吊瓶液位智能報警開關(guān)設(shè)計

吊瓶液位智能報警開關(guān)設(shè)計專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化年紀：***姓名：***摘要本課題設(shè)計是針對目前在醫(yī)療輸液系統(tǒng)中，患者需要時常觀看輸液進度，以致可以及時提醒護士進行換液或者拔針等諸多不便的現(xiàn)象，而設(shè)計的一套智能報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對硬件以及軟件的設(shè)計，當輸液完畢時達到智能報警的目的。主要用到的工具包括紅外線傳感器、U型夾具、C52單片機等，結(jié)合外圍電路的設(shè)計達到智能報警目標,外圍電路包括電源電路、滴液檢測電路、報警電路和顯示電路。此系統(tǒng)具有性能好、可靠性高、經(jīng)濟性好等特點，將極大的提高醫(yī)療輸液方面的方便性與自動化智能水平，具有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：單片機；智能報警；紅外線傳感器AbstractThisprojectisanintelligentalarmsystemaboutmedicalinfusionproblem.Thepatientsalwayswatchtherateofinfusionandremindnursestochangeanotherinfusionbottle,pullouttheneedleandsoon.Accordingtothedesignofhardwareandsoftware,therewillbeanalarmastheinfusioniscompleted.Iusedinfraredsensor,fixture,C52SingleChipMicrocomputeranddesignedperipheralcircuit.Theperipheralcircuitincludepowersupplycircuit,detectioncircuit,alarmcircuitanddisplaycircuit.Thissystemishigh-performance,reliableandeconomy,itwillimproveautomationandintelligenceonmedicalinfusion.Itwillbeapractical,hopefulandusablesystem.Keywords:SingleChipMicrocomputer；Intelligentalarm；IRinfraredsensor目錄摘要

Abstract1緒論12輸液智能系統(tǒng)總體設(shè)計22.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計22.2設(shè)計方案的分析與選擇23硬件部分的設(shè)計53.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)53.2輸液液滴監(jiān)測原理53.3滴液檢測電路53.4.電源電路63.5報警電路73.6顯示電路73.7單片機最小系統(tǒng)94軟件部分的設(shè)計124.1編程部分主流程圖124.2信息監(jiān)測部分程序段135全文總結(jié)。216致謝227參考文獻23譯文PAGE231緒論隨著我國經(jīng)濟文化的大力發(fā)展，我國的醫(yī)療事業(yè)也有了較為長足的發(fā)展，雖然相對于歐美等發(fā)達國家還有這一定的距離，但也取得了令世界刮目的成績。到2010年，我國醫(yī)療器械總量超過日本躍居第二，僅次于美國，并且市場突破1000億大關(guān)。尤其在多種中低端醫(yī)療器械產(chǎn)品方面，產(chǎn)量位居世界第一。實際上，到2012年我國擁有醫(yī)療器械企業(yè)俞1.2萬家，市場的集中度比我國的藥品制造業(yè)更低，雖然其工業(yè)生產(chǎn)總值已然令世界矚目，但是卻沒有形成幾家極具影響力的龍頭企業(yè)。雖然在低端市場占據(jù)絕對優(yōu)勢，但總體來說我國醫(yī)療器械企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)含量低、新產(chǎn)品開發(fā)滯后、行業(yè)分工不盡合理，還需要大力的投入人力、物力、財力以致能夠在高端市場也占有一席地位，進而能在行業(yè)中處于國際領(lǐng)先水平。如果，國內(nèi)的醫(yī)療器械企業(yè)一直直走低端路線，而不在高端領(lǐng)域和產(chǎn)品創(chuàng)新方面突破，這樣路會越走越窄。實際上，中國現(xiàn)在能生產(chǎn)絕大多數(shù)的常用醫(yī)療器械產(chǎn)品，尤其是中國具有全球最強的一次性醫(yī)療器械產(chǎn)品，如一次性注射器、輸液器、輸血袋、普通外科器械產(chǎn)品、各種醫(yī)用紡織品等。醫(yī)療器械不同于藥品，其生命周期短的可能只有兩三年，國外產(chǎn)品也很少有超過5年的，因此，新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用速度是醫(yī)療器械產(chǎn)品創(chuàng)新的核心競爭力。隨著改革開放的不斷深入，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，人民生活水平大幅度提高，對醫(yī)療保健方面也越來越重視越來越要求更好地發(fā)展。這就使得我國在醫(yī)療方面將有更大的投入，無論是人才的投入還是資金的投入都將不斷加大。使不論是中低端產(chǎn)品還是高端產(chǎn)品都有大的提升，產(chǎn)品的質(zhì)量越來越好，功能越來越全越來越多，種類同時也不斷的豐富。靜脈輸液是利用大氣壓和液體靜壓原理將大量無菌液體、電解質(zhì)、藥物由靜脈輸入體內(nèi)的方法。目前，輸液過程還存在著很多的隱患，比如輸液速度的控制，輸液時需經(jīng)常觀察輸液進度的現(xiàn)象，給患者或者陪護人員帶來了諸多不便。因為，如果不實時觀察輸液進度，將可能會造成輸液結(jié)束時，護士未能及得到信息、未能時拔出針，造成患者出現(xiàn)回血的現(xiàn)象，給患者帶來一定的危害。本設(shè)計就是針對于輸液結(jié)束時未能及時反饋給醫(yī)護人員的現(xiàn)狀而設(shè)計的一套智能報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用紅外線傳感器來監(jiān)測有無液滴滴下，當無液滴滴下時，紅外接收電路無電壓變化，進而將該現(xiàn)象反饋給單片機進行分析，再驅(qū)動報警電路進行報警，使得醫(yī)護人員及時得知患者輸液完畢的信息，對患者及時的進行換藥或者拔針。2輸液智能報警系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計本設(shè)計以傳感器實時監(jiān)測到的輸液信息為信號發(fā)端，通過外電路的傳遞，進而到核心單片機出進行數(shù)據(jù)分析，當監(jiān)測信號反饋出的信息是輸液完畢時，單片機驅(qū)使報警電路以及顯示電路進行報警顯示。通過該系統(tǒng)，護士可以實時監(jiān)控沒個病人的輸液狀況，一旦輸液完畢，或者是輸液出現(xiàn)偏差，造成患者入針處水腫輸液速度極慢，護士可以前往進行及時的處理。其原理框架圖如圖2-1：顯示電路傳感器輸液檢測電路AT89C52單顯示電路傳感器輸液檢測電路AT89C52單片機（對檢測信號進行分析）驅(qū)動報警電路檢測信號處理電路驅(qū)動報警電路檢測信號處理電路電源電路電源電路圖2-1輸液智能報警系統(tǒng)總體框架圖2.2設(shè)計方案的分析與選擇在進行本課題設(shè)計時，在對傳感器的選擇以及傳感器的安放位置選擇，我提出了三種設(shè)計方案，下面對每一種方案進行分析：方案一：選擇紅外線傳感器，將紅外線傳感器安放在莫氏管處，對滴液進行檢測。原理為以紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，光線透過莫氏管由光電三極管接收，光電三極管再將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號進行輸出。預(yù)期以5s為監(jiān)測時段，若5s內(nèi)有液滴滴下，則在5s內(nèi)紅外線接收端接收到的紅外線光強度有變化；若5s內(nèi)沒有液滴滴下，則5s內(nèi)紅外線接收端接收到的紅外光強度無變化，經(jīng)單片機進行分析驅(qū)動報警電路產(chǎn)生報警，同時驅(qū)動顯示電路進行顯示。其示意圖如圖2-2。報警器數(shù)碼管報警電路顯示電路信號處理電報警器數(shù)碼管報警電路顯示電路信號處理電路AT89C52單片機進行信號分析紅外線傳感器圖2-2方案一示意圖方案二：選擇紅外線傳感器，將傳感器安放在液瓶底部，對液瓶內(nèi)的液體進行監(jiān)測。當輸液快要結(jié)束時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光經(jīng)液面折射變化，光電三極管接收到的光信號減弱，有光信號轉(zhuǎn)變而來的電信號隨之減弱，經(jīng)單片機進行分析驅(qū)動報警電路產(chǎn)生報警，同時驅(qū)動顯示電路進行顯示。其示意圖如圖2-3。報警器數(shù)碼管報警電路顯示電路AT89C52單片機進行信號分析信號處理電路報警器數(shù)碼管報警電路顯示電路AT89C52單片機進行信號分析信號處理電路紅外線傳感器紅外線傳感器圖2-3方案二示意圖方案三：選擇壓力傳感器，將傳感器安放在液瓶底部，對液瓶內(nèi)的液體壓強進行監(jiān)測。信號處理電路將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，當壓強減小到某值范圍內(nèi)時，單片機驅(qū)動報警電路進行報警，同時驅(qū)動顯示電路顯示，此方案的報警壓強數(shù)值需要試驗進行測的。其示意圖如圖2-4。數(shù)碼管報警器壓力傳感器報警電路顯示電路AT89C52單片機進行信號分析信號處理電路數(shù)碼管報警器壓力傳感器報警電路顯示電路AT89C52單片機進行信號分析信號處理電路圖2-4方案三示意圖比較上述三種方案，本設(shè)計選擇方案一的解決方法。這是因為，方案二相對于方案一來說，對液面變化的監(jiān)測相對困難。在輸液過程中液瓶往往會發(fā)生傾斜，此時也會使紅外光線折射變化，但藥液卻并未到底，可能產(chǎn)生誤報。同時將傳感器安放在液瓶底部的裝夾定位也不方便，不如方案一使用一個U型夾具來得方便。方案三相對于方案一來說，設(shè)計較為復(fù)雜，報警壓力數(shù)值范圍需實驗測得，并且輸液瓶形狀及容積的差異也會影響壓力測重的精度。并且傳感器裝夾定位也相對不方便。綜上所述，最終選擇方案一進行本畢業(yè)設(shè)計。3硬件部分設(shè)計3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然前面已初步的對系統(tǒng)硬件做了相關(guān)的簡單介紹，在此將系統(tǒng)的做一個詳細說明。系統(tǒng)的總體框架圖如圖2-1，用到的零件主要有單片機、紅外線傳感器、U型夾具、報警器等。主要包含紅外發(fā)射、紅外接收、信號監(jiān)測處理、驅(qū)動報警、驅(qū)動顯示等外圍電路，以及核心單片機程序編寫。單片機采用AT89C52單片機，含有2*4k的ROM。3.2輸液液滴監(jiān)測原理本設(shè)計的液滴監(jiān)測是采用一個U型夾具將紅外線傳感器裝夾在莫氏管處，采用紅外檢測技術(shù)，對一段時間段內(nèi)時候有液滴滴下進行監(jiān)測，如圖2-2所示。由紅外線發(fā)光二極發(fā)出紅外線，另一段的光電三極管接收紅外線，然后將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，再由后面的單片機進行分析處理。當液滴滴下通過紅外線時，紅外線折射衰弱，使光電三極管接收到的光信號衰弱，進而轉(zhuǎn)換成的電信號也減弱，即輸出的電信號有變化。在此以5s為監(jiān)測時段，若5s內(nèi)有液滴滴下，則此時段內(nèi)輸出電信號會周期性的變化，表示輸液仍再繼續(xù)不產(chǎn)生報警；若5s內(nèi)沒有液滴滴下，則此時段內(nèi)輸出的電信號不會發(fā)生變化，表示輸液已完畢，單片機控制驅(qū)動報警器報警，提示醫(yī)護人員進行換液或者拔針。3.3滴液檢測電路滴液監(jiān)測電路主要由紅外線發(fā)射、接收電路和脈沖整形電路三部分組成。如圖3-3所示。紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，當光電三極管中具有光敏特性的PN結(jié)受到紅外光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當于β倍的信號電流。隨后經(jīng)比較器LM358（即圖3-3中的三角形）轉(zhuǎn)換成高低電平進行輸出。當有液滴滴下通過紅外光線時，光電三極管接受到的光信號減弱，電極之間的電阻隨之變大，兩端的電壓也隨之變大。液滴檢測電路以及信號處理電路的整體電路如圖3-1所示。圖3-1檢測及信號處理電路圖3.4.電源電路任何電路都離不開電源部分，單片機系統(tǒng)也不例外，而且電源部分應(yīng)該是我們高度重視的部分，不能應(yīng)外電源部分電路比較簡單而有所忽略。統(tǒng)計表明有將近一半的故障或者制作失敗都和電源有關(guān)，電源部分做好才能保證電路的正常工作。在本設(shè)計系統(tǒng)中，需要電源提供5v的的穩(wěn)定電壓?？紤]到紐扣電池等電池的供電能力問題，在本設(shè)計中5v電壓的提供方式采用輸入家用220v或者380v的交流電，經(jīng)過全橋整流，經(jīng)過穩(wěn)壓后輸出5v穩(wěn)定的直流電。其原理圖如圖3-2所示。5v直流電輸出7850穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓穩(wěn)壓5v直流電輸出7850穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓穩(wěn)壓全橋整流220v或者380v交流電輸入圖3-2穩(wěn)壓電源原理圖單片機電源電路圖如圖3-3所示。圖3-3電源電路圖3.5報警電路在本設(shè)計中采用聲光聯(lián)動報警系統(tǒng)進行報警，即既有聲光報警信號又有數(shù)碼管顯示床位號。聲音報警系統(tǒng)中采用比較簡單的三極管驅(qū)動蜂鳴器進行報警，當輸液完畢時單片機驅(qū)動報警電路，蜂鳴器就發(fā)出“嘟、嘟……”的報警聲。同時，光報警系統(tǒng)中采用的發(fā)光二極管也進行閃爍報警，醫(yī)護人員結(jié)合對數(shù)碼顯示管的觀察確定輸液完畢的病床號，及時前往進行換液或者拔針。聲光報警電路圖如圖3-4和3-5所示。圖3-4聲音報警電路圖3-5發(fā)光二極管報警電路3.6顯示電路本設(shè)計的顯示電路是為了顯示出輸液報警的病床號，結(jié)合聲光報警電路一同進行輸液完畢報警，其電路圖如圖3-5所示。圖3-5顯示電路圖單片機中常用的發(fā)光器件有數(shù)碼管和點陣兩種，本設(shè)計主要顯示的是報警病床號，而非復(fù)雜的漢字等，所以選擇數(shù)碼管進行顯示電路設(shè)計。基于實際情況考慮，一般選擇二位或者三位數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管內(nèi)部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。常見數(shù)碼管有10根管腳。管腳排列如圖3-6所示。圖3-6數(shù)碼管管腳排列圖其中COM為公共端，發(fā)光二極管根據(jù)內(nèi)部的接線形式可分為共陽極和共陰極兩種。在使用的時候，共陽極的數(shù)碼管公共端連接電源，共陰極數(shù)碼管的公共端連接地。其中每一段發(fā)光二極管需要在5mA～10mA的驅(qū)動電流下才能夠正常的發(fā)光，通常為了控制電流的大小會加一個限流電阻。數(shù)碼管的顯示原理為：LED數(shù)碼管的a～g七個發(fā)光二極管中，加正電壓的發(fā)光，加零電壓的不能發(fā)光，不同亮暗的組合就能形成不同的字型。在不系統(tǒng)中，當輸液完畢時，單片機驅(qū)動報警電路進行報警，同時驅(qū)動顯示電路進行顯示，在數(shù)碼管上顯示出輸液完畢病床號。使醫(yī)護人員能后更直觀的了解到各個病床的輸液情況。3.7單片機最小系統(tǒng)單片機作為本次設(shè)計的核心部分，在本課題中是重中之重。普遍來說，單片機又稱單片微控制器，是在一塊芯片中集成了CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器、計數(shù)器和多種功能的I/O接口，以及其他的一些基本部件。從而可以完成復(fù)雜的運算、邏輯控制、通信等功能。其最小系統(tǒng)如圖3-7所示。圖3-7單片機最小系統(tǒng)電路圖單片機最小系統(tǒng)一般包括單片機、復(fù)位電路、時鐘電路、輸入/輸出設(shè)備等，如圖3-8所示。輸入/輸出設(shè)備復(fù)位電路輸入/輸出設(shè)備復(fù)位電路單片機電源時鐘電路電源時鐘電路圖3-8單片機最小系統(tǒng)框架圖3.7.1復(fù)位電路復(fù)位電路在單片機系統(tǒng)中是非常之關(guān)鍵的，當程序運行不正?；蛲Ｖ惯\行時，就需要進行復(fù)位。在MCS-51系列單片機中，當復(fù)位引腳RST（即圖3-7的第9管腳）出現(xiàn)2個或者以上的機器周期高電平時，單片機就會自動執(zhí)行復(fù)位操作。而如果復(fù)位引腳RST為持續(xù)高電平時，單片機此時則處于循環(huán)復(fù)位中。復(fù)位操作一般包括上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種。3.7.2LED驅(qū)動電路一般情況下，不同發(fā)光二極管LED的額定電流以及額定電壓都有所不同，其中紅色發(fā)光LED的工作電壓一般為1.7v到2.4v之間；一般情況下，常用的直徑，實際應(yīng)用中常工作在μA計算的，其電流強度不足以使一個發(fā)光二極管發(fā)光工作。所以，一般在單片機最小系統(tǒng)中，一般是采用電源連接到LED發(fā)光二極管正極，再經(jīng)過1k的電阻接通到單片機I/O口的連接方法，也即本設(shè)計的聲光報警電路的光報警電路連接法，如圖3-9所示。圖3-9IO口反接法圖3-10IO口正接法其中，使用阻值為1k的電阻，是為了限制電路中的電流，使發(fā)光二極管的工作電流限定在20mA左右。當然，在一些增強型的單片機中采用的是I/O口接發(fā)光二極管LED正極，再接1k電阻之后接地的連接方法，因為這種單片機能提供足夠的電流強度。其連接方法如圖3-10所示。4軟件部分設(shè)計在單片機編程語言上，有C語言和匯編兩種選擇。就C語言和匯編語言進行比較，匯編語言面向硬件，要求對硬件的特性如寄存器之類的比較熟悉，執(zhí)行效率高，但可讀性和移植性差，不同的單片機之間的程序不能通用。Ｃ語言則是面向過程，可讀性和移植性很好，效率要比匯編低一些。對于剛接觸單片機的人來說，學(xué)習(xí)這兩種語言是一樣的，但在以后的開發(fā)效率上，C語言的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，其可以幾乎完全不改動的情況下移植，大大提高了開發(fā)速度。在此，本設(shè)計采用C語言進行單片機編程。軟件部分主要包括數(shù)碼管顯示函數(shù)、定時器的初始化、鍵盤掃描、主函數(shù)中對鍵盤掃描的循環(huán)調(diào)用以及定時器服務(wù)函數(shù)。采用C語言使用KeiluVsion4進行編寫。4.1編程部分主流程圖AT89C52單片機的編程主流程圖如圖4-1所示。圖4-1編程主流程圖在程序編寫中，對判斷時間是否大于5秒是這樣進行的，設(shè)置一個中斷時間，裝50ms初值。當液滴檢測開始時，計時器計時開始，每過一次中斷計時器自加時50ms，若中間又有液滴滴下，則前面的計時清零。所以，若計時器累計自加100次，也即時間為100*50ms=5s，表示這段時間內(nèi)沒有液滴滴下，單片機于是驅(qū)動報警電路報警。4.2編程函數(shù)程序本設(shè)計的單片機編程如下：#include<reg52.h>/*******************************//*IO口宏定義 *//*******************************/#defineSMG_DU_PORTP2 //定義P2為數(shù)碼管段選輸出端口#defineSMG_WE_PORTP0 //定義P0為數(shù)碼管位選輸出端口#defineSMG_CLEARP0|=0XFF //消影#defineFMQ_CLRP3&=0X7F //蜂鳴器工作#defineFMQ_SETP3|=0X80 //停止蜂鳴器工作/*******************************//*數(shù)碼管數(shù)組 *//*******************************/unsignedcharSMG_DU[]={0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99};//定義數(shù)碼管段選數(shù)組unsignedcharSMG_WE[]={0XFE,0XFD,0XFB,0XF7}; //定義數(shù)碼管位選數(shù)組/*******************************//*數(shù)碼管顯示函數(shù) *//*******************************/staticunsignedcharNum;staticunsignedcharNumtable[4];staticunsignedchartable;voidDisplay(void){ SMG_CLEAR; SMG_DU_PORT=SMG_DU[Numtable[Num]]; SMG_WE_PORT=SMG_WE[Num]; }/*******************************//*定時器初始化 *//*******************************/voidTimerInit(void){ TMOD&=0XF0; TMOD|=0X11; ET0=1; ET1=1; TR0=1; EA=1;}/*******************************//*鍵盤掃描 *//*******************************/unsignedchark1,k2,k3,k4,k5;unsignedcharTimer1,Timer2,Timer3,Timer4,ifg1,ifg2,ifg3,ifg4;voidKeyScan(void){ if(!(P1&0X01)) //1床正常 { if(k1) { k1=0;TR1=1;Timer1=0;ifg1=1; } } else { k1=1; } if(!(P1&0X02)) // 2床正常 { if(k2) { k2=0;TR1=1;Timer2=0;ifg2=1; } } else { k2=1; } if(!(P1&0X04)) // 3床正常 { if(k3) { k3=0;TR1=1;Timer3=0;ifg3=1; } } else { k3=1; } if(!(P1&0X08)) // 4床正常 { if(k4) { k4=0;TR1=1;Timer4=0;ifg4=1; } } else { k4=1; } if(!(P1&0X10)) //清除警告 { if(k5) { k5=0;TR1=0; Timer1=0;Timer2=0;Timer3=0; Timer4=0; Numtable[0]=0;Numtable[1]=0;Numtable[2]=0;Numtable[3]=0; ifg1=0;ifg2=0;ifg3=0;ifg4=0; FMQ_SET; } } else { k5=1; }}/*******************************//*主函數(shù) *//*******************************/ voidmain(void){ TimerInit(); while(1) { KeyScan(); }}/*******************************//*定時器服務(wù)函數(shù) *//*******************************/voidTimer()interrupt3{ TH1=0X3C; //裝50ms初值TL1=0XB0; if(ifg1==1) if(++Timer1>=100) // 1床報警 { Numtable[0]=1;FMQ_CLR; } else Numtable[0]=0;if(ifg2==1) // 2床報警 if(++Timer2>=100) { Numtable[1]=2;FMQ_CLR; } else Numtable[1]=0;if(ifg3==1) if(++Timer3>=100) // 3床報警 { Numtable[2]=3;FMQ_CLR; } else Numtable[2]=0;if(ifg4==1) // 4床報警 if(++Timer4>=100) { Numtable[3]=4;FMQ_CLR; } else Numtable[3]=0;}voidTimer0()interrupt1 //數(shù)碼管掃描{ TH0=0XFC; //裝1ms初值 TL0=0X18; Display(); Num++; if(Num==4)Num=0;5全文總結(jié)本設(shè)計是以AT89C52單片機為核心，通過有線通信方式，將各個板塊連接起來的一個自動化系統(tǒng)。主要包括軟件編程設(shè)計和硬件電路設(shè)計兩大部分。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測沒個病床患者的輸液進程，當液瓶藥液輸完時進行自動報警，使醫(yī)護人員及時進行換液或者拔針處理。采用該系統(tǒng)，可使護士在輸液過程中不至于手忙腳亂，也避免了陪護人員實時觀測輸液是否完畢的需要。而且