大学毕业设计基于蓝牙的无线输液报警系统.docx
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大学毕业设计基于蓝牙的无线输液报警系统
本科毕业设计（论文）
论文题目：
基于蓝牙的无线输液报警系统
学生姓名：
吴北金
专业名称：
生物医学工程
指导教师：
方向林
信息工程学院生物医学工程教研室
二零壹壹年陆月
摘要
静脉输液是现在医院中常用的输液方式，然而大部分的输液要靠医护人员不定时地巡检，这使得在就医高峰期，医护人员很难应付，常常会造成无法及时停止输液而导致危害病人的健康甚至危及病人的生命。
本论文是设计一个一主多从的输液报警系统，设计利用光电检测输液管内的液面变化，通过甄别液面变化的电信号判断输液是否完成，及时产生输液完成的报警提示，利用单片机把报警信号经蓝牙无线传输到报警终端，实现从机-输液检测端和主机-报警端双重报警。
主从机蓝牙的使用，可以实现整个输液报警系统实现一个主机-报警终端同时对多个从机-输液检测端实施集中式管理，蓝牙的无线传输可以使得从机-输液检测端在主机蓝牙有效的信号覆盖范围内任意移动，这样可以很好地解决输液管理问题，减轻医护人员的工作压力，缓解医护人员不足的矛盾。
关键词：
光电检测，蓝牙，无线传输，输液报警
ABSTRACT
Intravenousinfusionisthecommonlyusedtransfusionmethodinhospitalnow,butmostoftheinfusionsdependontheinspectionofparamedicsfromtimetotime,whatmakesparamedicsdifficultlytocopewithwheninthemedicaltreatmentpeak，anditoftenleadstothenottimelydiscontinuationoftheinfusionthatharmthepatients’healthandevenendangertheirlife.
Thepresentpaperistodesignaninfusionalarmsystemofoneleaderwithmulti-followers,whichusesphoto-electricitytodetectliquidlevelchangeintheinfusiontube,todeterminetheinfusioniscompleteornotthroughdiscriminatingtheliquidsurfacechangesofelectricalsignal.ThetimelyalarmpromptoftransfusioncompletiontransfersthealarmsignaltothealarmterminalviatheBluetoothwirelessbyusingtheSCM,toachievethedualalarmwhichfromthemachine-infusiontestterminalandthehostmachine-alarmterminal.Theuseofmaster-slavemachine’sBluetoothcanmakethewholeinfusionalarmsystemtoachievethecentralizedmanagementwhichfromonehostmachine-alarmterminaltomanyslavemachines-infusiontestterminaloverthesametime.Bluetoothwirelesstransmissioncanmaketheslavemachine-infusiontestsidetomovearbitrarilywithintherangethathostBluetootheffectivesignalcoverage,soitcansolveinfusionmanagementproblemsverywell,reduceparamedics’pressureandeasethelackofparamedic.
KeyWords:
Photodetector,Bluetooth,wirelesstransmission,Transfusionalarm
第一章绪论
1.1研究的意义
静脉输液治疗疾病是临床医疗工作中常用的治疗手段，目前国内大多数医院中所使用的静脉输液器，大都采用悬挂方式，即依靠重力原理进行输液。
由于病情不同，不少患者一天需输几组药液，因输液时间长，患者卧床产生疲劳，易在输液过程中熟睡。
当液体输完时，如床旁无陪侍或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况。
轻则延误治疗，给病人造成痛苦，重则会严重危及患者的身心健康，发生不可弥补的医疗事故。
目前,临床输液中采取的对应措施一般是由患者、陪侍或医护人员随时观察监视药液余量情况,牵扯精力大、效率低。
特别是在患者增多，医护人员紧张的情况下，这个矛盾尤为突出。
为此，结合临床实践，本研究采用一个终端监控多个检测器的办法，在患者众多的情况下给医护人员及时提供换药或拔针的提示信号，从而减轻了患者和医护人员在输液过程中的心理负担和反复观察监视的劳动强度，具有很强的实用价值。
1.2国内外的研究状况
在国外，电子在医疗方面的应用起步很早，并且经过实际的临床使用、证明，得到逐步推广，形成医疗器械的智能化，美国、日本等一些发达国家走在世界的前列。
较早的电子医疗器械强调高、精、尖，都是大型器械，而且投资巨大，使用的广泛性受到限制。
经过十几年的发展，一些智能医疗器械逐步向小型化靠拢。
其中应用于静脉输液的报警器、恒温加热装置应运而生，这不但减小了医疗事故的发生，也提高了医疗工作的效率。
例如美国的V520全自动输液报警器等。
我国在这方面的起步较晚，现今我们所使用的产品都是进口的，价格比较昂贵。
国内所有正在研制厂家的产品也很不理想，且成本较高。
如北京东方美源科技有限公司生产的输液监控仪都是单机版，价位却在几千元。
1.3主要研究内容
本文以输液监控作为研究对象，研究内容包括：
采用光电检测对液面进行监控，用蓝牙通讯进行数据的无线传输，单片机控制等，根据设计的要求确定各个部分的设计方案（包括硬件和软件），解决设计中遇到的难题。
1.4主要设计思路
本设计包括主机-报警终端和从机-输液检测端两个独立部分。
从机-输液检测端通过光电传感器对输液管内的液面变化进行检测，将液面变化信号转化为光信号的变化，再由光电传感器将光信号转化为电信号的变化，由甄别电路通过对电信号的变化判断药液是否用完，从而产生输液报警信号。
用输液报警信号触发从机-输液检测端的单片机，单片机将从机-输液检测端的编号传送到与其相连的从机蓝牙模块，通过蓝牙无线传输将报警编号发送到主机-报警终端，产生对不同从机-输液检测端所产生的输液完成报警，将多个从机-检测端和一个主机-报警终端组合在一起实现一个小型的无线输液报警系统。
第二章系统硬件电路设计
2.1系统总体框图
本输液报警系统是由一个主机-报警终端和多个独立的从机-输液输液检测端组成的一个一主多从的无线网络输液报警系统。
报警终端和输液检测端之间通过串口蓝牙模块可以进行双向无线传输，每个输液检测端都有一个唯一的系统编号，而且检测端与检测端间是独立的，彼此间不影响各自的工作。
输液检测端检测到输液完成后产生报警信号，信号经蓝牙无线传输到报警终端产生相应的输液完成报警提示。
由于采用了蓝牙无线传输，所以每个输液检测端都是可移动的，这将大大提高系统的方便性。
其总系统框图如图2.1所示。
图2.1系统的总框图
2.1.1从机-输液检测端
输液检测端首先通过单片机的外中断向报警终端确认该编号的检测器开始工作，然后利用光电检测输液管内的液面变化，获取液面的变化电信号，通过比较器判断输液管内是否还有药液，输液管内无液时产生声光报警信号，同时报警信号由单片机经串口蓝牙模块发给报警端的单片机，使报警终端产生对相应编号的检测端产生输液完成报警。
检测端的系统框图如图2.2所示。
图2.2输液检测端系统框图
2.1.2主机-报警终端
报警终端根据蓝牙主机端收到的信息判断接收到的信号是输液检测端的开启信号还是报警信号，根据信号点亮相关检测端工作状态指示灯或者产生相关的报警提示，并且控制蓝牙主机跟需要进行数据传输的蓝牙从机进行配对。
其系统框图如图2.3所示。
图2.3报警终端系统框图
2.2单元电路设计
系统单元电路主要包括系统电源电路，液面检测电路，报警信号甄别电路，蓝牙模块控制电路。
2.2.1电源电路
电源是设计系统中的重要组成部分，主要是为各功能电路提供所需的工作电压，其稳压性能直接影响系统工作的稳定性和可靠性。
由于本设计所用的蓝牙模块采用3.3V电压供电，所以系统电源采用可调节的3端正电压稳压器LM317实现。
LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。
在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5A的电流。
其电路设计如图2.4所示，其输出电压Vo=1.25（1＋R2/R1）。
检测端电源由9V电池提供，报警终端的电源由5V直流稳压电源提供。
图2.4系统电源电路设计
2.2.2液面光电检测
光电检测器件是利用物质的光电效应，把光信号转换成电信号的器件。
它的性能对光电系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等。
对不同的光电检测系统，其光电变换装置的组成和结构形式也就有所不同。
本系统的光电变换形式为光被被测对象遮挡的形式和光透过被测对象的形式的总和。
本系统的光电变换类型为模拟量的变换，即被测的光信息量（通常为光通量）变为电信息量（光电流）。
光通量入射到光电器件的光敏面上，输出光电流，二者成正比。
所以，光电流的大小可以反映出被测点信息量的大小。
即光电器件输出的光电流Im是被测信息量Q的函数：
Im=f（Q）。
光电器件上产生的光电流I的大小，不仅与被测信息量Q的大小有关，而且与光辐射通量密度，光学系统质量和光电器件本身的性能有关，所以要求光源的性能稳定。
特别要求它们的特性不因工作时间、电源电压波动以及温度变化等原因而发生变化。
否则，由于光源特性的改变将明显引起输出电流的变化，给光信号检测带来误差。
本检测端的系统光源采用白色散光型发光二极管，其具有功耗低，发光均匀，工作稳定，价格便宜等特点。
其电路符号如图2.5所示。
图2.5发光二极管电路符号图2.6光电二极管电路符号
当被测对象因光的反射率、折射率变化或者是被测对象本身光辐射的强度变化，此时的光信号幅度大小也随之改变。
为准确测出幅度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件。
系统报警和滴速检测部分是利用幅度变化，来判断是否报警，所以选用光电二极管。
光电二极管是一种光能与电能进行转换的器件，PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化，其符号如图2.6所示，图2.7为光电二极管的伏安特性曲线，在无光照的时候，光电二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。
外加正向电压时，电流与端电压成指数关系，见特性曲线的第一象限。
外加反向电压时，反向电流称为暗电流，通常小于0.2uA。
在有光照的时候，特性曲线下移，分布在第三、第四象限，特性曲线是一组横轴的平行线。
光电流是光电二极管在反向时受到光照而产生的电流，当电压大到一定值时，光电流趋于饱和。
此时光电流与所加电压几乎无关，它仅取决于光照强度，照度一定的时候，光电二极管可等效成恒流源，照度越大，光电流越大。
在较小的负载电阻下，表现出良好的线性。
图2.7光电二极管的伏安特性曲线
本系统报警部分采用光电原理非接触式探测液面变化，判定输液管中是否有药液存在，装置结构如图2.8所示，发光二极管和光电接收二极管位于输液管的两侧，根据输液管内柱形液体（截面为凸透镜）的透聚光原理判断输液是否结束。
图2.8液面检测装置
由于输液管是一根透明塑料管，当管内有液体时，管壁和管内柱形液体相当于一个柱形透镜，光线不仅能透过，而且还能聚集到一条线上。
当管内无药水时,管内气体对光线形成散射，光线主要在管壁内，仅有很小一部分光线溢出；光电二极管能把这种光信号的变化转变成电信号的变化，液面变化电信号经甄别电路的处理，驱动报警装置在无药水的情况下发出报警。
液面检测电路如图2.9所示，根据光电二极管接收到的光强度不同，B点将出现不同的电压值。
具体为随光电二极管的接收到光强度是的增强，光电二极管的反向电阻减小，而反向电流增大，B点电压U增大。
图2.9液面检测电路图2.10信号甄别电路
2.2.3报警信号甄别
报警信号甄别采用电压比较器来实现，电压比较器的功能：
比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）：
当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平。
具体电路如图2.10。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，管脚图如图2.11所示。
甄别电路主要是通过把滑动变阻器产生的参考电压Vt1和Vt2（Vt2=Vb）进行比较，当Vt1>Vt2时,比较器输出高电平,报警指示灯不亮,蜂鸣器不响。
当Vt1图2.11LM358的管脚图图2.12HC-06蓝牙串口模块实物
2.3蓝牙系统
本设计所用到的蓝牙模块采用广州汇承信息科技公司的产品HC-06串口蓝牙模块，实物如图2.12。
该模块采用标准的V2.0协议，自带高效的板载芯片，有主机和从机之分。
主机和从机之间设置好配对密码（可改），模块上电即可自动建立连接，并且识别与记忆对方的设备，用户就可以像使用串口一样使用蓝牙模块。
实验室测得空旷环境下其最远传输距离为30米，10米内可以穿透两扇墙的障碍物。
其模块各引脚参数如图2.13所示。
管脚名称见表2.1。
表2-1HC-06管脚名称表
NO.
NAME
NO.
NAME
1
TX
18
MISO
2
RX
19
CLK
3
CTX
20
USB_D+
4
RTX
21
GND
5
PCMCLK
22
GND
6
PCMOUT
23
PIO0
7
PCMIN
24
PIO1
8
PCMSYNC
25
PIO2
9
AIO0
26
PIO3
10
AIO1
27
PIO4
11
RST
28
PIO5
12
3.3V
29
PIO6
13
GND
30
PIO7
14
NC
31
PIO8
15
USB_D-
32
PIO9
16
CSB
33
图2.13HC-06引脚图
PIO10
17
MOSI
34
PIO11
图2.13HC-06管脚图
HC-06模块传输速度为2Mbps-3Mbps，内置2.4GHz天线,用户无需调试天线，外置8MbitFLASH，低电压3.3V工作，采用标准的标准HCI端口（UARTorUSB），自适应跳频技术，低成本，低功耗，低误码率，外围电路设计简单。
2.3.1蓝牙模块外围电路
HC-06外围设计电路十分简单，只要连接TXD、RXD、3.3V、GND、LED（PIO1）、KEY（PIO3）几个引脚即可，其他引脚可以悬空。
其中LED为蓝牙连接状态显示，KEY主要用于蓝牙主机端（从机端无效），作用是清除主机蓝牙对上一次连接的蓝牙从机的物理地址，让蓝牙主机可以跟不同的蓝牙从机配对连接。
从机外围电路如图2.14所示，图2.15为蓝牙主机端外围电路图。
图2.14蓝牙从机外围电路图2.15蓝牙主机外围电路
2.3.2蓝牙从机控制电路
由于蓝牙属于一对一传输方式，所以在多个蓝牙从机当中，只允许需要进行数据传输的蓝牙模块从机与蓝牙主机连接，其他的从机蓝牙均处于关闭的状态，蓝牙从机的控制电路如图2.16所示。
由单片机控制的D端接单片机输出管脚，当D点处于高电平时，开关三极管C2383饱和导通，蓝牙从机开始工作。
当D为低电平时，三极管截止，蓝牙关闭。
图2.16蓝牙从机控制电路图2.17蓝牙主机控制电路
2.3.3蓝牙主机控制电路
当蓝牙主机需要跟不同的蓝牙从机配对连接时，需要清除上一次连接的蓝牙从机的物理地址，即将KEY置高电平，清除上一次连接的物理地址，控制电路如图2.17所示。
由单片机控制的C端为高电平时，开关三极管C2383导通，三极管发射极出现高电平，蓝牙主机自动清除上一次连接的蓝牙从机的物理地址，这样可以与另外的蓝牙从机配对连接，实现一主多从控制。
第三章系统软件设计
本设计的控制系统采用单片机控制，包括输液检测端的单片机系统和报警终端的单片机系统，单片机系统设计的好坏直接影响到整个输液报警系统的功能以及硬件作用的发挥，因此其程序设计十分重要。
检测端单片机采用89C2051控制，报警终端单片机采用89S52控制。
系统使用汇编语言作为程序设计工具，采用KeiluVision3软件进行编译及使用Proteus软件进行联合调试。
输液器检测端采用89C2051型单片机控制，89C2051是89C51的简化版本，其管脚如图3.1所示。
89C2051与和MCS-51产品兼容，具有2KB可重编程FLASH存储器（1000次），128*8位内部RAM，15条可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行通道，高精度电压比较器（P1.0、P1.1、P3.6）。
报警终端单片机系统采用的是AT89S52型单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。
使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容，其管脚图如图3.1。
AT89S52具有以下标准功能：
89S52与MCS-51兼容，8k在系统可编程Flash存储器，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，八个中断源，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
图3.189C2051和89S52管脚图
3.1输液检测端软件系统
检测端单片机系统主要要实现的功能主要有：
1、检测开始工作时，将检测器固有的编码发送到报警终端，以确认该编号检测正在使用。
2、在检测器检测到报警时将报警信息传送到报警终端，使报警终端产生报警响应。
3、控制从机蓝牙的工作，主要是控制从机蓝牙的开与关。
输液检测端单片机系统的工作流程图如图3.2。
单片初始化之后利用INT0中断向报警终端发该检测端所固有的编号n（01H~07H），表示这一检测器开始使用，当串口中断接收到返送回来的数值和编号n相等的时候，关闭蓝牙，关闭INT0中断，并开启INT1中断，此时检测器进入对输液管的监控状态。
当输液管内无液的时候，甄别电路的输出会由高电平变为低电平，触发INT1中断，单片机将该检测所固有的编号n加上30H后得一新的数值X（即n+30H=X），当串口中断接收到返送回来的数值和X相等的时候，表示报警终端已经响应了对该编号为n的检测器的报警。
由于蓝牙的配对连接需要一定的时间，考虑到当两个报警器同时报警的时候，存在一个报警终端响应先后的问题。
因此检测端单片机的INT0中断采用下降沿触发，第一次进行INT0中断时，启动蓝牙从机，配对连接成功后还需要一次INT0中断，再一次发送检测器编号到报警终端，以确认该编号检测器正在使用。
INT1中断采用电平触发，检测端报警发生后，INT1触发端会一直处于低电平的状态，所以单片机在收到来自于报警终端单片机的响应回传之前会一直进行INT1中断，收到报警终端单片机的响应回传之后，关闭蓝牙从机，并关闭INT1中断。
这样当有两个以上报警终端同时报警的时候，可以确保每一个检测端都会得到响应。
图3.3为检测端单片系统具体电路图。
图3.2检测端单片机系统流程图
图3.3检测器端单片机系统电路图
检测端单片机系统主要源代码如下：
COM:
;****************串口接收程序*****************
MOVA,SBUF
CLRRI
CJNEA,#05H,L1
MOVP1,#0FFH
CLREX0;关闭INT0中断
SETBEX1;开启INT1中断
CLRP3.4;关闭蓝牙（控制C2383截止）
LJMPEXIT
L1:
CJNEA,#35H,EXIT
CLREX1;关闭INT1中断
CLRP3.4;关闭蓝牙（控制C2383截止）
RETI
EXINT0:
;*****************INT0中断服务程序***************
SETBP3.4
MOVA,#03H
MOVLEDBUF1,A
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
MOVA,LEDBUF1
MOVSBUF,A
JNBTI,$
CLRTI
RETI
EXINT1:
;****************INT1中断服务程序************************
SETBP3.4
CJNE@R0,#00H,L2
MOVA,LEDBUF1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
MOVA,LEDBUF1
ADDA,#30H
MOVSBUF,A
JNBTI,$
CLRTI
MOVA,LEDBUF1
ADDA,#30H
MOVSBUF,A
JNBTI,$
CLRTI
RETI
;****************显示数字笔段代码*******************
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H
3.2报警终端软件系统
报警终端主要功能要实现对不同检测端的报警响应并且控制蓝牙主机的刷新，其工作流程如图3.5。
报警终端主要通过串口中断读取由检测端单片机系统发送过来的数据，再把该数据回传给检测端单片机，以确认终端单片机已收到检测端单片机传送过来的信息，报警终端通过数值比较，得出检测端单片机系统发送过来的信息是检测端的启用信息还是报警信息，根据信息
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