基于單片機的智能輸液系統(tǒng)設計

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 基于單片機的智能輸液系統(tǒng)設計 院 系： 專 業(yè) 班： 姓 名： 學 號： 指導教師： 年 月 專心---專注---專業(yè) 摘 要 隨著智能化控制的不斷發(fā)展，自動化臨床設備的研究已成為醫(yī)療器械的一個重點.其可以減輕工作人員的壓力，提高醫(yī)護人員的工作效率。靜脈輸液是一種常見的臨床治療方法，通過在靜脈輸入起到治療的作

2、用，本課題是研究智能輸液系統(tǒng)的設計方法，本方案是基于AT89S51控制的。這個系統(tǒng)操作簡潔、上手較快、具有報警功能并且方便集中控制，在現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)具有較大意義，推動了自動化的智能醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展, 有利于提高醫(yī)護質量。 本課題的主要功能有：實現(xiàn)了利用電路采集液滴速度，可設置液滴速度并且進行比較，可顯示液滴滴速和剩余輸液時間；可自行設置液滴滴速；在輸液剩余液量低于設定值，自動報警，或者輸液過程出現(xiàn)特殊情況也可報警。補充了這個方向的輸液系統(tǒng)的部分研究空白，對于設備結構的分析和其電子設計的研究具有重要意義；通過理論分析，很好的分析了整個輸液系統(tǒng)的理論與實踐基礎。本課題的研究成果為輸液系統(tǒng)的研究提供了

3、豐富的信息。 關鍵詞：51單片機 醫(yī)院輸液系統(tǒng) 輸液監(jiān)控 目 錄 1 6 8 0 0 1 2 24 致謝 25 27 緒 論 隨著科技的進步，越來越多的地方需要用到對液體的流量或者滴速進行控制，如人工腎機的透析液儲液罐中透析液儲量、自動洗胃機中沖洗液的液量、中藥使用的藥浴機中煎藥鍋中的水位等，醫(yī)療保健領域中藥液的輸液量與輸液速度需要精確的控制以達到更好治療效果。根據(jù)我國各地衛(wèi)生廳的標準不同輸液系統(tǒng)

4、的滴速設定也不盡相同，湖北省衛(wèi)生廳的《護理技術操作規(guī)范》規(guī)定：成人靜脈輸液滴速40—60滴/min，兒童及老年人20—40滴/min；高于此標準10滴/min為過快；低于此標準10滴/min為過慢。而遼寧省衛(wèi)生廳規(guī)定以滴速40-60滴/min為標準，高于70滴/min為過快，低于30滴/min為過慢，基于此我們可以看出靜脈輸液作為一種常見的臨床治療方法，通過向靜脈輸入藥液起到治療的作用，滴速控制尤為重要，并且新藥品越來越多，在治療疾病的過程中，采用靜點輸液治療方法已越來越普遍。然而，在輸液過程中，不同藥液，不同年齡患者均有其不同的最佳滴速要求。滴速過快、過慢均會影響療效甚至給患者帶來不適；此外

5、在輸液過程中，當輸液完成需要換藥液時，需要醫(yī)務人員發(fā)現(xiàn)不及就會出現(xiàn)空氣進入血管內(nèi)形成空氣栓塞，凝血堵塞針頭等情況，輕則延誤治療，重則會危及病人生命安全，發(fā)生事故，還有當病人單獨輸液時，有可能睡著或者忘記觀察剩余藥液量引起血液外流等事故。綜上可以看出輸液監(jiān)護控制系統(tǒng)在未來醫(yī)療中的重要地位和作用。 背景和意義 1.1 醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計背景 隨著智能化控制的不斷發(fā)展，自動化臨床設備的研究已成為醫(yī)療器械的一個重點.其可以減輕工作人員的壓力，提高醫(yī)護人員的工作效率。靜脈輸液是

6、一種常見的臨床治療方法，通過在靜脈輸入起到治療的作用，所以其滴速的控制很重要，隨著新藥品研發(fā)的越來越多，采用靜點輸液治療方法在治療疾病的過程中已變得很普遍了。然而，在輸液過程中，對于不同藥液，不同年齡患者均有其不同的最佳滴速要求。其滴速過快或者過慢均會影響治療效果；在輸液過程中，若需要換輸液，若發(fā)現(xiàn)不及就會出現(xiàn)空氣進入血管內(nèi)就會危及病人生命安全，還有當病人單獨輸液時，由于睡著或者忘記觀察藥液量導致血液外流等事故。以上就體現(xiàn)出輸液監(jiān)控的重要地位和作用。本課題就是針對以上問題進行設計研究，對提高醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展起到很大的作用。利用科技去提高整個醫(yī)療事業(yè)，是造福整個人民的好事情，對于此我們應努力的去改

7、善。 1.2 輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計的背景 本設計所針對的醫(yī)療產(chǎn)品在國內(nèi)只有一些大型醫(yī)院引進。在國內(nèi)輸液裝置的研究相對起步較晚，在市場上也存在一定國產(chǎn)輸液裝置。但是總體來說，國內(nèi)的自動輸液系統(tǒng)需要很長的路要走。并且國內(nèi)的醫(yī)療設備技術相對落后、種類方面也相對較少、性能與質量也參差不齊。而智能輸液系統(tǒng)在國外的發(fā)達國家，如、日本、美國等研制的較早并且種類較多，其也基本實現(xiàn)了智能化，在醫(yī)院輸液監(jiān)控使用已經(jīng)十分普遍。 醫(yī)療設施發(fā)展趨勢在于單片機智能輸液系統(tǒng)的發(fā)展，單片機的性價比優(yōu)越，而以前的輸液系統(tǒng)，其一單片機價格比較貴，且操作不容易實現(xiàn)，對滴速控制精度也低?，F(xiàn)在的單片機可以進行多個系統(tǒng)的控制，減輕工

8、作人員的壓力，提高醫(yī)護工作效率。在人為控制下可能對病人帶來麻煩，以前的臨床輸液中有患者醫(yī)護人員觀察監(jiān)視藥液余量,此方法涉及的精力大且效率低，不利于醫(yī)療的綜合管理。而使用智能輸液系統(tǒng)只要考慮周到，運行的時候就可以解決以上問題，因此，基于單片機的智能輸液系統(tǒng)會在醫(yī)療中得到廣泛應用。該課題研究具有應用價值，對于提高我國的醫(yī)療水平有深遠影響。醫(yī)療的安全問題離不開科技，利用科技去提高醫(yī)療事業(yè)是對醫(yī)療事業(yè)的一大促進。 1.3 系要解決的問題統(tǒng)設計需 （1） 如何準確監(jiān)測藥物剩余量。 （2） 如何提示護士應該換藥。 （3） 怎么樣控制滴速。 （4） 怎么樣

9、使整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 2系統(tǒng)方案設計與論證 2.1 系統(tǒng)硬件總體設計方案 本課題的輸液系統(tǒng)分為以下部分：儲液液面檢測、滴速測量模塊，點滴速度控制（電機系統(tǒng)控制）模塊，鍵盤顯示模塊。結構圖如下圖2-1 。 圖2-1 總體結構框圖 2.2 點滴速度測量電路方案 速度測量在設計中占有極其重要的位置，它是本系統(tǒng)的基礎，在進過分析思考后整理出以下幾種方案： 方案一：采用反射式的紅外光電傳感器 將反射式紅外傳感器放置于輸液器的漏斗一端，在液滴下落時，利用紅外線的反射能力，接收端將檢測到信號。但是有很多不穩(wěn)定因素如水滴的表面不規(guī)則，收集到的反射信號弱，并且對

10、于液滴下落時要和傳感器的夾角要很精確， 方案二：采用槽式紅外光電開關 采用槽式紅外對射式光電開關，其功能齊全，體積小，具備交直流通用型，抗震性能好，液滴檢測穩(wěn)定，很適合精度要求高的醫(yī)療設備，此方案成本低。通過測量兩點滴下落的間隔通過計算就可以確定滴速。 經(jīng)考慮選用方案二。 2.3 液面檢測電路方案 方案一：紅外對管發(fā)射接收。根據(jù)接收的光強的大小判斷液位是否到警戒水位，若達到警戒水位則反饋到單片機，進行中斷報警。 方案二：稱重傳感器檢測。利用稱重傳感器對總質量與實際警戒水位質量相比較，當測量總質量與設定值相等時發(fā)出報警。 比較上述方案，選擇方案一，其實用、方便，也能保證測

11、量的準確度。 2.4 電機控制滴速電路方案 2.4.1 電機控制滴速的方案設計 方案一:通過步進電機和滑輪系統(tǒng)控制儲液瓶的高度，來達到控制液滴流速的目的；由公式：可以看出，滴速是受藥液的高度的影響的。則我們需要做大量的實驗去測試對應高度的滴速，將結果存入單片機內(nèi)，當?shù)竭_一個高度的時候就直接從單片機內(nèi)調(diào)出。同時當通過按鍵輸入一個滴速的時候，都可以使步進電機轉動，到達特定的高度，使其滴速為設定好的值。 方案二:通過控制滴速夾的松緊程度來控制液滴流速。但這樣只是大致的去設定一個滴速，不具有精確性。而且影響其使用的因數(shù)也多，不易規(guī)律的實驗出。 經(jīng)過綜合比較，我們決定選擇第一項的方案。模

12、擬示意圖如圖2-2。 圖2-2 輸液模擬示意圖 2.4.2 電動機及驅動方案 方案一：伺服電機 伺服電機可以接收電信號，然后轉換成轉動軸上的角速度與角位移。其轉速要比電機在負載時的轉速高很多。但是就伺服電機的使用情況來說，多數(shù)是在低的轉動慣量、高的啟動轉矩和大轉矩的系統(tǒng)里。并且伺服電機的價格較高，很少使用。 方案二：直流電機 直流電機上電后立馬轉動，掉電后慣性較大，停機時還要轉動一定角度后才可停下來。轉矩小、沒有抱死功能，如果要求準確地停在一個位置，其閉環(huán)算法太復雜。 方案三：步進電機 步進電機主要是把電脈沖信號轉換成輸出軸的轉角或轉速，容易開啟停止、正反轉及變

13、速,動態(tài)響應快。價格適中，控制精度較高，適用于較為精確的測量中，還可以有效提高輸液速度的控制精度。步進電機每輸入一個脈沖信號，轉子就會轉過一個角度，步進電機會輸出特定的角位移或者線位移，其與輸入脈沖數(shù)成正比例，步進電機的轉速也與脈沖頻率成正比例關系。本文以單片機為核心，控制了步進電機的工作，可以在一剎那實現(xiàn)啟停動作，并且其步距角的降低較小，延時短，定位準確，精度高，可操作性較強。 綜合考慮，選用步進電機作為電機驅動控制電路。 2.5 顯示器接口電路方案 此設計里要可以設定滴速。其顯示內(nèi)容需要有設定值和實際滴速。經(jīng)過考慮和設計有以下兩種設計方案： 方案一：采使用(LCD)液晶顯示屏。雖

14、然液晶顯示屏有功耗小、輕巧較薄等優(yōu)點，但編程較數(shù)碼管難并且對于字符的要求較大，需要單獨編譯。并且相比于數(shù)碼管節(jié)能較差。對于以后產(chǎn)品會有一定影響。 方案二：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具備低能耗、低損耗、低壓、壽命長、且環(huán)境的要求較低等特性。而且數(shù)碼管編程簡單，完全可以滿足顯示方案的數(shù)據(jù)。 綜合比較以上兩種方案，結合本設計的要求可知采用方案二較為合適。 2.6 鍵盤接口電路方案 鍵盤是人為向機器輸入的基本設備，可以有編碼鍵盤和非編碼鍵盤，在此設計內(nèi)我們選擇成本較低技術成熟的非編碼鍵盤，非編碼鍵盤有一下幾種分類：獨立式按鍵電路、矩陣式鍵盤電路，中斷式鍵盤電路等。根據(jù)其特點我們提出了一下兩種方案

15、： 方案一：獨立鍵盤使用于輸入端口較多，調(diào)用快捷，且每個鍵的工作狀態(tài)不會影響其他幾個鍵的情況，此方案可以大大減少程序的內(nèi)容，編程較簡單，使用起來也很方便，對于本設計，對于鍵盤的需求不大，只需要進行簡單的操作即可。 方案二：此鍵盤是將按鍵分為行和列，都有交叉點，鍵兩端接于行和列上，一般有4*4、8*8、4*8的規(guī)格，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇合適自己的規(guī)格，但因為本設計簡單可操作故不符合。 該系統(tǒng)使用的按鍵數(shù)較少，故采用獨立式鍵盤最為合適。 2.7 單片機型號的選擇與論證 2.7.1 現(xiàn)有主流單片機的概述 現(xiàn)主流的單片機有很多，如51系列、ARM系列等。我們使用的AT89S51是

16、一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)，可編程序的存儲器。使用Atmel公司的高密度非易失性存儲器技術及產(chǎn)品制造工業(yè)80C51指令和引腳完全兼容。片中的程序存儲器系統(tǒng)程序可編程。在單芯片上，51是擁有靈巧的8位CPU以及系統(tǒng)的可編程Flash，使得AT89S51在許多的嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到十分廣泛的應用。 AT89S51的低能耗，是一種高性能CMOS8位微控制器，具有8K閃存使用programmable.atmel高密度非易失性存儲器的制造技術、指令和引腳完全兼容80S51的工業(yè)產(chǎn)品。在芯片上的Flash程序存儲器，可以在系統(tǒng)編程，但也為裝置經(jīng)典的編程。在一個芯片，

17、用8位CPU和在系統(tǒng)可編程閃存的靈活性，使得控制系統(tǒng)應用集成提供一個靈活的解決方案，許多非常有效?；緲藴使δ埽?K字節(jié)的256字節(jié)的閃存，32位的I/O線，定時器，指針數(shù)據(jù)，36位定時/計數(shù)器，水平向量中斷結構，全雙工串行端口，在水晶板和電路的邏輯horloge以及fonct靜態(tài)ionnement可以減少到2000赫茲，可選擇節(jié)能模式兩種軟件模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM，定時器/計數(shù)器，串口、中斷繼續(xù)工作。當功率保護模式，RAM內(nèi)容存儲，振蕩器是停止工作的的，所有的工作的單片機停止，直到一個中斷或硬件復位為止。 2.7.2 單片機的選用 主要的功能如下： 與MCS-5

18、1產(chǎn)品兼容；8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程；1000次擦寫周期；全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz；三級加密；32個可編程I/O口線；三個16位/；8個；全雙工串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；；掉電。 以下圖2-3為引腳圖： 圖2-3 AT89S51的引腳圖 AT89S51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)，可編程序的存儲器。使用Atmel公司的高密度非易失性存儲器技術及產(chǎn)品制造工業(yè)80S51指令和引腳完全兼容。片中的程序存儲器系統(tǒng)程序可編程。在單芯片上，51是擁有靈巧的8位CPU以及系統(tǒng)的可編程Flash，使得AT89S51在許多的嵌入式控

19、制應用系統(tǒng)中得到十分廣泛的應用。最小系統(tǒng)圖如圖2-4。 圖2-4 AT89S51最小系統(tǒng)電路圖 2.7.3 單片機I/O口管腳分配 VCC:電源 GND:地 P0口：P0端口是8位雙向的漏極開路的I/O口。當作輸出口用時，每位可以驅動8個TTL型的邏輯電平。當我們對P0口寫入“1”時，此引腳就用作高阻抗輸入來使用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器的時候，P0端口會作為低8位的地址/數(shù)據(jù)來使用。在這種情況下，P0端口就具有內(nèi)部的上拉電阻了。在我們用flash進行編程時，P0端口會接收發(fā)送到的指令字節(jié)；在校驗程序的時候，會輸出指令字節(jié)的。我們知道在程序校驗時，需要合適的外部上

20、拉電阻。 P1口：P1端口是雙向的有內(nèi)置的上拉電阻8位I/O口，P1口上的輸出端的緩沖器可以同時驅動四個TTL型的邏輯電平進行工作。當我們對P1口寫入“1”的時候，其內(nèi)部的上拉電阻就會拉高端口，該端口就可以當作輸入口來使用了。當作為輸入使用時，在內(nèi)部電阻作用下外部被放低的引腳，將會輸出IIL型電流。此外，P1.0會作為計數(shù)器/定時器2的外部計數(shù)的輸入端口，P1.2會作為計數(shù)器/計時器2觸發(fā)的輸入端口。當我們對flash校驗和編程的時候，P1端口會接到低8位的地址字節(jié)。 P1引腳第二功能如表2-1所示： 表2-1 P1引腳的第二功能 P1.0 T2 用作定時器/計

21、數(shù)器T2的外部的計數(shù)輸入端口和時鐘的輸出端口 P1.1 T2EX 用作定時器/計數(shù)器T2的重載/捕捉觸發(fā)的信號與方向控制 P1.5 MOSI 系統(tǒng)編程時用 P1.6 MISO 系統(tǒng)編程時用 P1.7 SCK 系統(tǒng)編程時用 P2口：P2端口是雙向的具有內(nèi)部的上拉電阻的8位的I/O端口，P2口上的輸出緩沖器可以驅動四個TTL型的邏輯電平。當我們對P2端口寫入“1”的時候，其內(nèi)部的上拉電阻就會把端口拉高，此時就當作輸入口來使用了。當該端口被當作輸入口來使用時，在外部被拉低的引腳在內(nèi)部電阻的作用下，將輸出IIL型電流。在訪問外部的程序存儲器時，P2端口會送出高8位的地

22、址，用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時也是這樣。此時，P2端口會使用很強內(nèi)部上拉來發(fā)送“1”。在使用8位的地址來訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，P2端口會輸出P2鎖存器中的內(nèi)容。當在用flash編程和校驗的時候，P2端口會依據(jù)接收到的高8位地址字節(jié)和控制信號來工作。 P3口：P3是雙向的具有內(nèi)部的上拉電阻的8位的I/O端口，P3上的輸出緩沖器可以驅動四個TTL型的邏輯電平工作。當我們對P3口寫入“1”的時候，其內(nèi)部的上拉電阻就會把端口拉高，該端口就可以當作輸入口來使用。當其當作輸入口使用時，在外部被拉低的引腳在內(nèi)部電阻的作用下，將會輸出IIL型電流。P3端口也可以作為AT89S52的特殊功能來

23、使用。另外，在我們進行flash編程驗的時候，P3端口也會接收控制信號。 3 輸液系統(tǒng)硬件設計 在第二章的方案論證基礎上，第三章主要對各個硬件結構以及主要硬件部分進行了論證。 3.1 控制電機模塊設計 本設計所使用的為步進電動機。使用單片機去控制步進電機是很方便和精準發(fā)的，利用單片機去輸出相應脈沖，每兩個脈沖可以使其轉動相應的角度。通過這樣的程序，我們就可以控制電機轉動。同時也可以精確的確定其轉動的角度，于此我們可以控制滴袋的高低，以調(diào)節(jié)滴速。 3.1.1 步進電動機的工作原理 步進電機是將脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行器件。當步進電機的驅動器接收

24、到的由單片機發(fā)出的脈沖信號，它可以驅動步進電機按設定方向旋轉一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的運動是按照固定的角度一步一步運行的。首先可以通過控制輸入脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到電機轉動的目的；其次，通過單片機輸出脈沖頻率來控制電機轉動的速度以及加速度。從而可以達到調(diào)節(jié)速度的目的。步進電機是可以作為控制用的特殊的電機。廣泛的使用在各種開、閉環(huán)控制，他可以不積累誤差?，F(xiàn)在比較常見的步進電機有單相式步進電機、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和反應式步進電機（VR）等。 混合式步進電機就是指混合了永磁式與反應式的兩個優(yōu)點。它又可以分為兩相和五相：兩相步進電機的步進角一般為1

25、.8度而五相步進電機的步進角一般為0.72度?，F(xiàn)在這種步進電機的應用最為廣泛，也是本課題的驅動方案所選用的步進電機。 3.1.2 步進電機控制原理 步進電機區(qū)別于其他電機的最大特點是，它可以通過單片機輸入脈沖信號進行控制，即電機的轉動的總角度可以由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速是由脈沖信號的頻率決定。步進電機的驅動電路是根據(jù)控制信號工作，而控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下： (1) 控制換相順序 通電換相的這一過程是脈沖分配。比如：三相步進電機的三相三拍工作方式，其各相通電的順序以此為A-B-C-A，通電控制的輸出脈沖必須嚴格按照這一順序去分別控制A-B-C-A相的通斷。

26、 (2) 控制步進電機的轉向 當給步進電機以正序脈沖輸出通電，則步進電機的工作狀態(tài)為正轉，若按反序通電換相則電機反轉。 (3) 控制步進電機的速度 當控制單片機的輸出為一個一個脈沖的時候，它就可以一步一步的進行轉動，每兩個脈沖直接可以轉動相應的角度，并且兩個脈沖輸出的間隔時間越短，其電機轉動速度越快。所以我們就可以控制單片機的輸出脈沖頻率去控制電機轉動。單三拍的相序為A—>B—>C—>A時，電機正轉；反之A<—B<—C<—A，則電機反轉。本題設計的關鍵就是控制電機的旋轉方向和步數(shù)，通過控制其方向和速度就可以把最小絕對誤差的控制在預置數(shù)M×10%±1滴。如圖3-1所示。 圖3-1

27、 步進電動機控制電路圖 3.2 數(shù)據(jù)采集模塊及工作原理 光電傳感器：光電傳感器是由紅外發(fā)射管進行發(fā)射，紅外接收對管接收光信號來檢測液滴的一種手段。經(jīng)過實驗，我們?yōu)榱朔乐馆斠浩鞯穆┒穬A斜所引起的水滴偏移，從而導致的不正常檢測，可設計使用三枚紅外發(fā)射管配合一枚紅外接收管組成的一種測試方法，將該傳感器套于輸液器的漏斗上，從而確保液滴的檢測結果無誤。結構圖如圖3-2。 圖3-2 采集裝置結構圖 三枚紅外發(fā)射管進過恒定的電源驅動下可以發(fā)射一定頻率的恒定紅外線光，通過肉眼不可見。紅外線穿過對管間的間隙，由接收管接收。當沒有水滴是通過對管間隙時，紅

28、外接收管會處于完全導通狀態(tài)，輸出的為高電平；當有水滴通過對管間隙的時候，紅外接收管的導通能力會有不同程度地下降，其輸出的不規(guī)則是負向脈沖；每一個水滴的通過都會產(chǎn)生一個這樣的不規(guī)則的負向脈沖，脈沖數(shù)目是與水滴數(shù)目一一對應。這樣由紅外對管傳感器所產(chǎn)生的負向脈沖會經(jīng)過LM339比較器后，然后輸入端是輸入的不規(guī)則負向脈沖，就會整形為規(guī)則的正向脈沖，然后將該脈沖輸出到單片機的中斷口 INT0。其數(shù)據(jù)采集電路圖如圖3-3，其輸出波形如圖3-4。 圖3-3 數(shù)據(jù)采集裝置 圖3-4 數(shù)據(jù)采集裝置輸出波形 3.2.1 紅外發(fā)光二極管和光敏三極管 紅外線發(fā)光二極管其電氣的電路

29、符號及特性曲線，陽極（P極）電壓加正，陰極（N極）電壓加負，此時二極管所加之電壓為正向電壓，同時亦產(chǎn)生正向電流，提供了紅外線發(fā)光二極管發(fā)射出光束的能量，其發(fā)光的條件與一般的發(fā)光二極管(LED)一樣，只是紅外線為不可見光。一般而言砷化鎵的紅外線發(fā)光二極體約須1V，而鎵質的紅色發(fā)光二極管切入電壓約須1.8V；綠色發(fā)光二極管切入電壓約須2.0V左右。當加入之電壓超過切入電壓之后，電流便急速上升，而周圍溫度對二極管的切入電壓影響亦很大，當溫度較高時，將使其切入電壓數(shù)值降低，反之，切入電壓降低。 光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉換器件，其基本原理是光照到P-N結上時，吸收光能并轉變?yōu)殡?/p>

30、能。它具有兩種工作狀態(tài)：? （1） 當光敏三極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。 （2） 光敏三極管上不加電壓，利用P-N結在受光照時產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。光電傳感器由發(fā)光源和受光器兩部分組成。發(fā)光源常用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，發(fā)光源引出的管腳為輸入端。常用的受光器有光敏三極管、光敏晶閘管和光敏集成電路等。受光器引出的管腳為輸出端。光耦合器利用電-光-電兩次轉換的原理，通過光進行輸入與輸出之間的耦合。 3.2.2 紅外發(fā)光二極管主要參數(shù) 紅外線發(fā)光二極管其電氣的電路符號

31、及特性曲線，陽極（P極）電壓加正，陰極（N極）電壓加負，此時二極管所加之電壓為正向電壓，同時亦產(chǎn)生正向電流，提供了紅外線發(fā)光二極管發(fā)射出光束的能量，其發(fā)光的條件與一般的發(fā)光二極管(LED)一樣，只是紅外線為不可見光。下表3-1為發(fā)光二極管主要參數(shù)： 表3-1 紅外發(fā)光二極管主要參數(shù) HG313S參數(shù) 數(shù)值 HG313S參數(shù) 數(shù)值 最大功率（mw） 75 發(fā)射功率(mw) >2 最大正向電流(mA) 50 發(fā)光峰值波長(nm) 940 正向壓降(v) ≤1.5 半峰寬度(A) ≤400 反向電流(ｕA) ≤50 結電容(pf) ≤100 反向耐壓(

32、v) ≥5 截止頻率(mHZ) ≥1 3.2.3 光敏三極管的主要參數(shù) 光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉換器件，其基本原理是光照到P-N結上時，吸收光能并轉變?yōu)殡娔?。下表為光敏三極管的主要性能參數(shù)，根據(jù)此性能參數(shù)對滴速度進行設計。如表3-2。 表3-2 光敏三極管的主要參數(shù) 參數(shù) 符號 額定值 工作溫度(℃) Topr -65 ~ +125 存儲溫度(℃) Tstg -65 ~ +150 集射極擊穿電壓(v) Vceo 45 集電極基極擊穿電壓(v) Vcbo 45 發(fā)射極基極擊穿電壓(v) Vebo 5 功率損耗(mW) Pd

33、 300 集電極電流(mA) Ic 1.0 飽和電壓(v) Vce 0.4 峰值波長(nm) λ 940 開啟時間(μs) Ton 8 切斷時間(μs) Toff 7 3.3 電源模塊 電源模塊在電路設計中是非常重要的,電壓太大,就會導致電流過大,易減少元器件的壽命,至會燒壞單片機的芯片,造成不可估算的損失，本系統(tǒng)需要的電平包括: 5V電壓的使用模塊為：單片機控制芯片、紅外對管、步進電機以及報警電路。 則在本設計中用單電源方案,單電源方案優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、工作可靠。在設計中我們采用穩(wěn)壓的7805為主要的器件，所有元件的適中電壓+5V，通過變壓器先把生活中使

34、用的交流電220v變換成+5V的電壓，再用穩(wěn)壓器7805把它穩(wěn)定在5V。主要思路為變壓-穩(wěn)壓。電路圖如下圖所示：IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。當輸出電較大時，7805應配上散熱板。 電源電路圖如圖3-5。 圖3-5 電源電路圖 3.4 報警模塊 報警電路如圖3.6所示，將接口接于單片機P1.0腳，在輸液前，根據(jù)病人的情況設定輸液速度，當點滴的速度低于10滴/分或高于70滴/分的情況下，單片機會發(fā)出信號使P1.0輸出高電平，將觸發(fā)蜂鳴器報警裝置，蜂鳴器會發(fā)出響聲。如有人按報警按鈕，I/O口也會輸出高電平，觸發(fā)蜂鳴器報警，以提醒醫(yī)

35、生和病人進行相關的應急措施，避免危險事故發(fā)生。如在10秒后仍然無人處理，則關閉輸液器以保證病人安全。還有一種情況，當?shù)嗡僭O定為一個值如X滴/min時，滴液小于5X/20毫升時也會使單片機產(chǎn)生中斷觸發(fā)報警。報警電路如圖3-6。 圖3-6 報警電路 3.5 復位電路 本系統(tǒng)采用的為手動復位，持續(xù)按復位鍵將會在RST端會產(chǎn)生高電位，之后會產(chǎn)生復位。電路圖如圖3-7： 圖3-7 復位電路 3.6 顯示模塊 按照相關的規(guī)定，輸液時液速的正常范圍應該是每分鐘30到150滴,所以本系統(tǒng)的數(shù)碼管選擇了三位, LED顯示模塊使用了74HC164驅動共陰數(shù)碼管。74HC164是8位的邊

36、沿觸發(fā)式的移位寄存器，它是串行的輸入數(shù)據(jù)，然后再并行的輸出。這樣數(shù)據(jù)便可通過兩輸入端（DSA或DSB）之一進行串行輸入，任一個輸入端都可以用作高電平的使能端，來控制另一個輸入端輸入數(shù)據(jù)。從單片機的串口輸出的信號首先要送到最左邊的移位寄存器（74HC164）,因為移位脈沖的作用，數(shù)據(jù)便向右移，以此完成顯示。采用串行顯示，與并行顯示相比，串行顯示占用接口少，更加適用于本系統(tǒng)，數(shù)碼顯示的電路如圖所示。顯示電路的功能是顯示電壓與滴速,開機顯示了電壓的電量,醫(yī)務人員會根據(jù)實際情況決定是否應需要插入電源,保證輸液過程的正常工作。當有液滴滴下時,就開始顯示：一方面可以方便護士在給病人輸液時調(diào)節(jié)藥液滴速,這樣

37、就防止了只憑經(jīng)驗來調(diào)速，造成調(diào)速不準的醫(yī)療隱患;另一方面方便了護士巡房,使醫(yī)療服務更加的準確、高效。以下圖3-8為顯示電路圖： 圖3-8 數(shù)碼管顯示電路 3.7 鍵控模塊 常用的按鍵接口一般分為獨立式按鍵接口設計、專用芯片式設計和矩陣式接口設計幾種。具體情況下采用哪種方式 ,應該實際情況而定。下面分別介紹這幾種不同的接口方式優(yōu)缺點以及適用場合。 （1） 獨立式按鍵接口設計單一按鍵接口設計的優(yōu)點是電路設計的軟件。但缺點也很明顯，需要所有鍵的總線，但這樣讓很多資源浪費比較嚴重，電路結構也復雜了。所以這次的方法主要是用更少的操作速度而使用簡單的設備。易于實現(xiàn)的同時，也可以采

38、用查詢方式。 （2） 專用芯片式設計專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善，芯片自己能進行編碼，掃描，消抖和重按鈕等的處理問題，甚至像8279顯示接口功能集成了。專用鍵盤處理芯片的優(yōu)勢明顯，可靠性高，界面簡單，使用方便，適合處理很多的按鈕。但是很多的應用，如果考慮成本因素，可能是最好的選擇。 （3） 矩陣式接口設計矩陣式按鍵設計適應于按鍵數(shù)量較多,又不想使用專用鍵盤芯片的場合。這種方式的按鍵接口由行線和列線組成 ,按鍵位于行、列的交叉點上。這種方式的優(yōu)點就是相對于獨鍵盤控制我們采用了4乘4按鍵采用坐標查詢的方式來識別按鍵，這是4乘4按鍵的基本原理圖。其中P0、P1、P2、P3

39、為輸出端口，P4、P5、P6、P7為輸入端口。當P0、P1、P2、P3都為高電平的時候，無論哪個按鍵被按下了，都與按鍵沒被按下的狀態(tài)相同，P4、P5、P6、P7端口的輸入信號都為高電平。當P0為低電平，P1、P2、P3都為高電平時，若1號按鍵被按下，那么，P4口相當于和P0口直接相連，于是，P4口就讀入低電平，而其他三個口讀入為高電平。若2號按鍵被按下，同理，P5口就讀入低電平，其他三個端口讀入為高電平。其他的5、6、7、8、9、0、A、B、C、D、E、F按鍵被按下時都沒有反應。這樣就達到了識別1、2、3、4號按鍵的功能了，當P1輸出低電平，P0、P2、P3端口為高電平時，同理，可以識別5、6

40、、7、8號按鍵了。按照這種方式，我們就可以通過8個引腳逐列地掃描按鍵，達到識別16個按鍵的功能，而不需要像獨立按鍵那樣需要16個引腳，大大地節(jié)約了單片機的端口資源。按鍵電路如圖3-9。 圖3-9 鍵盤電路 4 系統(tǒng)軟件及框圖設計 系統(tǒng)的軟件設計包括的模塊有：滴速監(jiān)測子模塊、電機控制子模塊、報警子模塊、顯示子模塊、鍵盤子模塊等。 程序設計應有滴速計算，可以防止滴速引起的患者輸液不適，當出現(xiàn)這樣的情況，可以通過控制電機來控制液瓶的高低，用于調(diào)節(jié)滴速；還具有液面檢測模塊，可以檢測警戒水位并且進行液量的報警。 4.1 滴速檢測子程序 本系統(tǒng)采用的是光電開關采集信號

41、，當有液滴通過就會有信號變化，這時會產(chǎn)生一個脈沖，然后記錄下2次液滴的信號變化，通過程序運算就可以得出液滴滴速，其流程圖如圖4-1： Y N Y N 初始化 判斷P1.7=1 即是否有液滴 啟動定時器 在檢測P1.7=1 即檢測第二滴 停止計時器 利用中斷次數(shù)得到時間計算出液滴速度 圖4-1 檢測程序框圖 4.2 電機控制子程序 電機運動就是根據(jù)現(xiàn)在的系統(tǒng)的狀態(tài)來設定。如果在設定范圍之內(nèi)，就不會有動作，當小于設定值其程序就會進入正轉程序，反正就是反轉。程序圖如圖4-2。 N N Y 測試滴速子程序 比較原速度與目的速度是否相等 目的速度是否大于

42、原速度 提高點滴速度 其他子程序 Y 降低點滴速度 圖4-2 電機控制程序框圖 4.3 鍵盤程序 系統(tǒng)有復位鍵，另外根據(jù)需要拓展了“加減”，“減鍵”報警鍵除復位鍵外擴展了三個鍵，首先程序會檢測有無按鍵輸入，若無則單片機無動作，若有則進行其他程序動作。加減主要為設定滴速，通過按鍵輸入來設定滴速的大小。另外報警分為主動以及自動，當有人按鍵報警時，可以自報警，若無，當觸發(fā)報警程序時候，在10s內(nèi)無人處理則會自動報警。當報警結束后會自動停止報警，同時停止滴液，以保證病人安全。程序框圖如圖4-3。 圖4-3 鍵盤程序框圖 結 論

43、 靜脈輸液是臨床醫(yī)學中經(jīng)常要使用的一種治療手段。但從長期以來的醫(yī)療事業(yè)情況上來看一直都還是以人工監(jiān)控為主，不但需要專人監(jiān)護，而且還加重了護理人員以及病人的勞動強度。所以我們?yōu)榱藴p輕醫(yī)服人員的勞動強度，及病患家屬的陪護，并且進一步的提高醫(yī)院服務系統(tǒng)的智能化水平，設計了一種可以針對多個床位進行遠程獨立監(jiān)測的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由單片機以及電機鍵盤等組成，對于病人的輸液情況可以有監(jiān)控、報警、呼叫等具體功能?？梢蕴嵝炎o士當某一個輸液結束或者出現(xiàn)了緊急情況的時候可以馬上得知，而不再需要護士每時每刻的去親自監(jiān)測各個輸液的情況。 本系統(tǒng)完成了在滴斗處檢測點滴速度，并制作了一個液晶顯示

44、裝置，能動態(tài)顯示點滴速度（滴/分）。通過改變高度控制點滴速度，點滴速度可用鍵盤設定并顯示，設定范圍為50-90(滴/分)，誤差在要求范圍內(nèi)。當高度到達警戒值時能發(fā)出報警信號，并可以手動解除報警狀態(tài)。 本課題是研究智能輸液系統(tǒng)的設計方法，本方案是基于AT89S51控制的。這個系統(tǒng)操作簡潔、上手較快、具有報警功能并且方便集中控制，在現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)具有較大意義，推動了自動化的智能醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展, 有利于提高醫(yī)護質量。本課題的主要功能有：實現(xiàn)了利用電路采集液滴速度，可設置液滴速度并且進行比較，可顯示液滴滴速和剩余輸液時間；可自行設置液滴滴速；在輸液剩余液量低于設定值，自動報警，或者輸液過程出現(xiàn)

45、特殊情況也可報警。補充了這個方向的輸液系統(tǒng)的部分研究空白，對于設備結構的分析和其電子設計的研究具有重要意義；通過理論分析，很好的分析了整個輸液系統(tǒng)的理論與實踐基礎。本課題的研究成果為輸液系統(tǒng)的研究提供了豐富的信息。 其實在實現(xiàn)其基本功能的基礎上也可以從病人的舒適度角度出發(fā)，為病人創(chuàng)造更好的的治療環(huán)境，例如可以加上MP3播放系統(tǒng)或者上網(wǎng)功能等，其成本問題拋開不談，這樣可以為病人創(chuàng)造一個好的治療環(huán)境，以使病人更好的接受治療。 致 謝 長達半年左右的論文馬上就要接近尾聲了。在這半年內(nèi)我們經(jīng)歷了開題報告和論文答辯。這就意味著我們的大學生活馬上就結束了。在這三年內(nèi)學校給予

46、了我們很多，老師的教誨，同學的深厚感情。同時很感謝學校在這即將結束的時候利用論文讓我們再次的從中學習到了自律、嚴謹、認真的學習精神。 首先要感謝趙霞老師對我論文的幫助，如果沒有您，也許我的論文不會寫的這么好，寫的這么順利，每次論文您對我的要求使得我的論文才能合格。同時對工作認真嚴謹?shù)膽B(tài)度也讓我學到了許多。 另外值此論文完成之際，謹向那些曾教導我的師長、幫助我的同學，表達我誠摯的謝意！使我在以后的學習與工作里受益終生。再次向趙霞老師表示深深地感謝！ 我也要感謝親愛的同學們，在我有了困難的時候是你們給予了我?guī)椭?，當我處在意志薄弱的時期給予我鼓勵。彼此友愛，互幫互助的和諧氣氛給

47、予了我無盡的溫暖，讓我重燃了克服困難的信心。 此外，我也要感謝我的家人，是他們默默地在精神與物質上給予我支持。多年來，他們的關心、鼓勵，是我勇往直前的動力。以后我會更加努力地學習和工作，好好報答他們的養(yǎng)育之恩。 參考文獻 [1] 劉海成．單片機及應用系統(tǒng)設計原理與實踐．北京：北京航空航天大學出版社，2009． [2] 王秋爽．單片機開發(fā)基礎與經(jīng)典設計實例．北京：機械工業(yè)出版社，2008． [3] 周振安．范良龍．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實踐．北京：地震出版社，2005． [4] 余永權．汪明慧．單片機在控制系統(tǒng)中的應用．北京：電子工業(yè)出版社， 2

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