智能點滴自動監(jiān)控方法設(shè)計

智能點滴自動監(jiān)控方法設(shè)計摘要隨著技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的自動化，智能化的設(shè)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(lǐng)域的自動化臨床設(shè)備方面，主要研究智能點滴自動監(jiān)控的設(shè)計方法。該方案是基于STC89C52控制的，分為主機(jī)和從機(jī)，由無線模塊控制，主機(jī)代表病床端，從機(jī)代表護(hù)士站，主機(jī)可以主動報警，從機(jī)也同時報警；該裝置可以測量并設(shè)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(jìn)電機(jī)會根據(jù)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(yīng)用前景，極大地減輕了護(hù)士的工作壓力，對于促進(jìn)自動化臨床設(shè)備的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。關(guān)鍵詞：51單片機(jī)，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(shè)計方案 112.1總體設(shè)計方案 112.2各模塊設(shè)計方案 112.2.1滴速測量模塊設(shè)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(jī)的選擇 132.3.1簡述單片機(jī)STC89C51 132.3.2單片機(jī)I/O口分配 14第三章 硬件電路設(shè)計 183.1單片機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 203.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 203.4.2步進(jìn)電機(jī)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(shè)計 264.1滴速檢測子程序 264.2電機(jī)控制子程序 274.3鍵盤程序 27第五章 系統(tǒng)調(diào)試與檢測 29參考文獻(xiàn) 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(xué)科交叉、知識密集、資金密集型的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入門檻較高[1]。中國醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(jìn)程的加快，中國醫(yī)療器械行業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著國內(nèi)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(zhuǎn)移，國內(nèi)產(chǎn)品的競爭力正逐步增強(qiáng)，為國內(nèi)廠商拓展市場提供了難得的機(jī)遇?？梢灶A(yù)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(jīng)常發(fā)生藥滴流速過快、過慢以及輸液結(jié)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(yīng)該適當(dāng)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(fù)擔(dān)，容易引起心衰和肺水腫等問題。如果不能及時發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)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(chǎn)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(hù)士根據(jù)經(jīng)驗,將速度調(diào)至合適值。人工調(diào)整滴流速度不夠準(zhǔn)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(dāng)藥液輸完,則由護(hù)士及時換瓶或拔除針頭[5]，若床旁無陪護(hù)或醫(yī)護(hù)人員未及時換藥或拔針頭，將會出現(xiàn)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(dǎo)致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影響治療質(zhì)量和患者康復(fù)。同時，護(hù)士也需要不停地巡視病房，增加工作負(fù)荷，有時還會產(chǎn)生醫(yī)療糾紛。基于以上情況，設(shè)計實現(xiàn)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(jì)以來，為了解決靜脈輸液過程中的問題，各國科學(xué)家針對輸液過程中存在的種種不足進(jìn)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(jìn)步。(1)機(jī)械式的輸液監(jiān)控階段20世紀(jì)80年代期間，研究者嘗試了一種利用機(jī)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(dāng)瓶中藥物的慢慢減少時，彈簧秤相應(yīng)產(chǎn)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(guān)系的研究，很容易了解輸液瓶內(nèi)殘留液體的液面位置。這套方案的可行性一般，測試出的數(shù)據(jù)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(jié)果的準(zhǔn)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?qū)е码娙葑兓脑韥韺斠浩恐械囊何贿M(jìn)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(chǎn)，因為輸液瓶容量的規(guī)格不一樣，需要設(shè)計相應(yīng)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(nèi)放進(jìn)一對電極，當(dāng)有藥滴滴下時，因為電極產(chǎn)生晃動從而發(fā)出相應(yīng)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(shù)據(jù)可靠性比較高，但是由于電極在漏斗內(nèi)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(dāng)有藥滴滴下時紅外對管會感受到光的強(qiáng)弱變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電學(xué)信號的強(qiáng)弱改變，最后通過單片機(jī)等控制器件處理信號得到當(dāng)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(jié)果準(zhǔn)確等多方面的優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用[8]。除此之外，還存在其它的監(jiān)測方法如感應(yīng)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(guān)的實驗研發(fā)工作相對比，國內(nèi)的研發(fā)起步比較晚。在上個世紀(jì)八十年代，德國、美國等歐美國家就對輸液監(jiān)測裝置進(jìn)行了相應(yīng)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(dāng)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(guān)輸液監(jiān)控裝置也有很不錯的性能表現(xiàn)[9-11]。在20世紀(jì)90年代我國就已開始引進(jìn)國外的多功能輸液泵，它能夠準(zhǔn)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(wù)人員的任務(wù)。由于此產(chǎn)品操作復(fù)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(nèi)已有同類產(chǎn)品出現(xiàn)，如智能監(jiān)控裝置有靜脈輸液測速器和浮墊自動關(guān)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(nèi)醫(yī)院中得到大規(guī)模的推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)針對輸液監(jiān)控裝置的相關(guān)專利已經(jīng)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(guān)設(shè)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(zhuǎn)化率不足專利技術(shù)的1/10[12-14]。1.2課題的意義和價值國外發(fā)達(dá)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(dá)國家早在二十世紀(jì)八十年代末就已經(jīng)開始了智能型輸液裝置的研制[15]。多年前，這些發(fā)達(dá)國家很多醫(yī)院的住院床位已經(jīng)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(jìn)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(hù)室才有部分配備，且多數(shù)為國外產(chǎn)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(dá)國家也有較好的同類產(chǎn)品。這些外國產(chǎn)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(shè)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(nèi)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(zé)任公司的系列產(chǎn)品。但是相比較于國外一些產(chǎn)品，性能上和功能上都有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善，又因為產(chǎn)品類型有限，設(shè)備價格較高，因此對于這些設(shè)備在大部分醫(yī)院的普及率也相對較低，真正實現(xiàn)推廣普及還是不可行。通常情況，在醫(yī)務(wù)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(jìn)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(diào)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(nèi)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(wù)人員需要不斷進(jìn)行現(xiàn)場的巡視觀察以了解輸液狀態(tài)，并通過手動進(jìn)行控制處理[21]。護(hù)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(xiàn)并通知醫(yī)務(wù)人員前來處置[22]。對于輸液監(jiān)控設(shè)備，安全可靠性是基礎(chǔ)，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(shè)計方案2.1總體設(shè)計方案該套設(shè)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(shè)置模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，液晶顯示模塊，無限模塊等組成。圖2.1總體設(shè)計方案框圖2.2各模塊設(shè)計方案2.2.1滴速測量模塊設(shè)計液滴滴速的監(jiān)測設(shè)計屬于本課題的核心功能，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(chǎn)生變化，同時顯示器上的電壓也會發(fā)生相應(yīng)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(jìn)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(zhuǎn)換也需要進(jìn)行進(jìn)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(jié)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(shè)置在輸液管的底端，利用紅外線的反射能力，當(dāng)液滴下落時，通過接收端采集信號，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(diào)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(cè)，紅外發(fā)送管對光的敏感性較強(qiáng)，當(dāng)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(jìn)而發(fā)送信息,紅外接收管接收到微弱信號,經(jīng)放大并進(jìn)行電壓比較后再經(jīng)整形處理傳送給單片機(jī),計算出液滴速度。該方法可操作性強(qiáng)，成本低廉，能夠廣泛使用于各行各業(yè)。經(jīng)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(jī)將紅外對管測量的實時滴速與設(shè)置好的容量進(jìn)行計算，這種方案與紅外對管相互結(jié)合，設(shè)計方便，而且通過單片機(jī)內(nèi)部算法計算，測量準(zhǔn)確。2.2.3滴速控制模塊采用電機(jī)控制對輸液管進(jìn)行加緊放松，以下是針對電機(jī)的選擇：方案一采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩小，通上電后會馬上轉(zhuǎn)動，斷電后也不會馬上停止，需要轉(zhuǎn)動一定角度才能停下來。直流電機(jī)無法準(zhǔn)確地停在需要的位置，所以不采用。方案二采用伺服電機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)的缺點在于保需要經(jīng)常保養(yǎng)，會出現(xiàn)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(jī)適用于高速大力矩工作狀態(tài)，對于該設(shè)計并不適用，所以不采用。方案三采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)主要是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，容易開啟停止、正反轉(zhuǎn)及變速,動態(tài)響應(yīng)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(jìn)電機(jī)每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個角度，步進(jìn)電機(jī)會輸出特定的角位移或者線位移，其與輸入脈沖數(shù)成正比例，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比例關(guān)系。本文以單片機(jī)為核心，控制了步進(jìn)電機(jī)的工作，可以在一剎那實現(xiàn)啟停動作，并且其步距角的降低較小，延時短，定位準(zhǔn)確，精度高，可操作性較強(qiáng)。綜合考慮，選用步進(jìn)電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)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(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。有以下兩種方案可供選擇：方案一采用數(shù)碼管。數(shù)碼管具備很多優(yōu)點，比如低耗，壽命長的優(yōu)點，但數(shù)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(shè)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(shù)成熟，而且本次系統(tǒng)不需要過于復(fù)雜的鍵盤操作。本次設(shè)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(diào)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(nèi)容，編程較簡單，使用起來也很方便，對于本設(shè)計，對于鍵盤的需求不大，只需要進(jìn)行簡單的操作即可。2.3單片機(jī)的選擇2.3.1簡述單片機(jī)STC89C51我們使用的STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)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(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機(jī)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），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。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)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(jī)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(qū)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(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)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(shù)器2的外部計數(shù)輸入(P1.0/T2)和時器/計數(shù)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(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制）表2.1P1.0和P1.1引腳復(fù)用功能引腳號第二功能P1.0T2(定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入)，時鐘輸出P1.1T2EX(定時器/計數(shù)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(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX@DPTR)時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址(如MOVX@RI)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)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(fù)用功能：引腳號復(fù)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(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表2.2P3口引腳復(fù)用功能RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG——當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)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(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)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(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)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(dāng)STC89C52由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)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(fù)位時內(nèi)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(nèi)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(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。硬件電路設(shè)計本課題的硬件分為主機(jī)和從機(jī)，由無限模塊連接，包含單片機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包括晶振電路，復(fù)位電路，單片機(jī)。如圖3.1為單片機(jī)最小系統(tǒng)。圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振電路：典型的晶振取11.0592MHz（因為可以準(zhǔn)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(chǎn)生精確的uS級時歇，方便定時操作）復(fù)位電路：由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)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(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。一般教科書推薦C取10u，R取8.2K.當(dāng)然也有其他取法的，原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個機(jī)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(jié)構(gòu)的電子音響器，采用直流電壓供電，廣泛引用于各類電子產(chǎn)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(chǎn)生警報蜂鳴聲；無源蜂鳴器內(nèi)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(shè)計里采用的是有源蜂鳴器，因為它單片機(jī)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(jī)P1.0，當(dāng)溫度或濕度高于設(shè)置的報警值時，單片機(jī)給一個低電平到三極管S9012的基極，三級管導(dǎo)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(diào)試過程中我將輸液管固定在豎直平面內(nèi)，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(jìn)行測量。紅外線穿過對管間的間隙，由接收管接收。當(dāng)沒有水滴是通過對管間隙時，紅外接收管會處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，輸出的為高電平；當(dāng)有水滴通過對管間隙的時候，紅外接收管的導(dǎo)通能力會有不同程度地下降，其輸出的不規(guī)則是負(fù)向脈沖；每一個水滴的通過都會產(chǎn)生一個這樣的不規(guī)則的負(fù)向脈沖，脈沖數(shù)目是與水滴數(shù)目一一對應(yīng)。這樣由紅外對管傳感器所產(chǎn)生的負(fù)向脈沖會經(jīng)過LM339比較器后，然后輸入端是輸入的不規(guī)則負(fù)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(jī)的中斷口INT0。其數(shù)據(jù)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路3.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行器件。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器接收到的由單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號，它可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定方向旋轉(zhuǎn)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(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)動的目的；其次，通過單片機(jī)輸出脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度以及加速度。從而可以達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。步進(jìn)電機(jī)是可以作為控制用的特殊的電機(jī)。廣泛的使用在各種開、閉環(huán)控制，他可以不積累誤差?，F(xiàn)在比較常見的步進(jìn)電機(jī)有單相式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）等。混合式步進(jìn)電機(jī)就是指混合了永磁式與反應(yīng)式的兩個優(yōu)點。它又可以分為兩相和五相：兩相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角一般為0.72度。現(xiàn)在這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本課題的驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。3.4.2步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他電機(jī)的最大特點是，它可以通過單片機(jī)輸入脈沖信號進(jìn)行控制，即電機(jī)的轉(zhuǎn)動的總角度可以由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號的頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路是根據(jù)控制信號工作，而控制信號由單片機(jī)產(chǎn)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(jìn)電機(jī)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(yán)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)以正序脈沖輸出通電，則步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)為正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相則電機(jī)反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度當(dāng)控制單片機(jī)的輸出為一個一個脈沖的時候，它就可以一步一步的進(jìn)行轉(zhuǎn)動，每兩個脈沖直接可以轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，并且兩個脈沖輸出的間隔時間越短，其電機(jī)轉(zhuǎn)動速度越快。所以我們就可以控制單片機(jī)的輸出脈沖頻率去控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。單三拍的相序為A—>B—>C—>A時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之A<—B<—C<—A，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。本題設(shè)計的關(guān)鍵就是控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和步數(shù)，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(yù)置數(shù)M×10%±1滴。如圖3.5所示。圖3.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路3.5顯示器電路按照相關(guān)的規(guī)定，輸液時液速的正常范圍應(yīng)該是每分鐘30到150滴,所以本系統(tǒng)的數(shù)碼管選擇了三位,LED顯示模塊使用了74HC164驅(qū)動共陰數(shù)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(shù)據(jù)，然后再并行的輸出。這樣數(shù)據(jù)便可通過兩輸入端（DSA或DSB）之一進(jìn)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(shù)據(jù)。從單片機(jī)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(shù)據(jù)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(shù)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(jī)顯示了電壓的電量,醫(yī)務(wù)人員會根據(jù)實際情況決定是否應(yīng)需要插入電源,保證輸液過程的正常工作。當(dāng)有液滴滴下時,就開始顯示：一方面可以方便護(hù)士在給病人輸液時調(diào)節(jié)藥液滴速,這樣就防止了只憑經(jīng)驗來調(diào)速，造成調(diào)速不準(zhǔn)的醫(yī)療隱患;另一方面方便了護(hù)士巡房,使醫(yī)療服務(wù)更加的準(zhǔn)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(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)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(shù)據(jù)傳輸方面實現(xiàn)相對WiFi距離更遠(yuǎn)，但傳輸數(shù)據(jù)量不如WiFi（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)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(biāo)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(shù)字輸入RX或TX模式選擇2CSN數(shù)字輸入SPI片選信號3SCK數(shù)字輸入SPI時鐘4MOSI數(shù)字輸入從SPI數(shù)據(jù)輸入腳5MISO數(shù)字輸出從SPI數(shù)據(jù)輸出腳6IRQ數(shù)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(dǎo)致單片機(jī)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(guān)，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(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括的模塊有：滴速控制模塊，報警模塊，電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動來防止輸液瓶中剩余量過低導(dǎo)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(dāng)有液滴通過就會有信號變化，這時會產(chǎn)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(biāo)題(第1級)1鍵入章標(biāo)題(第2級)2鍵入章標(biāo)題(第3級)3鍵入章標(biāo)題(第1級)4鍵入章標(biāo)題(第2級)5鍵入章標(biāo)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(shù)得到時間計算出液滴速度圖4-1檢測程序框圖4.2電機(jī)控制子程序電機(jī)運動就是根據(jù)現(xiàn)在的系統(tǒng)的狀態(tài)來設(shè)定。如果在設(shè)定范圍之內(nèi)，就不會有動作，當(dāng)小于設(shè)定值其程序就會進(jìn)入正轉(zhuǎn)程序，反正就是反轉(zhuǎn)。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(jī)控制程序框圖4.3鍵盤程序系統(tǒng)有復(fù)位鍵，另外根據(jù)需要拓展了“加減”，“減鍵”報警鍵除復(fù)位鍵外擴(kuò)展了三個鍵，首先程序會檢測有無按鍵輸入，若無則單片機(jī)無動作，若有則進(jìn)行其他程序動作。加減主要為設(shè)定滴速，通過按鍵輸入來設(shè)定滴速的大小。另外報警分為主動以及自動，當(dāng)有人按鍵報警時，可以自報警，若無，當(dāng)觸發(fā)報警程序時候，在10s內(nèi)無人處理則會自動報警。當(dāng)報警結(jié)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(diào)試與檢測智能點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)是自動化醫(yī)療設(shè)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(qiáng)，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(shè)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(hù)士站的報警裝置也會同時響起；該系統(tǒng)可以主動設(shè)置病床號，輸液瓶的額定容量，輸液速度和剩余量；當(dāng)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(dāng)停止輸液或容量過低時，電機(jī)會主動轉(zhuǎn)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(jī)端硬件電路圖5.2從機(jī)端硬件電路為了方便調(diào)試與檢測，我將主機(jī)端的三個按鍵分別設(shè)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(guān)，啟動設(shè)備。按下1號按鍵，主機(jī)端開始自動報警，同時從機(jī)端也開始報警。這是模擬的病床端的患者可以主動提醒護(hù)士站的醫(yī)生護(hù)士進(jìn)行更換藥液。按下3號按鍵，可以設(shè)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(shè)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(jìn)入設(shè)置界面，在設(shè)置界面里可以對額定滴速，病床號和剩余量進(jìn)行設(shè)置。1號按鍵和3號按鍵分別為數(shù)值的“+”和“-”，可以對數(shù)值進(jìn)行加減，其中剩余量的調(diào)整為正負(fù)0.5ML。再此按下2號按鍵可以切換光標(biāo)，改變設(shè)置對象。最后長按2號按鍵保存設(shè)置，進(jìn)入正常運行。如圖5.5到5.9為設(shè)置過程。圖5.5設(shè)置的光標(biāo)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(shè)置的光標(biāo)在病床號上圖5.9設(shè)置的光標(biāo)在額定滴速上可用遮光物放在紅外對管之間反復(fù)遮擋，顯示器上可以顯示出實時的滴速和容量。當(dāng)取走遮光物后5s左右，單片未收到紅外對管的相應(yīng)脈沖響應(yīng)，電機(jī)就會自動旋轉(zhuǎn)，夾緊輸液管，防止血液回流。如圖為紅外對管，步進(jìn)電機(jī)和實時滴速，實時容量。圖5.10紅外對管圖5.11步進(jìn)電機(jī)圖5.12實時滴速和實時容量

參考文獻(xiàn)[1]郎華光，我國醫(yī)療器械市場發(fā)展空間廣闊[J].醫(yī)療保健器具，2008,(12):43-43[2]惠慧，中國醫(yī)療器械市場的蛋糕有多大?[J].醫(yī)療保健器具，2006,(10):21-22[3]張英平，張