基于单片机的输液监控装置毕业设计.docx

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基于单片机的输液监控装置毕业设计

学号：

XinjiangInstituteofEngineering

毕业设计

设计题目：

基于单片机的输液监控装置

摘要

随着智能化控制的不断发展，自动化临床设备的研究已成为医疗器械的一个重点.其可以减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。

静脉输液是一种常见的临床治疗方法，通过在静脉输入起到治疗的作用，本课题是研究智能输液系统的设计方法，本方案是基于AT89S51控制的。

这个系统操作简洁、上手较快、具有报警功能并且方便集中控制，在现代医疗事业具有较大意义，推动了自动化的智能医疗事业的发展，有利于提高医护质量。

本课题的主要功能有：

实现了利用电路采集液滴速度，可设置液滴速度并且进行比较，可显示液滴滴速和剩余输液时间；可自行设置液滴滴速；在输液剩余液量低于设定值，自动报警，或者输液过程出现特殊情况也可报警。

补充了这个方向的输液系统的部分研究空白，对于设备结构的分析和其电子设计的研究具有重要意义；通过理论分析，很好的分析了整个输液系统的理论与实践基础。

本课题的研究成果为输液系统的研究提供了丰富的信息。

关键词单片机；医院输液系统；输液监控；智能

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofintelligentcontrol，clinicalresearchautomationequipmenthasbecomeafocusofmedicaldevices.Itcanreducethepressureofstaff，improvetheworkingefficiencyofmedicalstaffs.Intravenousinfusionisacommonclinicaltreatment，thetreatmenteffectintheveinoftheinput，thistopicisthedesignmethodoftheintelligentinfusionsystem，theschemeisbasedonAT89S51control.Thissystemoperationissimple，startedfast，hasanalarmfunctionandconvenientcentralizedcontrol，isofgreatsignificanceinmodernmedicalenterprise，promotethedevelopmentofintelligentmedicalbusinessautomation，isconducivetoimprovingthequalityofmedicalcare.

Themainfunctionofthissubject:

thecircuitforcollectingthedropletvelocity，dropletvelocitycanbesetandcompared，candisplaythedropspeedandtherestoftheinfusiontime;cansetuptheirowndropspeed;intheinfusionofremainingliquidvolumeislowerthanthesetvalue，theautomaticalarm，orinfusionprocesstherearespecialcircumstancescanalsoalarm.Partoftheresearchblankinfusionsystemaddedtothedirection，haveimportantsignificanceforanalyzingthestructureoftheequipmentandelectronicdesignresearch;throughtheoreticalanalysis，averygoodanalysisofthetheoryandpracticebasisoftheinfusionsystem.Theresultsofresearchonthistopicprovidesabundantinformationforthestudyoftransfusionsystem.

KeywordsMCU;hospitalinfusionsystem;transfusionmonitoring;intelligence

1绪论

随着科技的进步，越来越多的地方需要用到对液体的流量或者滴速进行控制，如人工肾机的透析液储液罐中透析液储量、自动洗胃机中冲洗液的液量、中药使用的药浴机中煎药锅中的水位等，医疗保健领域中药液的输液量与输液速度需要精确的控制以达到更好治疗效果。

根据我国各地卫生厅的标准不同输液系统的滴速设定也不尽相同，湖北省卫生厅的《护理技术操作规范》规定：

成人静脉输液滴速40—60滴/min，儿童及老年人20—40滴/min；高于此标准10滴/min为过快；低于此标准10滴/min为过慢。

而辽宁省卫生厅规定以滴速40-60滴/min为标准，高于70滴/min为过快，低于30滴/min为过慢，基于此我们可以看出静脉输液作为一种常见的临床治疗方法，通过向静脉输入药液起到治疗的作用，滴速控制尤为重要，并且新药品越来越多，在治疗疾病的过程中，采用静点输液治疗方法已越来越普遍。

然而，在输液过程中，不同药液，不同年龄患者均有其不同的最佳滴速要求。

滴速过快、过慢均会影响疗效甚至给患者带来不适；此外在输液过程中，当输液完成需要换药液时，需要医务人员发现不及就会出现空气进入血管内形成空气栓塞，凝血堵塞针头等情况，轻则延误治疗，重则会危及病人生命安全，发生事故，还有当病人单独输液时，有可能睡着或者忘记观察剩余药液量引起血液外流等事故。

综上可以看出输液监护控制系统在未来医疗中的重要地位和作用。

1.1课题的背景和意义

1.1.1医疗输液监控系统设计背景

随着智能化控制的不断发展，自动化临床设备的研究已成为医疗器械的一个重点其可以减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。

静脉输液是一种常见的临床治疗方法，通过在静脉输入起到治疗的作用，所以其滴速的控制很重要，随着新药品研发的越来越多，采用静点输液治疗方法在治疗疾病的过程中已变得很普遍了。

然而，在输液过程中，对于不同药液，不同年龄患者均有其不同的最佳滴速要求。

其滴速过快或者过慢均会影响治疗效果；在输液过程中，若需要换输液，若发现不及就会出现空气进入血管内就会危及病人生命安全，还有当病人单独输液时，由于睡着或者忘记观察药液量导致血液外流等事故。

以上就体现出输液监控的重要地位和作用。

本课题就是针对以上问题进行设计研究，对提高医疗事业的发展起到很大的作用。

利用科技去提高整个医疗事业，是造福整个人民的好事情，对于此我们应努力的去改善。

1.1.2输液监控系统设计的背景

本设计所针对的医疗产品在国内只有一些大型医院引进。

在国内输液装置的研究相对起步较晚，在市场上也存在一定国产输液装置。

但是总体来说，国内的自动输液系统需要很长的路要走。

并且国内的医疗设备技术相对落后、种类方面也相对较少、性能与质量也参差不齐。

而智能输液系统在国外的发达国家，如日本、美国等研制的较早并且种类较多，其也基本实现了智能化，在医院输液监控使用已经十分普遍。

医疗设施发展趋势在于单片机智能输液系统的发展，单片机的性价比优越，而以前的输液系统。

现在的单片机可以进行多个系统的控制，减轻工作人员的压力，提高医护工作效率。

在人为控制下可能对病人带来麻烦，以前的临床输液中有患者医护人员观察监视药液余量，此方法涉及的精力大且效率低，不利于医疗的综合管理。

而使用智能输液系统只要考虑周到，运行的时候就可以解决以上问题。

该课题研究具有应用价值，对于提高我国的医疗水平有深远影响。

医疗的安全问题离不开科技，利用科技去提高医疗事业是对医疗事业的一大促进。

1.2装置设计需要解决的问题

（1）如何实现滴速设置。

（2）如何提示护士应该换药。

（3）如何实现回血功能。

（4）怎么样使整个系统稳定可靠。

1.3装置实现的功能

护士用滚珠调节滴速，滴速可以再数码显示屏上及时显示出来。

可以设置滴速的上限和下限，一旦超出或低于上线下限就会报警。

同时会发出无线信号，护士室的无线接收端胡收到报警信号并发出报警。

当输液瓶的药品用尽或输液管意外打结，点滴管有十秒没有药液滴下就会报警，同时步进电机开始动作，锁紧输液管，防止发生回血。

当回血发生时，装置检测到回血立刻报警并且步进电机开始工作，锁紧输液管。

病人端有一个报警按钮，病人按下按钮护士端就会报警，再按按钮报警解除。

2系统方案设计与论证

2.1系统硬件总体设计方案

本课题的输液系统分为以下部分：

滴速测量模块，回血检测模块，键盘模块，显示模块。

结构图如下图2.1。

图2.1总体结构框图

2.2点滴速度测量电路方案

速度测量在设计中占有极其重要的位置，它是本系统的基础，在进过分析思考后整理出以下几种方案：

方案一：

采用反射式的红外光电传感器

将反射式红外传感器放置于输液器的漏斗一端，在液滴下落时，利用红外线的反射能力，接收端将检测到信号。

但是有很多不稳定因素如水滴的表面不规则，收集到的反射信号弱，并且对于液滴下落时要和传感器的夹角要很精确，

方案二：

采用对射红外光电开关

采用红外对射式光电开关，其功能齐全，体积小，具备交直流通用型，抗震性能好，液滴检测稳定，很适合精度要求高的医疗设备，此方案成本低。

下落液滴可以遮挡红外光线，单片机检测信号可以确定滴速。

经考虑选用方案二。

2.3电机选择及控制方案

常用的电机主要有以下几种：

直流电机、步进电机、伺服电机。

方案一：

直流电机上电即可转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停止，如果要求准确控制其转动的角度，其闭环算法比较复杂，系统硬件也会相应麻烦。

方案二：

伺服电机的机械特性较好，输出功率大，启动转矩大，驱动电路简单，正反转控制容易且有抱死功能，但有由于其实际价格偏高，不适合普遍使用。

方案三：

步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行元件。

步进电机转矩相对直流电机大，控制精度比较高，其步进转过的一个角度也固定，适用于较精确的测量，这可有效提高输液速度的控制精度。

因此，电机选用步进电机最佳。

2.4回血检测电路方案

方案一：

红外对管发射接收。

根据血液回流颜色变化，遮挡红外光线，单片机检测到信号则进行中断报警。

方案二：

称重传感器检测。

利用称重传感器对总质量与实际警戒水位质量相比较，当测量总质量与设定值相等时发出报警。

比较上述方案，选择方案一，其实用、方便，也能保证测量的准确度。

2.5显示模块接口电路方案

此设计里要可以设定滴速。

其显示内容需要有设定值和实际滴速。

经过考虑和设计有以下两种设计方案：

方案一：

采使用（LCD）液晶显示屏。

虽然液晶显示屏有功耗小、轻巧较薄等优点，但编程较数码管难并且对于字符的要求较大，需要单独编译。

并且相比于数码管节能较差。

对于以后产品会有一定影响。

方案二：

采用数码管显示。

数码管具备低能耗、低损耗、低压、寿命长、且环境的要求较低等特性。

而且数码管编程简单，完全可以满足显示方案的数据。

综合比较以上两种方案，结合本设计的要求可知采用方案二较为合适。

2.6键盘接口电路方案

键盘是人为向机器输入的基本设备，可以有编码键盘和非编码键盘，在此设计内我们选择成本较低技术成熟的非编码键盘，非编码键盘有一下几种分类：

独立式按键电路、矩阵式键盘电路，中断式键盘电路等。

根据其特点我们提出了以下两种方案：

方案一：

独立键盘使用于输入端口较多，调用快捷，且每个键的工作状态不会影响其他几个键的情况，此方案可以大大减少程序的内容，编程较简单，使用起来也很方便，对于本设计，对于键盘的需求不大，只需要进行简单的操作即可。

方案二：

此键盘是将按键分为行和列，都有交叉点，键两端接于行和列上，一般有4*4、8*8、4*8的规格，用户可以根据自己的需求选择合适自己的规格，但因为本设计简单可操作故不符合。

该系统使用的按键数较少，故采用独立式键盘最为合适。

3输液系统硬件设计

在第二章的方案论证基础上，第三章主要对各个硬件结构以及主要硬件部分进行了论证。

3.1单片机型号的选择与论证

AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S51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。

具有以下标准功能：

4k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。

另外AT89S51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。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

AT89S51主要功能如表3-1所示，其DIP封装如图3.1所示：

表3-1AT89S51主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

4K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

2个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

AT89S51引脚介绍

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

作频率35Mhz，6T/12T可选。

图3.1AT89S51DIP封装图

最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

AT89S51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。

用AT89S51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图3.2所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

图3.2单片机最小系统原理框图

（1）时钟电路

AT89S51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

内部时钟方式如图3.3所示。

在AT89S51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1（18）和XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF，典型值为30pF。

晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。

图3.3AT89S51内部时钟电路

（2）复位电路

当在AT89S51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST（9）端与电源Vcc接通而实现的。

图3.4AT89S51复位电路

（3）AT89S51中断技术概述

中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。

这是由片内的中断系统来实现的。

当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。

中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。

图3.5为整个中断响应和处理过程。

图3.5中断响应和处理过程

3.2最小系统

图3.6最小系统

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路。

下面给出一个51单片机的最小系统电路图。

复位电路：

一、复位电路的用途：

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

二、复位电路的工作原理在书本上有介绍，51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，那这个过程是如何实现的呢？

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。

所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

开机的时候为什么会复位：

在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。

所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在单片机启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。

按键按下的时候为什么会复位：

在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。

当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。

随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。

根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。

单片机系统自动复位。

晶振电路：

晶振是晶体振荡器的简称在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络电工学上这个网络有两个谐振点以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振较高的频率是并联谐振由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近在这个极窄的频率范围内晶振等效为一个电感所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路由于晶振等效为电感的频率范围很窄所以即使其他元件的参数变化很大这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值。

选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振再有两个电容分别接到晶振的两端每个电容的另一端再接到地这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容请注意一般IC的引脚都有等效输入电容这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF如果再考虑元件引脚的等效输入电容则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择 。

如上图:

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的这个脉冲就是单片机的工作速度比如12M晶振单片机工作速度就是每秒12M当然 单片机的工作频率是有范围的 不能太大一般24M就不上去了不然不稳定。

晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波（也就是不希望存在的其他频率的波）这个波对电路的影响不大但会降低电路的时钟振荡器的稳定性为了电路的稳定性起见ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的没有什么计算公式。

P0口的上拉电阻：

P0口作为I/O口输出的时候时 输出低电平为0 输出高电平为高组态（并非5V，相当于悬空状态）。

也就是说P0 口不能真正的输出高电平，给所接的负载提供电流，因此必须接上拉电阻（一电阻连接到VCC），由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。

 由于P0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，绝大多数情况下P0口是必需加上拉电阻的。

1.一般51单片机的P0口在作为地址/数据复用时不接上拉电阻。

2.作为一般的I/O口时用时，由于内部没有上拉电阻，故要接上上拉电阻。

3.当p0口用来驱动PNP管子的时候，就不需要上拉电阻，因为此时的低电平有效； 4.当P0口用来驱动NPN管子的时候，就需要上拉电阻的，因为此时只有当P0为1时候，才能够使后级端导通。

31脚EA/Vpp接电源：

STC89C51/52或其他51系列兼容单片机特别注意：

对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行，当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

3.3滴速检测模块及工作原理

光电传感器：

光电传感器是由红外发射管进行发射，红外接收对管接收光信号来检测液滴的一种手段，将该传感器套于输液器的漏斗上，从而确保液滴的检测结果无误。

结构图如图3.7。

图3.7采集装置结构图

红外发射管进过恒定的电源驱动下可以发射一定频率的恒定红外线光，通过肉眼不可见。

红外线穿过对管间的间隙，由接收管接收。

当没有水滴是通过对管间隙时，