【《基于单片机的静脉输液控制系统设计》9300字（论文）】

基于单片机的静脉输液控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u25932基于单片机的静脉输液控制系统设计 1220911.2国内外研究现状及发展 340231.3课题设计的主要内容 340722系统方案选择及总体设计 5217312.1系统设计的基本要求 552412.2系统的总体设计 5196072.3系统方案的选择 662252.3.1点滴检测方案 637962.3.2速度控制方案 6154622.3.3电机控制方案 6260652.3.4剩余液体检测方案 7253122.3.5通信方式方案 742752.3.6显示模块方案 895722.3.7按键模块方案 995353系统硬件设计 10252363.1主控电路设计 10204353.2滴速检测与控制电路设计 12175503.2.1滴速检测电路设计 12277503.2.2滴速控制电路设计 12287913.3剩余药量检测电路 1321513.4温度控制模块设计 13203133.4.1温度采集单元设计 1373453.4.2加热控制电路设计 1589143.5人机交互单元 1520233.5.1键盘模块 16277563.5.2LCD显示单元设计 16217573.5.3声光报警模块电路 1793734软件设计与调试 18303904.1主控电路流程图 18262904.2滴速测量与控制程序设计 19103304.2.1滴速测量程序设计 1985054.2.2速度控制程序设计 20258574.3剩余药量检测程序设计 2058054.4温度控制程序设计 21128164.5人机交互单元 2262424.5.1键盘程序模块设计 2279144.5.2显示模块程序设计 23302214.5.3报警模块程序设计 24109774.6系统测试 24118714.6.1硬件测试 2430464.6.2软件测试 251绪论1.1论文背景及研究目的静脉输液在医疗中是一种很重要的技术，在临床上应用极为广泛。近年来我国输液数量急速上涨，每年消耗百亿瓶输液。因此我国也在世界上被称作“第一输液大国”。此外，我国人口基数较大，所需的输液量较多，我国的医疗人员数量相对较少，输液问题给医护人员造成了不小的压力。设计出一种输液监控系统迫在眉睫，自动化的监控与管理也是医疗事业发展的必然要求和趋势REF_Ref18448\r\h[1]。随着科技的进步和社会的发展，医疗事业也逐渐走进现代化。现有的医疗设备和看护的方式已经开始不能满足病人的需要了，因此现代化的输液监控设备将会拥有光明的前景和辽阔的市场REF_Ref18602\r\h[2]。患者在输液时护士需要根据实际情况手动地选择适合患者的输液滴速和温度，这样就会加强了医护人员的工作量，并且差错率也会大大升高。不仅影响了治疗的质量，也可能加大了交叉感染的风险REF_Ref18670\r\h[3]。输液的快慢、温度等会对患者治疗的效果产生直接影响，所以应根据患者不同情况、药物的不同性质指定不同的输液方案，但现在临床上依然是凭护士工作经验调节滴速和机械地执行静脉输液医嘱REF_Ref18817\r\h[4]。若输液滴速过快会导致病人出现不适应的症状，严重的会威胁生命。若输液滴速过慢会耽误患者的时间。缺少经验的护士和家属可能会控制不好速度，轻则造成患者不适，重则就会出现医疗事故。冬季输液时，因为室内温度低导致药液温度远低于人体本身温度。如果直接注射进人体内，会导致患者发抖、寒颤或手部感受到刺痛感。这不仅仅会造成患者的不适，还会降低治疗的质量。严重情况下会导致凝血功能障碍、心脏疾病等，可能会危及患者生命。我们现在能够采取的方法就是拿热毛巾或暖手宝放在输液管外部进行物理加热。但通过这种方法，我们无法准确控制药液的温度。若加热的温度过低，起不到任何作用；加热温度过高，可能会降低药效。所以我们应该尽量将药液温度控制在一定范围内，一般将范围维持在20~30℃REF_Ref18889\r\h[5]。一般情况下，患者在输完液后由陪护或医务人员拔取针头，但是如果出现陪护人员睡着或外出的情况，会导致针头无法及时拔出，从而导致回血等情况，严重情况下会对患者生命造成威胁，这将会导致患者与医院之间出现医患纠纷。现在的输液系统依旧存在耗费精力过多、监控不够准确、医疗服务水平不够高等问题，所以本文将设计一种输液检测系统，能够在护士站监测到每位患者的输液情况，并在输液出现突发情况时第一时间报警通知医务人员。现如今社会快速发展，信息化的应用范围也越来越广泛，因此我们可以利用信息化的设备实现输液的监控。本设计主要目的是减轻医疗人员的工作负担，其次能够在输液过程中减少安全隐患。希望此设计在推进医院的信息化和现代化方面有一定的作用。1.2国内外研究现状及发展我国在20世纪90年代才对医疗类产品进行深入研究，但是对于液体进行监控这一方面很难。其功能的单一性和工作的不稳定性，使得其不能在全国医院进行全面推广。张阳、吕大伟、张溢清研制出“病人输液情况集中显示仪”、“病人输液微机监控系统”等成果。张元庆的“静脉输液实时监控系统”是以单片机为核心，对各个床位进行循环检测，并且对呼叫进行及时处理。除此之外还包括一些其他的专利，其中包括北京东方美源的SJK数字输液监控仪，它具有体积小、容易携带等优点。还有陕西省研制的“输液监控仪”，其特点是能够自动的对滴速进行调节，并且能够对突发的异常情况进行及时报警。一款叫做“输液监控器”（专利号：ZL.01.273726.7）的产品，能够自己选择输液的温度，对药液的温度进行恒温控制，并且对异常情况进行报警REF_Ref19088\r\h[6]。上海致衡医疗器械公司所研制出的静脉输液监控器能够检测出滴速，并且能够将这些数据传送至电脑终端，医护人员能够通过显示界面了解病人的输液情况，并且能够控制滴速。滴速能够控制在1滴/分~120滴/分量的增加值为1滴/分，滴速控制精度为±5%REF_Ref19278\r\h[7]。点滴的智能控制产品在国外的研究与发展已有半世纪之久。相比较之下，西方发达国家的技术相对成熟，品种也相对较多。西方国家已经基本实现了输液检测的智能化。其中包括日本的ATOM输液、JMS输液泵OT-701，德国和美国等国家也制造出一些性能相对较好的输液监控设备REF_Ref19467\r\h[8]。1.3课题设计的主要内容本文利用单片机，通过步进机、红外检测设备、LCD显示屏等完成对输液速度的显示与控制，并对药液的温度进行检测和控制。医护人员可以根据病人的情况在键盘上选择适合的滴速，之后通过控制步进机来控制输液速度。红外检测设备将输液的实时信息以电信号的形式传输给单片机，单片机进行相应的计算，最后将滴速显示在LCD屏上。该检测系统分为主站与从站，主站能够对各个输液设备进行实时监控，可将其放置在护士站使得护士能够观察到各个输液设备的情况。从站就是各个输液设备，能够显示和调节输液的速度，当输液设备输液完成或发生其他异常情况时，从站发出报警信息并向主站发送信号。

2系统方案选择及总体设计2.1系统设计的基本要求该设计应当满足以下几点要求：一、性价比要高，市场上现已存在各种各样的输液检测系统设备但是大多存在一个问题就是价格较为昂贵，只有一些较为高端的三甲医院或是私立医院能提供这种设备。即便一款产品的安全性足够但是没有可以接受的价格，想在市场中立足也是很困难的REF_Ref19725\r\h[9]。如果我们能在保证设备质量的同时能够节约成本，那么我们就能够在市场上能有更强的市场竞争力。二、我们要实现该设备具有较高的可靠性，该设备研发成功后将会应用在医疗上，我们要做到尽量万无一失，认真研究每一个可能出现故障的环节并解决问题。2.2系统的总体设计该论文通过CAN总线在主站和从站之间建立良好的通信。从站是患者端，以单片机为核心，来发送病人信息。主要能够实现的功能有：滴速显示与滴速的控制、温度检测和温度控制、声光报警系统等。主站是指护士端，由护士进行控制，能够实时监控每一个病人的情况，如果发生滴速过快或其他异常现象时及时发出报警信号。系统总框图如图2.1所示。图2.1输液检测系统总框图2.3系统方案的选择2.3.1点滴检测方案方案一：采用压力传感器测量在吊瓶下方安装一个压力传感器，通过压力传感器测出的压力值来判断是否有液滴滴下。压力传感器有性价比高、使用寿命时间长等优点。但液滴的质量较小，且在输液过程中会发生摇晃，导致传感器测量的压力值可能会有较大误差，因此本设计使用方案二。方案二：采用红外对管进行检测红外对管包括红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头。其原理是根据光线的强弱来判断是否有药液落下，并根据记录液滴数量来确定吊瓶内液位变化量，也能根据单位时间按内液滴数来实现对滴速的计算REF_Ref19846\r\h[10]。经过上述分析，选择方案二，红外对管对液滴的检测更为精准。2.3.2速度控制方案方案一：通过控制输液夹的松紧来控制滴速通过控制滴速夹对一次性输液器的松紧程度来控制滴速，滴速夹越紧则滴速就会逐渐缓慢。滴速夹越松则输液的滴速就会逐渐加快。方案二：利用机械装置控制滴速当实际的输液速度小于预定的输液速度则通过步进机控制滑轮使得滑轮反向旋转一个单位，通过该操作能够减少化滑轮对输液软管的压力，使得滴速增大；反之，当实际输液速度大于预定的输液速度时，同样通过步进机控制滑轮使得滑轮滑轮正向旋转一个单位，使得滑轮对输液软管的压力增大，使得滴速减小。若实际的输液速度等于预定的输液速度时，则不需要进行任何操作。经过上述分析，选择方案二，利用机械装置会对输液滴速进行更高精度的控制，且能够解决人工控制这一问题。2.3.3电机控制方案方案一：伺服电机控制伺服电机具有处处功率高、机械性能好和电路简单等优点。但是伺服电机驱动操作较难，价格也较为昂贵，所以不采用本方案。方案二：直流电机控制直流电机采用的是直流电，只要提供直流电该电机就会转。但是给电停止之后，其仍然存在一定惯性，会转动一定角度后才会停止。本设计应用于医疗，应尽量减少误差，该方案不够精确，不采取本方案。方案三：步进电机控制电机控制只与脉冲信号相关联，步进电机能够把脉冲量转换成角位移或者是线位移，能够通过调整脉冲量控制步进机的转换角度，能够准确的控制输液的滴速。经过上述分析，选择方案三，该设计应用在医疗上，要求精度较高且步进电机有较高的性价比。2.3.4剩余液体检测方案方案一：光电传感器传感器对实时的液面高度进行检测，当液面低于预定高度时，则启动声光报警系统。方案二：使用金属电机对实时液面进行检测，因为液体具有导电性，将电极插入到液体中，则会测量出液体的高度。但是该方案存在一定的安全问题，同时该方法也会污染药液，所以该方案并不可取。方案三：利用测重法进行检测，利用传感器原理，随着溶液内液体逐渐减少，传感得到的信号也会相应的变化。该方案电路较为简单，但是精确度较差，且传感器按安装较难。经过上述分析，选择方案一，该方式检测出的数据较为准确且安全性较高。2.3.5通信方式方案方案一：无线方式无线方式主要包括以下几种：1.蓝牙技术：这是一种能够实现短距离通信的无线设备，其优点就是价格低，能够应用在许多领域。但是该技术很容易就会收到干扰，且其能够传输的距离较短，无法应用于该设计。2.红外通信技术：红外通信是一种通过红外线的发射来实现数据运输的技术，但是其缺点就是红外线传播时会受到一定程度的干扰。其次，医院还会有很多的墙壁以至于信号传输效果较差。无法应用与此设计。3.Zigbee技术：Zigbee技术的特点是距离近、复杂程度低、速率低、成本低的能够进行双向通信的通讯技术。主要应用于距离较短、传输速率低的电子设备之间进行的数据传输。但是该设计主站与从站之间的距离较远，会降低传输数据的效率，且准确性较差。方案二：有线通信常用的有线通信方式有：USB、RS-232、RS-485、USB、CAN总线等。USB传输能力较差，而且与单片机配合使用时，效果会更差，所以不采用USB传输模式。RS-232总线是采取单端传输的技术，仅仅靠着一根线，把“地”当作参照点形成电位差，能够节约一定成本，但是在我们理想中要把地当作是零点位，但实际生活中很难找到零电位REF_Ref19990\r\h[11]。RS-485总线能够实现在在两根传输线上采用差传输，能够实现电位的相对稳定，使电位差在可接受范围内。但是其利用率非常小，RS-485无法发现错误，只能检测一些电路上的问题。CAN，全称控制器局域网，是现在国内外使用较多的一种通信方式。CAN总线使用位串行数据传输，它的速度非常快,传的距离也非常远。经过上述分析，选择CAN总线，该方式能够尽量避免外界干扰、准确性较高。2.3.6显示模块方案方案一：用LED数码管进行显示。LED数码管的组成简单，显示速度相对较快，使用寿命也较长。方案二：用LCD液晶屏进行显示。液晶屏的显示效果较好，稳定性较强，显示速度较快。经过上述分析，本设计使用方案二，该方式显示效果较好。2.3.7按键模块方案方案一：矩阵式键盘。矩阵式键盘能够尽量少的占用单片机的I/O口。方案二：独立式键盘。独立式键盘采用的是端口进行直接扫描。优点是结构奇较为简单、操作较为容易。经过上述分析，本设计使用方案一，该方式能够最少使用I/O口。

3系统硬件设计3.1主控电路设计本设计的核心部分为单片机。通过上文，我们已经对各个模块进行了方案讨论，也选择出了合适的方案。硬件系统通过红外对管检测出液滴的下落情况，随后通过单片机计算得出滴速，再通过红外检测传感器对与液面进行检测，若液面低于预定位置或滴速出现异常情况时，就会启动声光报警系统进行报警。其次使用数字温度传感器对药液温度进行测量，当药液温度小于设定温度时则启动加热系统；反之则不需要进行启动加热系统。通过按钮对滴速滴速进行选择，通过步进机控制滑轮正反方向旋转一定单位，从而达到控制滴速的目的。最后能够在LCD显示屏上实时了解输液速度。图3.1为输液检测系统框架图。图3.1输液检测系统框架图当前使用较为广泛的单片机有以下两种：（1）51系列单片机MCS-51是Intel公司在1980年最先推出的8为单片机，此系列单片机有和多种，最常见的就是8051和AT89C51等REF_Ref20081\r\h[12]。它的外围电路相对简单，上手容易。目前生产51单片机的厂家有：英特尔、艾德梅尔、西门子、华邦以及国产宏晶等。（2）MSP430系列单片机MSP430单片机TI德州仪器公司推出的最近几年开发的单片机，其特点就是：低电压、低能耗、功能多。并且MSP430系列单片机拥有LCD驱动、A/D转换、模拟比较器、多路中断和定时器等，所以它的用途也是非常的广泛REF_Ref20169\r\h[13]。本系统采用的是MSP430系列的单片机中的MSP430F149。MSP430的最小系统是由时钟电路、复位电路、晶振模块等部分构成的REF_Ref20261\r\h[14]。MSP430F149的最小系统电路图如图3.2所示。图3.2MSP430F149最小系统电路图3.2滴速检测与控制电路设计3.2.1滴速检测电路设计该系统使用红外检测技术，对输液管处的输液速度进行检测。由红外发射器发射出红外光线，光线透过输液斗后能够照射到接受二极管，接收二极管将接受到的光线转换成电流信号并且进行输出。红外传感器只能够接受到脉冲信号，要将其转换成电平信号，这样才能够通过单片机进行计算。因此在电路设计中增加了电压比较器，由此来实现对信号的转换。通过一系列对比，选择了LM393芯片。当有药液通过时，接受管就会停止从而导致加号处电压升高，减号处电压下降，从而输出的为低电平，相反的则为高电平，至此采集完毕，详见如图3.3、3.4所示。图3.3滴速检测电路图3.2.2滴速控制电路设计该单元的设计采用半步也叫做四相八拍的工作方式，该电路通过所接受到的供电顺序，电动机能够自行转动。电路图如图3.4所示。图3.4滴速控制模块电路图3.3剩余药量检测电路本模块采用的是光电传感器，电路图如图3.5所示图3.5光电传感器电路图3.4温度控制模块设计3.4.1温度采集单元设计本单元采用的是数字温度传感器，采用的是其中的DS18B20传感器。它具有很多的优点如：体积较小、成本较低、抗干扰能力强、精确度高、型号多、接线方便等特点REF_Ref20342\r\h[15]。该传感器能够测得的温度范围是-55℃~+125℃，有一定误差，且在使用该传感器时不需外围原件。能够通过使用一条线使得传感器与处理器的双向通信。DS18B20一共有三根引脚，分别为：GND、DQ、VCC;GND直接接地、DQ与单片机I/O口相连、VCC接5V的电源。图3.6为温度传感器电路图。输液管内的药液对输液管外壁有一定的传导作用，通过测量输液管外壁的温度得到药液的实际温度。图3.6温度传感器电路图本设计采用的是陶瓷的PTC热敏电阻，该电阻和一般的加热元件相比具有一定的优势。例如：加热速度快、没有明火、不易受电压影响。图3.7为PTC热敏电阻特性曲线。图3.7PTC热敏电阻特性曲线图该系统采用的时陶瓷的PTC热敏电阻。陶瓷材料具有绝缘性，不会发生漏电等事故。并且其是以钛酸钡为基和多晶材料制作出来的，所以具有相对低的电阻和半导性REF_Ref20427\r\h[16]。本设计时用于病人的输液情况的监控，应当绝对保证病人的安全，所以陶瓷PTC热敏电阻是不二之选。本设计采用的加热器件是由陶瓷的PTC热敏电阻和铝导热板组成。将PTC陶瓷加热电阻放置在铝导热板后端的圆形通孔内，导热板前段是椭圆形槽用于放置输液管，这些元件一起构成了该系统的加热装置。给电之后，陶瓷PTC热敏电阻就会恒定发热，进而通过铝导热板对输液管内的药液进行加热。本设计的加热装置由加热器和固定装置构成，如图3.8所示。图3.8加热装置设计图3.4.2加热控制电路设计本设计使用的是PTC热敏电阻，其工作电压为220V，工作电流也较大，因此选择固态继电器来实现热敏电阻的连接与断开。本系统采用的是固态继电器SSR-10DA-H。此继电器是电流为10A的交流固态继电器输入段与控制电路相连接，输入电压：3-32V（直流），控制的电流：6-12mA。输出端与负载和负载电源相串联，负载电压：90-480V（交流），其负载电流的最大值是10A。但是选用的单片机驱动电流较小，不能够驱动选用的固态继电器，因此，选择在单片机的I/O口后面接入一功率较大的达林顿管ULN2003以此来提高驱动电流单片机对继电器的控制方式需要采用低电平驱动，因此在I/O口后面增加一个反向器74HC14。继电器的开合是由I/O口的输出进行控制的，开关闭合时晶闸能够导通，因此220V的交流电压驱动PTC发热元件，进而能将热量通过输液管传达到药液。PTC热敏电阻控制电路图如图3.9所示。图3.9PTC热敏电阻控制电路图3.5人机交互单元3.5.1键盘模块单片机的I/O数量较少，选择4×4行列式矩阵键盘，这样就能够尽量少的使用I/O口线。该系统的键盘电路图如图3.10所示。图3.10键盘模块电路图键盘电路中的S1~S10分别表示的是按键1~9和0。S11是确定按钮、S12是取消按钮，S13是设置按钮、S14是能够手动控制的“＋”按钮、S15是能够手动控制的“－”。S14和S15是能够手动调节输液的滴速。其中的S1~S10是在系统上电复位后能够进行对输液速度和输液温度数值的初始化。S16为锁定按钮，当按下锁定按钮后，整个键盘就处于一种锁定状态，这样做就是为了防止患者在护士不在时自己随意的调整键盘按钮。如果需要解锁则需要输入对应的密码才能够进行解锁，这样能够提高该系统的安全性能。3.5.2LCD显示单元设计本系统采用的是LCD12864来进行显示输液温度、输液滴速、报警情况的显示。相对于LED显示器来说，LED的数码管只能够单纯的显示数字，本系统需要实现显示输液的滴速、输液温度、报警信号等多种元素，使用LCD显示屏不易混淆。本系统采用的是型号为QC12864B的LCD显示屏。该显示屏能够显示数字、字母、图形、中文等，具有图案和我拿走混合显示的功能。LCD显示电路如图3.11所示。图3.11LCD12864显示模块电路图3.5.3声光报警模块电路本模块的设计是当该输液监控系统出现异常情况时，发出声光报警，能够及时的通知医务人员，避免发生医疗事故，保证该系统的使用安全。当输液监控系统检测到发生异常情况时，应该使步进机控制螺母，使其将输液管加紧，使输液停止。同时使测温、加热装置停止工作。声光报警电路图如图3.12所示。图3.12声光报警模块电路图4软件设计与调试4.1主控电路流程图最先开始的是该输液监控系统的初始化操作，然后该系统进行自检，若自检没有通过，说明该系统存在一定的问题，应进行相对的处理并重新开机进行自检；如果自检通过，那么就说系统能够进行正常工作。随后进行的就是通过键盘输入设定滴速、温度、输液通道等。确定键按下后，系统才对该通道的输液温度、输液速度进行监控。当发生异常情况时，先进行判断的时输液是否结束了，若检测不到输液信号且所剩药液低于警戒线位置，则认为是输液完毕，反之就会认为出现了输液异常情况，此时控制电动机对输液管进行阻断，与此同时断开加热设备并开启报警系统。主控电路图如图4.1所示。图4.1系统程序主流程图4.2滴速测量与控制程序设计4.2.1滴速测量程序设计该系统采用的是根据脉冲实现滴速的计算。较为常用的两种方法分别为：测频率法和测周期法。测频率法的基本原理是通过保持周期的不变，来测出在一定周期内的脉冲数，并由此计算出滴速值。另一方法就是测周期，测周期是在单片机运行过程中，获得两个相邻脉冲之间的时间，就能够得到对应的速度。因此对比来说，测周期法就相对容易，并且测频率法存在一定误差，所以该系统采用测周期法。在本设计中，第一滴输液下落时，开始系统中断，启动计数器对该周期内脉冲进行计数；下一次液滴低落时，关闭计数器，则完成了滴速的测量。程序流程图如图4.2所示。图4.2滴速测量模块流程图4.2.2速度控制程序设计本设计采用的是利用机械装置控制实际的滴速等于与预定的滴速。通过步进机带动滑轮使得步进机能够正反向旋转。流程图如图4.3所示。图4.3速度控制模块流程图4.3剩余药量检测程序设计通过光电传感器对剩余的药液液面进行检测，检测出当前的液面是否低于预定的液面高度。若液面低于液面高度则系统就会将该信号传输至通信模块，并开启声光报警电路。剩余药量检测的程序框图如图4.4所示。图4.4剩余药量检测模块流程图4.4温度控制程序设计本设计首先对数字温度传感器进行初始化，随后对键盘设定的温度值进行读取。经过延时后对药液的温度进行检测。随后接收到温度转化命令后，对刚测得的温度进行转换，并且进入等待状态，之后将温度的转换值出送至单片机。读取温度传感器转换温度值的时间间隔是1s,通过计算检测值和设定值之间的温差值，决定是否让继电器控制加热装置打开。本设计的温度差控制在2℃以内，若温差在2℃以内则保持继电器不变；相反若温差好过2℃，那么就需要通过控制单片机来实现开启热敏电阻电源。需要对该与0℃进行比较