基于51单片机的医院输液系统毕业设计.doc
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SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
毕业设计说明书
医院输液监控系统设计
学院：
电气与电子工程学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
陈祥惠
学号：
0911094044
指导教师：
窦震海
2013年6月
I
摘要
40
摘要
该论文是一种基于AT89C51控制的医疗点滴输液控制系统的设计方法。
该系统操作简洁、上手快、方便、集中控制并且具有报警功能，在医院医疗卫生方面有很大的实用价值，从而加速了医疗器械的自动化与半自动化进程,有助于提高现代医护质量。
本设计主要成果有：
⑴实现了相应的电路采集液滴速度，与设置的液滴速度比较，显示液滴滴速、剩余输液时间；对输液速度可以自动控制；具备与上位机通讯的能力，将输液过程的信息输入护士值班室；当输液剩余时间达到一定的时间，自动报警，或者输液中出现情况可通过相应装置报警。
填补了医院输液系统在细节部分研究的空白，对整体结构的完整分析和其电子设计的建立具有重要意义；⑵通过理论分析，论证了输液系统各个部分的原理及具体设计，很好地解释了所有关于医院输液系统设计的基本内容。
（3）该系统可让医护人员在控制室（主站）改变不同受液者（从站）的输液状况,也可以直接到输液室直接改变输液状态（直接控制从站）,了解病人的输液进程,及时通知处理将快完成的输液。
以上研究成果为该系统设计和控制液滴装置设计过程提供了丰富的信息。
关键词：
51单片机，医院输液系统，输液监控,步进电机
ABSTRACT
ABSTRACT
Thispaperdealswithacontrolsystemforliquid-droppingbasedon51singlechipmicrocomputer.Forusingconveniently，displayingdirectly,controllingintensively,alarmingbysendingoutsound.Thissystemcanbewidelyusedinthehospitals.Toacceleratetheprocessofautomaticorhalf-automaticrealizingforthemedicine-appliance.Themainresearchresults:
（1）Itrealizesthemeasurementcircuitcollectionliquidcorrespondingdropletvelocity,whichcomparedwiththedropletvelocitysettings,displaythedroprate,residualinfusiontime;Cancontrolthetransfusionspeedautomatically;Abilitytocommunicatewithhostcomputer;Putthetransfusionprocessinformationintonurse'sdutyroom;Whentheinfusiontimeremainingtoacertaintime,automaticalarming,orifsomethingishappened,itisalsocanalarmthroughthecorrespondingdevice.thisisfillthegapsinthehospitaltransfusionsystemindetailresearch,andhavegreatsignificancetoestablishacompleteanalysisoftheoverallstructure.
（2）Throughtheoreticalanalysis,demonstratedtheprincipleofeachpartofthetransfusionsystemandthespecificdesign,agoodexplanationofthebasiccontentofalldesignhospitalinfusionsystem.（3）Thesystemcanletthemedicalstaffinthecontrolroom（station）tochangeunderdifferentfluidinfusion（slave）,canalsogodirectlytothetransfusionroomdirectlychangetheinfusionstate（fromthestationdirectlycontrol）,tounderstandtheprocessofthetransfusionpatients,promptlynotifytheprocessingwillbedonesooninfusion.Theaboveresultsproviderichinformationfordesignandcontrolofdropletdeviceprocessofthesystem.
Keywords:
The51singlechipmicrocomputer,Hospitalinfusionsystem,infusionmonitoring,steppermotor
目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章引言 1
课题的背景和意义 1
1.1.1医疗输液监控系统设计的背景 1
1.1.2医疗输液监控系统设计的意义 1
1.1.3系统设计需要解决的关键问题 2
第二章系统方案设计与论证 3
2.1系统硬件结构总体设计方案 3
2.2点滴速度测量电路方案的选择及论证 3
2.3液面检测电路方案的选择及论证 4
2.4通过电机控制滴速电路的方案论证 5
2.4.1电机控制滴速的方案设计 5
2.4.2控制用电动机及驱动的选择与比较 6
2.5显示器接口电路方案选择论证 7
2.6键盘接口电路方案选择论证 7
2.6.1独立式按键电路 7
2.6.2矩阵式键盘电路 7
2.7单片机型号的选择与论证 8
2.7.1现有主流单片机的概述 8
2.7.2单片机的选用 8
2.7.3单片机I/O口管脚分配 12
第三章输液系统各模块的硬件设计 13
3.1控制电机模块设计 14
3.1.1步进电动机的工作原理 14
3.1.2步进电机控制原理 14
3.2数据采集模块及工作原理 16
3.3.1红外发光二极管和光敏三极管 17
3.3.2红外发光二极管主要参数 17
3.3.3光敏三极管的主要参数 18
3.4电源模块 19
3.5声报警模块 19
3.6复位电路 19
3.7显示模块 20
3.7.1LED显示器的结构 20
3.7.2LED显示器的显示方法 22
3.7.37段译码器CD4511 22
3.7.4显示模块电路设计 24
3.8键控模块 24
第四章系统软件及框图设计 27
4.1滴速检测子程序 29
4.2电机控制子程序 29
4.3显示子程序 31
4.4键盘程序 32
第五章系统设计结果分析 34
5.1设计实现过程 34
5.2系统测试及结果误差分析 35
第六章结论 37
参考文献 39
致谢及声明 40
引言
引言
第一章引言
课题的背景和意义
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。
1.1.1医疗输液监控系统设计的背景
点滴输液监控装置在国外发达国家，如日本、美国和德国等国家研制的较早且产品种类较多，临床输液监控在这些国家也基本实现了智能化，输液监控在医院的使用已经十分普遍，然而这些医疗产品在国内却只有一些大型医院引进。
国内对输液装置的研制起步相对较晚，市场上也有一些国产输液装置，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的ZNB系列产品，深圳康福特公司也有输液装置产品。
但是总体来说，我国的医疗设备系统技术落后、种类较少、性能也需改进。
我国的点滴输液自动化程度得到普及，仍需要很长的路要走。
1.1.2医疗输液监控系统设计的意义
现在医院或者家庭中所使用的输液器是悬挂在支架上的，输液速度是人工调节靠速度调节器来控制的，很难准确控制，这对特护病人和对输液速度有较严格要求的病人是不方便的。
本课题所设计的输液监控系统可以准确控制药液的输液量和输液速度，并能对输液过程中出现的异常情况进行监测报警，在输液快结束的时候发出声光提示，防止输液事故的发生。
液体点滴速度监控器的应用有助于减轻医护人员的工作强度，提高安全性、精确性和工作效率。
该设备可广泛应用于医院的各种科室和手术室，适用于重症加强护理病房输液治疗，也可以适用于家庭输液。
设备结构简单，费用低，所以对液体点滴速度监控器的研究设计十分有意义。
该课题设计内容接近生活，实用性强。
是单片机技术的一个很综合的应用，因此可以通过该设计课题进一步掌握单片机应用技术，从而将理论知识和实践能力有个更好的结合，达到本科阶段综合能力的培养和提高。
目前单片机的应用越来越广泛，作为工科大学生也应该具备这方面的知识和应用能力，才能更好的满足社会需求，进一步向工程等更高的地方发展，同时此课题也具有广泛的民用开发前景。
1.1.3系统设计需要解决的关键问题
1）如何正确的监测药物剩余量。
2）使用何种方式提示护士应该换药。
3）如何实现滴速的控制。
4）用哪种方式传送信号更加稳定，更加可靠。
系统方案设计与论证
第二章系统方案设计与论证
2.1系统硬件结构总体设计方案
本设计的输液监测控制系统大体可以分为以下几个部分：
滴速测量部分，储液液面检测及剩余时间计算部分，键盘显示部分，电机系统控制（点滴速度控制）部分。
总体结构图如下。
图2.1总体结构框图
2.2点滴速度测量电路方案的选择及论证
点滴速度测量在整体设计中占有极其重要的位置，它既是本系统的基础，也是系统反馈所要控制的最终回归点，根据现在市场上采取的设计方法及电子控制测量方面的原理可有以下几种方案：
方案一：
电感式传感器测量输液点滴速度。
在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。
当液滴滴下时电感量发生变化，通过LC振荡电路后输出变化的频率值，经过F/V变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度。
此方案测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。
方案二：
采用反射式红外光电传感器。
在输液器的漏斗一端放置反射式红外传感器，当液滴下落时，利用其对红外线的反射能力，接收端检测到信号。
但是由于水滴的表面不规则且较小，反射信号强弱，且不稳定反射式要求液滴下落时要和传感器保持精确的夹角，当输液器上下移动时会产生晃动，从而产生较强的干扰。
方案三：
红外对管发射接收测量输液点滴速度。
该方案的基本原理是在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。
为了提高抗干扰能力，可以采用两对红外传感器一发一收，而不是像方案二只用一只传感器以反射式状态工作。
红外传感器尺寸小，质量轻的优点，也使得其方便安装在滴斗上；同时也不需要复杂的辅助电路，电路十分简单，性能也较稳定。
红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。
此方案较容易实现。
所以利用第三种方案来测滴液速度更为合适。
因为利用反射式红外传感器很难进行对水的判断，而利用对射式红外传感器，虽然水对红外的遮挡比较弱，但相对反射来说又会强一点。
相比较对射式红外传感器能比较灵敏的测出水滴。
2.3液面检测电路方案的选择及论证
题目要求是在储液瓶中的液滴剩余时间在5分钟时发出报警信号，但由具体不同时间的低速不同，所以剩余时间的测量需要结合滴速和剩余液滴的体积来计算出来。
在此是关键如何检测到液位的高度，从而得到体积，进而结合当时的滴速大约计算出剩余时间，并且显示并报警。
假设20滴药液一毫升，假设滴速是40滴/min，十毫升处就要报警。
检测液位有多种方法。
方案一：
跟滴速测量模块一样，也采用红外对管发射接收。
根据该接收管收到的光强的大小来判断液位是否达到警戒水位，若达到则及时反馈到单片机，然后中断报警。
方案二：
采用称重传感器检测。
利用称重传感器检测总质量，并与实际测量中当液体液面达到设定位置时的总质量相比较，根据液体体积与质量的关系，当测量总质量与设定值相等时发出报警。
综合比较上述二种方案，对射式红外传感器成本低，安装方便，只需将传感器固定在输液瓶外瓶壁上即可，不需要精确计算输液瓶液面高度值。
因此，选择对射式红外传感器既实用、简便，同时也能保证测量的准确度。
2.4通过电机控制滴速电路的方案论证
2.4.1电机控制滴速的方案设计
本设计采用自适应修正控制规律，经典控制理论及构造的控制系统是面对可知的控制对象，其控制系统是相对稳定的反馈控制系统，但大量的被控对象和控制系统本身参数都是不稳定的。
如该系统的滴速，结合电机和单片机构造出一个自适应控制电路可以根据设定值来调整输液滴速。
具体有两种方案：
方案一：
通过调整滴瓶的高度H。
根据滴瓶的高度与滴速成正比的关系，由电动机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变高度H，从而调节点滴速度。
这种方法原理简单，易于实现，被大多数设计者所采纳。
设计是基于步进电动机和压强的原理来控制水滴的速度的，由公式：
知，由于药液瓶高度的不同从而压强也不同，以此来改变液滴的速度。
人工输液是采用控制输液软管的松紧来控制滴速的，而这样的系统比控制输液软管的松紧在控制实现上更为容易，180cm的高度便可以实现速度20-150（滴/分）的调节。
为此我们需要运用实验来大体测出对应的高度所对应的水滴速度，并记下来存在单片机内，到时候就直接调出来。
在滴斗处用红外系统来测量水滴的速度。
当在键盘上按入某个点滴速度时，从单片机调出相对应的某一个高度，然后控制步进电动机转动进行调节。
模拟示意图如图2.2。
如图2.2输液模拟示意图
方案二：
像人工输液一样，控制滴管夹子的松紧来控制滴速。
为普遍人所接受，但是滴速夹的特性决定了只适用于滴速的大范围粗略的调节，当涉及到细调节时难以控制，不易实现。
2.4.2控制用电动机及驱动的选择与比较
方案一：
采用直流电机
由于直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来。
转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。
方案二：
采用步进电机
步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。
步进电机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。
用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数／模转换，具有快速启／停能力，可在一刹那间实现启动或停止，且步距角降低小，延时短，定位准确，精度高，可操作性强。
综合考虑,选用步进电机作为电机驱动控制电路。
2.5显示器接口电路方案选择论证
设计任务书中提到，滴速的大小要由人工来设定。
显示内容包括预先设定值与调整值。
针对本设计的显示具体有以下的两种方案：
方案一：
采用 （LCD）液晶显示屏。
液晶显示屏具有功耗小、轻薄短小无辐射等优点，平面直角显示以及影像稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。
本设计滴速在20—150之间，故只需显示三位温度值，信息量比较少，而液晶屏是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，这就意味着编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。
方案二：
采用三位LED七段数码管显示点滴数目。
数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低等特性。
同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
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键盘接口电路方案选择论证
键盘是人向机器输入数据核对系统进行干预的基本设备，而单片机系统本身价格低，一般采用非编码键盘，非编码键盘可分为独立式按键电路、矩阵式键盘电路，中断式键盘电路等。
2.6.1独立式按键电路
单片机控制系统中，往往只需要几个功能键。
对于少量键盘一般采用独立式结构，独立式按键特点是每个键单独占用1根I/O接口线，每个键的工作不会影响其他接口的状态这种电路结构简单，配置灵活。
2.6.2矩阵式键盘电路
矩阵式键盘结构的特点是在按键设置在行线和列线的交叉点上，键两端分别接于行线和列线上。
常用的键盘大小有4*4、8*8、4*8等
该系统使用的按键数较少，故采用独立式键盘最为合适.
2.7单片机型号的选择与论证
2.7.1现有主流单片机的概述
MCS—51系列单片机是INTEL公司在20世纪80年代初研制的，很快就在全世界得到广泛的推广应用。
MCS—51无论是在教学，工业控制，仪器仪表，信息通信，还是在交通，航运，家用电器领域，都取得大量的应用成果。
INTEL公司虽然已经把精力集中在计算机的CPU生产上，但是，以MCS—51技术核心为主导的微控制器技术以被ATMEL，PHILIPS等公司继承，并在原有的基础上又进行了新的开发，从而产生了和MCS—51兼容而功能更加强劲的控制器系列。
ATMEL公司所生产的89系列单片机就是基于INTEL公司的MCS—51系列而研制的并与MCS—51兼容的微控制器系列。
ATMEL公司是美国在20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司，该公司的技术优势在于FLASH存储器技术和高质量高可靠性的生产技术。
随着业务的发展。
20世纪90年代，ATMEL成为全球最大的EEPROM供应商，1994年为了介入单片机市场，ATMEL公司以EEPROM技术与INTEL的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。
ATMEL把自身先进的FLASH存储技术和80C31核相结合，从而生产出了FLASH单片机AT89C51系列。
这是一种内部含有FLASH存储器的特殊单片机。
由于它内部含有大量的FLASH存储器，所以，在产品开发及生产便携式产品，手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS—51系列单片机的主流单片机之一。
2.7.2单片机的选用
单片机作为系统的主控制单元，它控制所有的输入输出。
监控系统是一个单片机最小应用系统，系统中有一些功能无法集成到芯片内部，如晶振，复位电路等，需在片外加相应的辅助电路。
对于片内无ROM的单片机，还应该配置片外程序存储器。
这里选用的是ATMEL公司的AT89C2051和AT89C51，都带内置ROM，只需加电源，震荡电路，复位电路等。
单片机最小应用系统如图3.2所示
图3.2单片机最小应用系统
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的单片机，其指令集和传统的51单片机指令集是一样的。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1AT89C51主要性能：
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
（3）全静态工作：
0Hz-24KHz
（4）三级程序存储器保密锁定
（5）128*8位内部RAM
（6）32条可编程I/O线
（7）两个16位定时器/计数器
（8） 6个中断源
（9）可编程串行通道
（10）低功耗的闲置和掉电模式
（11）片内振荡器和时钟电路
2AT89C51管脚图：
AT89C51管脚图如图3.3
图3.3AT89C51管脚图
3AT89C51引脚功能
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0
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