基于单片机的输液监控系统设计毕业设计 推荐文档格式.docx

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PC

Abstract

Transfusioncommonlyusedastreatmentinhospital，butthereweresomeproblems，suchasinaccurate，needtransfusionofartificialguardianship，etc．Thegoalistodesignatransfusionmonitoringsysteminordertosolvethoseproblems．

Theinfusionmonitoringsystemdesignbythispaper,actualizetheinfusionrateoftest，thecontrolofreservoirfluidbottlevolumedetectionalarmanddynamicdisplayoftransfusionspeed．UserscanthroughthePCtocontroltransfusionspeed.Besidesthesystemalsoactualizemulti-machinecommunication，thatis，amasterstationtocontrolmultiplemachinesfromastationandthemaster．slavedatatransmissionbetween．Whentheinfusionendorinfusionspeedabnormal，slavelight—emittingdiodesandbuzzertoalarm，andwillalarmsignalsthroughserialtransmissiontothemaster，stoodbymonitoringsoftwarerealizationandbuzzersound-lightalarm．

Intheoverallprogramdesign,inensuringtheuseofdesignsystemstoachievetherequiredaccuracyandstabilityofthepremise，takingintoaccountthesystem’sportability，practicality，reliability，electricalsystemswereoptimized．

Finally,theinfusionmonitoringsystemdesignbythispaper，andpointoutfutureresearchdirectionsandpriorities．

Keywords：

singlechip；

StepperMotor；

CanBus；

PC

附录C部分子程序64

前言

静脉输液是我国目前临床治疗中最主要的一种输液方式，在实践工作中，医护人员一般是靠经验和观察通过转动输液器上的滑轮对滴速进行手动调节的，这种方法经常会出现一些异常情况:

临床经验不是很丰富的医护人员对滴速的把握就不会很准确，容易造成输液速度过快导致患者出现不适或速度过慢而影响治疗效果;

若输液时间较长，容易导致医护人员和患者的疏忽，增加医疗事故隐患。

需要随时监控输液情况，加大了医护人员的工作任务。

因此提高输液系统的智能化和自动化以及降低输液过程中的隐患势在必行[1]。

当前国内外各大医院对输液装置进行了广泛的研究，生产出许多新型输液监控装置，但由于价格过于昂贵，未能较好的普及。

本文设计了一种以PC机为上位机，以AT89C52单片机为众下位机的RS485/RS232总线智能输液监控系统。

上位机采用VisualC++编程语言，创建了一个可视化的人机界面，通过该界面可以设定目标滴速、设定报警形式等信息。

下位机设计了具有RS485总线转换接口、吊瓶体积选择键盘、LCD数据显示、液滴红外检测、步进电机控制、声光报警报警等功能的输液终端监控系统。

该智能输液系统的预期目标是可以对多床位的输液情况进行远程监控，能针对不同的病人设定不同的滴速，输液出现异常情况时会产生报警，液体输完时可提醒义务人员及时切换至另一瓶。

本智能医疗输液系统可以提高医院的服务水平和服务质量，减少输液过程中出现的医疗事故，增强医院市场竞争力。

1概述

1.1本设计研究的现状

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％。

静脉输液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，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，有时甚至还会产生医疗纠纷。

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。

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JMS株式会社的OT.601型输液泵（控制精度为10％）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，在几千元人民币左右，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门项目，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，稳定性、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[2]。

医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行业。

按照原国家经贸委指定的《医疗器械行业“十五”发展规划》，到2015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。

目前国内尚未完全解决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。

1.2本设计研究的意义

近年来，随着医疗事业的发展，计算机网络管理是现代化医院的一个重要标志，尤其是在医疗监控领域，提出了多元化、信息化、个性化的医疗设备需求。

现代科技的进步和发展，为医学监护技术提供了创新条件和新的发展空间，然而医疗监护技术和设备的发展仍不能满足医院、病人、家庭和人身健康各方面提出的要求。

因此，网络化医疗监控设备已具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。

静脉输液是最常规和最重要的医疗手段。

但是，现行的医院点滴输液方法中，输液速度难以准确限制，医师和护士只能依据经验来控制莫氏管的轮夹，而不能依据患者的病情精确控制药液的速度和流量，这种输液速度控制的方法显然是不方便的，并且可能对患者造成不必要的伤害。

所以如果有液体点滴速度监控装置，必将深受医务人员和病人的欢迎。

目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高，增加医院和病人的费用。

针对这种情况，本文设计实现了一种由单片机控制的液滴速度监控和液位报警装置。

该装置可为临床医师提供可靠的数据，对患者的抢救及治疗提供一些帮助。

该系统包括红外光电发送接收装置、AT89C52单片机、步进电机、LCD显示屏等。

其中红外发送接收装置用于将液滴滴下一滴的信息转化为电信号传入单片机，经过单片机计算其滴液速度，在下位机的LCD显示屏上显示，通过步进电机达到控速的目的。

在实际应用当中，还将该系统分为各床位输液监控装置（从站）及监控中心（主站）两部分，以便对多床位进行远程监控。

监控中心PC显示各床位的输液情况。

当输液结束或出现异常情况时，各床位（从站）的监控仪进行声光报警，并向主站发送报警信号，等待护士前来处理。

整个装置简单实用，可应用于门诊输液系统中。

因为它有许多的优点，如：

操作简单、安装方便、成本低、可以用按键准确控制速度和抗干扰能力强等。

所以这种液体点滴速度监控的设计实现是十分有意义的。

1.3本设计主要工作内容

本文设计与实现一套基于AT89C52单片机的智能输液监控系统。

该系统综合运用嵌入式系统技术、单片机控制技术、光电检测技术、通信技术、步进电机控制等技术，其主要功能有：

（1）设定点滴速度；

（2）自动控制液体速度，并实时显示：

（3）当输液结束时或出现输液异常时自动报警；

（4）分布式主从站设计，通过CAN总线实现输液远程监控。

系统的主要特点：

（1）采用步进电机，定位精确；

（2）硬件采用脉冲调制技术提高红外对管的抗干扰能力；

（3）软件利用数字滤波技术提高系统程序的稳定性；

（4）合理的人机交互设计，操作简单，显示直观；

（5）多路报警信号。

2输液监控系统总体方案

2.1系统需求分析

系统需求分析是在系统设计之前进行收集系统有效信息的阶段，这一阶段的任务通常分两步来完成：

首先，从项目来源收集系统的需求信息；

其次，对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，这些规格说明里包含了系统设计所需的足够信息。

为了使系统正常运行，就必须合理设计系统的整体结构，在系统总体设计时，首先要说明输液监控系统软、硬件功能分配，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成，其次要说明各部分的工作原理，以及工作中各部分之间的关系等问题。

通过调研和讨论，分布式输液监控系统应当适合以下条件：

多台监控仪由PC进行统一管理；

PC和输液监控仪在同一楼层使用，综合考虑布线等因素，可靠距离应当在百米以上；

输液监控仪对输液速度进行监视，如果不在设定范围内就在监控仪和PC上同时进行报警；

系统管理软件应该能够对各输液监控仪进行监控；

系统应该操作简单，易于使用；

系统成本应该控制在合理的价格之内。

按照需求分析，系统可分为软件和硬件两大部分，硬件主要有PC、总线适配器和输液监控仪，软件主要为输液监控管理系统。

从系统结构的角度来说，本系统主要由总线适配器、输液监控仪和监控软件管理系统三个子系统构成。

其中本文着重讨论输液监控仪的软硬件设计、PC和输液监控仪之间的通信协议和PC输液监控管理软件系统。

总线适配器方面的设计包括：

总线类型的论证比较、总线电路设计、通信协议设计等。

输液监控管理软件系统的组成模块主要包括：

欢迎界面模块、输液监控模块和数据信息管理模块等。

2.2系统方案论证与比较

2.2.1控制方案比较

方案一：

此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。

但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的动态显示滴速及远程通信的功能。

方案二：

此方案采用AT89C52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。

这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能，并且可以实现主站与从站之间的通信。

本人通过大学期间学习对单片机有了一定了解，且单片机价格便宜，功能较多。

综上考虑，采用方案二。

2.2.2点滴检测方案

方案一:

用压力传感器进行测量的方法。

在输液瓶的下面加一个压力传感器，通过感知压力的大小来判断是否有液滴滴下，从而进行滴速测量，但单独液滴质量较小，且在输液中易发生晃动影响测量。

方案二:

用可见光二极管与光敏三极管组成的传感器来测量，由于外界光线对光敏三极管影响较大，一旦外界光线改变，对滴速测量的准确度会有所影响。

如果采用大功率发光管可见小影响，但是这样功率损耗会很大。

方案三:

采用红外检测技术，在莫氏滴管处对输液速度进行测量。

红外发光二极管发光后，光线透过滴斗照射到红外光敏接收二极管，接收二极管将照射到它上面的光线变成电流信号进行输出。

如果此时滴斗中没有液滴滴下，光线的衰减就比较小，照射到光电三极管上的电流就比较强;

如果此时滴斗中有药液落下时，由于药液挡了一下光线，药液对光线具有吸收和散射的作用，这样就使光敏二极管接收到比较弱的光信号。

将光敏二极管输出的电流信号转换为电压信号，通过检测输出端电压信号的强弱就可以检测出有无药液滴下。

把检测到的信号经过整形后送入单片机进行处理，就可以计算出输液的点滴速度[3]。

综合考虑上述各种方案，方案三成本低、电路易实现且不受外界光源干扰，故采用方案三。

2.2.3剩余液体检测方案

采用红外对管实现，跟点滴检测模块一样。

让红外发射和光电接收管分别放在滴管两侧，根据接收信号强弱不同，当液面处于警戒线以上时液体对光线有反射和吸收作用，接收的信号较弱;

当液面处于警戒线以下时，接收的信号就较强，此时单片机就发出报警信号。

通过设定输液总量和点滴计数来实现。

现在使用的一次性输液器的滴系数一般为20滴/ml、15滴/m1、10滴/m1、。

点滴系数是指静脉输液时每毫升液体的滴数。

目前输液瓶的容量有500ml、250ml、100ml三种，通过按键选择输液瓶的容量和输液器的型号。

根据输液瓶的容量、点滴系数、点滴计数值我们就可以计算出剩余液量。

比如输液瓶容量为25Oml，滴系数为15滴/ml，点滴计数值为n，这样通过一个简单的数学公式就可算出余液的多少。

设定余量20ml为输液快完，此时可以通知单片机输出报警信号。

本系统我们采用第二种方式来实现。

这样可以简化硬件电路的设计，减少IO口的使用，降低成本。

液滴检测后的信号送单片机经处理后通过RS485/RS232总线上传上位机。

2.2.4速度控制方案

通过改变滴管的高度来控制输液滴速。

由电机带动输液瓶使输液瓶上升或者下降，以改变滴管的高度从而调节滴速。

当实际滴速大于设定滴速时电机正转降低输液瓶的高度，反之反转升高输液瓶的高度。

经验证此方案实现起来比较困难，一方面是由于高度与滴速之间属于非线性关系，难以精确调节滴速;

另一方面，经试验得出输液瓶在一米高的时候，滴速大致为100滴/min，而一般输液速度不会大于100滴/min，高度只能在一米以下调节，而病床的高度一般都高于一米，输液瓶的高度低于床位才能实现所要求的滴速;

并且在输液中，液面也在不断下降，这相当于降低了输液瓶高度，这样不太合理，由此得出这种方案不可取。

通过设计机械装置来夹紧或放松莫氏管来控制输液滴速。

利用步进电机的正反转来控制机械装置，使机械装置来夹紧或放松莫氏管，以达到降低或提高滴速的目的。

本系统我们采用第二种方案。

保留原来输液管上的手动滑轮，以便病人家属可以使用。

2.2.5电机选择及控制方案

采用直流电机。

直流电机上电后就开始转动，掉电后由于惯性还会转动一定的角度才能停下来，难以实现精确控制,极易造成不必要伤害。

采用步进电机。

步进电机的转动角位移与输入脉冲成线性关系，具有良好的跟随性，没有累计误差。

易于启停、正反转及变速，动态响应快。

控制精度较高。

采用伺服电机。

伺服电机在低惯量、高启动转矩、大转矩的系统中经常使用。

考虑到上述各种电机的性能和特点，使用步进电机可以较好满足本系统的功能要对以上两种方案进行比较之后，我们决定选择第二种方案，来实现对系统的精确控制。

2.2.6主从机通信方案

采用无线方式。

常用的无线方式有红外、蓝牙、Zigbee、无线收发模块等。

红外方式的传输距离非常有限，而且易受障碍物的干扰，因此不能应用在本系统当中。

蓝牙技术比较复杂，功耗也比较大。

无线收发模块RF905、NRF2401a价格虽然能够接受，但是这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试，在空旷场地上200m范围内没有问题，但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构，对电磁波衰减作用非常严重。

虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm，但是这样增加了成本，同时擅自增大RF辐射功率不仅会对人身健康产生不利影响，而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用。

基于以上原因，否决了无线传输模式，因此只能选择有线传输模式。

采用有线方式。

常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。

并行通信一般在实际当中用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机I/D口较多，需要的传输线也很多，不适合远距离通信，因此弃用而采用串行通信方式。

串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高（可达800kb/s）的场合。

因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，成本高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。

异步串行通信有多种总线形式可供选择，如RS232、RS485、CAN总线等。

结合AT89C52本身，其内部有一个全双工串行口，共有4种工作方式。

方式0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展I/0口的功能；

方式1为8位异步通信接口，用于双机通信，在距离小于1．5m时可直接相接利用单片机本身的m电平直接传输信息，为增加通信距离，减少通信及电源干扰，一般采用RS232．C标准进行通信；

方式2、方式3均为9位异步通信接口，其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信，也可用于双机通信。

在多机系统中，通常采用RS422、RS485串行标准总线进行数据传输。

RS485在以1Mbit/s高速率传输时最大传输距离不超过lOOm，而以最低速率传输时传输距离理论上也只有1219m左右（无中继），即便加上中继最多也只能增加八个，最大传输距离在理论上也只有9．6km左右，在实际应用当中显然是达不到这个数值的，如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5～lOkm，这使系统复杂程度及成本都大大提高，还为系统的后期维护增大了难度。

而且RS．485还有一些与生俱来的缺点，如数据传输率低、抗干扰能力较弱、网络调试困难、通信失败率高等。

同时RS485使用的是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机，通讯都由它发起的，它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才向下一个节点询问，这样是为了防止多个节点向总线发送数据而造成数据错乱，但导致其总线利用率也是很低的。

最为重要的是RS一485的网络特性为单组节点，即只能构成主从式结构系统，一个主站对从站的点对多点网络，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，在这种网络中如果一个节点出现问题，就会导致系统瘫痪，系统的实时性、可靠性较差。

也就是说，在错误检测机制方面，RS485只规定了物理层，而没有数据链路层，所以它对错误是无法识别的，除非一些短路等物理错误。

这样容易造成一个节点破坏了，拼命向总线发数据（比如一直发1），这样造成整个总线瘫痪。

所以RS485一旦有一个节点损坏，整个总线网络都会瘫痪。

作为一个医疗系统，可靠性显然是其第一要务，故而不使用RS485串口通信的方案。

2C串行总线方式只要两条线即可实现多机通信，但一般单片机都没有其接口，用软件模拟的话非常复杂，增加了开发周期。

，2C数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。

但是其总线长度一般不高于25英尺，折合标准长度单位仅为7．62m，远远不能满足本项目的要求，故而弃用。

CAN，全称为“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN总线在以5Kbit/s进行数据传输时，其传输距离在理论上距离可达lOkm，而在实际应用当中有效距离也达到4．5km，应该能够满足现实生活中医院的需求。

在总线利用率方面，由于CAN．bus是多主从结构，每个节点都有CAN控制器，多个节点发送时，以发送的ID号自动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱，而且一个节点发完，另一个节点可以探测到总线空闲，而马上发送，这样省去了主机的询问，提高了总线利用率，增强了快速性。

在网络特性方面，CAN为多组节点，CAN控制器可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播中方式传送和接受数据，各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。

在通信失败率方面，CAN总线通过CAN总线控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端得状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。

当两个节点同时向网络传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输，有效避免了总线冲突。

在节点错误对系统的影响方面，由于CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而对节点错误CAN总线型系统基本