的成本很高。方案二成本低，电路简单，且不受可见光的干扰，稳定性好，测量相邻点滴下落时间间隔即可确定点滴速度。因此采用方案二。

§1.3 传感器的几何光学分析

传感器几何光学分析主要说明红外发光二极管与光敏三极管的各种不同安装位置，对检测结果的不同影响，如果安装位置不合理，会导致检测失败，从而不能够达到检测输液速度的目的。通过分析红外发光二极管与光敏三极管中心线与水滴下落过程中的相对位置关系，得出水地下落过程中，红外发光二极管与光敏三极管可靠的检测位置。根据主要药液的折射率的范围，这里选用的折射率的平均值为1.40[12]。 此次设计中，传感器是由一个光电耦合系统组成，这个系统主要由一个发光二极管和一个光敏三极管构成。通过光敏三极管对光的强弱感应，进行电流的变化，电流经整流后

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由CD4093整合成电平信号进行输出。

§1.4 本章小结

本章主要介绍了红外传感器的分类、各种红外传感器的结构、选用、各种分析等。同时在传感器的选择方面，进行了多种方案的提出、选择、与比较，最终确定了在本次设计中使用由光敏器件构成的传感器。

第二章 硬件设计

§2.1 系统总体设计

系统原理框图如图2-1示：

传感器检测 信号整形 AT89C51 报警 数码管显示 数据处理 图2-1 系统设计框图

点滴速度检测仪以AT89C51单片机为核心，由数码管电路、传感器检测电路、限速报警电路等部分组成。传感器检测电路发出微弱的电信号，经过信号调理电路的放大整形处理，转变成单片机能够接收的电信号，通过单片机的定时计数控制，经过数据的计算处理送数码管显示模块显示，实时显示当前液滴数，可实现实时更新一次当前输液速度值。当液体点滴速度超过所设定的极限速度时限速报警电路发出报警信号，提示医护人员目前的输液状况异常。 检测仪工作过程

第一: 接通电源，发光二极管开始点亮

第二：液滴通过传感器，传感器工作，进行信号输出。 第三：信号进入单片机，单片机进行内部计数，同时存储。 第四：将计数后的结果送至数码管进行动态显示。

第五：可以预先设定输液速度的上限值与下限值，当前显示的输液速度高于上限值或

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低于下限值时，可以自动发出报警信号，提醒医护人员。 第六：关闭电源，停止检测。

§2.2传感器滴数检测电路

传感器滴数检测电路主要由发光二极管和光敏三极管组成的一对发射、接收管的电路组成，如图2-2示。无液滴低落下时，接收管接收到的光强较强。有液滴低落下时，下落中的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的散射作用，导致接收光强的较大改变。接收管接收到的信号经整形后，送至单片机的计数器T0，据此就可以正确地检测出液滴的滴落。图2-2给出了传感器滴数检测电路的电路图。 图2-2 传感器检测电路

§2.3 发射器与接收器

选用砷化镓红外发光二极管与硅光敏三极管，构成直射式光电传感器。主要应用于光电输入机及光电读出装置的光源，也可应用于光电控制自动控制及光电耦合的红外光源，

[8]

结构上采用环氧树脂全包封，工作温度适用于-40 -85。

§2.3.1 红外发光二极管

砷化镓红外发光二极管主要用于光电输入机及光电读出装置的光源，光电控制以及光电耦合的红外光源，采用环氧树脂全包封[8]。 红外发光二极管的特性曲线：在这里介绍红外发光二极管的特性曲线，是用来确定二极管正常工作时的正向电压，发光波长，工作电流的。正向伏安特性取向和发射光谱分布曲线如图2-3示。图2-3中，左图为正向伏安特性曲线，右图为发射光谱特性曲线。 左图中，可以看出，正向电压小于1V时，正向电流几乎不变化，等于零；当正向电压大于1V时，电流随着电压的增大显著变化。红外发光二极管正常工作时，正向电压大约为1.3V。在右图中，根据曲线可以看出，当红外发光二极管的发光波长为0.94µm时，相对发光强度达到顶峰值，因此理想光敏三极管对入射光波长的敏感响应程度也应该在0.94µm附近时选择光敏三极管的重要依据。 个人资料整理 仅限学习使用

图2-3 发光二极管特性曲线图

§2.3.2 光敏三极管

光敏三极管由三个引脚组成，如图2-4示，包括1脚发射极，2脚基极，3脚集电极。

图2-4光敏三极管

硅光敏三极管用于近红外光探测器，以及光耦合，特性识别，过程控制等方面。用陶

瓷底座环氧封装。上面分析到光敏三极管的理想响应波长应为0.94µm。真样才能让设计达到理想的效果。光敏三极管容易受外界环境因素的影响。当光线增强时，光电流也随之增强；当环境温度升高时，光电流也随之变强了，从而可见，光敏三极管容易受外界环境因素的影响，尤其是光线和温度的影响。在设计过程中是个不可忽视的因素。对外界环境因

素的考虑要慎重，否则一点小的马虎就会影响设计的结果和效果。

§2.4 电路参数的计算

在图2-2中，当液滴地落在二极管与硅光敏三极管之间时，硅光敏三极管被液滴遮挡不能接受到红外光，因此硅光敏三极管截止，三极管9014导通，输出端产生低电平信号，当红外发光二极管与硅光敏三极管之间没有液滴滴下时，红外发光二极管发出的光能够被硅光敏三极管接收，因此硅光敏三极管导通，三极管9014截止，输出端产生高电平信号，产生的高低电平信号经过CD4093整形变成标准的高低电平信号送入单片机进行计数，单片机的另外一个定时/计数器进行定时，进过一定的程序算法实现了对液体点滴速度的检测。 如图2-2示，红外发光二极管选定后，红外发光二极管的正向压降最大正向电流确定了，因此根据电源电压，可以算出电阻,如式2-1。 <2-1）

式中：

：电源电压

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：正向压降(< 1.50> ：最大正向电流

当光敏三极管选定后，三极管的集电极与发射极间的饱和电压、集电极电流为已知参数，通过式2-2可以求得。

<2-2）

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

当三极管9014选定后，根据式2—3可以求得。

<2-3）

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

根据选定的三极管9014，可以用式2—4求得

。

<2-4）

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

由此来设计传感器的检测电路,以上为传感器检测电路的设计。

§2.5 单片机的选择

§2.5.1 现有主流单片机的概述

MCS- 51系列单片机是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的，很快就在全世界得到广泛的推广应用。十多年来，MCS-51系列单片机无论在教案、工业控制、仪器仪表、信息通信，还是在交通、航运、家用电气领域，都取得了大量的应用成果。Intel公司虽然已经把精力集中在计算机的CPU生产上，而渐渐放弃了微控制器的生产。但是，以MCS-51技术核心为主导的微控制器技术已被ATMEL,PHILIPS等公司所继承，并且在原有基础上又进行了新的开发，从而产生了和MCS-51兼容而功能更加强劲的微控制器系列。ATMEL公司所生产的89系列单片机就是基于Intel公司MCS-51系列而研制的并与MCS-51兼容的微控制器系列。 ATMEL公司是美国在20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于Flash存储器技术和高质高可靠性生产技术。随着业务的发展，在20世纪90年代初，ATMEL公司一跃成为全球最大的EEPROM供应商。1994年为了介入单片机市场，ATMEL公司以EEPROM技术和Intel的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核

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的使用权。ATMEL公司把自身的先进Flash存储技术和80C31核相结合，从而生产出了Flash单片机AT89C51系列。这是一种内部含Flash存储器的特殊单片机。由于它内部含有大容量的Flash存储器，所以，在产品开发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS-51系列单片机的主流单片机之一。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有4K字节的Flash存储器。其价格低、引脚方便，是目前性能价格比较高的现用主流单片机芯片之一。

§2.5.2 单片机的选用

本检测仪在数据处理上速度要求不是很高，8位机即可。单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器[3]

制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。

§2.5.2.1 主要性能[5]：

<1）与MCS-51 微控制器产品系列兼容。

<2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器 <3）存储数据保存时间为10年

<4）宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V <5）全静态工作：可从0Hz至16MHz <6）程序存储器具有3级加密保护 <7）128*8位内部RAM <8）32条可编程I/O线

<9）两个16位定时器/计数器

<10）中断结构具有5个中断源和2个优先级 <11）可编程全双工串行通道

<12）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容

§2.5.2.2 AT89C51引脚图

AT89C51有40个引脚，如图2-5示。

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图2-5 AT89C51引脚图

§2.5.2.3 各个引脚说明

图2-5为AT89C51的引脚图，对其在本次设计中的主要使用的引脚说明如下：

VCC：电源电压，AT89C51电源的正极输入端，接+5V电压使AT89C51单片机正常工作。是单片机的电源提供端口。 P0: P0口(P0.0~P0.7>是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线<低8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O 口用P0口每一个引脚可以推动8 个LSTTL 负载。 P2：P2口(P2.0~P2.7>口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口>，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。 P1: P1口(P1.0~P1.7>口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口>，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3: P3口(P3.0~P3.7>口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口>，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下： P3.0 RXD 串行通信输入。 P3.1 TXD 串行通信输出。

P3.2 INT0 外部中断0 输入，低电平有效。 P3.3 INT1 外部中断1 输入，低电平有效。

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P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端。 P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端。

P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效。 P3.7 RD 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。在单片机内部，它是一个法相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应该接地。 GND：电源接地端。

此次设计中，用单片机实现的是一个计数存储功能。主要应用的计数器是其内部的定时器/计数器。单片机的定时器/计数采用增量式计数。也就是说，当运行于定时器方式时，每隔一个机器周期定时器自动加一；当运行于计数器方式时，每当引脚出现下跳沿，计数器自动加1.无论是作定时器还是计数器，当T0或T1加满回零后，定时器回零标志置1。而当允许中断时，TF可以申请中断进而在中断服务中作相应的操作；TF也可以用程序判断定时到或计数满的标志位[13]。

§2.6 显示部分设计与分析

显示技术是传递信息的技术，显示器件是显示技术的基础。几十年来的发展，显示器件已成为一个大家庭。利用不同的电光原理，具有不同的结构特点，适应不同环境和条件的各种显示器件构成一个大家庭。 显示器在仪器仪表、手持设备、电话系列、家用电器、运动耗材、医疗保健仪器等电子产品中得到了充分广泛的应用。同时对显示器的要求要显示清晰、直观、准确。 此次设计的显示部分可有多种方法实现，可以用液晶显示，可以用数码显示，还可以用荧光管显示。但是考虑到此次设计的标准何和可实现性。对于液晶显示器来说，费用相比较高，虽然实现与操作方便，但是考虑到费用，相比液晶显示器和荧光管显示器来说，数码管显示是比较理想的选择。

§2.6.1 数码管的选用与特性分析

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元<多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM>的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM>的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。在此次设计中，使用的是共阴极七段数码管。是因为计数的值全位整数，没有小数[22]。 点亮LED显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通和截至，这种方式，每一位显示都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，一般仅用于显示器位数较少的场合。 所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示位的亮度既跟导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有

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关。动态显示器因其硬件成本较低，多数显示时常常采用。下图为七段数码管内部结构与引脚图：

图2-6七段数码管内部结构与引脚图

数码管使用条件：<1）段及小数点上加限流电阻；<2）使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定；<3）使用电流：静态：总电流 80mA<每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA峰值电流 100mA。 上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的。 数码管选用好后，将与其他硬件连接以完成一个理想的动态显示系统。然而，每个数码管都需要6个段码扫描端和2两个位码扫描端。但是单片机上输出口只有有限的几个可以使用，难以满足数码管的多输入<单片机多输出）的要求。因此，需要解决端口的局限问题进行进一步的设计。解决端口问题时，我们使用双向总线发送器/接收器74LS245与高压输出反相缓冲器/驱动器74LS06进行对端口的扩展与补充。

§2.6.2 74LS245 分析与使用

74LS245是显示模块中不可缺少的一个元件。它在显示的是段码扫描部分有着重要作用。74LS245为三态输出的八组总线收发器。 74LS245逻辑原理图如下图所示：

图 2-7 74LS245逻辑原理图

从图中可以看出，A为总线端，B为总线端，/G为三态允许端(低电平有效>DIR为方向控制端。本次设计采用的是A端输入，B端输出的功能 §2.6.3 74LS06 分析与使用

74LS06 为集电极开路输出的六组反相驱动器，其主要电特性的典型值如下表所示：

表 2-1 74LS06电气特性

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74LS06功能表如下表所示：

表2-2 74LS06功能表

74LS06逻辑原理图如下图所示：

图2-8 74LS06逻辑原理图

从图中可以看出：引出端符号 A1－A6 为输入端，Y1－Y6 为输出端。

§2.7 硬件设计总原理图和PCB图

图2-9 电路原理图

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图2-10 PCB设计图

§2.8 本章小结

本章主要介绍了本次设计的硬件设计部分。包括硬件的组成搭建设计、各个硬件的结构介绍如AT89C51、光敏三极管、LED数码显示管等。应用Protel软件画出了原理图，并且画出了PCB图。 第三章 软件的设计

§3.1 软件设计概述

良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。本系统的设计方案和步骤如下[8]: <1）根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。

<2）明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件调试。

<3）确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。

(4>按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。 计算机是按照程序一条条依次执行指令而工作的，根据具体的需要选择合适的设计语言，对完成设计任务，设计质量，设计速度至关重要。程序设计语言有三种:机器语言，汇编语言和高级语言。机器语言是计算机唯一能“懂”的语言，用汇编和高级语言编写的程序 (称为源程序>最终都必须翻译成机器语言的程序(称为目标程序>计算机才能看“懂”然后逐一执行。但是机器语言是一种用二进制数0、1组成的代码，人们不容易辨识、记忆、而且很容易出错，出错后查错任务更加艰巨，所以很难用它来进行程序设计。 在此次设计中，选用的是汇编语言，相比高级语言，汇编语言存在诸多弊端，比如没有关键字及运算函数的功能、程序过于冗长等。尽管相比高级语言如C语言等，较汇编语言相比有许多的优点，但汇编有其自身的特点和长处，在编制程序的工作量不大、规模较小，一般不需要移植的计算机系统的情况下，使用汇编语言也十分的方便，而且高级语言源程序要通过预存于计算机存储器内的编译程序或解释程序才能翻译成机器语言，而存储器较小的计算机系统容纳不下，因此无法配用这些工具程序，但是汇编语言可以直接翻译

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成机器语言，然后再由计算机去识别和执行。因此运用用汇编语言编程是很方便的了。 汇编语言中由于使用了助记符号，用汇编语言编制的程序输入计算机，计算机不能象用机器语言编写的程序一样直接识别和执行，必须通过预先放入计算机的\"汇编程序\"的加工和翻译，才能变成能够被计算机识别和处理的二进制代码程序。用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序，运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程序，它一经被安置在内存的预定位置上，就能被计算机的CPU处理和执行[8]

。 汇编语言像机器指令一样，是硬件操作的控制信息，因而仍然是面向机器的语言，使用起来还是比较繁琐费时，通用性也差。但是，汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快，有着高级语言不可替代的用途。 汇编语言主要用在设备控制、加密破解、开发单片机产品.对计算机性能的优化等。一般用于开发单片机产品，计算机系统的启动引导就必须使用汇编语言来编辑，否则不能用的。可以很好的实现微电子控制。 用汇编语言编制程序时，程序的每一条语句都与计算机的某一条具体的指令相对应，因此必须熟悉机器的指令系统。另外，根据统计，编译成机器语言后，高级语言较汇编语言的长度增加15%-200%，占用的内存空间随之扩大，执行的时间也相应增长50%-300%。因此对于要求反映灵敏与控制及时、检测等实时控制系统，采用汇编语言编程的优越性也很明显。 液体点滴实时检测系统的软件全部采用汇编语言编写，以提高系统的灵敏性和实时性。其设计方法和硬件设计相对应，采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，便于设计、调试。此次设计中程序的编写与仿真环境应用的是WAVE仿真环境。

§3.1.1 WAVE仿真环境的硬件特点

伟福仿真品种多、功能强，和国内外同类高档仿真器功能相比，软、硬件方面具有多种先进特点[2]。硬件方面先进的特点如下： 1、通用仿真器：主机+POD组合，通过更换POD，可以对各种CPU进行仿真。对不同的应用场合，用户如果选择不同的CPU，通常就要更换仿真器，而伟福仿真器则采用主机+POD组合，支持多类CPU仿真。 2、仿真CPU外置：直接位于用户板的上方，提高仿真频率以及降低信号噪声，而无须缩短您的仿真电缆。

3、强大的逻辑分析仪综合调试功能：逻辑分析仪由交互式软件菜单窗口对系统硬件的逻辑或时序进行同步实时采样，并实时在线调试分析，采集深度 32K(E6000/L>，最高时基采样频率达20M，40路波形的可精确实时反映用户程序运行时的历史时间。 4、强大的跟踪器功能：跟踪功能是以总线周期为单位，实时记录 CPU仿真运行过程中，总线上发生的事件，其触发条件方式同逻辑分析仪。 5、波形发生器功能：伟福V8/L仿真器可以输出 8路可编程数字波形，波形深度达 32K，最高频率为20MHz。 6、影子存储器：用户在程序全速执行时，可以实时观察到时 MCS51 系列 CPU 和 MCS96 系列CPU的外部数据的变化。 7、程序时效分析：统计每个函数、过程运行时间，以及占整个程序运行时间的百分

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比。在设计高效率程序时，就要知道程序中各函数、各过程运行时间及占总时间的百分比，程序时效分析可以对此进行统计分析。 8、数据时效分析：与程序时效分析相似的是，数据时效分析，它可统计每个变量被访问的次数及占整个程序访问次数的百分比。 9、硬件测试：对于MCS51系列CPU和MCS96系列 CPU可以静态地输出地址、数据以及ALE、PSEN、BHE、RD、WR 等读写控制信号，从而可以从用户板上静态地测量这些信号的值，从底层去控制、分析电路的工作状态，可以准确方便地检测硬件方面的隐蔽问题。 10、事件触发：用于指定用户程序运行时，出现的各种事件，这些事件包括地址条件、数据条件、控制信号条件、外部信号条件以及这些条件的组合，用这些事件来触发、控制逻辑分析仪、程序跟踪器的运行，以捕捉程序运行时出现的各类复杂情况，迅速定位设计中软、硬件问题所在。 11、记时器：记录程序运行时间。

12、双CPU结构: 由监控CPU控制仿真CPU完成仿真工作，100% 不占用户资源。全空间硬件断点，不受任何条件限制，支持地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行时间统计。

3.1.2 WAVE仿真环境的软件特点

1、双工作模式：a> 软件模拟仿真<不用仿真器也能模拟运行用户程序）。b> 硬件仿真。

2、真正集成调试环境： 集成了编辑器、编译器、调试器，源程序编辑、编译、下载、调试全部可以在一个环境下完成。 3、工程管理功能：现在单片机软件越来越大，也越来越复杂，维护成本也很高，通过工程管理可化大为小，化繁为简，便于管理。工程管理功能 也使得多模块，多语言混合编程。 4、多语言多模块混合调试：支持ASM<汇编）、PLM、C语言多模块混合源程序调试，在线直接修改、编译、调试源程序。如果源程序有错，可直接定位错误所在行。 5、直接点屏观察变量：在源程序窗口，点击变量就可以观察此变量的值，方便快捷。

6、强大的书签、断点管理功能：书签、断点功能可快速定位程序，为编写、查找、比较程序提供帮助。

7、类似IE的前进、后退定位功能：可以在工程内跨模块地定位光标前一次或后一次位置，为比较、分析程序提供帮助。 8、方便实用、功能多样的源程序编辑窗口：<1）、窗口分隔功能。<2）、语法相关彩色显示，使得编写程序轻松，观察程序醒目。<3）、书签功能提供多达 9个书签，使得您在分析、比较、检查大程序时从容不迫。<4）、寻找配对符号功能为您在复杂程序嵌套中找到“另一半”。<5）、多行程序的同进同退功能，可以使得程序错落有致，帮您编写优美、整洁的程序。 9、外设管理功能：外设管理可以让您在调试程序时，观察到端口、定时器、串行口中断、外部中断相关的寄存器的状态，更可以帮您完成这些外设的初始化程序，包括 C 语言和汇编语言，而您所做的只是填表，定义外设所要完成的功能。 10、功能独特的反汇编功能： 伟福独创的控制文件方式的反汇编功能，可以帮助你

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将机器码反汇编成工整的汇编语言，通过控制文件你可以定义程序中数据区、程序区、无用数据区，还可将一些数据、地址定义成符号，便于阅读。你若丢了你的源程序，它可帮你迅速恢复。

§3.2 主程序

此次设计的系统软件设计主要由以下几个部分组成：<1）数据处理模块 <2）液滴检测模块 <3）显示模块 <4）报警模块

主程序流程图如图3-1所示。

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图3-1 主程序流程图

系统主程序主要讲述整个系统的执行过程，首先接通电源系统开始工作。系统开始后，开始启动液滴检测程序，将每个液滴经过的数据传给单片机进行处理，单片机将处理后的结果存储，调用显示子程序显示检测结果，调用报警子程序比较当前显示速度值与设定的安全极限值相比较，如有异常则启动报警，否则，执行当前任务。

§3.3 显示子程序

§3.3.1 显示子程序流程图

地址指针设置 个人资料整理 仅限学习使用

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§3.3.2 动态显示分析

设计中所用的显示方式是动态显示，动态显示，也称扫描显示。动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余晖效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。这次显示器由3个共阴极LED数码管构成。单片机的P0口输出显示段码，由一片74LS245驱动输出给LED管，由P1口输出位码，经74LS06输出给LED管。但是动态扫描显示模块不具有数据锁存的功能。显示部分程序见附录。 §3.3.3 计数子程序分析

设计中，计数部分由单片机的内部计数器来实现。AT89C51的内部有两个定时/计数器T0和T1，16位是指定时/计数器内的计数器是16位的，由2个8位计数器组成。本设计用的是T0，它的2个8位计数器TH0和TL0，TH0是高8位，TL0是低八位。所谓加法计数器，指其计数的方法是对计数脉冲每次加1。在其它单片机和可编程计数器芯片中，有的计数器是减法计数器，如8155的14位计数器，8253的16计数器，即先设置计数器的初值，然后对计数器脉冲每次减1，减到0，计数器溢出。而AT89C51内部的计数器是加法计数器，需先设置计数器的初值，本实验设置计数器初值为0，然后对计数脉冲每次加1，加到计数器满后溢出。经过整形后的脉冲由P3.4引入定时器T0。单片机在每个机器周期采样一次输入波形，因此单片机至少需要两个机器周期才能检测到一次跳变。这就要求被采样电平至少维持一个完整的机器周期，以保证电平在变化之前即被采样。

§3.3.4 计数子程序流程图

开始 开始计数 设置工作方计数，输出计 式 数值 图 3-3 计数子程序流程图

图 3-2 显示子程序流程图

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经过软件的编译与仿真后，程序调试正确。具体的调试图如图3-4所示。

图3-4 软件仿真结果图

§3.4 本章小结

本章主要介绍软件的系统构思和设计。通过软件的编译与实现，使光敏三极管产生的整形脉冲进入单片机的P3.4口，在进入计数器T0进行加法计数。然后，在由显示部分将计数器T0记录的结果实时动态显示出来。使得硬件在软件的驱动下完成事先预设的任务。

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第四章 系统调试

§4.1 焊接与检测

根据前面的具体设计，对实物进行焊接，按照PCB设计图对实物元件进行焊接。焊接过程中，使用数字万用表对每个元件和焊接点进行检测，以保证每个元器件的完好性和焊接点的接触良好性。焊接的实物图见附录二。

§4.2 系统调试

系统调试是在天煌教案实验台上完成的。由于无法接入红外传感器，并且实验台上也没有安装类似的传感器，所以使用了一个脉冲发射器代替传感器产生的脉冲进行软件的仿真和调试。调试结果正确。

§4.3 调试图

图4-1为在天煌教案实验台上的仿真与调试连接图。图4-2为仿真调试正确后的显示结果。包括LED数码管的数码显示和八位LED数码管的逻辑电平显示。在调试过程中，为证明结果的正确性，使用LED数码管和把为逻辑电平进行验证显示，结果是一模一样的，说明检测结果正确 图4-1 系统调试仿真硬件连接图

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图4-2 仿真调试结果

§4.4 本章小结

本章主要对设计的总体部分包括硬件和软件的调试。软件部分的调试包括通过用wave6000仿真软件在浙江天煌教案用实验台上的仿真。硬件部分的调试包括在焊接版上的焊接与焊点检测和软件在实物设计中的调试。

结 论

本次设计的是一个输液点滴实时检测系统。它采用红外传感器和单片机的结合，应用单片机的计数功能和数据处理功能将所检测到的值进行实时输出显示。按照时间的长短进

行检测，最终计数结果显示在LED数码管上。

经过这几个月的努力，基本达到了任务要求，并制作出了实物板。通过对设计实物的

调试总结如下：

<1）设计的软件部分各个模块仿真成功，完成了从红外传感器发出脉冲到单片机记录

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脉冲通过显示部分显示出来的过程。并且在实验台上成功仿真，测试结果比较准确。<2）发射管和接收管的中心线设计偏移距离较大，某一角度的液滴检测失败。但是不

影响总体的效果。

<3）本次设计的检测仪较易受外界影响。

在此次设计中，通过理论课的实践和研讨，取得了初步成果。在这次设计中，红外传

感器的设计是最难的部分，由于市场上没有成型的类似传感器销售，这使得在液滴的检测方面的设计难度加大了。同时，对于红外传感器的设计，在各个元件的值的就算方面有很 多不足，存在一定的误差。软件方面基本已经实现预期的功能，每个模块都正常运作。

参考文献

[1] 张毅刚.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1999:23-25 [2] 涂时亮.单片微型计算机原理及应用.上海:上海科学技术出版社.1987:90-92

[3] 陈光东,赵性初.单片微型计算机原理及与接口技术(第二版>.武汉:华中科技大学出版

社.1999:10-15 [4] 李广弟.单片机基础. 北京:北京航空航天大学出版社.2001:100-121

[5] 陈光东.单片微型计算机原理及其C语言程序设计.武汉:华中科技大学出版

社.2004:82-85

[6] 陈汝全.单片机实用技术.北京:电子工业出版社.1992:133-134

[7] 马共立.MCS-51单片机实用程序库.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1989:201-203 [8] 李振格.微机高级语言与汇编语言接口技术和实例.北京:北京航空航天大学出版

社.1994:52-53 [9] 王毅.单片机器件应用手册.北京:人民邮电出版社.1995:176-185

[10] 赖麟文.8051单片机C语言软件设计的艺术.北京:科学出版社.2002:121-122

[11] 周佩玲.16位微型计算机原理接口及其应用.安徽:中国科学技术大学出版

社.2005:150-162 [12] 唐俊翟.protel DXP 原理与应用.北京:冶金工业出版社.2003:15-250

[13] 刘文涛.protel 2004设计及应用基础教程与上机指导.北京:清华大学出版

社.2006:10-112 [14] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社.2003:306-352

[15] 徐爱华.单片机应用技术教程.北京:机械工业出版社.2003:421-431 [16]何立民.单片机系统设计.北京:北京航空航天大学出版社.2003:362-366

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[17] 康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分.北京:高等教育出版社，2002年：78-90 [18]刘光斌等.单片机系统实用抗干扰技术.北京:人民邮电出版社,2004年:50-51

[19] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003年：10-30 [20] 李克春.IBM-PC系列机接口与通讯原理实例.大连:大连理大学出版社，1998年:14-46 [21]Schiffman HR.Sensationand Perception.NInc.1996:38 [22] Maxim 2000 New Releases Data Book Volume IX ,pp.7.241-7.263 [23]Low Cost,Low Power Instrumentation Amplifier AD620,ANALOG DEVICES DATA

SHEET [24] Jacob Millman, Arvin Grabd: Microelectronics , 2nd Edition , McGraw—Hill,Inc.1988：

54-79 [25]AnastasiAUrbinaS.PsychologicalTesting.NeInc.1998:112-118 [26]WeiskrantzL.Blindsight:notanislandun.1995:146-151 [27] Grosch J Neale A Demers R Neurobehavioral and health related deficits in solventexposed

painters Am J Ind Med.1996:5-10 [28]Chuwers P Osterloh J Kelly T Neurobehavioral effects oflow level methanol vapor exposure

in healthy human. 1995:14-21 [29]Volunteers Environ ResMangold S Laubli T Krueger H Effects of a low alcohol doseon

static balance fine motor activity and mental performance. 1996:54-55 [30] Casali JG,Wierwille W. On the Measurement of PilotPerceptual Workload:AComparison of

Assessment Techniques Addressing Sensitivity and Intrusion Issues. Ergonomics. 1984:133-150

致 谢

本次课题是在张晓兰老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。在完成课题期间，张老师给的学习和生活创造了许多有利条件，尤其是她严谨细致的工作作风、宽以待人的高尚品质和谆谆教诲是我终身难忘，使我在大学学习阶段受益匪浅，不仅在专业知识的积累上有了很大提高，而且对如何将书本知识应用于实践中有了更深的体会，使我懂得知识不仅仅能从课堂中学来，在实践过程中会有更大的收获。在实验过程中我遇到了很多意想不到的情况和问题，经过反复思考和认真的分析，在导师的帮助下，这些问题最终都得到解决，收获很大，在此向为学生成长付出大量心血的导师表示忠心的感谢！ 此外，还要特别感谢麻开旺老师对我的帮助，在我的设计过程中，麻开旺老师给予了我很大的帮助。还要感谢王章祯同学在软件设计过程中对我的帮助。

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软件部分程序 ORG 0

DBUF EQU 30H TEMP EQU 40H MOVTMOD ,#00000101B MOV TH0 ,#0H MOVTL0 ,#0H SETB TR0 LOOP: MOVP2,TL0 MOV50H,TL0 LCALL DSP LJMP LOOP DSP: MOVA,50H

MOV B , #0AH DIV AB MOV 60H , A MOV 61H , B

MOV 30H, A MOV 31H,B

MOV R0, #DBUF MOV R1, #TEMP

附 录

附录 一

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MOV R2, #1 MOV DPTR, #SEGTAB DP00: MOV A, @R0 MOVC A, @A+DPTR MOV @R1, A INC R1 INC R0

DJNZ R2, DP00

DISP0:MOV R0, #TEMP MOV R1, #6 MOV R2, #0100B DP01: MOV A,@R0

MOV P0,A MOV A, R2