基于51单片机的点滴输液报警器的设计与实现毕业论文.docx

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基于51单片机的点滴输液报警器的设计与实现毕业论文

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引言

点滴输液是现在临床治疗和抢救非常重要的手段，医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定高度上，利用势差把液体输入到病人的体内，通过软管夹对胶管口径压紧和放松来控制滴速．这对输液有严格要求的病人和护士的监护管理来说都很不方便，在输液过程中药物接近完成或由于某种原因药物的速度过快、过慢都要医护人员及时护理否则将出现医疗事故。

目前没有高效的控制系统，点滴输液时需要医护人员在旁照顾，这加重了医护人员的工作量和病人的思想负担而且也不利于医院的统一管理。

该装置就可以解决这个问题，在输液过程发生的意外状况可以通过警报声通知医护人员，医护人员只要听到警报声马上过来，就可以处理突发状况，这样就大大节约了时间，该装置不仅仅可以用在医疗方面，在一些需要严格控制液体流量的场合也可以使用，比如一些工业生产，珍贵的植被灌溉。

目前，国内外液体点滴报警器方面已经有了一些研究，已经研制出来一些新产品。

并且被很多大型的医院引进，但是还没有普及，一些中小型医院在病人输液时还是靠医护人员的实时监控，以防止发生意外。

本系统可以合理的控制点滴流速从而避免出现危险，同时可以让患者感到舒适和方便护士操作。

可以确保输液安全，实现医用点滴检测，无线声光报警，可以对输液状况实施检测，而且病人可以通过按键报警。

该系统可以设置液体流速，当液体流速超出设置速度时，会发出警报，而且当没有液体时，该装置也会报警，这样就不用医护人员实时的监控，当病人有问题时可以按动装置上的按钮，从而方便了医护人员的操作，可以为他们腾出大量的时间。

1项目概述

1.1选题背景

静脉输液的技术起源于公元16世纪，经过四百年的发展逐渐形成了完整的理论体系，成为最直接，最常用，最有效的治疗手段之一。

在医院输液有一个难题长期困扰着病人与医护人员：

在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷或入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意，当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。

若处理过早，即药液还末完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等。

因此常引发病人的不满以至投诉，甚使医护人员无奈。

而医用输液报警器的设计和投入应用，可以较好地解决输液中所遇到的这些困扰。

随着信息技术的发展和微电子技术的应用，在医疗卫生领域和工业控制领域一场随之而来的信息化的变革也正在进行。

在工业控制领域,生产中的液位流量需要实时的控制，同样在医疗卫生领域,对输液流量的实时控制同样有很大的需求。

现在社会的不断发展，生活节奏的加快，越来越多的方面需要进行有效的、精确的控制。

而输液点滴作为一项很重要的医疗手段，更需要这样的技术改进。

所以需要一种安全有效，节约时间的方法来解决这一问题。

1.2目的及意义

选题的目的

（1）点滴输液在现在临床治疗和抢救中非常的重要，在输液过程中药物接近完成或由于某种原因药物的速度过快、过慢都要医护人员及时护理否则将出现医疗事故，需要一个有效的措施解决这一问题。

（2）目前没有高效的控制系统，点滴输液时需要医护人员在旁照顾，这加重了医护人员的工作量和病人的思想负担而且也不利于医院的统一管理。

（3）输液点滴作为一项很重要的医疗手段，更需要进行有效的、精确的控制。

选题的意义

医用点滴输液已经成为现在医疗常规的手段。

对于不同年龄，不同病患程度的输液患者或使用不同的输液药物，要求有不同的点滴流速，而该装置就可以解决这个问题，可以合理的控制点滴流速从而避免出现危险，确保输液安全，实现医用点滴检测，无线声光报警，可以对输液状况实施检测，当病人有问题时可以按动装置上的按钮，不仅提高了护士的工作效率，减轻了护士的工作负担和病人的心理压力，还减少了静脉输液时的医疗事故及纠纷的发生，增加了输液的安全系数。

总之，这种输液报警器适用于各级医院的临床工作需要，工艺制作及设计方面有一定的创新性，具有较好的社会效益和广阔的市场应用前景。

1.3国内外研究现状与发展趋势

目前，国内外液体点滴报警器方面已经有了一些研究，已经研制出来一些新产品。

并且被很多大型的医院引进，因其体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。

红外光电自动控制，在方便和适合医护吊瓶习惯的前提下，降低医护人员和护理人员的劳动强度，在一些大型医院已有使用。

该输液报警器具有广阔的市场前景，并能产生巨大的社会效益。

目前医院的现状普遍是病人多，护士少，一些大型医院1个护士需要同时照顾几十个床位的病人，繁重的工作给医护人员带来沉重的负担；同时绝大多数病人都需要家属陪同输液，家属或陪护人所起的作用是不断地对输液进行肉眼监控，因此而耽误工作和学习，而且稍有疏忽，就会因延迟护理而造成回血，严重的会造成输液医疗事故，输液报警器的研制正是为了解决这一问题。

据初步估计，我国县级以上医院有16000多家，一般床位数在800到1200左右，另外急救，门诊等也会进行大量的输液治疗。

按保守估计平均每家医院每天有800住院病人，这其中有85%的人需要输液，则每天全国约有850万人接受输液治疗。

按每家医院至少需要700个输液报警器。

可见输液报警器的需求量非常之大，具有广阔的市场前景。

2相关技术

2.1红外对管技术

本系统中用到的红外对管是由一个红外发射管和一个红外接收管组成。

红外接收管不受可见光干扰，且感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。

红外线接收管是把红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，跟普通二极管相比，它在结构上采取了大的改变，红外线接收管为更多更大面积的接受入射光线，电极面积尽量减小，PN结面积会做的比较大，而且PN结的结深会很浅，一般小于1微米。

红外线接收二极管是在反向电压作用下工作的。

在没有光照时，反向电流一般会很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。

当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结之后，能量会传给共价键上的束缚电子，这时部分电子挣脱共价键，从而产生电子。

它们在反向电压的作用下参加漂移运动，反向电流会明显变大，光的强度越大，反向电流也就会越大。

红外线接收二极管在一般强度的光线照射下，所产生的电流叫做光电流。

如果在外电路上接上负载，负载上就会获得电信号，而且这个电信号也会随着光的变化而相应变化。

红外线接收管有两种，一种是光电二极管，一种是光电三极管【1】。

本系统中用到的是光电二极管。

红外对管的电路图如图2-1所示。

图2-1红外对管

Fig.2-1Infraredtubetechnology

直流驱动红外探测器电路的设计和参数计算电路如图所示。

R1与W1及V1构成简单的直流发光二极管驱动电路，调节W1能改变发光管的发光光强，从而调节探测的距离，NE555及其外围元件构成施密特触发器，接收管V2与电阻R2构成光电检测电路，它的触发电平可通过W2 控制。

通过NE555的第3脚输出的TTL电平可直接驱动单片机的I/O口。

检测液面电路如图2-2所示。

图2-2检测液面电路

Fig.2-2detectingliquidlevelcircuit

 采用红外对管检测技术的时候红外对管置于输液瓶的两侧，距离瓶口大约1~3厘米。

液面检测电路主要有三部分组成：

调制与解调部分、红外发射与接收部分、放大部分。

当红外对管之间介质发生变化（由水到空气）时，光电接收管的输出信号会发生相应的变化。

然后将这一输出信号送入单片机。

频率发生电路是由一个555定时器组成的占空比可调方波发生器。

对来自输液现场的环境干扰光，采用调制和解调技术来提高抗干扰的能力。

调制解调器接收电路由运放LM741与解调芯片LM567组成。

单片机通过检测LM567和引角8的电平变化来实现液位检测，从而解决了因液体透明而导致发射不明显的问题。

2.2单片机技术

单片机（Microcontrollers）是一种集成的电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的随机存储器RAM、只读存储器ROM多种I/O口、中断系统、定时器/计数器和中央处理器CPU等功能（可能还包括脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器、显示驱动电路等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域有广泛应用。

单片机又被称为单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个小小的芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用与开发都提供了便利条件。

概括的讲：

一块芯片就组成了一台计算机。

本系统采用的单片机是STC89C52。

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程的可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器的制造技术制造，有12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周 期两种，可以任意选择【3】，指令代码完全兼容传统 的8051 单片机。

 主要特性如下：

1. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个 UART 。

        2.增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051。

        3. 工作电压：

5.5V～3.3V（5V 单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）。

        4. 工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通 8051 的 0～80MHz，实际工 作频率可达 48MHz 。

        5. 用户应用程序空间为 8K 字节， 片上集成 512 字节 RAM 。

        6. 通用 I/O 口 （32 个） 复位后为：

P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。

        7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片。

8. 具有 EEPROM 功能，具有看门狗功能，PDIP 封装。

        9. 共 3 个 16 位定时器/计数器，即定时器 T0、T1、T2 。

 10. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

11. 工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

STC89C52的引脚图如图2-3所示。

图2-3STC89C52的引脚图如图

Fig.2-3STC89C52pindiagram

STC89C52内部有个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚TXD和RXD分别是此放大器的输出端和输入端。

时钟可以用内部方式产生或外部方式产生。

内部方式时钟电路如图4—2（a） 所示，在TXD和RXD引脚上外接定时的元件，内部振荡器就会产生自激振荡。

晶体振荡频率在1.2～12MHz之间选择，电容值可在5～30pF之间选择，电容值大小可对频率起微调的作用。

定时元件通常采用石英晶体与电容组成的并联谐振回路。

 外部方式的时钟电路如图4—2（b）所示，TXD接外部的振荡器，RXD接地。

片内的时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟的P1和P2，供单片机使用【4】。

 对外部振荡信号没有特殊要求，只要求保证脉冲的宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

 TXD接外部振荡器，RXD接地。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

对外部振荡信号没有特殊要求，只要求保证脉冲宽度就可以，一般会采用频率低于12MHz的方波信号。

图4-2时钟电路图

Fig.4-2clockcircuitdiagram

2.3晶体显示技术

显示器是一个系统中呈现数据信息的重要组成，一个系统如果中没有显示器的话，我们无法直接获得信息，这样就给我们对操作系统带来了极大的不便，所以显示器在一个系统中的地位是非常重要的，而在嵌入式中，晶体显示又是显示器技术中一种最为普遍的技术，下面着重说一下液晶显示屏。

1．液晶显示屏的基本构造

（1）薄膜基板：

液晶分子的扭转角度由TFT控制。

（2）背光板：

LCD的显像原理是靠液晶阻挡光线的分量达到控制明暗，所以必须要有光源才可能在屏幕上看到图像，所以背光板负责为液晶屏显像提供最基本的光源。

（3）下偏光板：

背光板送出来的光线方向性不一致，会呈放射状，如果这样的光线只通过液晶分子的扭转，我们在屏幕上还是看不到正常的图像，看到的可能是白茫茫的一片，或者是花花绿绿的色块，不会是我们想看到的图像。

下面的偏光板就承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。

（4）液晶：

这层液晶分子会在TFT控制下发生扭转，达到将方向一致的光线通亮进行控制，从而在通往后面像素单元的光线明暗度就发生了改变。

（5）彩色滤光片：

液晶本身并没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,液晶屏中每个液晶子像素显示的颜色取决于色彩过滤器，而不是子像素, 背光源发出的是白色光线，白色光线经过各种颜色的滤色片之后，我们在滤色片后面就可以看到与滤色片对应颜色的光线被传出，所以在液晶显示屏中，彩色滤色片的功能是上色，和CRT显示器的荧光粉功能对应。

大多数数字控制的 LCD 采用了 8 位控制器（也有的数字控制采用10位控制器），可以产生 256 级灰阶。

液晶子像素只能通过控制光线的强度来调节灰阶,只有少数的主动矩阵显示采用模拟信号控制,大多数则采用数字信号的控制技术。

每个子像素可以表现 256 级,那么你就能得到 256×3种色彩,每个像素能够表现出 16,777,216 种成色，也就是我们常见的所谓的1677.7216万色。

因为人的眼睛对亮度的感觉不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种 24 位的色度已经能完全达到理想要求。

（6）上偏光板：

原本方向一致的光线在经过了液晶层的扭转后又变得方向不一致，所以如果不把呈漫射状的光线再次规整，在屏幕前看到的则依然是白茫茫一片，被液晶扭转过了的光线并没体现出来，所以必须将漫射光进行规整，使用一片与下偏光片偏光方向正交偏光片将经过液晶扭转的光心重新进行偏转，不同角度的光线在经过上偏光板后的亮度不同，所以我们可以在屏幕上会看到明暗交替画面，因为被偏转光线是经过了彩色滤色片的彩色光，所以我们在屏幕前就可以看到我们需要的图像。

2.液晶的成像原理

液晶显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样就可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在数字摄像机、便携式电脑和PDA移动通信工具等众多的领域。

LCD的成像原理如图4-3所示。

3.液晶显示器的分类

液晶显示的分类方法有多种，通常可按其显示方式分成点阵式、段式、字符式等。

除黑白显示外，液晶显示器还有多灰度彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分成主动矩阵驱动（ActiveMatrix）、静态驱动（Static）和单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）三种。

4.液晶显示器各种图形的显示原理【5】:

（1）线段的显示:

点阵图形式液晶由M×N个显示单元构成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1个字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元和显示RAM区的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相对应。

例如屏第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角会显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角会显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部会显示一条由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显示一个字符时会比较复杂，因为一个字符由8×8或6×8个点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置相对应的显示RAM区的8字节，还要使每个字节的不同位为“1”，其它的位为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就会比较简单了，可以让控制器工作在文本方式上，根据在LCD上开始显示的行列号和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就可以了。

（3）汉字的显示:

汉字的显示一般会采用图形的方式，事先从微机中提取要显示汉字的点阵码，一个汉字占32B，分成左右两半，各占16B，右边的为2、4、6……左边的为1、3、5……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数就可以找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，然后送第三个字节……直到32B显示完就可以在LCD上得到一个完整汉字。

图4-3LCD的成像原理

Fig.4-3LCDimagingprinciple

3总体设计

3.1设计方案

医疗点滴报警器的原理：

通过红外接收装置，光电传感器，显示装置，单片机系统、键盘和报警系统组成。

通过红外对管接收到的信号，通过电路传到单片机，利用单片机完成简单的数学运算，信号处理以及控制功能，点滴速度的闭环控制。

同时，点滴流动速度测控系统通过串行通信可以实现基于单片机的多路管理。

将液滴流动频率经过LM567转化为高低电平，经单片机及程序控制，在没有液体的时候使得发光二极管、蜂鸣器显示报警。

设计思路有以下设计功能。

（1）通过红外对管检测点滴滴下的个数，以此计数，可以对记录对病人输液的总量。

（2）红外对管可以检测点滴是否滴完，当输液管里面没有点滴是报警。

（3）1602液晶显示输液的点滴数，更加人性化，直观化。

（4）报警按键可以随时报警，方便病人。

（5）红外对管把每次记录的滴数传给单片机，以计算单位时间内所滴的滴数，从而得到流速。

本设计是以51单片机为主要控制核心，用51单片机系统对用户设定信号数据的采集以及分析，通过各种可控型电子元器件对点滴进行计数和报警，以达到用户需求。

系统功能流程如图3-1所示。

图3-1系统功能流程图

Fig.3-1systemfunctionflowchart

如图3-1所示，当有物体通过红外对管时，会引起红外光线的变化，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电流，电流经过比较整形之后，产生了脉冲信号，然后进入单片机，单片机处理这些脉冲信号，当没有物体通过时，红外对管会产生很小的电流，产生脉冲信号，单片机处理后指令到达报警器，报警器报警。

3.2系统硬件总体设计

3.2.1系统硬件结构

点滴输液报警器系统硬件结构搭建如图3-2所示，系统初始化后，先是通过键盘设置液体的流速，这样就可以实现当液体滴度超过设置速度时报警；通过红外装置测试水槽是否有液体，当水槽没有液体时，向单片机发送信息，单片机通知扬声器实现报警；用红外测速装置测试液体速度，信息传给单片机，单片机处理完之后将数值通过显示装置显示出来。

3-2系统硬件结构搭建图

Fig.3-2Hardwarestructureofsystem

3.2.2系统硬件方案设计

本系统主要是对液体速度的测量，通过液体速度测试装置，测试出速度后数据传给单片机，再通过显示装置显示出来，再通过红外装置测试是否有液体，扬声器实现报警。

（1）单片机：

本系统采用STC89C52，STC89C52是STC公司生产一种低功耗、高性能CMOS8位的微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机所不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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【6】。

（2）水位判断装置。

本系统采用的是红外对管，红外对管是红外线发射管，红外线接收管，功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二级管，一般只对红外线有反应，这样在接受液面水位信息的时候，就避免了一些可见光的干扰。

（3）显示部分。

本系统的显示装置采用的是LCD1602,1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

英文字母的大小写、常用符号、阿拉伯数字、和日文假名等，每一个字符都有一个固定代码，比如大写英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块时把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”，显示的内容非常丰富。

而且LCD1602的体积小、功耗低、使用简单等优点，而且不需要外加驱动电路，本装置体积很小，所以使用1602作为显示非常适合。

3.3系统软件总体设计

本设计系统分为5个模块，测试速度模块，显示模块，中央处理器，测试页面模块，报警模块。

如图3-3所示。

图3-3点滴输液报警系统功能模块图

Fig.3-3intravenousdripalarmsystemfunctionmodulechart

3.3.1下位机软件设计

主程序是整个程序设计的主体，也是整个系统中最重要环节，它负责各个子程序模块的执行顺序、时序以及它们之间的联系。

主程序通过系统的自检以及调用各种子程序模块，从而实现系统初始化，进行数据处理、数据显示、按键处理、产生控制信号、参数传递等功能。

主程序流程如图3-4所示。

图3-4主程序流程图

Fig.3-4mainprogramflowchart

子程序是系统中不可缺少的部分，子程序的实现都是通过主程序的调用来实现的，它实现了系统的部分功能，子程序可以把整个用户的程序按照功能进行结构化组织。

一个“好”的程序总是把全部的控制功能分为几个符合工艺控制规律的子功能块，每个子功能块可以由一个或多个子程序组成。

这样的结构也非常有利于分步调试，以免许多功能综合在一起无法判断问题的所在；而且，几个类似的项目也只需要对同一个程序作不多的修改就能适用。

本系统子程序模块包括：

数据显示子程序、报警程序等。

4系统硬件设计

4.1系统硬件设计原则

一个单片机应用系统的硬件设计包括两部分内容：

一是系统配置，即按照系统功能来配置外围设备，如键盘，显示器，打印机，A/D，D/A转换器等，以设计合适的接口电路。

二是系统扩展，即单片机内部功能单元，如ROM,RAM,I/O,定时器/计数器，中断系统等的容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当芯片，设计相应的电路。

系统的扩展和配置设计应遵循下列原则：

（1）整个系统中相关的期间应尽可能做到性能匹配，例如在选用晶振频率时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度高的芯片：

选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。

（2）尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规方法。

为硬件系统的标准化，模块化打下良好的基础。

（3）系统的扩展与外围设备的水平要充分的满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次的开发。

（4）硬件结构要结合应用软件一并考虑。

硬件结构和软件方案会产生互相的影响，考虑的原则是：

软件能实现的功