無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　人高等教育畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　?。ó厴I(yè)論文封面、封底由繼續(xù)教育學(xué)院統(tǒng)一制作）</p><p>　　論文題目 無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　　專業(yè)學(xué)院 機械與自動控制學(xué)院 </p>&

2、lt;p>　　專業(yè)班級 13業(yè)余機電?？疲?）班 </p><p>　　2015年5月15日</p><p>　　無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備也在發(fā)生著一些

3、變化，而傳統(tǒng)的人工式監(jiān)護方式顯然已經(jīng)越來越不能滿足當(dāng)今的監(jiān)護需要了。</p><p>　　目前，我國醫(yī)療機構(gòu)在進(jìn)行輸液治療時，輸液速度的控制還是采用人工方式常規(guī)臨床輸液，普遍采用掛瓶式輸液，并用眼睛直接觀察，依靠手動夾子來控制輸液速度，這樣的操作方式不能精確控制輸液的速度，而且工作量大。因此，就需要既廉價又實用的醫(yī)療輸液檢測監(jiān)控裝置來滿足現(xiàn)今的醫(yī)療需求。</p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計是

4、以單片機AT89C51為核心，以鍵盤及光電傳感器作為輸入系統(tǒng)，以數(shù)碼管及電動機作為輸出系統(tǒng)的智能化輸 液控制及監(jiān)測系統(tǒng)。鍵盤系統(tǒng)為獨立式按鍵系統(tǒng)，光電傳感器的功能為液體點滴的速度以及輸液瓶頁面高度的可靠檢測。當(dāng)液面低于警戒值時，系統(tǒng)發(fā)出警報，并可以手動除去警報。電動機具有轉(zhuǎn)速可控功率大及輸入脈沖不變時可保持大力矩等優(yōu)點，這樣就可以通過控制吊瓶的上、下緩慢移動達(dá)到智能控制液體點滴速度的目的。</p><p>　　【

5、關(guān)鍵字】 單片機；光電傳感器；步進(jìn)電機</p><p><b>　　i</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1研究背景及意義</p><p>　　隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域正在發(fā)生著一場悄無聲息的信息化革命。尤其是近幾年來，現(xiàn)

6、代科技的高度發(fā)展更是為液體點滴自動監(jiān)控提供了堅實可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。我國是世界上人口最多的國家，隨著近些年來各個領(lǐng)域的高度發(fā)展加上環(huán)境的惡化，各種疾病日益增多，醫(yī)療消費的人群也與日俱增。雖然對醫(yī)療的改革和創(chuàng)新政府每年都投入巨額財政支持，但取得的效果還是微乎其微，與西方發(fā)達(dá)國家的技術(shù)還有一定得差距。目前，我國醫(yī)療設(shè)備的市場份額在全球所占的份額依然很小。根據(jù)國家經(jīng)貿(mào)委的要求，我國要在2050年左右成為世界醫(yī)療器械制造強國。由此可見，我國醫(yī)療技術(shù)

7、的改革與創(chuàng)新具有巨大的前景。</p><p>　　靜脈輸液在各個醫(yī)院的醫(yī)療工作中被廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計住院輸液率為70%~80%[1]，它不僅是一種重要的給藥途徑，而且還是給患者補充體液、營養(yǎng)的重要方法。點滴輸液是臨床中一種普遍使用的治療手段，長期以來一直靠人工控制。在傳統(tǒng)輸液中[2]，易發(fā)生一些異常情況，如管路堵塞、滴速異常及輸液完畢無提示等情況。如果這些異常情況不能被及時發(fā)現(xiàn)，就會給病人造成傷害，嚴(yán)重的甚至還會造

8、成醫(yī)療事故。因此，設(shè)計一款無人監(jiān)守輸液監(jiān)控系統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備對提升我國醫(yī)療質(zhì)量有著十分的重要幫助 如（A-A）想象圖。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀</p><p>　　為了提高輸液過程的安全性和降低輸液過程中醫(yī)護人員的工作強度，國內(nèi)外都對輸液過程的智能監(jiān)控進(jìn)行了研究和試驗。點滴輸液監(jiān)控設(shè)備的發(fā)展主要經(jīng)歷了下面幾個階段：</p><p><b&g

9、t;　?。?）機械式</b></p><p>　　該方法出現(xiàn)的比較早，利用輸液瓶中液位的下降會導(dǎo)致其重量下降的原理，用彈簧秤對其液位進(jìn)行檢測。由于輸液瓶重量的不同，實際情況比較復(fù)雜，此方法可靠性較差，操作使用不方便，適用性較差。</p><p><b>　?。?）電容式</b></p><p>　　當(dāng)輸液瓶中的藥液液位變化，引起電容

10、長度變化對藥液液位進(jìn)行監(jiān)測。此類監(jiān)控設(shè)備的可靠性、實用性都相對較高，但是由于輸液瓶形狀大小沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因以輸液監(jiān)控設(shè)備需要多種設(shè)計規(guī)格，在使用中不放便，不能投入實際使用。</p><p><b>　　（3）電極式</b></p><p>　　將正負(fù)兩個電極插入輸液器的莫菲氏管中，當(dāng)液體點滴下落時就會產(chǎn)生中斷信號，由此監(jiān)測點滴的速度。這類設(shè)備性能可靠、設(shè)計簡單，但是

11、在點滴降落過程中會與電極發(fā)生接觸，可能會造成一些醫(yī)療衛(wèi)生等方面的問題。</p><p><b>　?。?）光電式</b></p><p>　　光電式是近年來較流行的點滴監(jiān)控方式。它是利用藥液吸收和散射的方式減弱通過液體中紅外光的強度來進(jìn)行測量。在莫菲氏管的兩側(cè)分別安裝發(fā)射端和接收端，當(dāng)液體點滴經(jīng)過二者之間時，傳感器感受到光線強弱的變化，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并由下一級

12、處理單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，由此監(jiān)視輸液過程由于光電傳感器和藥液不接觸，而且與液體、輸液器材無關(guān)，使輸液監(jiān)控設(shè)備的性能有很大提高，具有易用、高效和適用性強的優(yōu)點[3]。</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)方案</b></p><p>　　2.1.1液體點滴速度檢測</p><p>　　利用光的反射原理。使用反射式紅外光電傳感器檢測。紅外發(fā)光二極

13、管垂直于漏斗壁發(fā)送紅外光，紅外接收管依據(jù)接收到的紅外光信號的強弱產(chǎn)生脈沖信號，先通過放大電路的處理再通過電壓比較電路的處理就可以得到單片機可以處理的脈沖信號。實現(xiàn)原理框圖如圖1-2。其中整形電路包括放大電路和比較電路。</p><p>　　圖1-2光反射原理檢測電路</p><p>　　此方案利用光的反射原理。使用反射式紅外光電傳感器檢測。直接反射式光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳

14、感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時， 直接反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。</p><p>　　2.1.2輸液瓶液面檢測</p><p>　　方案三：通過軟件設(shè)置完全可以通過檢測點滴速度來產(chǎn)生報警信號，因此可以去掉液面檢測電路而完全由液體點滴速度檢測電路代替。這樣就不需要硬件的儲

15、液瓶液面檢測電路，而由軟件控制。</p><p><b>　　2.1.3鍵盤方案</b></p><p>　　采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當(dāng)按鍵較多時占用單片機的I/O口數(shù)目較多，優(yōu)點為電路設(shè)計簡單，且編程極其容易。</p><p><b>

16、　　2.1.4顯示方案</b></p><p>　　采用三位LED七段數(shù)碼管顯示點滴數(shù)目。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對外界環(huán)境要求較低。同時數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。</p><p>　　2.1.5電動機系統(tǒng)方案</p><p>　　采用電機加輸出量直接反饋的控制系統(tǒng)。本方案的執(zhí)行機構(gòu)是電機，電機用來

17、調(diào)節(jié)儲液瓶的高度，同時改變滴斗的高度，從而達(dá)到改變水滴的目的。利用光電傳感器測試水滴的速度，再將此反饋量給控制器比較，然后通過調(diào)整高度再比較反饋量。直到調(diào)到所要的水滴速度為止，此系統(tǒng)為是輸出量直接反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。在控制的穩(wěn)定性上講，可以較穩(wěn)定的調(diào)節(jié)水滴速度，再則是由于輸出量直接作為反饋量，有利于輸出量的穩(wěn)定。</p><p>　　圖 1-6 電動機驅(qū)動電路圖</p><p>　　

18、一方面調(diào)節(jié)的步長盡可能的小，定位要好；另一方面如果停止信號到來，要能立刻停止電機。因此選擇步進(jìn)電機，此方案最適合不過。</p><p>　　2.1.6點滴速度控制方案</p><p>　　采用單片機和可編程邏輯器件控制輸液軟管的松緊來控制點滴速度。改變塑料點滴管的形狀以控制液體的流速。這樣的方法雖然直觀,但存在很多的缺點。首先由于對管壁施壓改變其形狀,其所施加的壓力與流量改變的關(guān)系非線性,

19、這給流量控制帶來了難度。其次由于滴管是由塑料制成,在長時間受壓后松開并不能使塑料滴液管完全恢復(fù)原形,控制裝置無法保證理想的控制效果。此外,要完成滴速夾的制作有一定的困難。即使此方案有很多缺點，但以其結(jié)構(gòu)小巧，可移動性強，電機要求低，機械設(shè)備簡潔的優(yōu)點。[6]</p><p><b>　　2.2基本系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　根據(jù)題目要求系統(tǒng)可以分為以下幾個模

20、塊：點滴速度測量模塊，儲液液面檢測模塊，鍵盤顯示模塊，電機系統(tǒng)控制（點滴速度控制）模塊?；鞠到y(tǒng)框圖[7]如圖1-5。</p><p>　　圖1-5系統(tǒng)基本框圖</p><p>　　第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件的基本組成部分</p><p>　　本題目中運用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可以分為傳

21、感器檢測部分和控制部分。</p><p>　　傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用紅外對管發(fā)射接收即光電傳感器將檢測到的信號轉(zhuǎn)化為控制器可以辨別的電信號。傳感器檢測電路包括2個單元電路：點滴速度測量電路、儲液檢測電路。</p><p>　　控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)有傳感器變換輸出的電信號進(jìn)行邏輯判斷，控制點滴的速度及數(shù)碼管的顯示，完成了點滴裝置的自動檢測、自動調(diào)速、數(shù)碼顯示及報警功能等各項任務(wù)。控

22、制部分主要包括3個電路：單片機控制電路、電動機的驅(qū)動電路、數(shù)碼管的動態(tài)顯示電路。</p><p>　　3.2.1液體點滴速度檢測電路</p><p>　　液體點滴速度檢測是整個系統(tǒng)的重要組成部分，檢測精度是衡量系統(tǒng)精確性的一個最重要指標(biāo)。將滴管放置在檢測用槽形光耦的中間，在檢測過程中，液滴呈近橢圓狀向下加速運動并通過槽型光耦。由于液滴的表面是曲面，上半部與下半部將光線兩次折射，使接收端接收

23、不到光，僅在液滴中部光線可以直射穿過，產(chǎn)生這樣的波形是不穩(wěn)定的，干擾較大，系統(tǒng)采用了定時器NE555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，將輸出脈沖波形整形后再輸入單片機。因為系統(tǒng)滴速范圍為60-80 滴/分，以最快要求來算，每分 80 滴，兩滴之間的最小間隔時間為0.75s，所設(shè)計的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就應(yīng)該使得暫穩(wěn)態(tài)的時間小于0.75s。取R=400K,C=1uF,則暫穩(wěn)態(tài)的時間為T=1.1RC=0.44s，可以有效的避免兩個液滴之間的干擾。當(dāng)沒有液滴滴落時，

24、通過傳感器的光照強度最大，產(chǎn)生的光電流最大，使得光敏三極管導(dǎo)通，它的集電極和射極之間電壓很小，輸出低電平；當(dāng)有液滴滴落時，切斷光路，產(chǎn)生的光電流減小，光敏三極管介質(zhì)，輸出高電平，根據(jù)輸出脈沖電平高低情況就可以檢測是否有液滴通過。[8]</p><p>　　圖2-1液體點滴速度檢測電路</p><p>　　3.2.2儲液瓶液面檢測電路</p><p>　　液位檢測是指

25、輸液時，當(dāng)液面低于給定的輸液位置時，認(rèn)為輸液過程己經(jīng)結(jié)束，應(yīng)發(fā)出報警信號，停止輸液操作，以保證患者的安全液位檢測電路原理圖如圖2-2所示。當(dāng)瓶內(nèi)藥液液面在光路之上時，紅外接收三極管不能接收到紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光，從而截止，放大器正極輸入為“1”；當(dāng)瓶內(nèi)藥液液面逐漸下降至光路附近時，紅外接收二極管能接收到紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光，從而導(dǎo)通，放大器正極輸入為“0”，此時驅(qū)動相應(yīng)電路發(fā)出報警信號，通知醫(yī)護人員及時采取措施。報警時的輸液剩余量應(yīng)

26、該足夠，符合護理人員對藥液剩余量的[9]</p><p>　　其報警信號也是由儲液信號來決定的。當(dāng)儲液的液面的高度為2～3cm后，會由紅外對管發(fā)射接收產(chǎn)生檢測信號，即為報警信號。報警電路如圖2-3所示。[10]</p><p>　　圖2-2儲液瓶液面檢測電路</p><p><b>　　圖2-3報警電路</b></p><p

27、><b>　　3.2.3鍵盤電路</b></p><p>　　每個按鈕開關(guān)都接 10K 的下接電阻，使其處于關(guān)斷狀態(tài)輸出位低電平，而非浮空狀態(tài)。要進(jìn)行設(shè)定之前首先要按下“Ctrl”按鈕，輸出高電平給單片機的 P0.0，說明設(shè)定開始。之后若按下按鈕“++”，輸出高電平給單片機的 P0.1；若按下按鈕“--”，輸出高電平給單片機的 P0.2。退出設(shè)定，要求同時給 P0.1和 P0.2 以高

28、電平,即需要同時按下按鈕 “++”“--”對單片機進(jìn)行說明。鍵盤電路如圖2-4所示。</p><p><b>　　圖2-4鍵盤電路</b></p><p><b>　　3.2.4顯示電路</b></p><p>　　采用動態(tài)顯示方式驅(qū)動3個七段數(shù)碼管，來顯示點滴的速度。數(shù)碼管采用共陰極。 </p><p

29、>　　3.2.5步進(jìn)電機驅(qū)動電路</p><p>　　電動機驅(qū)動電路就如圖2-5示。圖2-5路采用的是H型的開關(guān)驅(qū)動電路。整個的電路可以分為兩級：第一級接單片機的I/O口，用射極跟隨電路加大電流的驅(qū)動能力；第二級才是驅(qū)動電路。當(dāng)P3.0為高電平時，Q2導(dǎo)通，Q1，Q3導(dǎo)通，電動機兩端的電壓為+5V，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)P3.1為高電平時，Q5導(dǎo)通，Q4，Q6導(dǎo)通，電動機兩端的電壓為-5V，電動機反轉(zhuǎn)。</p

30、><p>　　圖2-5電機驅(qū)動電路</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，接收從傳感器傳來的信號，并對此信號進(jìn)行處理，輸出調(diào)整信號控制電動機的轉(zhuǎn)動，掃描鍵盤進(jìn)行動態(tài)顯示。用的是循環(huán)查詢方式，來顯示和控制點滴的速度</p><p>　　4.1液體點滴速度檢測子程序</p><p&g

31、t;　　檢測點滴速度子程序主要是用與系統(tǒng)信號的采集。經(jīng)過光電傳感器采集，后由施密特觸發(fā)器整形，輸出到單片機的端口送入單片機內(nèi)部。檢測點滴速度子程序如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1液體點滴速度檢測子程序</p><p>　　4.2儲液瓶液面檢測子程序</p><p>　　本程序主要是用于測量儲液瓶內(nèi)部的液位高度的，當(dāng)液位低于2～3cm時，發(fā)出報警信號。如

32、果液位的高度不在此區(qū)間內(nèi)，則點滴的速度照常采集，并送入單片機內(nèi)部。其儲液子程序流程圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2儲液瓶液面檢測子程序</p><p>　　4.3點滴速度檢測子程序</p><p>　　根據(jù)題目的設(shè)計要求，首先讀出6秒內(nèi)的點滴的數(shù)目（將一分種平均劃分成十分），進(jìn)而得到當(dāng)前的點滴的速度。根據(jù)其設(shè)定的速度值與當(dāng)前的點滴的速度的誤差來確定電

33、動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，即控制儲液瓶的位置的高低，進(jìn)一步影響下一個6秒內(nèi)的點滴的速度，如此的循環(huán)往復(fù)。其點滴速度的電動機控制程序流程圖如3-3所示。</p><p>　　圖3-3點滴速度檢測子程序</p><p>　　4.4鍵盤顯示子程序</p><p>　　鍵盤及顯示字程序主要是用于判斷速度有沒有調(diào)整的動向和點滴速度的顯示（包括當(dāng)前值和設(shè)定值）。其程序流程圖如3-4所示

34、。</p><p>　　圖3-4鍵盤顯示子程序</p><p>　　4.5系統(tǒng)的主程序設(shè)計</p><p>　　圖3-5系統(tǒng)主程序流程圖</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王紫婷,王瑞峰,嚴(yán)天峰.智能液體點滴速度監(jiān)控儀.自動化與儀器儀表,2004, (5)：

35、48-50</p><p>　　[2] 張丹彤,魏巍.智能化醫(yī)療點滴控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2009,25(10)</p><p>　　[3] 宋雪麗,王虎林,萬金領(lǐng).基于單片機系統(tǒng)的液體點滴速度監(jiān)控裝置設(shè)計.電腦開發(fā)與應(yīng)用,2007,20(5)</p><p>　　[4] 朱雷平.單片機控制雙步進(jìn)電機運動控制系統(tǒng).電子通信與自動控制技術(shù),2

36、008,8</p><p>　　[5] 于匯泉，呂麗雪.普通輸液報警及控制系統(tǒng)的設(shè)計和研制[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2004(9)：10-11</p><p>　　[6] 肖瑋，涂亞慶，王杰，等.液體點滴的無線智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2008(1)：133-136</p><p>　　[7] 尹明，謝云.一種新型無線輸液監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與

37、數(shù)字工程，2007(8)：176-178</p><p><b>　　主要研究成果</b></p><p>　　本次設(shè)計運用了各類傳感器。同時也查閱了大量的相關(guān)資料，包括查閱相關(guān)的書籍和網(wǎng)上的電子資料，并獲得了一些相關(guān)信息。在方案設(shè)計的方面，經(jīng)過仔細(xì)斟酌篩選出最好最方便的設(shè)計方案，比如在設(shè)計顯示電路時我們放棄LCD液晶來顯示,而直接運用了數(shù)碼管顯示電路；設(shè)計鍵盤時放棄

38、用矩陣鍵盤，而用了簡便的單列三按鍵。</p><p>　　在設(shè)計過程中，我遇到的問題很多，在同學(xué)老師的幫助下，完成了初次的設(shè)計。越是不懂的東西才要去學(xué)，在學(xué)習(xí)的過程中你會收獲很多，其中一點就是互相學(xué)習(xí)是最好的學(xué)習(xí)途徑，在學(xué)習(xí)之后你會感覺到很有成就感，這也是我在完成設(shè)計之后體會到的。</p><p>　　通過這次的設(shè)計，讓我了解設(shè)計電路的程序與設(shè)計理念。通過這次學(xué)習(xí)，讓我對各種電路都有了大概

39、的了解，對于我以后的學(xué)習(xí)有很大的幫助。在整個畢業(yè)論文設(shè)計的過程中我學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學(xué)會與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。</p><p><b>　　致

40、謝</b></p><p><b>　　初夏，預(yù)示著結(jié)束。</b></p><p>　　經(jīng)過半個學(xué)期的時間完成論文，在這過程中我經(jīng)歷了很多。在此，首先我要感謝我的導(dǎo)師謝其余老師，本文是在謝老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。在我論文撰寫過程中，謝老師傾注了大量的心血和汗水。從剛開始論文題目如何選擇，怎樣去查詢資料，到論文初稿、修訂稿，再到終稿的完成，謝老師都給予我細(xì)致

41、耐心指導(dǎo)，并提出了很多寶貴的意見，讓我對論文的修改有了明確的方向。工作中謝老師事無巨細(xì)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給我留下了深刻的印象，使我受益匪淺，終身難忘。</p><p>　　當(dāng)論文畫上最后一個句號，意味著完結(jié)，也意欲著開始。在這洋洋灑灑的萬余字的論文寫作過程中，自己學(xué)會了很多東西。此外，我還要感謝我的室友，他們對我的幫助；感謝我的家人，他們對我的愛。這些都將會是我終生的財富。</p><p>