基于单片机的液体点滴红外测速.doc

内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 - 22 - 页2019-12-18基于单片机的液体点滴红外测速第一章 绪论1.1 本论文研究的背景 静脉输液是临床医学中的一个重要的治疗手段和医学监护的一项重要内容，在各个医院的医疗工作中被广泛应用,据统计住院输液率为70% 80%。它不仅是一种重要的给药途径,而且还是给患者补充体液、营养的重要方法。在输液过程中, 输液速度是一个很重要的参数, 一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。同时，在静脉输液过程中，必须有人陪护，以防鼓包等事故发生，尤其对术后几乎需要24小时不间断输液的患者的监护，更是让护理者身心憔悴。当护理者发生困倦时，极易发生事故。通过调查得知,目前几乎所有医院因种种原因仍没有采用输液监控系统,而是采用传统的输液方法, 即将液体容器挂在一定高度，利用液体静压原理与大气压的作用使液体下滴，将大量灭菌药液直接滴入静脉内，从而达到治疗目的。用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，医护人员按药剂特性对滴速进行控制。由于这种滴速控制是通过肉眼观察进行估计的，需要根据经验来调节, 使得点滴流速不够准确，影响了治疗效果，以至危害病人健康。当液体输完时，如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现回血等情况。为此患者家属需要陪同病人并且不断地观察输液情况，这样容易导致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影响治疗质量和患者康复。同时，护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷，有时还会产生医疗纠纷。基于以上情况，针对上述现象，我们需要一种能够动态显示滴速、精确控制点滴滴速，并且能在液体走空前发出声像警报的低价、实用、智能的输液控制报警系统，对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势。 1.2 国内外研究现状及发展趋势陷国外对智能型输液装置的研究较早，如日本、美国和德国等国家上世纪八十年代末就进行了智能型输液装置的研制。早在几年前，发达国家许多住院床位就已经配备了输液泵。输液泵是一种多功能输液控制器，能够较为精确地控制输液速度，并实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警。我国只是在一些大医院才有部分配备，且大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日本 JMS 株式会社的OT -601型输液泵（控制精度为10%）和 SP - 500型注射泵，美国、德国、以色列等国家也有性能较好的产品。但是价格普遍比较昂贵，在两万元人民币左右，使大部分三级甲等以下医院望尘莫及。国内对输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期开始研究，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。不过总体来说其功能也只是侧重于精确输液控制，种类较少，性能也需改进，加上不菲的价格，所以也只能是和进口输液泵争一点市场份额，未能在各级医院大面积的推广普及。由于规范操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的，因此输液速度的控制和输液完成报警成为了人们更为关心的问题。而且输液完成报警器的研制也成为近年来的一个热门课题，根据前年对国家知识产权局专利信息的查询，已有67种输液完成报警器专利技术，但由于各专利技术或多或少都存在着这样或那样的缺陷。诸如安全性、可靠性、成本及可操作性等问题，致使真正转化为产品的专利并不多。作为一种医疗器械，安全性、可靠性是基础，作为一种只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品，使用方便和足够低的价格又是一种基本要求，所以，这种产品即便安全性、可靠性得到了充分保证，但如果没有简便的操作和足够低的价格作支撑，想要顺利推广也是不可能的。 我国是世界上拥有医院最多的国家，具有庞大的消费群体。近几年来，由于政府的支持，医疗器械发展迅速。医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行业。按照原国家经贸委指定的医疗器械行业“十五”发展规划 ，到2010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。 目前医院普遍使用的是人工监控点滴输液装置器, 将液体容器挂在一定高度, 利用势差将液体输入病人体内, 用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速, 医护人员按药剂特性对滴速进行控制。如何使这种手工操作走向自动化或半自动化, 让护理人员监控病人打点滴的进程时间得到充分利用, 使能自理的病人自己能掌握点滴的速度。1.3 本文研究的内容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。所以利用红外传感器来测量水滴的速度比较好。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。经过大量的资料考证发现对射式红外传感器能比较灵敏的测出水滴。本文希望通过传感器检测出液体点滴的的信号，并通过单片机动态显示出液体的速度1.4 本文的内容结构第一章绪论，第二章介绍本论文的总体方案，第三章介绍红外测速的硬件设计，第四章介绍软件编程，第五章总结。第二章 红外测速的总体方案2.1 系统的需求分析系统需求分析是在系统设计之前进行收集系统有效信息的阶段，这一阶段的任务通常分两步来完成：首先，从课题来源收集系统的需求信息；其次，对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，这些规格说明里包含了系统设计所需的足够信息。为了使系统正常运行，就必须合理设计系统的整体结构，在系统总体设计时，首先要说明输液监控系统软、硬件功能分配，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成，其次要说明各部分的工作原理，以及工作中各部分之间的关系等问题。 分布式输液监控系统是为了解决输液过程存在的输液速度误差大、输液过程需要有人全程陪护、输液完成时需要人工向护士站报告等问题而设计和开发的一套基于多输液监控仪和 PC形成的有线分布式网络系统，其中各监控仪和PC通过一定的传输协议进行通信，各监控仪采集的数据可自行处理，并可通过 PC进行显示，从而实现 PC对各输液监控仪的监控管理。 通过调研和讨论，分布式输液监控系统应当适合以下条件：多台监控仪由PC进行统一管理； PC和输液监控仪在同一楼层使用，综合考虑布线等因素，可靠距离应当在百米以上；输液监控仪对输液速度进行监视，如果不在设定范围内就在监控仪和 PC上同时进行报警；系统管理软件应该能够对各输液监控仪进行监控；系统应该操作简单，易于使用；系统成本应该控制在合理的价格之内。 基于上述分析，为系统编写了需求表，如表 2.1 所示。表 2.1 系统需求表 2.2 本论文方案的论述与比较2.2.1 点滴检测方案的论述与比较方案一: 采用压力传感器来实现。 在受液瓶下加一压力传感器, 通过感知其压力大小来判断是否有液滴落下。液滴的质量约0. 05g, 目前精度较高的压力传感器其灵敏度仅0. 1g, 故此方案目前无法检测。方案二: 采用液位传感器来检测。 将一液位传感器置于受液瓶中, 根据液位传感器感受到的液位起伏来检测是否有点滴落下。将传感器置于液体中, 不可取,同时由于相邻两次液位差距很小, 会引入较大的测量误差。方案三: 采用光纤传感器, 将光纤传感器固定于滴斗外侧。 当有液滴滴下时, 光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动, 而判定有无液滴落下。采用光纤传感器, 测量精度较高, 但是光纤传感器的成本很高。方案四: 采用红外传感器实现, 根据接收到的光强的强弱判断是否有液滴滴下。由于红外光波长比可见光长, 因此受可见光的影响较小。此方案成本低, 电路简单, 且不受可见光的干扰, 稳定性好, 因此采用此方案作为点滴检测方案。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。经过实验可发现对射式红外传感器能比较灵敏地测出水滴。利用测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。由此方案所选定的装置也可用于判断液位是否到达警戒线。 2.2.2 液位检测方案的论述与比较方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。 方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部广元等干扰。 方案三：脉冲调制的红外对射传感器。红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。2.3 系统研究的总体框图基于AT89C52单片机的液体点滴红外测速有5大部分组成，分别是单片机核心部分、LED显示部分、A/D转化单元以及红外传感测速部分和液位检测部分。通过红外传感测速以及液位检测将信号给A/D转换成数字脉冲，单片机计算脉冲个数然后算出速度。最后通过LED显示出速度。 AT89C52声光报警单元脉冲整形及A/D转换单元输液信号采集单元滴速显示单元单片机外围电路液位检测单元步进电机及驱动2.4 小结本文简单的分析了输液监控系统需求分析，并根据自己的知识提出了本文的总体构成，只涉及滴速模块的设计、动态显示、声光报警的设计。第三章 红外测速的硬件设计 3.1 硬件电路3.2 点滴信号检测单元此模块利用对射式红外传感器来检测液体滴速。3.3 液位信号检测单元同速度检测部分一样，本文也曾提出了两种实现方法，即有损探测和无损探测。考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，所以选择红外无损探测方案。虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水的储液瓶接收信号差异还是可以达到30 40mV ，这说明红外无损探测对于越限报警电路来说也是可行的。由于越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高度以下时发出警报，因此传感器部分接收到的信号不需要经过滤波，而只需放大即可，出于尽量减小信号传输损耗的考虑，把初级放大部分电路与传感器一起设计在储液瓶旁边。再设定一个门限电平，使接收信号高于门限电平时给单片机送入一个信号，产生警报， 即构成了越限报警电路， 其系统框图如图 3.7 图 3.7 液位监测系统框图 3.4 键盘及LED 显示单元3.4 报警系统单元采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当传感器检测到液位低于预设值或传感器检测不到有液滴下落时，从站单片机控制蜂鸣器和报警灯工作，在发出声光报警的同时向 PC主站发出报警信息。 在实际应用中，如果设定的滴速过高，输液瓶上升到支架顶部时，仍达不到设定的滴速，输液瓶继续上升有可能会拉倒支架，造成危险。所以在支架的顶部安装一个红外探测器，如检测到输液瓶上升到支架顶部，则发出信号，通知单片机控制电机停转，同时发出声光报警并向 PC主站发送报警信号3.5 小结 这只是其中硬件设计的一部分，以及仿真电路。其他的未写出。第四章 红外测速的软件设计4.1 软件流程 开始初始化有信号扫描外围电路LED显示计算点滴液位检测报警Y中断N 4.2 点滴速度测量模块设计点滴速度可以有以下两种方式进行测量。方式一：以点滴间隔为单位，记录一次点滴的时间，用60除以点滴单位时间就可得到每分钟的点滴数。这种方法用到除法操作，而且当点滴速度较快时，测量误差较大，因为测量单位点滴时间的误差回被60秒这样大的时间单位放大。但此法在修正点滴速度时，可以实时的测得当前的点滴的速度变化量，适合在调整滴速度使用。方式二以单位时间记录点滴数。通过简单的乘法就可计算出点滴速度，但此法也存在单位时间内不是完整的点滴数目，从而存在一定的测量误差。但是，此法在点滴速度恒定的情况下，可以采用多个单位时间取均值，从而求得单位时间的平均点滴数，这样可以达到比较好的精度。 在本设计系统中，采用将两者结合的方法进行测量。以点滴为单位，同时记录单位时间内的点滴数。通过对多个点滴测量计算出点滴速度。实现原理如图 4.2。 BAB中断次数中断次数图 4.2 速度计算实现原理 使用定时器 0 T 定时200us，当检测到第一个到来的脉冲信号时，程序进行中断处理，将计数器存储内容读出，再将计数器清零作为记录脉冲信号的初始值计为COUNT = 0，当定时器定时到达200us时，程序中断检测输入信号是否有 26脉冲信号到来，同时计数器加1即为COUNT = 1，另外设定计数器COUNT = 1记录检测到的脉冲信号个数，设定计数器COUNT = 1的存储单元是10，这样可以通过循环存储脉冲个数。在定时器COUNT = 1中取出5个相临脉冲信号点（设起始脉冲点是 x，此时对应的计数器COUNT值是 1 n ，第五个脉冲点是 x+5，此时对应的计数器COUNT值是 2 n ）这样就能计算出5个脉冲点所需要的时间为：t =(n2 - n1)200us，进而得到相临脉冲信号时间间隔的平均值T=t/5，这样就可以得到点滴速度：v= 60s / T = 1500 / (n2 - n1)。根据上面的理论分析和计算，得到点滴速度测量的程序框图如图 4.3。 4.3 键盘及LED软件子程序 /* 显示子程序 */void display(void)unsigned char en4=1,2,4,8;if(valcu