智能输液监控系统的设计毕业设计
本科毕业设计
说明书
智能输液监控系统
的设计
燕山
大学
里仁
学院
2016年
06月
本科毕业设
计说明书
智能输液监控系
统的设计
学院：
里仁学院
专业
学生姓名：
学
指导教师：
侯培国
答辩日期：2016
年6月19日
任务书燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院：电气工程学院专业(方向)：仪器科学与工程系
注：周次完成内容请指导老师根据课题内容自主合理安排。
摘要
本设计是基于目前输液过程存在这样或那样的医疗隐患而设计的一套智能输液监控系统。通过对控制芯片、传感器、通信方式以及点击应用比较与分析，选择出了各部分的
最优方案。其中，输液检测部分本设计选择的是HX711称重传感器，通过对剩余的液量的重量来判断输液是否完成，以及反馈给护士台，使护士台做出一系列反应。如果输液完成，会发生报警。本系统包括下位机和上位机软件设计两大部分,下位机主要功能是把输液病人的信息传送到护士站,能够进行良好的通信。硬件发送电路板用在病人端，是以
STC89c52RC控制芯片设计的，并辅以必要的外围电路，实现液滴检测，声光报警、数码
显示等功能，再通过nRF2401无线传输模块把数据传输出去。接收板与上位机进行连接并放在护士站，接收板接收数据后通过接口把数据直接传送到上位机。上位机远程监控平
台可以与输液监控器无线组网，同时实现对多台监控器的监控和管理。医护人员可以随
时观察到每个病人的输液情况,一旦出现异常状况,护士可以及时处理。输液结束报警,护士及时拔针或换药,避免血液回流。
关键词：单片机STC89C52RC，hx711称重传感器，上位机，报警
Abstract
Square root of this design is based on the existence of one kind or another medical infusion process hazard and design a set of intelligent infusion monitoring system. Through the control chip, sensor, communication mode, and click on the application of moths comparison and analysis, choose the optimal scheme of each part. Place machine and superordination machine under this system, including the software design of two parts, the next bit machine design including sending board design and receive board design, its main function is to put the transfusion patient information transmitted to the nurse station, can be good communication. Hardware circuit board sent on the patient side, based on 89 c52 chip design, supplemented by necessary peripheral circuit, realize the droplet detection, sound and light alarm, digital display, and other functions, and then the data transfer out by nRF2401 wireless transmission module. Receiving plate and upper
Keywords:microcontroller STC89C52RC、HX711?weighing sensor、upper computer、give an alarm
目录
附录
第1章绪论
课题背景、目的和意义
课题背景
改革开放以来,随着国际交流的进一步增强和国家支持力度的不断加大,我国医疗器械行业迅猛发展令世界刮目相看。资料显示,从2000年到2009年10年时间,中国医疗器械的总量相当于以前的6倍,2005年,除了美国和日木之外,中国己跃居世界第三。06和07年,中国医疗器械进出口额都超过百亿美元。近几十年来,中国经济迅速发展,人民生活水平大大提高,人们对医疗保健的重视程度愈来愈强,这样促进医院及家庭对医疗设备的需求快速增加,致使国内投入研究医疗器械行业的企业不断增多,研究人员不断壮大,医疗产品不断丰富,产品功能越来越多,质量越来越好,中国医疗器械正不断走向全世界。
静脉输液是利用大气压和液体静压原理将生理盐水、葡萄糖等药液由静脉输入病人体内的方法[1]。在临床治疗方面起到无可替代的作用。它的主要特色是给药迅速、见效快,及时抢救了无数患者的宝贵生命。然而目前,输液过程还存在各种各样的隐患。首先,输液速度是最令人头疼的问题,一般来讲,输液速度的控制大多是靠医护人员通过旋转液滴管上的机械滑轮,目测出大概速度,特别是对于新进人员,由于缺乏经验,容易速度把握不够准确,出现输液速度太快或太慢的问题,太快会给病人带来疼痛,太慢则起不到良好的治疗效果。其次,当患者输液时,大多需要陪护人员在旁边不停地观察药液余量,以便当药液快滴完时通知护士及时拔针或更换药液,有时陪护人员太累或者临时有急事,未注意到药液滴结束,护士未及时来处理,结果造成血液回流等情况,给病人身心健康带来不必要的伤害,甚至带来生命危险。针对以上问题,急需研究一种功能齐全、智能、安全、方便的输液监控设施。使医护人员能够合理控制液滴速度,也可以不用陪护人员。这样克服了目前输液过程中浪费时间、精力、服务水平低下等弊端。我国是人口大国,医院数量居全世界首位,输液监控系统的成功研制及其推广应用,将大大提高我国医疗整体服务水平,带来良好的效益[2]。
截止2009年,资料记载目前己有67种输液监控方面的专利技术,这些技术大多都能实现速度控制及结束报警等基木任务,然而真正做到成功推广应用的专利
技术却是寥寥无几,正是由于研究人员未能深入医院进行深入考察,与医护人员进行充分交流,一味蛮干,结果出现这样那样的问题,譬如价格高、操作不够简捷、保密性不够强等多方面的因素[3]。我们知道,目前在一些发达国家出现输液泵的应用,它的功能相对齐全,控制比较精确,但是价格太昂贵,要想在全世界真正推广开来不太现实。要想使产品真正普及到每一个病人,研制出价格较低、性能较全且操作简便的智能监控系统迫在眉睫。
在临床医学中，静脉输液虽然应用广泛，但目前普遍使用的输液工具仍然是传统的茂菲氏输液器，且以人工监控为主。输液时需要将输液瓶（袋）悬挂在输液架上或者高于患者的穿刺部位，利用势差将药液输入患者体内，护士凭借肉眼观察茂菲氏管中的液滴并估计输液滴速，根据经验手动调节输液器上的滑轮来控制输液速度[4]。输液过程中护士需要不停地巡检，并由患者或陪护人员观察剩余药液量，当药液即将输完或者滴速出现异常时，及时通知值班护士前来处理。这样不仅增加了医护人员的劳动强度，导致差错率大为上升，而且不利于患者的休息，影响了治疗质量。如果发生药液输完或者输液管堵塞等情况而护士未能及时处理，则有可能会发生回血或其他危险，给患者造成痛苦，甚至导致医疗事故。
国内外发展史
鉴于目前输液过程中存在这样那样的安全隐患,且在输液过程中存在耗费人力较大等问题,迫切需要对目前输液状况进行改进,近几十年来,国内外一些专家争相研究,输液监控系统一直在不断改进,目前已取得不小成就,其发展主要经历以下几个阶段：
1.机械式输液监视阶段
该方法是在输液瓶上方挂一只弹簧秤,根据输液过程中瓶中药液逐渐减少,导致弹簧伸缩变形,由此计算出剩余液面的当前位置,于向英等利用这种方法对输液监控过程进行了多次试验,结果证明误差较大,这是因为输液瓶容积规格大小不同,且输液液体密度不同等多种原因导致的,所以说机械式输液监控设备可行性较差,未能得到发展[5]。
2.电容式液位监视阶段
输液过程中,药液液位不断下降引起电容变化,从而根据电容的特性对剩余药量进行估计的[6]。这种设计思想具有一定的可取性,系统能够起到一定的监控作用,但是由于输液过程中涉及瓶子体积不均问题,且电容不能像电阻那样是可以随便调节,一旦焊接固定了就不可改动,需要设计多种规格的电路,实际应用起来太繁琐,并不能真正推广开来。
3.电极式输液监视阶段
电极式监控方法是把两电极插入到输液管的莫菲氏管中,液滴下落时由于受到晃动,电极还会产生一定的极性反应,并发出相应信号,由此计算出当前液体滴速,然后计算出剩余药液体积变化,这种设计方法相对简单易行,可靠性好,但是两电极直接放入滴管中[7]。难免与下落液滴接触,这样会对药液造成污染,不符合药品安全规范,所以并不能投入实际应用。
4.光电式输液监视阶段
光电传感器能够将可见光转换为某种电路,它包括发送端和接收端,使用时将其水平放在莫菲式管两边即可,传感器发送端一般对外界光强变化较为敏感,产生反应,并把相应反应发送出去,接受传感器接受相应变化,把接受到的电流信号转化为放大的电压信号,传给后面电路进行数据处理,从而可以计算出当前滴速,并可计算剩余体积,由于光电传感器不与液体直接接触,它以不污染药液、安全、可靠等多方面的优点得到了广泛支持,目前的输液监控设备多采用这种方法。
上世纪90年代初我国就有人开始涉足这方面的研究。且在输液监控领域有了一定的成就,主要有以下专利和研究成果。张婉妓于90年发表专利设计了一种输液监控报警器包括至少一个光源发射器和至少一个光源接收器、电源模块、控制器和报警电路,光源发射器与光源接收器要对应设置,光源接收器输出端连接到控制器的信号输入端,控制器的信号输出端再连接到报警电路的信号输入端[8]。本输液监控报警器在输液出现不正常时或瓶内液滴快要滴完时可进行声光报警。此输液监控报警器具有结构简单、使用方便、报警准确率高等特点。其缺点是功能较少,不能实现全面监控。
齐齐哈尔大学的徐凤霞等人利用MCS一51系列单片机与电力线载波芯片结
合其他软、硬件开发出病区输液远程监测系统。系统具有静脉输液速度检测、液面检测、显示、记录、声光报警、电力线载波通信、上位机组态等功能。该系统利用电力载波技术将低压线路用作通信系统的物理信道,电力线是覆盖范围非常广泛的网络,从降低有线通信系统的成本方面考虑,倒是一种不失实际的选择。但是系统相对来说较复杂,应用前景不够乐观[9]。
刘世平、薛大磊、葛强研制了输液智能监控产品,本系统包括护士站信息显示板和多个输液检测报警器,护士站信息显示板是由调整键盘电路和与其相连接的且依次排列的多个信息显示单元组成,各个信息显示单元分别连接与其对应的输液检测报警器。此系统能够同时在病房和护士站发出声光报警,且在报警的同时能够自动停止输液[10]。另外,在护士工作站可以显示该病床输液的相关信息。
国外对智能输液监控系统也有诸多研究,相对较早,在20世纪80年代末就开始有研究了。德国、韩国、美国、日木等发达国家都进行了输液监控设备的研究,目前主要对输液泵的研究有了很大的成就,例如日本托普公司研制的输液泵TOP一2000及TOP一3000,它们能够准确控制输液滴数及输液速度,保证药物能够匀速、无菌地进入病人体内。输液泵对于重症病人及某些婴幼儿患者进行监控是非常必要的,对病人的治疗起到了很好的帮助作用[11]。SM一2100输液泵是韩国JONGSANG公司产品,不同于以往的输液方式,是一种集光、机电于一体化的智能化输液监控设备。同时,输液泵的功能相当齐全。操作较方便,大大减轻工作人员负担,是患者可以放心选择的安全设备。但是输液泵价格普遍比较昂贵,在两万元人民币左右,其应用在一些发达国家医院较为常见,而在国内医院还鲜有应用。目前我国只有几所大医院才有购买配备,国内使用范围相当狭窄。
综上,国内外关于输液监控系统的研究虽取得了不小的成就,但是还存在很多不足。基于以上情况,本论文在借鉴前人的基础上,扬长避短。努力设计更加完美的监控系统。
设计的主要内容
静脉输液的监控常采用人工方式，输液完成时，如未及时换药或拔针头，将会出现回血、空气进入血管形成空气栓塞、凝血堵住针头等情况，严重影响患者的用药安全[12]。
研究设计一种输液监控系统，能对输液总量进行控制、并检测输液速度，输液完成时给出提示信号，必要时自动断液，通过无线通讯系统进行区域管理。
第2章研究方案及选择
输液监控系统的组成
本设计是基于目前输液过程存在这样或那样的医疗隐患而设计的一套智能输液监控系统。通过对控制芯片、传感器、通信方式以及点击应用娥比较与分析，选择出了各部分的最优方案。本系统包括下位机和上位机软件设计两大部分,如下图2-1所示。下位机设计包括发送板设计和接收板设计,其主要功能是把输液病人的信息传送到护士站,能够进行良好的通信[13]。硬件发送电路板用在病人端，是以89c52控制芯片设计的，并辅以必要的外围电路，实现液滴检测，声光报警、数码显示等功能，再通过nRF2401无线传输模块把数据传输出去。接收板与上位机进行连接并放在护士站，接收板接收数据后通过接口把数据直接传送到上位机。上位机远程监控平台可以与输液监控器无线组网，同时实现对多台监控器的监控和管理。医护人员可以随时观察到每个病人的输液情况,一旦出现滴速过快或过慢异常状况,护士可以及时处理。输液结束报警,护士及时拔针或换药,避免血液回流。系统应用组成图如图2-1。
图2-1 系统应用组成图
系统的工作原理
基于无线传感器网络的智能输液监控系统工作室，利用重力传感器实时采集输液剩余量，反馈到控制器，由控制器进行计算，并与预设的数据值进行比较做出相应的动作，同时将采集数据上传到远程无线监控平台和接受控制指令[14]，实现无线组网运行，系统的工作原理如图2-2所示。
1.增强型
容传统
2.工作电压：～（5V单片机）/～（3V单片机）
3.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口
（RxD/,TxD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
封装
STC89C52RC单片机的工作模式
1.掉电模式：典型功耗<μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序
2.空闲模式：典型功耗2mA
3.正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA
4.掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备
图2-3 STC89C52RC引脚
STC89C52RC引脚功能说明
VCC（40引脚）：电源电压
VSS（20引脚）：接地
P0端口（～，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻[16]。
P1端口（～，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（）。
此外，和还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（T2）和定时器/计数器2的触发输入（T2EX），具体参见下表：
在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
表2-1 和引脚复用功能
P2端口（～，21～28引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX @DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX @R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash ROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（～，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
在对Flash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。
P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：
表2-2 P3口引脚复用功能
RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/（30引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
（29引脚）：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89C51RC 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器
时，将不被激活。
/VPP（31引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。
XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。
液滴检测方案选择
方案一：用可见光二极管与光敏三极管组成的传感器来测量,相对于光敏二极管来说,光敏三极管具有很大的光电流放大作用,其较高的灵敏度在系统应用时易导致滴速测量不准确,采用大功率光敏三极管可以弥补这一缺憾,但是功耗太大,造成不必要的浪费[17]。
方案二：采用红外对管检测,红外对管是一种利用红外线为介质的测量系统,具体用法是把对管放在莫菲式管两侧,红外发送管对光的敏感性较强,当有液滴下落时使发送管接受到某种红外线后会发生明显变化进而发送信息,红外接收管接收到微弱信号,经放大并进行电压比较后再经整形处理传送给单片机,计算出液滴速度。近几十年来,红外传感器以优越的价格及优良的性能得到广大电子爱好者的青睐,广泛应用在工业、农业、医疗等各大行业之中。
方案三：用压力传感器进行测量的方法。压电传感器主要利用压电效应而造成的,在输液瓶的上方加一个压力传感器,通过压力大小变化来判断是否有药液滴下,压力传感器具有价格低、抗干扰能力强、使用寿命长等优点。但在本设计中会有误差。
本设计采用方案三
电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的原件。由电阻应变片和测量电路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线珊上面有覆盖层，起保护作用[18]。
电阻应变片也有误差，产生的因素很多，所以在测量时我们一定要注意。其中的温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：A:电阻丝温度系数引起的。B：电
阻丝与被测原件对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的办法是在被粘贴的基片上采用适当及温度系数的自动补偿，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要由结构设计决定，通过线性补偿，也可以得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。
设有一根电阻丝，如图所示。它在未受力时的原始电阻值为
式中 :
ρ——电阻丝的电阻率；
l ——电阻丝的长度；
S ——电阻丝的面积。
电阻丝在外力的作用下，将引起电阻变化R ?，且有
令电阻丝的轴向效应为/l l ε=?，由材料力学可知()//r r l l μμε?=-?=-，u 为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得
通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，其表达式为
从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数0k 由两部分组成：()12μ+表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；/ρρ
ε?表示由材料电阻变化所引起的。对于金属材料，/ρρ
ε?项的
阻值要比()12μ+小得多，可以忽略，故0k =12μ+。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即0k =～。上式可写成
0R k R
ε?≈。 通信方式的选择