医用远程自动输液监控系统设计报告.docx
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医用远程自动输液监控系统设计报告
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医用远程自动输液监控系统设计报告
1绪论
1本项目的提出及研究意义
当人前进的脚步迈入电子领域的那一刻，就预示着一个新时代的来临，预示着人类将逐渐脱离全手工的劳动方式，预示着全球智能化的发展方向和趋势。
目前，国内外均开始关注“以人为本”这种思想，越来越多的商品也秉承这一制造和销售理念，人类的生活在科技的飞速发展中得到不断的改善，从国外的智能化房屋，到国内逐渐兴起的智能化小区，我们生活水平正在悄然的与“智能化”这个名词与日具进，以往大多被用于工业生产的智能系统也逐渐以崭新的面貌走到我们身边，越来越丰富的智能化用品出现在世面上，人们对“生活智能化”的关注告诉我们，下一个时代，将是一个智能产业飞速发展，多元应用，空前繁盛的时代。
或许，你有过这样的认识，在医院中，输液是大多数病症需要的治疗方式，而因输液带来的问题也是经常出现的，这也影响到了病人的身体健康。
由于医院中护士的工作繁忙,再加之疲劳，就可能不能很好的监护病人的输液情况，这就需要病人自己或其家人随时都要注意输液情况，这样一来，就使得病人以及病人家人为此而不能很好的休息，其家人也得要耽误大量的时间来监护病人。
然而，即使在有人护理的情况下，病人与护理人员在长时间的等待之中也极易疲劳，也极易发生药物输完后空气进入体内的危险情况，这样即不方便，对病人的身体也是非常不利的。
鉴于这个问题，有人肯定回产生疑问：
“能否发明一种可以自动监测药物剩余量并及时通知护士更换药物的装置呢”？
通过这样的启发，我们小组的同学积极的思考，发现解决此问题的关键在于：
1）如何正确的监测药物剩余量。
2）使用何种方式提示护士应该换药。
3）如何实现多人监测。
4）用那种方式传送信号更加稳定，更加可靠。
结合我们所学的专业知识，我们联想到无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，而且易于实现多路信号控制。
为此，我们在前人研究的基础上探索出了一种可编程无线电遥控多通道开关系统的设计方法。
实验表明，采用该方法设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。
而药物监测端我们考虑到药物所受的重力是一个便于检测的物理量，也能很容易的转变为电信号传送，于是，我们决定本系统的前端数据采集器以弹簧作为模拟传感器，测出输液过程中的初值与终值的。
将弹簧作为重力信号的传感装置，只要弹簧的拉伸程度达到了我们所设定的值时，两个触点就会接触，将发射电路接通，使其发送数据。
再将执行换药提示的电信号传送给系统的中心控制芯片---单片机，经过单片机处理后，计算出需要换药的具体某一个病人的编码，从而准确的告知接受终端，为了更人性化的考虑，我们采用语音报床位和数码管提示，让结果一目了然，便于护士做出下一步行动，避免因繁忙和人为因素引起的错误。
2系统总体设计方案
2.1系统组成框图
输液无线自动监控系统（简称输液监控系统）的总体设计方案图（见图2.1），首先由前端数据采集器得到信号后，传送给无线发射模块PT2262，再由PT2262传送给接收模块PT2272。
单片机与PT2272相连，则传来的信号则由单片机处理并驱动语音芯片报出床位号。
图2.1系统组成方框图
系统简述
1前端数据采集器
我们根据弹簧长度与自身受到的拉力在一定范围内成正比的原理，以
弹簧作为前端数据采集的模拟传感器，测出输液过程中的弹簧长度的
初值与终值。
将药物重力差信号转换为弹簧长度差信号，弹簧所受的
拉力在药物逐渐减少的过程中也相应减小，从而弹簧的长度也随之变
短，当弹簧的拉伸程度减小到了我们所设定的值时，信号发射触点就
会接触，将发射电路接通，使其发送数据。
拉力弹簧：
图2.2弹簧示意图
①弹簧常数：
以k表示，当弹簧被压缩时，每增加1mm距离的负荷（kgf/mm）；弹簧常数公式（单位：
kgf/mm）：
k=（G×d4）/（8×Dm5×Nc）
②G=线材的钢性模数：
琴钢丝G=8000
不锈钢丝G=7300
磷青铜线G=4500
黄铜线G=3500
d=线径
Do=OD=外径
Di=ID=内径
Dm=MD=中径=Do-d
N=总圈数
Nc=有效圈数=N-2
③拉力弹簧的初张力：
初张力等于适足拉开互相紧贴的弹簧并圈所需的力，初张力在弹簧卷制成形后发生。
拉力弹簧在制作时，因钢丝材质、线径、弹簧指数、静电、润滑油脂、热处理、电镀等不同，使得每个拉力弹簧初始拉力产生不平均的现象。
所以安装各规格的拉力弹簧时，应预拉至各并圈之间稍为分开一些间距所需的力称为初张力：
初张力=P-（k×F1）=最大负荷-（弹簧常数×拉伸长度）
④拉力大小的计算：
1）对于弹簧所产生的弹力大小，可以应用胡克定律来计算它的大小，即在弹性限度内，弹簧的弹力的大小跟弹簧长度的改变量x成正比，有F=k·x。
其中公式中的k为弹簧的劲度系数，它描述了弹簧本身的一种属性（软硬程度），它与弹簧的材料、长短和粗细有关。
在数值上等于弹簧被压缩或伸长1米时弹簧所产生的弹力。
2）对于弹簧之外的一般弹力，应根据物体的运动状态，可利用平衡条件或牛顿运动定律来计算拉力的大小。
3）线与物接触：
拉力方向沿线拉伸方向。
2病房报警信号发送终端
病房报警终端是连接在前端数据采集器上的无线数据发送装置，其数据输入口分别连接在前端数据采集起的两个触点上，这样就会向PT2262其中的设定好的数据口发送一个高电平，那么同时PT2262就会发送出编码，被调制在频率为315MHz的载波上发送到PT2272去。
3护士室监控终端
根据比较成熟的国内外语音电路情况，选取ISD2560，并根据ISD2560的内部结构接适当外部参数元件，ISD2560的时序和MCS51系列单片机兼容，其输入输出口可直接接单片机（AT89C51）的I/O口，并辅有模数两套控制，我们采用模数分开走线综合控制方针，这一方针通过试验可行并稳定。
为了配合PT2272的编码，并实现人性化的界面要求，采用3-8译码器译出去数据并通过发光二极管显示床位，达到提醒护士的目的，由PT2272的数据输出引脚直接连接3-8译码器（74LS138）的数据输入端，并提供74LS138的工作电压，74LS138的输出可驱动发光二极管，输出可直接接发光二极管，由它来表示床位号。
3监控系统硬件电路设计
3.1硬件电路的总体分布图
3.1.1硬件电路模块分布图
本系统的硬件电路（见图3.1）主要由5大部分构成：
PT2262信号发射电路，PT2272信号接收，单片机，ISD2560语音电路以及发光二极管显示电路。
图3.1硬件电路分布图
3.1.2主要器件的选取
①信号发射电路：
PT2262，拨码开关，SP数据发射模块
②信号接收电路：
PT2272，拨码开关，SP接收模块，天线
③主芯片电路：
89C51
④ISD2560语音电路：
ISD2560，LM386
⑤发光二极管显示电路：
74LS138，发光二极管
3.2前端数据采集器的设计
3.2.1前端数据采集器设计图
图3.2前端数据采集器设计图
3.2.2工作原理
前端数据采集器（见图3.2）的工作原理是在弹簧的拉伸中，其长度会发生变化，可以测出输液瓶装满液体和液体流完后的空瓶子之间的重量差，这样弹簧发生的形变而产生的距离差就可以形成一个模拟开关，只要其距离差为0，则无线信号发射电路会自动接通，发出报警信号。
3.3无线通信硬件电路各模块设计
3.3.1PT2262/2272编译码原理
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
①首先介绍的是编码芯片PT2262：
它发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片。
其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。
图3.3PT2262引脚图
图3.4PT2262内部原理框图
表3.1PT2262管脚说明表
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”（悬空）
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
表3.2PT2262极限参数（Ta=25oC）表
参数
符号
参数范围
单位
电源电压
Vcc
2~15.0
V
输入电压
Vi
-0.3~Vcc+0.3
V
输出电压
Vo
-0.3~Vcc+0.3
V
最大功耗（Vcc=12V）
Pa
300
mW
工作温度
Topr
-20~+70
oC
贮存温度
Tstg
-40~+125
oC
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压
Vcc
2
12
V
电源电流
Icc
Vcc=12V振荡器停振
A0~A11开路
0.02
0.3
μA
Dout输出驱动电流
IOH
Vcc=5V,VOH=3V
-3
mA
Vcc=8V,VOH=4V
-6
mA
Vcc=12V,VOH=6V
-10
mA
Dout输出陷电流
IOL
Vcc=5V,VOL=3V
2
mA
Vcc=8V,VOL=4V
5
mA
Vcc=12V,VOL=6V
9
mA
表3.3PT2262电气参数（除非特殊说明Tamb=25oCVDD=12.0V）表
②下面介绍的是无线接收解码芯片PT2272：
解码电路采用编解码芯片组PT2262/2272中的解码芯片PT2272。
该芯片内部有地址解码、振荡和系统定时、数据检测、同步检测、控制逻辑、译码逻辑电路。
PT2272的A0~A7端是芯片的地址码设置端口，地址码就好比是一张身份识别的证书，只有接收端的地址码和发射端的地址码设置完全相同，输出端才有输出信号。
如果所接收到的信号地址码与本机地址编码相同，D0~D3输出与无线电发射系统所发射的相对应的开关信息给单片机电路，由单片机控制相应的开关电路动作。
否则，解码芯片不解码，单片机电路不响应，开关电路保持原有的工作状态不变。
图3.5PT2272引脚图
表3.4PT2272管脚说明表
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”（悬空），必须与2262一致,否则不解码
D0-D5
7-8、10-13
地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端
VT
17
解码有效确认输出端（常低），解码有效变成高电平（瞬态）
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压
Vcc
2
15
V
电源电流
Icc
Vcc=12V振荡器停振
A0~A11开路
0.02
0.3
μA
Dout输出驱动电流
IOH
Vcc=5V,VOH=3V
-3
mA
Vcc=8V,VOH=4V
-6
mA
Vcc=10V,VOH=6V
-10
mA
Dout输出陷电流
IOL
Vcc=5V,VOL=3V
2
mA
Vcc=8V,VOL=4V
5
mA
Vcc=10V,VOL=6V
9
mA
输出高电平
VIH
0.7Vcc
Vcc
V
输出低电平
VIL
0
0.3Vcc
V
表3.5PT2272电气参数（除非特殊说明Tamb=25oCVDD=12.0V）表
表3.6PT2272极限参数（Ta=25oC）表
参数
符号
参数范围
单位
电源电压
Vcc
-0.3~15
V
输入电压
Vi
-0.3~Vcc+0.3
V
输出电压
Vo
-0.3~Vcc+0.3
V
最大功耗（Vcc=10V）
Pa
300
mW
工作温度
Topr
-20~+70
oC
贮存温度
Tstg
-40~+125
oC
③PT2262/PT2272工作原理：
PT2262-IR发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。
由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码从输出端Dout输出，通过发射天线发射出去。
由图3.7的发射应用电路可以看出，在PT2262编码之后，要进行发射是必须要通过一个发射天线来进行的。
同样的，在PT2272接收时，也是要通过一个接收天线来接收的。
发射与接收天线在后两节中分别进行了介绍。
图3.7发射应用电路
3.3.2PT2262发射电路
图3.8PT2262发射电路图
图3.8是PT2262构成4路发射电路，图中PT2262-IR的VCC是通过按键接通后向芯片供电，这样静态时，PT2262-IR并不耗电，特别适合是电池供电的场合。
如果使用电源电压较低（如3V），二极管应选用低压差的型号（如1N60等）；如果使用5V以上的电源电压，二极管可选用的型号（如1N4148等）。
那么，在我们这个系统的电路中，则是使用了1N4148这种二极管，经过我们的测试，本系统的发射电路的电压设计为9V，超过了5V，则必须使用1N4148。
图3.9脉宽比较表
地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。
图3.10码字波形图
上面是我们从超再生接收模块信号输出脚上截获的一段波形，可以明显看到，图上半部分是一组一组的字码，每组字码之间有同步码隔开，所以我们如果用单片机软件解码时，程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可。
图下部分是放大的一组字码：
一个字码由12位AD码（地址码加数据码，比如8位地址码加4位数据码）组成，每个AD位用两个脉冲来代表：
两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。
2262每次发射时至少发射4组字码，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。
因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。
无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。
在上一节中说到PT2262编码后需通过发射天线进行发射，下面就是对发射天线模块的详细介绍：
图3.11发射模块实物图
这是数据发射模块的电路图（见图3.12）：
图3.12数据发射模块电路图
SP发射模块主要技术指标：
通讯方式：
调幅AM
工作频率：
315MHZ/433MHZ
频率稳定度：
±75KHZ
发射功率：
≤500MW
静态电流：
≤0.1UA
发射电流：
3～50MA
工作电压：
DC3～12V
SP数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。
特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。
声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。
SP发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。
比如用PT2262或者SM5262等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至DF数据模块的输入端即可。
SP数据模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。
当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～50米，发射功率较小，当电压5V时约100～200米，当电压9V时约300～500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60mA，空旷地传输距离700～800米，发射功率约500mW。
当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。
这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。
天线最好选用25厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时受很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少，这点需要开发时注意。
SP数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。
数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。
SP发射发射模块最好能垂直安装在主板的边缘，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响。
SP模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。
一般在开阔区最大发射距离约800米，在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。
3.3.3PT2272接收电路
图3.13无线接收电路
在图3.13的电路中，我们使用单片机作为主芯片，在PT2272收到信号的同时，由17脚发出的高电平送给单片机的P2.7口，这时单片机就对PT2262发送来的数据进行处理。
我们考虑到非锁存型小于L4锁存型的遥控距离，有时只有锁存型的一半甚至还不到，并且出现信号接收不稳定的现象，因为在非锁存状态下，遥控信号需要每秒同步30次左右，当单片机对其产生干扰或有其它突发信号干扰时，设备本身通电后产生的干扰会使遥控信号中断，从而使系统工作在一种跳跃的不稳定状态。
所以在此电路中我们使用了锁存型的PT2272（L4），在接收到信号的同时数据有一段时间的保留。
当发射信号消失时，PT2272的数据输出端仍保持原来的状态，直到下次接收到新的信号输入。
PT2272的接收也同样需要接收天线模块来帮助完成：
图3.14无线接收模块实物图
这是数据接收模块的电路图（见图3.15）：
图3.15数据接收模块电路图
SP接收模块主要技术指标：
通讯方式：
调幅AM
工作频率：
315MHZ/433MHZ
频率稳定度：
±200KHZ
接收灵敏度：
－106DBM
静态电流：
≤5MA
工作电流：
≤5MA
工作电压：
DC5V
输出方式：
TTL电平
SP接收模块的工作电压为5伏，静态电流4mA，它为超再生接收电路，接收灵敏度为－105dbm，接收天线最好为25～30厘米的导线，最好能竖立起来。
接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。
这种接收模块电路的优点在于：
1）天线输入端有选频电路，而不依赖1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线。
2）输出端的波形在没有信号时比较干净，干扰信号为短暂的针状脉冲，而不像其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形，所以抗干扰能力较强。
3）SP模块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。
4）采用带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。
可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。
可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。
5）另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化。
SP无线数传模块开发注意事项：
SP模块必须用信号调制才能正常工作，与PT2262/2272配合使用，只要直接连接即可非常简单，因为是专用编码芯片，所以效果很好传输距离很远。
模块输出脚在模块内部通过一个上拉39K电阻到+5V，使用的时候需要考虑解码器件的输入阻抗。
SP模块还有一种重要的用途就是配合单片机来实现数据通讯，这时有一定的技巧：
1）合理的通讯速率
SP数据模块的最大传输数据速率为9.6KBs，一般控制在2.5K左右，过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率，甚至根本无法工作。
2）合理的信息码格式
单片机和SP模块工作时，通常自己定义传输协议，不论用何种调制方式，所要传递的信息码格式都很重要，它将直接影响到数据的可靠收发。
码组格式推荐方案：
前导码＋同步码＋数据帧
前导码长度应大于是10ms，以避开背景噪声，因为接收模块接收到的数据第一位极易被
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