基于单片机智能输液系统的设计.docx

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基于单片机智能输液系统的设计

里仁学院

课程设计说明书

设计题目：

基于单片机智能输液系统的设计

系别：

电气工程系

年级专业：

生物医学工程12-1

学号：

121203041015

学生姓名：

周欢

指导教师：

郑成博

教师职称：

副教授

里仁学院《课程设计》任务书

课程名称：

基于单片机的智能输液系统设计

基层教学单位：

电气工程系指导教师：

郑成博

学号

121203041015

学生姓名

周欢

班级

生物医学工程12-1

设计题目

自动送料机传动装置（圆柱齿轮一级减速器）SLZ-1

设

计

技

术

参

数

设计参数：

1.工作电压：

220V

2.报警容量<10ML

3.无线传输距离<300m

4.传输频率2.4GHz

设计

要求

1.按要求完成设计参数2.答辩论文

参考

资料

新型弹簧输液报警器的研制与应用[J]

单片机原理及其接口技术[M]等

周次

第一周

第二周

应

完

成

内

容

选择题目；

针对题目进行资料搜集并分析；

画出设计电路图；

对设计各部分功能进行具体分析；

对程序进行注释；

完成答辩论文。

指导教

师签字

基层教学单位主任签字

说明：

1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。

2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

里仁学院教务科

本次设计是对于目现在输液过程中存在一系列的医疗事故而设计的一整套智能输液系统。

通过对传感器、控制芯片、电机的应用的比较与分析以及通信方式,从而选择出各部分的最佳方案。

系统包括上位机设计和下位机软件设计两部分,上位机是根据虚拟仪器软件建立可视界面并对各个部分进行编程,可以对正在输液病人的信息了如指掌。

医护人员就可以方便对每一个病人的输液情况进行观察,万一出现液滴滴速过快或者过慢的非正常情况,医护人员随时可以处理。

下位机设计就是把硬件传送电路板放在病人那端,是以AT89S52作为控制芯片设计的,外围电路是必须加的,来实现声光报警、数码显示、液滴检测、液位检测等功能,然后通过无线传输模块PTR8000把相应的数据传送出去。

该系统价格低、功能齐全、性能好,它的应用将对医院的管理和护理自动化的水平有极大提高,并且它的应用前景在医疗领域也将极其广泛。

关键词:

单片机,无线传输模块，红外传感器，报警系统

1引言

1.1课题背景

随着智能化控制研究的不断发展，自动化临床设备的研究日益成为医疗器械发展的一个重点，因而设计一种智能输液管理系统实现对输液过程的全程监控是医学发展的必然趋势。

并且随着微电子技术和信息技术的发展和应用，卫生医疗领域正进行着一场信息化的革命。

在医疗监护领域，传统的监护手段己经不能满足当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。

由于信息科学、计算机技术、网络技术以及医学信息技术的迅猛发展以及它们在医药卫生领域行业中广泛的应用，世界正进入一个数字医疗时代。

医疗设施发展趋势的走向是否向上在于单片机智能输液系统的发展是否也在向前发展，毕竟，单片机的性价比非常优越，而以前的点滴滴速控制系统，使用的单片机价格比较贵，操作不容易实现，并且对滴速控制精度也较低。

现在单片机可以操作多个控制系统，还可以减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。

在人为控制下有时如果不小心将会给安全设施带来很大的麻烦，而且人工控制滴速精度也很难掌握，传统临床输液中有患者、陪护或医护人员随时观察监视药液余量的情况,牵扯到的精力大、效率低、还不利于病区的综合管理的弊端。

而使用单片机设计只要在设计时考虑周到，运行起来就不会带来这种问题了，因此，单片机滴速控制系统将在医疗中得到广泛应用。

该课题研究将具有重要的理论和实际应用价值，对提高我国医疗器械水平将会产生具大的影响。

医疗事业的发展是顺应科学技术而发展的，医疗的安全问题更是离不开科学，把高科技应用到医疗事业中来是对医疗事业的一大促进与补充。

1.2课题的研究现状

目前世界上最大的医疗器械市场是日本、美国、欧盟，但公认的最有潜力的市场却是中国。

医疗设备与制药业和器械产业的产值在发达国家比为1∶1.9；而在中国，这个比例仅为1∶5。

由此可见中国医疗器械市场在世界的潜力非比寻常。

我国已基本明确新时代的医疗体制的改革方向，国家将每年加大农村基层医疗卫生、公共卫生体系和城市社区的建设，由此可以预见，新的时期就会来临，那就是我国医疗器械市场快速发展的时期[6]。

国外对智能输液装置的研究比较早，如日本、美国和德国等国家在上个世纪八十年代末就进行了智能输液装置的研制。

输液泵是一种多功能的输液控制器，能够比较精确地控制输液速度，并能实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警等功能。

但是价格比较昂贵，在两万元人民币左右。

国内对智能输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期才开始研究。

不过总的来说功能也只是侧重于精确输液控制，种类比较少，性能也需要改进。

由于在规范的操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的，因此输液速度的控制和输液完成报警这些功能成为了人们更为关心的问题。

作为一种医疗器械，安全性、可靠性是其基础，作为一种普及到每一位输液病人才能有实际意义的产品，使用方便并且价格低廉又是一种基本要求，所以，这种产品即使安全性、可靠性得到了充分保证，但是如果没有简单方便的操作和较低的价格作为其支撑，想要顺利推广也是不可能的。

本系统对输液没有任何影响，系统操作简单，安全性高，可靠性高，检测的精度高。

而且整体造价低，没有使用成本，有很强的市场竞争力和推广前景。

目前，我国三甲以上的医院是563家，二甲县级以上5000家，“十一五”规划的医疗服务机构，包括社区医院总共是31万家。

也就是说，其中80%以上是个体的诊所和县以下的基层医疗机构。

在这些医疗机构中，所拥有的医疗仪器和设备有15%左右是20世纪70年代前后的产品，有60%是上世纪80年代中期以前的产品。

因为我国到现在还没有医疗器械管理的有关法规，所以造成一些本应淘汰、报废的医疗器械至今还在使用，由于超期“服役”，有部分仪器早就不能准确提供诊断依据了，但是有不少小诊所甚至是医院，出于经济利益的考虑仍然继续使用。

但是随着我国人民生活水平的提高,人们对生命健康越来越关注,医疗器械作为一个新兴产业正在蓬勃地发展。

除此之外，我国还有很多科研医疗的机构,不少企业开发的输液装置都申报了专利。

但是由于其稳定性、可靠性和灵敏度等方面还达不到实际要求,所以这些专利很少在现实中得到应用。

总之,我国对智能输液装置的研制比较晚，点滴输液自动化得到普及,还需要很长的路要走。

1.3本课题的研究内容

整个系统主要包括四个设计模块：

1.从站数据采集电路，包括液滴信号的采集和液位信号的采集；2.从站数据处理电路，包括实时数据的显示、处理及控制；3.声光报警电路的设计；4.主站数据接收部分电路，主要为主站无线接收模块PTR8000与单片机之间的SPI通信。

2总体方案的设计和工作原理

2.1设计方案的选择

第一种方案是使用弹簧输液报警器,该报警装置是由一个可以控制的音乐集成块,弹簧及两块电池组成[1]。

输液报警器挂在弹簧上，使输液容器的重力转化为弹簧的压缩力，输液结束时，弹簧回缩报警电路被接通，声光报警，以提醒换药，虽然有一定的新颖性，但智能化程度不高，难以实现智能化的医疗监测要求。

第二种方案是用输液瓶液位测量和报警装置[2]。

由弹簧，机架齿轮组的机械零件的装置。

要遵循胡克定律，通过测量重力的输液瓶和瓶液位报警设备指针来间接测量水平的变化和变化中的报警电路开启时，在接触的金属触点来实现报警。

这个装置是主要的机械原理液位测量，精密测量和智能化程度不高，难以推广。

第三种方案是采用光的衍射方法来对微量物体进行测量的装置已经获得专利,其原理就是激光束在通过狭缝时得到衍射,而光电接收器收到衍射光后,则显示信号被输出。

衍射狭缝的宽度是物体重量通过杠杆的作用来改变大小的,来使光电接收器收到的衍射光的强度发生改变。

利用光电接收器把光强的变化转成电信号而输出。

最后通过显示的技术将电信号转化为数字显示,达到对物体质量进行读数的目的。

但该装置怎么样应用于输液报警,其夹持机构和测量精度是一个大难题,故没有得到推广。

第四种方案是使用新型PC，摄像头，计数模块和显示，摄像头定位装置，其中相机连接到PC，输液液滴的图像和拍摄的图像的显示画面转移到计数模块被安装在个人电脑主机，用于相机所获取的图像信息的收集和分析，计算处理,和液滴的数量，该计算结果的数值将被显示在显示器上。

实用新型计数模块以及显示，摄像头，PC主机，PC,使用现有的技术，易于实现，输液的状态可以是数值或图像直观的反应，那么输液的状态就会被远程监控，整体结构非常简单，有效的监测。

该设备在医院的图像处理技术提出了很高的要求，它是难以推广。

在输液过程中会有很多外界随机事件,如病人的误动作、液体气泡等都会影响液滴的重量,导致误测,甚至引发误报警。

然而本系统需要每一个床位安装一台,与床头已有的报警系统相联系,利于实时监控,随时可以改变输液时液滴的流速,同时不需要重新布线而增加成本,故推广应用比较方便。

所以结合智能控制技术,根据具体要求给出数学模型,再由数学模型给出数值算法,最后由数值算法编出程序，使系统能总体寻优,具有自学习、修复记忆、补偿、判断、决策能力。

2.2设计方案总体结构

本次设计采用光电检测与单片机控制，通过PTR8000模块无线传输实现对病人输液过程的控制。

可以实现功能为：

（1）设置输液时间和速度

（2）他们的PTR8000模块的远程监控输液速度和输液时间（3）当输液临近结束时或在输液过程中的发生异常报警该系统由两个主要部分组成：

（1）主机（监控中心）通过PC和PTR8000模块对每个从站远程监控和报警，收集实时数据了解病人的基本信息。

（2）从站，由单片机系统组成，对一个特定的输液过程进行控制。

它包括：

滴速控制模块、键盘与显示模块、声光报警模块及PTR8000模块、滴位检测模块。

如以下图1所示：

图1从站框架图

数码管显示

按钮

图2控制面板

2.3方案论证与比较

2.3.1控制方案选择

方案一:

可以采用的是模拟控制方案,最突出的优点是价格低廉而且简单容易操作,但是最大的缺点是精度比较低,不易于功能的扩展。

方案二:

采用AT89S52单片机系统来实现，可用软件编程实现复杂的计算和控制。

这种方案使系统中需要的键盘的设定和动态显示滴速等功能显示比较方便，并且可以实现主站与从站之间的通信。

数据传送时受到的干扰也比较小,传输性能好。

因此,本系统采用第二种方案。

2.3.2电机方案的选择

方案一：

伺服电机。

伺服电机可以接收电信号，然后转换成转动轴上的角速度与角位移。

其转速要比电机在负载时的转速高很多。

但是就伺服电机的使用情况来说，多数是在低的转动惯量、高的启动转矩和大转矩的系统里。

并且伺服电机的价格较高，很少使用。

方案二：

直流电机。

直流电机上电后立马转动，掉电后惯性较大，停机时还要转动一定角度后才可停下来。

转矩小、没有抱死功能，如果要求准确地停在一个位置，其闭环算法太复杂。

方案三：

步进电机。

步进电机主要是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速，容易开启停止、正反转及变速,动态响应快[7]。

价格适中，控制精度较高，适用于较为精确的测量中，还可以有效提高输液速度的控制精度。

步进电机每输入一个脉冲信号，转子就会转过一个角度，步进电机会输出特定的角位移或者线位移，其与输入脉冲数成正比例，步进电机的转速也与脉冲频率成正比例关系。

本文以单片机为核心，控制了步进电机的工作，其控制信号是数字信号，也就不需要数／模转换了。

其具有了快速的启／停能力，可以在一刹那实现启停动作，并且其步距角的降低较小，延时短，定位准确，精度高，可操作性较强。

因此选择方案三。

2.3.3步进电动机的选型

机电一体化的产品