基于单片机的智能输液系统毕业设计

基于单片机的智能输液系统设计

院系：机电与自动化学院

专业班：电气工程及其自动化1004班

姓名：张翰墨

学号：20101131168

指导教师：吴雯

2014年5月

基于单片机的智能输液系统设计

Design of Control System for Liquid-dropping Based on Single Chip

Microcomputer

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：51单片机医院输液系统输液监控

I

Abstract

With the continuous development of intelligent control, clinical research automation equipment has become a focus of medical devices. It can reduce the pressure of staff, improve the working efficiency of medical staffs. Intravenous infusion is a common clinical treatment，the treatment effect in the vein of the input,this topic is the design method of the intelligent infusion system, the scheme is based on AT89S51 control. This system operation is simple, started fast, has an alarm function and convenient centralized control, is of great significance in modern medical enterprise，promote the development of intelligent medical business automation，is conducive to improving the quality of medical care.

The main function of this subject: the circuit for collecting the droplet velocity，droplet velocity can be set and compared, can display the drop speed and the rest of the infusion time; can set up their own drop speed; in the infusion of remaining liquid volume is lower than the set value, the automatic alarm, or infusion process there are special circumstances can also alarm. Part of the research blank infusion system added to the direction, have important significance for analyzing the structure of the equipment and electronic design research; through theoretical analysis, a very good analysis of the theory and practice basis of the infusion system. The results of research on this to picprovides abundant information for the study of transfusion system.

Key words: 51MCU hospital infusion system transfusion monitoring

II

目录

摘要 ................................................. 错误！未定义书签。Abstract.............................................. 错误！未定义书签。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)

3.5 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)

III

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 ............................................. 错误！未定义书签。附录一总体设计原理图 . (27)

IV

绪论

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。

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1 课题的背景和意义

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

2

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 系统设计需要解决的问题

（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。

3

4

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。

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：h

g

p*

*

=ρ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，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

方案一：伺服电机

5

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。

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2.6 键盘接口电路方案

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

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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：

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。

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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。

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P1引脚第二功能如表2-1所示：

表2-1 P1引脚的第二功能

P1.0 T2 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

P1.1 T2EX 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

P1.6 MISO 系统编程时用

P1.7 SCK 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。

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3 输液系统硬件设计

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

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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<—C<—A，则电机反转。本题设计的关键就是控制电机的旋转方向和步数，通过控制其方向和速度就可以把最小绝对误差的控制在预置数M×10%±1滴。如图3-1所示。

AT89C51单片机+5V

200

200

200

继电器

继电器

继电器

+12V+24V

电机1相

电机2相

电机3相

200

200

200

图3-1 步进电动机控制电路图

3.2 数据采集模块及工作原理

光电传感器：光电传感器是由红外发射管进行发射，红外接收对管接收光信号来检测液滴的一种手段。经过实验，我们为了防止输液器的漏斗倾斜所引起的水滴偏移，从而导致的不正常检测，可设计使用三枚红外发射管配合一枚红外接收管组成的一种测试方法，将该传感器套于输液器的漏斗上，从而确保液滴的检测结果无误。结构图如图3-2。

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发光二极管

光

敏

三

极

管

滴管

图3-2 采集装置结构图

三枚红外发射管进过恒定的电源驱动下可以发射一定频率的恒定红外线光，通过肉眼不可见。红外线穿过对管间的间隙，由接收管接收。当没有水滴是通过对管间隙时，红外接收管会处于完全导通状态，输出的为高电平；当有水滴通过对管间隙的时候，红外接收管的导通能力会有不同程度地下降，其输出的不规则是负向脉冲；每一个水滴的通过都会产生一个这样的不规则的负向脉冲，脉冲数目是与水滴数目一一对应。这样由红外对管传感器所产生的负向脉冲会经过LM339比较器后，然后输入端是输入的不规则负向脉冲，就会整形为规则的正向脉冲，然后将该脉冲输出到单片机的中断口 INT0。其数据采集电路图如图3-3，其输出波形如图3-4。

图3-3 数据采集装置

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y

t

图3-4 数据采集装置输出波形

3.2.1 红外发光二极管和光敏三极管

红外线发光二极管其电气的电路符号及特性曲线，阳极（P极）电压加正，阴极（N极）电压加负，此时二极管所加之电压为正向电压，同时亦产生正向电流，提供了红外线发光二极管发射出光束的能量，其发光的条件与一般的发光二极管(LED)一样，只是红外线为不可见光。一般而言砷化镓的红外线发光二极体约须1V，而镓质的红色发光二极管切入电压约须1.8V；绿色发光二极管切入电压约须2.0V左右。当加入之电压超过切入电压之后，电流便急速上升，而周围温度对二极管的切入电压影响亦很大，当温度较高时，将使其切入电压数值降低，反之，切入电压降低。

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。它具有两种工作状态：

（1）当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。

（2）光敏三极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。光电传感器由发光源和受光器两部分组成。发光源常用砷化镓红外发光二极管，发光源引出的管脚为输入端。常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。受光器引出的管脚为输出端。光耦合器利用电-光-电两次转换的原理，通过光进行输入与输出之间的耦合。

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