基于单片机的输液监护器设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的输液监护器设计毕业设计论文
基于单片机的输液监护器设计
前言
目前医院的病人输液时,病人往往由于身体虚弱,昏迷或入睡而无法留意,或者医护人员正在别处忙碌等情况,当输液完毕,若处理不及时,病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内,即所谓“回血”,时间长了甚至还会使扎针处严重肿胀.因此容易引发病人的不满以至投诉和医护人员的无奈。
而且输液速度是护士通过拨动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的,输液速度是护士根据经验大致调整的,这样不仅可能影响预期的治疗效果,而且对于一些对人体器官作用敏感而需要严格控制输液速度的药物,由于个体差异,机体耐受力不同,特别是在手术中,手术后以及病情危重需要严格控制输液速度的病人,会导致病情加重,有的甚至可能会危及生命。
这种因输液异常,输液结束不易被及时发现,就容易出现医疗事故,不仅是病人生命财产的隐患,也是造成医务人员工作量大,工作压力重的重要因素。
至于药液是否停液,滴液的速度是快还是慢等,一般都是在病人没有入睡时或他人帮助下通过各种开关来通知医务人员及时采取措施的。
为了克服传统临床输液中由患者、陪护或医护人员随时观察监视药液余量情况,牵扯精力大、效率低、不利于病区的综合管理的弊端,结合临床实践,利用光电原理和单片机技术研制出一种智能输液监测装置。
这种装置能够实现远距离,多床位,集中分时显示各床位的输液状况,并自动报警,对医疗工作有很大的帮助。
本装置由液滴采集电路、LED显示与键盘控制电路、报警输出电路以及通信装置组成,通过光电开关传感器把液滴信号转换为电脉冲信号,并以电信号的形式传给单片机,经运算,分析,处理后单片机将数据传送给LED显示模块,并能报警,以提醒医护人员进行相应的处理。
1输液监护器的总体设计
1.1系统的构成
该监控系统由主从站两大部分组成,其框图如图1.1:
图1.1主从站结构框图
Fig1.1Blockdiagramofmainstation
1)主站(监控中心)由PC机作为上位机,采用巡回查询的方式与从站进行通信,收集从站的实时信息,并进行显示及报警。
2)从站以AT89C51单片机为中心,完成对某一具体输液控制过程的监控。
这次设计主机和从机的通信采取的是无线通信。
采用nRF905无线通信芯片把主站和多个从站连成一个系统,实现主机与从机的远程通信,即远程控制。
本次设计主要针对从站进行设计。
1.2系统框图及工作原理
系统总体结构框图如图1.2所示
图1.2系统的结构框图
Fig1.2Blockdiagramofsystem
输液监控系统以AT89C51单片机为中心,单片机需要电源电路,复位电路,振荡电路来保证其正常工作。
默认速度设定值为60滴/min,可以通过键盘来修改设定值。
采集装置通过光电开关传感器对速度进行检测,并以电信号的形式传给单片机,经运算,分析,处理后单片机将数据传送给LED显示模块,实现输液速度的显示。
通过对设定值和实际值的比较来控制电动机的正,反转,从而带动输液器上的控制齿轮上升下降,达到控制输液速度的目的。
另外,当采集装置通过光电开关传感器检测到速度值过高或过低时,直接启动声报警装置。
若声报警持续一分钟后无人复位,则由单片机发出信号控制电动机,使输液器上的小齿轮处于无液滴滴出状态,这样可以大大提高输液的安全性。
2输液监护器的设计方案及论证
2.1电动机系统方案的选择
方案一采用单片机和A/D转换构成系统,控制普通电机的步数和旋转方向,可以考虑达林管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电机转速,减小因惯性,速度,步距角过大而引起的调整误差,达到改变点滴高度的要求,缺点是控制信号为模拟信号,需要将单片机输出的序列脉冲转换,延长了控制的时间,并且步距角为
,满足不了控制误差范围为设定值
滴的要求。
方案二用单片机控制步进电机,控制信号为数字信号,不在需要数/模转换;具有快速启/停能力,可在一刹那间实现启动或停止,且步距角降低到
,延时短,定位准确,精度高,可操作性强。
综合考虑题目要求,一方面调节的步长尽可能的小,定位要好;另一方面如果停止信号到来,滑轮能够快速停止。
通过对比,利用步进电机可以自如控制输液器上的手动滑轮,完全满足题目的要求,因此采用方案二。
2.2数据采集方案的选择
数据采集一般可以采用以下几种方案:
方案一.使用发光二极管和光敏三极管组合。
方案二.使用红外发光二极管和接受管组合。
方案三.利用激光。
通过对比,在这次设计中由于是近距离探测,故采用方案二来完成数据采集。
由于红外光波长比可见光长,因此受可见光的影响较小。
同时红外系统还具有以下优点:
尺寸小、质量轻,能有效的抗可见光波段的伪装,对辅助装置要求最少,对人眼无伤害。
当然红外光也有一定的缺点,如大气、潮湿的天气、雾和云对它有衰减作用,所以只适用于室内通信。
在现代生活中,人们为了更方便的使用红外光这种有效的媒质,利用红外光做出了很多器件,发射式光电检测器就是其中的一种器件,它具体积小、灵敏度高、线性好等特点,外围电路简单,安装起来方便,电源要求不高。
用它作为近距离传感器是最理想的,电路设计简单、性能稳定可靠。
2.3键盘方案的选择
方案一采用矩阵式键盘,此类键盘采用矩阵式行列扫描方式,优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目,缺点为电路复杂且会加大编程难度。
方案二采用独立式按键电路,每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响,此类键盘采用端口直接扫描方式。
缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多,优点为电路设计简单,且编程极其容易。
综合考虑两种方案及题目要求,方案二需要3个I/O口,由于系统资源足够用,故采用方案二。
2.4点滴速度计算方案选择
在一定时间内点滴的滴数(即点滴的速度)是单片机通过红外传感器测得的脉冲信号计数获得的,但怎样计算点滴速度以满足在3分钟内实现电机对点滴速度的控制是必须考虑的问题
方案一根据一定时间T(如30秒)内滴下的点滴的滴数n计算点滴的速,计算公式为:
(滴/分)。
根据此方案,若选取的计数时间T较短,以10秒为例,如检测系统误差为1滴,则算得的速度误差为6滴,此时假设点滴的实际速度为30滴/分,而计算速度为36滴/分,误差为30%,大于题目要求的误差范围10%
1滴。
若选取的时间计数T较长,则系统达到稳定的时间太长。
方案二根据一定滴数N滴下所经过的时间t计算点滴的速度,计算公式为
(滴/分)。
此方案的误差与系统计算的时间精度有关,通过调整计算的时间精度可以改进计算误差,达到题目所要求的误差范围。
通过比较论证,作者选用方案二。
2.5传输方式的选择
要达到集中控制的目的,就要考虑传输方式的问题。
单片机和监控电脑的连接有以下两种方案:
方案一:
采用USB接口,USB接口属于有线传输方式,数据传输的可靠性高,但不便于扩展。
方案二:
采用无线通信方式。
无线通信便于扩展,使用更便利,适用于大容量的情况。
通过比较,考虑到医用输液器的情况的流动性,有时病人可能选择在户外进行治疗,因此这里选用了nRF905多段单片高速无线收发芯片。
这样监控电脑就能检测并设定输液器的输液速度,实现远距离控制。
并且在医院很大,需要扩展时,可以方便的进行扩展。
3输液监护器的硬件设计
系统总电路图如图3.1
图3.1系统的电路图
Fig3.1Circuitdiagramofsystem
输液监护器以AT89C51单片机为核心,由显示电路、传感器检测电路、限速报警电路,键盘电路等部分组成。
传感器检测电路发出微弱的电信号,经过信号调理电路的放大整形处理,转变成单片机能够接收的电信号,通过单片机的定时计数控制,经过数据的计算处理送液晶显示模块显示,实时显示当前速度。
通过按键选择功能设定液体点滴速度的极限速度,当液体点滴速度超过所设定的极限速度时限速报警电路发出报警信号,提示医护人员目前的输液状况异常。
3.1单片机的选用
3.1.1现有主流单片机的概述
MCS—51系列单片机是INTEL公司在20世纪80年代初研制的,很快就在全世界得到广泛的推广应用。
MCS—51无论是在教学,工业控制,仪器仪表,信息通信,还是在交通,航运,家用电器领域,都取得大量的应用成果。
INTEL公司虽然已经把精力集中在计算机的CPU生产上,但是,以MCS—51技术核心为主导的微控制器技术以被ATMEL,PHILIPS等公司继承,并在原有的基础上又进行了新的开发,从而产生了和MCS—51兼容而功能更加强劲的控制器系列。
ATMEL公司所生产的89系列单片机就是基于INTEL公司的MCS—51系列而研制的并与MCS—51兼容的微控制器系列。
ATMEL公司是美国在20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司,该公司的技术优势在于FLASH存储器技术和高质量高可靠性的生产技术。
随着业务的发展。
20世纪90年代,ATMEL成为全球最大的EEPROM供应商,1994年为了介入单片机市场,ATMEL公司以EEPROM技术与INTEL的80C31单片机核心技术进行交换,从而取得80C31核的使用权。
ATMEL把自身先进的FLASH存储技术和80C31核相结合,从而生产出了FLASH单片机AT89C51系列。
这是一种内部含有FLASH存储器的特殊单片机。
由于它内部含有大量的FLASH存储器,所以,在产品开发及生产便携式产品,手提式仪器等方面有着十分广泛的应用,也是目前取代传统的MCS—51系列单片机的主流单片机之一。
3.1.2单片机的选用
单片机作为系统的主控制单元,它控制所有的输入输出。
监控系统是一个单片机最小应用系统,系统中有一些功能无法集成到芯片内部,如晶振,复位电路等,需在片外加相应的辅助电路。
对于片内无ROM的单片机,还应该配置片外程序存储器。
这里选用的是ATMEL公司的AT89C2051和AT89C51,都带内置ROM,只需加电源,震荡电路,复位电路等。
单片机最小应用系统如图3.2所示
图3.2单片机最小应用系统
Fig3.2SmallestapplicationsystemofMCU
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的单片机,其指令集和传统的51单片机指令集是一样的。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1AT89C51主要性能:
(1)与MCS-51兼容
(2)4K字节可编程FLASH存储器(寿命:
1000写/擦循环)
(3)全静态工作:
0Hz-24KHz
(4)三级程序存储器保密锁定
(5)128*8位内部RAM
(6)32条可编程I/O线
(7)两个16位定时器/计数器
(8) 6个中断源
(9)可编程串行通道
(10)低功耗的闲置和掉电模式
(11)片内振荡器和时钟电路
2AT89C51管脚图:
AT89C51管脚图如图3.3
图3.3AT89C51管脚图
Fig3.3PinstructurechartofAT89C51
3AT89C51引脚功能
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
4芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止
3.1.3单片机I/O口管脚分配
由单片机外部接线可知,I/O口管脚分配情况如下:
P1.0与报警装置相连,当输液出现异常或报警键被按下时,P1.0口会有一个高电平,驱动报警装置。
P1.1是加健按钮的输入,当检测到加键被按下,P1.1输入一个低电平,设定值加一。
P1.2是减健按钮的输入,当检测到减键被按下,P1.2输入一个低电平,设定值加一。
P1.3是加健按钮的输入,当检测报警键被按下,P1.3输入一个低电平,给P1.0一个高电平,触发报警装置。
P1.4—P1.6为步进电动机的脉冲输入端,通过轮流置一来控制电动机的旋转和转向。
P1.7为数据采集端口,当有脉冲经过时,就会给P1.7一个高电平信号,从而进行脉冲计数,计算流速。
P3口是与上位机的通信端口
P0.0—P0.5是显示器的位控制端口
P2.0—P2.3是显示数据的输出口
3.2执行机构
本设计的执行机构采用的是步进电机。
单片机控制步进电动机,主要任务是:
按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制。
每输入一个脉冲电机沿选择方向前进一步,每前进一步电机转动一个固定角度。
从这个意义上讲,电机也是一个数字/角度转换器。
3.2.1步进电动机概述
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置,是一种特殊的电动机。
一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
在电动机定子上有A、B、C三对磁极,磁极上绕有线圈,分别称之为A相、B相和C相,而转子则是一个带齿的铁心,这种步进电动机称之为三相步进电动机。
如果在线圈中通以直流电,就会产生磁场,当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电,则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。
定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。
这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电,步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。
如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序,则步进电动机将按顺时针方向旋转,所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。
为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电动机。
步进电动机最大的生产国是日本,如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等,特别是日本东方公司,无论是电动机性能和外观质量,还是生产手段,都堪称是世界上最好的。
现在日本步进电动机年产量(含国外独资公司)近2亿台。
德国也是世界上步进电动机生产大国。
德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后,推出了新的三相混合式步进电动机系列,为定子6极转子50齿结构,配套电流型驱动器,每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000,它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率,还可以在此基础上再10细分,分辨率提高10倍,这是一种很好的方案,充分运用了电流型驱动技术的功能,让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。
3.2.2步进电机控制原理
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下:
(1)控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如:
三相步进电机的三拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,A相的通断。
(2)控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
表3.1步进电机控制原理
Table3.1Controlprincipleofstepmotor
方式
步序
控制位
通电绕组
控制字
三
相
单
三
拍
式
1步
2步
3步
P1.6P1.5P1.4
C相B相A相
001
010
100
A相
B相
C相
01H
02H
03H
根据上表,单三拍相序为A—>B—>C—>A时电机正转,反之A<—B<—C<—A则电机反转。
本题设计的关键是控制电机的旋转方向和步数,把调节的最小绝对误差控制在预置数M×10%±1滴
图3.4步进电动机控制电路图
Fig3.4Circuitdiagramofstepmotor’scontrol
3.3数据采集模块及工作原理
采集部分采用红外传感技术实现对滴斗中点滴的检测,电路如图3.5所示。
比较器LM311的门限电压为可调电压,可提供0.8V——5V的电压,以适应不同环境。
当无点滴经过红外传感器感应区时,接收管导通,Vi输出低电平,低于比较器的门限电压V-,V1输出低电平。
当点滴经过感应区时,红外发射管发出的光线在一个短暂的时间内被阻挡,接收管出现一个短暂的截止,Vi输出电平产生一个上升沿,高于比较器的门限电压V-,比较器输出一个高电平脉冲给单片机,触发单片机计数,达到了单位时间内计数的目的。
图3.5数据采集装置
Fig3.5Dataacquisitioninstallment
发光二极管发射的光束经过茂菲氏管的液滴滴落线投射到光敏三极管的感光面,结构图如3.6所示,在没有液滴滴落时,光敏三极管接收到的光照度最大,产生的光生电流也最大;当有液滴滴落时,由于液滴的光学特性,使光束发散,投射到光敏三极管上的光照度将下降,从而使光敏管光生的电流下降,由于不同类型的药液(透明、半透明和不透明)液滴的光学特性不同,形成如图3.7所示的不同幅度的负脉冲,只要检测光电三极管的输出电流脉冲,就可以探测出有无液滴的通过。
图3.6采集装置结构图
Fig3.6Blockdiagramofdataacquisitioninstallment
图3.7数据采集装置输出波形
Fig3.7Outputwaveshape
3.3.1红外发光二极管和光敏三极管
光电传感器由发光源和受光器两部分组成。
发光源常用砷化镓红外发光二极管,发光源引出的管脚为输入端。
常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。
受光器引出的管脚为输出端。
光耦合器利用电---光----电两次转换的原理,通过光进行输入与输出之间的耦合。
3.3.2红外发光二极管主要参数
砷化镓红外发光二极管主要用于光电输入机及光电读出装置的光源,光电控制以及光电耦合的红外光源,采用环氧树脂全包封,下表列出了砷化镓红外发光二极管的主要性能参数,根据性能参数进行液体点滴速度检测电路的设计。
表3.2红外发光二极管主要参数
Table3.2Mainparameterofdiode
HG313S参数
数值
HG313S参数
数值
最大功率(mw)
75
发射功率(mw)
>2
最大正向电流(mA)
50
发光峰值波长(nm)
940
正向压降(v)
≤1.5
半峰宽度(A)
≤400
反向电流(uA)
≤50
结电容(pf)
≤100
反向耐压(v)
≥5
截止频率(mHZ)
≥1
3.3.3光敏三极管的主要参数
硅光敏三极管用于近红外光探测器,以及光耦合,特性识别,过程控制等方面。
用陶瓷底座环氧封装,下表列出了硅光敏三极管的主要性能参数,根据性能参数进行液体点滴速度检测电路的设计。
表3.3光敏三极管的主要参数
Table3.3Mainparameteroftriode
参数
符号
额定值
工作温度(℃)
Topr
-65~+125
存储温度(℃)
Tstg
-65~+150
集射极击穿电压(v)
Vceo
45
集电极基极击穿电压(v)
Vcbo
45
发射极基极击穿电压(v)
Vebo
5
功率损耗(mW)
Pd
300
集电极电流(mA)
Ic
1.0
饱和电压(v)
Vce
0.4
峰值波长(nm)
λ
940
开启时间(µs)
Ton
8
切断时间(µs)
Toff
7
3.4电源模块
监控系统采用电池供电,可满足室内走动的需要。
为保证输
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