28基于锁相环技术智能输液泵的设计与开发.docx

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28基于锁相环技术智能输液泵的设计与开发

编号：

　　28　　

校级大学生创新性实验计划项目

申报书

项目名称：

基于锁相环技术智能输液泵的设计与开发

项目名称

基于锁相环技术智能输液泵的设计与开发

申请经费

3000元

起止时间

2010年7月至2011年4月

负责人

学号

姓名

年级

所在院系、专业

联系电话

E-mail

参加成员

指导老师

一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素质、能力等研究等条件）

研究内容提要

传统的输液过程是由监护人员手动控制液体点滴速度，造成了监护人员的不便与病人的危急。

目前，西方国家临床对输液泵的使用十分普遍，但是我国大多数医院至今仍靠护士进行人工输液。

若能降低成本，达其所能，设计并开发物美价廉的选简单实用的产品正是我队之所愿。

本设计以AT89S52单片机为核心，结合锁相环技术（此处锁相环倍频技术的运用是本设计的亮点，它的巧妙运用提高采样的速度与精度）、光电传感技术等实现了对液体点滴速度的自动化监控。

可根据临床需要，通过按键任意设置点滴速度；在输液即将完毕、有气泡等紧急情况下，向总台发出声光报警。

监护人员也可以通过远程通信，监控病人输液的整个过程，并对液滴速度进行设置，对临床医学监护具有重要的现实意义。

项目选题背景

输液泵，为医学专用的一种设备名称，它并像我们想像的那么庞大，相反，它是一项简单，轻便，而且实用的设计。

我队成员经过详细的调查了解到，本设计的市场定位应属于医疗辅助设备，目前国内外市场上类似功能的产品价格昂贵，例如日本公司生产的TOP-2200市价为22000元，只有少数大型医疗机构采用此类产品。

我们队成员结合了各自专业相关知识已经明确了该设计的主要原理及电路，这与我们在本科阶段学习的微机原理电路分析等课程有密切联系。

本队大多数成员都参加了暑期的一系列电赛培训，对于基本电路应用、焊接、刻板等实践知识过硬。

本次选题基于其可行性与市场需求性，我们希望通过此项目将学识与实践结合起来提高自己的动手能力，培养和开发创新才能，相信通过全队成员的团结协作必能够达到预定目标！

国内外本项目的研究状况及项目背景：

对液体速度的监控装置，在电子飞速发展的今天，有着非常多的应用领域。

包括医疗，农业灌溉等，使得一些装置参数的控制变得方便，易操作，给人们的生活带来了很大的方便。

在医院，一些患者输液时的药剂师需要计算滴速，并且要保持匀速的，所以：

国内外各大公司也在这方面进行着技术开发。

输液泵主要用于动静脉输液、输血、抗休克诒疗、肠内管饲及麻醉剂注射等。

可达到长时间微小量均匀注射，解除了医疗工作者的负担。

目前，西方国家临床对输液泵的使用十分普遍，但是我国医院很少使用这类产品，大多数国内医院至今仍靠护士进行人工输液。

目前，西方市场上的输液泵产品有不少品种，从功能上分有夜光型输液泵，只适合白天使用、夜间会自动“休眠”的输液泵，安全型输液泵，针式输液泵，激活型输液泵等。

近年来，国外厂商陆续开发出一些新型输液泵产品。

日本产的TOP-3300输液泵的输液精密度可达到±3%，在空液、阻塞、门开着、气泡、电池电压低下、输液快完了、电源转换告知、忘记操作时可以报警，但其市价：

24000，较高，一般的中小医院很难承担。

而目前国内的产品则主要有上海电表厂生产的微量输液泵，其控制部分采用步进电机。

有微小抖动、噪音大、耗电量大等缺点；广州欧潽瑞生产的SK-600IB型的输液泵可预置输液量范围1-9999ml，输液精度达到±5％，是双CPU的电子电路结构，有较高的环境温度和湿度的要求。

总览了国内状况，少数国内的产品可以实现最大精度为5%，但大多数因为是使用的双CPU操作，也间接提高了成本，稳定度不够。

若在低成本，单CPU情况可以基本实现精度为10%。

我们所做的系统要实现的在低成本的条件下较大范围的提高产品的稳定度和精密度。

现在点滴的检测监控技术，不仅在电子，在医学上有应用，在农业灌溉，基因工程等也有大范围的应用。

为此，我们也可以毫不夸张的说，本项目的低成本设计对于此类产品的推广普及有着重大意义。

团队具备的条件：

（项目成员的组成、特长、分工及成员间相互协调配合的情况）

1、我们队共5名成员，来自通信专业的李熠、马磊做事负责，有扎实的专业课功底主要负责软件模块的设计。

李小宁、夏冰来自电子信息以及测控专业的杨琼琼认真耐心，动手能力强主要负责各硬件模块设计。

2、经过本科数电、模电、微机原理、DSP、高频电路、信号与系统、微波等相关课程的学习，本设计中用到的锁相环技术能让我们很快的掌握；在了解其电路原理基础上，利用它对被测信号进行处理和采样，既缩短了采样和调整时间，又保证了精度，从而更好的实现产品功能。

3、本设计中用到的核心单片机AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，与MCS-51系列单片机兼容，有利于初学者的学习和使用。

4、指导老师廖素引认真负责，指导过多届的飞思卡尔智能车比赛，在项目实践上有丰富的经验。

对于这次项目的选题，和对项目理解等方面，廖老师给我们耐心讲解，为我们指明一些方向性的东西，结合她的经验给我们提出许多宝贵意见。

二、项目研究内容（目前研究的现状、方法、观点、难点、特点和提出的创新点等）

研究现状：

2008-2010年输液泵行业发展预测与投资分析报告随着人们生活的提高，对健康的重视，医院的医疗水平、设备档次越来越受到人们的挑剔。

早在几年前，国外每个病床都配备了输液泵，而我国只是在一些大医院上才能用上输液泵，且均为进口品牌，价格在2万元左右，比较昂贵使一些中小医院望尘莫及，增加医院和病人的费用，不易推广。

所以如果有物美价廉的输液速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。

且随着医院管理系统趋向于电子化、网络化，如何利用计算机与现代控制技术提高医疗器械的自动化也已经成为目前主要应用方向之一。

而且传统的输液过程都是由监护人员手动控制输液速度，造成了监护人员和病人的诸多不方便，降低了人员的利用率。

目前国产所产的输液泵基本抄袭国外的技术，技术陈旧；即使具有自主产权的厂家，仅外观稍作了改动，其技术上并没有太大的更新，精密度也不够[3][4]。

本系统应用自动化控制技术[10]实现了对输液速度的监控，并且采用锁相环技术[2]，充分提高了系统精密度，可根据临床需要，任意设置点滴速度，而且在不同紧急情况下，可以向总控制台发出报警，避免了一时疏忽可能导致的危险。

监护人员也可以通过远程通信，监控病人输液的整个过程，并对液滴速度进行设置等，可以集中化管理和进行信息收集。

并且具有轻便性、实用性、可靠性等优点。

所以对输液速度监控的研究和开发十分有意义。

研究详细内容、研究方案（研究方法、技术路线）

一.研究详细内容：

（一）如何准确测定液滴的速度（信号的采集）；

（二）如何将测量值动态地快速地显示出来（信号的处理）；

（三）如何做到通过键盘任意设定速度值（键盘显示）；

（四）如何实现紧急状况下的声光报警（报警系统）；

（五）如何通过软件达到上位机控制下位机（总台控制）。

二．研究方案：

基于锁相环技术的输液泵设计系统主要由传感器测量部分、信号处理电路部分以及显示控制与接口部分组成。

其中测量部分考虑到光电传感器安装方便，只需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，速度测量中也简化了外围电路结构。

若采用光电传感器作为检测测量部分；信号处理部分是该系统中的难点，对于高度与速度信号的信号处理电路采用同一信号处理电路，不过由于点滴速度信号频率比较低，信号会不稳定，为此我们在信号处理电路后我们接一个20倍频锁相环电路，可大大提高准确度以减小误差。

显示与接口部分采用常用的开关键盘设置点滴速度与数码管显示点滴速度，采用通用的RS232接口电路。

控制部分采用直流步进电机控制储液瓶高度从而达到控制点滴速度。

系统组成方框图如图1所示：

图1系统组成框图

三．技术路线：

（一）传感器检测模块

（1）.液体点滴速度测量。

利用光的反射原理。

使用红外发光二极管和光敏三极管实现光源检测。

红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收三极管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，通过定时采样计算出液体点滴速度。

（2）.液面高度测量。

使用光电传感器定点对液面进行监测。

利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收光信号实现液面检测功能。

（二）信号处理电路模块

由于被检测液体为无色透明体，因此易受杂散光干扰，为了提高系统的可靠性和抗干扰性，在对传感器的信号处理中采用了带反馈的二阶有源低通滤波器先对传感器信号进行低通滤波，再利用电压比较器对经过滤波的信号进行放大整形，以进一步提高其抗干扰性，然后将放大整形后的信号送MCU，进行信号处理，传感器及信号处理电路如下图所示。

其中二阶有源低通滤波器由A1、R、C、R1、Rf组成。

信号处理电路图如图2所示：

图2信号处理电路

在液面高度检测处理中，由红外传感器监测其液位变化，当液位下降到警戒线时，向系统发出中断请求信号，并在中断服务程序中发出报警信号。

对于点滴速度信号，由于其变化范围大致为每分钟10～200滴，属低速信号检测。

为了能够对慢速信号进行快速采样，在信号处理中采用了锁相环倍频技术对点滴信号进行处理，从而使采样时间由60s缩短至3s，不但大大缩短了信号采样时间，同时也大大提高了系统的响应速度，可以大大减少误差。

其中倍频系数选为20。

本系统所使用的锁相环集成电路为CD4046。

所构成的20倍频电路图如图3：

图3锁相环20倍频电路

（三）显示控制与接口模块

（1）．键盘与数码管显示电路

键盘/显示部分采用HD7279A，带动16个键盘及6位LED显示。

如图4为其原理图。

HD7279A是一片具有串行接口、可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

图4键盘与数码显示电路

（2）.步进电机控制电路

利用步进电动机和压强的原理来控制水滴的速度，由公式：

P=ρ·g·h可以知道由于液面高度的从而压强也不同，从而改变液滴的速度。

这样的系统比控制输液软管的松紧更好控制，而且比较容易实现，1米8的高度足以实现速度从20~150（滴/分）的调节。

首先我们利用实验先大概的测出对应的高度所对应的水滴速度，并记下来存在单片机内，到时候就直接调出来。

在滴斗处用红外系统来测量水滴的速度，再在储液瓶到瓶口3cm处装一个红外系统来监控水位。

当在键盘上按入某个点滴速度时，从单片机内调出相对应的某一个高度，然后控制步进电动机转动进行粗调，再利用红外系统进行反馈来细调，直到红外反馈和所按的速度一样为止。

步进电机驱动电路如图5所示

图5步进电机驱动电路

（3）．蜂鸣器报警电路

电路中使用555作为蜂鸣器的报警驱动电路。

单片机通过发送中断信号，通过555驱动蜂鸣器报警。

电路如图6所示：

图6报警电路

（四）.系统的软件设计模块

单片机控制电路主要由一片80C51组成。

80C51主要实现对点滴速度的测量并对步进电动机进行控制来调水滴速度和对水位进行判断并声光报警，而且还负责速度和距离关系的一些计算。

主程序初始化并显示当前的水滴速度，并开两个外部中断，两个内部中断。

由于本系统的重点相对其他的智能化系统来说硬件会比较重要一点，系统的稳定度受客观的影响比较大，所以主程序也相对比较的简单。

外部中断0是用来监视键盘的，一但有人按了键盘输入某个水滴速度时，单片机就会与单前的速度相比教，速度比它小单片机就控制步进电动机往上拉，速度比它大