毕业设计无人监守点滴自动监控系统的设计Word下载.docx

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静脉输液是常用的医疗手段之一，传统输液过程中存在着输液容易异常，需要人工监护等弊端。

因此，本文设计了无人监守点滴自动监控系统以解决此问题。

系统以AT89S53单片机为下位机核心，上位机和CAN总线组成有线监控系统，实现主机对从机的控制。

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，并通过控制步进电机实现对输液速度的控制。

当输液结束或输液速度发生异常时，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。

关键词：

无人监守，自动监控，单片机，CAN总线

DESIGNOFAUTOMATICMONITORINGSYSTEMFORUNATTENDEDDRIPS

Abstract

Intravenousinfusionisoneofthecommonlymeansusedinmedical,thereissomeabnormalitiesintraditioninfusionandrequiremanualmonitoringandotherdefects.Therefore,wedesignedtheunmannedautomaticdripguardmonitoringsystemtosolvethisproblem.ThissystembasedonAT89S53MCUasthecoreofthenextcrew,consistingofPCandCANbuscablemonitoringsystem,fromthecontrolofthehostmachine.Fromthemachinethroughtheexternalcircuittodetectliquidlevelreservoirbottleandliquiddrop,andachievecontroloftheinfusionratebycontrollingthesteppermotor.Whentheendoftheinfusionorinfusionrateabnormal,LEDsandbuzzeralarm,andthealarmsignalissentviatheserialporttothemainstation.

KeyWords:

Unmanned,AutomaticMonitor,MCU,CANbus

1绪论

1.1研究背景及意义

随着微电子技术和信息技术的快速发展和应用，医疗设备领域正在发生着一场悄无声息的信息化革命。

尤其是近几年来，现代科技的高度发展更是为液体点滴自动监控提供了坚实可靠的技术基础。

我国是世界上人口最多的国家，随着近些年来各个领域的高度发展加上环境的恶化，各种疾病日益增多，医疗消费的人群也与日俱增。

虽然对医疗的改革和创新政府每年都投入巨额财政支持，但取得的效果还是微乎其微，与西方发达国家的技术还有一定得差距。

目前，我国医疗设备的市场份额在全球所占的份额依然很小。

根据国家经贸委的要求，我国要在2050年左右成为世界医疗器械制造强国。

由此可见，我国医疗技术的改革与创新具有巨大的前景。

静脉输液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%[1]，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。

点滴输液是临床中一种普遍使用的治疗手段，长期以来一直靠人工控制。

在传统输液中[2]，易发生一些异常情况，如管路堵塞、滴速异常及输液完毕无提示等情况。

如果这些异常情况不能被及时发现，就会给病人造成伤害，严重的甚至还会造成医疗事故。

因此，设计一款无人监守输液监控系统的医疗设备对提升我国医疗质量有着十分的重要帮助。

针对上述情况，设计了一套无人坚守自动监控的医疗输液系统，通过CAN（ControllerAreaNetwork）总线与上位机（主站）进行通信，利用8位低功耗、高性能AT89S53单片机作为下位机（从站）控制芯片，来实现医护人员对病房病人输液过程的无人监控。

1.2国内外发展和研究现状

为了提高输液过程的安全性和降低输液过程中医护人员的工作强度，国内外都对输液过程的智能监控进行了研究和试验。

点滴输液监控设备的发展主要经历了下面几个阶段：

（1）机械式

该方法出现的比较早，利用输液瓶中液位的下降会导致其重量下降的原理，用弹簧秤对其液位进行检测。

由于输液瓶重量的不同，实际情况比较复杂，此方法可靠性较差，操作使用不方便，适用性较差。

（2）电容式

当输液瓶中的药液液位变化，引起电容长度变化对药液液位进行监测。

此类监控设备的可靠性、实用性都相对较高，但是由于输液瓶形状大小没有统一的标准，因以输液监控设备需要多种设计规格，在使用中不放便，不能投入实际使用。

（3）电极式

将正负两个电极插入输液器的莫菲氏管中，当液体点滴下落时就会产生中断信号，由此监测点滴的速度。

这类设备性能可靠、设计简单，但是在点滴降落过程中会与电极发生接触，可能会造成一些医疗卫生等方面的问题。

（4）光电式

光电式是近年来较流行的点滴监控方式。

它是利用药液吸收和散射的方式减弱通过液体中红外光的强度来进行测量。

在莫菲氏管的两侧分别安装发射端和接收端，当液体点滴经过二者之间时，传感器感受到光线强弱的变化，将光信号转换成电信号，并由下一级处理单元进行转换处理，由此监视输液过程由于光电传感器和药液不接触，而且与液体、输液器材无关，使输液监控设备的性能有很大提高，具有易用、高效和适用性强的优点[3]。

除此之外，还有诸多液体点滴监控方式，由于成本或性能上的差异，不能在日常中使用，例如感应式、光纤式、超声波式等。

此外，单机模式的点滴监控设备在发展中逐渐吸收了网络化的思想，基本形成了以RS-232或RS-485总线的有线和基于无线通信技术的两种监控网络。

前者对系统化控制和管理方面的不完善，在实际应用中，往往要重新来布线，容易收到外接环境的影响和干扰。

而后者则增加了成本，且辐射会对人身体产生危害，还会有些法律上的问题。

2系统总体方案

2.1系统设计方案

系统由多个模块组成，在方案选择上要比较选择，因此下文详细介绍每个模块的具体方案。

2.1.1控制系统方案

在无人监控系统中微处理器作为核心，对整个系统的影响较大，因此在选择上尤为重要。

方案一：

此方案是传统的两位模拟控制方案，具有电路简单、易于实现等优点。

不过模拟控制很难做高精度，并且远程通信、键盘设定和滴速控制的功能不易于实现。

方案二：

此方案采用单片机AT89S53作为从站来实现复杂的运算及控制。

AT89S53单片机具有低功耗，高性能且高性价比等特点。

对于键盘设定、滴速控制、液位监测等功能和主、从站之间的通信能够能完美实现。

因此，本设计选用方案二。

2.1.2点滴检测方案

可见光发光二极管与光敏三极管传感器。

光线的亮度变化对此类传感器的干扰很大，造成液滴判断的不准确。

所以不宜采取此方案。

不调制红外对射传感器。

这类传感器是直流供电，元件的额定值必须低于工作电流，对外部抗干扰能力较差。

因此，也不宜采取。

方案三：

脉冲调制红外对射传感器。

红外对射传感器的平均电流决定其对打工作电流，即使占空比调制信号较小也可以获得较大的电流。

这可以大幅度提高信噪比，提高系统的抗干扰能力。

综上，本设计采取方案三。

2.1.3液位监测方案

拉力传感器。

利用液面高度和拉力二者的线性关系这一原理进行测量。

在实际中由于拉力传感器价格较高，因此在设计中很少使用。

超声波。

这一方案的原理是超声波在不同的介质中传播速度不同。

把每一次的测量结果与标定达到警戒液位得回波时间比较，既可得知是否达到警戒液位。

这种方法存在盲区，当液体波动时会产生误差，且不方便安装。

光电传感器。

此方法是利用光的折射或反射原理，通过接受管接收到的光的强弱判断是否达到警戒液位以此来实现检测功能。

在安装上，把光电传感器置于输液瓶外壁上即可，非常方便。

对于上述三种方案，方案一成本较高，方案二精确度不够。

所以，本设计选择方案三。

2.1.4滴速控制方案

滑动软管夹的滑轮控制滴速。

此方案在控制中由于移动阻力和距离难计算且很多非线性控制量的影响，采用电机调节软管夹不容易实现。

电机和滑轮系统控制输液瓶高度，实现对滴速的控制。

本方案调节液体高度方便，由于输液瓶高度和流速之间存在非线性关系，没有公式可应用，因此采样点必须足够多，这也保证了精确性。

比较方案一和方案二，本设计取用方案二。

2.1.5电机选择方案

直流电机。

这类电机掉电后惯性大、制动时间较长、转矩小、无抱死功能，且闭环算法复杂。

伺服电机。

这类电机具有机械性能好、起动转矩大、抱死功能等诸多优点，不过由于其高昂的价格，因此不予采用。

步进电机。

这类电机较之直流电机转矩大，较之伺服电机价格低且测量的精确度较高。

故综合三种方案，本设计采用方案三。

2.1.6主从通信方案

蓝牙技术。

蓝牙技术存在传输距离短、传输速度慢、功耗大、技术复杂，而且价格不菲。

红外技术。

红外技术利用红外线的方式进行数据传递。

在传输中具有速度快，但传输距离短，只能直线传输且易受干扰。

Zigbee技术。

Zigbee技术一种低速短距离传输的无线网络协议，其成本比较高，穿透性不好。

方案四：

CAN总线。

CAN总线是异步串行通信中总线的一种，全称“ControllerAreaNetwork”即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

具有传输速度快、传输距离远、总线利用率高、通信失败率低、节点错误系统无影响、抗干扰能力强、网络调试容易、后期维护成本低等宝贵特点。

根据AT89S53的4种不同工作方式，分析上述四种方案，最终选定上位机与下位机之间采取基于CAN总线的有线异步传输通信方式，既方案四。

2.2系统硬件结构

根据系统设计方案，整体系统结构如图1所示。

图1系统结构框图

根据系统需求分析，本硬件系统主要是主站，基于AT89S53单片机各个从站，主、从站之间的数据通信总线等三大部分构成的。

按系统设计方案，系统电路主要包含从站电路、外围电路及通信电路三个电路单元：

（1）从站电路单元

该电路单元主要是负责输液信号采集和输液监控的任务，包含以下四个电路单元：

点滴信号检测单元；

液位检测单元；

键盘控制单元；

声光报警单元。

（2）外围电路单元

该电路单元主要是对从站采集的输液信号进行处理，即把从站采取的信号进行整形以便单片机处理，该电路单元还包括对从站系统的供电部分，供电系统采取单电源供电。

主要有：

点滴信号整形单元；

电源电路单元。

（3）通信电路单元

该电路单元是通过CAN总线将下位机（从站）采集的各模块数据信息传送至由PC机构筑上位机，上位机可以通过开发的监控软件实现对各从站的输液情况实时监控。

该电路包含两个内容：

CAN总线适配芯片连接电路；

通信接口电路。

3系统从站硬件设计

3.1从站硬件系统框图

根据从站系统所要实现的功能，为从站系统设计出硬件系统框图[4]，如图2所示：

图2从站硬件系统框图

3.2从站系统各单