点滴自动监测系统硬件设计终稿.docx
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点滴自动监测系统硬件设计终稿
本科毕业设计（论文）
题目：
点滴自动监测系统硬件设计
院（系）：
电子信息工程学院
专业：
自动化
班级：
120402
学生：
张博杰
学号：
120402115
指导教师：
王青岳
2016年06月
本科毕业设计（论文）
题目：
点滴自动监测系统硬件设计
院（系）：
电子信息工程学院
专业：
自动化
班级：
120402
学生：
张博杰
学号：
120402115
指导教师：
王青岳
2016年06月
点滴自动监测系统硬件设计
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STC89C51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：
51单片机；医院输液系统；输液监控
Intravenousdripautomaticmonitoringsystemhardwaredesign
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofintelligentcontrol,clinicalresearchautomationequipmenthasbecomeafocusofmedicaldevices.Itcanreducethepressureofstaff,improvetheworkingefficiencyofmedicalstaffs.Intravenousinfusionisacommonclinicaltreatment，thetreatmenteffectintheveinoftheinput,thistopicisthedesignmethodoftheintelligentinfusionsystem,theschemeisbasedonSTC89C51control.Thissystemoperationissimple,startedfast,hasanalarmfunctionandconvenientcentralizedcontrol,isofgreatsignificanceinmodernmedicalenterprise，promotethedevelopmentofintelligentmedicalbusinessautomation，isconducivetoimprovingthequalityofmedicalcare.
Themainfunctionofthissubject:
thecircuitforcollectingthedropletvelocity，dropletvelocitycanbesetandcompared,candisplaythedropspeedandtherestoftheinfusiontime;cansetuptheirowndropspeed;intheinfusionofremainingliquidvolumeislowerthanthesetvalue,theautomaticalarm,orinfusionprocesstherearespecialcircumstancescanalsoalarm.Partoftheresearchblankinfusionsystemaddedtothedirection,haveimportantsignificanceforanalyzingthestructureoftheequipmentandelectronicdesignresearch;throughtheoreticalanalysis,averygoodanalysisofthetheoryandpracticebasisoftheinfusionsystem.Theresultsofresearchonthistopicprovidesabundantinformationforthestudyoftransfusionsystem.
Keywords:
51MCU；hospitalinfusionsystem；transfusionmonitoring
1绪论
1.1研究意义
当前的社会处于一个高速发展的过程，短短数十年，我们所能看见的一切就已经更新换代了一遍。
第三次工业革命之后，电子技术的迅猛发展，尤其是传感器和大规模集成电路的进步，不断推动着现代化电子信息技术在各行各业的发展，并且促进着电子信息技术的自身发展。
生产生活的自动化程度越高，自动化程度就越高，功能也就越人性化，这些自动化产品已经融入到生活的方方面面。
在发展的同时，一些弊端也渐渐的显露出来，比如医疗水平在不断地提升，对于疑难杂症有了许多的治疗方法，但是在基础的医疗设施上，发展速度就显得有些慢。
输液算是最基本的治疗手段，但其自身就存在一些弊端。
医院人手不足时，一两名护士需要管理五六个病房，就会照顾不过来，当病人输液完成时，再叫来护士拔下针头，会很麻烦。
或者在ICU病房中，病人需要日夜输液，晚上睡眠时，会忽略输液时间，专人看护又会浪费精力金钱。
因此，在这种情况下，就需要开发一种输液的监控装置，以减少医护人员的工作量，提高整体效率。
本课题以单片机为主，结合红外传感器，对点滴速度进行监测，帮助医护人员应对不同患者的输液需求。
同时可以监测患者输液进行情况，在输液即将完成时，通知医护人员，提高工作效率。
1.2国内外相关研究情况
静脉输液是治疗疾病的一种普遍方式，其药液可以通过血管直接到达身体各部位，效果显著。
目前各大小医院在输液时，基本依靠医护人员的自身判断，调节输液速度以适应不同患者，对于经验不足的医护人员，难以掌握输液快慢，造成患者不适。
输液的进行，也需要依靠病人或家属不断观察输液瓶中剩余药液，造成时间和精力上的浪费。
目前，国外主要以日本为主，已研究开发出相关输液监控设备，国内也有少数公司开发出类似产品。
但国外设备需要依赖进口，导致市面上此类设备价格昂贵，国内产品质量参差不齐，难以长时间保证病人输液时的安全。
因此，此课题基于当前背景下，设计一款价格低便于大规模推广的产品，为当前医疗做出一身微薄的贡献。
2002年8月，天津医科大学孙媛媛、李迎新，开发出一套“智能输液仪”，利用红外线监测点滴速度，在旁边装设小摄像头监控输液进行程度。
2009年，某医疗科技公司，针对近些年医院基础设施效率低的问题，开发出一套总线制医护对讲系统，该系统包含总线传输、中文液晶显示、无线对
讲、输液报警的部分，可实现医护人员与患者的呼叫、对讲。
2009年，苏州晶鑫电子有限公司，针对输液中出现的情况，研发出一套医用输液监控器，适用于医护人员对输液情况的观察，当输液出现异常情况时，会报警提醒医护人员。
这些装置在一定程度上解决了一些当前医院基础设施不足的情况，提高医院整体效率。
但成本高，设备重的问题一直影响了这些装置的推广。
本课题从这些问题点出发，希望可以对当前这些设备的不足作出改进，开发出成本低，便携的设备，利于医院和小区诊所的大范围推广，减少人工成本，让大众享受到自动化带来的便利。
2系统方案设计
2.1总体思路
点滴检测系统主要由单片机系统，点滴速度检测系统，液位检测系统，数码管显示，键盘和报警装置等系统组成。
通过点滴速度和液位检测收集到所需的输液信息，将数据传入单片机中，进行数据处理，并通过数码管显示出来或启动报警。
如图2.1：
图2.1结构图
2.2拟实现功能
2.2.1点滴速度检测
对于不同的患者，需要不同的输液速度。
比如一般情况下，健康的成年人输液速度在每分钟40~60滴,对于老人和小孩，速度就相应减慢。
对于心脏病类患者输液，应控制在每分钟30~40滴，如若过快，会引起心脏方面的不良反应。
还有一些特殊药物，比如硝酸甘油，正常情况下，必须在每分钟8~15滴，如果过快，会引起头痛、血压下降、心率加快甚至昏厥等不良反应。
因此，应该有不同的点滴速度，适应不同的患者。
但是，通过肉眼，却难以相对精确的控制点滴速度，这就需要相应的装置检测点滴的速度。
在输液的滴壶处，可以看到药液是否滴下，在滴壶两侧放置红外检测装置，通过红外线检测，当滴下时，会产生一个脉冲，记一次数，通过一定时间内检测到的点滴数量，算出当前点滴的速度。
2.2.2点滴液位检测
输液时间一般都比较久，基本都在一个小时以上。
长时间的输液，病人一般都是在睡觉或者选择干点别的事情，不会一直盯着输液瓶。
因此，当输液快结束时，病人可能并不知道输液快完了。
相对于病人，医护人员虽然会不定时查看病人情况，但由于人数少，不可能照顾到每个病人，难免出现差错。
液位检测装置就可以避免病人和医护人员没有察觉到液位过低的情况。
采用平行梁传感器，将输液瓶悬挂于传感器下方，随着输液瓶中液体的减少，输液瓶总重量就会减少，当平行梁传感器接收到的重量为接近空瓶重量时，通过单片机计算，输出报警信号，则报警器产生报警，通知病人和医护人员，及时停止输液或更换新的药物，避免空瓶输液造成的危险。
2.2.3数码管显示
不同的病人在输液时，应该采取不同的输液速度。
对于不同的药物，也应该有不同的输液速度。
但是有些医护人员由于经验的不足，凭自己的观察并不能准确的把握输液的速度，常常调节好几次之后，才能适应不同的病人。
当医院病人较多时，这样往往会耽误更多时间，降低医院的效率。
为了提高医院的工作效率，使医护人员直观的看到输液点滴速度，就再本系统上添加了数码管显示，可以实时显示当前的点滴速度，利于经验不足的医护人员更加直观的调节输液的速度，提高医院的工作效率，将更多的时间用在那些更需要的病人身上。
2.2.4键盘和报警
医护人员调节点滴速度后，就会去照顾其他的病人，病人也会边休息边等待输液完成，不会时时注意点滴的情况。
调速器的松动，输液管的挤压，都会对输液速度带来影响。
利用键盘，可以设置输液速度的上下限，当输液管或调节器发生异常时，导致点滴速度异常，过慢过快都会产生报警。
报警装置就是当发生异常情况时，比如瓶中还有药液，但却没有液体滴下来，输液瓶中液体过少，点滴速度过快或者过慢，都会报警，提醒病人和医护人员，及时处理异常情况，防止发生危险。
2.3点滴检测模型
点滴检测模型如图2.2：
图2.2点滴自动监测模型图
2.4元件选型方案
进行设计时，发现同一种功能的，可以通过多种方案来实现。
再查阅了相关资料，并请教老师后，根据自己的实际情况，对每种功能提出了多种不同的设计方案，并比较各种设计方案，确定了最适合的设计方案。
2.4.1点滴速度检测方案
方案一：
利用电容实现点滴的检测。
在滴壶处的两侧放置电容，并通电，当有液体滴下来时，由于药液和空气属于不同的介质，则会对电容产生影响，改变电容值。
当电容值改变时，就说明有液体滴下来，从而产生一个脉冲，记录点滴滴数。
方案二：
利用液位传感器。
将液位传感器放在受液瓶中，当有液体滴下来时，
受液瓶中液位会改变，液位传感器会通过液位是否改变，判断出是否有液体滴下，并记录点滴滴数。
方案三：
利用红外收发传感器。
将红外收发器分别放置固定在滴壶的两端。
正常情况下，红外接收器会接收到红外发射器发射出的红外线，当滴壶有液体滴下时，会挡住其中的红外线，红外接收器没有接收到红外线，会传送回一个脉冲，记录点滴滴数。
方案确定：
方案一采用电容，由于点滴液体下落速度过快，或者每滴的量太小，电容的变化过小，不容易检测到，因此放弃此方案。
方案二利用液位传感器，需要将传感器放置在受液瓶中，因为药液属于无菌，要将对人体的危害降到最低，而液位传感器需要和药物接触，不利于病人安全，因此排除方案二。
方案三，将红外收发器放置在滴壶两侧即可，不会和药物接触，这点优于方案二。
并且红外传感器比电容更加敏感，液体滴下来时，只要稍微挡住红外线，就会产生脉冲，灵敏度更高，比方案一简单。
并且红外线传感器有效距离是30厘米，稍微改变位置或者碰触，不会引起记录的不准确，而方案二受距离和对接位置的影响较大。
基于以上原因，考虑到成本和简单性，还有以后的开发升级空间，最后决定方案三。
2.4.2液位检测方案
方案一：
同点滴速度检测，使用红外收发器。
预设输液瓶需要报警的液位，将红外收发器放置在该液位的两侧。
通过实验得出结论，在同一液位高度，两侧放置红外收发器，水和空气都能使红外接收器接收到信号，但液体和空气的接触面位置，红外接收器不能接收到红外线。
因此此方案有可行性。
方案二：
使用平行梁传感器。
将输液瓶悬挂于平行梁传感器下方，预设空瓶的重量，在液体流完时，输液瓶重量达到预设值，则报警器报警。
方案确定：
相对于方案二，方案一的成本更低，硬件结构简单，更利于推广。
但是，相对于方案二，方案一的适用范围有局限性。
并非所有输液都是透明无色或浅色药液，个别“钾”之类的药品，药液就是深色，当药液为深色时，需要调整液位检测的设置，因为没有明确的分界点，会对病人医护人员带来麻烦，增加产品使用难度，因此淘汰方案一。
而对于方案二，市面上输液液体种类虽然多，但是输液瓶基本都有规格，并且现在市面上已经逐渐淘汰了以前的玻璃瓶，统一使用塑料瓶。
不同规格的输液瓶，玻璃瓶空瓶重量差别较大，但是塑料瓶空瓶的重量差别小，甚至相对于满瓶状态，塑料空瓶的重量差距可以忽略。
所以方案二有更好的兼容性，一套设备就可以使用多种输液瓶和药液，选择方案二。
2.4.3显示方案
方案一：
使用数码管显示。
采用两个数码管，就可以显示点滴的速度，数码管具有的优点：
耐用，不易坏，更换方便，价格低，功耗低等。
并且，数码管编程简单，显示数字直观，占用资源也比较少。
方案二：
使用LCD1602。
LCD1602的优点就是，功耗小，能显示更多的信息，可同时显示多个信息，信息更加全面。
方案确定：
方案二虽然能显示更多的信息，但是显示屏幕上的字相对较小，病人或医护人员站的稍微远点，就不能看见上面的字。
而方案一，显示直观，字体大，更方便调节滴速。
并且，当显示屏坏了，数码管更加容易更换，成本低。
而LCD1602必须整体更换，增加了成本。
2.4.3键盘接口
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一下两种方案：
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系统设计原理
3.1点滴检测系统设计的意义
经过测量和实验，得出结论是每一滴的药液体积重量基本相同，药滴的多少不会受到输液速度快慢的影响。
因为每滴药液的重量相同，所以不同时间输进病人体内的药液成线性比例，因此测量点滴的速度可以预估一定时间内有多少药液输进病人体内，根据病人和药品的不同，调节合适的速度，将药物对疾病治疗的效果利益最大化。
3.2点滴检测系统的主要组成和点滴检测系统的工作原理
点滴检测的主要组成部分：
对射式红外传感器、平行梁传感器、A/D转换电路、单片机电路、独立按键电路、数码管显示电路、蜂鸣器报警电路等。
将平行梁传感器固定在输液架上，并将输液瓶悬挂在平行梁传感器的下方。
输液进行的时候，把红外收发器固定在输液器的滴壶位置。
在无输液的情况下，红外收发器之间无遮挡。
输液开始后，滴壶不断有药液滴下，每经过一滴药液，会遮挡一次红外收发器，红外传感器会记录一次脉冲。
记录一定时间内的点滴数量，计算出每分钟的点滴速度。
当输液快结束时，输液瓶中药液减少，输液瓶的重量也会减轻，当重量减轻到预设值时，就会报警，提醒病人和医护人员输液即将结束。
数码管会一直显示实时的点滴速度，方便医护人员为病人调节最合适速度。
独立按键可以设置点滴速度的上下限，点滴过快或者过慢，都会报警。
3.3红外传感器
3.3.1点滴检测功能
将红外收发器放置在滴壶的两侧，高度位于滴壶中的液位和滴壶顶部之间。
在正常无点滴的时候，空气和注射器的塑料管是透明的，红外发射器和接收器之间不存在遮挡，红外线可以正常发射和接收，此时没有脉冲，不会记录。
在输液进行的时候，滴壶处会不断有药液滴下来，当药液滴下时，会从红外发射器和接收器中间经过，遮挡红外收发器，则使得红外收发器产生一个不同于无遮挡状态的脉冲，将信号传输回单片机，单片机经过计算处理，记录一次点滴数目。
并且根据一定时间内，共计经过的点滴数量，计算出每分钟的点滴速度。
3.3.2红外传感器原理
平时我们所知道的光，可以分为可见光和不可见光。
我们人类眼睛所能接收到的，就是可见光，根据波长可依次排列，分别为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，其中红光的波长最长，紫光的波长最短，而比红光波长还长，比紫光波长短的光，
我们就看不见了，称为不可见光。
红光的波长大概是0.62~0.86um；紫光的波长大概是0.38~0.46um。
波长比红光长的，就是红外线；波长比紫光短的，就是紫外线。
红外传感器就是利用波长比红光还长的红外线来传送信号，其波长在0.76~1.5um。
3.3.3红外发射管
红外线发射管时二极管的一种。
红外发射管的作用是，将电能直接的转换成不可见的红外光，并且把红外光发射出去。
红外发射管主要应用在光电开关，遥控的发射器中。
在结构上，红外发射管接近一半的发光二极管，区别在于，所采用的半导体材料不一样。
红外发射管用的是砷化镓和砷铝化镓等相关材料。
封装采用的是深色或全透明的树脂。
一般的红外线发射管，外形类似于可见光LED，但是不同的是，红外发射管发出的是不可见的红外线。
红外发射管的管压降一般在1.4V，工作电流则小于20mA，为了更好地兼容大多数工作电路电压，在红外发射管的电路上串联一个电阻，起到限流的作用。
红外发射管发射红外线到红外接收管中，其发射距离和发射的功率是成正比例的，所以为了扩大红外线的接收距离，红外发射管工作在脉冲状态，由于调制光的有效距离和脉冲的峰值电流成正比例，因此只需要提高其峰值lp，就可以达到扩大红外线接收距离的目的。
3.3.4红外接收管
红外接收管大多数采用的封装和红外发射管一样，使用黑色或透明的树脂封装。
透明树脂封装的红外接收管，可以看到其内部结构，管芯的下面有一个浅盘，用磷化镓和磷砷化镓做成，特点是体积小，用于接收红外发射管发射出的红外线。
3.3.5槽型光电开关
对射式光电开关，是利用光电控制的一种传感器开关。
槽型光电开关就是其中的一种，是利用红外线达到控制的一种产品，有红外发射管和红外接收管组成，槽型光电开关的槽宽决定了感应接收型号的强弱和接收信号的距离。
槽型光电开关的介质是光，发光体和接收体之间的接收和转换，就通过红外光，由此来检测出物体的位置。
槽型光电开关属于非接触式开关，基本不会受到被检测物体的影响，并且具有检测距离长的优点，对于小体积物体也有非常高的检测精度。
3.4平行梁传感器
3.4.1液位检测功能
将平行梁传感器固定在输液架上，并将输液瓶悬挂在平行梁传感器上。
当输液瓶中的液体随着输液的进行不断减少，其液位也会慢慢下降，输液瓶的重量就会减轻。
平行梁传感器会实时检测输液瓶的重量，当输液快结束时，输液瓶的重量达到预设值，平行梁传感器将信号传回单片机，单片机进行比较，并发出报警信号，报警器响，提示病人和医护人员结束输液或更换新的输液瓶。
3.4.2平行梁传感器原理
平行梁传感器的原理是将质量信号转变为电信号，是称重传感器中最常用的传感器之一。
平行梁传感器的材质一般都是铝合金，通过无色阳极化处理，封胶。
平行梁传感器中的弹性元件在受到外力挤压后，会发生弹性形变，在弹性形变的同时，会带动其表面的电阻应变片一起产生变形，在电阻应变片发生形变后，电阻应变片的阻值会产生变化，经过相应的测量电路，会将其电阻的变化程度转化为一个电信号，电信号会是电压或者电流。
经过这一系列过程，就将平行梁传感器收到的外力转化为了直观的电信号。
受到一些外界因素的影响，如使用地点的重力加速度或者空气浮力会对平行梁传感器的转换产生影响，平行梁传感器的性能指标主要包含线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕动、零点温度特性和灵敏度温度特性。
平行梁传感器的优点就是精准度高，测量的范围广，使用寿命长，结构简单，频响特性好，适用于劣质环境，并且易于实现产品的小型化，整体化和品种多样化。
当然，平行梁传感器也存在一些不足，缺点就是应变大时，会产生较大的非线性，信号输出较弱，需要增加放大器。
基于以上，平行梁传感器被广泛应用于自动控制和测试技术。
3.4.3电阻应变片
电阻应变片是一种用于测量形变的元件。
电阻应变片的主要功能是将机械元件受外界压力后变形的形变，转换成自身的电阻变化，更加直观的显示出本来不好发现的机械元件微弱形变。
电阻应变片是由Φ=0.02-0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕城栅状，夹在两层绝缘薄片之间制作而成。
镀银铜线和应变片丝连接，作为电阻片引线。
电阻应变片的测量原理为：
金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。
将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。
dR/R=Ks*ε其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。
ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。
由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。
3.4.4电桥原理
电桥原理如图3.1：
图3.1电桥原理
在测量非常微弱的物体变化时，是一种专门测量这种微弱变化的电路，其中应用最多的就是电桥电路，分为直流和交流两种电桥电路。
电桥电路的作用就是，将电阻应变片的电阻变化率ΔR/R转化成电压输出，然后提供给放大电路，电阻应变片的变化被放大后，用于各种的测量。
如图，这是一种最常使用的电阻电桥，有四个电阻组成桥臂，一个对角DC接电源，另外一个对角AB作为输出。
电桥各桥臂的电阻阻值分别为R1、R2、R3、R4，U0是电桥的直流电源电压，当四臂电阻R1=R2=R3=R4=
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