数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置设计本科毕业论文.docx

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数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置设计本科毕业论文

摘要

输液装置是医疗器械中一种被广泛使用且非常重要的一次性消耗器材，在传统的输液过程中，通常是由人工设置输液点滴的速度，也是依靠人工来监测输液瓶中液位高度等输液的状态。

这种人工的方式既费时费工，也存在着非常大的安全隐患，因而设计一种数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置就有着非常迫切的现实意义。

就数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置的问题而言，整个装置通过采用AT89S52单片机主控模块，行列按键及对射式光电传感器的输入模块，以及控制储液瓶移动的步进电机驱动单元和LCD显示单元及光电报警单元一同构成的输出模块，三个模块相结合的方案。

采取硬件设计与软件设计及模拟仿真的方法。

硬件电路设计采用对射式光电传感器红外检测采集液滴数据，以及检测储液瓶内剩余液量并报警。

通过键盘输入控制设置点滴速度，步进式电动机控制吊瓶移动改变点滴滴速，单片机驱动电机控制药液的滴速滴注，由LCD显示检测滴速值。

软件系统设计主要包括单片机主控程序、点滴速度测量程序、电机控制程序、LCD显示程序、报警程序以及输入键盘程序几大部分的设计。

在模拟仿真方面，运用Proteus和Keil软件进行了软件仿真设计，更具科学性可将理论运用于医疗实际,将更有助于临床的实际应用。

关键词：

点滴监控；光电传感器；AT89S52单片机；步进电机

ABSTRACT

Withthedevelopmentandapplicationofinformationtechnologyandmicroelectronicstechnology,inmedicalandhealthfieldaconcomitantinformationrevolutionisunderway.Inmedicalandhealthfield,accordingtotheneedsoftheinfusionflowcontrol,thispaperpresentsakindofcontroldevicebasedonsingle-chiptechnologyofliquiddroppingspeedmonitoringscheme.Thedeviceismainlyinordertoovercomethemanualmonitoringliquidlevelandliquidflow,theconsumptionofenergyistoolarge,theefficiencyistoolow,thedisadvantages,thedeviceintheoryandpracticalapplicationhasimportantvalue,andtothefieldofmedicalhealthismoreimportant.

Onproblemsofdigitalmedicaltransfusionstatusofphotoelectricdetectionanddropspeedmonitoringdevice,throughtheuseofitscoreisAT89C51microcontroller,isbasedontheinputcompositionandthereflectivephotoelectricsensorinthematrixkeyboardkeyssystem.Theoutputisinintelligentcontrolbottlemovingsteppermotor,LEDdigitaltubeandbeesoundalarmcircuitcomposedof.Takethehardwaredesignandthesoftwaredesignandsimulation,isusedinhardwarecircuitofinfraredreflectivephotoelectricsensordetectioncollectingdropletdata,anddetectionoftheliquidstoragebottleresidualliquidandalarm.Throughthekeyboardinputcontrolsetofdroppingspeed,stepmotorcontrolthebottlemovetochangeforcontroltheDripdripspeedMCUdrivegearmotordrivesthespiralpressingmechanismcontrolliquiddripinfusion,andLEDdigitaltubedisplaydrippingspeedofdetectionvalue.SystemsoftwaremainlyincludesMCUcontrolprocedures,Disudetectionprocedures,drippingspeeddisplayprogram,drippingspeedcontrolprocedures,alarmprogramismadeupofthefollowingparts.Inthesimulation,theuseofProteusandkeilsoftwaresimulationsoftwaredesign,morescientificthetheoryisappliedintheactualmedicalfurtherexpansion,inordertomakeitmoreintelligent,automation,theabove,hypogynousmachine（Master/slave）wayintodigitalmedicalinfusionmonitornetwork.Willbemorehelpfultotheclinicalapplication.

Keywords:

spotmonitoring;photoelectricsensor;AT89S52MCU;steppingmotor

1绪论

1.1课题背景

点滴是医学上经常使用的治疗方法。

在病人点滴的过程中，时常因为病人身体状态差或者护理人员工作繁忙而无法关注到点滴的全过程，进而要专门请人监视护理，增加了医护人员的工作负担，也不便于病房管理。

当输完药液后，如果不及时进行相应的处理，病人的血液就会因输液空管受到外界大气压而使其倒吸入输液管中，如果这样时间过长会使扎针处血管肿胀，或者造成血液体外感染。

若处理过早，那么医用液体还没有完全输完就摘输液瓶取输液针管，就会造成药品的浪费。

因而时常会使病人有不好的情绪，情节严重的还会投诉，医护人员对此又无可奈何。

本课题就是针对于以上问题，通过采用声光报警监控的方式方法，达到医院输液情况的实时有效监测的目的，并通过单片机与LCD显示器来实现点滴速度数据的及时显示和存储的要求，以及完成在危急状况下的报警任务。

课题很大程度上推动了医院现代化，信息化的进程。

1.2课题意义

在点滴速度监控装置系统中，点滴信号提取是点滴速度监控装置中不可或缺的一步。

点滴信号自动化采集和有效便捷的传送也是信号处理的必要过程，医疗人员经常需要检测和掌控液体的储存量或液位，如人工肾机的透析储液瓶里面的剩余药液储存量、自动化洗胃机器中用来冲洗胃部的液体储液量、中医用到的药品沐浴机器中煎药锅中的液位、静脉注射输液液体量检测等等。

假如对于仪器或机器中液体储存量缺少监测，那么在液体储存量，不加控制情况下，很大可能会给病患带来人身伤害，情况更严重的会危及其生命。

所以通过对这些液体储存量的监控与了解，医护人员便可以随时发现液体剩余量，就可以在存储瓶中剩余液体缺少时，及时自动或者进行人工添加或者采取其他有效措施，以及时保持医疗设施的安全有效持久的运行。

因此，怎样更好更快地对医疗液位进行全方位监测，长久以来是医学工程人员思考较多的课题之一。

而在医学中，一直采用穿刺静脉的办法将药液直接从静脉注入身体内部，这种点滴方法称为静脉式点滴输液。

可是一直以来没有快捷并高效的监控装置，对已输液量或剩余液量等的监控，从而需要专人护理，加重了护理人员的工作负担，也不便于病房的综合集中化管理。

所以我们设计点滴速度监控装置，该装置监控输液点滴数，当储液瓶中剩余量低于预定值、输液点滴速度过高或过低时，发出声光报警信号，提醒护理人员立即加以处理。

可以很好的有效快速的处理上述问题。

它在医学应用上具有很大的使用性价值。

本装置的成功将大大降低了医务人员的工作量，同时缓解病人自己的包袱。

促使医院向信息化、网络化、自动化、智能化方向快速有效全面的发展，使医院的生活管理工作更加健全有序。

此次设计的数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置，是使用了目前市面上成本较低的，性价比高的AT89S52单片机和红外光电对射传感器，它针对性强、操作方便、使用简单、成本低廉、便于推广等特点。

2总体方案设计

2.1技术要求

设计并制作一个数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置，示意图如图1所示。

（1）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。

（2）通过改变h2控制点滴速度，如图1所示；也可以通过控制输液软管夹头的松紧程度等其它方法来控制点滴速度。

点滴速度可用键盘输入并显示，设定范围为20~150（滴/分），控制误差范围为设定值

10%

1滴。

（3）调整时间≤3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。

（4）当h1降到警戒值（2~3cm）时，能发出报警信号。

图1液体点滴速度监测与控制装置图

2.2系统总体框图

根据本论文的功能具体要求，本装置的硬件设计主要由以下几个部分组成:

由AT89C51单片机，点滴信号处理单元，液位检测单元，声光报警单元，步进电机驱动单元，LCD显示单元及键盘单元组成。

点滴信号处理单元又分为点滴信号检测单元，点滴信号比较，滤波，整形单元，其中信号检测单元完成点滴信号的采集;信号的比较，滤波，整形单元则完成了对整形脉冲和转换A/D这两个步骤，进而把采集到的模拟信号变为可直观理解的数字信号。

液位检测单元，检测液位是否降到要求所在位置，是则为传递信号于声光报警单元。

声光报警单元用来发出并传递报警信号。

步进电机驱动单元，实现了对电机的驱动和控制，达到控制储液瓶高度，从而达到点滴速度控制的目的。

LCD显示单元通过收到单片机发出的信号，实现对液体点滴速度的显示。

键盘单元，则可以设定或修改点滴速度。

图2系统总体框图

2.3系统方案论证与比较

2.3.1控制方案的比较与选取

方案一：

此方案是使用传统方式，模拟电路控制方案，虽然其特点是电路不复杂，便于实行。

可是通过模拟电路的方案，但很难把精度做高，也不易于达到设计装置要求中的键盘输入和实时显示点滴速度这两个环节的目的。

方案二：

通过采用AT89S52单片机系统来实现此控制方案，可用编写程序的方式，去完成这种麻烦的算法和繁琐的控制。

此方案更加简单的实现了装置要求中的键盘输入和实时点滴速度设定等功能需求。

通过上述两种方案的比较，决定采用方案二。

2.3.2点滴速度检测方案的比较与选取

对点滴速度的检测，其根本原理是通过记下在一段时间内滴下的液滴数量，用AT89S52单片机内部自带的定时器与计数器，进行计时与计数处理。

这样就是要对落下的液滴落下时的计数有很高的要求，可以考虑到以下几种方案。

方案一：

发光二极管与光敏三极管传感器组成的检测电路。

由于外部光源会造成极大的干扰，对于光敏三极管的运行状态方面。

一旦外界光在强度方面有了变化，将会直接造成光敏三极管，对液滴进行误判断。

即使采用超强亮度发光管可以解缓此类干扰，但此时却会造成了很大的功率损失。

所以方案一不可采取。

方案二：

不调制的红外对射传感器。

由于对发光管采用直流电压进行直接供电，但是平均功率存在范围限制，那就要保持发光管工作电流不能高于元件的额定值的问题，并且克服透壁照射的困难问题以及传感器容易受到外部光源等干扰的问题，所以此方案不予考虑。

方案三：

脉冲调制的红外对射传感器。

使用断续式工作方式，通过接收管被滴落的液滴暂时的挡住了，阻断了红外线信号短暂的采集，从而产生高电平的脉冲式信号。

同时红外对射管的发射口半径不大，又是单光源单光束发射的方式，液滴在红外线相对正交处下落，形成信号非常强烈的脉冲，便于检测到，易于再次处理。

考虑到环境光主要是对直流分量类型的信号有很大的干扰，如果采用调制了的带有交流分量的信号，则可以很大程度上减少外界光线对红外对射传感器的干扰。

而且红外发射管的平均电流决定红外发射管的最大工作电流，那么采用调制信号并且信号的占空比合理的话，可以使电流瞬间会变得很大，极大程度上的提高了信号噪声比，改善了系统的抗干扰能力。

方案四：

采用超声波传感器。

此方案采用调制脉冲发射方式，将超声波发射器与接收器两者正对的固定于滴斗外壁的两侧，当液滴滴落到发射器和接受器两者之间时，暂时挡住接收器接收信号，使其产生一个低电平的脉冲信号，在接收传感器接收一个信号并且进行解调，并检测出相应的脉冲信号，送至AT89S52单片机实现计数一次。

这样液滴滴数与电脉冲信号之间的对应关系，就可以简便有效建立了，自然而然的实现点滴测速的目的。

但超声波传感器装置在调试过程十分麻烦，再者一般的超声波传感器，相对液体来说体积太大，假使液滴垂直落下，但此时所能挡住的超声波信号也是十分有限的，这样即便接收到了一定的电信号也是极其微弱的信号，断续的信号，有很大的局限性。

此外这方案受外界干扰太大，就滴斗壁而言，对超声波对其反应很是强列，使得信号穿透滴斗在另一侧成功接收便成了问题，假如要接收到的话，就要保证超声波信号得有一定的强度，就需要提供较高电压进行信号强度的维持，这对病人以及医护人员的工作带来极大的安全隐患。

所以分析思考后，发现操作性有待考虑。

通过上述四种方案的对比思考，综合考虑决定采用方案三。

2.3.3液位监测与报警方案比较与选取

课题基本要求里写道，在储液瓶内液位降至2—3cm时，就要能发出报警信号。

所以怎样快速有效精准的检测到液位高度是至关重要的，而发出报警信号则便于实现。

而检测液位高度却存在很多种方案：

方案一：

电极法方法就是往输液瓶内插入两根性能不同的电极，利用药物的导电性能是否变化来检测判断瓶内液体药物是否用完，更进而去确定液位高度。

毫无疑问，该方法虽然具有很低的成本，但同时也存在着很大的安全隐患，首先，药液特性是否会因为通电而受到影响，而导致失效，这有待考究。

其次还有电极在消毒方面也存在问题。

方案二：

测重法它是利用弹簧秤或压力传感器或电磁感应开关，药液输完否是依据药物轻重变化来判断的，此方法虽然简单便捷，但在具体到减少多少质量液体降低多高的液位来说，无法给出具体对应关系，在可靠性和适应性方面想都不用想，肯定也有很大的问题。

方案三：

液面检测法通过采用将光电传感器固定在输液瓶上的方式，利用液位下降到低于设计要求给定的高度时，对光的反射或折射情况的变化来判断药液输完与否的方法，此方法有一定的可操作及适应性。

另外光电传感器有很多优点：

就尺寸而言相对较小，质量较于轻便，便于操作在输液瓶上安装，此外对辅助电路条件也相对要求较少，并且可以直接在近距离用直流电压实现发射功能，电路不复杂，功能比较稳定。

这个方案简单有效，实现比较容易，操作方便。

方案四：

超声回波检测法它是通过采用脉冲电信号激励超声波发生器产生超声波，每当超声波由发生器产生后，通过空气介质传送到达输液瓶中液面后，经液面反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收中间的时间差，再由超声波在介质中传播的速度及仪器安装高度，即可计算得出储液瓶中液位具体高度。

超声波发生器具有非接触点且功能稳定、安全有保障的优点，具有实用价值，但是由于超声波发射及接收器，成本高及安装工作复杂繁琐，也限制了超声回波技术在现实生活中的应用与普及。

综合比较上面四种方案，从可行性，可操作性的角度上，同时保证准确测量度上综合考虑，使用方案三，光电传感器达到测量储液瓶液面高度目的的液位检测法是最为合理的选择。

2.3.4点滴速度控制方案的比较与选取

为了实现对液体点滴速度的控制，依照设计的要求，可以使用下面两种方案：

方案一：

通过掌控输液软管夹头松紧程度实现对输液软管截面的大小的控制，从而达到掌控点滴速度的目的。

但是控制滴速夹，在实际应用当中，可移动的距离非常有限。

同时在滴速夹的松紧调节过程中，还存在很多实际不确定因素，例如输液管粘度与液体粘度等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等物理参数，都相对难于计算处理，用电机方式实施起来较为困难。

故采用夹头控制点滴速度将难以实现比较科学化合理化的线性控制。

方案二：

通过电机和滑轮组成控制模块，通过此控制模块，来掌控储液瓶的高度，从而完成控制液滴速度的目标。

此方案实施起来较为简单便捷，但不足之处是控制储液瓶移动的距离比较大，所需要的时间过长，而且储液瓶高度与点滴速度之间很难找到明显的线性对应关系，并且没有现成的理论公式可以利用，但可以通过采集足够多的实验点数据，在自变量即储液瓶可移动距离，变化范围较大的情况下，以此来解析并得出两者之间存在的规律，得出大致可靠的控制点滴速度的实验公式。

这项实验工作虽然较为繁杂，但较方案一来说，可行性高，精度较好，比较实际可靠。

第一项与第二项方案经过各方面比较，在实际应用当中，使用电机调整储液瓶的高度来完成对点滴速度的控制，这个方案控制效果较好，因此决定选择第二项的方案。

2.3.5电机的比较与选择

首先讲讲常用电机的类型，常用的电机主要有以下几种：

直流电机、步进电机、伺服电机。

比较上述三种电机，直流电机上电就可以转动，处掉电状态后惯性较大，处于停机状态时还会转动一定角度后才慢慢的停止；直流电机励磁转矩小、不存在抱死功能；但如果要求准确停在某一个位置，就要通过较复杂的闭环算法过程来实现了。

步进电机转矩相对直流电机而言比较大，再者步进电机价格可以接受，控制精度也高，很适合用于精确的测量中,可有效提高点滴速度的控制精度。

而伺服电机，虽然机械特性较好、输出功率很大、电机起动转矩大、驱动电路相对简单、正反转的控制较方便、而且具有容易抱死的功能即电机没有电提供时伺服电机的转矩非常大，但考虑到伺服电机实际价格动辄就是几千元，就成本上而言太过于昂贵，普及性上有待提高，故而弃用。

综合考虑上述各种电机的特点后，就实际情况而言，最终选用步进电机。

2.3.6滴速与键盘显示方案的选取

根据设计要求，点滴速度的实际大小要由我们自己给定的。

点滴速度的初始值与修改值都可以从键盘输入传至AT89S52单片机。

在显示电路显示实际的点滴速度，对于其显示有以下的两种方案：

方案一：

采用实际应用中使用较多的液晶式显示屏LCD。

液晶式显示屏（LCD）具有无功损耗小、造型轻薄短小，不存在辐射危险，可观视面积大。

以及画面感强，抗干扰效果好。

方案二：

采用传统单片机系统经常使用的八位LED七段数码管，显示实时点滴速度，按键采用行列式键盘。

数码管具有：

低功率损耗、低能源消耗、低电压使用、耐老化能力强、使用寿命长，对外界环境要求条件较低。

同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译工作量相对不多，资源占用情况好。

可是工作电流较大，影响它的实际应用。

综合以上两个方案看，决定方案一作为此次设计的点滴速度与键盘的显示。

3系统的硬件设计

3.1AT89S52单片机最小系统

此次设计所使用的单片机最小系统由中央处理单元AT89S52、振荡电路和复位单元电路这三个模块组成。

其中AT89S52是8位单片机中一个最实用、最典型的芯片型号之一。

3.1.1中央处理单元

该设计采用AT89S52单片机作为中央处理控制器。

单片机是微型计算机其中很重要的模块之一，是微型机技术发展到一定时代的阶段的产物，它的全称是单片机微型计算机，简称，单片机。

单片机是把组成微型计算机的各个功能部件:

包括中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口（1/0）、定时器、计数器及串行通信接口等，通过使用大规模集成电路的手段将众多的功能部件集中在一块小小的芯片当中，构成一个体积小，质量轻，实用性高的微型计算机。

因为以上原因，所以它特别适用于现代控制领域。

单片机结构和指令功能要求全是严格按照工业控制要求来设计的，所以又叫做单片微型控制器（SingleChipMieroeontroller）。

在其他国家叫单片式微型计算器（SingleChipMICrocomputer）。

AT89S52单片机，含有一个8位CPU处理器，128BRAM随机存储器，21个专用寄存器，4KB的内部ROM只读存储器，4个8位并行I/O口。

综合各方面考虑，达到了这次设计的要求，所以采用AT89S52单片机，如图所示。

图3AT89S52单片机

3.1.2振荡电路

AT89S52的时钟方式可以通过两种方式生成，一种AT89S52内部时钟方式和一种外部时钟方式。

AY89S52内部时钟方式是通过利用AT89S52内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2管脚上外接定时元件，让内部振荡电路运行，自激振荡。

通过示波器可以明显的观察到XTAL2处输出的波形。

定时元件由晶体振荡器和电容组成，构成并联谐振电路，如图所示。

晶体振荡器的振荡频率大小的变化可在2~12MHz之间，电容C大小的变化在5~30pF之间。

另一种外部时钟方式是XTAL1接地，XTAL2接外部振荡电源。

图4振荡电路

3.1.3复位单元电路

在AT89S52单片机的振荡电路工作后，在RST引脚上会产生24个振荡周期以上的高电平，AT89S52单片机芯片内部自动初始化复位。

AT89S52复位后，P0~P3口处输出高电平，在P0~P3口的内容就会是FFH，初值07H写入入栈指针SP，其余的特殊功能寄存器和程序计数器PC将会被清零。

当RST引脚由高电平转变为低电平后，AT89S52单片机便从0地址开始执行程序。

AT89S52单片机初始复位不影响AT89S52的内部RAM的状态，包括工作寄存器R0~R7在内。

AT89S52复位后就是变成AT89S52内部寄存器的初始化状态。

AT89S52单片机的复位方式通常有两种，上电复位和手动复位，而此次设计采用的是手动复位方式，具体电路如图所示。

图5复位单元

3.2点滴信号处理单元

点滴信号处理单元又可以划分为点滴信号检测单元，点滴信号的比较、滤波、整形单元。

3.2.1点滴信号检测单元

点滴信号检测单元，由名字可以知道是用以检测是否有液滴滴下的，传感器方面采用红外对射式光电传感器，如图6所示：

图6点滴信号检测电路

红外对射传感器一般是由红外发射管和接收管组成的，它的主要作用是实现电信号转化到红外光信号再转换电信号的功能。

因为可见光波长比红外光波短，相对而言红外光不太受到可见光影响，再者其红外对射传感器具有单个体积小，重量轻，便于装设的优点。

所以成为点滴信号检测单元的首选传感器。

采用脉冲调制的方式，使受环境光源的干扰程度达到最小