基于单片机的液体点滴速度监控装置设计大学毕业论文

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1、摘 要基于单片机的液体点滴速度监控装置设计摘 要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。本系统是利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置。该装置由水滴速度测试系统、水速控制系统、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。应用水的压强随着高

2、度差的变化而变化的原理，利用控制步进电动机的升降来控制点滴速度。点滴速度可用键盘来设定，设定范围为20-150(滴/分)，每滴误差范围控制在10%左右。从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于3分钟。同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。关键字 点滴速度；步进电动机；单片机；报警系统AbstractAbstractIntravenous infusion is one of the most commonly used in clinical treatment, is a commonly used medication nursing professional techno

3、logy. Should be based on drug and clinical patients is different with the appropriate transfusion speed. Infusion too quickly, it may cause poisoning, will lead to more serious edema, and congestive heart failure; Infusion too slow will probably be enough doses or unnecessarily prolong infusion time

4、, treatment affected and add unnecessary burden to patients and nursing. Routine clinical transfusion, generally used to hang bottle infusion, by eye observation, rely on manual clip to control the transfusion speed, not easy to precisely control infusion speed, and large workload.This system is to

5、use single chip microcomputer intelligent design and production of a liquid drop speed monitoring and control device. The device consists of water droplets velocity test system, speed control system, keyboard, display device, microcomputer system and alarm system. Application of water pressure varie

6、s with the change of height difference principle, use rise and fall of control stepper motor to control the bit rate. Intravenous drip speed can be set with keyboard, set range of 20-150 (drops/min), control about 10% error range in 1 drop. From change the set point to the basic stability of the who

7、le process of dropping speed adjustment time is less than 3 minutes. At the same time can send out alarm signal when the water is below the alarming.Keywords Intravenous drip speed； the step motor；MCU；alarm system目 录目 录摘 要iAbstractii第 1 章绪 论11.1课题研究意义11.2国内外现状21.3主要研究内容2第 2 章系统方案选择与论证32.1各模块方案选择和论证3

8、2.1.1液体点滴速度及储液瓶液面检测32.1.2液瓶液面检测42.1.3键盘方案52.1.4显示方案52.1.5电机系统方案52.1.6点滴速度控制方案52.2方案的确定5第 3 章系统硬件设计与实现53.1系统硬件基本组成部分53.2电路模块电路设计53.2.1液体点滴速度检测电路设计53.2.2键盘控制电路53.2.3步进电机驱动电路53.2.4系统原理图53.2.5输液管的机械控制53.3元器件说明53.3.1AT89C5253.3.2集成运算放大器LM324N53.3.3电压比较器件LM33953.3.4步进电机及其驱动ULN200353.3.51602型LCD5第 4 章系统软件设

9、计54.1点滴速度测量54.2点滴速度控制54.3键盘扫描54.4液晶显示54.5系统源程序5结 论5致 谢5参考文献5附录A5附录B5附录C5 - 1 -第 1 章 绪 论1.1 课题研究意义静脉输液是临床医学中的一个重要的治疗手段和医学监护的一项重要内容，在各个医院的医疗工作中被广泛应用,据统计住院输液率为 70% 80%。它不仅是一种重要的给药途径,而且还是给患者补充体液、营养的重要方法。在输液过程中, 输液速度是一个很重要的参数, 一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。同时，在静脉输液过程中，必须有人陪护，以防鼓包等事故发生，尤其对术后几乎需要 24小时不间断输液的患者的

10、监护，更是让护理者身心憔悴。当护理者发生困倦时，极易发生事故。通过调查得知,目前几乎所有医院因种种原因仍没有采用输液监控系统,而是采用传统的输液方法，即将液体容器挂在一定高度，利用液体静压原理与大气压的作用使液体下滴，将大量灭菌药液直接滴入静脉内，从而达到治疗目的。用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，医护人员按药剂特性对滴速进行控制。由于这种滴速控制是通过肉眼观察进行估计的，需要根据经验来调节, 使得点滴流速不够准确，影响了治疗效果，以至危害病人健康。当液体输完时，如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现回血等情况。为此患者家属需要陪同病人并且不断地观察输液情况，这样容易导致交叉感染，

11、患者也得不到良好的休息，影响治疗质量和患者康复。同时，护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷，有时还会产生医疗纠纷。基于以上情况，设计实现一种智能输液监控系统，对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势。现在市场上的输液泵，根据不同的标准有不同的分类:固定点泵和非固定点泵;标准泵和便携泵；体外泵和可植入泵；机械泵、电子泵和重力泵；容积泵和蠕动泵。固定泵控制精确，报警齐全，但体积较大；便携泵体积小，病人可随身携带，用电池作为电源，只适用于小量输液；可植入泵使用方便，输液时病人移动不会产生影响，但需要外科手术；机械泵用正压力来输送药物和液体，没有电源(电池或交流电)，体积小，可携带，主要用于输

12、送小体积，长时间或间歇输液，通常用于化学医疗、止痛或抗生药类的输液；电子式泵输液速度可达999ml/h，可实现智能控制。目前，我国医疗机构在进行输液治疗时，输液速度和输液量几乎全部都是不准确的。医生在对病人的输液治疗过程中，需要根据药物的性质和病人的病情选择合适的输液速度。对于大多数医生来说，输液速度的控制还是采用人工方式，医生凭借经验通过转动输液器上的手动滑轮来调整输液的速度，输液量也是医生用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的。在输液的过程中要实时监测剩余的药液。在药液输入完后，还需要由护士及时换瓶或拔除针头，加重了医护人员的工作强度。而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

13、药物，由于个体差异及机体耐受力不同，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，有时甚至危及生命。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控制产品的出现。本系统就是为了减少人力浪费,获得良好医疗效果而设计的液体点

14、滴速度监控装置,利用该装置可以通过电机控制输液管的松紧来达到控速点滴速度的目的，通过传感系统来确定点滴速度和药液输完后的报警，通过键盘设置液体点滴速度。本系统能实现液体点滴速度的智能化控制。1.2 国内外研究现状国外对智能型输液装置的研究较早，如日本、美国和德国等国家上世纪八十年代末就进行了智能型输液装置的研制。早在几年前，发达国家许多住院床位就已经配备了输液泵。输液泵是一种多功能输液控制器，能够较为精确地控制输液速度，并实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警。我国只是在一些大医院才有部分配备，且大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日本 JMS 株式会社的 OT -601型输液泵（控制精度为1

15、0% ）和 SP-500型注射泵，美国、德国、以色列等国家也有性能较好的产品。但是价格普遍比较昂贵，在两万元人民币左右，使大部分三级甲等以下医院望尘莫及。国内对输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液装置，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的 ZNB系列产品。不过总体来说其功能也只是侧重于精确输液控制，种类较少，性能也需改进，加上不菲的价格，所以也只能是和进口输液泵争一点市场份额，未能在各级医院大面积的推广普及。由于规范操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的，因此输液速度的控制和输液完成报警成为了人们更为关心的问题。而且输液完成报警器的研制也成为近年来的一个热

16、门课题，根据前年对国家知识产权局专利信息的查询，已有 67 种输液完成报警器专利技术，但由于各专利技术或多或少都存在着这样或那样的缺陷，诸如安全性、可靠性、成本及可操作性等问题，致使真正转化为产品的专利并不多。作为一种医疗器械，安全性、可靠性是基础，作为一种只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品，使用方便和足够低的价格又是一种基本要求，所以，这种产品即便安全性、可靠性得到了充分保证，但如果没有简便的操作和足够低的价格作支撑，想要顺利推广也是不可能的。我国是世界上拥有医院最多的国家，具有庞大的消费群体。近几年来，由于政府的支持，医疗器械发展迅速。医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励

17、发展的行业。按照原国家经贸委指定的医疗器械行业“十五”发展规划，到 2010年我国医疗器械总产值将达到1000亿元，在世界医疗器械市场上的份额将占到 5%；到 2050 年这一份额将达到 25%，成为世界一流的医疗器械制造强国。目前医院普遍使用的是人工监控点滴输液装置器，将液体容器挂在一定高度，利用势差将液体输入病人体内，用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速， 医护人员按药剂特性对滴速进行控制。如何使这种手工操作走向自动化或半自动化， 让护理人员监控病人打点滴的进程时间得到充分利用， 使能自理的病人自己能掌握点滴的速度， 这就要求医疗器械加速自动化与半自动化进程，提高医护质量。目前国内尚未完全解决

18、输液时的自动监控问题。因此，将嵌入式系统技术应用于输液监控装置的研究势在必行！1.3 本文主要研究内容本系统是以单片机作为控制核心，及其外围输入输出系统组成的液体点滴速度监控装置，核心控制为AT89C52单片机，输入系统是以独立式按键键盘系统及水速控制系统组成。输出系统以智能控制吊瓶移动的步进电机、蜂鸣报警电路共同组成。本系统是基于AT89C52单片机的液体点滴速度监控装置，硬件电路采用步进电机的升降来控制液滴速度，以及检测储液瓶内余液量并报警。通过键盘输入控制设置点滴速度，步进式电动机控制吊瓶移动改变点滴滴速，单片机驱动减速电机带动螺旋压紧机构控制药液的滴速滴注，显示检测滴速值。系统主要包括

19、单片机主控制模块、滴速检测模块、滴速显示模块、滴速控制模块、报警电路等几大部分。第 2 章 系统方案选择与论证2.1 各模块方案选择和论证2.1.1 液体点滴速度及储液瓶液面检测方案一：利用光透射原理。使用红外对管实现液体点滴检测。当没有点滴下落的时候,检测系统输出一个比较低的电压而当有点滴经过红外检测电路就会产生一个比较高的电压。如此就可以产生脉冲信号。但检测到的电压变动比较小，所以必须加一个电压放大电路。经过放大的信号在通过一个电压比较器就可以得到单片机可以识别的脉冲信号，从而实现点滴滴数的计数。实现框图如图2-1。图中的转换电路由放大电路和比较电路两部分组成。图2-1光透射原理检测电路方

20、案二：利用光的反射原理。使用反射式红外光电传感器检测。红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，先通过放大电路的处理再通过电压比较电路的处理就可以得到单片机可以处理的脉冲信号。实现原理框图如图2-2。其中整形电路包括放大电路和比较电路。图2-2光反射原理检测电路方案三：使用电容式接近开关。电路集成度高，使用继电器输出，输出信号标准，电路简单。但其工作原理是根据电容中介质的改变对外产生开关量。综合比较上面方案，方案一利用透射原理来检测点滴速度时，由于储液瓶是透明玻璃瓶，从光源发射出来的光大部分反射，透射光比较微弱，这样检测信号产生误差较大，同时电路

21、需要对微弱信号进行处理，这样放大电路的放大倍数就要很高。而高放大倍数高的放大电路很容易受到干扰，还容易产生电路自激，增加了电路设计上的难度，更降低了电路的稳定性。方案二利用光的反射原理实现时，由于反射信号比较强，这样可以减小信号检测时的误差，同时电路形式要比透射电路情况简单。而且反射电路比透射电路更容易安装，体积更加小巧，结构也更加简单。方案三电容式接近开关，但瓶中液体和周围环境随时会发生变化，很容易触发传感器，而使系统采集到错误的信号。因此，选择方案二。2.1.2 液瓶液面检测方案一：采用金属电极检测储液瓶液面信号。原理如图2-3，利用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，通常电

22、极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。图2-3 金属电极检测储液瓶液面信号面信号方案二：采用光电传感器检测点储液瓶液面信号。原理如图2-4所示。发光二极管发射的平行光束穿过茂菲氏滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液体时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液体时，由于液滴对红外光的吸收特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，实验证明在低液面（2cm-4cm）的情况下，进气所形成上升气泡在液面的聚集与运动，使平行光束的发散效应明显增强。图2-4光电传感器检测点储液瓶液方案三：通过软件设置完全可以通过检测点滴速度来产生报警信号，因此可

23、以去掉液面检测电路而完全由液体点滴速度检测电路代替。这样就不需要硬件的储液瓶液面检测电路，而由软件控制。综合比较上面的方案，电极接触控制方式原理简单，易于实现，可靠性强，但会导致药品污染，危及患者安全。光电控制方式虽然结构复杂，易受外界光源影响，但可防止药品的污染，保证患者用药安全。而软件方式对程序有一定的要求，并且响应时间比较慢，但其优点更明显，完全抛弃了硬件结构。因此，选择方案三，软件方式。2.1.3 键盘方案方案一：采用矩阵式键盘,此类键盘利用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键盘较多时可降低占用行列扫描方式，单片机的I/O口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。方案二：采用独立式按键电路，

24、每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点为电路设计简单，且编程极其容易。综合比较上面的方案，本系统有16个按键，因此采用方案一，4X4的矩阵式键盘。2.1.4 显示方案方案一：采用液晶显示屏。液晶显示屏（LCM）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用三位LED七段数码管显示点滴数目。数码管具有低

25、能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。综合比较上面的方案：采用方案一。液晶显示屏（LCM）有更丰富的显示能力，并且能够形式更多的信息，有利于使用。2.1.5 电机系统方案方案一：采用单片机和A/D转换构成系统，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，达到改变点滴高度的要求，缺点是控制信号为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，并且步距角为9，不能精确的控制

26、点滴速度。方案二：用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不在需要数/模转换；具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低到7.5延时短，定位准确,精度高,可操作性强。综合考虑，一方面调节的步长尽可能的小，定位要好；另一方面如果停止信号到来，要能立刻停止电机。因此选择步进电机，采用方案二。2.1.6 点滴速度控制方案方案一：通过改变滴斗到受液瓶的高度来调节点滴的速度。由步进电机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度,从而调节点滴速度。由于其高度的改变与点滴速度基本成线性关系,这易于对点滴速度进行控制。而液滴管的高度可通过电机实现精确的定量控制。但此方法对机械设备的

27、要求高,不容易安装。设备可移动性小，而且对电机的功率也有一定的要求，要采用大功率的电机。方案二：采用单片机和可编程逻辑器件控制输液软管的松紧来控制点滴速度。改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速。这样的方法虽然直观,但存在很多的缺点。首先由于对管壁施压改变其形状,其所施加的压力与流量改变的关系非线性,这给流量控制带来了难度。其次由于滴管是由塑料制成,在长时间受压后松开并不能使塑料滴液管完全恢复原形,控制装置无法保证理想的控制效果。此外,要完成滴速夹的制作有一定的困难。即使此方案有很多缺点，但以其结构小巧，可移动性强，电机要求低，机械设备简洁的优点。更符合当今设备发展方向的要求。总结上述原因,我选

28、用方案二，制输液软管的松紧来控制点滴速度。2.2 方案的确定根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块方案确定如下：（1）点滴速度测量采用红外对管反射接收方式。（2）储液检测电路采用软件方式设置。（3）键盘采用4X4行列式键盘。（4）显示采用液晶显示屏。（5）点滴速度控制是利用步进电动机正反转来调节输液管的松紧来实现。系统组成方框图如图2-5图2-5 系统组成方框图系统通过键盘输入模块输入预置的点滴速度并将数据信息传送给单片机。点滴速度检测系统通过红外光电传感器检测点滴速度，并以电信号的形式传给单片机，经运算、分析、处理后单片机通过输出端口将数据传给显示模块和电机。由于硬件的限制

29、既不可预测的误差，实际点滴速度极难达到预置值，因此设置当实际点滴速度进入预置值5滴范围内时电机停止转动，这样就实现了智能控制功能。另外，点速度检测系统通过红外光电传感器检测到的信号经处理后输出给声音报警装置。当声音报警持续10秒钟后无人复位，则由单片机发出信号关闭声光报警，同时发出信号控制电机卡死输液管将点滴速度强制为0，这样可以大大提高输液的安全系数。第 3 章 系统硬件设计与实现3.1 系统硬件基本组成部分传感器检测部分：系统利用光点传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信号。传感器检测电路包括1个单元电路：点滴速度测量电路。智能控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进

30、行逻辑判断，控制点滴的速度及液晶显示屏的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、液晶显示屏显示及报警功能等各项任务。控制部分主要包括3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、液晶显示屏的动态显示电路。3.2 电路模块电路设计3.2.1 液体点滴速度检测电路设计系统采用红外光电传感器将检测到的信号转化为单片机可以辨别的电信号。（1） 检测前置电路光电传感器采用红外光电传感器。红外光电传感器主要由红外发射和红外接收管组成。红外发射管在恒定的电源驱动下发射恒定红外线。红外线经过外界物体产生反射，然后由接收管接收。电路如图3-1。图3-1 光电传感器电路（2） 信号放大电路因为红外光功率的问题，其

31、接收电路产生的信号十分微小，是mV级的电压。所以必须经过放大电路将其放大，才能得到可以识别的信号。放大器是由集成运算放大器LM324构成的同向交流放大器。其放大倍数：Av=1+R4/R5。在此Av=1+500/22=23。经过23倍的放大处理，红外光电传感器采集到的信号就可以很容易的被处理。电路如图3-2。图3-2 信号放大电路（3） 电压比较电路经过放大处理过的信号，其高电平，低电平并不是标准的，不能直接被单片机识别处理。因此需要使用电压比较器将不标准的脉冲信号转化为标准的脉冲信号。电压比较器能将输入电压和标准电压相比较。低于标准电压的，比较器输出0电压（低电压）。高于标准电压的，比较器输出

32、高电压（4-5V）。这样，就完成了信号的转换。在此，采用集成电压比较器LM339来做电压比较。R7是电位器，调节标准电压。R8是上拉电阻。电路如图3-3。图3-3 电压比较电路由电路图可以看到，接收管与发射管正相对，无液滴滴下时，接收管收到信号，输出低电平；有液滴滴下时，下落的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的发散作用，导致接收光强的较大改变，接收管不能收到较强的信号，产生一个较长的脉动，但是信号小，所以经过一个运算放大器LM342放大之后在经过电压比较器LM339就可以输出一个正向的脉冲信号送给单片机中断口，据此就可以正确的测出液滴的滴数，即点滴的速度（滴/分）。经实验发现，在受环境光

33、线的影响时会出现一个液滴产生两个脉冲的现象，为此我在软件上设计了消除双脉冲程序。使得双脉冲干扰问题得到较好解决。3.2.2 键盘控制电路用AT89SC52的并行口P1接4X4矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线。每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”。电路原理如图3-4。图3-4 键盘控制电路3.2.3 步进电机驱动电路步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统，故选用步进电动机。本系统中使用步进

34、电机来控制的高度，以控制点滴速度。由于单片机带负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在单片机和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。电路原理图如图35。图3-5 步进电机驱动电路单片机输出四路脉冲信号控制电动机转动相位角。单片机产生四相四拍脉冲信号的波形如下图36。图3-6四相四拍脉冲信号波形为了使步进电机控制更精确，可以采用四相八拍脉冲信号，波形图如下图37。图3-7 四相八拍脉冲信号波形电机正反转的环形脉冲分配表如下：表3-1环形脉冲分配表正转环形脉冲分配表反转环形脉冲分配表步数P00P01P02P03步数P00P01P02P03AB/A/BAB/A/B111

35、00111002011021001300113001141001401103.2.4 输液管的机械控制考虑到机械设备的结构，偏心轮需要的电机扭矩要求高。拉绳比较容易卡住液体点滴速度。因此在偏心轮和拉绳机械结构中采用了拉绳结构。图3-9a是偏心轮结构。图3-9b是拉绳结构3.3 元器件说明3.3.1 AT89C52AT89C52提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM,32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停

36、止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作自到下一个硬件复位。图3-8 AT89C52引脚图（1）电源电源VCC（引脚号40）：芯片电源，接+5V。GND（引脚号20）：电源接地端。（2）时钟XTAL1(引脚号19)：内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶振的一个引脚，当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2（引脚号18）：内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶振的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制总线ALE/PROG（引脚号正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）：用来把

37、地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号，因此，它可用做对外输出的时钟信号或用于定时。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL电路。PSEN（引脚号29）：外部程序存储器读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。PSEN可以驱动8个LSTTL电路。RST/VPD（引脚9）复位信号输入端：振荡器工作时，该引脚上持续2个机器周期的高电平可实现复位操作。此引脚还可以接上备用电源。在VCC端口掉电期间，由VPD向内部RAM提供电源，以保持

38、内部RAM中的数据。（4）I/O线P0口（引脚号3239）：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，可以作为单片机的双向数据总线和低8位地址总线。在访问外部存储器时实现分时操作，先用作地址总线。在ALE的下降沿，地址被锁存；然后用作数据总线。它也可以用作双向输入/输出口。P0口能驱动8个LSTTL负载。对端口写“1”；可作为高阻抗输入端用。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。3.3.2 集成运算放大器LM324NLM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放

39、大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源卜，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一(对每一个放大器而言)。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。LM324N参数：（1）短路保护输出。（2）真差动输入级。（3）单电源工作:3伏至32伏。（4）低输入偏置电流:最大100纳安(LM324A)。（5）每一封装四个放大器。（6）内部补偿。（7）共模范围扩展到负电源。（8）行业标准引脚输出。（9）在输入端的静电放电希位增加可靠性而不影响器件的工作。电气特性：LM324采用两个内部补偿、二级运算放大器。每个运放的第一级由带输入缓冲

40、晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动到单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容(仅0.5pF)，从而就可以减小芯片尺寸。跨导的减小可由将Q20和Q18的集电级分离而实现。该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和。第二级含标准电流源负载放大器级。每个放大器都有内部电压稳压器提供偏置。稳压器的温度系数低，因此，每个放大器就拥有良好的温度特性以及优异的电源抑制。引脚说明：它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四

41、组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-9所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-10。 图3-9 LM324封装图 图3-10 LM324引脚排列图典型应用电路：由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。（1）

42、反相交流放大器电路见图3-11。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。图3-11 反相交流放大器（2）同相交流放大器见附图3-12。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍

43、数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。图3-12 同相交流放大器（3）交流信号三分配放大器此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai输入电阻高，运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时Rf=0的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形成三路分配

44、输出。见图3-13。图3-13 交流信号三分配放大器（4）有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率，在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/（2*B1），品质因数，3dB带宽B=1/（N*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/（2NfoAoC），R2=Q/（2Q2-Ao）*2NfoAoC），R3=2Q/（2 NfoC ）。上式中，当fo=1KHz时，C取0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。 此电路亦可使用

45、单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。见图3-14。图3-14 有源带通滤波器（5）比较器当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。图3-15 比较器图3-15中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放

46、A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当UiU1时，运放A1输出高电平；当UiU2，则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。（6）单稳态触发器此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。

47、当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。见图3-16。 图3-16单稳态触发器 图3-17加电延时如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2U1时，A1输出才变为高电平。如图3-17。3.3.3 电

48、压比较器件LM339LM339作为集成四电压比较器，广泛的用于消费类、汽车和工业电子应用场合的电平检测、低电平感应和内存用途。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为1V18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，图3-20为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竞相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI

49、339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合

50、是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选315K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。典型应用电路：（1） 单限比较器电路图3-18给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压UinUr时，输出为高电平Uoh。图3-18基本单限比较器（2） 迟滞比较器迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的

51、单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。图3-19给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图3-19 迟滞比较器不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过腢之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于腢的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。

52、如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。图3-20为其原理图图3-20 迟滞比较器（3）双限比较器（窗口比较器）图3-21电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UinUR2或UinUR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压腢=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。图3-21 双限比较器（4）振荡器图3-22为有1/4LM339组成的音频方波振荡器的电路。改变C1可改变输出方波的频率。本电路中，当C1=0.1uF时。

53、f=53Hz；当C1=0.01uF时，f=530Hz；当C1=0.001uF时，f=5300Hz。LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。 图3-22振荡器3.3.4 步进电机及其驱动ULN2003（1）步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时

54、可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。（2）简单的驱动电路综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用图3-23的形式。图3-23 简单驱动电路（3） 集成驱动ULN2003ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。U

55、LN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达5OOmA，并且能够在关态时承受5OV的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003A型高压大电流达林顿晶体管阵列电路的典型应用电路框图如图3-24所示。钳位二极管用于保护线圈通断时的反电动势击穿集成电路，可以看出，该电路的应用非常简单。图3-24 典型应用图3.

56、3.5 1602型LCD现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时

57、选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：空脚。1602液晶模块内部的控制器的控制指令：它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）。指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I

58、/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移。S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N。低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设

59、置。指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令。或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。液晶显示模块可以和单片机AT89C52直接接口，电路如图3-25所示。 图3-25 接口电路第 4 章 系统软件设计4.1 点滴速度测量电路信号脉冲如下图4-1：图4-1 脉冲信号检测使用定时器定时，设定时间为50ms。开启计数器，开启定时器，创建一个timez3数组来存储时间量，计数器清零作为记录脉冲信号的初始值计为COUNT0。当检测到第一个到来的脉冲信号时，程序进行中断处理。计数器加1为COUNT1，取出定时器时间time，并将时间保存到

60、数组里。每个点滴的速度顺次保存timez2是第一滴的时间，timez0是第三滴的时间。这样到第3个点滴的时候，就可以计算速度了，其液体点滴速度公式：V=2400(timez0-timez2)其中根据上面的理论分析和计算，得到点滴速度测量的程序框图如图42。图42 点滴速度测量程序流程图4.2 点滴速度控制通过改变输液管的松紧来控制液体点滴速度。其程序框图如图4-3。图43 点滴速度控制程序流程图4.3 键盘扫描行扫描法： 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，介绍过程如下。判断键盘中有无键按下，将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘

61、中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。其程序流程图如图4-4。图4-4 键盘扫描程序流程图4.4 液晶显示1) 线段的显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=12

62、8个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。2) 字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，