基于单片机的智能输液系统设计

基于单片机的智能输液系统设计基于单片机的智能输液系统设计 院 系 专 业 班 姓 名 学 号 指导教师 年 月 1 摘 要 随着智能化控制的不断发展 自动化临床设备的研究已成为医疗器械的一个重点 其可以减轻工作人员的压 力 提高医护人员的工作效率 静脉输液是一种常见的临床治疗方法 通过在静脉输入起到治疗的作用 本课 题是研究智能输液系统的设计方法 本方案是基于 AT89S51 控制的 这个系统操作简洁 上手较快 具有报警 功能并且方便集中控制 在现代医疗事业具有较大意义 推动了自动化的智能医疗事业的发展 有利于提高医 护质量 本课题的主要功能有 实现了利用电路采集液滴速度 可设置液滴速度并且进行比较 可显示液滴滴速和 剩余输液时间 可自行设置液滴滴速 在输液剩余液量低于设定值 自动报警 或者输液过程出现特殊情况也 可报警 补充了这个方向的输液系统的部分研究空白 对于设备结构的分析和其电子设计的研究具有重要意 义 通过理论分析 很好的分析了整个输液系统的理论与实践基础 本课题的研究成果为输液系统的研究提供 了丰富的信息 关键词关键词 51 单片机 医院输液系统 输液监控 2 目 录 摘要 I Abstract II 绪论 1 1 课题的背景和意义 2 1 1 医疗输液监控系统设计背景 2 1 2 医疗输液监控系统设计意义 2 1 3 系统设计的关键问题 3 2 系统方案设计与论证 4 2 1 系统硬件结构设计方案 4 2 2 点滴速度测量电路方案 4 2 3 液面检测电路方案选择 5 2 4 电机控制滴速电路 6 2 5 显示器接口电路方案 6 2 6 键盘接口电路方案 7 2 7 单片机型号的选择与论证 7 3 输液系统各模块硬件设计 11 3 1 控制电机模块设计 11 3 2 数据采集模块 12 3 3 电源模块 16 3 4 声报警模块 16 3 3 5 复位电路 17 3 6 显示模块 17 3 7 键控模块 18 4 系统软件及框图设计 20 4 1 滴速检测子程序 20 4 2 电机控制子程序 21 4 3 键盘程序 22 结论 24 致谢 25 参考文献 26 附录一总体设计原理图 27 4 绪绪 论论 随着科技的进步 越来越多的地方需要用到对液体的流量或者滴速进行控制 如人工肾机的透析液储液罐 中透析液储量 自动洗胃机中冲洗液的液量 中药使用的药浴机中煎药锅中的水位等 医疗保健领域中药液的 输液量与输液速度需要精确的控制以达到更好治疗效果 根据我国各地卫生厅的标准不同输液系统的滴速设定 也不尽相同 湖北省卫生厅的 护理技术操作规范 规定 成人静脉输液滴速 40 60 滴 min 儿童及老年人 20 40 滴 min 高于此标准 10 滴 min 为过快 低于此标准 10 滴 min 为过慢 而辽宁省卫生厅规定以滴速 40 60 滴 min 为标准 高于 70 滴 min 为过快 低于 30 滴 min 为过慢 基于此我们可以看出静脉输液作为一种常 见的临床治疗方法 通过向静脉输入药液起到治疗的作用 滴速控制尤为重要 并且新药品越来越多 在治疗 疾病的过程中 采用静点输液治疗方法已越来越普遍 然而 在输液过程中 不同药液 不同年龄患者均有其 不同的最佳滴速要求 滴速过快 过慢均会影响疗效甚至给患者带来不适 此外在输液过程中 当输液完成需 要换药液时 需要医务人员发现不及就会出现空气进入血管内形成空气栓塞 凝血堵塞针头等情况 轻则延误 治疗 重则会危及病人生命安全 发生事故 还有当病人单独输液时 有可能睡着或者忘记观察剩余药液量引 起血液外流等事故 综上可以看出输液监护控制系统在未来医疗中的重要地位和作用 背背景景和和意意义义 1 1 医疗输液监控系统设计背景 随着智能化控制的不断发展 自动化临床设备的研究已成为医疗器械的一个重点 其可以减轻工作人员的压 力 提高医护人员的工作效率 静脉输液是一种常见的临床治疗方法 通过在静脉输入起到治疗的作用 所以 其滴速的控制很重要 随着新药品研发的越来越多 采用静点输液治疗方法在治疗疾病的过程中已变得很普遍 了 然而 在输液过程中 对于不同药液 不同年龄患者均有其不同的最佳滴速要求 其滴速过快或者过慢均 5 会影响治疗效果 在输液过程中 若需要换输液 若发现不及就会出现空气进入血管内就会危及病人生命安全 还有当病人单独输液时 由于睡着或者忘记观察药液量导致血液外流等事故 以上就体现出输液监控的重要地 位和作用 本课题就是针对以上问题进行设计研究 对提高医疗事业的发展起到很大的作用 利用科技去提高 整个医疗事业 是造福整个人民的好事情 对于此我们应努力的去改善 1 2 输液监控系统设计的背景 本设计所针对的医疗产品在国内只有一些大型医院引进 在国内输液装置的研究相对起步较晚 在市场上 也存在一定国产输液装置 但是总体来说 国内的自动输液系统需要很长的路要走 并且国内的医疗设备技术 相对落后 种类方面也相对较少 性能与质量也参差不齐 而智能输液系统在国外的发达国家 如 日本 美 国等研制的较早并且种类较多 其也基本实现了智能化 在医院输液监控使用已经十分普遍 医疗设施发展趋势在于单片机智能输液系统的发展 单片机的性价比优越 而以前的输液系统 其一单片 机价格比较贵 且操作不容易实现 对滴速控制精度也低 现在的单片机可以进行多个系统的控制 减轻工作 人员的压力 提高医护工作效率 在人为控制下可能对病人带来麻烦 以前的临床输液中有患者医护人员观察 监视药液余量 此方法涉及的精力大且效率低 不利于医疗的综合管理 而使用智能输液系统只要考虑周到 运 行的时候就可以解决以上问题 因此 基于单片机的智能输液系统会在医疗中得到广泛应用 该课题研究具有 应用价值 对于提高我国的医疗水平有深远影响 医疗的安全问题离不开科技 利用科技去提高医疗事业是对 医疗事业的一大促进 1 3 系系要要解解决决的的问问题题统统设设计计需需 1 如何准确监测药物剩余量 2 如何提示护士应该换药 3 怎么样控制滴速 4 怎么样使整个系统稳定可靠 6 2 系统方案设计与论证 2 1 系统硬件总体设计方案 本课题的输液系统分为以下部分 储液液面检测 滴速测量模块 点滴速度控制 电机系统控制 模块 键盘显示模块 结构图如下图 2 1 单片机 AT89S51 点滴速度测量电机驱动电路 液面检测 键盘输入 电机 显示 电源报警 图 2 1 总体结构框图 2 2 点滴速度测量电路方案 速度测量在设计中占有极其重要的位置 它是本系统的基础 在进过分析思考后整理出以下几种方案 方案一 采用反射式的红外光电传感器 将反射式红外传感器放置于输液器的漏斗一端 在液滴下落时 利用红外线的反射能力 接收端将检测到 信号 但是有很多不稳定因素如水滴的表面不规则 收集到的反射信号弱 并且对于液滴下落时要和传感器的 夹角要很精确 方案二 采用槽式红外光电开关 采用槽式红外对射式光电开关 其功能齐全 体积小 具备交直流通用型 抗震性能好 液滴检测稳定 很适合精度要求高的医疗设备 此方案成本低 通过测量两点滴下落的间隔通过计算就可以确定滴速 经考虑选用方案二 7 2 3 液面检测电路方案 方案一 红外对管发射接收 根据接收的光强的大小判断液位是否到警戒水位 若达到警戒水位则反馈到 单片机 进行中断报警 方案二 称重传感器检测 利用称重传感器对总质量与实际警戒水位质量相比较 当测量总质量与设定值 相等时发出报警 比较上述方案 选择方案一 其实用 方便 也能保证测量的准确度 2 4 电机控制滴速电路方案 2 4 1 电机控制滴速的方案设计 方案一 通过步进电机和滑轮系统控制储液瓶的高度 来达到控制液滴流速的目的 由公式 可以看出 滴速是受药液的高度的影响的 则我们需要做大量的实验去测试对应高度的滴速 hgp 将结果存入单片机内 当到达一个高度的时候就直接从单片机内调出 同时当通过按键输入一个滴速的时候 都可以使步进电机转动 到达特定的高度 使其滴速为设定好的值 方案二 通过控制滴速夹的松紧程度来控制液滴流速 但这样只是大致的去设定一个滴速 不具有精确性 而且影响其使用的因数也多 不易规律的实验出 经过综合比较 我们决定选择第一项的方案 模拟示意图如图2 2 电机 输液瓶 滑轮 支架 图 2 2 输液模拟示意图 2 4 2 电动机及驱动方案 8 方案一 伺服电机 伺服电机可以接收电信号 然后转换成转动轴上的角速度与角位移 其转速要比电机在负载时的转速高很 多 但是就伺服电机的使用情况来说 多数是在低的转动惯量 高的启动转矩和大转矩的系统里 并且伺服电 机的价格较高 很少使用 方案二 直流电机 直流电机上电后立马转动 掉电后惯性较大 停机时还要转动一定角度后才可停下来 转矩小 没有抱死 功能 如果要求准确地停在一个位置 其闭环算法太复杂 方案三 步进电机 步进电机主要是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速 容易开启停止 正反转及变速 动态响应快 价 格适中 控制精度较高 适用于较为精确的测量中 还可以有效提高输液速度的控制精度 步进电机每输入一 个脉冲信号 转子就会转过一个角度 步进电机会输出特定的角位移或者线位移 其与输入脉冲数成正比例 步进电机的转速也与脉冲频率成正比例关系 本文以单片机为核心 控制了步进电机的工作 可以在一刹那实 现启停动作 并且其步距角的降低较小 延时短 定位准确 精度高 可操作性较强 综合考虑 选用步进电机作为电机驱动控制电路 2 5 显示器接口电路方案 此设计里要可以设定滴速 其显示内容需要有设定值和实际滴速 经过考虑和设计有以下两种设计方案 方案一 采使用 LCD 液晶显示屏 虽然液晶显示屏有功耗小 轻巧较薄等优点 但编程较数码管难并且对 于字符的要求较大 需要单独编译 并且相比于数码管节能较差 对于以后产品会有一定影响 方案二 采用数码管显示 数码管具备低能耗 低损耗 低压 寿命长 且环境的要求较低等特性 而且 数码管编程简单 完全可以满足显示方案的数据 综合比较以上两种方案 结合本设计的要求可知采用方案二较为合适 2 6 键盘接口电路方案 9 键盘是人为向机器输入的基本设备 可以有编码键盘和非编码键盘 在此设计内我们选择成本较低技术成 熟的非编码键盘 非编码键盘有一下几种分类 独立式按键电路 矩阵式键盘电路 中断式键盘电路等 根据 其特点我们提出了一下两种方案 方案一 独立键盘使用于输入端口较多 调用快捷 且每个键的工作状态不会影响其他几个键的情况 此 方案可以大大减少程序的内容 编程较简单 使用起来也很方便 对于本设计 对于键盘的需求不大 只需要 进行简单的操作即可 方案二 此键盘是将按键分为行和列 都有交叉点 键两端接于行和列上 一般有 4 4 8 8 4 8 的规格 用户可以根据自己的需求选择合适自己的规格 但因为本设计简单可操作故不符合 该系统使用的按键数较少 故采用独立式键盘最为合适 2 7 单片机型号的选择与论证 2 7 1 现有主流单片机的概述 现主流的单片机有很多 如 51 系列 ARM 系列等 我们使用的 AT89S51 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 系统 可编程序的存储器 使用 Atmel 公司的高密度非易失性存储器技术及产品制造工 业 80C51 指令和引脚完全兼容 片中的程序存储器系统程序可编程 在单芯片上 51 是拥有灵巧的 8 位 CPU 以及系统的可编程 Flash 使得 AT89S51 在许多的嵌入式控制应用系统中得到十分广泛的应用 AT89S51 的低能耗 是一种高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 闪存使用 programmable atmel 高密度非 易失性存储器的制造技术 指令和引脚完全兼容 80S51 的工业产品 在芯片上的 Flash 程序存储器 可以在系 统编程 但也为装置经典的编程 在一个芯片 用 8 位 CPU 和在系统可编程闪存的灵活性 使得控制系统应用 集成提供一个灵活的解决方案 许多非常有效 基本标准功能 8K 字节的 256 字节的闪存 32 位的 I O 线 定时器 指针数据 36 位定时 计数器 水平向量中断结构 全双工串行端口 在水晶板和电路的逻辑 horloge 以及 fonct 静态 ionnement 可以减少到 2000 赫兹 可选择节能模式两种软件模式 空闲模式下 CPU 停止工 作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 当功率保护模式 RAM 内容存储 振荡器是停止工作 的的 所有的工作的单片机停止 直到一个中断或硬件复位为止 2 7 2 单片机的选用 主要的功能如下 10 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33MHz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器 8 个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 掉电标识符 以下图 2 3 为引脚图 图 2 3 AT89S51 的引脚图 AT89S51 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 系统 可编程序的存储器 使用 Atmel 公司 的高密度非易失性存储器技术及产品制造工业 80S51 指令和引脚完全兼容 片中的程序存储器系统程序可编程 在单芯片上 51 是拥有灵巧的 8 位 CPU 以及系统的可编程 Flash 使得 AT89S51 在许多的嵌入式控制应用系 统中得到十分广泛的应用 最小系统图如图 2 4 11 图 2 4 AT89S51 最小系统电路图 2 7 3 单片机 I O 口管脚分配 VCC 电源 GND 地 P0 口 P0 端口是 8 位双向的漏极开路的 I O 口 当作输出口用时 每位可以驱动 8 个 TTL 型的逻辑电平 当我们对 P0 口写入 1 时 此引脚就用作高阻抗输入来使用 在访问外部程序和数据存储器的时候 P0 端 口会作为低 8 位的地址 数据来使用 在这种情况下 P0 端口就具有内部的上拉电阻了 在我们用 flash 进行编 程时 P0 端口会接收发送到的指令字节 在校验程序的时候 会输出指令字节的 我们知道在程序校验时 需 要合适的外部上拉电阻 P1 口 P1 端口是双向的有内置的上拉电阻 8 位 I O 口 P1 口上的输出端的缓冲器可以同时驱动四个 TTL 型的逻辑电平进行工作 当我们对 P1 口写入 1 的时候 其内部的上拉电阻就会拉高端口 该端口就可以当 作输入口来使用了 当作为输入使用时 在内部电阻作用下外部被放低的引脚 将会输出 IIL 型电流 此外 P1 0 会作为计数器 定时器 2 的外部计数的输入端口 P1 2 会作为计数器 计时器 2 触发的输入端口 当我们对 flash 校验和编程的时候 P1 端口会接到低 8 位的地址字节 P1 引脚第二功能如表 2 1 所示 12 表 2 1 P1 引脚的第二功能 P1 0T2用作定时器 计数器 T2 的外部的计数输入端口和时钟的输出端口 P1 1T2EX用作定时器 计数器 T2 的重载 捕捉触发的信号与方向控制 P1 5MOSI系统编程时用 P1 6MISO系统编程时用 P1 7SCK系统编程时用 P2 口 P2 端口是双向的具有内部的上拉电阻的 8 位的 I O 端口 P2 口上的输出缓冲器可以驱动四个 TTL 型的逻辑电平 当我们对 P2 端口写入 1 的时候 其内部的上拉电阻就会把端口拉高 此时就当作输入口来 使用了 当该端口被当作输入口来使用时 在外部被拉低的引脚在内部电阻的作用下 将输出 IIL 型电流 在 访问外部的程序存储器时 P2 端口会送出高 8 位的地址 用 16 位地址读取外部数据存储器时也是这样 此时 P2 端口会使用很强内部上拉来发送 1 在使用 8 位的地址来访问外部数据存储器的时候 P2 端口会输出 P2 锁存器中的内容 当在用 flash 编程和校验的时候 P2 端口会依据接收到的高 8 位地址字节和控制信号来工作 P3 口 P3 是双向的具有内部的上拉电阻的 8 位的 I O 端口 P3 上的输出缓冲器可以驱动四个 TTL 型的逻 辑电平工作 当我们对 P3 口写入 1 的时候 其内部的上拉电阻就会把端口拉高 该端口就可以当作输入口 来使用 当其当作输入口使用时 在外部被拉低的引脚在内部电阻的作用下 将会输出 IIL 型电流 P3 端口也 可以作为 AT89S52 的特殊功能来使用 另外 在我们进行 flash 编程验的时候 P3 端口也会接收控制信号 3 3 输输液液系系统统硬硬件件设设计计 13 在第二章的方案论证基础上 第三章主要对各个硬件结构以及主要硬件部分进行了论证 3 1 控制电机模块设计 本设计所使用的为步进电动机 使用单片机去控制步进电机是很方便和精准发的 利用单片机去输出相应 脉冲 每两个脉冲可以使其转动相应的角度 通过这样的程序 我们就可以控制电机转动 同时也可以精确的 确定其转动的角度 于此我们可以控制滴袋的高低 以调节滴速 3 1 1 步进电动机的工作原理 步进电机是将脉冲信号转化为角位移的执行器件 当步进电机的驱动器接收到的由单片机发出的脉冲信号 它可以驱动步进电机按设定方向旋转一个固定的角度 称为 步距角 它的运动是按照固定的角度一步一步 运行的 首先可以通过控制输入脉冲的个数来控制角位移量 从而达到电机转动的目的 其次 通过单片机输 出脉冲频率来控制电机转动的速度以及加速度 从而可以达到调节速度的目的 步进电机是可以作为控制用的 特殊的电机 广泛的使用在各种开 闭环控制 他可以不积累误差 现在比较常见的步进电机有单相式步进电 机 永磁式步进电机 PM 混合式步进电机 HB 和反应式步进电机 VR 等 混合式步进电机就是指混合了永磁式与反应式的两个优点 它又可以分为两相和五相 两相步进电机的步 进角一般为 1 8 度而五相步进电机的步进角一般为 0 72 度 现在这种步进电机的应用最为广泛 也是本课题的 驱动方案所选用的步进电机 3 1 2 步进电机控制原理 步进电机区别于其他电机的最大特点是 它可以通过单片机输入脉冲信号进行控制 即电机的转动的总角 度可以由输入脉冲数决定 而电机的转速是由脉冲信号的频率决定 步进电机的驱动电路是根据控制信号工作 而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 通电换相的这一过程是脉冲分配 比如 三相步进电机的三相三拍工作方式 其各相通电的顺序以此为 A B C A 通电控制的输出脉冲必须严格按照这一顺序去分别控制 A B C A 相的通断 2 控制步进电机的转向 当给步进电机以正序脉冲输出通电 则步进电机的工作状态为正转 若按反序通电换相则电机反转 3 控制步进电机的速度 当控制单片机的输出为一个一个脉冲的时候 它就可以一步一步的进行转动 每两个脉冲直接可以转动相 应的角度 并且两个脉冲输出的间隔时间越短 其电机转动速度越快 所以我们就可以控制单片机的输出脉冲 频率去控制电机转动 单三拍的相序为 A B C A 时 电机正转 反之 A B C2 最大正向电流 mA 50发光峰值波长 nm 940 正向压降 v 1 5 半峰宽度 A 400 反向电流 A 50 结电容 pf 100 反向耐压 v 5 截止频率 mHZ 1 3 2 3 光敏三极管的主要参数 光敏三极管又称光电三极管 它是一种光电转换器件 其基本原理是光照到 P N 结上时 吸收光能并转变 为电能 下表为光敏三极管的主要性能参数 根据此性能参数对滴速度进行设计 如表 3 2 表 3 2 光敏三极管的主要参数 17 参数符号额定值 工作温度 Topr 65 125 存储温度 Tstg 65 150 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 功率损耗 mW Pd300 集电极电流 mA Ic1 0 饱和电压 v Vce0 4 峰值波长 nm 940 开启时间 s Ton8 切断时间 s Toff7 3 3 电源模块 电源模块在电路设计中是非常重要的 电压太大 就会导致电流过大 易减少元器件的寿命 至会烧坏单片机的 芯片 造成不可估算的损失 本系统需要的电平包括 5V 电压的使用模块为 单片机控制芯片 红外对管 步进电机以及报警电路 则在本设计中用单电源方案 单电源方案优点是系统简单 工作可靠 在设计中我们采用稳压的 7805 为主 要的器件 所有元件的适中电压 5V 通过变压器先把生活中使用的交流电 220v 变换成 5V 的电压 再用稳压 器 7805 把它稳定在 5V 主要思路为变压 稳压 电路图如下图所示 IC 采用集成稳压器 7805 C1 C2 分别为 输入端和输出端滤波电容 RL 为负载电阻 当输出电较大时 7805 应配上散热板 电源电路图如图 3 5 18 TRANSFORMER Vin 1 GND 3 5V 2 C1 ELECTRO1 C2 ELECTRO1 RL RES2 VCC 5V GND P0 220V9V 1 2 3 4 BRIDGE1 图 3 5 电源电路图 3 4 报警模块 报警电路如图 3 6 所示 将接口接于单片机 P1 0 脚 在输液前 根据病人的情况设定输液速度 当点滴的 速度低于 10 滴 分或高于 70 滴 分的情况下 单片机会发出信号使 P1 0 输出高电平 将触发蜂鸣器报警装置 蜂鸣器会发出响声 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 以提醒医生和病人进行相 关的应急措施 避免危险事故发生 如在 10 秒后仍然无人处理 则关闭输液器以保证病人安全 还有一种情况 当滴速设定为一个值如 X 滴 min 时 滴液小于 5X 20 毫升时也会使单片机产生中断触发报警 报警电路如图 3 6 5V I O口 NPN SPEAK ER 图 3 6 报警电路 3 5 复位电路 本系统采用的为手动复位 持续按复位键将会在 RST 端会产生高电位 之后会产生复位 电路图如图 3 7 19 EA VP 31 X 1 19 X 2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 A LE P 30 TXD 11 RXD 10 A T89S52 a bf c g d e D PY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp D S3 D PY 7 SEG D P a bf c g d e D PY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp D S2 D PY 7 SEG D P a bf c g d e D PY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp D S1 D PY 7 SEG D P CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 Q A 3 Q B 4 Q C 5 Q D 6 Q E 10 Q F 11 Q G 12 Q H 13 MC74H C164 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 Q A 3 Q B 4 Q C 5 Q D 6 Q E 10 Q F 11 Q G 12 Q H 13 MC74H C164 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 Q A 3 Q B 4 Q C 5 Q D 6 Q E 10 Q F 11 Q G 12 Q H 13 MC74H C164 R2 R1 5V C RST 89C51 图 3 7 复位电路 3 6 显示模块 按照相关的规定 输液时液速的正常范围应该是每分钟 30 到 150 滴 所以本系统的数码管选择了三位 LED 显示模块使用了 74HC164 驱动共阴数码管 74HC164 是 8 位的边沿触发式的移位寄存器 它是串行的输入数 据 然后再并行的输出 这样数据便可通过两输入端 DSA 或 DSB 之一进行串行输入 任一个输入端都可以 用作高电平的使能端 来控制另一个输入端输入数据 从单片机的串口输出的信号首先要送到最左边的移位寄 存器 74HC164 因为移位脉冲的作用 数据便向右移 以此完成显示 采用串行显示 与并行显示相比 串 行显示占用接口少 更加适用于本系统 数码显示的电路如图所示 显示电路的功能是显示电压与滴速 开机显 示了电压的电量 医务人员会根据实际情况决定是否应需要插入电源 保证输液过程的正常工作 当有液滴滴下时 就开始显示 一方面可以方便护士在给病人输液时调节药液滴速 这样就防止了只凭经验来调速 造成调速不准 的医疗隐患 另一方面方便了护士巡房 使医疗服务更加的准确 高效 以下图 3 8 为显示电路图 20 图 3 8 数码管显示电路 3 7 键控模块 常用的按键接口一般分为独立式按键接口设计 专用芯片式设计和矩阵式接口设计几种 具体情况下采用 哪种方式 应该实际情况而定 下面分别介绍这几种不同的接口方式优缺点以及适用场合 1 独立式按键接口设计单一按键接口设计的优点是电路设计的软件 但缺点也很明显 需要所有键 的总线 但这样让很多资源浪费比较严重 电路结构也复杂了 所以这次的方法主要是用更少的操作速度而使 用简单的设备 易于实现的同时 也可以采用查询方式 2 专用芯片式设计专用键盘处理芯片一般功能比较完善 芯片自己能进行编码 扫描 消抖和重按 钮等的处理问题 甚至像 8279 显示接口功能集成了 专用键盘处理芯片的优势明显 可靠性高 界面简单 使用方便 适合处理很多的按钮 但是很多的应用 如果考虑成本因素 可能是最好的选择 3 矩阵式接口设计矩阵式按键设计适应于按键数量较多 又不想使用专用键盘芯片的场合 这种方式 的按键接口由行线和列线组成 按键位于行 列的交叉点上 这种方式的优点就是相对于独键盘控制我们采用 了 4 乘 4 按键采用坐标查询的方式来识别按键 这是 4 乘 4 按键的基本原理图 其中 P0 P1 P2 P3 为输出 端口 P4 P5 P6 P7 为输入端口 当 P0 P1 P2 P3 都为高电平的时候 无论哪个按键被按下了 都与 按键没被按下的状态相同 P4 P5 P6 P7 端口的输入信号都为高电平 当 P0 为低电平 P1 P2 P3 都为 高电平时 若 1 号按键被按下 那么 P4 口相当于和 P0 口直接相连 于是 P4 口就读入低电平 而其他三个 口读入为高电平 若 2 号按键被按下 同理 P5 口就读入低电平 其他三个端口读入为高电平 其他的 5 6 7 8 9 0 A B C D E F 按键被按下时都没有反应 这样就达到了识别 1 2 3 4 号按键的 功能了 当 P1 输出低电平 P0 P2 P3 端口为高电平时 同理 可以识别 5 6 7 8 号按键了 按照这种 方式 我们就可以通过 8 个引脚逐列地扫描按键 达到识别 16 个按键的功能 而不需要像独立按键那样需要 16 个引脚 大大地节约了单片机的端口资源 按键电路如图 3 9 21 VCC 复 位 30 29 23 22 24 25 26 27 28 40 39 33 32 34 35 36 37 38 31 1 2 8 9 7 6 5 4 3 10 11 12 18 19 17 16 15 14 13 20 P1 0 P1 1 P1 7 RST P1 6 P1 5 P1 4 P1 3 P1 2 P3 0 P3 1 P3 7 XTAL2 P3 6 P3 5 P3 4 P3 3 P3 2 XTAL1 GND TXD RXD INT0 INT1 WR T1 T0 RD P2 7 P2 6 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P0 0 P0 1 P0 7 EA VPP P0 6 P0 5 P0 4 P0 3 P0 2 ALE PROG PSEN VCC AT89C51 21 加键 减键 报警 图 3 9 键盘电路 4 系统软件及框图设计 系统的软件设计包括的模块有 滴速监测子模块 电机控制子模块 报警子模块 显示子模块 键盘子模 块等 程序设计应有滴速计算 可以防止滴速引起的患者输液不适 当出现这样的情况 可以通过控制电机来控 制液瓶的高低 用于调节滴速 还具有液面检测模块 可以检测警戒水位并且进行液量的报警 4 1 滴速检测子程序 本系统采用的是光电开关采集信号 当有液滴通过就会有信号变化 这时会产生一个脉冲 然后记录下 2 次液滴的信号变化 通过程序运算就可以得出液滴滴速 其流程图如图 4 1 22 Y N Y N 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 1 检测程序框图 4 2 电机控制子程序 电机运动就是根据现在的系统的状态来设定 如果在设定范围之内 就不会有动作 当小于设定值其程序 就会进入正转程序 反正就是反转 程序图如图 4 2 23 N N Y 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 2 电机控制程序框图 4 3 键盘程序 系统有复位键 另外根据需要拓展了 加减 减键 报警键除复位键外扩展了三个键 首先程序会检测 有无按键输入 若无则单片机无动作 若有则进行其他程序动作 加减主要为设定滴速 通过按键输入来设定 滴速的大小 另外报警分为主动以及自动 当有人按键报警时 可以自报警 若无 当触发报警程序时候 在 10s 内无人处理则会自动报警 当报警结束后会自动停止报警 同时停止滴液 以保证病人安全 程序框图如 图 4 3 24 开始 I O初始化 P1 3 0 P1 2 0 P1 1 0 报警 显示值减一 显示值加一 Y N Y Y N N 图 4 3 键盘程序框图 25 结 论 静脉输液是临床医学中经常要使用的一种治疗手段 但从长期以来的医疗事业情况上来看一直都还是以人 工监控为主 不但需要专人监护 而且还加重了护理人员以及病人的劳动强度 所以我们为了减轻医服人员的 劳动强度 及病患家属的陪护 并且进一步的提高医院服务系统的智能化水平 设计了一种可以针对多个床位 进行远程独立监测的智能输液监控系统 系统由单片机以及电机键盘等组成 对于病人的输液情况可以有监控 报警 呼叫等具体功能 可以提醒护士当某一个输液结束或者出现了紧急情况的时候可以马上得知 而不再需 要护士每时每刻的去亲自监测各个输液的情况 本系统完成了在滴斗处检测点滴速度 并制作了一个液晶显示装置 能动态显示点滴速度 滴 分 通过 改变高度控制点滴速度 点滴速度可用键盘设定并显示 设定范围为 50 90 滴 分 误差在要求范围内 当高 度到达警戒值时能发出报警信号 并可以手动解除报警状态 本课题是研究智能输液系统的设计方法 本方案是基于 AT89S51 控制的 这个系统操作简洁 上手较快 具有报警功能并且方便集中控制 在现代医疗事业具有较大意义 推动了自动化的智能医疗事业的发展 有利 于提高医护质量 本课题的主要功能有 实现了利用电路采集液滴速度 可设置液滴速度并且进行比较 可显 示液滴滴速和剩余输液时间 可自行设置液滴滴速 在输液剩余液量低于设定值 自动报警 或者输液过程出 现特殊情况也可报警 补充了这个方向的输液系统的部分研究空白 对于设备结构的分析和其电子设计的研究 具有重要意义 通过理论分析 很好的分析了整个输液系统的理论与实践基础 本课题的研究成果为输液系统 的研究提供了丰富的信息 其实在实现其基本功能的基础上也可以从病人的舒适度角度出发 为病人创造更好的的治疗环境 例如可 以加上 MP3 播放系统或者上网功能等 其成本问题抛开不谈 这样可以为病人创造一个好的治疗环境 以使病 人更好的接受治疗 致 谢 长长达达半半年年左左右右的的论论文文马马上上就就要要接接近近尾尾声声了了 在在这这半半年年内内我我们们经经历历了了开开题题报报告告 和和论论文文答答辩辩 这这就就意意味味着着 我我们们的的大大学学生生活活马马上上就就结结束束了了 在在这这三三年年内内学学校校给给予予了了我我们们很很多多 老老师师的的教教诲诲 同同学学的的深深厚厚感感情情 同同时时很很 感感谢谢学学校校在在这这即即将将结结束束的的时时候候利利用用论论文文让让我我们们再再次次的的从从中中学学习习到到了了自自律律 严严谨谨 认认真真的的学学习习精精神神 26 首先要感谢赵霞老师对我论文的帮助 如果没有您 也许我的论文不会写的这么好 写的这么顺利 每次 论文您对我的要求使得我的论文才能合格 同时对工作认真严谨的态度也让我学到了许多 另外值此论文完成之际 谨向那些曾教导我的师长 帮助我的同学 表达我诚挚的谢意 使我在以后的学 习与工作里受益终生 再次向赵霞老师表示深深地感谢 我也要感谢亲爱的同学们 在我有了困难的时候是你们给予了我帮助 当我处在意志薄弱的时期给予我鼓 励 彼此友爱 互帮互助的和谐气氛给予了我无尽的温暖 让我重燃了克服困难的信心 此外 我也要感谢我的家人 是他们默默地在精神与物质上给予我支持 多年来 他们的关心 鼓励 是 我勇往直前的动力 以后我会更加努力地学习和工作 好好报答他们的养育之恩 参参考考文文献献 1 刘海成 单片机及应用系统设计原理与实践 北京 北京航空航天大学出版社 2009 2 王秋爽 单片机开发基础与经典设计实例 北京 机械工业出版社 2008 3 周振安 范良龙 数据采集系统的设计与实践 北京