智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計 畢業(yè)設計

1、本科畢業(yè)設計說明書智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計燕 山 大 學 里仁學院2016年06月本科畢業(yè)設計說明書智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計學 院： 里仁學院 專 業(yè) 學生姓名： 學 指導教師： 侯培國 答辯日期：2016年6月19日任務書 燕山大學畢業(yè)設計(論文)任務書學院：電氣工程學院 專業(yè)(方向)：儀器科學與工程系 學號學生姓名專 業(yè)班 級里仁檢測12-1班題目題目名稱智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計題目性質(zhì)1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）。題目類型1.畢業(yè)設計（ ） 2.論文（ ）題目來源

2、科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容靜脈輸液的監(jiān)控常采用人工方式，輸液完成時，如未及時換藥或拔針頭，將會出現(xiàn)回血、空氣進入血管形成空氣栓塞、凝血堵住針頭等情況，嚴重影響者的用藥安全。研究設計一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能對輸液總量進行控制、并檢測輸液速度，輸液完成時給出提示信號，必要時自動斷液，通過無線通訊系統(tǒng)進行區(qū)域管理基本要求6設計一套輸液監(jiān)測方案，實現(xiàn)藥液重量的實時測量7.設計檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測、輸液進度測算、異常報警功能8.給出無線通訊及區(qū)域管理的方案9.繪制完整的設計圖紙10.完成畢業(yè)設計論文參考資料3.汪義旺.基于無線傳感網(wǎng)絡的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設計.測控技術.2015，NO

3、4.刁惠民.靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)在個體化靜脈輸液中的應用.護理學報.2013，NO.10周 次1 4 周 5 8 周9 12 周 13 15 周16 17 周應完成的內(nèi)容收集資料，了解輸液監(jiān)控的基本要求及常用方案，設計本監(jiān)控系統(tǒng)方案硬件的設計、開發(fā)、調(diào)試軟件設計及實驗完善系統(tǒng)功能，撰寫論文撰寫論文畢業(yè)設計答辯指導教師：侯培國職稱： 教授 年 月 日注：周次完成內(nèi)容請指導老師根據(jù)課題內(nèi)容自主合理安排。摘要 本設計是基于目前輸液過程存在這樣或那樣的醫(yī)療隱患而設計的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。通過對控制芯片、傳感器、通信方式以及點擊應用比較與分析，選擇出了各部分的最優(yōu)方案。其中，輸液檢測部分本設計選擇的是HX

4、711稱重傳感器，通過對剩余的液量的重量來判斷輸液是否完成，以及反饋給護士臺，使護士臺做出一系列反應。如果輸液完成，會發(fā)生報警。本系統(tǒng)包括下位機和上位機軟件設計兩大部分,下位機主要功能是把輸液病人的信息傳送到護士站,能夠進行良好的通信。硬件發(fā)送電路板用在病人端，是以STC89c52RC控制芯片設計的，并輔以必要的外圍電路，實現(xiàn)液滴檢測，聲光報警、數(shù)碼顯示等功能，再通過nRF2401無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳輸出去。接收板與上位機進行連接并放在護士站，接收板接收數(shù)據(jù)后通過USB2.0接口把數(shù)據(jù)直接傳送到上位機。上位機遠程監(jiān)控平臺可以與輸液監(jiān)控器無線組網(wǎng)，同時實現(xiàn)對多臺監(jiān)控器的監(jiān)控和管理。醫(yī)護人員可以隨

5、時觀察到每個病人的輸液情況,一旦出現(xiàn)異常狀況,護士可以及時處理。輸液結束報警,護士及時拔針或換藥,避免血液回流。關鍵詞：單片機STC89C52RC，hx711稱重傳感器，上位機，報警AbstractSquare root of this design is based on the existence of one kind or another medical infusion process hazard and design a set of intelligent infusion monitoring system. Through the control chip, sensor,

6、 communication mode, and click on the application of moths comparison and analysis, choose the optimal scheme of each part. Place machine and superordination machine under this system, including the software design of two parts, the next bit machine design including sending board design and receive

7、board design, its main function is to put the transfusion patient information transmitted to the nurse station, can be good communication. Hardware circuit board sent on the patient side, based on 89 c52 chip design, supplemented by necessary peripheral circuit, realize the droplet detection, sound

8、and light alarm, digital display, and other functions, and then the data transfer out by nRF2401 wireless transmission module. Receiving plate and upperKeywords:microcontroller STC89C52RC、HX711weighing sensor、upper computer、give an alarm目錄摘要IAbstractI第1章 緒論11.1課題背景、目的和意義11.1.1 課題背景11.1.2課題的研究目的和意義21

9、.2 國內(nèi)外發(fā)展史21.3 設計的主要內(nèi)容4第2章 研究方案及選擇52.1輸液監(jiān)控系統(tǒng)的組成52.2系統(tǒng)的工作原理52.3硬件方案設計和對比分析62.3.1控制方案的選擇62.3.2液滴檢測方案選擇102.3.3通訊方式選擇102.3.4顯示模塊的選擇122.3.5報警模塊的選擇132.4本章小節(jié)14第3章 系統(tǒng)硬件電路設計153.1稱重傳感器153.2鍵盤輸入163.3顯示模塊173.3報警模塊183.4斷液模塊193.5無線通訊模塊203.6本章小節(jié)21第4章 區(qū)域管理的方案234.1區(qū)域管理上位機管理軟件開發(fā)234.1.1軟件系統(tǒng)設計原則234.2.2上位機軟件開發(fā)環(huán)境介紹234.1.3

10、上位機軟件界面設計234.1.4上位機軟件功能設計244.1.5機通信接口模塊設計264.2數(shù)據(jù)處理及誤差28結論30參考文獻31附錄第1章 緒論1.1課題背景、目的和意義1.1.1 課題背景改革開放以來,隨著國際交流的進一步增強和國家支持力度的不斷加大,我國醫(yī)療器械行業(yè)迅猛發(fā)展令世界刮目相看。資料顯示,從2000年到2009年10年時間,中國醫(yī)療器械的總量相當于以前的6倍,2005年,除了美國和日木之外,中國己躍居世界第三。06和07年,中國醫(yī)療器械進出口額都超過百億美元。近幾十年來,中國經(jīng)濟迅速發(fā)展,人民生活水平大大提高,人們對醫(yī)療保健的重視程度愈來愈強,這樣促進醫(yī)院及家庭對醫(yī)療設備的需求

11、快速增加,致使國內(nèi)投入研究醫(yī)療器械行業(yè)的企業(yè)不斷增多,研究人員不斷壯大,醫(yī)療產(chǎn)品不斷豐富,產(chǎn)品功能越來越多,質(zhì)量越來越好,中國醫(yī)療器械正不斷走向全世界。靜脈輸液是利用大氣壓和液體靜壓原理將生理鹽水、葡萄糖等藥液由靜脈輸入病人體內(nèi)的方法1。在臨床治療方面起到無可替代的作用。它的主要特色是給藥迅速、見效快,及時搶救了無數(shù)患者的寶貴生命。然而目前,輸液過程還存在各種各樣的隱患。首先,輸液速度是最令人頭疼的問題,一般來講,輸液速度的控制大多是靠醫(yī)護人員通過旋轉液滴管上的機械滑輪,目測出大概速度,特別是對于新進人員,由于缺乏經(jīng)驗,容易速度把握不夠準確,出現(xiàn)輸液速度太快或太慢的問題,太快會給病人帶來疼痛,

12、太慢則起不到良好的治療效果。其次,當患者輸液時,大多需要陪護人員在旁邊不停地觀察藥液余量,以便當藥液快滴完時通知護士及時拔針或更換藥液,有時陪護人員太累或者臨時有急事,未注意到藥液滴結束,護士未及時來處理,結果造成血液回流等情況,給病人身心健康帶來不必要的傷害,甚至帶來生命危險。針對以上問題,急需研究一種功能齊全、智能、安全、方便的輸液監(jiān)控設施。使醫(yī)護人員能夠合理控制液滴速度,也可以不用陪護人員。這樣克服了目前輸液過程中浪費時間、精力、服務水平低下等弊端。我國是人口大國,醫(yī)院數(shù)量居全世界首位,輸液監(jiān)控系統(tǒng)的成功研制及其推廣應用,將大大提高我國醫(yī)療整體服務水平,帶來良好的效益2。截止2009年,

13、資料記載目前己有67種輸液監(jiān)控方面的專利技術,這些技術大多都能實現(xiàn)速度控制及結束報警等基木任務,然而真正做到成功推廣應用的專利技術卻是寥寥無幾,正是由于研究人員未能深入醫(yī)院進行深入考察,與醫(yī)護人員進行充分交流,一味蠻干,結果出現(xiàn)這樣那樣的問題,譬如價格高、操作不夠簡捷、保密性不夠強等多方面的因素3。我們知道,目前在一些發(fā)達國家出現(xiàn)輸液泵的應用,它的功能相對齊全,控制比較精確,但是價格太昂貴,要想在全世界真正推廣開來不太現(xiàn)實。要想使產(chǎn)品真正普及到每一個病人,研制出價格較低、性能較全且操作簡便的智能監(jiān)控系統(tǒng)迫在眉睫。1.1.2課題的研究目的和意義在臨床醫(yī)學中，靜脈輸液雖然應用廣泛，但目前普遍使用的

14、輸液工具仍然是傳統(tǒng)的茂菲氏輸液器，且以人工監(jiān)控為主。輸液時需要將輸液瓶（袋）懸掛在輸液架上或者高于患者的穿刺部位，利用勢差將藥液輸入患者體內(nèi)，護士憑借肉眼觀察茂菲氏管中的液滴并估計輸液滴速，根據(jù)經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)輸液器上的滑輪來控制輸液速度4。輸液過程中護士需要不停地巡檢，并由患者或陪護人員觀察剩余藥液量，當藥液即將輸完或者滴速出現(xiàn)異常時，及時通知值班護士前來處理。這樣不僅增加了醫(yī)護人員的勞動強度，導致差錯率大為上升，而且不利于患者的休息，影響了治療質(zhì)量。如果發(fā)生藥液輸完或者輸液管堵塞等情況而護士未能及時處理，則有可能會發(fā)生回血或其他危險，給患者造成痛苦，甚至導致醫(yī)療事故。1.2 國內(nèi)外發(fā)展史 鑒于

15、目前輸液過程中存在這樣那樣的安全隱患,且在輸液過程中存在耗費人力較大等問題,迫切需要對目前輸液狀況進行改進,近幾十年來,國內(nèi)外一些專家爭相研究,輸液監(jiān)控系統(tǒng)一直在不斷改進,目前已取得不小成就,其發(fā)展主要經(jīng)歷以下幾個階段：1.機械式輸液監(jiān)視階段該方法是在輸液瓶上方掛一只彈簧秤,根據(jù)輸液過程中瓶中藥液逐漸減少,導致彈簧伸縮變形,由此計算出剩余液面的當前位置,于向英等利用這種方法對輸液監(jiān)控過程進行了多次試驗,結果證明誤差較大,這是因為輸液瓶容積規(guī)格大小不同,且輸液液體密度不同等多種原因導致的,所以說機械式輸液監(jiān)控設備可行性較差,未能得到發(fā)展5。2.電容式液位監(jiān)視階段輸液過程中,藥液液位不斷下降引起電

16、容變化,從而根據(jù)電容的特性對剩余藥量進行估計的6。這種設計思想具有一定的可取性,系統(tǒng)能夠起到一定的監(jiān)控作用,但是由于輸液過程中涉及瓶子體積不均問題,且電容不能像電阻那樣是可以隨便調(diào)節(jié),一旦焊接固定了就不可改動,需要設計多種規(guī)格的電路,實際應用起來太繁瑣,并不能真正推廣開來。3.電極式輸液監(jiān)視階段電極式監(jiān)控方法是把兩電極插入到輸液管的莫菲氏管中,液滴下落時由于受到晃動,電極還會產(chǎn)生一定的極性反應,并發(fā)出相應信號,由此計算出當前液體滴速,然后計算出剩余藥液體積變化,這種設計方法相對簡單易行,可靠性好,但是兩電極直接放入滴管中7。難免與下落液滴接觸,這樣會對藥液造成污染,不符合藥品安全規(guī)范,所以并不

17、能投入實際應用。4.光電式輸液監(jiān)視階段光電傳感器能夠將可見光轉換為某種電路,它包括發(fā)送端和接收端,使用時將其水平放在莫菲式管兩邊即可,傳感器發(fā)送端一般對外界光強變化較為敏感,產(chǎn)生反應,并把相應反應發(fā)送出去,接受傳感器接受相應變化,把接受到的電流信號轉化為放大的電壓信號,傳給后面電路進行數(shù)據(jù)處理,從而可以計算出當前滴速,并可計算剩余體積,由于光電傳感器不與液體直接接觸,它以不污染藥液、安全、可靠等多方面的優(yōu)點得到了廣泛支持,目前的輸液監(jiān)控設備多采用這種方法。上世紀90年代初我國就有人開始涉足這方面的研究。且在輸液監(jiān)控領域有了一定的成就,主要有以下專利和研究成果。張婉妓于90年發(fā)表專利設計了一種輸

18、液監(jiān)控報警器包括至少一個光源發(fā)射器和至少一個光源接收器、電源模塊、控制器和報警電路,光源發(fā)射器與光源接收器要對應設置,光源接收器輸出端連接到控制器的信號輸入端,控制器的信號輸出端再連接到報警電路的信號輸入端8。本輸液監(jiān)控報警器在輸液出現(xiàn)不正常時或瓶內(nèi)液滴快要滴完時可進行聲光報警。此輸液監(jiān)控報警器具有結構簡單、使用方便、報警準確率高等特點。其缺點是功能較少,不能實現(xiàn)全面監(jiān)控。齊齊哈爾大學的徐鳳霞等人利用MCS一51系列單片機與電力線載波芯片結合其他軟、硬件開發(fā)出病區(qū)輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有靜脈輸液速度檢測、液面檢測、顯示、記錄、聲光報警、電力線載波通信、上位機組態(tài)等功能。該系統(tǒng)利用電力載波技術

19、將低壓線路用作通信系統(tǒng)的物理信道,電力線是覆蓋范圍非常廣泛的網(wǎng)絡,從降低有線通信系統(tǒng)的成本方面考慮,倒是一種不失實際的選擇。但是系統(tǒng)相對來說較復雜,應用前景不夠樂觀9。劉世平、薛大磊、葛強研制了輸液智能監(jiān)控產(chǎn)品,本系統(tǒng)包括護士站信息顯示板和多個輸液檢測報警器,護士站信息顯示板是由調(diào)整鍵盤電路和與其相連接的且依次排列的多個信息顯示單元組成,各個信息顯示單元分別連接與其對應的輸液檢測報警器。此系統(tǒng)能夠同時在病房和護士站發(fā)出聲光報警,且在報警的同時能夠自動停止輸液10。另外,在護士工作站可以顯示該病床輸液的相關信息。國外對智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)也有諸多研究,相對較早,在20世紀80年代末就開始有研究了。德

20、國、韓國、美國、日木等發(fā)達國家都進行了輸液監(jiān)控設備的研究,目前主要對輸液泵的研究有了很大的成就,例如日本托普公司研制的輸液泵TOP一2000及TOP一3000,它們能夠準確控制輸液滴數(shù)及輸液速度,保證藥物能夠勻速、無菌地進入病人體內(nèi)。輸液泵對于重癥病人及某些嬰幼兒患者進行監(jiān)控是非常必要的,對病人的治療起到了很好的幫助作用11。SM一2100輸液泵是韓國JONGSANG公司產(chǎn)品,不同于以往的輸液方式,是一種集光、機電于一體化的智能化輸液監(jiān)控設備。同時,輸液泵的功能相當齊全。操作較方便,大大減輕工作人員負擔,是患者可以放心選擇的安全設備。但是輸液泵價格普遍比較昂貴,在兩萬元人民幣左右,其應用在一些

21、發(fā)達國家醫(yī)院較為常見,而在國內(nèi)醫(yī)院還鮮有應用。目前我國只有幾所大醫(yī)院才有購買配備,國內(nèi)使用范圍相當狹窄。綜上,國內(nèi)外關于輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究雖取得了不小的成就,但是還存在很多不足?；谝陨锨闆r,本論文在借鑒前人的基礎上,揚長避短。努力設計更加完美的監(jiān)控系統(tǒng)。1.3 設計的主要內(nèi)容靜脈輸液的監(jiān)控常采用人工方式，輸液完成時，如未及時換藥或拔針頭，將會出現(xiàn)回血、空氣進入血管形成空氣栓塞、凝血堵住針頭等情況，嚴重影響患者的用藥安全12。研究設計一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能對輸液總量進行控制、并檢測輸液速度，輸液完成時給出提示信號，必要時自動斷液，通過無線通訊系統(tǒng)進行區(qū)域管理。第2章 研究方案及選擇2.1輸液監(jiān)控

22、系統(tǒng)的組成本設計是基于目前輸液過程存在這樣或那樣的醫(yī)療隱患而設計的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。通過對控制芯片、傳感器、通信方式以及點擊應用娥比較與分析，選擇出了各部分的最優(yōu)方案。本系統(tǒng)包括下位機和上位機軟件設計兩大部分,如下圖2-1所示。下位機設計包括發(fā)送板設計和接收板設計,其主要功能是把輸液病人的信息傳送到護士站,能夠進行良好的通信13。硬件發(fā)送電路板用在病人端，是以89c52控制芯片設計的，并輔以必要的外圍電路，實現(xiàn)液滴檢測，聲光報警、數(shù)碼顯示等功能，再通過nRF2401無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳輸出去。接收板與上位機進行連接并放在護士站，接收板接收數(shù)據(jù)后通過USB2.0接口把數(shù)據(jù)直接傳送到上位機。上

23、位機遠程監(jiān)控平臺可以與輸液監(jiān)控器無線組網(wǎng)，同時實現(xiàn)對多臺監(jiān)控器的監(jiān)控和管理。醫(yī)護人員可以隨時觀察到每個病人的輸液情況,一旦出現(xiàn)滴速過快或過慢異常狀況,護士可以及時處理。輸液結束報警,護士及時拔針或換藥,避免血液回流。系統(tǒng)應用組成圖如圖2-1。 圖2-1 系統(tǒng)應用組成圖2.2系統(tǒng)的工作原理基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)工作室，利用重力傳感器實時采集輸液剩余量，反饋到控制器，由控制器進行計算，并與預設的數(shù)據(jù)值進行比較做出相應的動作，同時將采集數(shù)據(jù)上傳到遠程無線監(jiān)控平臺和接受控制指令14，實現(xiàn)無線組網(wǎng)運行，系統(tǒng)的工作原理如圖2-2所示。圖2-2 系統(tǒng)工作原理框圖2.3硬件方案設計和對比分析2.

24、3.1控制方案的選擇方案一：此方案采用模擬控制方案，突出優(yōu)點是價格低廉、簡單易行，但最大缺點是精度較低，不易于功能擴展。方案二：此方案采用STC單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，超級加密，具有超強抗干擾性能，I/O口豐富，操作能力強，易于擴展。另外軟件編程方便，可實現(xiàn)各種算法和控制。數(shù)據(jù)傳送是收到的干擾小，傳輸性能好15。所以本設計采用方案二。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。主要特性如下1.增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼

25、容傳統(tǒng)8051.2.工作電壓：5.5V3.3V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V單片機）3.工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz，實際工作頻率可達48MHz4.用戶應用程序空間為8K字節(jié)5.片上集成512字節(jié)RAM6.通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8.具有EEPROM功能

26、9.具有看門狗功能10.共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T211.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒12.通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART13.工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）14.PDIP封裝STC89C52RC單片機的工作模式1.掉電模式：典型功耗0.1A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序2.空閑模式：典型功耗2mA3.正常工作模式：典型功耗4Ma7mA4.掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設備圖2-3 STC89C52

27、RC引腳STC89C52RC引腳功能說明VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻16。P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或

28、者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（）。此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體參見下表：在對Flash ROM編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。 表2-1 P1.0和P1.1引腳復用功能引腳號功能特性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）P2端口（P2.0P2.7，2128引

29、腳）：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（）。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX R1”指令）時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash ROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地

30、址和一些控制信號。P3端口（P3.0P3.7，1017引腳）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表所示：表2-2 P3口引腳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

31、（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）RST（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來

32、作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。（29引腳）：外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。/VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的

33、外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。2.3.2液滴檢測方案選擇方案一：用可見光二極管與光敏三極管組成的傳感器來測量,相對于光敏二極管來說,光敏三極管具有很大的光電流放大作用,其較高的靈敏度在系統(tǒng)應用時易導致滴速測量不準確,采用大功率光敏三極管可以彌補這一缺憾,但是功耗太大,造成不必要的浪費17。方案二：采用紅外對管檢測,紅外對管是一種利用紅外線為介質(zhì)的測

34、量系統(tǒng),具體用法是把對管放在莫菲式管兩側,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(jīng)放大并進行電壓比較后再經(jīng)整形處理傳送給單片機,計算出液滴速度。近幾十年來,紅外傳感器以優(yōu)越的價格及優(yōu)良的性能得到廣大電子愛好者的青睞,廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各大行業(yè)之中。方案三：用壓力傳感器進行測量的方法。壓電傳感器主要利用壓電效應而造成的,在輸液瓶的上方加一個壓力傳感器,通過壓力大小變化來判斷是否有藥液滴下,壓力傳感器具有價格低、抗干擾能力強、使用壽命長等優(yōu)點。但在本設計中會有誤差。本設計采用方案三電阻應變式傳感器是將被測

35、量的力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的原件。由電阻應變片和測量電路兩部分組成。常用的電阻應變片有兩種：電阻應變片和半導體應變片，本設計采用的是電阻應變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導線，線珊上面有覆蓋層，起保護作用18。電阻應變片也有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以在測量時我們一定要注意。其中的溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A:電阻絲溫度系數(shù)引起的。B：電阻絲與被測原件對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的辦法是在被粘貼

36、的基片上采用適當及溫度系數(shù)的自動補償，并從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要由結構設計決定，通過線性補償，也可以得到改善。滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產(chǎn)生機械形變時，它的電阻值相應發(fā)生變化。設有一根電阻絲，如圖所示。它在未受力時的原始電阻值為 式中 :電阻絲的電阻率；電阻絲的長度；電阻絲的面積。電阻絲在外力的作用下，將引起電阻變化，且有令電阻絲的軸向效應為，由材料力學可知，為電阻絲材料

37、的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得通常把單位應變所引起的電阻相對變化稱作電阻線的靈敏系數(shù)，其表達式為從上式可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)由兩部分組成：表示受力后由材料的幾何尺寸變化引起的；表示由材料電阻變化所引起的。對于金屬材料，項的阻值要比小得多，可以忽略，故=。大量實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應變成正比，即=1.73.6。上式可寫成。2.3.3通信方式的選擇方案一：采用有線方式借助雙絞線、同軸電纜等可進行點到點或點到多點的通信方式,其突出優(yōu)點是保密性好、可靠性高、抗干擾性能強但有線通信擴展性能差、布線相當麻煩、成木較高。由于有線通信是把很多線纜埋在地下,時間久了,線路容易腐化或遭到

38、侵蝕,影響通信質(zhì)量。方案二：采用無線方式無線通信是相對有線通信而言的,免去了布線的麻煩,即利用電磁場電磁波在空間中自由傳播的特征,進行信息交換的一種通信方式。無線通信具有成木低廉、擴展性好、適應性好等優(yōu)點。無線通信具有一定的移動性,只需在終端架設天線或連接到電臺即可,無需浪費大量人力物力去架設電線桿或挖溝埋線纜無線通信幾乎不受地理環(huán)境限制,特別是在湖泊、山區(qū)等惡劣環(huán)境中使用非常方便。有廣泛的適應性19。本設計采用方案二2.3.4顯示模塊的選擇方案一：用數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由于顯示速度快，使用簡單，顯示效果簡潔明了而得到了廣泛應用。方案二：用LCD液晶進行顯示。LCD由于其顯示清晰，顯示內(nèi)容豐

39、富、清晰，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應用。對于此系統(tǒng)我們顯示要求是很高的，用LCD顯示充分發(fā)揮出LCD的顯示優(yōu)勢20。由于本設計涉及到較多的參數(shù)需要顯示，所以用數(shù)碼管顯示不足以滿足要求，因此我們選擇了采用LCD1602來作為顯示模塊。LCD1602 它具有體積小、功耗低、使用方便的特點。LCD1602主要技術參數(shù)：顯示容量:162個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm其引腳主要功能為：第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比

40、度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：正極。 第16腳：負極。2.3.5報警模塊的選擇方案一：采用語音芯片提示，優(yōu)點可以自由設定要提

41、示的聲音。缺點使用復雜，需要專門的編程軟件，成本高控制復雜，不便于普及。方案二：采用蜂鳴器提示，電路簡單實用，可靠性高。綜上所述我們選擇使用蜂鳴器來進行報警。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。在本設計中，主要采用電壓式的無源蜂鳴器，由 PNP型三極管驅動的蜂鳴器。無源蜂鳴器的優(yōu)點是：1.價格便宜2.聲音頻率可控，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果3.在一些特例中，可以和LED復用一個控制口2.4本章小節(jié)本章首先介紹了輸液監(jiān)控

42、系統(tǒng)的組成和工作原理，然后逐一對本課題設計所選用的各個模塊進行對比跟分析，以及最終確認了本設計中選用的各個模塊。其中，控制方案的選擇采用STC單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。然后對液滴檢測的方案進行可比較，最終我決定使用壓力傳感器來檢測。通訊方式采用了各方面都占優(yōu)的無線通訊方式。顯示模塊采用了LCD，報警則采用簡單實用的蜂鳴器。第3章 系統(tǒng)硬件電路設計智能輸液監(jiān)控器采用以單片機最小系統(tǒng)為核心的數(shù)組控制系統(tǒng)，主要包括信號采集、按鍵輸入、顯示輸出、控制輸出和無線通訊等。結構圖3-1如下所示。圖3-1 控制器硬件組成結構圖3.1稱重傳感器 稱重傳感器的工作原理：電阻應變式稱重傳感器由電阻應變片、彈性體和檢測電路等

43、幾個主要部分組成。彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，是粘貼在他表面的電阻應變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，他的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號，從而完成了將外力轉變?yōu)殡娦盘柕倪^程21。檢測電路如圖3-2所示.圖3-2檢測電路HX711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片，它的電路圖如下3-3所示。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有

44、控制信號由管腳驅動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連22。通道A 的可編程增益為128 或64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為20mV或40mV。通道B 則為固定的32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。 圖3-3 hx711電路圖3.2鍵盤輸入鍵盤輸入是人機交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要

45、的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設計的好壞，直接關系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性23。鍵盤是由若干個按鍵開關組成，鍵的多少根據(jù)單片機應用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個鍵相當于一個機械開關觸點，當鍵按下時，觸點閉合，當鍵松開時，觸點斷開。單片機接收到按鍵的觸點信號后作相應的功能處理。因此，相對于單片機系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。本系統(tǒng)一共有三個按鍵，第一個復位，即清零，對輸液瓶重新開始計數(shù)。第二個取消報警，當液量過低時，蜂鳴器會開始報警，這時按下第二個按鍵會使蜂鳴器停止鳴叫。第三個按鍵的設置是為了適應不同的輸液瓶，因為患者有可能會進行多次輸液，而且輸液瓶的規(guī)格不一樣，這時候就會用到第三個按鍵。先

46、放一個空的輸液瓶上去，進行去瓶重，然后再放上有滴液的輸液瓶，這樣就可以重新計算液滴的重量。從左到右，一次為第一個、第二個、第三個按鍵，如圖3-4所示。圖3-4 按鍵圖3.3顯示模塊顯示模塊我使用的LCD1602，1602液晶模塊的引腳連線圖3-5所示。其中，第1、2腳為液晶的驅動電源；第三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實現(xiàn)液晶對比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機的P0.5、P0.6、P0.7；數(shù)據(jù)口接在單片機的P2口；BL+、BL-為液晶背光電源24。圖3-5 1602液晶模塊的接線圖3.3報警模塊當輸液完成時,

47、輸液監(jiān)控器能夠發(fā)出聲光報警,同時控制輸液阻斷裝置阻斷輸液軟管停止輸液防止血液回流,提醒輸液患者輸液已經(jīng)完成,與此同時輸液監(jiān)控器還會將輸液完成的信息通過無線的方式發(fā)送給位于醫(yī)生辦公室的監(jiān)控主機并報警提醒醫(yī)護人員前來護理。誤報警會大大增加醫(yī)護人員的工作量,同時也會影響患者的治療過程。由于輸液控制器采集到的數(shù)據(jù)為輸液時的實時滴數(shù),本文判斷輸液是否完成的根據(jù)也是基于實時滴數(shù)來判斷的25。通過實驗發(fā)現(xiàn),在正常的輸液速度下從輸液軟管的滴斗中無液滴滴下到產(chǎn)生回血現(xiàn)象,整個過程時間大約需要11秒。為了保證輸液過程的安全性,如果稱重程序檢測到剩余液量過少,就判定輸液完成。在嵌入式軟件中,通過設定一個專用延時子程

48、序和時間閾值來實現(xiàn)這一設計。將延時子程序的時間閾值精確的設定為6秒,一但6秒記時完成且系統(tǒng)沒有檢測到任何液滴信息,則認為輸液已經(jīng)完成,此時單片機立即控制聲光報警裝置發(fā)出警報同時控制輸液阻斷裝置阻斷輸液軟管停止輸液,并將報警信息無線發(fā)送到監(jiān)控主機通知醫(yī)護人員輸液完成。因為設定兩滴液滴之間的最大時間間隔為6秒。當單片機判定輸液完成時,會控制聲光報警單元發(fā)出報警聲音,提醒輸液患者輸液已經(jīng)完成。其中聲光報警的實現(xiàn)在通過單片機的一個口控制蜂鳴器和發(fā)光二極管來實現(xiàn)的。原理圖如圖3-6所示。圖3-6 聲光報警原理圖3.4斷液模塊輸液完成后,在發(fā)出聲光報警的同時輸液監(jiān)控器最主要的工作是控制輸液阻斷裝置及時的阻

49、止輸液繼續(xù)進行。本設計采用的電機是直流電機，它的主要作用是當輸液結束時，電機正轉，卡緊滴管，以免護士未來得及處理而造成血液回流現(xiàn)象，給病人增加痛苦。電機驅動電路如圖3-7所示。直流電機一般選用L9110來驅動，從電路中可以看出它具有兩個輸入端和兩個輸出端，是兩道芯片，電機直接加在兩輸出端，器電流驅動能力很強，單通道能驅動750800mA持續(xù)電流26。L9110應用非常廣泛，在控制電機運作時也比較安全、可靠。引腳圖如圖3-8所示。圖3-7 電機驅動電路圖3-8 L9110引腳圖圖3-9偏心輪斷液裝置圖3-10 電動機當輸液快要結束時，直流電動機轉動，電動機見圖3-10。但是只有直流電機是不夠的，

50、要想真正的起到阻塞作用，還需要其他器件，本設計選用偏心輪及卡子，偏心輪見圖3-9。卡子的具體作用就是相當于一個當班，而偏心輪的選擇特別重要，偏心輪由電機帶動，當正常輸液時，滴管放在卡子與偏心輪中間，當輸液結束時，電機轉動，偏心輪與卡子緊緊地把滴管夾緊，同時伴隨聲光報警，提醒護士來處理。3.5無線通訊模塊在整個系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的無線傳輸都是通過無線傳輸芯片來實現(xiàn)的。在無線傳輸數(shù)據(jù)的過程中,我們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性有較高的要求。另外由于醫(yī)院中的電磁環(huán)境比較復雜因此要求無線傳輸芯片還必須具備較強的抗干擾能力27。根據(jù)上述對芯片的一此要求,系統(tǒng)選擇了nRF2401作為系統(tǒng)的無線傳送芯片。nRF240

51、1工作模式有四種關機模式、空閑模式、配置模式、收發(fā)模式，如圖3-10所示。工作模式由PWR_UP、CE和CS三個引腳決定表3-1 無線模塊工作模式配置表工作模式CECSPWR_UP關機模式0空閑模式001配置模式011收發(fā)模式101收發(fā)模式有直接收發(fā)模式和ShockBurstTM收發(fā)模式,直接收發(fā)模式時,天線與傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器工作一樣,具有一定的不足。木設計采用ShockBurstTM收發(fā)模式,這種方法有三大優(yōu)點；（1）節(jié)能,利用堆棧區(qū),先入先出節(jié)省資源；（2）系統(tǒng)費用低,低速微控制器就能進行高達1Mbps速率的發(fā)射；（3）抗干擾能力強,數(shù)據(jù)傳輸時間較短,不易受到外界干擾。另外,在此模式下,n

52、RF2401具有CRC校驗碼和自動處理字頭的功能。在發(fā)射時,自動加上相應字頭并進行CRC校驗接收時,能自動去除所加字頭并CRC進行校驗。當發(fā)送完成后,DR引腳電平變化,告知微控制器發(fā)送過程結束。ShockBurstTM發(fā)射流程:所用接口引腳為CE，DATA，CLK1.A. 把CE腳置高電平，無線模塊nRF2401處于收發(fā)工作模式，開始工作；B. 把接收地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按相應時序發(fā)送入無線模塊中；C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401后進行ShockBurstTM發(fā)射；D. Nrf2401開始ShockBurstTM發(fā)射a) 射頻前段通電；b) 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包，自動加字頭，進行CRC

53、校驗；c) 數(shù)據(jù)包高速發(fā)送；d) 發(fā)送結束，CE置低電平，無線模式進入空閑模式。3.6本章小節(jié) 本章首先介紹了以單片機最小系統(tǒng)為核心的數(shù)組控制系統(tǒng)的結構圖，然后分別對稱重傳感器HX711、鍵盤輸入部分、顯示模塊、報警模塊的電路圖進行了介紹。然后又給出斷液的方案，即使用電動機加一個偏心輪的方式實現(xiàn)斷液。最后給出了無線通訊的可行方案。第4章 區(qū)域管理的方案4.1區(qū)域管理上位機管理軟件開發(fā)4.1.1軟件系統(tǒng)設計原則1、標準性和先進性,本系統(tǒng)充分體現(xiàn)了技術的先進性并符合軟件發(fā)展趨勢,采用了目前成熟的、先進的軟件技術和產(chǎn)品,注重關鍵技術的標準性,全系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、可靠性和安全性。2、實用性,輸液監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)開發(fā)以功能齊全、操作簡單、實用方便為開發(fā)基礎。3、開放性,整個監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送結構設計符合國際上大型應用軟件的發(fā)展趨勢,易于后期維護與升級。3、操作簡易性,在開發(fā)該軟件的過程中,堅持“以人為本”的指導思想,努力實現(xiàn)軟件系統(tǒng)具備界面良好、操作簡便、性能良好等特性28。4.2.2上位機軟件開發(fā)環(huán)境介紹本系統(tǒng)采用National Instruments公司的LabWin