毕业设计（论文）-输液自动控制器硬件设计.doc

本科生毕业设计说明书 输液自动控制器硬件设计*（作者姓名）学 院： 机电工程学院 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 学 号： 指导教师： 职称（或学位）： 2016年12月目 录1 前言22 输液自动控制器设计的总体方案22.1 需求分析22.2 方案比较与选择32.3 总体方案框架43 输液自动控制器硬件设计43.1 系统主控模块43.2 电源模块63.3 输液报警模块73.4 滴速检测模块73.5 滴速控制模块83.6 液晶显示模块93.7 无线通信模块94 结论10致谢10参考文献10输液自动控制器硬件设计摘要：输液是常见的临床治疗手段，传统的输液方法滴速人为性大、安全性差，需要人工值守，因此有必要开发基于自动控制的输液系统。文章对输液自动控制器硬件设计进行了分析，选取了AT89C51单片机作为处理器，通过光电传感器监控和二相步进电机等技术实现了输液滴速的检测与自动控制。对输液自动控制器的电源、输液报警、滴速检测、滴速控制、液晶显示以及无线通信等模块的硬件选取和电路设计进行分析，满足了输液监测、滴速控制、数据通信、人机交互等需求，具有较好的应用前景。关键词：输液; 自动控制; 单片机; 控制器设计Hardware Design of Infusion Automatic ControllerAbstract: Infusion is a common clinical treatment, the traditional infusion method drip man-made large, poor security, the need for human duty, it is necessary to develop based on automatic control of the infusion system. This paper analyzes the hardware design of the infusion automatic controller, selects the AT89C51 microcontroller as the processor, realizes the detection and automatic control of the infusion drip rate through the technology of photoelectric sensor monitoring and two-phase stepping motor. The hardware selection and circuit design of the power supply, infusion alarm, drip rate detection, drip rate control, liquid crystal display and wireless communication of the automatic infusion controller are analyzed, which can meet the needs of infusion monitoring, drip control, data communication, Such as demand, has a good application prospects.Keywords: Infusion; Automatic control; Intelligent control; Controller design1 前言静脉输液是临床上比较常见的治疗手段，在我国超过九成的住院患者需要接受输液治疗。然而随着静脉输液市场的规模愈发的庞大，传统静脉输液方式的弊端也慢慢显现。在传统的医院静脉输液的过程中，需要工作人员实时监护病区的输液，当输液结束的时候，需要更换药液。而在输液中通常会遇到三种情况:医院工作人员进行陪护，在输液病人比较少的时候，全程由工作人员陪同，方便工作人员对输液的情况实时的监护，但是会耗费大量的人力物力，分配在每一位工作人员的任务量繁重；第二种情况就是由家人陪护，虽然医院的省去人力物力的投入，但是需要家人亲自去告知护士输液的情况；第三种就是病人无人陪护，可想而知，病人在输液过程中会面临很多的麻烦。同时，在输液的过程中，由于病人起卧翻身等动作，都有可能导致输液管的弯折，或者是输液针头位置的改变，从而引起医疗事故。因此，一款自动输液监控、准确信息传输的输液自动控制装置已经愈发受到关注。对于医院而言，输液自动控制器能够节省医院的人力物力以及财力的花费，也从一定程度上避免医疗事故的发生。对于医院工作人员来说，输液自动控制器能够减轻她们的工作量，无需投入大量的精力放置在输液过程的监护上，得到更多的休息时间。对于病人而言，在医院输液的时候，无需非要家人看护，也省去了亲自告知工作人员输液情况的繁琐。基于此，本文运用单片机技术，采用光电传感器监控等手段，对输液自动控制器进行了设计，从而实现了静脉输液过程的自动化和智能化。2 输液自动控制器设计的总体方案2.1 需求分析根据上文介绍在传统的输液中存在许多弊端，像输液过程中，药液不能进行及时的更换，出现异常情况的时候不能进行及时的处理等。因此，本文设计的输液自动控制器需要解决上述问题，实现输液的智能监控，工作人员只需操控上层的人机交互界面，就能够了解患者的输液情况，并对患者的输液速度进行控制。同时，本输液自动控制器设计中，还要引入数据传输方案，实现信息的无线传输，便于医护人员对突发状况进行及时的处理。具体的功能需求介绍如下:（1）输液监测的需求输液监测就是要实现输液信息的检测和控制，利用可靠有效的检测技术，测量输液的速度，通过控制器处理和整合，将输液信息进行实时的显示，工作人员无需现场陪护，远程监护病房内输液情况。在输液检测前端设置报警按钮，以防止工作人员的疏忽大意，方便病人对工作人员的呼叫等。（2）滴速控制的需求实现输液的智能监控，不仅需要检测输液的滴速，而且还需要对输液的速度等进行控制，并将滴速控制的精度控制在接受的范围内。当药液剩余值低于设定值的时候，利用传动机构关闭输液管，当输液过程中出现异常状况时，工作人员能够根据具体状况进行操作。（3）数据通信的需求输液自动控制系统要实现对数据的传输，无线技术的发展使其应用到各项医疗监控系统中成为可能，无需在进行繁琐的线路搭建，前端的采集信息便能够通过无线网络传送至上位机，上位机也利用无线完成对输液速度的控制。无线通信方案的选择至关重要，它充当数据传送的桥梁，所以无线网络功能的实现以及数据传输的可靠，是系统开发的关键点。（4）人机交互的需求良好的人机交互界面要求界面友好、显示大方、操作方便，交互界面实现输液信息的实时显示，方便对输液滴速的控制。2.2 方案比较与选择（1）控制方案控制器模块作为整个系统的“指挥者”，必须具备高性能、高稳定性、方便开发的特点。控制器需要实时的对输液信息进行处理、显示以及信息传输，当上位机传送命令指示时，控制器还需要对前端相应的模块进行控制，这就需要计算机具有较高的计算速度、丰富的接口引脚、强大的中断处理能力。用比较简单的模拟控制电路来实现，优点是容易实现且电路简单。但模拟方式难以实现高精度，键盘显示、数据通信等功能，这样无法满足本控制器对输液监测、滴速控制、数据通信等功能。而本文采用单片机技术来实现，优点是可以用软件来实现复杂的算法和控制，键盘显示、数据处理及通信等功能都可以实现，能够满足设计需求。（2）输液检测方案输液监是实现将输液液滴的物理信息转化为控制器接受的数字信号，并由控制器完成滴速的测定。滴速的测量影响到整个系统对滴速的判断，进而影响到系统后续的整个控制。因此，对输液监测方案选择是衡量输液检测设备好坏的关键标准之一。目前，常用的输液监测方案有机械式、电极针式、光电式等。机械式输液监测:输液瓶上方悬挂的是重力传感器，随着输液瓶中液体含量的减少，输液瓶的重力也随之降低，通过对输液瓶重力值的检测，实现输液瓶剩余量的测量，这种方法实现起来比较容易，无需与药液接触，方便卫生。但是，要实现精准的测量比较困难，对重力检测单元的要求较高，进而带来成本的提升。电极针式输液监测:将正负电极插入到输液管中，当液滴流经电极时，正负电极导通，液滴运动过程转化为能够检测的电信号，再由电信号量测定滴速，具有成本较低、电路容易搭建、测量准确的特点。但是，这种检测方法需要与药液直接接触，会引起污染，甚至对病人造成危害。光电式输液监测:利用光电管实现液滴检测，当液滴穿过光电管时，造成光的折射，改变光的强度，在光电管接收端触发脉冲，控制器可以利用脉冲之间的时间差来测量输液的速度。这种方式原理简单、成本低廉、性能优良，避免了电极针式直接与药液接触的弊端。图1 光电滴速检测示意图 综上比较，兼顾低成本、高性能、设计简单、选用光电式输液监测方式实现液滴信号的检测。（3）速度控制方案 目前，常用的滴速控制方式有两种:一种是利用相对高度实现滴速的改变，当输液瓶的相对高度较低时，输液瓶中液体的重力相对减少，导致输液的滴速减慢，以此来实现滴速的控制；另一种是利用步进电机通过传动装置控制夹持器，挤压输液管改变滴速。本系统中选用第一种方式，这种方式通过机械连接机构带动储液瓶升高或降低，该方式实现较为简便，同时本采用电机调整高度，能够实现滴速的准确控制。（4）数据通信方案相比于有线通信方案，无线通信技术本身就具有很多优点，无需进行大量线路铺设，不受环境的限制；相比于有线通信繁杂的维修方式，无线网络的维护仅仅利用远程诊断即可完成；另外，增减终端设备的时候，无线网络不需要进行线路的修改和增加。种种优势都体现了无线通信方式在信号传输领域无可替代。目前常用的无线传输技术有Zig Bee、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通信(Ir DA)、家庭无线射频(Home RF)和无线局域网(Wi Fi)等，它们各有自己的优势，但同时也存在着许多不足。本文综合考虑，采用Zig Bee技术。Zig Bee技术是短距离、简易化、低能耗、传输速率低的无线传感技术，主要用于家庭、工厂等区域的各种监测控制设备之间的数据传送。Zig Bee是一种无线连接，可以分别工作在2.4GHz、868MHz和915MHz三个频段，最高分别具有250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率，有效传输距离在1075米之间，可以通过路由扩展传输距离。ZigBee作为近距离无线通信技术，功耗低、开发成本较低，适合于输液自动控制器的开发和应用，能够较好满足设计要求。2.3 总体方案框架根据需求分析和方面验证比较，本文研究的基于AT89C51单片机的输液自动控制器分为基本系统搭建、电源电路设计、监控报警电路设计、液晶显示电路、输液检测电路、滴速控制电路、无线通信电路。基本设备电路实现单片机的正常工作，电源电路为系统提供工作电压，监控报警电路实现前端的异常报警，液晶显示电路实现前端信息显示，输液检测电路保证液滴的可靠检测，滴速控制电路实现对输液滴速的控制，无线通信电路实现网络的组建和信息传输。其中输液检测单元完成输液信号的采集工作，采集的信息通过转换和经过单片机进行处理，单片机处理完毕后通过液晶显示，同时单片机根据设定的输液速度对输液速度进行调整，Zig Bee网络将信息传送至上位机，在上位机对输液情况进行监控。电源电路输液监控电路单片机滴速监控电路通信电路液晶显示电路图2 硬件结构框图3 输液自动控制器硬件设计3.1 系统主控模块系统以单片机为核心，随着技术的发展，单片机的中央处理器已由原来的8位逐步发展为16位并且也出现了处理能力很强的32位单片机，近年来单片机的类型越来越多，并且将会在智能检测和控制上有更广泛的应用。目前现在智能化产品的越来越多，单片机的体型小巧设计灵活已成为更多人的首选，可以说单片机技术现在越来的越成熟，已然成为新技术的代名词。CPU在执行程序的过程中起到至关重要的作用，单片机的一个组成部分就是CPU，所以单片机的工作原理就等同于CPU的工作原理，控制器是由指令、时序、总线、中断等控制器构成，并且整个CPU的运行工作都是由其来进行控制。而运算器包括算术逻辑运算单元ALU、浮点运算单元FPU、通用寄存器组、专用寄存器。CPU的组成如下图3所示：图3 CPU组成结构图4 AT89C51内部构造框图从构成上讲，单片机不仅是个运行速度高效的数据处理器同时也是一个具有强大功能的过程控制机。从某种意义上讲如果加上输入输出端口就能构成一个完整的计算机功能，就能够满足各种要求。本文选择的单片机型号为AT89C51。此单片机是能够实现远程升级的高性能半导体，它能在系统编程并且应用编程，而且是由美国ATMEL公司生产的，具有高可靠，超低价和低功耗，同时也有很强的抗干扰能力和抗静电能力。从已选型的单片机外形上看，它体积小、重量轻，从其内部结构上看它内部设置了8位CPU、能够和标准的MCS-51 的指令系统完全兼容，综合起来说它的可扩展能力比较强，所以满足输液自动控制器对于硬件核心器件的要求，如图4所示AT89C51内部构造框图。在电源模块供电的情况下，单片机能够接收光电检测报信号，并将这些信号高速处理然后发送给滴速监控电路、电机的驱动电路、显示器，从而使控制系统有序的执行。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。处理器模块的结构是由几部分电路组成，分别是芯片、晶振、复位、电源。为了提高串口通信的可靠性所以晶振采用11.0593MHZ，与此同时也可以确保单片机有很快的运行速度。在复位电路中，R1的电阻要比R2小很多，所以当S1被按下的时候，复位键就会为高电平状态，单片机机会回到初始状态并重新开始运行。为单片机提供+5V电源，当导线接通时指示灯会亮，电容的作用是滤波。其硬件结构图如图5所示：图5 处理器硬件结构图3.2 电源模块输液自动控制器是一个以单片机控制为核心，并且周围都是电气元件的系统，那如果想要这个系统能够正常的工作，那就要想如何给这些元器件提供它们所需要的电量，这里就需要电源模块来给整个控制系统供电。尽管单片机在实验中它的使用时间长并且被广泛的运用，但在实际的工作中，很容易受到外界各种因素的影响，同时还有程序跑飞的可能。而解决这个问题就需要为单片机提供一个稳定并且可靠的电源。设备中所要的电压有两种，分别是5V和3.3V，5V电压直接由外部电压提供，3.3V电压是由,5V电压降压得到。降压芯片选用的是Advanced Monolithic Systems公司的AMS1117，它最高可以输出1A电流，电压输出误差高达2%。硬件电路设计如图6所示，LED用于电源指示灯，输出电压为3.3V，为控制器、无线模块提供可靠工作电压。图6 电源电路3.3 输液报警模块输液报警模块是安置在前端输液设备上的报警提示电路，在输液监控出现异常的情况下，会产生报警提示，提醒工作人员进行必要的处理。通常引起报警的方式四种:输液停止的时间超过设定值、输液结束、输液的滴速超过设定范围值或者是病人按下呼叫按键。输液监测模块电路的设计如图7所示，二极管用来增大驱动电流，电阻实现限流，起到保护作用。图7 输液报警电路原理图 3.4 滴速检测模块系统是选用光电式采集方式，利用光电对管将输液管中流动的液滴信息转化为模拟的电脉冲信号，但是，这种信号依然不方便单片机进行采集和处理。本文利用施密特触发器将模拟的电脉冲信号转化为数字信号，滤除外界光线的干扰，防止误读。芯片选用的是德州仪器(TI)公司的NE555定时器，其硬件电路如图8所示:图8 滴速检测将NE555芯片的比较器的上下输入端2脚和6脚短接，接收来自光电接收管的信号，5号引脚是控制端，用来设置上下触发器电压值，经电容接地，滤除干扰，3号引脚作为信号的输出端，组成施密特触发电路，此时回差电压为:VTH是2/3VCC，VTL是1/3VCC.3.5 滴速控制模块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。步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中,可有效提高输液速度的控制精度。伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能(未上电时电机的转矩非常大)，但考虑到其实际价格动辄就是几千块，故而弃用。由于在调节输液滴速时，需要的是微调，电机的转速比较小，又考虑到经济的要求，所以该设计中选择二相步进电机，其控制电路图如下图4.5所示，通过L297N和L298N芯片组成混合型的驱动电路，来驱动二相步进电机。图8 电机控制电路图系统的总电路设计此电路由一块STC89C51，利用单片机3个并行I/O口的部分引脚（P0.0P0.6，P1.0.P1.6，P2.0P2.6）连接驱动芯片，各个端口直接与驱动芯片L297直接相连，L297与L298N共用一个+5V的电源，输出+36V的步进电机驱动电压；L298N的2、3、13、14四个输出引脚直接与一个四相四拍的步进电机相连。3.6 液晶显示模块在整个系统中，要想实现人机的交互，那么就离不开显示部分。液晶显示给人们展示了一个简单清晰的视觉体验。现在科技发展的越来越快，LCD液晶的显示也在很多领域被使用，例如像现在被人们广泛使用的液晶超薄电视、一些智能控制的显示器等，它已成为人机界面的一个主要的桥梁，通过它人们可以直接的看到机器的工作状况，现在被广泛的使用，当然它也有很多的优点，例如像它能够给人们一个清楚明了的界面，并且它的显示也很稳定，对于外界以及内部的抗干扰的能力也很强，从人体自身来看它对我们的伤害也很小。因此在我们的日常生活中都普遍的采用液晶显示。用户需要对输液滴数的计数和有关速度信号的检测并进行观察，需使用显示器来直接的告知用户。本实验选用的液晶显示器是型号为LCD1602，它表示可显示的内容为每行有16个字符，共有两行，液晶显示模块，即Liquid Crystal Display Module ，简称LCD，是一种将集成电路、显示器部分、结构件、背光源以及线路板等都装配到一块的组件。1602液晶模块内有字符发生器，并且存有160个不同的点阵字符，且每个字符都对应一个ASCII码，其数据总线和P0接口相连。对滴速检测模块记录的数字在经过处理器的处理就会转变成相应数值，并由P0端口输出。1602液晶显示器能够辨认这些ASCII的值，并能够将其转换成与其相应的点阵图形然后展示给使用者。液晶的使能端与P2.6导通，它的读写端与P2.5导通并且它的寄存器端与P2.4端导通。启停电路的键盘输入和LCD显示器输出是输液自动控制器的实时监测系统的人机交互的方式。用户可以通过键盘的操作来设置自己想要的效果，输液的实时监测通过液晶显示器来反馈。如图9所示显示电路。图9 液晶显示屏驱动电路3.7 无线通信模块本文选择CC2530作为ZigBee无线网络的硬件芯片，CC2530支持精确的数字化RSSI/LQI和强大的5通道DMA，具有8路输入以及可配置分辨率的12位ADC，具有捕获功能的32kHz睡眠定时器，方便硬件调试，而且芯片功耗很低，主动模式RXCPU空闲时只需24mA，主动模式TX在1dBm时只需29mA。系统内具有可编程闪存8KBRAM。CC2530是在CC2430基础上改进而来的，CC2530在内存大小、封装尺寸和RF性能上，都有了明显改善，性能更高，并且能耗更低。CC2530内部有一个符合标准的高灵敏度的无线收发器，抗干扰能力强，CC2530芯片在工作和休眠状态下的能耗都是很低的。相关测试表明，在32KHz晶振下运行时，接收数据时能耗损失低于27mA，发出信号时能量损失低于25mA。基于2.4GHz频道的CC2530片上系统解决方案已经被广泛运用，相较于上一代CC2430，CC2530系统稳定性和整体可靠性都得到了提高，TI公司目前主推CC2530，CC2430已经不推荐使用。CC2530内部集成了性能优良的RF无线射频收发器，所以大大简化了电路设计步骤，省去了CC2530芯片之间接口电路的设计，无线通信网络电路如图10所示。图10 无线网络电路图4 结论本文主要对输液自动控制器的硬件进行设计，依据临床需求，完成了对输液自动控制器设计方案进行了比较，选取了AT89C51单片机作为处理器，通过光电传感器监控和二相步进电机实现了输液滴速的检测与自动控制。本文对输液自动控制器模块的功能进行设计和分析，对每个部分进行电路设计，并介绍硬件电路实现的原理以及特性，达到了设计需求。致谢：在论文写作的过程中，导师给与了我很多的帮助，老师的工作态度以及作风是我在今后的学习和工作中学习的榜样。感谢我的老师给予我知识的养分，以及生活学习中无微不至的关怀，论文完成离不开老师的指导，再次，向老师表示感谢。也感谢感谢一路同行的同窗好友，给与我的无私的帮助，我们共同学习，共同进步。在人生成长的路上，因为你们的陪伴使得我的青春岁月得以更加精彩。最后，谢谢我的家人，感谢你们多年来无条件的付出，是你们让我能够完成学业。谢谢你们！参考文献：1 李君羊.智能输液系统的研究与开发J.中国医疗器械杂志,2014,01:36-39.2 杨清志,张喜红.基于STC89C52输液监测报警系统的设计与实现J.廊坊师范学院学报(自然科学版),2015,06:51-54.3 张旭,郭伟忠,赵学增.一种便携式人体自动输液泵输液系统的开发J.单片机与嵌入式系统应用,2015,12:62-65.4 李静,胡一经.基于单片机的智能输液系统硬件电路设计J.河南科技,2015,21:150-151.5 徐梅.医院输液监控系统的设计与研究D.河北联合大学,2014.6 张剑霜.输液泵/注射泵检测系统的设计与实现D.电子科技大学,2014.7 倪圣喆.基于ZigBee无线传感网络的输液进程监控系统D.上海交通大学,2014.8 上官光华.高精度