l临床输液报警器

2013 届本科生 毕业 论文临床输液报警器学 号： 2 姓 名： 温征德 学 院： 计算机学院 指导老师： 占 超 专 业： 医疗电子仪器 完成时间： 2017.4.30 学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文 输液控制装置 是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。论文中所引用他人的以任何方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。毕业论文作者签名： 温征德 2017年4月30日摘要本研究课题主要针对目前静脉输液装置普遍结构简单不利于静脉输液这一传统治疗手段发展提出。设计一个能够让医护人员高效率工作的输液装置。本文将会对静脉输液及静脉输液装置的发展历史作出简单的介绍，本课题系统的研究背景和发展现状。系统设计需要解决的问题，针对各个问题解决方案的论证与选择。然后在硬件设计方案中，简要地介绍硬件及设计电路、相关技术。在软件设计方案中，详细介绍实现该系统的程序，最后介绍在安装与调试阶段遇到的问题以及最终的测试结果。系统实现功能包括：药液液滴滴速的数字化采集、滴速的电路控制、危险状况的自动报警、病人手动报警、液晶显示输液实况。本课题具有减轻医护工作人员的工作量、简化工作手续的现实意义，同时也为输液监控系统的研究填补了部分空白。希望为输液治疗患者提供可靠安全诊疗条件。关键词：输液监控、单片机应用、红外检测技术AbstractThe aim of this research is to present the intravenous transfusion device generally has the advantages of simple structure is not conducive to the treatment of intravenous infusion of traditional development is put forward. The design of a transfusion device to let the medical staff work efficiency. This paper will be on intravenous infusion and intravenous infusion device development history made simple introduction, research background and development status of the subject system. The design needs to solve the problem of system, demonstration and selection for each solution. Then the hardware design scheme, and briefly introduces the hardware circuit design and related technology. In software design, detailed implementation of the system program, finally introduced in the installation and debugging. The problems and the final test results. The system functions include digital acquisition of liquid drop speed, drop speed control circuit, automatic alarm the risk status of patients, manual alarm, liquid crystal display infusion live. This subject has to reduce staff workload, simplify the working procedures of the practical significance, but also to fill the part of the blank infusion monitoring system. Hope to provide a reliable and secure treatment conditions for infusion therapy patients.Key words: transfusion monitoring, single chip microcomputer application, infrared detection technology引言点滴输液是如今疾病治疗和危急抢救工作中经常采用的措施。目前护理工作中采用的传统输液设备，工作原理简单。一般将输液瓶或者输液袋悬于高处挂钩处利用液体自身重力通过胶管和金属针头将药液倒入病人的血液系统中。由于每个病人出于各种原因对输液的要求不一样，而药液本身的性质对输液速度也有要求。护理规范对护士提出要求，控制滴速和对输液完成时间的预判。目前的装置来说控制滴速只能靠软管夹的机械操作来实现，而输液完成时间的预判也只能靠人眼观察莫氏滴壶中的液滴来判断。到现在为止还没有完善的控制系统来避免输液时瓶中药液滴完或其他因素导致滴速不正常引起的安全事故，只能依靠有限的人力资源对正在输液的病人不间断的观察。这造成严重的无谓消耗，增加工作压力不利于医院良性运转。本课题设计的装置将有效解决这个问题。输液过程中遇到的滴速不正常、药液滴完以及其他意外的发生等情况，将通过自动报警系统通知护士，护士得知情况后可以很快找到不正常输液进程的病人解决问题。而本次研究的装置框架属于开放式，它将会运用在其他一些类类似于点滴输液这样的需要对液体流速把控的场景。开发理论思想一致形式多样的产品，例如药企药剂研究试验中成分液体流量控制。我国与欧美、日本对输液报警器方向的研究开始时间节点不一致。输液技术发展到现阶段光电式输液检测阶段，也在不断取得技术突破。从重力检测到电级式再到电容式，监护系统在可靠性方面大大提高。相比之下较早开始研究本项目的欧美、日本目前在技术和产品性能方面还是要优于国内，并且一些国内的大型医院已经在使用。但是由于成本原因还无法在各级别医院普及，多数医院在使用输液手段诊疗时仍然采用传统非智能设备依靠护士实时监护以防止医疗事故发生。1 项目概述1.1 选题背景1628年，血液循环被人们发现，血液的运输作用成为静脉输液这种治疗手段的理论基础。经过几个世纪的发展，静脉输液成为临床疾病治疗与抢救工作的重要手段。作为医疗器械来说，我们目前普遍使用到的输液装置相对来说还是比较原始的，结构过于简单、功能单一。在智能化深化的时代，传统的输液装置已经无法满足医院高效率运转的要求。信息技术和微电子技术应用的深入影响许多医疗器械设备在物理结构及工作原理方面的换代、创新。以x线机为例，早期的x线机在性能方面存在成像不清晰、效率低下等缺点，整体结构也是非常的原始。以受检者的角度来说，它无法得到有价值的治疗参考材料还会有皮肤被烧伤的风险。二次伤害影响到受检者的就诊体验，患者对x线机接受程度低直接影响到x线机的发展。幸运的是在学者不断努力下，新技术的运用避免x线在医学运用上的遗憾。目前，输液治疗也面临着同样的问题，设备过于简单、传统输液瓶的诸多缺陷不但给医护工作者造成繁重的工作，也是医患比例严重失调问题解决的一个阻碍。科技化进程改变了人们的生活方式，也为医学监护技术创造了发展条件。可以肯定的是一个完善的输液监护系统不仅是行业需求更有巨大的市场需求。我国拥有世界是最多的人口，在人均输液瓶数上也远超国际水平。医院数量也是最多的。输液监护系统的研发具有现实意义。1.2目的及意义选题的目的（1）为了避免输液过程中由于护理操作不及时产生不良后果，保证输液病人接受治疗时治疗情况的实时检测，保证药液以最优方式输入病人的血液系统发挥最佳效果。需要一个解决方案帮助护士高效准确地工作。（2）截至到目前为止，国内还没有一个完善的具有高效控制、低成本、易普及等优点的输液监护系统解决方案。输液监护工作主要还是靠医护人员亲力亲为，为我国医患比例严重失调问题的解决雪上加霜。（3）静脉输液是常用的给药途径，静脉输液安全关系到医疗卫生用药安全。所以必须改进技术对其过程进行精确有效的把控。选题的意义常规疾病治疗过程中，静点输液治疗方法采用地越来越普遍了。在通过向血液系统输液给药时，不同物理药理性质的药剂，不同年龄段的患者（包括患者就医时的身体状态）均有其标准给药速度。为求患者能够有尽可能舒适的诊疗体验以及治疗效果最优化。需要严格参照护理技术操作规范中要求的标准滴速执行。本装置不仅可以解决上述问题还能减轻医护人员的工作压力，确保输液安全进行。精确控制输液过程不造成浪费，降低因浪费药品引起患者不满进而引发医患矛盾事件的概率。本装置还具有上手操作简单人性化设计的优点，制作工艺科技化含量高。能够满足各大小医院的临床工作需求并且为其他领域类似难题提供解决思路。1.3 国内外研究现状与发展趋势根据最新的2017版全球及中国输液报警器市场专题研究分析与发展趋势预测报告。我国拥有数量众多的人口,人均输液瓶数也远超国际水平。庞大的消费群体和政府对医疗器械发展的支持使我国医疗器械发展迅速。我国的智能型输液装置发展启动得晚，有许多经验可以向相关技术成熟的智能输液装置研发国家借鉴。他们有许多市场份额大、产品性能好的医疗器械厂商。德国医院的住院床位在很早以前就完善了输液监护系统的配备，比如输液泵这种初代智能型输液装置，它已经能够实现准确控制给药速率以及解决基本阻塞和气泡混入等问题了。反观我国全世界医院最多的国家也只是一些大医院部分配备,很显然这远远无法满足我国医疗事业的需求。并且基本来自国外进口技术和产品。而日本的设备厂家研发的新产品已经能够做到精度10%了，其他国家医疗器械生产厂商也有许多性能优良的产品。这些产品类型多样性能也好但是普遍价格昂贵,以我国各医疗机构的财力现状要想普及引进无疑是望尘莫及。而我们自己的相关产品又普遍存在技术落后、性能差、成本高等问题。产品没有竞争力市场推广难度极大。由于在护理规范操作下,输液阻塞、气泡混入等情况是可以避免的,因此输液速度的控制和输液完成报警是目前普遍关注的研发方向。可操作性及相对便宜的价格成为产品推广的关键,工艺不断完善背景下的单片机性价比优越,为平价智能输液系统的发展提供了可靠解决方案。我国拥有数量众多的人口，而由于种种原因人们的身体素质每况愈下。人均输液瓶数也远超国际水平。庞大的消费群体和政府对医疗器械发展的支持使我国医疗器械发展迅速。根据卫计委发布的最新数据，我国拥医院有2.8万多家，累计病床数量约648万。另外医院急救、门诊也会有大量的输液需求。每天都有大量病人需要输液，输液报警器的市场需求量相当之大。2 核心技术 2.1 红外对管技术本设计将会在硬件设计模块运用到红外对管技术，接下来将会对红外对管与红外对管技术简要介绍。红外对管由两个半导体元器件构成，其中红外发射管实际上就是常见的发光二极管，只是在工艺上与普通的发光二级管有一些不一样，特殊的物理材料让它发出红外光。其工作机制和物理结构与一般发光二级管无异。红外对管的核心也是本设计在众多光电开关技术中选择红外对管技术的关键，红外线接收管。红外线接收管分为两类：光电二极管、光电三极管，两者功能都是实现光电转换，区别在于输出外电流的大小。本设计采用的是光电二极管式的红外线接收管，其工作原理简单地说就是光能通过PN结作用产生定向电子流，实现光信号到电信号的转换。红外接收管的关键部件PN结与一般二极管在结构方面有很大的改变，区别就在为了实现红外对管的高灵敏度与可靠性，它的PN结会做的比电极面积大并且会有小于1um的结深。这样做的目的是为了让接收管有更大的面积接受入射光线。图2-1图2-1是红外对管电路设计方案。信号发射部分由可变电阻和定值电阻与红外发射管组成简单的直流发光二极管驱动电路，可变电阻实现了改变入射光线强度调整检测距离的功能。信号接收部分由电子触发器和定值电阻与红外线接收管组成光信号检测，电信号输出的处理电路。2.2 单片机技术单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支,它是采用高度电路集成的电子芯片。早在上个世纪单片机就被开发并应用。不同于普通集成电路,单片机的功能不仅限于电路的导通。它可以在一小块材料上连接实现各种功能的元器件。所以说单片机不仅仅是电子器件的集成更是功能的集成,它把随机储存器的数据处理功能、只读储存器的数据存储功能、多种输入及输出功能、模拟信号与数字信号的转换功能、晶荡电路的计时功能、数字中断原理的中断功能集中起来。使其在结构上实现1+12。单片机是电子科技与封装技术的产物,也是工业革命的推手。单片机又被称为单片微控制器,它简单的功能部件,而是一个性能优越结构完善的计算机系统。它与计算的不同仅仅在于计算机拥有配套的外部设备而单片机只是简单设置了功能齐全的输入输出端口。单片机的性能优越并且具有明显的市场优势,它可以让笨重的功能部件变成小体积轻重量的微器械。概括的讲:一片单片机就是一个功能完善的微机系统。本课题将会使用到的单片机型号为STC89C52。STC89C52是众多性能优越单片机中的一种。其搭载的只读存储器具有一般只读存储器没有的功能，即型号功能为8K字节闪存可编程的可擦除EPROM只读存储器。EPROM只读存储器通过高电压方式写入编程资料，数据擦除方式也简单到只须强紫外线照射，可重复利用。STC89C52低电压,高性能。该型号单片机采用目前最为先进的电子封装技术。两种工作周期任意选择 ,指令代码也可与常用的型号8051单片机完美兼容。 主要特性如下:1. 异步串行口通用,依靠系统软件设计可开发实现 多个UART 功能。2.兼容一般通用 8051 单片机,6 T和 12 T根据系统性能需要随意,指令代码选用。3. 两种工作电压可选:5.5伏3.3伏和3.8伏2.0伏。4. 工作频率范围为0到40兆赫兹,相当于低版本单片机的 0到80兆赫兹,而STC89C52最高工作频率可达 48兆赫兹。5. 用户编程8K 空间flash闪存, 搭载高性能 512 字节 随机存储器。6.32个 通用 输入输出端 口 复位电路作用后:P1/P2/P3/P4 是准双向口需弱上拉电阻, 漏极开路输出为端口0,端口0作总线扩展用时,不加上拉电阻,端口0作输入输出端口用时,需加上拉电阻。7.工作温度范围宽，在工业领域最低可在零下40摄氏度最高在85摄氏度下正常工作。在商业运用最低0度最高75度。8.集成了优良性能的可擦除只读存储器EPROM9.看门狗功能，最新电子封装技术10.多定时器集成，多中断方案设计。保证可靠性能。STC89C52的引脚图如图2-3所示。图2-3 STC89C52的引脚图如图Fig. 2-3 STC89C52 pin diagram 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平触发单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的输入输出接通，接低电平从外部程序存储器读取如指令，接高电平则从内部程序存储器读取指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程输入输出接口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。P0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7构成振荡器的高增益反相放大器封装在单片机内部,放大器的输出端和输入端分别为引脚RXD和TXD。时钟发生模式可选用内部模式和外部模式。内部发生模式时钟电路如图2-4（a） 所示,在引脚TXD和RXD上接入定时器件,单片机的内部振荡器就会发生自激振。荡振荡频率可以通过电容来调节，电容选值一般在5皮法到30皮法间，振荡器产生的振荡频率在各因素影响下通常为1.2兆赫兹到12兆赫兹。定时器电路是石英晶体与电容器组并联连接方式构成的谐振回路。 外部模式时钟电路如图2-4(b)所示,振荡器接引脚TXD,引脚RXD接地。单片机内部的时钟发生器分频把晶荡频率,产生一个可供STC89C52使用的两相时钟的频率x和频率y,。 外部振荡信号则无特别需求,能够保证振荡信号脉冲宽度即可,振荡信号脉冲宽度一般在2.5。图2-4 时钟电路图3 系统方案设计3.1 系统设计需要解决的问题在我国，不管是什么级别规模的医院普遍存在不同程度的遗患比例失调。同时兼顾几十个病床的输液患者一直以来都是护士们的工作常态，如果再考虑到医院急救和门诊的输液病人，护理级别的差异，护士的工作会更加地繁重。工作压力大影响了工作状态容易引发与患者及其家属之间的矛盾。许多行动不便或高龄老人低龄儿童都会有专人陪同治疗，这些输液病人不仅需要护士重点关注而且还耽误陪同人员的工作学习。危急情况处理不及时还会造成回血事故。本设计针对上述实际情况提出以下几个系统设计需要解决地问题。(1) 实现滴液速度设置功能。 (2) 实现医护人员换药提示功能。 (3) 实现回血功能。 (4) 保障整个系统工作稳定及可靠性3.2 系统硬件总体设计方案输液监护系统功能模块主要包括：红外测速模块、数码显示模块、键盘控制模块、红外回血监测模块。其硬件组装方案如图3-2所示。 图3-2使用之前系统会通过电源接通信号自动初始化。工作具体内容如下：水位预警红外光电开关实时监测输液容器内的水位；红外线液体滴速测试单元将药液滴速数据通过外部负载方式发送到单片机；单片机处理来自水位预警子系统和红外线液体滴速测试单元的监测数据，发出特殊情况警报和信息数字化显示。3.2.1 点滴速度测量模块方案速度测量电路的设计是本设计的核心,它是系统功能实现的基础,经过资料查阅及相关作品参考后分析整理出以下几种方案:方案一:反射式的红外光电传感器在输液器莫氏滴壶的一侧放置反射式红外线光电传感器,利用红外线反射原理,接受液滴滴落时反射的红外线,光信号接收端接收光信号将其转化为电信号,电信号经过处理得到滴速数据。但这种方案受限于许多不稳定因素。液滴不规则的表面和液滴滴落时与传感器的信号接收端夹角的精确要求都会影响到反射光信号的检测。高受限因素和高工艺要求不符合本课题可操作性的宗旨 方案二:对射式红外光电开关红外对射式光电开关具有体积小,抗震性能强,具备交直流电通用等特性能够实现液滴的稳定检测,十分符合本设计要求的高精度特性。材料成本也相对较低。工作原理简单。摒弃反射并接受光信号的方式,采用遮挡红外光线检测信号得方式,通过单片机确定滴速。保证信号检测得的可靠性其功能齐全。方案三：采用红外线透射式原理，利用液体和空气对红外线的吸收差异来进行药液注射速度的测量。将透明的输液管卡入红外对管的空隙中，调整红外对管的位置，当输液管漏斗内有液体滴下时，接收管一端接收到的红外光信号变小，此时输出呈高阻态。当输液管漏斗内没有液体滴下时，接收管一端接收到的红外光信号增大，输出阻抗变小。通过这一些列的变化便能测量出药液的注射速度。利用该方式进行测量，系统功能稳定、影响因素少，测量系统功能齐全、体积小，使用方便。经考虑决定采用方案三。3.2.2 回血检测模块方案造成输液回血现象的原因主要是输液压力小于血管内压力。回血检测模块的任务有两个：检测是否发生回血；检测输液器内药液重量。针对上述两个任务提出以下两个方案。方案一：利用测重传感器解决预警水位报警问题，其原理是通过测量药液重量判断是否需要换药。针对不同药剂特性的预警重量设置不同的报警值。方案受限因素多，主要包括病人活动造成的传感器测量失准；输液器放置不合理影响传感器测量准确度。总而言之测重传感器方案优点在于安装简单物料便宜，缺点包括方法原始可靠度低。方案二：利用红外检测技术用两部分解决回血报警及药液重量实时检测的问题。回血报警部分：红外对管发射接收。利用血液回流时检测口血液与药液对红外线吸收或遮挡能力的不同,检测信号反馈到电子报警模块发出报警信号。药液重量实时监测部分：在输液容器正对方向的两侧使用电容传感器原理，让药液成为电容器两电极之间的绝缘电介质。电容器两极板与药液组成一个简单的电容器，两极板外接测量电路测量因输液器内药液液面升降引起的电容器电容量变化。根据电容量的变化判断输液器内水位变化。依照不同药液特性通过极板位置的调整设置专有的警戒液位。本方案较输液报警器研发初阶段提出的测重报警方式可靠性大大提高。可设置的预警水位体现出本方案的性能优越性。上述两个方案，方案一缺点明显且无法解决回血报警功能；方案二性能优越不仅可以实现回血报警还能实现预警水位报警。结合本设计宗旨考虑选用方案二。3.2.3 数码显示模块方案 本系统意图实现信息化监控，故需引入数码显示模块。实现设定并显示药液注射速度上下限的功能。参考单片机运用的其他工业领域控制装置的设计方案，总结得到两个方案。方案一：采用液晶显示屏作为显示器。液晶显示屏有以下几个优点：功耗小、节能，轻巧较薄，美观。但使用时，液晶显示屏的程序编程难度与对字符的要求比较大，在使用前需要对其进行单独的编译。并且，液晶显示屏的使用功能多样化，如果在本装置上使用会浪费它很多的功能，大材小用。方案二：采用数码管作为显示器。数码管具有耗能低、损耗低、工作电压低、使用寿命长等优点，且其工作性能稳定，不容易受环境因素的影响。而且相较于液晶显示屏，数码管的程序编程更简单，更加符合本课题的设计要求。数码管的功能较为单一，本装置采用数码管作为显示器不会造成资源浪费，选择两位的数码管完全可以满足本设计的需要。因此，综合各方面的比较，再结合本设计的实际需求，选择方案二更为妥当。3.2.4 键盘模块方案通过键盘控制模块输入，本装置可以实现设置药液注射速度的上下限的功能，当实际注射速度超过或低于预先设计值时，报警系统便会发出警告提示，因此可以看出键盘电路模块的方案设计在本系统中非常重要。键盘控制系统在本课题设计的应用系统中，可以实现输入所需数据、传送目标命令的功能，是人工操作、调节单片机系统的主要手段。键盘设计模式有两大类：编码式键盘系统与非编码式键盘系统9。编码式键盘：编码式键盘系统自身带有可以实现接口主要功能所需要的硬件逻辑电路，通过硬件电路完成必要的按键识别任务。人工每调节一次按键，键盘电路系统可以向单片机自动提供被按键的次数，而且在同一时刻会产生一种脉冲以通知微处理器，该方法具有使按键读数反弹跳与保护按键的功能。编码式键盘使用方便，但由于功能较多、性能完善，其硬件电路的设计较为复杂，因此不适用于功能单一、结构简单的本课题设计。非编码式键盘：与编码式键盘系统相比，非编码式键盘系统省去了结构复杂的硬件电路设计，其只简单的提供键盘的行列矩阵，键码的输入与确定等都是交由软件系统完成的，但这种方式设计的键盘系统在工作时占用CPU的时间便会较多。但由于本课题的设计功能较为单一，结构简单，主机任务较轻，所以非编码式键盘完全可以满足本设计的需要。非编码式键盘又有独立式按键结构和矩阵式按键结构两种。独立式键盘输入端口多，编程简单，调用快捷，每个按键都是单独接到STC89C52单片机的一个I/O口上的，在工作状态时不会互相之间有影响。而矩阵式键盘是将按键分为行与列，按键的两端接在行与列上，通过行列交叉按键编码进行键码识别，原理设计相对复杂，所需按键数量较多综合各方面的考虑，为结构简单、功能单一的本设计选择独立式键盘是最为合理的方案。3.3 系统硬件电路设计方案在硬件方面，系统若需实现目标功能，则需要各个模块的元器件共同工作运转，互相之间相互协调、帮助。对于电子作品的设计来说，对每个元器件的型号、规格大小等条件都是有严格要求的，不同的元器件所能实现的功能并不一致，且元器件都是微小、敏感的，如果有一电路模块使用的元器件型号、规格大小不符，则容易造成其他模块元器件的损坏。经过深入的了解及多次的验证，现列出以下本课题设计所用到的主要元器件：STC89C52单片机220电阻 *2LM393芯片 *2103精密电位器（蓝）*25mm红外对管（对）*2102排阻12M晶振10uF电容30P瓷片电容 *20.36寸两位一体共阴数码管蜂鸣器5mmLED *3（2红1黄）9012三极管按键 *310k电阻 *5自锁开关2.2k电阻 *2导线若干1k电阻 *2USB电源线（DC接头+电池盒）表3.3 主要元器件3.3.1红外对管控制电路信号接收电路由红外线信号接收管、定值电阻和PNP三极管构成，如图3-1。PNP三级管接收到红外线信号后，光信号转换到电信号电流形式经过三极管完成初步放大，电流流过电阻经由外部信号处理电路，得到测量数据。由红外对管技术介绍可知在没有药滴通过红外发射管红外线照射方向时，红外光线强度不变不会引起接收光电管中电流的变化，反向电压作用下的反向电流很小（一般小于0.1微安），也就是暗电流，当药滴通过红外发射管红外线照射方向时，引起红外光线强度变化，携带能量的红外线光子将光能传递给PN结中氮磷原子化学键束缚的电子，这些束缚电子的一部分获取光能挣脱化学键束缚，在三级管种特殊反向电压驱动下形成定向电子流，这个小的电子流会经过PNP三级管电路放大，放大后的电流介入单片机处理电路。最终药滴触发的信息经过光电转换到单片机逻辑功能处理后得到数据，数据在外部承载数码显示器管中显示出来。红外对管中红外发射管红外线发生电路由定值电阻和特殊材料的发光二极管组成，如图3-1所示。 图 3-1 红外对管控制电路Fig. 3-1 infrared tube control circuit红外对管工作时会遇到因液体透明导致发射接收光信号变化不明显影响到红外对管灵敏度的情况。具有发生原因为在没有液滴通过对管检测空间范围内时，红外发射管发射出的光线正朝红外接收管光信号接收区，信号接收区接收到的入射红外线强度较大，有液滴通过对管检测空间范围内时，红外光线被下落中的水滴漫射、反射、散射及吸收，信号接收区接收到的入射红外线强度减小，这时需要用到施密特触发器，接收管转换生成的电信号经施密特触发器递送的STC89C52中断系统处理。有效解决了因液体透明引起低灵敏度问题。依靠这种手段准确无误探测到药液的滴落3.3.2蜂鸣器电路及按键电路蜂鸣器在电子工程类课程试验中经常用到，可以说已经十分熟悉了。它几乎构成所有电子工业、生活电器、办公用具的报警发声器。一体化结构只需要在外部引脚接入直流电压即可工作，因其性能优良价格便宜广泛用于各种类型的报警器中。它的工作原理是振动发声，依靠磁场使发声膜震动，相当于一个小音箱。其工作原理简单但在工作电流上还是有要求的，过小的电流通过电磁线圈产生的磁场强度不足以驱动发声膜或驱动发声膜的频率太小不足以产生人耳可以捕获到的声音信号。因此在焊接电路时需要再增加PNP三级管来放大电流增强信号，以防止单片极低电平输出时蜂鸣器罢工。蜂鸣器内部电路图如图3-4所示。本课题设计装置设有人机交互功能，在以STC89C52构成的最小微机控制系统中常采用机械按键来实现交互功能。前文在数码显示模块中简单介绍了编码式键盘和非编码式键盘，非编码式键盘连接单片机的方式是：一个按键对应一个输入输出端口，其工作原理是按键动作经由端口电位高低识别。编码式键盘则通过编码矩阵识别。本装置经过方案对比后选用非编码式键盘非编码式键盘在使用过程中常遇到机械抖动问题，机械抖动就是在按键将落未落时产生的电位波动干扰。机械抖动问题是非编码键盘制作工艺上的缺陷，并没有操作规范可供参考来解决该问题。机械抖动速度极快发生在人毫不察觉的时间内，但单片机可以敏锐感受其导致的电平波动。机械抖动降低装置的可靠性必须采取手段来避免这种影响，目前常采用的去抖动方法有工艺改进去抖动和软件控制去抖动。工艺改进方式要求的技术很高会直接导致生产成本增加，属于从根本上消除抖动。软件控制方式则是通过程序手段来避开抖动，抖动依然会发生但不会进入单片机处理程序。其原理是将程序查寻到的低电平时延视作干扰电平剔除，干扰电平过后进入正常信号处理程序。单片机与键盘的接口图如图3-3所示。 图3-3 单片机与键盘的接口图 图3-4 蜂鸣器内部电路图本装置中的蜂鸣器设置在药液用完和滴液速度高于或低于预设值范围时发出报警声，来达到报警的作用。键盘向系统输入滴液速度预设值，操作非常简单。3.3.3电源供电电路 一个完整的电子设计能够正常、有序的工作，必须有一个电源供电模块为该系统提供动力，稳定、可靠的供电电源是系统能平稳运行的最基本条件。本设计使用的51单片机相较于其他系列的单片机，会更容易受到外界因素的干扰而出现程序在实现功能时的不稳定性，因此为单片机最小系统提供一个稳定性极高的电源供电模块是非常必要的。电源供电模块由电源接口、自锁开关、电阻、LED指示灯等元器件组成，再与单片机的VCC引脚相连，从而实现为单片机供电的功能。最小系统的供电电源可以由计算机的USB接口来提供，也可以由充电宝、外接排插等外部稳定的5V电源供电。 图3-5 供电电路图3.4 系统软件设计软件设计是从系统性能需求考虑，依据需求分析阶段确定功能设计软件系统的整体结构、划分功能模块、确定每个模块的实现算法以及编写具体的代码，形成软件的具体设计方案。控制和协调计算机以及外部设备，支持应用的软件开发和运行的重要条件。为保证软件质量给出以下原则。（1）设计对于分析模型应该是可跟踪的，软件模块可能被映射到多个需求上；（2）软件设计的一致性；（3）结构的设计必须参考系统实际问题；（4）软件设计是规划而不是程序代码的撰写； （5）软件系统的可靠性。 （6）设计方案评审保证语义正确性 （7）容易理解 （8）效率性在本课题设计中主要使用了两个软件：Keil uVision4、Protel 99SE。Keil uVision4是由德国Keil公司出品的基于WINDOWS平台的C语言软件开发系统，属于51系列兼容单片机开发工具类型14。与汇编语言相比，C语言在功能上、可靠性、可读性、使用方便性上有着明显的优势，用过汇编语言后再使用Keil uVision4来开发的话体会会更加深刻。另外非常重要的一点，我们只需对比一下使用Keil C51编译后生成的汇编代码，就能感受到该软件生产目标代码的效率是非常高的，大部分的语句生成的程序代码很连贯，容易理解。3.4.1主程序设计框架开始设置参数，显示数值注射速度计算函数数码显示管计数器初始化初始化结束判断按键是否按下N YY图4.3 主程序设计框图3.4.2药液注射速度检测程序设计框图再检测P3.3=1?即检测第二滴药液初始化判断P3.3=1?即是否有液滴启动计数机停止计数器利用中断次数、时间计算出液滴速度NYNY图4.4 速度检测程序框图总结通过本次的毕业设计制作，第一次深刻体会到我们国家医疗器械发展的落后。目前我国卫生机构医患比例失调，护士长期高强度工作的现状以及我国存在的过渡输液问题。作为该专业学习的学生，运用大学所学在毕业之际为解决上述问题提出可行