输液监护器单片机控制系统.doc

计算机控制技术课程设计1概述目前医院的病人输液时,病人往往由于身体虚弱,昏迷或入睡而无法留意,或者医护人员正在别处忙碌等情况,当输液完毕,若处理不及时,病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内,即所谓“回血”,时间长了甚至还会使扎针处严重肿胀.因此容易引发病人的不满以至投诉和医护人员的无奈。而且输液速度是护士通过拨动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，输液速度是护士根据经验大致调整的，这样不仅可能影响预期的治疗效果，而且对于一些对人体器官作用敏感而需要严格控制输液速度的药物，由于个体差异，机体耐受力不同，特别是在手术中，手术后以及病情危重需要严格控制输液速度的病人，会导致病情加重，有的甚至可能会危及生命。这种因输液异常，输液结束不易被及时发现，就容易出现医疗事故，不仅是病人生命财产的隐患，也是造成医务人员工作量大，工作压力重的重要因素。至于药液是否停液，滴液的速度是快还是慢等，一般都是在病人没有入睡时或他人帮助下通过各种开关来通知医务人员及时采取措施的。为了克服传统临床输液中由患者、陪护或医护人员随时观察监视药液余量情况，牵扯精力大、效率低、不利于病区的综合管理的弊端，结合临床实践，利用光电原理和单片机技术研制出一种智能输液监测装置。这种装置能够实现远距离，多床位，集中分时显示各床位的输液状况，并自动报警，对医疗工作有很大的帮助。 本装置由液滴采集电路、LED显示与键盘控制电路、报警输出电路以及通信装置组成，通过光电开关传感器把液滴信号转换为电脉冲信号，并以电信号的形式传给单片机，经运算，分析，处理后单片机将数据传送给LED显示模块，并能报警，以提醒医护人员进行相应的处理。2 输液监护器的总体设计2.1 系统的构成该监控系统由主从站两大部分组成，其框图如图1-1：图1-1主从站结构框图1）主站（监控中心）由PC机作为上位机，采用巡回查询的方式与从站进行通信，收集从站的实时信息，并进行显示及报警。2）从站以AT89C51单片机为中心，完成对某一具体输液控制过程的监控。这次设计主机和从机的通信采取的是无线通信。采用nRF905无线通信芯片把主站和多个从站连成一个系统，实现主机与从机的远程通信，即远程控制。本次设计主要针对从站进行设计。 2.2 系统框图及工作原理系统总体结构框图如图1-2所示。输液监控系统以AT89C51单片机为中心，单片机需要电源电路，复位电路，振荡电路来保证其正常工作。默认速度设定值为60滴/min，可以通过键盘来修改设定值。采集装置通过光电开关传感器对速度进行检测，并以电信号的形式传给单片机，经运算，分析，处理后单片机将数据传送给LED显示模块，实现输液速度的显示。通过对设定值和实际值的比较来控制电动机的正，反转，从而带动输液器上的控制齿轮上升下降，达到控制输液速度的目的。另外，当采集装置通过光电开关传感器检测到速度值过高或过低时，直接启动声报警装置。若声报警持续一分钟后无人复位，则由单片机发出信号控制电动机，使输液器上的小齿轮处于无液滴滴出状态，这样可以大大提高输液的安全性。晶振电路复位电路键盘输入AT89C51显示装置报警装置控制电机电源电路nRF905nRF905AT89C51MAX232监控电脑图1-2系统的结构框图3 输液监护器的硬件设计系统总电路图如图3-1，输液监护器以AT89C51单片机为核心，由显示电路、传感器检测电路、限速报警电路，键盘电路等部分组成。传感器检测电路发出微弱的电信号，经过信号调理电路的放大整形处理，转变成单片机能够接收的电信号，通过单片机的定时计数控制，经过数据的计算处理送液晶显示模块显示，实时显示当前速度。通过按键选择功能设定液体点滴速度的极限速度，当液体点滴速度超过所设定的极限速度时限速报警电路发出报警信号，提示医护人员目前的输液状况异常。图3-1系统的电路图3.1 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（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）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。3.2 执行机构本设计的执行机构采用的是步进电机。单片机控制步进电动机，主要任务是： 按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制。每输入一个脉冲电机沿选择方向前进一步，每前进一步电机转动一个固定角度。从这个意义上讲，电机也是一个数字/角度转换器。3.2.1 步进电动机概述步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按ABCABCA次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成ACBACB的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。 步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。3.2.2 步进电机控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CA,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,A相的通断。2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。表3-1步进电机控制原理方式 步序 控制位 通电绕组 控制字 三 相单三拍式 1步 2 步 3 步 P1.6 P1.5 P1.4 C相 B相 A相 0 0 1 0 1 0 1 0 0 A相 B相 C相01H02H03H根据上表，单三拍相序为 ABCA时电机正转，反之ABCA则电机反转。本题设计的关键是控制电机的旋转方向和步数，把调节的最小绝对误差控制在预置数M10%1滴 。步进电动机的控制电路图如图3-3所示。图3-3 步进电动机控制电路图3.3 数据采集模块及工作原理采集部分采用红外传感技术实现对滴斗中点滴的检测，电路如图3-4所示。比较器LM311的门限电压为可调电压，可提供0.8 V5V的电压，以适应不同环境。当无点滴经过红外传感器感应区时，接收管导通，Vi输出低电平，低于比较器的门限电压V-，V1输出低电平。当点滴经过感应区时，红外发射管发出的光线在一个短暂的时间内被阻挡，接收管出现一个短暂的截止，Vi输出电平产生一个上升沿，高于比较器的门限电压V-，比较器输出一个高电平脉冲给单片机，触发单片机计数，达到了单位时间内计数的目的。图3-4数据采集装置发光二极管发射的光束经过茂菲氏管的液滴滴落线投射到光敏三极管的感光面，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光生电流也最大;当有液滴滴落时，由于液滴的光学特性，使光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将下降，从而使光敏管光生的电流下降，由于不同类型的药液(透明、半透明和不透明)液滴的光学特性不同，形成不同幅度的负脉冲，只要检测光电三极管的输出电流脉冲，就可以探测出有无液滴的通过。3.4 声报警模块报警电路如图3-5所示，直接接在单片机的P1.0脚，在输液前，根据病人情况设定输液速度，当点滴的速度低于20滴/分或高于150滴/分时，单片机发出信号使P1.0出现高电平，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。如有人按报警按钮，I/O口也会输出高电平，触发蜂鸣器报警，提醒医护人员和受液人采取相应措施，避免危险事故发生。如10秒后仍然无人处理，则关闭输液器。保证病人安全。图3-5 报警电路3.5 显示模块在单片机应用系统中，通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预和数据输入以及应用系统向人报告运行和运行结果。显示模块就是单片机向人汇报运行情况的工具。在单片机系统中,常用的显示器有:1）发光二极管显示器,简称LED(Light Emitting Diode);2）液晶显示器,简称LCD(Liquid Crystal Display);3）荧光管显示器，简称CRT。近年来也开始使用简易的CRT接口,显示一些汉字及图形。LED就能满足显示的要求，所以本设计采取LED显示电路图如图3-6所示，显示模块有六位数码管组成，七段译码器CD4511作为数码管的驱动器。P0.0P0.5作为六位数码管的位选信号，接在CD4511锁存允许端LE，当P0.0P0.5某位为低信号时，当LE=0时，控制相应的CD4511工作，4位BCD码进入锁存器，从而显示相应数字。图3-6显示模块电路图3.6 键控模块图3-7键盘电路键控模块的电路图如图3-7所示。根据功能上的需要，本输液监护器的键控模块主要用来进行参数设置。使用前可设定液滴，在输液时可随时暂停输液，并可以在任意时刻重新启动继续输液。为提高安全性，还有异常情况造成的流速过快或停止时的报警装置。这样完成所有操作总共需要四个键。复位要占用一个键，病人紧急呼救要占用一个键。速度设定可以采取加减得方式，先在内部设定一个初始值，然后通过加和减的方式改变数值。这样就用到一个加键和一个减键。单片机的I/O口丰富，因此四个键直接接在单片机的I/O口上，采取循环扫描的工作方式，当某一按键被按下时，键盘接地电路导通相应I/O口由高电平下降为低电平，此时单片机系统监测到P1口相应位的电平变化执行相应的子程序，本程序中子程序为对P2口送出所键入数字的四位二进制代码，作为CC4511译码器的输入信号驱动数码管。例：按下按加键则P1.1由高电平下降为低电平，单片机系统扫描P1口监测到p1.1的变化执行子程序。3.7 通信模块单片机和监控电脑的连接采用的是无线通信方式，监控电脑能检测并设定输液器的输液速度，并实现远距离的控制。通信芯片采用了无线通信芯片nRF905。nRF905可以直接与单片机连接，所以从机控制模块AT89C51可直接与nRF905连接。而监控电脑不能与nRF905直接相连，这就需要nRF905先与AT89C2051相连，在通过RS232接口与监控电脑实现连接。通信接口芯片采取的是MAX232，它主要实现AT89C2051的接口与RS232之间的电平转换，芯片内部有一个电源变换电路，可把输入的+5V电源电压变换成RS232C输出电平所需的12V +12V的电压，所以此芯片接口的串行通信系统只需+5V电源就可以了。4 输液监护器的软件设计本设计只对从机部分进行程序设计，主程序框图如图4-1所示：图4-1主程序框图4.1 检测程序本系统采用光电开关采集信号，当有液滴通过P1.7产生一个脉冲，这样就可以通过纪录两滴液体间的时间，经运算就可以得到液滴的速度，流程图如图4-2所示：YNYN初始化判断P1.7=1即是否有液滴启动定时器在检测P1.7=1即检测第二滴停止计时器利用中断次数得到时间计算出液滴速度图4-2 检测程序框图JMP BEGINORG 000BHAJMP CTC0ORG 0100HBEGIN: MOV 33H,#0CH ;设定初始流速60滴/分MOV 34H,#03HMOV 35H,#00HSTART ： MOV TMOD，#01H MOV TH0， #D8H ；定时10毫秒MOV TL0， #F0HMOV 25H， #00HSETB EASETB ET0HERE1： JB P1.7 REL1SJMP HERE1REL1： SETB TR0HERE2: JB P1.7 REL2SJMP HERE2REL2: CLR TR0速度计算MOV A, #60MOV B,#100MUL ABMOV R2 BMOV R3 ADIVD: CJNE R3 25H DIVD1DIVD1: JC DIVD2INC 26HSUBB R3,25HDIVD2: SUBB R3,25HDJNZ R2 DIVD二进制转化BCD码MOV A，26HMOV B，#100DIV ABMOV 35H，A MOV A，BMOV B，#10DIV ABMOV 34H，AMOV 33H，BCALL DISCTCO： MOV TH0，#D8HMOV TL0，#F0HINC 25HRETI4.2 电机控制子程序NNY测试滴速子程序比较原速度与目的速度是否相等目的速度是否大于原速度提高点滴速度其他子程序Y降低点滴速度图4-3电机控制程序框图实际检测值和设定值已经被转换成BCD码存在30H到35H单元，其中30H到32H是实际值的从低到高位，33H到35H是设定值的从低到高位。电动机的控制就是将实际值和设定值相比较，如果在误差允许范围，电动机无动作，如果实际值小于设定值且差值大于误差允许范围，则电动机正传，反之电动机反转。COMP: MOV A,32H ；实际值和检测值比较CJNE A,35H,COMP1MOV A,31HCJNE A,34H,COMP1MOV A,30HCJNE A,33H,COMP1AJMP STOPCOMP1: JC UPJNC DOWNUP： SETB P1.4 ；电机正转CLR P1.5CLR P1.6SETB P1.5CLR P1.6CLR P1.4SETB P1.6CLR P1.4CLR P1.5AJMP COMPDOWN: SETB P1.4 ；电机反转CLR P1.5CLR P1.6SETB P1.6CLR P1.5CLR P1.4SETB P1.5CLR P1.4CLR P1.6AJMP COMPSTOP: CLR P1.4 电机停止CLR P1.5CLR P1.6AJMP GOOUT4.3 显示子程序图4-4 显示程序框图LED显示器要显示的内容是检测速度和设定速度，程序流程图如图4-4所示。六位数码管（右起）位选代码分别为：FEH(11111110), FD(1111101) ,FBH(11111011)，F7H(11110111),EFH(11101111),DFH(11011111)。DIS: MOV R0， #40H ; 装位码MOV R0， #FEHINC R0MOV R0， #FDHINC R0MOV R0， #FBHINC R0MOV R0， #F7HINC R0MOV R0， #EFHINC R0MOV R0， #DFHDIS1: MOV R0， #30HMOV R1， #40HMOV R7， #06HXS1: MOV P2， #0FFHMOV P0， #0FFHMOV A， R0MOV P2， AMOV A， R1MOV P0， AINC R0INC R1DJNZ R7, XS1RET4.4 键盘程序系统除复位键外扩展了三个键，其功能分别为“加减”，“减键”和报警键，先采用查询检测有无按键，再转入不同功能程序段，加减键功能程序是通过对设定单元的数值进行加1和减1操作来实现，当有人按报警键时，警报响起，10秒内如果还没有人处理，就停止警报，通过修改设定值为0的方式来停止滴液，以保证病人安全。程序流程图如图4-5所示：图4-5 键盘程序框图GOOUT： MOV A，P1JNB ACC.1，PP1JNB ACC.2，PP2JNB ACC.3，PP3LJMP STARTPP1： INC 33HMOV A，33HCJNE A，#0AH，PP12LJMP GOOUTPP12： MOV 33H，#00HINC 34H MOV A， 34HCJNE A，#0AH，PP13LJMP GOOUTPP13： MOV 34H，#00HINC 35HLJMP GOOUTPP2： DEC 33HMOV A，33HCJNE A，#00H，PP22LJMP GOOUTPP22： MOV 33H，#09HDEC 34H MOV A， 34HCJNE A，#00H，PP13LJMP GOOUTPP23： MOV 34H，#09HDEC 35HLJMP GOOUTPP3： SETB P1.0LCALL DLY10SCLR P1.0MOV 33H，#OOHMOV 34H，#OOHMOV 35H，#OOHLJMP GOOUTDLY10S: MOV R0,#200DLOP1: CALL DLY25mCALL DLY25mDJNZ R0,DLOP1RETDLY25m: MOV R1,#250DLOP: CALL DLY10CALL DLY10DJNZ R1,DLOPRETDLY10: NOPNOP NOPNOPNOPNOP NOPNOPNOPRET5 结论本设计经过三个月的努力，基本达到了预期的设计要求，本文设计的输液监护器是以单片机AT89C51为核心的智能化仪器，主要工作包括硬件和软件设计两大部分，总结如下:(1) 监护器完成了红外检测的数据信号采集、数据实时显示、意外情况智能报警等功能。 (2 )监护器的量程为255滴/分，在医疗上一般的输液范围为20-150滴/分，此速度可以满足医疗上的需要。(3)监护器的结构简单，体积小，降低了设计成本，增加实用性，显示点滴速度及时准确，可重复性好，具有超限报警功能，增加了安全性。(4)本仪表受外界的影响，测量过程中因该保持输液管垂直，同时发射管与接收管应该密封，避免可见光或其它光线干扰。在设计中还要求有数据的掉电保存和电脑监控软件的开发等内容，但由于时间原因，和自己的专业水平有限，这部分任务没有完成。随着单片机技术、微电子技术和网络技术的不断发展，医疗机构输液系统将进入一个新的发展阶段，总体来看，红外液滴检测意