智能点滴自动监控方法设计.docx

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智能点滴自动监控方法设计

智能点滴自动监控方法设计

摘要

随着技术的快速发展，越来越多的自动化，智能化的设备正在普及到我们生活的方方面面，减轻了我们工作的压力，为生活带来便捷。

本课题涉及医疗器械领域的自动化临床设备方面，主要研究智能点滴自动监控的设计方法。

该方案是基于STC89C52控制的，分为主机和从机，由无线模块控制，主机代表病床端，从机代表护士站，主机可以主动报警，从机也同时报警；该装置可以测量并设置液滴滴速和液位，滴速异常或液位过低都会自动报警，同时步进电机会根据情况加紧和收缩，控制滴速和液位，防止血液回流。

这套系统操作简易，性价比高，在临床医疗方面有很好的应用前景，极大地减轻了护士的工作压力，对于促进自动化临床设备的发展具有深远意义。

关键词：

51单片机，无线传输，智能点滴监控

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftechnology,moreandmoreautomation,intelligentequipmentispopularizingtoallaspectsofourlives,reducingthepressureofourwork,andbringingconveniencetolife.Thistopicinvolvestheautomaticclinicalequipmentinthefieldofmedicaldevices,mainlystudiesthedesignmethodofintelligentdripautomaticmonitoring.TheschemeisbasedonSTC89C52control,whichisdividedintohostandslave,whicharecontrolledbywirelessmodule.Thehostrepresentsthesickbedendandslaverepresentsthenursestation.Thehostcanactivelyalarmandslavealsoalarm.Thedevicecanmeasureandsetthedropletspeedandliquidlevel,andthedropletspeedabnormalorlowwillautomaticallyalarm.Atthesametime,thesteppermotorwilltightenandshrinkaccordingtothesituation,andcontrolthedroplet.Velocityandliquidleveltopreventbloodreflux.Thissystemiseasytooperateandcost-effective.Ithasagoodapplicationprospectinclinicalmedicine.Itgreatlyreducestheworkpressureofnursesandhasfar-reachingsignificanceinpromotingthedevelopmentofautomatedclinicalequipment.

Keywords:

51Singlechip,wirelesstransmission,intelligentdripmonitoring

第一章绪论

1.1课题背景

医疗器械行业是一个多学科交叉、知识密集、资金密集型的高技术产业，进入门槛较高[1]。

中国医疗机构的整体医疗装备水平还很低。

随着国家支持力度的不断加大以及全球一体化进程的加快，中国医疗器械行业得到了突飞猛进的发展。

随着国内企业研发力量的快速提高，以及市场重心从高科技向普及型转移，国内产品的竞争力正逐步增强，为国内厂商拓展市场提供了难得的机遇。

可以预见，未来中国医疗器械行业的发展空间十分巨大[2]。

在临床医疗中，通过人工控制的传统静脉输液方法是一种被广泛采用的常规治疗方法。

而采用这种传统人为控制输液的方法，经常发生药滴流速过快、过慢以及输液结束没有任何提示等异常情况。

对患者注射某些具有不良副作用的药液时应该适当降低滴速，从而有效的降低药液副作用对患者身体的损伤。

如果点滴速度过快则会加重人体心肺的负担，容易引起心衰和肺水肿等问题。

如果不能及时发现并做出相应的处理，会给患者造成新的伤害，甚至还会引发医疗事故，产生更大的社会危害[3-4]。

目前,对于输液速度的控制普遍采用人工方式,由护士根据经验,将速度调至合适值。

人工调整滴流速度不够准确和方便。

此外,在输液过程中,需要时时监视剩余的药液,当药液输完,则由护士及时换瓶或拔除针头[5]，若床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现回血等情况。

为此患者家属需要陪同病人并且不断地观察输液情况，这样容易导致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影响治疗质量和患者康复。

同时，护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷，有时还会产生医疗纠纷。

基于以上情况，设计实现一种智能输液监控系统，对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势[6]。

半个世纪以来，为了解决静脉输液过程中的问题，各国科学家针对输液过程中存在的种种不足进行了大量的试验尝试，并在不同时期取得了各自的发展和进步。

（1）机械式的输液监控阶段

20世纪80年代期间，研究者尝试了一种利用机械原理测试液位的方式。

具体情况是用弹簧秤悬挂着输液瓶，当瓶中药物的慢慢减少时，弹簧秤相应产生一定量的形变。

通过对液体重量和弹簧秤形变间的线性关系的研究，很容易了解输液瓶内残留液体的液面位置。

这套方案的可行性一般，测试出的数据误差比较大，因为各种药液密度不同，药瓶规格的大小也不一致，这些都会直接影响测量结果的准确度。

（2）电容式的输液监控阶段

电容式输液监测利用输液瓶中液位的变化能够导致电容变化的原理来对输液瓶中的液位进行监测[7]，这种电容式检测原理的输液检测装置不适合大批量投产，因为输液瓶容量的规格不一样，需要设计相应的输液装置。

（3）电极式的输液监控阶段

电极式输液测试原理是在输液管的漏斗内放进一对电极，当有药滴滴下时，因为电极产生晃动从而发出相应的中断信号。

最后参考具体滴速就能够精确的测算出药液体积的变化。

尽管电极式原理取得的数据可靠性比较高，但是由于电极在漏斗内会与液滴发生直接接触，可能影响药液的药性，所以同样不适合推广使用。

（4）光电式的输液监控阶段

光电式输液测试原理是在输液管的漏斗外壁安装一对红外发射接收管，当有药滴滴下时红外对管会感受到光的强弱变化，进而转化为相应电学信号的强弱改变，最后通过单片机等控制器件处理信号得到当前滴速和其他输液的信息。

由于这种方法具有不污染滴液、性能良好、性价比高、测量结果准确等多方面的优点，得到了广泛的应用[8]。

除此之外，还存在其它的监测方法如感应式、超声波式、光纤式等。

但是考虑到实用性以及性价比等因素的限制未能成为最合适的实施方案。

与国外相关的实验研发工作相对比，国内的研发起步比较晚。

在上个世纪八十年代，德国、美国等欧美国家就对输液监测装置进行了相应的研究工作，并且取得了不错的成果。

目前国外的医疗器械在市场中占有相当大的比重，其中日本的TOP-3300、TOP-2200、OT-601等型号的输液泵都具有优良的性能和可推广性，另外德国、美国等国家的相关输液监控装置也有很不错的性能表现[9-11]。

在20世纪90年代我国就已开始引进国外的多功能输液泵，它能够准确的监控输液时药液的滴速，并在输液时发生紧急状况后完成提醒医务人员的任务。

由于此产品操作复杂且性价比不高，所以实际的推广范围仅限于一些大型医院。

虽然目前国内已有同类产品出现，如智能监控装置有静脉输液测速器和浮垫自动关闭式输液器，但是由于性能和价格上的种种不足同样未能在国内医院中得到大规模的推广。

据不完全统计，国内针对输液监控装置的相关专利已经有60多种，但是符合向各大规模医院推广的专利却占很小的比重。

在广州、西安、北京等地区曾在临床医疗推出相关设备，但是由于安全性、性价比等因素，实际推广情况不是很理想，转化率不足专利技术的1/10[12-14]。

1.2课题的意义和价值

国外发达国家对智能输液装置的研究较早，日本、美国、德国、英国等发达国家早在二十世纪八十年代末就已经开始了智能型输液装置的研制[15]。

多年前，这些发达国家很多医院的住院床位已经开始配备输液泵。

输液泵是一种不但能够较为精确的控制输液速度，而且可以对输液阻塞、气泡混入、输液完成等输液异常情况进行报警的多功能输液控制器[16-17]。

目前，我国只在一些大医院的重症监护室才有部分配备，且多数为国外产品，常见的如日本TOP株式会社的TOP-3300输液泵和TOP-2200型输液泵[18]。

美、德、英等西方发达国家也有较好的同类产品。

这些外国产品价格普遍比较昂贵，且必须使用昂贵的专用医疗耗材，这使得大部分三甲级以下医院难以承受。

我国对智能医疗设备研发比较晚，在输液智能监控装置上年代才刚开始涉入，比起国外晚多年，至于目前国内较好的输液智能监控装置，有北京科力丰高科技发展有限责任公司的系列产品。

但是相比较于国外一些产品，性能上和功能上都有待进一步改进和完善，又因为产品类型有限，设备价格较高，因此对于这些设备在大部分医院的普及率也相对较低，真正实现推广普及还是不可行。

通常情况，在医务人员的正常操作下，液管发生堵塞、输液不流畅，以及空气进入液管这些情况难以发生，一般都可避免，而点滴速度的调节以及输液完成实行自动报警，这两个环节便成为输液智能控问题的重点和难点所在[19]。

目前，国内尚未解决输液时的集中自动监控问题[20]。

输液过程中，医务人员需要不断进行现场的巡视观察以了解输液状态，并通过手动进行控制处理[21]。

护理人员则必须在患者周围时刻观察注意输液状态，以便在发生输液异常时能及时发现并通知医务人员前来处置[22]。

对于输液监控设备，安全可靠性是基础，使用方便是基本要求，价格合理是推广的保障，能够普及才有意义。

我国是世界上医院最多的国家，具有庞大的消费群体。

近年来，医疗器械的研发一直受到政府的重点鼓励和大力扶持，并快速的发展。

因此，输液监控装置的研究不仅势在必行，而且前景广阔。

第二章总体设计方案

2.1总体设计方案

该套设计系统的主要部分由液位和滴速检测模块，报警模块，按键设置模块，步进电机驱动模块，液晶显示模块，无限模块等组成。

图2.1总体设计方案框图

2.2各模块设计方案

2.2.1滴速测量模块设计

液滴滴速的监测设计属于本课题的核心功能，是整个系统的基础，对此，提出以下解决方案：

方案一：

采用压力传感器

将压力传感器放在滴管下方，液滴滴在压力传感器上采集到的信息会产生变化，同时显示器上的电压也会发生相应的变化。

滴速越快，压力传感器受到的压力越大，电压的变化越明显，因此可以通过压力的变化可以对滴速进行测量。

但液滴重量太小，对压力传感器的精度要求就很高，而且对于压力值的转换也需要进行进一步的测量，开发成本较高，并且该方案的可操作性对于本实验也很低，结果误差会比较大。

方案二：

红外光电传感器

将红外光电传感器设置在输液管的底端，利用红外线的反射能力，当液滴下落时，通过接收端采集信号，转换为相应的滴速。

这种方案受很多不稳定因素的影响，如液滴表面不规则，接收端与液滴之间的角度需要调整等情况，会影响到测量精度。

方案三：

红外对管测量

将红外对管的红外线发射管和光敏接收管放置在输液管的两侧，红外发送管对光的敏感性较强，当有液滴下落时使发送管接受到某种红外线后会发生明显变化进而发送信息,红外接收管接收到微弱信号,经放大并进行电压比较后再经整形处理传送给单片机,计算出液滴速度。

该方法可操作性强，成本低廉，能够广泛使用于各行各业。

经对比后选用方案三，采用红外对管测量输液管的滴速。

2.2.2液位测量模块

利用单片机将红外对管测量的实时滴速与设置好的容量进行计算，这种方案与红外对管相互结合，设计方便，而且通过单片机内部算法计算，测量准确。

2.2.3滴速控制模块

采用电机控制对输液管进行加紧放松，以下是针对电机的选择：

方案一采用直流电机。

直流电机转矩小，通上电后会马上转动，断电后也不会马上停止，需要转动一定角度才能停下来。

直流电机无法准确地停在需要的位置，所以不采用。

方案二采用伺服电机。

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

伺服电机的缺点在于保需要经常保养，会出现电刷磨损的粉末，无法再需要干净的场所使用，而且伺服电机适用于高速大力矩工作状态，对于该设计并不适用，所以不采用。

方案三采用步进电机。

步进电机主要是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速，容易开启停止、正反转及变速,动态响应快。

价格适中，控制精度较高，适用于较为精确的监控中，还可以有效提高输液速度的控制精度。

步进电机每输入一个脉冲信号，转子就会转过一个角度，步进电机会输出特定的角位移或者线位移，其与输入脉冲数成正比例，步进电机的转速也与脉冲频率成正比例关系。

本文以单片机为核心，控制了步进电机的工作，可以在一刹那实现启停动作，并且其步距角的降低较小，延时短，定位准确，精度高，可操作性较强。

综合考虑，选用步进电机作为电机驱动控制电路。

2.2.4显示器模块

本课题需要对滴速，液位，容量等数据进行设置。

有以下两种方案可供选择：

方案一采用数码管。

数码管具备很多优点，比如低耗，寿命长的优点，但数码管的显示界面过于简陋，无法精确显示信息，所以不采用。

方案二采用LCD1602液晶显示屏。

LCD1602液晶显示屏属于字符型液晶屏，显示字符信息比较方便，同时也具有操控简单的特点。

综上所述，该模块采用LCD1602液晶显示屏。

2.2.5键盘模块

键盘分为编码键盘和非编码键盘，是系统面向我们的一种输入界面，此次设计中我选择了非编码键盘，主要是因为非编码键盘造低廉，技术成熟，而且本次系统不需要过于复杂的键盘操作。

本次设计我挑选的非编码键盘是独立键盘。

它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。

2.3单片机的选择

2.3.1简述单片机STC89C51

我们使用的STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52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。

如图2-2为STC89C52的引脚图。

图2-2STC89C52引脚图

2.3.2单片机I/O口分配

VCC（40引脚）：

电源电压

VSS（20引脚）：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节;在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号

功能特性

P1.0

T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）

表2.1P1.0和P1.1引脚复用功能

引脚号第二功能

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在线系统编程用）

P1.6MISO（在线系统编程用）

P1.7SCK（在线系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能：

引脚号

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表2.2P3口引脚复用功能

RST——复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

第三章硬件电路设计

本课题的硬件分为主机和从机，由无限模块连接，包含单片机最小系统，液晶显示器，电源电路，无线模块，蜂鸣器报警电路，速度检测电路，步进电机驱动电路。

3.1单片机最小系统

单片机最小系统一般包括晶振电路，复位电路，单片机。

如图3.1为单片机最小系统。

图3.1单片机最小系统

晶振电路：

典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇，方便定时操作）

复位电路：

由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。

典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

一般教科书推荐C取10u，R取8.2K.当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

3.2报警电路

3.2.1蜂鸣器的介绍

蜂鸣器是一种一体化结构的电子音响器，采用直流电压供电，广泛引用于各类电子产品中作发声器件。

蜂鸣器主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源蜂鸣器直接接上额定电源即可连续产生警报蜂鸣声；无源蜂鸣器内部不带震荡源，需要接在音频输出电路中才能发声。

我的设计里采用的是有源蜂鸣器，因为它单片机的程序控制方便。

如图3.2为蜂鸣器报警电路，BP引脚接单片机P1.0，当温度或湿度高于设置的报警值时，单片机给一个低电平到三极管S9012的基极，三级管导通，蜂鸣器报警

图3.2蜂鸣器报警电路

3.3滴速检测电路

红外对管：

红外对管是通过用红外线发射管发射红外线，光敏接收管接收光信号的方法来检测液滴滴速的。

在调试过程中我将输液管固定在竖直平面内，红外对管将输液管夹在红外线发射管和光敏接收管之间，然后进行测量。

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，红外接收管会处于完全导通状态，输出的为高电平；当有水滴通过对管间隙的时候，红外接收管的导通能力会有不同程度地下降，其输出的不规则是负向脉冲；每一个水滴的通过都会产生一个这样的不规则的负向脉冲，脉冲数目是与水滴数目一一对应。

这样由红外对管传感器所产生的负向脉冲会经过LM339比较器后，然后输入端是输入的不规则负向脉冲，就会整形为规则的正向脉冲，然后将该脉冲输出到单片机的中断口INT0。

其数据采集电路图如图3.3，其输出波形如图3.4。

图3.3滴速检测电路

图3.4脉冲输出波形

3.4步进电机驱动电路

3.4.1步进电机的工作原理

步进电机是将脉冲信号转化为角位移的执行器件。

当步进电机的驱动器接收到的由单片机发出的脉冲信号，它可以驱动步进电机按设定方向旋转一个固定的角度（称为“步距角”），它的运动是按照固定的角度一步一步运行的。

首先可以通过控制输入脉冲的个数来控制角位移量，从而达到电机转动的目的；其次，通过单片机输出脉冲频率来控制电机转动的速度