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东北大学硕士学位论文 摘要 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制 摘要 随着科学技术的飞速发展，越来越多的领域需要对流体的流量或流速进行精 确控制，医疗保健领域中药液的流量与流速有时也需要精确控制，它测量结果的 准确与否直接影响到危重病人的生命安全，同时测量仪的使用也可以减轻护士的 劳动压力。目前常用的医用输液仪器一输液泵是解决输液速度的一种有效方法， 它的工作原理是动力挤压输液，在一定时间内输液量是一定的，但输液期间点滴 数目并不均匀。而且输液泵的耗材成本很高，只适用于急救和重症情况，不适宜 普及。为了满足医疗机构对输液速度和输液量准确度控制的越来越高的要求，就 需要既实用又廉价的输液检测新产品的出现，运用先进的电子技术，传感器测量 技术和单片机的控制技术，研制输液仪表的新产品来弥补医疗保健领域中输液的 缺陷是非常必要的。 本文介绍的基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的设计是以a t m e l 公司的 a t 8 9 c 2 0 5 l 单片机系统和直射式光电传感器相结合的点滴速度测量系统，它具有 很高的应用价值和现实意义，本仪表拥有意外情况报警系统，实时液晶显示模块， 采用了汇编编程工具进行软件设计。系统设计充分考虑了信号检测电路及显示电 路的可靠性，稳定性。该测量仪的特点是：操作简单、点滴速度测量稳定可靠、 动态显示及时准确、成本低廉。 本文首先介绍了常用医用输液仪器的分类和现状以及未来医用输液仪器的发 展趋势。其次，根据系统设计要求制定出传感器、单片机、液晶显示模块等重要 器件的选择方案，接着，根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系 统能够实现数据采集、液体点滴速度的实时显示和意外事故报警等功能。最后， 介绍了和系统硬件配套的软件设计过程。 关键词：传感器；单片机；点滴速度；液晶显示模块；实时显示；数据处理 一一 查苎垄兰! 主兰堡堡圭一兰坚兰! 三l d e v e l o p m e n t o fl i q u i dd r o p p i n gs p e e d m e a s u r e m e n ta p p a r a t u sb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，f l u xa n ds p e e do fl i q u i da r e c o n t r o l l e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s ，e s p e c i a l l yi nm e d i c a lf i e l d t h ea c c u r a c ya s s u r e s t h eh e a v yp a t i e n t sl i f es a f e t y , a n da l l e v i a t e sn u r s e sl a b o rp r e s s u r ea tt h es a m et i m e c u r r e n t l yt r a n s f u s i o np u m pi s a ne f f e c t i v ew a yo fl i q u i ds p e e dm e a s u r e m e n t ，i ti sa d y n a m i cs q u e e z et r a n s f u s i o n ，f l u xa n dv e l o c i t yo fl i q u i d i nw h i c ha r ec o n s t a n ti n g i v e nt i m e ，b u tv e l o c i t yo fl i q u i da r en o te q u a lf o rt h ep e r i o d h i g hc o s to fi n s t r u m e n t m a t e r i a l sm a k et h i s o n l ya p p l i c a b l e i n e m e r g e n c yc a s e sb u t n o t w i l d l y u s e di n c o m m o nc a s e s i no r d e rt os a r i s f yt h ei n c r e a s i n g l yp r e c i s er e q u i r e m e n to ff l u xa n d v e l o c i t y ，i ti sn e c e s s a r yt oi u t r o d u c ean e wp r a c t i c a la n dc h e a pm e a s u r el i q u i ds p e e d a p p a r a t u s ，w h i c hu s et h ea d v a n c e de l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，t h ec o n t r o lt e c h n i q u eo ft h e t r a n s d u c e ra n ds i n g l ec h i pp r o c e s s o re t c i ti si m p o r t a n tt h a ti n v e n t i n gn e wp r o d u c t m a k eu ps c a r c i t yo ft r a d i t i o n a l l yl i q u i dp u m pi nm e d i c a lf i e l d d e v e l o p m e n t o f l i q u i dd r o p p i n gs p e e dm e a s u r e m e n ta p p a r a t u s b a s e do n m i c r o c o n t r o l l e ri nt h et h e s i sw a sm a d eb yc o m b i n i n gaa t 8 9 c 2 0 51m i c r o c o n t r o l l e r s y s t e mo fa t m e lc o m p a n ya n dad i r e c tp h o t oe l e c t r i c i t yt r a n s d u c e r m o r e o v e r ，t h e a p p a r a t u sh a sa l a r mf u n c t i o ni nc a s eo fe m e r g e n c e ，u s e sl i q u i d c r y s t a ld i s p l a ya n d t h es o f t w a r ew a sd e s i g n e db yc o m p i l el a n g u a g e t h es t a b i l i t yo fe l e c t r oc i r c u i th a s b e e nf u l l yt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h ed e s i g no ft h es y s t e m t h ea p p a r a t u s c h a r a c t e r i z e si ns i m p l ed e s i g n ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，a c c u r a t ed i s p l a ya n dl o wc o s t t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t ，d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t r e n d s ， c l a s s i f i c a t i o na n dc u r r e n tc o n d i t i o n so fi a t r i c a lt r a n s f u s i o na p p a r a t u sa r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，t h et h e s i st e l l sh o wi tc h o o s e st h em a i nc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt ot h en e e do f s y s t e m t h e ni tc o m p l e t e st h ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e m i 一 东北大学硕士学位论文 t o p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s t h es y s t e m c a i l c a r r y o u td a t a p r o c e s s ，s h o wl i q u i d d r o p p i n gs p e e da n da l a r mf u n c t i o ne t c f i n a l l yt h e t h e s i si n t r o d u c e st h es o f t w a r e d e s i g np r o c e s s o ft h ec o m p l e m e n t a r yh a r d w a r es y s t e m ， k e yw o r d s ：t r a n s d u c e r ；m i c r o c o n t r 0 1 l e r ：d r o p p i n gs p e e d ；l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ； r e a lt i m ed i s p l a y ；d a t ap r o c e s s i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毫砻速瘟一 日期：0 卵石2 、牛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的发展，越来越多的领域需要对流体的流量或流速进行精确控制，如 化工领域里对微量化学元素的检测和分析常需精确控制流量。医疗保健领域中药液的流 量与流速有时也要精确控制。 静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。临 床上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。输液过快，可能会导致中毒，更 严重时会导致水肿和心力衰竭；输液过慢则可能发生药量不够或无谓地延长输液时间， 使治疗受影响并给患者和护理工作增加不必要的负担。常规临床输液，普遍采用挂瓶输 液，并用眼睛观察，依靠手动夹子来控制输液速度，不易精确控制输液速度，而且工作 量大。 癌症病人的化疗和病危病人的抢救治疗需要使药物以恒定的速度灌注，通过调节输 入的速度和时间将化疗药物均匀持续地注入，既达到化疗的最佳效果，又能最大限度地 降低化疗药物的副作用。糖尿病人遭受病痛的折磨，需要以一定的速度给他们注射一定 量的胰岛素。以往的做法基本上是一次注射较大剂量的胰岛素，这不仅造成巨大的浪费， 而且药效作用时间也较短，因此极需一种流量和流速都能控制的持续输送装置，来输送 少量的药物并精确控制其输送速度和流量。对老人、儿童和体质较弱者输送某些特殊药 物，如麻醉药、降压药硝普纳等时，输液速度和用药量尤其需要精确控制，否则会产生 严重的后果。血液非常容易凝固，输血时很容易阻塞输液管。要保证血流速度大于某一 值，才能顺利输血。另外，不管是输液还是输血，普通输液器对输液完毕和输液过程中 偶然出现的故障，如气泡、阻塞等都不能自动报警，从而产生不良后果。应该及时处理， 以避免血液倒流或其他后果。现在我国的大、中、小型医院应用比较多的是采用智能型 输液泵来控制药液的输送，并可以进行异常报警。 1 2 智能型医用输液泵结构及功能 智能型医用输液泵系统主要由以下几部分组成【1 】：微机系统、泵装置、检测装置、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 报警装置和输入及显示装置。 智能型医用输液泵可满足多种功能的需求，归纳起来，输液泵能够实现以下功能： ( 1 ) 可精确测量和控制输液速度。 ( 2 ) 可精确测定和控制输液量。 ( 3 ) 液流线性度好，不产生脉动。 ( 4 ) 能对气泡、空液、漏液、心率异常和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切 断输液通路。 ( 5 ) 实现智能控制输液。 ( 6 ) 特别适合于快速输液。 1 3 常用医用输液仪器的分类 泵装置的种类很多，分类也多种多样，就驱动原理来说可分为电磁泵、气动泵和压 电泵等；就结构来说有离心叶轮泵、齿轮泵和蠕动泵等。医用输液泵需要精确控制液体 的流量和流速，有些类型的泵很难做到这一点，而且考虑到输液管要安装方便，药液不 能污染泵装置等因素，因此用得最多的主要有以下几种： 1 3 1 指状蠕动泵 目前广泛使用的是指状蠕动泵( f i n g e r - l i k ep e r i s t a l t i cp u m p ) ，又称线性蠕动泵( l i n e a r p e r i s t a l t i cp u m p ) ，如图1 1 为指状蠕动泵的结构示意图。它体积小，重量轻，定量准确， 使用方便，输液管安装方便。这种泵有一根凸轮轴，凸轮轴上有多个( 一般为1 2 个) 凸轮， 图1 1 指状蠕动泵结构示意图 f i g 1 t 1f r a m e w o r ko f f m g e r l i k es q u i r mp u m p 这些凸轮的运动规律相差一定的角度，每个凸轮与一个“手指”( 即滑块) 相连。工作时， 由步进电机带动凸轮轴转动，使滑块按照一定顺序和运动规律上下往复运动，像波一样 2 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 报警装置和输入及显示装置。 智能型医用输液泵可满足多种功能的需求，归纳起来输液象能够实现以下功能： ( 1 ) 可精确测量和控制输液速度。 ( 2 ) 可精确测定和控制输液量。 ( 3 ) 液流线性度好。不产生脉动。 ( 4 ) 能对气泡、空液、漏液、心率异常和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切 断输液通路。 ( 5 ) 实现智能控制输液。 ( 6 ) 特别适合于快速输液。 1 3 常用医用输液仪器的分类 泵装置的种类很多，分类也多种多样，就驱动原理来说可分为电磁泵、气动泵和压 电泵等；就结构来说有离心叶轮泵、齿轮泵和蠕动泵等。医用输液泵需要精确控制液体 的流量和流速，有些类型的泵很难做到这一点，而且考虑到输液管要安装方便，药液不 能污染泵装置等因素，因此用得最多的主要有以下几种： 1 3 1 指状蠕动泵 目前广泛使用的是指状蠕动泵( f i n g e r - l i k ep e r i s t a l t i cp u m p ) ，又称线性蠕动泵( l i n e a r p e r i s t a l t i c p u m p ) ，如图11 为指状蠕动泵的结构示意图。它体积小，重量轻，定量准确， 使用方便，输液管安装方便。这种泵有一根凸轮轴，凸轮轴上有多个( 一般为1 2 个) 凸轮， 囤】1 指状蠕动泵结构示意图 f i g 1 1f r a m e w o r k o f f m g e r l i k es q u i r m p u m p 这些凸轮的运动规律相差定的角度，每个凸轮与个“手指”( 即滑块) 相连。工作时， 由步进电机带动凸轮轴转动，使滑块按照一定顺序和运动规律上下往复运动，像波一样 由步进电机带动凸轮轴转动，使滑块按照一定顺序和运动规律上下往复运动，像波一样 - 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 依次挤压静脉输液管，使输液管中的液体以一定的速度定向流动。这种泵比较精确，容 易控制。输液时不希望产生脉动，要求泵的线性度好。泵的线性度与“手指”的数目有关， 当“手指”数目超过8 个时，就有很明显的线性度，脉动也明显减少。 1 3 2 盘状蠕动泵 如图1 2 为盘状蠕动泵的结构示意图，这种蠕动泵具有圆弧形内周面的泵壳，有一 中心轮，中心轮的边缘呈轴对称分布安装着一定数量的可转动的挤压轮，输液管夹在挤 压轮和泵壳的圆弧形内周面之间。工作时，步进电机带动中心轮转动，中心轮又带动其 周围的挤压轮转动，中心轮像“叵星”，挤压轮像“行星”，挤压轮既绕中心轮公转又绕 自己轴线自转。几个挤压轮沿着中心轮顺序挤压输液管，使液体以一定的方向流动。 1 3 3 注射泵 图1 2 盘状蠕动泵结构示意图 f i g 1 2f r a m e w o r ko fd i s c a ls q u i r mp u m p 如图1 3 即为注射泵的结构示意图。这种泵由步进电机及其驱动器、丝杆和支架等 构成，具有往复移动的丝杆、螺母，因此也称为丝杆泵。螺母与注射器的活塞相连，注 射器里盛放药液。工作时，单片机系统发出控制脉冲使步进电机旋转，而步进电机带动 丝杆将旋转运动变成直线运动，推动注射器的活塞进行注射输液，把注射器中的药液输 入人体。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 活塞注射嚣 1 3 4 弹性输液泵 图1 3 注射泵结构示意图 f i g 1 3f r a m e w o r ko fi n j e c t i n gp u m p 如图1 4 为弹性输液泵的结构示意图。这种输液泵靠的是机械力，它由气球状容器、 输液管和输液调节器组成。气球状容器即是泵体，其内层膜是合成弹性橡胶( 不是乳胶) 。 工作时，先用注射器往泵体里注进药液，然后使泵体密封，这样泵体里就有正压力，打 开输液调节器，利用合成橡胶的弹性挤压作用，就可把药液连续或间断地输入到人体。 这种泵可以随身携带，使用方便，多用于长时间或闻断地输液。 洼射器 调节嚣输液曹 图1 4 弹性输液泵结构示意图 f i 晷1 4f r a m e w o r ko f e l a s t i c i t yi n j e c t i n gp u m p 1 4 输液速度和计算方法 从北京协和医院得知，输液速度主要是根据病人的年龄、药物性质和病人的身体状 东北大学硕士学位论更第一章绪论 况、病情而定。一般情况下正常成人每分钟4 0 8 0 滴分为宜，小儿与老人不宜超过2 0 - 4 0 滴分，但某些情况输液速度则需稍快或稍慢，例如，患者如果患有心脏或肺部疾病，输 液速度宜慢，一般为3 0 4 0 滴分。速度过快会加重心脏负荷，引起心衰或肺水肿，如 果患者脱水严重或失血过多引起休克，则需要加快输液速度，以补充血容量。输液速度 在某些情况下是非常重要的，根据药物种类的不同需要严格控制输液速度，如硝酸酯类， 常用的有硝酸甘油，一般浓度下常以8 滴，分，1 0 滴分，1 5 滴分的滴速进行点滴。速度过 快，单位时间内进行体内的药物剂量过多过大，则会引起不良反应。再如降颅压药物甘 露醇，则需要快速静点，一般要求2 0 甘露醇2 5 0 毫升的输液时间不超过3 0 分钟，否则会 影响其降低颅压的效果。 由以上所述可知输液速度应根据病情、输液总量、输液目的和药物性质等情况确定。 概括起来，可分为以下几类情况。 ( 1 ) 一般速度( 8 0 1 0 0 滴分) 补充每日正常生理消耗量的输液以及为了输入某些液物f 如抗菌素、激素、维生素、 止血液、治疗肝脏疾病的输助药等) 时，一般每分钟5 毫升左右。通常所说的输液速度 每分钟6 0 8 0 滴分，就是指这类情况。 静滴氯化钾，如速度过快可使血清钾突然上升引起高血钾，从而抑制心肌，以致使 心脏停搏于舒张期状态。因为血清钾达7 5 毫当量升时，即有可能发生死亡。如果把1 克氯化钾( 1 3 9 毫当量) 直接推入血液，那么在短暂时间内，就可使血清钾水平从原来的 基础上立即增高3 3 5 毫当量升，显然是极危险的。所以氯化钾的输注速度，一般要 求稀释成0 3 的浓度，每分钟4 6 毫升。 葡萄糖溶液如输入过快，则机体对葡萄糖不能充分利用，部分葡萄糖就会从尿中排 出。据分析，每公斤体重，每小时接受葡萄糖的限度大约为0 5 克。因此，成人输注1 0 的葡萄糖时，以每分钟5 6 毫升较为适宜。 ( 2 ) 快速( 1 4 0 1 7 0 滴分1 严重脱水病人，如心肺功能良好，一般应以每分钟1 0 毫升左右的速度进行补救， 全日总输量宜在6 8 小时完成，以便输液完毕后病人得以休息。血容量严重不足的休 克病人，抢救开始1 2 小时内的输液速度每分钟应在1 5 毫升以上。因为，倘若在2 小 时内输入2 0 0 0 毫升液体，就可使一个休克病人迅速好转的话，若慢速输入，使2 0 0 0 毫 升液体在2 4 小时内缓缓滴入，则对休克无济于事。急性肾功能衰竭进行试探性补救时， 常给1 0 葡萄糖溶解5 0 0 毫升，以每分钟1 5 2 5 毫升速度输入。为了扩容输入5 碳酸 氢钠或低分子右旋糖肝，为了降低颅内压或急性肾功能衰竭而早期使用甘露醇时，每分 东北大学硕士学位论文第一章绪论 钟均需以l o 毫升左右的速度进行。 快速静滴时，要注意观察病情，因为静脉输液过快，血溶量骤然增加，心肺负荷过 度，严重者可导致心力衰竭、肺水肿这种情况尤其多见于原有心肺疾患的病人或年老 病人。因此，在达到每分钟1 0 毫升以上的快速输液时，护理人员应确切掌握输液前的 呼吸次数与脉率，如输液后，呼吸次数与脉率较前为快，且伴有频繁咳嗽者，应减慢滴 速，并立即通知医生进行检查。若出现双肺底湿性罗音，说明存在肺水肿的先兆寨肺瘀 血现象。此时应立即根据医嘱静脉注射快速利尿剂。另外尚须注意，高渗溶液输入速度 过快时，可引起短暂的低血压也必须予以警惕。 ( 3 ) 慢速( 3 0 6 0 滴分) 颅脑、心肺疾患者及老年人输液均宜以缓慢的速度滴入。缓慢输液的速度一般要 求每分钟在2 4 毫升以下，有些甚至需要在l 毫升以下。 ( 4 ) 随时调速 根据治疗要求不同，输液时除有始终保持一种速度的情况外，还有须按实际需要随 时调节滴速。如脱水病人补液时应先快后慢。输液血管活性药的速度应以既能保持血压 的一定水平( 8 0 1 0 0 6 0 8 0 删n h g ) 又不致使血压过分升高为宣。为便于计算这些药物输 入剂量，在配制液浓度时，使在一定量的液体内加入药量恰好使每滴所含的药量为个 整数，这样易于调节计算，如需低浓度或高浓度，则可按倍稀释。 要达到需要的输液速度，一定要开放一条可靠的静脉通路，尤其要求快速输液时， 针头要粗、固定要牢。危重病人应同时开放两条通路，一条补液，条根据病情加用各 种药物静脉滴注。另外，根据循环稳定情况( 血压、脉搏) 、脱水情况及输入量的记录， 应该每6 8 小时总结平衡一次，以便医生及时决定调整补液速度。 ( 5 ) 输液速度简便快捷计算法 现在l 临床使用的输液器外包装上一般标有“2 0 滴= 1 毫升士0 1 毫升”f 3 】，故简便算法 中使用的常数2 0 ，并在简化过程中变为3 ，如下式： 每小时输入量( 毫升) = 每分钟的滴数3 输液总量( 毫升) = 每分钟的滴数x 3 x 时间( 小时) 每分钟的滴数= 笔焉旨鬻 时酬= 装焉裂 所以根据输液的实际要求，确定输液速度后，可以初步估算出一定时间的输液总量 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 也可以初步估算出一定容量的药品以某种滴液速度多长时间可以完成滴液，但要是想事 先估算的时间或输液总量比较准确，就要求能够准确的测量出输液速度，所以液体点滴速 度检测仪的研制就很有现实意义了，它成本低，操作简单，体积小巧，携带方便，是一些中大 医院护士的有力助手。 1 5 国内外输液泵的发展现状 现在市场上出现了各种各样的输液泵，根据不同的标准有不同的分类：固定点泵 ( s t a t i o n a r y ) 和非固定点泵( a m b u l a t o r y ) ；标准；j ( ( s t a n d a r d ) 和便携泵( p o r t a b l e ) ；体外泵 ( e x t e r n a l ) 和可植入泵( i m p l a n t a b l e ) ；机械泵( m e c h a n i c a l ) 、电子泵( e l e c t r o n i c ) 和重力泵 ( g r a v i t y ) ；容积泵( v o l u m e t r i c ) 和蠕动泵( p e r i s t a l t i c ) 。固定泵控制精确，报警齐全，但体 积较大；便携泵体积小，病人可随身携带，用电池作为电源，只适用于小量输液；可植 入泵使用方便，输液时病人移动不会产生影响，但需要外科手术；机械泵用正压力来输 送药物和液体，没有电源( 电池或交流电) ，体积小，可携带，主要用于输送小体积，长 时间或间歇输液，通常用于化学医疗、止痛或抗生药类的输液；电子式泵输液速度可达 9 9 9 m l h ，可实现智能控制。 国外对智能型输液泵的研制较早，如日本、美国和德国等国家上世纪8 0 年代末就 进行了输液泵的研制。现在市场上流行的大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日 本j m s 株式会社的o t - 6 0 1 型输液泵( 控制精度为1 0 ) 和s p 5 0 0 型注射泵，美国1 m e d 公司g e m m ip c 一2 t x 型输液泵可实现四路控制，还有德国贝朗( b i b r a u n ) 公司的 m u l t i f u s e 型、p e r f u s o rc o m p a c t 型( 控制精度可达到2 ) 、i n f u s o m a tp 型和i n f u s o m a tf i n s 型，型号众多，以色列也有相应的产品。 国内对输液泵的研制起步较晚，大都在9 0 年代中期开始研究，市场上也有一些国 产输液泵，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的z n b 系列产品，深圳康福特公司 也有输液泵产品。不过总体说来，种类较少，性能也需改进。输液泵将向更小型化、更 便携化、控制更精确、更安全可靠发展。如用于糖尿病治疗的胰岛素泵现在可随身携带 而不影响大多数日常生活，甚至可带着泵洗澡或游泳，如m i n i m e d 公司的5 0 7 型产品。 输液泵还向更智能化方向发展。如以后将在糖尿病患者皮下植入连续血糖测量系统，该 系统包括一个小型传感器，它每隔段时间检测皮下体液并获得血糖数据。当血糖过高 时，系统将发出警报。胰岛素泵根据血糖传感器测得糖尿病患者的血糖水平，然后自动 控制泵向患者体内注射胰岛索，真正实现智能输送 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 输液仪器的使用与发展现状 目前在我国的大、中、小型医院及下属社区卫生院、诊所等医疗机构进行输液治疗， 输液速度和输液量几乎全部都是不准确的。输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑 轮来控制液体流速的，输液量也是护士用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的。输液速 度监控等仪器设备没有被广泛采用。这样不仅会影响预期治疗效果；而且对于一些对人 体器官作用敏感需要严格控制输液速度和输液量的药物，由于个体差异机体耐受力不 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和输液量的人群， 会导致病情加重，有的甚至危及生命。输液泵是解决输液速度的一种有效方法，采用 动力挤压输液，在一定时间内输液量是一定的，但期间点滴速度并不均匀。而且机器成 本和耗材成本太高，只适用于急救和重症情况。s j k 型数字输液监控仪性能稳定，使用 简便、易操作，但价格比较昂贵，应用较少。而在未来的医疗机构里，特别是一些著名的 大型医院里，在给病人输液时，对输液速度和输液量的数值的准确程度的要求会越来越 高，因此就需要既实用又廉价的输液检测新产品的出现。 1 7 课题完成的工作及本文主要内容 本课题是应当今社会的实用新型需求设计的，课题的任务是设计并实现一个基于单 片机的液滴点滴速度自动检测仪，检测仪表具有意外情况报警功能与液滴速度实时显示 功能，本课题主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 检测仪的整体方案设计。根据检测仪功能要求并且考虑产品的性价比，采用红外 对管检测传感器，并采用模块化设计方法，以方便检测仪的调试和后期开发。 ( 2 ) 检测仪硬件设计。主要包括单片机芯片的选型、红外传感器的选型及电路的设计、 报警电路设计、单片机系统及其外围电路的设计、单片机与液晶显示模块接口电路 设计。 ( 3 ) 检测仪软件设计。主要包括键盘、液晶显示、液滴检测程序设计和报警程序等。 ( 4 ) 检测仪的实验结果分析。 本文主要讲述了红外传感器检测技术和单片机应用的基本原理在本检测仪设计中 的应用、检测仪硬件电路的设计、软件的设计、检测仪表准确性分析，具体内容安 排如下： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第1 章介绍了系统的基本设计思想，阐述了常用输液仪器的发展与现状，说明了各 种情况下输液速度要求。 第2 章讲述了液体点滴速度自动检测仪的传感器设计。 第3 章讲述了检测仪的硬件设计。 第4 章讲述了检测仪的软件设计。 第5 章讲述了检测仪的实验及结果分析。 ： 第6 章讲述了结论与展望，指出检测仪的不足之处，提出了还应更加完善的部分， 并展望了本课题技术领域的未来发展趋势。 东北大学硕士学位论文第= 章液体点滴速度检测仪的传感器设计 第二章液体点滴速度检测仪的传感器设计 2 1 红外传感器概述 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或x 射线。人眼可见的光波是 3 8 0 n m 一7 8 0 h m ，发射波长为7 8 0 h m l m m 的长射线称为红外线， 红外线光电传感器，它是 利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通电路而检测物体的有无，其 物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，而且检测距离可近可远，根据具 体情况选择自己合适的传感器即可，图2 1 为不同波长的光的分布情况。 频率约为 1 0 2 0 皿 1 0 1 6 皿 1 0 1 4 把 图2 1 不同波长光的分布示意图 f i g 2 1 d i s t r i b u t i n gd i a g r a m o f d i f f e r e n t w a v e l e n g t h l i g h t 2 1 1 直射式光电传感器 l 剐 一一下一一隧二忙 个1个 光电开关发射器被检测物体光电开关接收器 图2 2 直射式光电传感器结构示意图 f g 2 2f r a m e w o r kd i a g r a mo fd i r e c tp h o t o e l e c t r l c i t ys e n s o r 直射式光电传感器包括在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射 器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时， 光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，直射式光电传感器是最可靠的检 东北大学硕士学位论文 第二章液体点滴速度检测仪的传感器设计 测模式。 2 1 2 直接反射式光电开关 直接反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经 过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开 关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选 的检测模式。 司二圈= i 十个 直接反射式光电开关被控测物体 图2 3 反射式光电传感器结构示意图 f i g 2 3f r a m e w o r ko f r e f l e c t i n gp h o t o e l e c t r i e i t ys e n s o rd i a g r a m 2 1 3 槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的u 字型结构，其发射器和接收器分别位于u 型槽的两边， 并形成一光轴，当被检测物体经过u 型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开 关量信号。槽式光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化的信号，分辨透明与半透明 物体，但槽间的距离一般比较小，不适合检测体积较大的物体。 l 1 l i 图2 4 槽式光电开关传感器结构示意图 f i g 2 4f r a m e w o r ko fg r o o v i n gp h o t o e l e c t r i c i t ys w i t c h i n gs e n s o rd i a g r a m 2 1 4 反射板反射式光电开关 反射板反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线 经过反射板，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了 检测开关信号。 东北大学硕士学位论文 第二章液体点滴速度检测仪的传感器设计 早蠹 f丁i 发射器和接收器前端装上光纤( 玻璃、塑料光纤的基本操作相同) 。光纤是光电传感 器的“眼”的延伸。由于光纤导线体积小又具伸缩性，解决某些不易进入部位的传感问 题。由于没有电流在光纤中，因此没有安全措施也能在易爆或强电磁场r 高压设备，电 焊设备) 存在的区域正常工作。光纤足够细可探测到最微小的物体。 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区 域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 ，t 纤抽 式接头 光纤蛾 、? d 誓函酬一l ftt 光纤控制器光纤传感譬 隧谢物体 图2 6 光纤式光电传感器的结构图 f i g 2 6 f r a m e w o r k o f o p t i c a l f i b e rs e l l s o r d i a g r a m 2 2 传感器的设计 2 2 1 传感器的选用原则 传感器千差万别，即便对予相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因 此根据需要选用最适宜的传感器1 4 】。 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测 东北大学硕士学住论文 第二章液体点滴速度检测仅的传感器设计 量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定 之后，与之相配套的测量方法和测量电路也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程 度上取决于传感器的选用是否合理。 2 2 1 1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方 面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理的传感器可供 选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考 虑以下一些具体问题：测量距离的大小；被测量位置对传感器体积的要求；测量方式为 接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是无线测量；传感器的来源，国产还是 进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后，就能确定选用何种类型的 传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2 2 1 2 输入光波长的选择 通常，在光电传感器的使用范围内，可见光的影响是无处不在的。因此要注意光电 开关发射器与光电开关接收器的波长敏感范围。如果接收器可接收的光的波长范围很 宽，与被测量无关的外界光信号也容易混入也会被放大系统放大，影响测量精度。因 此，选择光电传感器的时候，要求传感器本身应具有最佳波长使用范围，尽量减少外界 信号的干扰，如果传感器对可见光非常的敏感，可以将传感器系统与可见光隔离，避免 其受到外界影响。 2 2 1 3 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失 真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟希望延迟时间越短越好。传感器的 频率响应高，可测的信号频率范围就宽，频率低的传感器可测信号的频率较低，在动态 测量中，应根据实际信号的特点来确定所需传感器的频率响应特性，以免产生过大的误 差，因为液滴下落的速度很慢，要求传感器频率很低即可，所以一般的光电传感器都可 以满足此项要求。 2 2 1 4 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳 定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良 好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的 传感器，液体点滴速度测量装置的使用环境非常好，此项要求很容易得到满足。 2 2 1 5 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标它是关系到整个测量系统测量精度的一个重 东北大学硕士学位论文 第二章液体点滴速度检测仪的传感器设计 要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系 统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中 选择比较便宜和简单的传感器。 2 2 2 检测仪传感器的分析 在传感器的设计过程中，充分考虑到各种传感器的优缺点以及他们的使用要求与适 用范围，充分分析了它们各自的特点，根据检测仪的设计要求，使设计简单易行，稳定 可靠，在传感器选型上选用了直射式光电传感器，利用红外发光二极管与光敏三极管组 成，将液体的点滴速度转换为高低电平表示的电信号。 如果采用沟槽式光电开关，即可达到测量目的，该开关是沟槽式的，由于沟槽过窄， 滴斗无法放入，不适合本检测仪：光纤传感器，将光纤传感器固定于滴斗的外侧，当有 液滴滴下时，光纤传感器感知滴斗的壁是否产生特定的抖动，而判断有无液滴滴下，此 方法理论上能够达到设计要求，但原理比较复杂，实现起来有些困难，同时受外界因素 影响很大，因此也没有被采用；对射式光电传感器包含在结构上相互分离且光轴相对放 置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和 接收器之间则阻断光线，光电开关就产生了开关信号，电平翻转，信号送入单片机的定 时器计数器进行计数操作，对射式光电传感器电路设计简单，且受可见光的干扰很小， 稳定性好，成本低，因此采用红外对管来实现点滴速度的检测是比较理想的。利用支架 固定于滴斗的两侧，由于水滴近似成球形，所以当光线经过水滴中心时，光线不被折射， 而沿直线传播，这样接收管始终能够接收到发射管的光，也就始终处于导通的状态，发 射管与接收管之间有无液滴通过，信号输出端没有变化，因此起不到检测液滴速度的目 的，根据光学知识，滴管的直径，液体的折射率等参数经过计算，发射管的光线与输液滴 管中心线之间必须有一定的偏移，这样可以稳定可靠地检测到下落的水滴，偏移多少为 宜，在检测结构理论分析部分做详细说明。 2 3 传感器检测结构几何光学分析 2 3 1 检测结构几何光学分析参数表 表2 1 列出了传感器检测结构几何光学分析的已知参数，作为后面几何光学分析的 依据，传感器检测结构几何光学分析主要说明红外发光二极管与光敏三极管的各种不同 安装位置，对检测结果的不同影响，如果安装位置不合理，会导致检测失败，从而不能 够达到检测输液速度的目的。 东北大学硕士学位论文第二章液体点滴速度检测仪的传感器设计 表2 1 几何光学分析已知参数表 t a b l e 2 1 t h e t a b l e o f p a r a m e t e r o f g e o m e t r i c a lp h o t i c sa n a l y s i s 通过分析红外发光二极管与光敏三极管中心线与水滴下落过程中的相对位子关系， 主要目的是得出水滴下落过程中，红外发光二极管与光敏三极管可靠的检测位置。表2 2 列出了典型液体的折射率，根据液体的折射率表可以得出主要药液的折射率的范围，选 用有代表性的折射率进行可靠的检测位置理论分析，对于医疗上的输液来说具有普遍意 义，这里选用的折射率为典型液体的折射率的平均值，约等于1 4 0 。 如图2 7 点滴检测部分支架图，如图所示，左侧孔位子安装红外发射管，右侧孔位 子安装红外光敏接收管，滴斗放置在发射管与接收管的中间位子，液滴从发射管与接收 管的中间通过，根据输液的液滴对红外光线的折射作用，可使光敏三极管导通或截至。 查! ! 垄兰翌主茎堡垒圭 苎三主望丛：墨塑垄壅竺型坚堕堡查墨! 墨! l 图2 7 点滴检测部分支架图 f i g 2 7t h ef r a m eo fd r o p p i n gm e a s u r es y s t e mp i c t u r e 2 3 2 检测结构的几何光学分析 传感器检测结构几何光学分析主要从图2 8 传感器检测结构几何光学分析图a ，b 两个有代表性的位置讨论红外发光二极管和光敏三极管与下落的水滴的相对摆放位置 图2 8 传感器检测结构几何光学分析图 f 皓2 8g e o m e t r c a lp h o t i e sa n a l y s i so f t r a n s d u c e rm e a s u r n gf r a m e 关系的不同从而得出的不同检测结果，从而得出水滴下落过程中，红外发光= 极管与光 敏三极管可靠的检测位置。a 位子表示红外发光二极管和光敏三极管的中心线与液滴的 中心线重合；b 位子表示红外发光二极管和光敏三极管的中心线