智能點滴自動監(jiān)控方法設計

智能點滴自動監(jiān)控方法設計摘要隨著技術的快速發(fā)展，越來越多的自動化，智能化的設備正在普及到我們生活的方方面面，減輕了我們工作的壓力，為生活帶來便捷。本課題涉及醫(yī)療器械領域的自動化臨床設備方面，主要研究智能點滴自動監(jiān)控的設計方法。該方案是基于STC89C52控制的，分為主機和從機，由無線模塊控制，主機代表病床端，從機代表護士站，主機可以主動報警，從機也同時報警；該裝置可以測量并設置液滴滴速和液位，滴速異?；蛞何贿^低都會自動報警，同時步進電機會根據情況加緊和收縮，控制滴速和液位，防止血液回流。這套系統(tǒng)操作簡易，性價比高，在臨床醫(yī)療方面有很好的應用前景，極大地減輕了護士的工作壓力，對于促進自動化臨床設備的發(fā)展具有深遠意義。關鍵詞：51單片機，無線傳輸，智能點滴監(jiān)控ABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftechnology,moreandmoreautomation,intelligentequipmentispopularizingtoallaspectsofourlives,reducingthepressureofourwork,andbringingconveniencetolife.Thistopicinvolvestheautomaticclinicalequipmentinthefieldofmedicaldevices,mainlystudiesthedesignmethodofintelligentdripautomaticmonitoring.TheschemeisbasedonSTC89C52control,whichisdividedintohostandslave,whicharecontrolledbywirelessmodule.Thehostrepresentsthesickbedendandslaverepresentsthenursestation.Thehostcanactivelyalarmandslavealsoalarm.Thedevicecanmeasureandsetthedropletspeedandliquidlevel,andthedropletspeedabnormalorlowwillautomaticallyalarm.Atthesametime,thesteppermotorwilltightenandshrinkaccordingtothesituation,andcontrolthedroplet.Velocityandliquidleveltopreventbloodreflux.Thissystemiseasytooperateandcost-effective.Ithasagoodapplicationprospectinclinicalmedicine.Itgreatlyreducestheworkpressureofnursesandhasfar-reachingsignificanceinpromotingthedevelopmentofautomatedclinicalequipment.Keywords:51Singlechip,wirelesstransmission,intelligentdripmonitoring目錄摘要 3ABSTRACT 4第一章 緒論 71.1課題背景 71.2課題的意義和價值 9第二章 總體設計方案 112.1總體設計方案 112.2各模塊設計方案 112.2.1滴速測量模塊設計 112.2.2液位測量模塊 122.2.3滴速控制模塊 122.2.4顯示器模塊 132.2.5鍵盤模塊 132.3單片機的選擇 132.3.1簡述單片機STC89C51 132.3.2單片機I/O口分配 14第三章 硬件電路設計 183.1單片機最小系統(tǒng) 183.2報警電路 193.2.1蜂鳴器的介紹 193.3滴速檢測電路 193.4步進電機驅動電路 203.4.1步進電機的工作原理 203.4.2步進電機的控制原理 213.5顯示器電路 223.6無線傳輸電路 233.7電源電路 24第四章 軟件設計 264.1滴速檢測子程序 264.2電機控制子程序 274.3鍵盤程序 27第五章 系統(tǒng)調試與檢測 29參考文獻 35致謝 36緒論1.1課題背景醫(yī)療器械行業(yè)是一個多學科交叉、知識密集、資金密集型的高技術產業(yè)，進入門檻較高[1]。中國醫(yī)療機構的整體醫(yī)療裝備水平還很低。隨著國家支持力度的不斷加大以及全球一體化進程的加快，中國醫(yī)療器械行業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展。隨著國內企業(yè)研發(fā)力量的快速提高，以及市場重心從高科技向普及型轉移，國內產品的競爭力正逐步增強，為國內廠商拓展市場提供了難得的機遇。可以預見，未來中國醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展空間十分巨大[2]。在臨床醫(yī)療中，通過人工控制的傳統(tǒng)靜脈輸液方法是一種被廣泛采用的常規(guī)治療方法。而采用這種傳統(tǒng)人為控制輸液的方法，經常發(fā)生藥滴流速過快、過慢以及輸液結束沒有任何提示等異常情況。對患者注射某些具有不良副作用的藥液時應該適當降低滴速，從而有效的降低藥液副作用對患者身體的損傷。如果點滴速度過快則會加重人體心肺的負擔，容易引起心衰和肺水腫等問題。如果不能及時發(fā)現并做出相應的處理，會給患者造成新的傷害，甚至還會引發(fā)醫(yī)療事故，產生更大的社會危害[3-4]。目前,對于輸液速度的控制普遍采用人工方式,由護士根據經驗,將速度調至合適值。人工調整滴流速度不夠準確和方便。此外,在輸液過程中,需要時時監(jiān)視剩余的藥液,當藥液輸完,則由護士及時換瓶或拔除針頭[5]，若床旁無陪護或醫(yī)護人員未及時換藥或拔針頭，將會出現回血等情況。為此患者家屬需要陪同病人并且不斷地觀察輸液情況，這樣容易導致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影響治療質量和患者康復。同時，護士也需要不停地巡視病房，增加工作負荷，有時還會產生醫(yī)療糾紛?；谝陨锨闆r，設計實現一種智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，對治療過程采用自動化監(jiān)控和管理是發(fā)展的必然趨勢[6]。半個世紀以來，為了解決靜脈輸液過程中的問題，各國科學家針對輸液過程中存在的種種不足進行了大量的試驗嘗試，并在不同時期取得了各自的發(fā)展和進步。(1)機械式的輸液監(jiān)控階段20世紀80年代期間，研究者嘗試了一種利用機械原理測試液位的方式。具體情況是用彈簧秤懸掛著輸液瓶，當瓶中藥物的慢慢減少時，彈簧秤相應產生一定量的形變。通過對液體重量和彈簧秤形變間的線性關系的研究，很容易了解輸液瓶內殘留液體的液面位置。這套方案的可行性一般，測試出的數據誤差比較大，因為各種藥液密度不同，藥瓶規(guī)格的大小也不一致，這些都會直接影響測量結果的準確度。(2)電容式的輸液監(jiān)控階段電容式輸液監(jiān)測利用輸液瓶中液位的變化能夠導致電容變化的原理來對輸液瓶中的液位進行監(jiān)測[7]，這種電容式檢測原理的輸液檢測裝置不適合大批量投產，因為輸液瓶容量的規(guī)格不一樣，需要設計相應的輸液裝置。(3)電極式的輸液監(jiān)控階段電極式輸液測試原理是在輸液管的漏斗內放進一對電極，當有藥滴滴下時，因為電極產生晃動從而發(fā)出相應的中斷信號。最后參考具體滴速就能夠精確的測算出藥液體積的變化。盡管電極式原理取得的數據可靠性比較高，但是由于電極在漏斗內會與液滴發(fā)生直接接觸，可能影響藥液的藥性，所以同樣不適合推廣使用。(4)光電式的輸液監(jiān)控階段光電式輸液測試原理是在輸液管的漏斗外壁安裝一對紅外發(fā)射接收管，當有藥滴滴下時紅外對管會感受到光的強弱變化，進而轉化為相應電學信號的強弱改變，最后通過單片機等控制器件處理信號得到當前滴速和其他輸液的信息。由于這種方法具有不污染滴液、性能良好、性價比高、測量結果準確等多方面的優(yōu)點，得到了廣泛的應用[8]。除此之外，還存在其它的監(jiān)測方法如感應式、超聲波式、光纖式等。但是考慮到實用性以及性價比等因素的限制未能成為最合適的實施方案。與國外相關的實驗研發(fā)工作相對比，國內的研發(fā)起步比較晚。在上個世紀八十年代，德國、美國等歐美國家就對輸液監(jiān)測裝置進行了相應的研究工作，并且取得了不錯的成果。目前國外的醫(yī)療器械在市場中占有相當大的比重，其中日本的TOP-3300、TOP-2200、OT-601等型號的輸液泵都具有優(yōu)良的性能和可推廣性，另外德國、美國等國家的相關輸液監(jiān)控裝置也有很不錯的性能表現[9-11]。在20世紀90年代我國就已開始引進國外的多功能輸液泵，它能夠準確的監(jiān)控輸液時藥液的滴速，并在輸液時發(fā)生緊急狀況后完成提醒醫(yī)務人員的任務。由于此產品操作復雜且性價比不高，所以實際的推廣范圍僅限于一些大型醫(yī)院。雖然目前國內已有同類產品出現，如智能監(jiān)控裝置有靜脈輸液測速器和浮墊自動關閉式輸液器，但是由于性能和價格上的種種不足同樣未能在國內醫(yī)院中得到大規(guī)模的推廣。據不完全統(tǒng)計，國內針對輸液監(jiān)控裝置的相關專利已經有60多種，但是符合向各大規(guī)模醫(yī)院推廣的專利卻占很小的比重。在廣州、西安、北京等地區(qū)曾在臨床醫(yī)療推出相關設備，但是由于安全性、性價比等因素，實際推廣情況不是很理想，轉化率不足專利技術的1/10[12-14]。1.2課題的意義和價值國外發(fā)達國家對智能輸液裝置的研究較早，日本、美國、德國、英國等發(fā)達國家早在二十世紀八十年代末就已經開始了智能型輸液裝置的研制[15]。多年前，這些發(fā)達國家很多醫(yī)院的住院床位已經開始配備輸液泵。輸液泵是一種不但能夠較為精確的控制輸液速度，而且可以對輸液阻塞、氣泡混入、輸液完成等輸液異常情況進行報警的多功能輸液控制器[16-17]。目前，我國只在一些大醫(yī)院的重癥監(jiān)護室才有部分配備，且多數為國外產品，常見的如日本TOP株式會社的TOP-3300輸液泵和TOP-2200型輸液泵[18]。美、德、英等西方發(fā)達國家也有較好的同類產品。這些外國產品價格普遍比較昂貴，且必須使用昂貴的專用醫(yī)療耗材，這使得大部分三甲級以下醫(yī)院難以承受。我國對智能醫(yī)療設備研發(fā)比較晚，在輸液智能監(jiān)控裝置上年代才剛開始涉入，比起國外晚多年，至于目前國內較好的輸液智能監(jiān)控裝置，有北京科力豐高科技發(fā)展有限責任公司的系列產品。但是相比較于國外一些產品，性能上和功能上都有待進一步改進和完善，又因為產品類型有限，設備價格較高，因此對于這些設備在大部分醫(yī)院的普及率也相對較低，真正實現推廣普及還是不可行。通常情況，在醫(yī)務人員的正常操作下，液管發(fā)生堵塞、輸液不流暢，以及空氣進入液管這些情況難以發(fā)生，一般都可避免，而點滴速度的調節(jié)以及輸液完成實行自動報警，這兩個環(huán)節(jié)便成為輸液智能控問題的重點和難點所在[19]。目前，國內尚未解決輸液時的集中自動監(jiān)控問題[20]。輸液過程中，醫(yī)務人員需要不斷進行現場的巡視觀察以了解輸液狀態(tài)，并通過手動進行控制處理[21]。護理人員則必須在患者周圍時刻觀察注意輸液狀態(tài)，以便在發(fā)生輸液異常時能及時發(fā)現并通知醫(yī)務人員前來處置[22]。對于輸液監(jiān)控設備，安全可靠性是基礎，使用方便是基本要求，價格合理是推廣的保障，能夠普及才有意義。我國是世界上醫(yī)院最多的國家，具有龐大的消費群體。近年來，醫(yī)療器械的研發(fā)一直受到政府的重點鼓勵和大力扶持，并快速的發(fā)展。因此，輸液監(jiān)控裝置的研究不僅勢在必行，而且前景廣闊。總體設計方案2.1總體設計方案該套設計系統(tǒng)的主要部分由液位和滴速檢測模塊，報警模塊，按鍵設置模塊，步進電機驅動模塊，液晶顯示模塊，無限模塊等組成。圖2.1總體設計方案框圖2.2各模塊設計方案2.2.1滴速測量模塊設計液滴滴速的監(jiān)測設計屬于本課題的核心功能，是整個系統(tǒng)的基礎，對此，提出以下解決方案：方案一：采用壓力傳感器將壓力傳感器放在滴管下方，液滴滴在壓力傳感器上采集到的信息會產生變化，同時顯示器上的電壓也會發(fā)生相應的變化。滴速越快，壓力傳感器受到的壓力越大，電壓的變化越明顯，因此可以通過壓力的變化可以對滴速進行測量。但液滴重量太小，對壓力傳感器的精度要求就很高，而且對于壓力值的轉換也需要進行進一步的測量，開發(fā)成本較高，并且該方案的可操作性對于本實驗也很低，結果誤差會比較大。方案二：紅外光電傳感器將紅外光電傳感器設置在輸液管的底端，利用紅外線的反射能力，當液滴下落時，通過接收端采集信號，轉換為相應的滴速。這種方案受很多不穩(wěn)定因素的影響，如液滴表面不規(guī)則，接收端與液滴之間的角度需要調整等情況，會影響到測量精度。方案三：紅外對管測量將紅外對管的紅外線發(fā)射管和光敏接收管放置在輸液管的兩側，紅外發(fā)送管對光的敏感性較強，當有液滴下落時使發(fā)送管接受到某種紅外線后會發(fā)生明顯變化進而發(fā)送信息,紅外接收管接收到微弱信號,經放大并進行電壓比較后再經整形處理傳送給單片機,計算出液滴速度。該方法可操作性強，成本低廉，能夠廣泛使用于各行各業(yè)。經對比后選用方案三，采用紅外對管測量輸液管的滴速。2.2.2液位測量模塊利用單片機將紅外對管測量的實時滴速與設置好的容量進行計算，這種方案與紅外對管相互結合，設計方便，而且通過單片機內部算法計算，測量準確。2.2.3滴速控制模塊采用電機控制對輸液管進行加緊放松，以下是針對電機的選擇：方案一采用直流電機。直流電機轉矩小，通上電后會馬上轉動，斷電后也不會馬上停止，需要轉動一定角度才能停下來。直流電機無法準確地停在需要的位置，所以不采用。方案二采用伺服電機。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機的缺點在于保需要經常保養(yǎng)，會出現電刷磨損的粉末，無法再需要干凈的場所使用，而且伺服電機適用于高速大力矩工作狀態(tài)，對于該設計并不適用，所以不采用。方案三采用步進電機。步進電機主要是把電脈沖信號轉換成輸出軸的轉角或轉速，容易開啟停止、正反轉及變速,動態(tài)響應快。價格適中，控制精度較高，適用于較為精確的監(jiān)控中，還可以有效提高輸液速度的控制精度。步進電機每輸入一個脈沖信號，轉子就會轉過一個角度，步進電機會輸出特定的角位移或者線位移，其與輸入脈沖數成正比例，步進電機的轉速也與脈沖頻率成正比例關系。本文以單片機為核心，控制了步進電機的工作，可以在一剎那實現啟停動作，并且其步距角的降低較小，延時短，定位準確，精度高，可操作性較強。綜合考慮，選用步進電機作為電機驅動控制電路。2.2.4顯示器模塊本課題需要對滴速，液位，容量等數據進行設置。有以下兩種方案可供選擇：方案一采用數碼管。數碼管具備很多優(yōu)點，比如低耗，壽命長的優(yōu)點，但數碼管的顯示界面過于簡陋，無法精確顯示信息，所以不采用。方案二采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602液晶顯示屏屬于字符型液晶屏，顯示字符信息比較方便，同時也具有操控簡單的特點。綜上所述，該模塊采用LCD1602液晶顯示屏。2.2.5鍵盤模塊鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤，是系統(tǒng)面向我們的一種輸入界面，此次設計中我選擇了非編碼鍵盤，主要是因為非編碼鍵盤造低廉，技術成熟，而且本次系統(tǒng)不需要過于復雜的鍵盤操作。本次設計我挑選的非編碼鍵盤是獨立鍵盤。它使用于輸入端口較多，調用快捷，且每個鍵的工作狀態(tài)不會影響其他幾個鍵的情況，此方案可以大大減少程序的內容，編程較簡單，使用起來也很方便，對于本設計，對于鍵盤的需求不大，只需要進行簡單的操作即可。2.3單片機的選擇2.3.1簡述單片機STC89C51我們使用的STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KBEEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。如圖2-2為STC89C52的引腳圖。圖2-2STC89C52引腳圖2.3.2單片機I/O口分配VCC(40引腳)：電源電壓VSS(20引腳)：接地P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié);在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入(P1.0/T2)和時器/計數器2的觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)，具體如下表所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號功能特性P1.0T2（定時器/計數器2外部計數輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制）表2.1P1.0和P1.1引腳復用功能引腳號第二功能P1.0T2(定時器/計數器T2的外部計數輸入)，時鐘輸出P1.1T2EX(定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制)P1.5MOSI(在線系統(tǒng)編程用)P1.6MISO(在線系統(tǒng)編程用)P1.7SCK(在線系統(tǒng)編程用)P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器(例如執(zhí)行MOVX@DPTR)時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址(如MOVX@RI)訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。P3口亦作為STC89C52特殊功能(第二功能)使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能：引腳號復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部數據存儲器寫選通）P3.7（外部數據存儲器讀選通）表2.2P3口引腳復用功能RST——復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG)。如有必要，可通過對特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。PSEN——程序儲存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當STC89C52由外部程序存儲器取指令(或數據)時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)，EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接Vcc端)，CPU則執(zhí)行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。硬件電路設計本課題的硬件分為主機和從機，由無限模塊連接，包含單片機最小系統(tǒng)，液晶顯示器，電源電路，無線模塊，蜂鳴器報警電路，速度檢測電路，步進電機驅動電路。3.1單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)一般包括晶振電路，復位電路，單片機。如圖3.1為單片機最小系統(tǒng)。圖3.1單片機最小系統(tǒng)晶振電路：典型的晶振取11.0592MHz（因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場合）/12MHz（產生精確的uS級時歇，方便定時操作）復位電路：由電容串聯電阻構成，由圖并結合“電容電壓不能突變”的性質，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現高電平，并且這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。一般教科書推薦C取10u，R取8.2K.當然也有其他取法的，原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產生不少于2個機周期的高電平。3.2報警電路3.2.1蜂鳴器的介紹蜂鳴器是一種一體化結構的電子音響器，采用直流電壓供電，廣泛引用于各類電子產品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，有源蜂鳴器直接接上額定電源即可連續(xù)產生警報蜂鳴聲；無源蜂鳴器內部不帶震蕩源，需要接在音頻輸出電路中才能發(fā)聲。我的設計里采用的是有源蜂鳴器，因為它單片機的程序控制方便。如圖3.2為蜂鳴器報警電路，BP引腳接單片機P1.0，當溫度或濕度高于設置的報警值時，單片機給一個低電平到三極管S9012的基極，三級管導通，蜂鳴器報警圖3.2蜂鳴器報警電路3.3滴速檢測電路紅外對管：紅外對管是通過用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，光敏接收管接收光信號的方法來檢測液滴滴速的。在調試過程中我將輸液管固定在豎直平面內，紅外對管將輸液管夾在紅外線發(fā)射管和光敏接收管之間，然后進行測量。紅外線穿過對管間的間隙，由接收管接收。當沒有水滴是通過對管間隙時，紅外接收管會處于完全導通狀態(tài)，輸出的為高電平；當有水滴通過對管間隙的時候，紅外接收管的導通能力會有不同程度地下降，其輸出的不規(guī)則是負向脈沖；每一個水滴的通過都會產生一個這樣的不規(guī)則的負向脈沖，脈沖數目是與水滴數目一一對應。這樣由紅外對管傳感器所產生的負向脈沖會經過LM339比較器后，然后輸入端是輸入的不規(guī)則負向脈沖，就會整形為規(guī)則的正向脈沖，然后將該脈沖輸出到單片機的中斷口INT0。其數據采集電路圖如圖3.3，其輸出波形如圖3.4。圖3.3滴速檢測電路圖3.4脈沖輸出波形3.4步進電機驅動電路3.4.1步進電機的工作原理步進電機是將脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行器件。當步進電機的驅動器接收到的由單片機發(fā)出的脈沖信號，它可以驅動步進電機按設定方向旋轉一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的運動是按照固定的角度一步一步運行的。首先可以通過控制輸入脈沖的個數來控制角位移量，從而達到電機轉動的目的；其次，通過單片機輸出脈沖頻率來控制電機轉動的速度以及加速度。從而可以達到調節(jié)速度的目的。步進電機是可以作為控制用的特殊的電機。廣泛的使用在各種開、閉環(huán)控制，他可以不積累誤差。現在比較常見的步進電機有單相式步進電機、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和反應式步進電機（VR）等。混合式步進電機就是指混合了永磁式與反應式的兩個優(yōu)點。它又可以分為兩相和五相：兩相步進電機的步進角一般為1.8度而五相步進電機的步進角一般為0.72度。現在這種步進電機的應用最為廣泛，也是本課題的驅動方案所選用的步進電機。3.4.2步進電機的控制原理步進電機區(qū)別于其他電機的最大特點是，它可以通過單片機輸入脈沖信號進行控制，即電機的轉動的總角度可以由輸入脈沖數決定，而電機的轉速是由脈沖信號的頻率決定。步進電機的驅動電路是根據控制信號工作，而控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相的這一過程是脈沖分配。比如：三相步進電機的三相三拍工作方式，其各相通電的順序以此為A-B-C-A，通電控制的輸出脈沖必須嚴格按照這一順序去分別控制A-B-C-A相的通斷。(2)控制步進電機的轉向當給步進電機以正序脈沖輸出通電，則步進電機的工作狀態(tài)為正轉，若按反序通電換相則電機反轉。(3)控制步進電機的速度當控制單片機的輸出為一個一個脈沖的時候，它就可以一步一步的進行轉動，每兩個脈沖直接可以轉動相應的角度，并且兩個脈沖輸出的間隔時間越短，其電機轉動速度越快。所以我們就可以控制單片機的輸出脈沖頻率去控制電機轉動。單三拍的相序為A—>B—>C—>A時，電機正轉；反之A<—B<—C<—A，則電機反轉。本題設計的關鍵就是控制電機的旋轉方向和步數，通過控制其方向和速度就可以把最小絕對誤差的控制在預置數M×10%±1滴。如圖3.5所示。圖3.5步進電機驅動電路3.5顯示器電路按照相關的規(guī)定，輸液時液速的正常范圍應該是每分鐘30到150滴,所以本系統(tǒng)的數碼管選擇了三位,LED顯示模塊使用了74HC164驅動共陰數碼管。74HC164是8位的邊沿觸發(fā)式的移位寄存器，它是串行的輸入數據，然后再并行的輸出。這樣數據便可通過兩輸入端（DSA或DSB）之一進行串行輸入，任一個輸入端都可以用作高電平的使能端，來控制另一個輸入端輸入數據。從單片機的串口輸出的信號首先要送到最左邊的移位寄存器（74HC164）,因為移位脈沖的作用，數據便向右移，以此完成顯示。采用串行顯示，與并行顯示相比，串行顯示占用接口少，更加適用于本系統(tǒng)，數碼顯示的電路如圖所示。顯示電路的功能是顯示電壓與滴速,開機顯示了電壓的電量,醫(yī)務人員會根據實際情況決定是否應需要插入電源,保證輸液過程的正常工作。當有液滴滴下時,就開始顯示：一方面可以方便護士在給病人輸液時調節(jié)藥液滴速,這樣就防止了只憑經驗來調速，造成調速不準的醫(yī)療隱患;另一方面方便了護士巡房,使醫(yī)療服務更加的準確、高效。以下圖3.6為顯示電路圖：圖3.6顯示器電路3.6無線傳輸電路nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式,工作在100mw時電流為160mA,在數據傳輸方面實現相對WiFi距離更遠，但傳輸數據量不如WiFi（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設計更方便。nRF24L01的封裝及引腳排列如圖1、2所示。各引腳功能如下：引腳說明1引腳說明1CE：使能發(fā)射或接收;CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01：IRQ：中斷標志位;VDD：電源輸入端;VSS：電源地：XC2，XC1：晶體振蕩器引腳;VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8V;ANT1,ANT2：天線接口;IREF：參考電流輸入。引腳名稱引腳功能描述1CE數字輸入RX或TX模式選擇2CSN數字輸入SPI片選信號3SCK數字輸入SPI時鐘4MOSI數字輸入從SPI數據輸入腳5MISO數字輸出從SPI數據輸出腳6IRQ數字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源（+3V）8VSS電源接地（0V）表3.1NRF24L01引腳說明圖3.7無線傳輸電路3.7電源電路電源是整個系統(tǒng)能夠正常運作的核心，過高的電壓會導致單片機夠熱甚至燒毀，造成不必要的浪費。本課題采用的是5V的電壓。電路圖如下所示，SW1為電源開關，C5和C6分別是輸入端和輸出端的濾波電容。圖3.8電源電路

軟件設計系統(tǒng)的軟件設計包括的模塊有：滴速控制模塊，報警模塊，電機控制模塊，顯示器模塊，鍵盤模塊等程序中包含對于滴速的計算，對于滴速的測量，可以計算出輸液瓶中的剩余量，剩余量過低時會自動報警，并且通過電機的轉動來防止輸液瓶中剩余量過低導致血液回流。4.1滴速檢測子程序本次課題采用的是紅外對管采集信號，當有液滴通過就會有信號變化，這時會產生一個脈沖，然后記錄下2次液滴的信號變化，通過程序運算就可以得出液滴滴速，其流程圖如圖4-1：YYNYN初始化判斷P1.7=1即是目錄鍵入章標題(第1級)1鍵入章標題(第2級)2鍵入章標題(第3級)3鍵入章標題(第1級)4鍵入章標題(第2級)5鍵入章標題(第3級)6否有液滴啟動定時器在檢測P1.7=1即檢測第二滴停止計時器利用中斷次數得到時間計算出液滴速度圖4-1檢測程序框圖4.2電機控制子程序電機運動就是根據現在的系統(tǒng)的狀態(tài)來設定。如果在設定范圍之內，就不會有動作，當小于設定值其程序就會進入正轉程序，反正就是反轉。程序圖如圖4-2。NNNY測試滴速子程序比較原速度與目的速度是否相等目的速度是否大于原速度提高點滴速度其他子程序Y降低點滴速度圖4-2電機控制程序框圖4.3鍵盤程序系統(tǒng)有復位鍵，另外根據需要拓展了“加減”，“減鍵”報警鍵除復位鍵外擴展了三個鍵，首先程序會檢測有無按鍵輸入，若無則單片機無動作，若有則進行其他程序動作。加減主要為設定滴速，通過按鍵輸入來設定滴速的大小。另外報警分為主動以及自動，當有人按鍵報警時，可以自報警，若無，當觸發(fā)報警程序時候，在10s內無人處理則會自動報警。當報警結束后會自動停止報警，同時停止滴液，以保證病人安全。程序框圖如圖4-3。圖4-3鍵盤程序框圖

系統(tǒng)調試與檢測智能點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)是自動化醫(yī)療設備中一個比較小的部分，但相比于那些昂貴的大型醫(yī)療器械，它又具備操作簡便，價格低廉的特點，而且輸液系統(tǒng)的普適性更強，適用人群更廣，畢竟每個人都會感冒生病，都會有需要輸液的時候，所以該系統(tǒng)的市場前景還是比較好的。本次設計的智能點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)具備的功能有：病床端可以由患者主動報警，護士站的報警裝置也會同時響起；該系統(tǒng)可以主動設置病床號，輸液瓶的額定容量，輸液速度和剩余量；當輸液瓶的容量低于剩余量，液滴滴速過慢甚至停止時，系統(tǒng)都會報警；當停止輸液或容量過低時，電機會主動轉動夾緊輸液管，防止血液回流。如圖5.1和5.2為該系統(tǒng)的硬件實物圖。圖5.1主機端硬件電路圖5.2從機端硬件電路為了方便調試與檢測，我將主機端的三個按鍵分別設置為右上角的按鍵為1號按鍵，左下角的按鍵為2號按鍵，右下腳的按鍵為3號按鍵。按下電源開關，啟動設備。按下1號按鍵，主機端開始自動報警，同時從機端也開始報警。這是模擬的病床端的患者可以主動提醒護士站的醫(yī)生護士進行更換藥液。按下3號按鍵，可以設置模擬輸液瓶中的額定容量，初始容量為500ML，可更改為250ML。如圖5.3和5.4為設置容量界面。圖5.3輸液瓶初始容量為500ML圖5.4輸液瓶初始容量為250ML按下2號按鍵，進入設置界面，在設置界面里可以對額定滴速，病床號和剩余量進行設置。1號按鍵和3號按鍵分別為數值的“+”和“-”，可以對數值進行加減，其中剩余量的調整為正負0.5ML。再此按下2號按鍵可以切換光標，改變設置對象。最后長按2號按鍵保存設置，進入正常運行。如圖5.5到5.9為設置過程。圖5.5設置的光標在剩余量上圖5.6增加剩余量額定值圖5.7減少剩余量額定值圖5.8設置的光標在病床號上圖5.9設置的光標在額定滴速上可用遮光物放在紅外對管之間反復遮擋，顯示器上可以顯示出實時的滴速和容量。當取走遮光物后5s左右，單片未收到紅外對管的相應脈沖響應，電機就會自動旋轉，夾緊輸液管，防止血液回流。如圖為紅外對管，步進電機和實時滴速，實時容量。圖5.10紅外對管圖5.11步進電機圖5.12實時滴速和實時容量

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