大学毕业设计（论文）
第3章 系统的硬件设计
3.1 系统框图与核心部件介绍
根据系统所要实现的功能，为系统设计出以下系统框图3-1。
驱动电路声光报警AT89S52键盘及显示步进电机EEPROM传感器图3- 1系统框图
AT89S52 作为微处理器，EEPROM24LC16用于掉电存储，每次上电后从站单片机都从中读取最近一次的设置。单片机通过外接红外对射传感器和光电传感器收集点滴滴速和液位高度，并与单片机内部设置的值比较，通过预设程序输出控制信号给L297与L298N组成的驱动电路，该电路进而控制步进电机调节液瓶高度，调节滴速。键盘与单片机相连，可以通过人工给单片机设置初始值，方便医护人员根据实际操作，显示模块能够实时将液体滴速和液位高度反馈给患者和医护人员。
AT89S52 单片机介绍：是Ateml公司出品的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Ateml公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。因为其价格便宜便于推广，内置软件看门狗可免除外接看门狗芯片降低成本，又与工业80C51产品指令和引脚完全兼容便于掌握，片上Flash允许程序存储器在系统可编程使用灵活方便，故而选择 AT89S52作为微处理器。
3.2 点滴信号检测单元
此单元模块用来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采用红外对射传感器，如图 3-2 所示。
- 7 -
液体点滴速度监控系统设计
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。发射、接受的简化原理电路如图 3-3下，发射部分采用74HC14与电阻电容组成的电路来产生100Hz、占空比为 20%的方形脉冲，如图 3-4所示。
图3-3 脉冲产生原理电路
图3-4 方形脉冲
74HC14(将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号)是具有施密特功能的六反相器，由74HC14构成的多谐振荡器电路如图 3-5所示。74HC14输入输出点的波形图如图 3-6所示。
- 8 -
大学毕业设计（论文）
图3-5 多谐振荡器图
图3-6 输入输出波形图
施密特触发器具有上限阈值电压下V2、限阈值V1的特性，且受芯片电源VDD的限
1制。多谐振荡器电路产生的信号周期的频率满足f?，
RCln[V2(VDD?V1)/V1(VDD?V2)]1令ln[V2(VDD?V1)/V1(VDD?V2)]为k，则f?。对于74 HC14而言，当VDD=5V时，
RCk下限阈值电压V1=1.4V，上限阈值电压V2= 3.6V ，所以有 K = 1.89。考虑到脉宽可调的状况进而可以得出1.89(RR)?C，TT表示方形脉冲的一个周期大小， 1//R2?2(R1//R2):(R1//R2?R2)?1:5。
3.3 点滴信号整形及A/D转换
信号整形原理电路与各点波形如图 3-7和 3-8所示。通过信号整形电路的原理图和时序图，可以对整形有简单的了解。在实际操作中，接收到的信号会在每一个液滴下落时产生相距很近的双脉冲，这会给计数带来极大的干扰。为了消除这种干扰，减小虚假信息的影响，提高采样的可靠性，还需使用软件滤波的方式，将相距很近的两个脉冲滤去一个，这就保证了计数的精确性。
- 9 -
液体点滴速度监控系统设计
图3-7 点滴信号整形电路
图3-8 各点波形图
3.4 液位监测单元
同速度检测部分一样，本文也曾提出了两种实现方法，即有损探测和无损探测。考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，所以选择红外无损探测方案。虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水的储液瓶接收信号差异还是可以达到30 ~ 40mV ，这说明红外无损探测对于越限报警电路来说也是可行的。由于越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高度以下时发出警报，因此传感器部分接收到的信号不需要经过滤波，而只需放大即可，出于尽量减小信号传输损耗的考虑，把初级放大部分电路与传感器一起设计在储液瓶旁边。再设定一个门限电平，使接收信号高于门限电平时给单片机送入一个信号，产生警报，即构成了越限报警电路，其系统框图及电路图分别如图 3-9和图 3-10。
储液瓶红外发射红外接收门限信号放大比较图3-9 液位监测系统框图
- 10 -
大学毕业设计（论文）
图3-10 液位监测系统电路图
3.5 键盘及显示单元
键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。因此，微机系统中最常见的是触点式开关按键，本设计也不例外。按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中，本设计便是如此。本设计使用的是机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5~10ms 。按键触点的机械抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，由于本设计键数较多，故采用软件去抖。软件去抖采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态；同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。（2）有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。（3）准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。本系统因使用的按键较多，故采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多 I /O口。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电
- 11 -
