基于单片机的医疗点滴输液控制系统设计.docx
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基于单片机的医疗点滴输液控制系统设计
基于单片机的医疗点滴输液控制系统设计
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研究方向:
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摘要
随着科技的发展,越来越多的领域需要对流体量或流速进行精确控制。
尤其现代医疗领域对静脉输液流速和护理的要的流求越来越高目前,我国的医疗机构进行点滴注射时,大都采用传统的人工监护手动控制的方法,由于医护人员少病人多,容易因监控处理不及时而引发的医疗事故.由此可见对类似于这些治疗过程采用自动化监控和管理势在必行..本装置就是采用89C51控制步进式电机挤压输液管控制液体点滴速度,并采用红外线光电传感器检测点滴速度,具有反应快,灵敏度高的优点。
并详细介绍了单片机组成的电机控制系统,以及通过BC7281芯片完成键盘和现实电路的设计。
该系统还可以通过RS-485芯片与上位机组成主从控制网络,实现统一控制。
并具有输液和报警等功能,使用灵活方便。
关键词:
89C51步进式电机红外线传感器BC7281RS-485
Abstract
Alongwiththetechnologicaldevelopment,moreandmorerealmsneeddischargeorcurrentvelocitiesoftheconvectionproceedprecisioncontrol,Theparticularlymodernmedicaltreatmentrealmlosestheliquidcurrentvelocitytotheveintowantwiththenursingofflowtobegmoreandmorehigh.Atpresent,China'smedicalinstitutionstodripinjection,themostGuardianshipofthetraditionalmanualmethodofmanualcontrol,asaresultofhealthcareLessstaffandmorepatients,easytodealwithduetomonitortimelyandtriggeredMedicalmalpractice.ItcanbeseenonthecourseoftreatmentsimilartothoseusedAutomatedmonitoringandmanagementisimperative.Thisdeviceistoadoptsa89C51senterthetypeelectricalengineeringsqueezetolosetheliquidcontrolsystemliquidintravenousdropspeed.Combiningtheadoptioninfraredraylightfaxfeelsmachineexaminationintravenousdropspeed,respondquick,thesensitivityisgood.Combinedetailedintroducingthesingleelectricalengineeringcontrolsystemthatamachineconstitute,andpasstoexpandBC7281designforcompletingkeyboardwithrealisticelectriccircuits.ThatsystemcanalsopassthesliceofRS-485constituteswithplaceofhonormachinethelordfromthecontrolnetwork,realizestounifythecontrol.Combinetohavetheliquidofloseoverthefriendlybubblereportstothepolicetowaitthefunction,usingthevividconvenience.
Keywords:
89C51sthetypeofsteppingthesensorBC7281RS-485
第一章绪论
随着我国医疗事业的发展和计算机的普及与提高,计算机控制技术越来越多地应用于各行各业中,传统的医疗护理方式已经不能满足医护人员和患者的需求了。
在这种背景下,医疗护理智能化的开发势在必行,医院病区护理智能化监控系统应运而生了。
1.1计算机控制系统概述
算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。
上世纪90年代中期,经典的控制理论己经发展成熟和完备,并在不少工程技术领域中得到了成功的应用。
但是,经典的控制理论也有明显的局限性,在设计具有复杂控制规律的系统时,很难满足设计者对控制精度、控制时间等的更高要求。
现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础,而计算机技术的发展为复杂控制规律的实现提供了非常有效的手段,两者的结合极大地推动了自动控制技术的发展。
图1.1连续控制系统的典型结构
连续控制系统的典型结构如图1.1所示,系统中各处的信号均为连续信号。
在图1.1中,给定位与反馈值经过比较器比较产生偏差,控制器对偏差进行调节计算,产生控制信号驱动执行机构,从而使偏差趋近于零,被控参数的值达到期望值。
将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现,就组成了一个典型的计算机控制系统,其基本框图如图1.2所示。
如果计算机是微型计算机,就组成微型计算机控制系统。
在计算机控制系统中,计算机的输入和输出信号都是数字信号,而被控对象的被控参数一般都是模拟量,执行器的输入信号也大都是模拟量,因此,需要有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器,以及将数字信号转换为模拟信号的D/A转换器。
图1.2计算机控制系统基本框图
计算机在医疗事业中,不仅能用一于诊治,也能用于管理监控,计算机管理系统可以及时、全面、准确地提供患者的全部历史资料。
过去患者到医院看病,先要挂号,等护士将病历从案库中取出,交到大夫手中,大夫才能进行诊断,而科学的病历管理系统就要使这些变成历史了。
大夫可以方便地通过计算机网络,调阅病例和资料。
电脑进入医院,为医院带来了高效率,使医疗诊断与服务水平大为提高。
今后人们去看病,将免去各种排队办手续的痛苦,花费最少的时间便可得到医疗服务。
1.2智能化输液系统的展望
世纪之交最具代表性的前沿科学当属生命科学和信息科学,21世纪将是两大科学高速、同步、相互渗透和协调发展的世纪。
它们的发展势必影响到各个学科领域与人类生活的方方面面。
反映在医用电子领域方面,将是生物技术与现代电子工程技术以及计算机技术的更加紧密结合,诊疗设备的高度数字化、信息化、网络化。
反映在临床应用上,设备将具备更强的信息综合分析处理能力、更高的智能化工作程度、并能通过网络化、系统化使诊断、监护、治疗相结合,发挥出最佳效能。
1.二十一世纪的医用电子技术
现代医疗器械是现代科学技术高度发展的产物,是综合了诸多先进技术的跨学科技术设备。
目前,最具代表性的技术是:
数字医学影像技术;物理外科手术技术;生理参数检测及监护技术;医学信息网络技术等医用电子技术。
2.医院护理智能化展望
展望新世纪医院智能化技术将在医学诊断、手术、监护、康复等方面获得更大发展。
美国FDA专家预测未来十年以下6个方面将有较大发展:
包括计算机辅助诊断、智能机器人、网络等在内的计算机技术;分子医学;家庭保健;微创方法;器械与药物结合的产品;人工器官移植与辅助装置及组织工程组件。
总趋势是向器械智能化、简易化;家庭保健;生物、物理、工程设计领域交叉融合;提高临床诊断精确性方向发展。
随着科学技术进步、新的物理、化学方法和工程技术不断被应用于医学,医疗护理智能化水平必将越来越高,将成为代表一个国家科技进步和国民经济现代化水平的、具有高增长率、聚集了大量高新技术的产业,并被誉为朝阳产业。
1.3智能化输液系统的发展状况
1.国外产业发展状况
早在60年代计算机技术就进入了美国、英国、日本等国家医院,并承担医院经济、医院管理、急救医疗等领域的信息管理工作,并形成了一门新的、生命力很强的学科。
进入90年代,各种表征人体指标的测量仪器应运而生,电动护理床和病床呼叫系统也开始在医疗护理中暂露头角,这其中当属日本生产的多功能电动遥控护理床,它采用世界领先科技成果,在九十年代中期开发成功,畅销日本及欧美等发达国家,深受消费者喜爱,被誉为医疗及家庭护理领域的一场革命。
医院护理智能化监控系统作为医院智能化的一个重要部分,在国外早已引起了人们的关注,并且作了大量的研究与开发工作。
先后开发出了病床呼叫系统、医疗护理床、心电监护仪、输液泵、重症监护室等一系列高科技护理仪器。
由于欧美国家研制生产医用通讯和护理信息智能化管理系统的历史较长,不仅有先进的电子设备为基础,亦投入大量的资金,丰富临床应用技术,积累了许多临床测量方法及理论。
其产品具有技术先进、测量准确、功能强大、抗干扰能力强、性能稳定、外形设计合理等优点。
所以,我国目前进口医用通讯和护理信息智能化管理系统占很大的比重。
但由于国外产品价格昂贵、操作界面不合国情、易损坏且更换不便等一些不利因素,限制了其在国内的普及。
近两年,国外大部分病床都配备了输液泵,输液泵已作为医院急救、治疗及护理方面的常规设备。
在医院中用于静脉、动脉输液,血液、造影剂注入及癌症病人的药物化疗等。
早期的输液泵都是简单的机械式输液泵;目前的输液泵大部分为电脑控制式输液泵。
如德国凯撒医用电子有限公司生产的单通道输液泵和双通道输液泵,日本生产的TOP一2200型输液泵,美国艾力斯(ALA甩S)公司生产的ALARISImedGemini型输液泵,如图1.3所示。
这些产品都以其小巧的机身、卓越的性能而见长。
但由于其昂贵的价格(平均售价2万元左右),使国内中、小型医院望尘莫及,仅仅在大型医院的儿科、ICU、CCU病房及手术室使用。
2.我国医疗护理状况
静脉输液是临床常用的重要治疗手段,检测患者的体温、心率、血压及监控输液是医院护理工作的主要内容。
目前,护理工作大都采用传统的人工监护手动检测控制的方法,每天护士定时到病房去查测每个患者的输液情况、血压、心率、体温,手工记录并绘制血压、心率、体温等变化曲线;进行输液注射时,大都采用传统的人工监护手动控制的方法,其输液速度是护士通过调节输液器上的手动滑轮来控制。
存在的问题:
(1)医务人员工作量大、工作压力重;
(2)医护人员和患者频繁接触,容易造成交叉感染;
(3)凭观察和经验对滴速进行调节,因此当患者的个体差异和机体耐受力不同时,可能会出现具有相同病症的患者,由不同的医疗人员进行监护时的效果及患者的感觉不一样;
(4)对于在手术中、手术后以及病情危重需要严格控制输液速度的人群,输液速度不当会导致病情加重、有的甚至危及生命;
(5)输液异常、输液结束也不易被及时发现;
(6)患者与陪护人员的心理压力大;
(7)对测量结果进行汇总、查询、分析比较繁杂,同时患者在出现特殊情况
时,由于不能及时反馈,可能会造成治疗时机的延误。
随着社会生产力和医学科学的发展,人们逐渐认识到社会因素、环境因素、心理因素及生活方式对身心健康和疾病的影响。
医学模式的转变使护理工作也从以“疾病”为中心转向以“人”为中心的护理模式。
信息时代的到来把医院智能化提上了日程,它要求病区内既有语音通讯又有数据处理、监控和图像传输等功能。
随着科技的提高,国产的和国内组装国外厂家及合资的医用通讯和护理管理系统己逐渐进入国内大中型医院,如呼叫系统、心电监护仪、重症监护室等。
自一九九四年国产第一台输液泵在中科院力学所北京科力丰高科技发展有限责任公司诞生以来,经过十几年的生产实践,产品的质量得到不断稳定,如图1.4所示。
尤其是价格比进口产品低廉(平均售价1.3万元左右),拉开了国内医院争相购买的局面,北京等较发达城市的大型医院均己配有输液泵。
但由于无法摆脱其产品价格昂贵、功能单一的缺点,使中、小型医院的普及率很低。
就国内而言,利用单片机开发的护理智能化产品功能单一、集成度差,如呼叫系统只是实现了应急呼叫这一简单功能。
未能实现病床输液点滴速度的自动检测及远程监控,尤其是将输液点滴速度的检测和自动控制、呼叫、异常情况报警、语音通讯以及同病区护理数据库结合在一起的护理智能化计算机监控系统,国内外尚未见文献报道。
随着计算机技术和网络化管理的发展,时代呼唤我们研制一套功能齐全、使用面广、价格低廉的医院护理新设备。
1.4课题来源及意义
近年来随着国民经济的高速增长和科学技术的飞速发展,计算机在信息技术革命中所发挥的作用愈来愈大。
计算机的高速运算、智能控制、数据处理、多媒体技术等功能已广泛应用在航天航空、工业、商业、银行、统计、设计、办公自动化等领域,尤其是应用计算机软硬件设计的可视化监控系统更是受到人们的青睐。
医院病区护理智能化监控系统主要是针对国内外该领域的研究现状,立足于我国实际情况,应用计算机技术、测控技术及通讯技术实现了对医院病区护理工作的智能化管理。
本系统以“患者为中心”,医护人员可以通过该系统实时提取患者相关信息,根据患者的病情需求设定护理参数,从而充分发挥个性化护理特点,减轻医院护理人员的劳动强度,提高工作效率,医疗临床操作过程也更加规范化,从而使医院护理工作迈上一个新台阶。
同时,随着时代的发展和竞争的日益激烈,产品的价格以及可靠性成为了产品成功与否的关键筹码。
以往在医院护理设备中,或者在软件或者在硬件等方面,多少都得引进国外的产品,这无疑增加仪器的投资。
本设计拟在满足医院护理基本要求的情况下尽量采用国产件,这将对我国民族医疗事业的发展,提高医院自动化水平和管理水平,具有极其重要的社会意义和现实意义。
因此,本课题的研究与开发具有较高的实用价值。
1.5本课题解决的主要问题
本文密切结合医院护理智能化的要求,以现行使用的输液装置为研究对象。
本课题解决的主要问题如下:
(1)以单片机AT89C51为核心,辅以必要的外部电路,实现了点滴速度的监测和控制;并实现液位报警监测及异常报警。
这一问题包括四方面的内容,即滴速、液位检测,滴速控制和异常报警。
通过对检测方案和控制方案选择,采用光电传感技术检测滴速、液位。
当下位机检测到的实时点滴速度与设定值有偏差时,则采用在线自调整智能模糊控制算法,得到步进电机的步进数,从而控制电机正转或反转,使输液瓶升高或降低,实现点滴速度的快慢调节,达到设定值。
当输液瓶液位高度降到警戒值(2~3cm)时,液位传感器发出中断请求信号,下位机立即声光报警,并向上位机发送报警信号。
如何提高系统的动、静态品质,提高控制精度是本课题的一个难点,并由此探讨在线自整定PID模糊控制算法在本装置中的应用。
(2)设计键盘和显示电路,通过按键实现功能检测选择、滴速设定以及异常报警,实时显示测量出来的滴速、血压、心率、体温等数据。
(3)采用上、下位机结构,利用RS485总线实现微机和多个单片机之间的串行通信,实现一个主机对犯个从机的通信。
上位机使用LabVIEW开发语言同时建立友好的用户界面,便于医生护士操作。
第二章方案论证
计算机在控制领域的应用,有力的推动了自动控制技术的发展,扩大了控制技术在医院智能化中的应用范围,使日常护理工作发生了较大变化。
本文针对医院病区护理的特点设计了一套行之有效的检测控制方案。
2.1系统设计要求
该系统来源于实际,应用于临床,要求捡测数据准确,控制精度高,并具有较强的抗干扰性。
概括来讲,对智能化液滴系统的要求包括以下几个方面。
1.实时性
输液监护是实时系统,所以对检测控制系统第一个要求是具有实时性,即能够在较短的时间间隔内对系统进行检测、控制、显示和处理。
2准确性
在住院护理过程中,需要对输液过程中的液滴速度、患者血压、心率、体温等进行准确测量,并能对滴速进行较精确控制,这样才能保证系统的可靠性和实用性。
3.抗干扰性
测控系统必须根据医院护理的具体环境来设计,应保证系统在日光灯等外界因素影响下不受干扰。
4.灵活性和通用性
一个好的控制系统,不仅要针对性强,而且要有一定的灵活性、通用性,能适应不同系统的要求。
为此,采用模块化结构,尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序,然后将具有一定功能的子程序进行有机组合。
5.可靠性
在计算机控制系统中,系统的可靠性是至关重要的,只有系统可靠性高才能保证系统的正常运行。
这一方面要求系统的硬件具有较高的可靠性,另一方面系统的软件的可靠性也是非常重要的。
为此,需设计一个诊断程序,使其对系统的硬件及软件能够进行检测,一旦发生错误就及时处理。
2.2方案比较
Ø点滴速度的检测
采用在漏斗处检测点滴速度,并记录在一段时间内滴下的液滴数量的办法测速。
这样,关键是要对落下的液滴准确计数。
考虑到液体可能为无色透明,我们考虑了以下几种方案。
方案一:
采用压力传感器来实现。
在输液瓶下加一压力传感器,通过感知其压力大小来判断是否有液滴落下。
方案二:
采用液位传感器来检测。
将一液位传感器置于输液瓶中,根据液位传感器感受到的液位起伏来检测是否有点滴落下。
方案三:
利用红外管发出红外光,受到莫菲氏管内液滴的阻挡,变成断续的液滴信号,红外受光管将受到的断续得信号整形、放大成脉冲信号。
这个信号经接口电路送入微机处理器,处理器根据原设定的医学要求进行数据处理,并送往输出接口电路,再由电机驱动电路驱动直流电机,直流电机带动气泵往药液瓶内送气,使瓶内产生一定的压力,以控制液滴的滴注速度,使之达到临床输液要求。
图2.2液滴检测示意图
方案三:
采用红外检测技术,在滴斗处对输液速度进行测量,如图2.3所示。
红外发光二极管发出红外光,光线透过输液管照射到光电三极管,光电三极管将接收到的光信号转换成电流输出。
当滴斗中没有液滴通过时,光线衰减小,光电三极管输出比较强的光电流。
当滴斗中有液滴通过时,由于液滴对光线吸收和散射作用,照射到光电三极管的光信号比较弱,它输出比较弱的光电流。
通过检测光电三极管的输出电流,就可以探测出有无液滴通过。
方案四:
采用光纤传感器,将光纤传感器固定于滴斗外侧。
当有液滴滴下时,光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动,而判定有无液滴落下。
综合考事上述各种方案,液滴的质量约为0.05g,目前精度较高的压力传感器其灵敏度仅0.1g,故此方案目前无法检测。
方案二将传感器置于液体中,容易造成交叉传染或传感器材质与液体发生反应,故不可取,同时由于相邻两次液位差距很小,会引起较大的测量误差。
方案四采用光纤传感器,测量精度较高,但是光纤传感器的成本很高。
方案三使用红外对管来检测点滴速度,成本低,电路易实现,且不受可见光的干扰,稳定性好,因此采用方案三。
测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。
Ø液位报警检测
系统要求当瓶内液面降到2~3cm时,能发出报警信号。
这里的关键是如何检测到液面高度,可采用以下几种方案。
方案一:
同点滴检测模块,采用红外对管实现。
让红外发射和接收管正对放置在瓶子两边。
根据接收信号强弱不同,用触发器或比较器处理,可得到水位到达临界线时会引起较大的电信号差异,由此判断水位到达警戒线,单片机发出报警信号。
方案二:
利用超声回波检测技术,由于超声波在不同物质、不同密度内传播速度不同,通过检测超声波发射后的回波时间来检测超声波穿过物质的结构,采用微处理器(MCU)定时控制超声波的发射,中断接收检测到的回波,然后经MCU的数据处理获得需要的数据。
此系统中,可预先测定液位到达警戒线时的回波时间,然后将每次测量结果与此进行比较,便可得知是否到达警戒液位。
方案三:
用测定电容的方法来检测。
在瓶壁上用两片薄金属箔包裹,构造出一个电容,内部是玻璃、空气和水构成的混合介质。
利用万用表内部的测量电容的电路测出它的等效电容,得出液位在2~3cm处的值。
当测试时,检测到水流出后,电容再达到这一值时,即可认为是液面达到警戒线,即可由单片机发出报警信号。
试验测得在整瓶加金属箔包裹后,水满瓶时电容为0.3uF,到空瓶的电容为0.7uF,在警戒线的位置时电容在0.4uF左右。
可以看出,这样大小的电容测量可以实现。
经比较,方案一器件简单,软、硬件也都相对较容易实现,方案二理论成熟,
但由于超声波探测不可避免的存在一个盲区,盲区的大小与相应的MCU处理速度
相关,在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿模块及相应的软件算法以改善
超声探测随环境温度的变化所产生的变化。
测电容的方法,在实际制作中误差较
大,金属箔也不易固定,考虑这些因素放弃该方案。
考虑到软、硬件的复杂程度
及要求的测量精度,采用方案一红外检测的方法稳定可靠,故仍用红外传感器作
为液位的检测方案。
Ø控制调节滴速
要控制液滴滴下的速度,有两个办法。
一是调节滴速夹,二是用电机调节液瓶的高度,改变出口与液面处的压强,从而调节滴速。
滴速夹可以大范围的调节滴速,但由于软管稳定性差,夹头旋转角度难以精确控制,很难达到较高的精度,只能用于粗调。
相对来说用电机改变液瓶高度的方法较易实现。
(l)电机的选择:
方案一:
采用直流电机。
直流电机上电即转动,掉电后惯性较大,停机时还会转动一定角度后才可停下来。
转矩小,如果要求准确停在一个位置,其闭环算
法较复杂。
方案二:
采用步进电机。
步进电动机的角位移与输入脉冲严格成正比,因此
当它转一圈后,没有累计误差,具有良好的跟随性;动态响应快,易于起停、正
反转及变速;步进电机转矩相对直流电机大,控制精度较高,适用于较精确的测
量中。
方案三:
采用伺服电机。
伺服电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中
经常使用。
考虑到上述各种电机的特点及系统设计要求,选用步进电机作为电机的方案。
本系统中选用小功率四相步进电机来控制输液瓶的高度。
步进电机很容易用单片机实现数字控制,定位精确且具有自锁能力。
当控制电脉冲停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时,则电动机可以保持在固定的位置上。
通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而进行了数字—角度的转换。
转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比,而转动的方向则与脉冲的顺序有关。
(2)检测及控制装置:
控制原理如图2.3所示。
将电动机及机械装置安装在输液轨道上,将单片机及其键盘、显示器等模块设计制作成小型的控制显示装置安装于合适位置以便观察及操作。
图2.3存储瓶升降控制滴速原理
Ø下位机滴速设定与报警、显示模块
下位机键盘设有16个按键。
通过这16个按键可以实现输液速度与实时显示、并可设定滴速及呼叫上位机等功能。
从站的显示部分采用的是具有汉字显示功能的LCD模块OCM12864B液晶显示块,能显示8*4行汉字,可用来实时显示当前采集到的数据。
本系统的报警驱动模块包括一片模拟四声讯响器KD9561、一片音频功率放大器LM386和一个SQ/2W的喇叭。
需要报警时,由单片机导通三极管,进而启动KD9561,输出一定频率的(听起来比较尖锐)的信号,但该信号的电流不够大,功率不够强,直接推动喇叭声音会很弱,将信号送入功放处理,最后用12V下的大电流去推动喇叭,并能产生100分贝以上的警号鸣响声。
Ø通信模块
无线模块通信与有线模块通信的通信程序的编制基本相同,相比于无线通信不足点有以下三点:
1.有线连接
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