基于单片机的智能输液监控器.docx

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基于单片机的智能输液监控器

摘要

静脉输液是临床医疗工作中常用的辅助治疗疾病手段,医院在对病人进行输液治疗过程中,需要根据输液的药物和患者的病情选择合适的静脉输液滴流速度。

为了克服传统临床输液中由患者、陪护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、不利于病区的综合管理，因此开发一套自动检测、报警系统十分必要。

本文介绍了一种基于单片机的智能输液监控器的研制思路和系统结构，这个监控系统，其主机由８０３１单片机构成，可以对２０个床位进行循环检测，分别处理每个床位的输液量、漏液、呼叫三类信号，用ＬＥＤ显示。

为了适应各种不同的要求，系统设置了８位控制键，对诸如总输入量、至少剩余量等。

这种既具有自动控制又具有遥测遥控并且价廉的输液监测系统具有较高的实用价值和较高的社会、经济效益。

并且以单片机为核心构成的对输液状况实时监测和报警的系统，采用独特的光电检测手段提取输液信号，还具有很强的实用性和高的可靠性。

关键词：

静脉输液;自动监测;单片机

Abstract

Intravenousinfusionofclinicalworkiscommonlyusedintheadjuvanttreatmentofthediseasemeanshospitalsinthetreatmentofpatientswithtransfusionprocess,inaccordancewiththeinfusionofdrugsandpatientschooseasuitableconditionintravenousinfusionflowratedrops.Inordertoovercomethetraditionalclinicaltransfusionfrompatients,caregiversormedicalobservationandsurveillanceliquidcushionatthesituation,involvingenergy,andlowefficiency,tothedetrimentoftheintegratedmanagementunit,thedevelopmentofanautomateddetection,alarmsystemisverynecessary.

Thispaperintroducesasingle-chipmicrocomputer-basedsmartinfusionmonitorthedevelopmentofideasandsystemstructure,thiscontrolsystem,itsmainframefromthe8031composition,canbecarriedouton20bedsfordetecting,dealingrespectivelywitheachbedinfusionamountofleakage,callthreesignalswithLEDdisplay.Inordertoadapttoavarietyofrequirements,systemsettingsoftheeightcontrolkeys,suchastheimportofatleasttheremainingquantity.Thisnotonlyhasaremotecontrolandremotemonitoringandinexpensiveinfusionsystemhashighpracticalvalueandhighsocialandeconomicbenefits.AndtheMCUcorecomponentsoftheinfusionofreal-timestatusmonitoringandalarmsystem,auniquemeansofextractinginfusionphotoelectricdetectorsignalisalsoverypractical,andhighreliability.

Keywords:

Venoustransfusion;Automaticmonitoring;MCU

第一章　　前　　言

点滴输液是医院常用的医疗手段。

医院在对病人进行输液治疗过程中,需要根据输液的药物和患者的病情选择合适的输液滴流速度。

目前,对于输液速度的控制普遍采用人工方式,由护士对滴流数计数,然后调整输液速度至合适值。

人工调整滴流速度不够准确和方便。

目前医院的病人输液时，病人往往由于体质虚弱、昏迷或入睡而无法留意，或者医护人员正在别处忙碌等许多情况下，当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内，即所谓“回血”，时间长了甚至还会使扎针处严重肿胀。

因此容易引发病人的不满以至投诉和医护人员的无奈。

而且输液速度是护士拨动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，输液速度是护士根据经验大致调整的，这样不仅可能影响预期的治疗效果，而且对于一些对人体器官作用敏感而需要严格控制输液速度的药物，由于个人差异，机体耐受力不同，特别是在手术中、大手术后以及病情危重需要严格控制输液速度的病人，会导致病情加重，有的甚至可能危及生命。

这种因输液异常、输液结束不易被及时发现，就容易出现医疗事故，不仅是病人生命财产的隐患，也是造成医务人员工作量大、工作压力重的重要因素。

至于药液是否停液，滴液的频率是快还是慢等，一般都是在病人没有入睡时或他人帮助下通过各种开关来通知医务人员及时采取措施的。

为了实现远距离/多床位、集中分时显示各床位的输液状况，并自动报警，有必要开发一种病人输液的自动监控系统。

第二章系统总体方案设计

输液监控系统以AT89C51单片机为中心，单片机需要电源电路、复位电路、振荡电路来保证其正常工作。

系统的默认速度设定什为60滴每分钟，可以通过键盘来修改设定值。

采集装置通过光电开关传感器对速度进行检测，并以电信号的形式传给单片机，经运算、分析、处理后单片机将数据传给LCD显示模块，实现输液速度的显示。

另外，当采集装置通过光电开关传感器人、检测到的速度值过低、或过高时，直接起动声报警装置。

采用nRF905无线通信芯片把主站和多个从站连成一个系统，实现主机与从机的远程通信，即远程控制。

系统的组成如图（2-1）所示。

图（2-1）结构框图

第三章方案设计及论证

根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下：

3．1数据采集方案

数据采集一般可以采用以下几种方案；

方案一；使用发光二极管和光敏三极管组合。

方案二；使用红外发光二极管和接受管组合。

方案三；利用激光。

通过对比，在设计中由于是近距离检测，故采用方案一来完成数据采集。

虽然红外光波长比可见光长，受可见光的影响较小，但是红外光也有一定的缺点，如大气、潮湿的天气、雾和云对它有衰减作用。

因此选择了方案一，优点是价格便宜，便于批量生产。

3．2键盘方案的选择

方案一；采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机I/O口的数量，缺点为电路复杂，加大了编程难度。

方案二；采用独立式按键，每个按键单独占有一根I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

其缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点是电路设计简单。

编程相对容易一些。

综合考虑两种方案及题目要求，由于本设计除去复位键，只需要扩展3个功能键，采用方案二也仅仅需要三个I/O口，故采用方案二。

3．3电动机系统方案的选择

方案一；采用步进电动机控制。

步进电动机的精度很高，可实现精确的步距角运动，由其组成的位置控制系统定位准确，稳定时间短，一般可采用开环控制。

采用单片机控制步进电动机，控制信号为数字信号，不再需要数/模转换，具有快速起/停功能，步距角可降低到7.5度、延时短、定位准确、精度高和可操作性强。

与驱动控制器匹配使用时，控制起来也十分方便，很容易构成数字位置控制系统。

但步进电动机的控制系统相对复杂，编程困难，价格比直流电动机高。

方案二；采用直流电动机控制。

直流电动机精度较低，不易实现精确的位置控制。

用直流电动机调整输液滑轮的上下移动，用单片机和A/D转换构成系统，控制普通电动机的步数和旋转方向，可以考虑达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速，减小因惯性、速度和步距角过大而引起的调整误差。

其控制信号为模拟信号。

需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制时间，将难以控制其精确位置，系统稳定性也较差。

但使用方便，价格便宜。

小型执行机构的驱动元件一般选择直流电动机或异步电动机。

综合考虑题目要求，考虑到本设计的实际情况，从价格方面考虑，用价格便宜的直流电动机控制输液器的调节滑轮，因此采用方案二。

3．4计算输液速度方案的选择

在一定时间内点滴的滴数（即点滴的速度）是单片机通过对红外传感器测得的脉冲信号计数获得的，但怎样计算输液速度以满足在3min内实现电动机对输液速度的控制是必须考虑的问题。

方案一；根据一定时间t内滴下的点滴的滴数n计算点滴的速度,计算公式为v=60n/T（滴/min）.根据此方案，若选取的计数速度为36滴/min（60*6/10）,误差为30%，大于题目要求的误差范围10%+1滴。

若选取的时间计数t较长，则系统达到稳定的时间太长。

方案二；根据一定滴数n滴下所经过的时间t计算点滴的速度，计算公式为v=60n/t（滴min）。

此方案的误差与系统计算的时间精度有关，通过调整计算的时间精度可以减小计算误差，达到题目所要求的误差范围。

通过比较选用方案二。

3．5传输方式的选择

要到达集中控制的目的，就要考虑传输方式的问题。

单片机和监控电脑的连接有以下两种方案；

方案一；采用USB接口。

USB接口属于有线传送方式，数据传输的可靠性高，但不便于扩展。

方案二；采用无线通信方式。

无线方式便于扩展，使用更为便利，适用于大容量的情况。

通过比较，考虑到医用输液器的情况在流动，有时病人可能选择在户外进行治疗，因此这里选用了Nrf905多段单片高速无线收发芯片。

这样监控电脑就能检测并设定输液器的输液速度，实现远距离的控制。

并且在医院规模变大，需要扩展的时候，可以方便地进行扩展。

第四章系统分立模块设计及工作原理

系统的总电路如图（4-1）所示，下面分模加以说明。

图（4-1）系统的电路图

4．1电源

监控系统采用电池供电，可满足在室内走动的需要。

为保证输液正常工作，电源电路中还配有电池电量检测装置，在电池电量较低，可能会影响到输液正常工作的情况下及时报警，提醒更换电池。

由于单片机、显示器LCM103都需要5V左右的电源，而nRF905需要3.6V电源，所以这里在做电路板时采用留插槽的方式，提供5V电源，然后通过DC-DC芯片MRCLD33B得到3.6V电源。

与监控电脑相连接的电路由电脑供电。

单片机和RS-232C接口需要5V电源，而nRF905需要3.6V电源，因此也要通过MRCLD33B电源转换芯片得到3.6V电源。

4．2单片机最小系统

监控系统是一个单片机最小应用系统，系统中有一些功能元器件无法集成到芯片内部，如晶振、复位电路等，需要在外加上辅助电路。

对于片内无ROM的单片机，还应该配制片外程序储存器。

这里选用的是ATMEL公司的AT89C51，都带有ROM，只需外加电源、振荡电路、复位电路等。

最小应用系统的组成如图（4-2）所示。

图（4-2）最小应用系统的组成

AT89C2051是一个2KB节的可编程的ROM的高性能单片机，与工业标准MCS-51指令兼容，与其内资源有2KB的ROM，128B的RAM，15根I/O线。

2个16位定时/计数器，5个向量二级中断结构，1个全双工串行口，并且片内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有2.7~6V的电压工作范围和12MHZ/24MHZ工作频率，其最小系统类似于AT989C51。

4．3数据采集电路

2210，每次有液滴通过的时，就会产生一个电脉冲，当第一滴通过时打开定时/计数器，第二滴通过时停止定时/计数器，查出相隔时间，经计算即可得到滴液速度（滴/S），如图（4-3）所示。

图（4-3）信号检测电路

4．4声报警模块

当点滴速度低于20滴/min时，单片机发出控制信号，触发蜂鸣器报警。

如有人按报警按钮，与单片机相连的I/O口输入高电平，也触发蜂鸣器报警，提醒医护人员和输液病人采取相应措施，避免事故发生。

如10s后仍然无人处理，则关闭输液器，以保证病人的安全。

报警电路如图（4-4）所示。

图（4-4）报警电路

4．5键控模块

根据功能上的需要，本输液监护器的键控模块主要用来进行参数设置。

使用前可以设定滴速、在输液时可随时暂停输液，并可以在任意时刻重新启动继续输液。

为了提高整机安全性能，还配有异常情况造成的流速过快或停止时的报警装置，报警的同时停止输液。

这样完成所有的操作总共只需要四个键。

复位要占用一个键，病人紧急呼叫也要占用一个键。

速度的设定可以采取加减的方式，先在内部设定一个初始值，然后通过加和减的方式改变数值。

这样就用到一个加键和一个减键。

考虑到单片机的I/O口资源比较丰富，因此4个键直接接到单片机的I/O口上，可以采取循环扫描的工作方式，即当某一按键被按下时，键盘接地电路导通，相应I/O口由高电平下降为低电平，系统软件监测妻P1口相应位的电平变化就执行相应的子程序，不同的子程序可以实现不同的功能。

4．6显示模块

显示模块选用的是LCM103。

LCM103是一个10位8段带小数点的液晶显示模块，内含看门狗/时钟发生器和显示RAM，可显示任意字段笔画，3-4线为串行接口，可方便与单片机接口，具有低功耗特性，工作电压为2.4~5.2V之间，显示清晰、稳定可靠，使用编程简单。

本系统中用到六位数字，1、2、3三位显示采集装置监测到的实际速度，5、6、7三位显示设定速度值。

4．7执行机构

本系统的执行机构由直流电动机和减速器传动机构组成。

直流电动机的电路简单，单片机通过两个I/O口就可以方便控制电动机的正反转。

从而控制液器的速度。

在设计通过调节输液滴滑轮的运动实现对输液器速度的控制。

如图（4-5）所示。

图（4-5）电动机的正反转控制电路

4．8通信模块

单片机和监控电脑的连接采用无线通信的方式，监控、电脑能检测并设定输液器的输液速度，实现远距离的控制。

通信芯片选用了最多单片高速无线收发芯片Nrf905。

Nrf905的工作电压为1.9~3.6v，由频率合成器，接收调节器，功率放大器，晶体震荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，自动处理字头和crc（循环冗余码校验），使用SPI接口与单片机通信，配置非常的方便。

此外。

其功貉非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作手接受模式时的电流为12.5Ma。

nRF905的工作模式由TRX，CE，TX，EN和PWR，UP三个引脚决定，ShockBurstTM模式与射频率数据包有关的高速信号处理在nRF905片内进行，数据速率由单片机配置的SPI接口决定，数据在单片机低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空间，这有利于节能。

由于Nrf905工作与ShockBursTM模式，因此使用低素的单片机也能得到很高射频数据发射频率。

在ShockBurstTM接受模式下，当一个包含正确地址和数据发送包被接受后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知单片机。

在ShockBursTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完成。

由以上可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和单片机的资源。

Nrf905可以直接与单片机连接，因此从控制模块AT89C51就可以直接与Nrf905连接，而监控电脑不能与nRF905直接相连，这就需要nRF905先与AT89C2051连接，在通过RS232接口与监控电脑实现连接。

具体连接图如图（4-6）所示。

图（4-6）无线通信电路

MAX232可以实现电平的转换功能。

MAX232芯片包含两路接受器和驱动器，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。

MAX232新片内部有一个电源变换电路，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232C输出电平所需的-12~+12V的电压。

所以，才用芯片接口的串行通信系统只需+5V电源就可以了，对于没有-12~+12V电源的系统非常便利，加之连接简单，所以被广泛采用。

第五章软件设计

5．1检测程序

本系统采用光电开关采集信号，当有液滴通过时P2.7产生一个脉冲，这样就可以通过纪录两滴液体间的时间，经运算就可以得到液滴的速度（滴/分）。

具体流程图如图（5-1）所示。

NY

NY

NY

图（5-1）程序流程图

检测程序段如下：

          ORC  0000H

          JMP  START

          ORC  000BH

           AJMP CTC0

          ORG  0100H

          MOV  TMOD，#00H     ；数据采集

          MOV  TLO，  18H

           MOV   TH0，  63H

          MOV   21H，  #5CH

          MOV   20H，  #0B0H

          MOV  25H，  #00H

          MOV  26H，  #00H

          SETB EA

          SETB ET0

HERE1：

   JB   P2.7REL1

          SJMP  HERE1

REL1：

    SETB  TR0

          CALL DLY500M

HERE2：

   JB  P2.7REL2

          SJMP HERE2

REL2：

    CLR  TR0

          MOV   R2，  #00H

           MOV   R3，  #00H

          MOV   R4，  21H

          MOV   R5，  20H

           MOV   R6，  26H

           MOV   R7，   25H

          CALL  DIVD

          MOV   R6，R2

           MOV   R7，R3

          CALL  HB2

           MOV   32H，R4

          MOV   A，R5

          ANL   A，#0FH

          MOV   30H，A

          MOV   A，R5

          ANL   A， #0F0H

          MOV   31H，A

CTC0：

    MOV   TL0，18H

          MOV   TH0，63H

          INC   25H

          CJNE  25H，#00H，CTC1

          INC    26H

CTC1：

    NOP

           RETI

；* *  * * * * *两字节除法子程序* * * * * * *  

DIVD：

    CLR    C                     ；比较被除数和除数

           MOV    A， R3    

           SUBB    A，R7

          MOV    A，R2

          SUBB   A， R6

          JC     DVD1

          SETB   OV                     ；溢出

          RET

DVD1：

    MOV    B，#10H                ；计算双字节商

DVD2：

     CLR    C                      ；部分商和余数左移一位

           MOV    A，R5

           RLC    A

           MOV    R5，A

           MOV    A，R4

          RLC    A

          MOV    R4,A

          MOV    A,R3

          RLC    A

           MOV    R3,A

          XCH    A,R2

           RLC    A

          XCH    A, R2

          MOV    F0,C           ;保存溢出位

          CLR    C

          SUBB   A，R7           ；计算（R2R3-R6R7）

          MOV    R1，A

          MOV    A，R2

          SUBB   A，R6

          ANL    C，/F0            ；结果判断

          JC      DVD3

          MOV    R2，A            ；够减，存新的余数

          MOV     A，R1

          MOV    R3，A

          INC    R5                ；商的低位置1

DVD3：

    DJNZ   B，DVD2           ；计算完16位商

           MOV    A，R4             ；将商移到R2R3中

          MOV     R2，A

          MOV    A，R5

           MOV    R3，A

          CLR    OV                 ；设立成功标志

          RET

；* * * * *  * *二进制向BCD码转化* * * * * * *  *

HB2：

     CLR     A