毕业设计（论文）-静脉输液监控系统的设计.doc

本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） 题 目: 静脉输液监控系统的设计 姓 名: 学 院: 数理与信息工程学院 专 业: 电子信息工程 班 级: 102 学 号: 1665100203 指导教师: 职称: 讲师 2014 年 6 月 10 日 安徽科技学院教务处制 目目 录录 摘要 .1 关键词 .1 引言 .1 1 概述 .1 1.1 现状分析 .1 1.2 设计意义 .2 2 系统方案论证与比较 .3 2.1 控制方案 .3 2.2 点滴检测方案 .3 2.3 液位检测方案 .3 2.4 速度控制方案 .4 2.5 电机选择方案 .4 2.6 单片机型号的选用及介绍 .5 3 系统的硬件设计 .7 3.1 系统总体框图 .7 3.2 数据采集模块 .7 3.2.1 红外发光二极管 .9 3.2.2 光敏三极管 .10 3.3 按键显示模块 .10 3.4 电源模块 .12 3.5 声光报警模块 .12 3.6 电机控速模块 .13 3.7 总电路图 .13 4 系统的软件设计 .15 4.1 软件设计总体流程 .15 4.2 主模块设计 .15 4.3 计数模块设计 .16 4.4 报警模块设计 .16 4.5 控速模块设计 .17 5 系统仿真 .18 5.1 类型选择仿真 .18 5.2 预警值设定仿真 .19 5.3 输液状态仿真 .19 5.4 声光报警仿真 .20 5.5 电机控速仿真 .20 6 经济适用性分析 .21 7 总结 .21 致谢 .22 参考文献 .23 附录 A 整体仿真图.24 附录 B 仿真程序.25 1 静脉输液监控系统的设计 电子信息工程专业学生 陈霄翔 指导教师 张平娟 摘要：静脉输液是医疗上的常用手段，传统的静脉输液方式存在着或多或少的问题，尤其是在输液 速度的控制方面不能够做到精确处理。随着科学技术的发展，医疗器械的更新势在必行。对于静脉 输液监控系统的设计能够帮助医护人员减轻工作压力，同时可以提高输液速度控制的精确性，避免 一些传统方式的弊端。本文设计的静脉输液监控系统，能够对输液速度进行检测与控制，以及对输 液瓶剩余液量的监测。可以通过按键选择不同输液瓶容量和点滴系数来确定输液速度。在输液完成 或异常时，能够通过发光二极管和蜂鸣器实现声光报警。为了使系统便捷实用，对电路进行了大量 优化，并保证其应有的精确和稳定。 关键词：单片机；输液监控；红外检测；声光报警 引言 静脉输液是一个主要的输液方式，目前多用于临床治疗，而医护人员平常的工作 中，通常是依靠自身的经验和细心的观察，再通过手动调节旋转轮对滴速进行控制。 这种方法往往会出现少许异常情况:不是所有的医护人员都拥有丰富的临床经验，这就 可能会导致操作时不能够准确地把握滴速，极易造成不良后果，滴速过快使患者感到 不适，滴速过慢影响治疗效果;此外长时间的输液，容易造成医护人员和患者的过失， 提高了医疗事故的隐患。在正常情况下，医务人员需要定期巡视病房并监测输液情况， 从而大大增加了工作量。因此如何智能监控好输液已成为人们关心的话题，一套智能 化、自动化监控系统可以大大减少输液过程中的风险。 就现在国内的各大医院对输液装置的处理情况，都是处于人工操作与监控的方式； 即便市场上出现了许多新型的输液监控装置，大多都因为价格过于昂贵或者操作不便 等因素而未能采用输液监控的装置。单片机控制是本文的设计方式，以 AT89C51 单片 机为核心，其功能是用于监控点滴输液的速度，同时实现在输液过程中对输液异常状 况的报警，这样的一种静脉输液监控系统。输液监控系统可以根据不同病人的情况取 不同的滴速，在异常情况发生时，输液报警。 1 概述 1.1 现状分析 静脉输液是现代临床医学中的一个必要的治疗手段，同时医学监护对于静脉输液 来说必不可少。众所周知，静脉输液作为必要的治疗手段在各大医院的医疗工作中都 得到广泛的使用，根据相关数据统计一般住院的人群中静脉输液的使用率大约占到 70%-80%。静脉输液作为一种给药的重要途径，主要是给病患者补充体液、营养。在输 液的过程中需要注意的就是输液速度这项指标，因为根据不同的病患年龄、病情以及 用药的种类等多方面因素需要设定不同的输液速度。另外，在静脉输液过程中，难免 不会遇到一些意外情况，因此，在一般情况下都需要有人在身旁陪护，避免意外事故 的发生而对病患造成不必要的损伤，尤其是遇到像手术后需要 24 小时不间断输液的病 患，长时间的陪护工作会使陪护人员身心憔悴。当陪护人员发生困倦时，很容易发生 事故。据调查，目前国内采用输液监控的医院几乎没有，都是以传统的方法进行输液。 输液的传统方式是在一定的高度悬挂输液瓶，然后让瓶内的药液在液体静压和大气压 的作用下往下滴落，从而使得药液通过输液管注入静脉内达到治疗效果。传统的输液 2 装置是对软管夹的松紧进行调控，以这样的方式控制滴速并不太容易掌握，由于该法 是需要根据自身经验再通过肉眼观察进行估量操作的，必然会存在对输液速度掌控不 够准确的情况，如果遇到由经验不足的医疗护理人员进行输液操作，很可能会对病患 造成不必要的伤害，这样的情况发生不仅不能达到预期的治疗效果，甚至还会危及到 病患的生命健康。当药液输完时，如果身旁无陪护人员或医护人员及时更换药液或拔 出针头，就会出现回血等情况。若让病患的家属在陪护时不断地观察输液情况，很容 易造成疲累影响病人休息。同时，医护人员也需要不停地进行病房巡视，进一步增加 了工作负担，甚至有时会产生不必要的医疗纠纷。综上所述，设计一种静脉输液监控 系统，对于医疗事业的发展是一种势在必行的趋势。 在国外，对于输液监控方面的研究起步相对较早，如美日德等国家在上世纪八十 年代末就对输液监控进行了相关方面的研制，可谓是起步早，效果好。在先进的科学 技术的支持下，许多发达国家的病床位早就配备了输液泵。输液泵是一种多功能的输 液控制器，能够较精确地对输液速度进行控制，并且能实现输液阻塞、气泡混入和输 液完成的报警。我国只是在一些大型医院才配备有这样的器械，且大多数是国外产品。 由于国外的该系列产品价格昂贵，对于一般的医院来说都不愿配备。反观国内情况， 对输液装置的研制起步晚，大部分的研究工作大约在九十年代中期才陆续开始进行， 虽然说国内市场上也有一部分国产输液装置在流通，但是只要对比一下就能发现差距， 从总体性能来说远远不及国外的水平，其控制精度也不高，种类也较少，在价格上还 居高不下，这些因素都必将导致其在市场上所占的份额微乎其微，想要实现在医院方 面的大规模普及也相当艰难。一般来说，在输液过程中出现的阻塞、混入气泡的问题， 通常都能通过规范化的操作来进行人为避免，于是人们更为关注的问题变成滴速控制 和完成及异常报警，针对这两方面的设计变得简单易行且降低了成本，在市场上的应 用前景也变得可观。近几年也有一些输液完成报警方面的专利，但是仔细观察这些专 利项目会发现，这些专利在各方面都或多或少的存在着不同程度上的弊端，比如成本、 操作、安全、可靠等问题，综合考虑这些问题我们会发现真正能够转化为实际应用的 产品相当少。首先我们要明确一点，医疗器械是医疗事业的根基，必须要保证其稳定 性、安全性和可靠性，另外我们要让这些医疗器械广泛地应用到医疗事业当中，为每 一位病患服务，而不能仅限于一个小的范围，过大的局限性只会反过来影响产品推广， 只有很好的做到以上方面才能达到产品应有的价值；其次我们还需要保证产品的操作 方便和价格低廉，使得其在市场上推广起来更为顺畅。医疗事业的发展趋势促使政府 在这方面大量投入精力，使得医疗器械的发展也变得迅速。按照原国家经贸委指定的 医疗器械行业“十五”发展规划 ，到 2015 年我国医疗器械总产值将达到 1000 亿元， 在世界医疗器械市场上的份额将占到 5；到 2050 年这一份额将达到 25，成为世界 一流的医疗器械制造强国。因此，对于静脉输液监控系统的研究势在必行。 1.2 设计意义 近年来，医疗事业发展迅猛，计算机网络化管理成为现代化医院的重要标志，尤 其是在医疗监控领域。进步的现代科学技术，为医疗监护技术提供了创新发展的条件 与空间，但发展的医疗技术和设备仍不能满足医院、病人、家庭和个人的健康要求。 因此，医疗监测设备的网络化具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。 静脉输液是医疗最常规和最重要的环节。但是，根据现行的医院点滴输液方式， 很难达到理想化的效果，尤其是在点滴速度的控制上精确度极其有限。医疗人员只能 凭借自己的经验对莫氏管夹轮进行控制，而不能采用一个更准确的控制方式。这样的 输液方式不仅在操作上显得不方便，而且可能会因为操作失误等原因造成病患不必要 的伤害。因此拥有一个能够控制监测点滴速度的装置会很方便，也必将受到医护人员 以及病患的广大亲睐。据调查，目前市场上的输液监控报警器体型大、价格高，实用 3 性不强，医院方便一般不愿意将其置于实际应用当中。据上所述，构造了一种静脉输 液监控装置，由单片机完成工作任务，能够监控滴速和实现完成及异常报警。这样的 装置能够为医护人员提供可靠的数据，对其治疗病患时有一定的帮助。该系统采用了 红外光电发送接收装置、AT89C51 单片机、步进电机、键显等装置。基于输液速度的红 外探测技术测量液滴的信息，通过红外发射和接收装置发送到单片机的电子信号，通 过单片机计算输液速度，并显示数值，再利用步进电机的正反转对滴速进行控制。当 输液出现异常或者结束时，发出报警让医护人员前来处理。整个装置的操作简单便于 使用，另外成本低、按键精确控制等优点都说明静脉输液监控的设计实现起来十分有 意义。 2 系统方案论证与比较 2.1 控制方案 方案一：该方案是采用模拟电路设计的方式实现控制效果，这种传统方式的电路 简单易于实现，但是用模拟的方式进行控制有其不足之处，很难提高控制的精度，因 此难以实现实际应用当中的输液速度控制要求。 方案二：该方案则是运用单片机来实现，以单片机为核心，依据单片机功能齐全、 可设计性强的特点，通过软件设计对输液速度实现精确的控制。此外采用单片机设计 方便达到键盘设定和数值屏显等功能的要求。综合价格方面因素来看，单片机的价格 低廉也符合实际的市场需求趋势。 综上所述，采用方案二。 2.2 点滴检测方案 方案一：该方案采用压力传感器的方式进行测量。将压力传感器安装在输液瓶的 下方，如何判断是否有液滴滴落下来，只需要利用压力感知的方式观察压力的大小来 得出结论，从而达到测量输液速度的效果。实际中一滴液滴的质量极小，以及输液过 程中输液瓶出现的晃动都会影响压力传感器的测量结果。 方案二：采用光电传感器实现通过可见光传感器、光敏二极管和光敏三极管组成， 在实际应用中会受到来自外界的影响，在外界光线的影响下会对光敏三极管造成干扰， 这样看来只要遇到外界光线的刺激，在测量输液速度时的效果就会大打折扣。即便采 用大功率的发光二极管可以减小这方面的影响，但是对于功耗来说就显得太大了。 方案三：该方案的原理与方案二大体相同，但是运用红外检测技术，可以在一定 程度上减少外界环境所带来的影响。基于光电传感器，可见光二极管和光敏三极管可 由红外发光二极管和红外光敏接收二极管代替，组成红外光电传感器。如果输液瓶滴 斗无液滴落下，光的衰减很小，光敏接收管上的电信号会比较强；如果正好有液滴滴 落，光线则会被滴落的液滴遮挡一下，光线在经过了药液之后会发生反射和散射，使 得光敏接收管接收到的光信号较弱，从而导致电信号也相应地减弱。若将光敏接收管 的光信号转化为电压信号，想要判断是否有液滴滴落就可以通过检测输出的电压情况 来确定。再将检测出来的信号整形后即可送入单片机处理，很方便就能计算出输液的 速度。 经过各方面的综合考虑，方案三的可行性最高，不仅成本低、电路简单易实现， 而且抗外界光干扰能力强。 2.3 液位检测方案 方案一：该方案采用红外检测技术，跟点滴检测方式一致。利用红外发射管和光 敏接收管摆放于两侧，再根据接收到的信号强弱判断液面位置。当液面高于报警线时， 根据液体吸收光和反射光的效果，所接收的信号较弱；当液面低于报警线时，所接收 的信号变强，从而发出声光报警。 4 方案二：该方案主要输通过设定总体的输液量和点滴计数计算实现。根据现行的 一次性点滴装置的系数大致有 10 滴/ml、15 滴/ml、20 滴/ml。点滴系数就是指在静脉 输液过程中每毫升液体的点滴数量。根据点滴瓶的使用容量，主要有 100ml、250ml、500ml，通过选择不同的点滴瓶容量和点滴系数，由输液瓶容量、点滴 系数、点滴计数三项指标计算得出剩余的药液量，再与事先设定的报警线作对比，判 断是否报警。例如，当我们选择 500ml 的输液瓶和 10 滴/ml 的点滴系数时，假设点滴 计数为 n，通过数学计算得出剩余液量为(500- n/10）ml。若设定报警线为 20ml 的话， 当(500- n/10)ml 的数值低于 20ml 时就会实现报警功能。 对比以上两种方案，可能方案一的精度要高一些，但是方案二不会影响实际效果， 还可以有效地简化硬件电路设计，同时降低了成本，故选择方案二。 2.4 速度控制方案 方案一：基于控制莫氏管松紧的方式来添加机械装置。操纵步进电机，利用正反 转的特点，从而实现对莫氏管的控制，紧或松来确定速度，达到改变输液速度的目的。 方案二：根据压强原理可知与高度有关系，我们则可以通过调整输液瓶的高度 h， 来改变输液速度。如此我们只需要加装一个电机驱动输液瓶高度的装置，电动机的正 反转可以让输液瓶高度向上或向下，从而调节输液速度。 该设计方案利用步进电机调整高度 h，控制输液速度，由压强公式： hgp 可知，当高度 h 改变时压强也会改变，通过压强的变化来实现输液速度的 改变。传统的人工输液方式是对输液软管的松紧来控制输液速度的，相比之下这种改 变高度的方式比较容易。实际上在应用高度改变法时，我们需要先进行大量的实验来 测试出高度与输液速度的对应数值关系，并将其存在单片机内。在滴斗处仍然需要红 外系统来测量输液速度。当固定好一个输液速度后，根据存进单片机的数据，相应地 会调出一个高度值，然后利用步进电动机转动进行高度调节。示意图如图 1。 电机 输液瓶 滑轮 支架 图 1 输液示意图 深度分析方案二可知，其实高度和点滴速度之间是非线性关系，在输液的过程中， 药液的液面也在不断的下降，这就意味着输液瓶的高度在变化，相应的会导致理想化 的数学公式不适用，增加设计的复杂程度。因此，我们选择方案一来进行速度控制， 5 同时保留莫氏管上的手动滑轮，便于人工进行操作。 2.5 电机选择方案 方案一：直流电机 直流电机为上电即转动，掉电后惯性较大，在停止电机运行后，电机转子仍会转 动一定的角度，角度的偏差会导致控制精度降低，若采用直流电机处理实际情况很有 可能造成不必要的伤害。 方案二：步进电机 步进电机的工作情况与直流电机截然不同，利用电脉冲控制，将电脉冲信号转化 成相对应的角度位移。每当有脉冲信号作为输入时，转子会根据脉冲信号相应地转动， 显而易见转速与脉冲频率成正比，利用单片机控制电机，就可以实现输液速度的精确 控制。易启停、正反转及变速的特点明显优于直流电机。 通过两方案的对比，结果显而易见，直流电机不适用于该场合，而方案二的步进 电机能够实现对静脉输液监控系统的精确控制。 2.6 单片机型号的选用及介绍 单片机是系统的主控制单元，控制所有的输入输出。监控系统等效为单片机最小 应用系统，但系统的部分功能不能被集成在芯片中实现，如晶振、复位电路，必须要 增添辅助电路。对于片内无 ROM 单片机，有必要配置片外程序存储器。这里选用的是 ATMEL 公司的 AT89C51，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 2。 图 2 单片机最小应用系统 1 AT89C51 主要性能： （1） 与 MCS-51 兼容 （2） 可编程串行通道 （3） 片内振荡器和时钟电路 6 （4） 三级程序存储器保密锁定 （5） 6 个中断源 （6） 两个 16 位定时器/计数器 （7） 32 条可编程 I/O 线 （8） 128*8 位内部 RAM （9） 4KB 可编程 FLASH 存储器 （10）低功耗的闲置和掉电模式 （11）全静态工作：0Hz-24KHz 2 AT89C51 引脚图： 引脚图如图 3。 图 3 AT89C51 引脚图 3 AT89C51 引脚功能 P0 口：P0 口具有双重功能，包含一个双向的 8 位三态 I/O 口，并且每个口都可以 进行独立的控制。在其内部含有有扩展的内存芯片、低八位的系统地址和数据端口， 都是 P0 口分时传输的。当 P0 口为“1” ，则为高阻抗输入。 P1 口：P1 口是唯一的单功能口，作为输入/输出口，P1 口的每一位都可以充当输 入/输出口使用，而且每个口都可以独立控制，并且内部含有上拉电阻。可是鉴于其没 有高组态，所以 P1 不能成为真正的双向 I/O 口，而且不具有输出锁存的功能。P1 口在 它的输出端自带有上拉电阻，所以当 P1 口作为通用 I/O 口使用的时候，不用再接上拉 电阻，可以直接使用。由当 P1 口作输入端口时，锁存器必须先写一个所谓的截止信号。 P1 口为“1” ，则上拉为高，作输入，P1 外部拉低，将输出电流。 P2 口：P2 口具有双重功能，第一个功能是可以作为输入/输出口，第二个功能是 可以充当高八位地址总线，如果系统中有片外扩展存储器，那么次系统的高八位地址 可以用 P2 口来实现传送。内部含有上拉电阻，与 P1 相似。当系统没有扩展程序存储 7 器片内 ROM 中，只有扩展片上 RAM256B，使用底部为地址线，除此之外，P2 口还可以 当做通用接口来使用。 P3 口：P3 口具有双重功能，既可以作为第一功能使用，其功能是输入/输出口， 也可以作为第二功能使用。当 P3 口为“1” ，将内部上拉为高电平，并用作输入。作为 输入时，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是因为上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的特殊功能口使用，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 3 系统的硬件设计 3.1 系统总体框图 该输液监控系统由 AT89C51 为核心，主要分为：滴速测量部分，电机控制部分， 液面检测部分，键盘显示部分。系统总体框图如图 4。 单片机 AT89C51 点滴速度测量 液面检测 键盘输入 电源 电机驱动电路电机 显示 报警 图 4 系统总体框图 3.2 数据采集模块 数据采集模块主要就是对点滴速度的检测，在这里使用采用红外检测技术，在滴 斗处进行测量。在红外发射器发出红外光后，光线会穿透滴斗再照射到接收二极管， 接收二极管则将照射上去的光线转变成电流信号输出。若滴斗无液滴下来，光衰弱较 小，使得光电二极管电流较强；若滴斗有液滴下来，液滴会挡光，根据吸收和散射作 用，光电二极管光信号较弱。改变光敏二极管的输出电压信号的电流信号，经信号整 形传入单片机处理，算出滴速。如图 5 所示。 8 图 5 检测及信号整形电路 在检测过程中，将滴斗放在检测光线的中间，如图 6 所示，因为外部光线的影响， 会使测量产生的波形并不稳定，存在较大干扰。对于系统来说稳定性以及精确度极其 重要，想要提高这些属性必须进行整形，采用单稳态触发器的方式来处理输出波形比 较合适。我们需要充分利用单稳态触发器的稳态和暂稳态。在触发信号作用之后，电 路会由稳态变成暂稳态，暂稳态只是一个暂时状态，在 RC 电路延时的作用下，需要一 段时间后才能自动恢复到稳态，此时得到的矩形波脉冲宽度一致。在单稳态触发电路 中，电路的参数值可以确定矩形脉冲的宽度（即暂稳态的时间） 。这里单稳态触发器由 555 定时器组成。正常输液速度是 40-100 滴/min，若以最快速度计算，则每分钟 100 滴，也就是每滴通过的最短时间大约为 0.6 秒，取 R6=100K，C=1uF 可由下面公式得出 暂稳态时间: tw = RCln3 = 1.110-1秒 tw 2 最大功率(mW) 75 发光峰值波长(nm) 940 最大正向电流(mA) 50 半峰宽度(A) 400 正向压降(V) 1.5 结电容(pF) 100 反向电流(uA) 50 截止频率(mHZ) 1 反向耐压(V) 5 3.2.2 光敏三极管 硅光敏三极管使用近红外光探测、光耦合、过程控制、字符识别等。用环氧树脂 封装，陶瓷作为底座，硅光敏三极管主要参数如表 2 所示，根据相关参数对输液速度 进行检测。 表 2 光敏三极管的主要参数 参数参数符号符号额定值额定值 开启时间(s) Ton7 切断时间(s) Toff8 饱和电压(V) Vce0.4 峰值波长(nm) 940 功率损耗(mW) Pd300 集电极电流(mA) Ic1.0 工作温度() Topr-65+125 存储温度() Tstg-65+125 集射极击穿电压(V) Vceo45 集电极基极击穿电压(V) Vcbo45 发射极基极击穿电压(V) Vebo5 3.3 按键显示模块 按键设计如图 8 所示，各按键功能如下： 11 S1：按下一次，则表示对输液瓶容量进行选择,再次按下 S1 来确认；按两次，选 择点滴系数，按下 S1 再次确认。 S2：选择 500ml；选择 20 滴/ml。 S3: 选择 250ml；选择 15 滴/ml。 S4：选择 100ml；选择 10 滴/ml。 在设置剩余液量对比时，按键使用方式如下： 按下一次 S2 进入报警数值设定状态，按下 S1 对数值进行加 1，按下 S3 对数值进 行加 10，按下 S4 对数值进行减 10，再按下 S2 来确定。 在设置规定滴速对比时，按键使用方式如下： 按下一次 S3 进入规定滴速设定状态，按下 S1 对数值进行加 1，按下 S2 对数值进 行加 10，按下 S4 对数值进行减 10，再按下 S3 来确定。 此外，按下 S4 表示开启 T0 和 T1。 注：在设定剩余液量时，注意将设置的数值控制在输液瓶容量内，并符合实际应 用要求；在设定规定滴速时，根据实际情况可知一般的滴速范围在 40 滴/min 至 100 滴 /min；确保与实际情况相符合。 图 8 按键电路 显示模块采用 LCD，如图 9 所示，LCD 具有以下特点： （1）显示的信息量较大：LCD 像素做得较小，使得小面积上容纳较多信息。 （2）被动显示：液晶本身不发光，而由外部光调制实现显示效果。符合视觉习惯， 不致人眼疲劳。 （3）平板型结构：LCD 有两个平行玻璃夹层，面积大小可调节，能大规模生产， 设备占用体积小。 （4）低压低功耗：工作电压低 35V，工作电流仅有几微安。 （5）使用寿命长：LCD 不存在老化问题，使得寿命长。 （6）没有电磁辐射：不产生电磁辐射，无环境污染。 12 图 9 LCD 显示电路 3.4 电源模块 电源是每个系统必不可少的环节，任何电气设备都不可能离开供电系统，尤其是 在单片机系统设计中，电源模块的设计是不能忽视的。电源模块的设计方法有很多， 但是要取决于系统所要求的方式来设计供电方案。本设计中选用的是 AT89C51 单片机， 其标准工作电压为+5V，其他模块工作电压也是+5V，采用单电源方案即可，不仅工作 可靠，而且系统简单。因此我们只需要设计一个能够提供+5V 的电源，电路如图 10 所 示。 图 10 电源电路 3.5 声光报警模块 使用蜂鸣器和发光二极管就可以达到声光报警的效果，如图 11 所示。先对液滴进 行计数计算出剩余的液量，再与设定好的预警值作比较判断是否需要进行报警，或者 用传感器检测液滴下落情况，若无液滴信息或间隔时间过长则发出声光报警，即实际 的滴速小于设定值。为了方便关闭报警，增加了人性化设计，添加了 S5 按键可以手动 取消系统报警，而不至于发出的报警声影响到别的病患休息。 13 图 11 声光报警电路 3.6 电机控速模块 通过测速模块的输液速度检测可以得到点滴速度，再根据设定好的速度值进行比 较，以此来使用电机控速。若检测的滴速小于设定值，通过控制步进电机正转来提高 滴速；反之，检测速度小于设定值则反转来降低速度。这里采用 ULN2003 来驱动步进 电机，如图 12 所示，因为 ULN2003 的电流增益高、带负载能力强适用于高速大功率驱 动。 图 12 电机控制电路 3.7 总电路图 如图 13 所示： 14 图 13 总电路图 15 4 系统的软件设计 4.1 软件设计总体流程 静脉输液监控系统以单片机为核心，而控制关键则在于软件设计，软件决定可靠 性和可行性，这成为单片机控制不可忽视的环节。该系统在软件设计方面的思路如下： （1）INT0 中断处理程序，用于对液滴信号进行计数主要利用红外检测技术实现； （2）10s 的定时状态判断以及报警程序，作用是判断是否有液滴滴落下来以及针对液 滴速度过慢时进行报警。软件流程图如图 14 所示。 开始 初始化 中断计数 报警模块 清零 是否有液滴？ 实际值设定值？ 计数到 10s了？ Y N NY N Y 图 14 软件流程图 4.2 主模块设计 在软件设计环节，主模块是软件的核心，它负责管理其他子模块，更重要的是对 数据缓冲区的初始化。该设计的初始化主要包括了以下功能： （1）外部中断 0 的设置。有液滴滴落时，系统将生成数字脉冲，单片机将产生中 断，中断计数时，启动外部中断 0，并把模式改为边沿触发，还需要特别注意对计数器 进行清 0。 （2）定时中断 1 的设置。对于该设置就是为了把定时/计数器 1 设定在定时的功 能上。 16 4.3 计数模块设计 该模块的功能是对液滴滴数进行计数，单片机如何实现作用，是来自光电传感器 采集的信号，经过 A/D 转换成数字信号，有液滴下来时，光电传感器都能够通过负边 缘检测到信号，再经过一系列处理生成不规则的低电平脉冲，该脉冲信号还需要通过 A/D 转换器转换成数字信号后再传输到单片机的 INT0，实际上就是利用了单片机的边 缘检测功能来进行计数；在没有液滴滴落时为高电平而不能形成可以检测的信号，从 而无法形成计数中断来实现计数效果。其实我们只需要对 INT0 的中断个数计数就可以 得出液滴的滴数。该模块主要涉及通用寄存器和外部中断 0。外部中断需要对通用寄存 器进行加 1，对输液实现计数。考虑到一个 8 位的通用寄存器的最大值计数值为 255， 必须要解决可能出现的溢出问题。因此设计一个每隔 10s 的循环，而在 10s 的循环中 液滴数不可能超过 255，这样 8 位的寄存器能够完成计数要求，只需要注意对寄存器进 行清 0 避免溢出即可，这样的方式进行计数完全具有可行性。计数模块流程图如图 15 所示。 外部中断 INT0 入口 寄存器加 1 计数 寄存器清零 是否达到 10s？ Y N 图 15 计数模块流程图 4.4 报警模块设计 报警模块的作用是对有无液滴以及滴速过慢的情况进行报警，即剩余液量不足和 滴速不足情况。利用定时中断设计一个 10s 循环的程序。在此我们需要结合计数模块 的测量方式，当有液滴时，利用信号边缘检测法对 INT0 信号计数，每有一个液滴则使 得寄存器加 1 进行计数。只要在 10s 内检测到液滴滴落，那么寄存器的值就会发生改 变；在不发生异常的情况下，10s 的时间内寄存器的值是必然会发生改变的。因此，能 以 10s 时间内寄存器的值是否改变来实现异常状况报警。只要 10s 内寄存器的值变化， 就说明液滴正常滴落，即输液正常；而当寄存器的值不发生变化时，输液状况异常无 液滴滴落，报警标志位置“1” ，单片机 P1.7 口置“1” ，高电平使发光二极管和蜂鸣器 17 正常工作发出报警。该模块报警情况如下: （1）输液正常进行在输液即将完成时，出现最后一滴药液之后没有液滴滴落或者 在因为输液即将完成导致两滴药液的间隔远大于 10s，这时寄存器的值将不会改变，即 滴速不足，这些情况将发出报警提醒医护人员来处理。 （2）输液出现异常而发生中断，中断会导致没有液滴滴落的情况或者出现两滴药 液之间的间隔远远大于 10s 的定时，这也将导致寄存器的值不发生变化，也是滴速不 足，进而产生报警。若输液过慢的情况，就将导致两液滴的间隔超过十秒钟，同样会 造成寄存器的值不发生变化，而发出报警。 （3）根据选定的输液瓶容量和点滴系数来计算剩余液量，设定预警线，用剩余液 量与设定值作