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. 2013 屆本科生 畢業(yè) 論文臨床輸液報警器學(xué) 號： 201301015038 姓 名： 溫征德 學(xué) 院： 計算機學(xué)院 指導(dǎo)老師： 占 超 專 業(yè)： 醫(yī)療電子儀器 完成時間： 2017.4.30 學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文 輸液控制裝置 是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨立研究、寫作的成果。論文中所引用他人的以任何方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中以明確方式標明。本聲明的法律結(jié)果由本人獨自承擔(dān)。畢業(yè)論文作者簽名： 溫征德 2017年4月30日摘要本研究課題主要針對目前靜脈輸液裝置普遍結(jié)構(gòu)簡單不利于靜脈輸液這一傳統(tǒng)治療手段發(fā)展提出。設(shè)計一個能夠讓醫(yī)護人員高效率工作的輸液裝置。本文將會對靜脈輸液及靜脈輸液裝置的發(fā)展歷史作出簡單的介紹，本課題系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀。系統(tǒng)設(shè)計需要解決的問題，針對各個問題解決方案的論證與選擇。然后在硬件設(shè)計方案中，簡要地介紹硬件及設(shè)計電路、相關(guān)技術(shù)。在軟件設(shè)計方案中，詳細介紹實現(xiàn)該系統(tǒng)的程序，最后介紹在安裝與調(diào)試階段遇到的問題以及最終的測試結(jié)果。系統(tǒng)實現(xiàn)功能包括：藥液液滴滴速的數(shù)字化采集、滴速的電路控制、危險狀況的自動報警、病人手動報警、液晶顯示輸液實況。本課題具有減輕醫(yī)護工作人員的工作量、簡化工作手續(xù)的現(xiàn)實意義，同時也為輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究填補了部分空白。希望為輸液治療患者提供可靠安全診療條件。關(guān)鍵詞：輸液監(jiān)控、單片機應(yīng)用、紅外檢測技術(shù)AbstractThe aim of this research is to present the intravenous transfusion device generally has the advantages of simple structure is not conducive to the treatment of intravenous infusion of traditional development is put forward. The design of a transfusion device to let the medical staff work efficiency. This paper will be on intravenous infusion and intravenous infusion device development history made simple introduction, research background and development status of the subject system. The design needs to solve the problem of system, demonstration and selection for each solution. Then the hardware design scheme, and briefly introduces the hardware circuit design and related technology. In software design, detailed implementation of the system program, finally introduced in the installation and debugging. The problems and the final test results. The system functions include digital acquisition of liquid drop speed, drop speed control circuit, automatic alarm the risk status of patients, manual alarm, liquid crystal display infusion live. This subject has to reduce staff workload, simplify the working procedures of the practical significance, but also to fill the part of the blank infusion monitoring system. Hope to provide a reliable and secure treatment conditions for infusion therapy patients.Key words: transfusion monitoring, single chip microcomputer application, infrared detection technology引言點滴輸液是如今疾病治療和危急搶救工作中經(jīng)常采用的措施。目前護理工作中采用的傳統(tǒng)輸液設(shè)備，工作原理簡單。一般將輸液瓶或者輸液袋懸于高處掛鉤處利用液體自身重力通過膠管和金屬針頭將藥液倒入病人的血液系統(tǒng)中。由于每個病人出于各種原因?qū)斠旱囊蟛灰粯?，而藥液本身的性質(zhì)對輸液速度也有要求。護理規(guī)范對護士提出要求，控制滴速和對輸液完成時間的預(yù)判。目前的裝置來說控制滴速只能靠軟管夾的機械操作來實現(xiàn)，而輸液完成時間的預(yù)判也只能靠人眼觀察莫氏滴壺中的液滴來判斷。到現(xiàn)在為止還沒有完善的控制系統(tǒng)來避免輸液時瓶中藥液滴完或其他因素導(dǎo)致滴速不正常引起的安全事故，只能依靠有限的人力資源對正在輸液的病人不間斷的觀察。這造成嚴重的無謂消耗，增加工作壓力不利于醫(yī)院良性運轉(zhuǎn)。本課題設(shè)計的裝置將有效解決這個問題。輸液過程中遇到的滴速不正常、藥液滴完以及其他意外的發(fā)生等情況，將通過自動報警系統(tǒng)通知護士，護士得知情況后可以很快找到不正常輸液進程的病人解決問題。而本次研究的裝置框架屬于開放式，它將會運用在其他一些類類似于點滴輸液這樣的需要對液體流速把控的場景。開發(fā)理論思想一致形式多樣的產(chǎn)品，例如藥企藥劑研究試驗中成分液體流量控制。我國與歐美、日本對輸液報警器方向的研究開始時間節(jié)點不一致。輸液技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段光電式輸液檢測階段，也在不斷取得技術(shù)突破。從重力檢測到電級式再到電容式，監(jiān)護系統(tǒng)在可靠性方面大大提高。相比之下較早開始研究本項目的歐美、日本目前在技術(shù)和產(chǎn)品性能方面還是要優(yōu)于國內(nèi)，并且一些國內(nèi)的大型醫(yī)院已經(jīng)在使用。但是由于成本原因還無法在各級別醫(yī)院普及，多數(shù)醫(yī)院在使用輸液手段診療時仍然采用傳統(tǒng)非智能設(shè)備依靠護士實時監(jiān)護以防止醫(yī)療事故發(fā)生。1 項目概述1.1 選題背景1628年，血液循環(huán)被人們發(fā)現(xiàn)，血液的運輸作用成為靜脈輸液這種治療手段的理論基礎(chǔ)。經(jīng)過幾個世紀的發(fā)展，靜脈輸液成為臨床疾病治療與搶救工作的重要手段。作為醫(yī)療器械來說，我們目前普遍使用到的輸液裝置相對來說還是比較原始的，結(jié)構(gòu)過于簡單、功能單一。在智能化深化的時代，傳統(tǒng)的輸液裝置已經(jīng)無法滿足醫(yī)院高效率運轉(zhuǎn)的要求。信息技術(shù)和微電子技術(shù)應(yīng)用的深入影響許多醫(yī)療器械設(shè)備在物理結(jié)構(gòu)及工作原理方面的換代、創(chuàng)新。以x線機為例，早期的x線機在性能方面存在成像不清晰、效率低下等缺點，整體結(jié)構(gòu)也是非常的原始。以受檢者的角度來說，它無法得到有價值的治療參考材料還會有皮膚被燒傷的風(fēng)險。二次傷害影響到受檢者的就診體驗，患者對x線機接受程度低直接影響到x線機的發(fā)展。幸運的是在學(xué)者不斷努力下，新技術(shù)的運用避免x線在醫(yī)學(xué)運用上的遺憾。目前，輸液治療也面臨著同樣的問題，設(shè)備過于簡單、傳統(tǒng)輸液瓶的諸多缺陷不但給醫(yī)護工作者造成繁重的工作，也是醫(yī)患比例嚴重失調(diào)問題解決的一個阻礙?？萍蓟M程改變了人們的生活方式，也為醫(yī)學(xué)監(jiān)護技術(shù)創(chuàng)造了發(fā)展條件?？梢钥隙ǖ氖且粋€完善的輸液監(jiān)護系統(tǒng)不僅是行業(yè)需求更有巨大的市場需求。我國擁有世界是最多的人口，在人均輸液瓶數(shù)上也遠超國際水平。醫(yī)院數(shù)量也是最多的。輸液監(jiān)護系統(tǒng)的研發(fā)具有現(xiàn)實意義。1.2目的及意義選題的目的（1）為了避免輸液過程中由于護理操作不及時產(chǎn)生不良后果，保證輸液病人接受治療時治療情況的實時檢測，保證藥液以最優(yōu)方式輸入病人的血液系統(tǒng)發(fā)揮最佳效果。需要一個解決方案幫助護士高效準確地工作。（2）截至到目前為止，國內(nèi)還沒有一個完善的具有高效控制、低成本、易普及等優(yōu)點的輸液監(jiān)護系統(tǒng)解決方案。輸液監(jiān)護工作主要還是靠醫(yī)護人員親力親為，為我國醫(yī)患比例嚴重失調(diào)問題的解決雪上加霜。（3）靜脈輸液是常用的給藥途徑，靜脈輸液安全關(guān)系到醫(yī)療衛(wèi)生用藥安全。所以必須改進技術(shù)對其過程進行精確有效的把控。選題的意義常規(guī)疾病治療過程中，靜點輸液治療方法采用地越來越普遍了。在通過向血液系統(tǒng)輸液給藥時，不同物理藥理性質(zhì)的藥劑，不同年齡段的患者（包括患者就醫(yī)時的身體狀態(tài)）均有其標準給藥速度。為求患者能夠有盡可能舒適的診療體驗以及治療效果最優(yōu)化。需要嚴格參照護理技術(shù)操作規(guī)范中要求的標準滴速執(zhí)行。本裝置不僅可以解決上述問題還能減輕醫(yī)護人員的工作壓力，確保輸液安全進行。精確控制輸液過程不造成浪費，降低因浪費藥品引起患者不滿進而引發(fā)醫(yī)患矛盾事件的概率。本裝置還具有上手操作簡單人性化設(shè)計的優(yōu)點，制作工藝科技化含量高。能夠滿足各大小醫(yī)院的臨床工作需求并且為其他領(lǐng)域類似難題提供解決思路。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢根據(jù)最新的2017版全球及中國輸液報警器市場專題研究分析與發(fā)展趨勢預(yù)測報告。我國擁有數(shù)量眾多的人口,人均輸液瓶數(shù)也遠超國際水平。龐大的消費群體和政府對醫(yī)療器械發(fā)展的支持使我國醫(yī)療器械發(fā)展迅速。我國的智能型輸液裝置發(fā)展啟動得晚，有許多經(jīng)驗可以向相關(guān)技術(shù)成熟的智能輸液裝置研發(fā)國家借鑒。他們有許多市場份額大、產(chǎn)品性能好的醫(yī)療器械廠商。德國醫(yī)院的住院床位在很早以前就完善了輸液監(jiān)護系統(tǒng)的配備，比如輸液泵這種初代智能型輸液裝置，它已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)準確控制給藥速率以及解決基本阻塞和氣泡混入等問題了。反觀我國全世界醫(yī)院最多的國家也只是一些大醫(yī)院部分配備,很顯然這遠遠無法滿足我國醫(yī)療事業(yè)的需求。并且基本來自國外進口技術(shù)和產(chǎn)品。而日本的設(shè)備廠家研發(fā)的新產(chǎn)品已經(jīng)能夠做到精度10%了，其他國家醫(yī)療器械生產(chǎn)廠商也有許多性能優(yōu)良的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品類型多樣性能也好但是普遍價格昂貴,以我國各醫(yī)療機構(gòu)的財力現(xiàn)狀要想普及引進無疑是望塵莫及。而我們自己的相關(guān)產(chǎn)品又普遍存在技術(shù)落后、性能差、成本高等問題。產(chǎn)品沒有競爭力市場推廣難度極大。由于在護理規(guī)范操作下,輸液阻塞、氣泡混入等情況是可以避免的,因此輸液速度的控制和輸液完成報警是目前普遍關(guān)注的研發(fā)方向?？刹僮餍约跋鄬Ρ阋说膬r格成為產(chǎn)品推廣的關(guān)鍵,工藝不斷完善背景下的單片機性價比優(yōu)越,為平價智能輸液系統(tǒng)的發(fā)展提供了可靠解決方案。我國擁有數(shù)量眾多的人口，而由于種種原因人們的身體素質(zhì)每況愈下。人均輸液瓶數(shù)也遠超國際水平。龐大的消費群體和政府對醫(yī)療器械發(fā)展的支持使我國醫(yī)療器械發(fā)展迅速。根據(jù)衛(wèi)計委發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，我國擁醫(yī)院有2.8萬多家，累計病床數(shù)量約648萬。另外醫(yī)院急救、門診也會有大量的輸液需求。每天都有大量病人需要輸液，輸液報警器的市場需求量相當之大。2 核心技術(shù) 2.1 紅外對管技術(shù)本設(shè)計將會在硬件設(shè)計模塊運用到紅外對管技術(shù)，接下來將會對紅外對管與紅外對管技術(shù)簡要介紹。紅外對管由兩個半導(dǎo)體元器件構(gòu)成，其中紅外發(fā)射管實際上就是常見的發(fā)光二極管，只是在工藝上與普通的發(fā)光二級管有一些不一樣，特殊的物理材料讓它發(fā)出紅外光。其工作機制和物理結(jié)構(gòu)與一般發(fā)光二級管無異。紅外對管的核心也是本設(shè)計在眾多光電開關(guān)技術(shù)中選擇紅外對管技術(shù)的關(guān)鍵，紅外線接收管。紅外線接收管分為兩類：光電二極管、光電三極管，兩者功能都是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，區(qū)別在于輸出外電流的大小。本設(shè)計采用的是光電二極管式的紅外線接收管，其工作原理簡單地說就是光能通過PN結(jié)作用產(chǎn)生定向電子流，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。紅外接收管的關(guān)鍵部件PN結(jié)與一般二極管在結(jié)構(gòu)方面有很大的改變，區(qū)別就在為了實現(xiàn)紅外對管的高靈敏度與可靠性，它的PN結(jié)會做的比電極面積大并且會有小于1um的結(jié)深。這樣做的目的是為了讓接收管有更大的面積接受入射光線。圖2-1圖2-1是紅外對管電路設(shè)計方案。信號發(fā)射部分由可變電阻和定值電阻與紅外發(fā)射管組成簡單的直流發(fā)光二極管驅(qū)動電路，可變電阻實現(xiàn)了改變?nèi)肷涔饩€強度調(diào)整檢測距離的功能。信號接收部分由電子觸發(fā)器和定值電阻與紅外線接收管組成光信號檢測，電信號輸出的處理電路。2.2 單片機技術(shù)單片機是微型計算機應(yīng)用技術(shù)的一個重要分支,它是采用高度電路集成的電子芯片。早在上個世紀單片機就被開發(fā)并應(yīng)用。不同于普通集成電路,單片機的功能不僅限于電路的導(dǎo)通。它可以在一小塊材料上連接實現(xiàn)各種功能的元器件。所以說單片機不僅僅是電子器件的集成更是功能的集成,它把隨機儲存器的數(shù)據(jù)處理功能、只讀儲存器的數(shù)據(jù)存儲功能、多種輸入及輸出功能、模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換功能、晶蕩電路的計時功能、數(shù)字中斷原理的中斷功能集中起來。使其在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)1+12。單片機是電子科技與封裝技術(shù)的產(chǎn)物,也是工業(yè)革命的推手。單片機又被稱為單片微控制器,它簡單的功能部件,而是一個性能優(yōu)越結(jié)構(gòu)完善的計算機系統(tǒng)。它與計算的不同僅僅在于計算機擁有配套的外部設(shè)備而單片機只是簡單設(shè)置了功能齊全的輸入輸出端口。單片機的性能優(yōu)越并且具有明顯的市場優(yōu)勢,它可以讓笨重的功能部件變成小體積輕重量的微器械。概括的講:一片單片機就是一個功能完善的微機系統(tǒng)。本課題將會使用到的單片機型號為STC89C52。STC89C52是眾多性能優(yōu)越單片機中的一種。其搭載的只讀存儲器具有一般只讀存儲器沒有的功能，即型號功能為8K字節(jié)閃存可編程的可擦除EPROM只讀存儲器。EPROM只讀存儲器通過高電壓方式寫入編程資料，數(shù)據(jù)擦除方式也簡單到只須強紫外線照射，可重復(fù)利用。STC89C52低電壓,高性能。該型號單片機采用目前最為先進的電子封裝技術(shù)。兩種工作周期任意選擇 ,指令代碼也可與常用的型號8051單片機完美兼容。 主要特性如下:1. 異步串行口通用,依靠系統(tǒng)軟件設(shè)計可開發(fā)實現(xiàn) 多個UART 功能。2.兼容一般通用 8051 單片機,6 T和 12 T根據(jù)系統(tǒng)性能需要隨意,指令代碼選用。3. 兩種工作電壓可選:5.5伏3.3伏和3.8伏2.0伏。4. 工作頻率范圍為0到40兆赫茲,相當于低版本單片機的 0到80兆赫茲,而STC89C52最高工作頻率可達 48兆赫茲。5. 用戶編程8K 空間flash閃存, 搭載高性能 512 字節(jié) 隨機存儲器。6.32個 通用 輸入輸出端 口 復(fù)位電路作用后:P1/P2/P3/P4 是準雙向口需弱上拉電阻, 漏極開路輸出為端口0,端口0作總線擴展用時,不加上拉電阻,端口0作輸入輸出端口用時,需加上拉電阻。7.工作溫度范圍寬，在工業(yè)領(lǐng)域最低可在零下40攝氏度最高在85攝氏度下正常工作。在商業(yè)運用最低0度最高75度。8.集成了優(yōu)良性能的可擦除只讀存儲器EPROM9.看門狗功能，最新電子封裝技術(shù)10.多定時器集成，多中斷方案設(shè)計。保證可靠性能。STC89C52的引腳圖如圖2-3所示。圖2-3 STC89C52的引腳圖如圖Fig. 2-3 STC89C52 pin diagram 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平觸發(fā)單片機復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的輸入輸出接通，接低電平從外部程序存儲器讀取如指令，接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀取指令。可編程輸入/輸出引腳（32根）STC89C52單片機有4組8位的可編程輸入輸出接口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。P0口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.7構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器封裝在單片機內(nèi)部,放大器的輸出端和輸入端分別為引腳RXD和TXD。時鐘發(fā)生模式可選用內(nèi)部模式和外部模式。內(nèi)部發(fā)生模式時鐘電路如圖2-4（a） 所示,在引腳TXD和RXD上接入定時器件,單片機的內(nèi)部振蕩器就會發(fā)生自激振。蕩振蕩頻率可以通過電容來調(diào)節(jié)，電容選值一般在5皮法到30皮法間，振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率在各因素影響下通常為1.2兆赫茲到12兆赫茲。定時器電路是石英晶體與電容器組并聯(lián)連接方式構(gòu)成的諧振回路。 外部模式時鐘電路如圖2-4(b)所示,振蕩器接引腳TXD,引腳RXD接地。單片機內(nèi)部的時鐘發(fā)生器分頻把晶蕩頻率,產(chǎn)生一個可供STC89C52使用的兩相時鐘的頻率x和頻率y,。 外部振蕩信號則無特別需求,能夠保證振蕩信號脈沖寬度即可,振蕩信號脈沖寬度一般在2.5。圖2-4 時鐘電路圖3 系統(tǒng)方案設(shè)計3.1 系統(tǒng)設(shè)計需要解決的問題在我國，不管是什么級別規(guī)模的醫(yī)院普遍存在不同程度的遺患比例失調(diào)。同時兼顧幾十個病床的輸液患者一直以來都是護士們的工作常態(tài)，如果再考慮到醫(yī)院急救和門診的輸液病人，護理級別的差異，護士的工作會更加地繁重。工作壓力大影響了工作狀態(tài)容易引發(fā)與患者及其家屬之間的矛盾。許多行動不便或高齡老人低齡兒童都會有專人陪同治療，這些輸液病人不僅需要護士重點關(guān)注而且還耽誤陪同人員的工作學(xué)習(xí)。危急情況處理不及時還會造成回血事故。本設(shè)計針對上述實際情況提出以下幾個系統(tǒng)設(shè)計需要解決地問題。(1) 實現(xiàn)滴液速度設(shè)置功能。 (2) 實現(xiàn)醫(yī)護人員換藥提示功能。 (3) 實現(xiàn)回血功能。 (4) 保障整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定及可靠性3.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案輸液監(jiān)護系統(tǒng)功能模塊主要包括：紅外測速模塊、數(shù)碼顯示模塊、鍵盤控制模塊、紅外回血監(jiān)測模塊。其硬件組裝方案如圖3-2所示。 圖3-2使用之前系統(tǒng)會通過電源接通信號自動初始化。工作具體內(nèi)容如下：水位預(yù)警紅外光電開關(guān)實時監(jiān)測輸液容器內(nèi)的水位；紅外線液體滴速測試單元將藥液滴速數(shù)據(jù)通過外部負載方式發(fā)送到單片機；單片機處理來自水位預(yù)警子系統(tǒng)和紅外線液體滴速測試單元的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)出特殊情況警報和信息數(shù)字化顯示。3.2.1 點滴速度測量模塊方案速度測量電路的設(shè)計是本設(shè)計的核心,它是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ),經(jīng)過資料查閱及相關(guān)作品參考后分析整理出以下幾種方案:方案一:反射式的紅外光電傳感器在輸液器莫氏滴壺的一側(cè)放置反射式紅外線光電傳感器,利用紅外線反射原理,接受液滴滴落時反射的紅外線,光信號接收端接收光信號將其轉(zhuǎn)化為電信號,電信號經(jīng)過處理得到滴速數(shù)據(jù)。但這種方案受限于許多不穩(wěn)定因素。液滴不規(guī)則的表面和液滴滴落時與傳感器的信號接收端夾角的精確要求都會影響到反射光信號的檢測。高受限因素和高工藝要求不符合本課題可操作性的宗旨 方案二:對射式紅外光電開關(guān)紅外對射式光電開關(guān)具有體積小,抗震性能強,具備交直流電通用等特性能夠?qū)崿F(xiàn)液滴的穩(wěn)定檢測,十分符合本設(shè)計要求的高精度特性。材料成本也相對較低。工作原理簡單。摒棄反射并接受光信號的方式,采用遮擋紅外光線檢測信號得方式,通過單片機確定滴速。保證信號檢測得的可靠性其功能齊全。方案三：采用紅外線透射式原理，利用液體和空氣對紅外線的吸收差異來進行藥液注射速度的測量。將透明的輸液管卡入紅外對管的空隙中，調(diào)整紅外對管的位置，當輸液管漏斗內(nèi)有液體滴下時，接收管一端接收到的紅外光信號變小，此時輸出呈高阻態(tài)。當輸液管漏斗內(nèi)沒有液體滴下時，接收管一端接收到的紅外光信號增大，輸出阻抗變小。通過這一些列的變化便能測量出藥液的注射速度。利用該方式進行測量，系統(tǒng)功能穩(wěn)定、影響因素少，測量系統(tǒng)功能齊全、體積小，使用方便。經(jīng)考慮決定采用方案三。3.2.2 回血檢測模塊方案造成輸液回血現(xiàn)象的原因主要是輸液壓力小于血管內(nèi)壓力。回血檢測模塊的任務(wù)有兩個：檢測是否發(fā)生回血；檢測輸液器內(nèi)藥液重量。針對上述兩個任務(wù)提出以下兩個方案。方案一：利用測重傳感器解決預(yù)警水位報警問題，其原理是通過測量藥液重量判斷是否需要換藥。針對不同藥劑特性的預(yù)警重量設(shè)置不同的報警值。方案受限因素多，主要包括病人活動造成的傳感器測量失準；輸液器放置不合理影響傳感器測量準確度?？偠灾疁y重傳感器方案優(yōu)點在于安裝簡單物料便宜，缺點包括方法原始可靠度低。方案二：利用紅外檢測技術(shù)用兩部分解決回血報警及藥液重量實時檢測的問題?；匮獔缶糠郑杭t外對管發(fā)射接收。利用血液回流時檢測口血液與藥液對紅外線吸收或遮擋能力的不同,檢測信號反饋到電子報警模塊發(fā)出報警信號。藥液重量實時監(jiān)測部分：在輸液容器正對方向的兩側(cè)使用電容傳感器原理，讓藥液成為電容器兩電極之間的絕緣電介質(zhì)。電容器兩極板與藥液組成一個簡單的電容器，兩極板外接測量電路測量因輸液器內(nèi)藥液液面升降引起的電容器電容量變化。根據(jù)電容量的變化判斷輸液器內(nèi)水位變化。依照不同藥液特性通過極板位置的調(diào)整設(shè)置專有的警戒液位。本方案較輸液報警器研發(fā)初階段提出的測重報警方式可靠性大大提高?？稍O(shè)置的預(yù)警水位體現(xiàn)出本方案的性能優(yōu)越性。上述兩個方案，方案一缺點明顯且無法解決回血報警功能；方案二性能優(yōu)越不僅可以實現(xiàn)回血報警還能實現(xiàn)預(yù)警水位報警。結(jié)合本設(shè)計宗旨考慮選用方案二。3.2.3 數(shù)碼顯示模塊方案 本系統(tǒng)意圖實現(xiàn)信息化監(jiān)控，故需引入數(shù)碼顯示模塊。實現(xiàn)設(shè)定并顯示藥液注射速度上下限的功能。參考單片機運用的其他工業(yè)領(lǐng)域控制裝置的設(shè)計方案，總結(jié)得到兩個方案。方案一：采用液晶顯示屏作為顯示器。液晶顯示屏有以下幾個優(yōu)點：功耗小、節(jié)能，輕巧較薄，美觀。但使用時，液晶顯示屏的程序編程難度與對字符的要求比較大，在使用前需要對其進行單獨的編譯。并且，液晶顯示屏的使用功能多樣化，如果在本裝置上使用會浪費它很多的功能，大材小用。方案二：采用數(shù)碼管作為顯示器。數(shù)碼管具有耗能低、損耗低、工作電壓低、使用壽命長等優(yōu)點，且其工作性能穩(wěn)定，不容易受環(huán)境因素的影響。而且相較于液晶顯示屏，數(shù)碼管的程序編程更簡單，更加符合本課題的設(shè)計要求。數(shù)碼管的功能較為單一，本裝置采用數(shù)碼管作為顯示器不會造成資源浪費，選擇兩位的數(shù)碼管完全可以滿足本設(shè)計的需要。因此，綜合各方面的比較，再結(jié)合本設(shè)計的實際需求，選擇方案二更為妥當。3.2.4 鍵盤模塊方案通過鍵盤控制模塊輸入，本裝置可以實現(xiàn)設(shè)置藥液注射速度的上下限的功能，當實際注射速度超過或低于預(yù)先設(shè)計值時，報警系統(tǒng)便會發(fā)出警告提示，因此可以看出鍵盤電路模塊的方案設(shè)計在本系統(tǒng)中非常重要。鍵盤控制系統(tǒng)在本課題設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)輸入所需數(shù)據(jù)、傳送目標命令的功能，是人工操作、調(diào)節(jié)單片機系統(tǒng)的主要手段。鍵盤設(shè)計模式有兩大類：編碼式鍵盤系統(tǒng)與非編碼式鍵盤系統(tǒng)9。編碼式鍵盤：編碼式鍵盤系統(tǒng)自身帶有可以實現(xiàn)接口主要功能所需要的硬件邏輯電路，通過硬件電路完成必要的按鍵識別任務(wù)。人工每調(diào)節(jié)一次按鍵，鍵盤電路系統(tǒng)可以向單片機自動提供被按鍵的次數(shù)，而且在同一時刻會產(chǎn)生一種脈沖以通知微處理器，該方法具有使按鍵讀數(shù)反彈跳與保護按鍵的功能。編碼式鍵盤使用方便，但由于功能較多、性能完善，其硬件電路的設(shè)計較為復(fù)雜，因此不適用于功能單一、結(jié)構(gòu)簡單的本課題設(shè)計。非編碼式鍵盤：與編碼式鍵盤系統(tǒng)相比，非編碼式鍵盤系統(tǒng)省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硬件電路設(shè)計，其只簡單的提供鍵盤的行列矩陣，鍵碼的輸入與確定等都是交由軟件系統(tǒng)完成的，但這種方式設(shè)計的鍵盤系統(tǒng)在工作時占用CPU的時間便會較多。但由于本課題的設(shè)計功能較為單一，結(jié)構(gòu)簡單，主機任務(wù)較輕，所以非編碼式鍵盤完全可以滿足本設(shè)計的需要。非編碼式鍵盤又有獨立式按鍵結(jié)構(gòu)和矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)兩種。獨立式鍵盤輸入端口多，編程簡單，調(diào)用快捷，每個按鍵都是單獨接到STC89C52單片機的一個I/O口上的，在工作狀態(tài)時不會互相之間有影響。而矩陣式鍵盤是將按鍵分為行與列，按鍵的兩端接在行與列上，通過行列交叉按鍵編碼進行鍵碼識別，原理設(shè)計相對復(fù)雜，所需按鍵數(shù)量較多綜合各方面的考慮，為結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的本設(shè)計選擇獨立式鍵盤是最為合理的方案。3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計方案在硬件方面，系統(tǒng)若需實現(xiàn)目標功能，則需要各個模塊的元器件共同工作運轉(zhuǎn)，互相之間相互協(xié)調(diào)、幫助。對于電子作品的設(shè)計來說，對每個元器件的型號、規(guī)格大小等條件都是有嚴格要求的，不同的元器件所能實現(xiàn)的功能并不一致，且元器件都是微小、敏感的，如果有一電路模塊使用的元器件型號、規(guī)格大小不符，則容易造成其他模塊元器件的損壞。經(jīng)過深入的了解及多次的驗證，現(xiàn)列出以下本課題設(shè)計所用到的主要元器件：STC89C52單片機220電阻 *2LM393芯片 *2103精密電位器（藍）*25mm紅外對管（對）*2102排阻12M晶振10uF電容30P瓷片電容 *20.36寸兩位一體共陰數(shù)碼管蜂鳴器5mmLED *3（2紅1黃）9012三極管按鍵 *310k電阻 *5自鎖開關(guān)2.2k電阻 *2導(dǎo)線若干1k電阻 *2USB電源線（DC接頭+電池盒）表3.3 主要元器件3.3.1紅外對管控制電路信號接收電路由紅外線信號接收管、定值電阻和PNP三極管構(gòu)成，如圖3-1。PNP三級管接收到紅外線信號后，光信號轉(zhuǎn)換到電信號電流形式經(jīng)過三極管完成初步放大，電流流過電阻經(jīng)由外部信號處理電路，得到測量數(shù)據(jù)。由紅外對管技術(shù)介紹可知在沒有藥滴通過紅外發(fā)射管紅外線照射方向時，紅外光線強度不變不會引起接收光電管中電流的變化，反向電壓作用下的反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），也就是暗電流，當藥滴通過紅外發(fā)射管紅外線照射方向時，引起紅外光線強度變化，攜帶能量的紅外線光子將光能傳遞給PN結(jié)中氮磷原子化學(xué)鍵束縛的電子，這些束縛電子的一部分獲取光能掙脫化學(xué)鍵束縛，在三級管種特殊反向電壓驅(qū)動下形成定向電子流，這個小的電子流會經(jīng)過PNP三級管電路放大，放大后的電流介入單片機處理電路。最終藥滴觸發(fā)的信息經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換到單片機邏輯功能處理后得到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在外部承載數(shù)碼顯示器管中顯示出來。紅外對管中紅外發(fā)射管紅外線發(fā)生電路由定值電阻和特殊材料的發(fā)光二極管組成，如圖3-1所示。 圖 3-1 紅外對管控制電路Fig. 3-1 infrared tube control circuit紅外對管工作時會遇到因液體透明導(dǎo)致發(fā)射接收光信號變化不明顯影響到紅外對管靈敏度的情況。具有發(fā)生原因為在沒有液滴通過對管檢測空間范圍內(nèi)時，紅外發(fā)射管發(fā)射出的光線正朝紅外接收管光信號接收區(qū)，信號接收區(qū)接收到的入射紅外線強度較大，有液滴通過對管檢測空間范圍內(nèi)時，紅外光線被下落中的水滴漫射、反射、散射及吸收，信號接收區(qū)接收到的入射紅外線強度減小，這時需要用到施密特觸發(fā)器，接收管轉(zhuǎn)換生成的電信號經(jīng)施密特觸發(fā)器遞送的STC89C52中斷系統(tǒng)處理。有效解決了因液體透明引起低靈敏度問題。依靠這種手段準確無誤探測到藥液的滴落3.3.2蜂鳴器電路及按鍵電路蜂鳴器在電子工程類課程試驗中經(jīng)常用到，可以說已經(jīng)十分熟悉了。它幾乎構(gòu)成所有電子工業(yè)、生活電器、辦公用具的報警發(fā)聲器。一體化結(jié)構(gòu)只需要在外部引腳接入直流電壓即可工作，因其性能優(yōu)良價格便宜廣泛用于各種類型的報警器中。它的工作原理是振動發(fā)聲，依靠磁場使發(fā)聲膜震動，相當于一個小音箱。其工作原理簡單但在工作電流上還是有要求的，過小的電流通過電磁線圈產(chǎn)生的磁場強度不足以驅(qū)動發(fā)聲膜或驅(qū)動發(fā)聲膜的頻率太小不足以產(chǎn)生人耳可以捕獲到的聲音信號。因此在焊接電路時需要再增加PNP三級管來放大電流增強信號，以防止單片極低電平輸出時蜂鳴器罷工。蜂鳴器內(nèi)部電路圖如圖3-4所示。本課題設(shè)計裝置設(shè)有人機交互功能，在以STC89C52構(gòu)成的最小微機控制系統(tǒng)中常采用機械按鍵來實現(xiàn)交互功能。前文在數(shù)碼顯示模塊中簡單介紹了編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，非編碼式鍵盤連接單片機的方式是：一個按鍵對應(yīng)一個輸入輸出端口，其工作原理是按鍵動作經(jīng)由端口電位高低識別。編碼式鍵盤則通過編碼矩陣識別。本裝置經(jīng)過方案對比后選用非編碼式鍵盤非編碼式鍵盤在使用過程中常遇到機械抖動問題，機械抖動就是在按鍵將落未落時產(chǎn)生的電位波動干擾。機械抖動問題是非編碼鍵盤制作工藝上的缺陷，并沒有操作規(guī)范可供參考來解決該問題。機械抖動速度極快發(fā)生在人毫不察覺的時間內(nèi)，但單片機可以敏銳感受其導(dǎo)致的電平波動。機械抖動降低裝置的可靠性必須采取手段來避免這種影響，目前常采用的去抖動方法有工藝改進去抖動和軟件控制去抖動。工藝改進方式要求的技術(shù)很高會直接導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，屬于從根本上消除抖動。軟件控制方式則是通過程序手段來避開抖動，抖動依然會發(fā)生但不會進入單片機處理程序。其原理是將程序查尋到的低電平時延視作干擾電平剔除，干擾電平過后進入正常信號處理程序。單片機與鍵盤的接口圖如圖3-3所示。 圖3-3 單片機與鍵盤的接口圖 圖3-4 蜂鳴器內(nèi)部電路圖本裝置中的蜂鳴器設(shè)置在藥液用完和滴液速度高于或低于預(yù)設(shè)值范圍時發(fā)出報警聲，來達到報警的作用。鍵盤向系統(tǒng)輸入滴液速度預(yù)設(shè)值，操作非常簡單。3.3.3電源供電電路 一個完整的電子設(shè)計能夠正常、有序的工作，必須有一個電源供電模塊為該系統(tǒng)提供動力，穩(wěn)定、可靠的供電電源是系統(tǒng)能平穩(wěn)運行的最基本條件。本設(shè)計使用的51單片機相較于其他系列的單片機，會更容易受到外界因素的干擾而出現(xiàn)程序在實現(xiàn)功能時的不穩(wěn)定性，因此為單片機最小系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定性極高的電源供電模塊是非常必要的。電源供電模塊由電源接口、自鎖開關(guān)、電阻、LED指示燈等元器件組成，再與單片機的VCC引腳相連，從而實現(xiàn)為單片機供電的功能。最小系統(tǒng)的供電電源可以由計算機的USB接口來提供，也可以由充電寶、外接排插等外部穩(wěn)定的5V電源供電。 圖3-5 供電電路圖3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計是從系統(tǒng)性能需求考慮，依據(jù)需求分析階段確定功能設(shè)計軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、劃分功能模塊、確定每個模塊的實現(xiàn)算法以及編寫具體的代碼，形成軟件的具體設(shè)計方案?？刂坪蛥f(xié)調(diào)計算機以及外部設(shè)備，支持應(yīng)用的軟件開發(fā)和運行的重要條件。為保證軟件質(zhì)量給出以下原則。（1）設(shè)計對于分析模型應(yīng)該是可跟蹤的，軟件模塊可能被映射到多個需求上；（2）軟件設(shè)計的一致性；（3）結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須參考系統(tǒng)實際問題；（4）軟件設(shè)計是規(guī)劃而不是程序代碼的撰寫； （5）軟件系統(tǒng)的可靠性。 （6）設(shè)計方案評審保證語義正確性 （7）容易理解 （8）效率性在本課題設(shè)計中主要使用了兩個軟件：Keil uVision4、Protel 99SE。Keil uVision4是由德國Keil公司出品的基于WINDOWS平臺的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，屬于51系列兼容單片機開發(fā)工具類型14。與匯編語言相比，C語言在功能上、可靠性、可讀性、使用方便性上有著明顯的優(yōu)勢，用過匯編語言后再使用Keil uVision4來開發(fā)的話體會會更加深刻。另外非常重要的一點，我們只需對比一下使用Keil C51編譯后生成的匯編代碼，就能感受到該軟件生產(chǎn)目標代碼的效率是非常高的，大部分的語句生成的程序代碼很連貫，容易理解。3.4.1主程序設(shè)計框架開始設(shè)置參數(shù)，顯示數(shù)值注射速度計算函數(shù)數(shù)碼顯示管計數(shù)器初始化初始化結(jié)束判斷按鍵是否按下N YY圖4.3 主程序設(shè)計框圖3.4.2藥液注射速度檢測程序設(shè)計框圖再檢測P3.3=1?即檢測第二滴藥液初始化判斷P3.3=1?即是否有液滴啟動計數(shù)機停止計數(shù)器利用中斷次數(shù)、時間計算出液滴速度NYNY圖4.4 速度檢測程序框圖總結(jié)通過本次的畢業(yè)設(shè)計制作，第一次深刻體會到我們國家醫(yī)療器械發(fā)展的落后。目前我國衛(wèi)生機構(gòu)醫(yī)患比例失調(diào)，護士長期高強度