液体点滴速度监控系统设计

液体点滴速度监控系统设计

摘要：本设计研制了一种液体点滴速度监控系统。该系统以单片机为核心,可以实现自动检测并显示液体点滴的速度、用键盘设定点滴速度和对异常情况进行声光报警等功能。采用红外光电传感器检测液位信号，通过硬件滤波和保护装置消除杂散光干扰。并能通过上位机与下位机之间的串行通信，实现对多台下位机进行远程监控与管理。该系统工作稳定、操作简便，能有效的解决目前简易液体点滴装置和输液泵之间的空缺，在医疗卫生领域中具有广泛的应用前景。

关键词：点滴速度，单片机，串行通信，步进电机

Abstract：The monitoring system for the transfusion was developed with microcontroller unit used as a core. The system realizes auto detection and display of the drip velocity. The drip velocity can be set by keyboard and the abnormal event alarm has achieved. The signal of the liquid level was detected by the infrared photoelectric sensor, and the interference of abnormal light was eliminated by the hardware filter and the protect device. In addition, the remote monitoring and managing of several lower computers was achieved by serial communication. The system is stable in performance and simple in operation. The system has bright application future in medical treatment field.

Keywords：Dropping speed, Microcontroller unit, Serial communication, Stepping motor

目录

1前言 (1)

1.1 设计背景 (1)

1.2 设计目标 (1)

1.3 技术路线 (1)

1.4 实施计划 (2)

1.5 必备条件 (2)

2总体方案设计 (3)

2.1 方案比较 (4)

2.1.1 滴速检测方案 (4)

2.1.2 液位检测方案 (4)

2.1.3 滴速控制方案 (4)

2.1.4 电机选择方案 (5)

2.1.5 点滴速度计算方案 (5)

3单元模块设计 (7)

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 (7)

3.1.1 滴速检测模块设计 (7)

3.1.2 液位检测模块设计 (7)

3.1.3 电机驱动模块设计 (8)

3.1.4 声光报警模块设计 (10)

3.1.5 键盘模块设计 (10)

3.1.6 显示模块设计 (11)

3.1.7 通信模块设计 (12)

3.1.8 中央控制模块设计 (13)

3.1.9 电源模块设计 (14)

3.2 电路参数的计算及元器件的选择 (14)

3.2.1 时钟电路 (15)

3.2.2 复位电路 (15)

3.3 功能器件的介绍 (15)

3.3.1 AT89C51介绍 (16)

3.3.2 8255A介绍 (18)

4软件设计 (24)

4.1 软件设计所用工具 (24)

4.2 软件结构图 (24)

4.3 软件流程框图 (25)

4.3.1 上位机软件流程框图 (25)

4.3.2 下位机软件流程框图 (26)

4.3.3 上、下位机通信软件流程框图 (28)

5系统调试 (31)

6系统功能、指标参数 (38)

6.1 系统能实现的功能 (38)

6.2 系统指标参数测试 (38)

6.2.1 点滴速度测试 (38)

6.2.2 报警功能测试 (39)

6.3 系统功能及指标参数分析 (39)

7结论 (40)

8总结与体会 (42)

9谢辞 (43)

10参考文献 (44)

附1 系统的原理电路图 (45)

附2 外文文献翻译-译文 (46)

附3 外文文献翻译-原文 (56)

1前言

随着医院管理系统趋向于电子化、网络化，利用单片机与现代控制技术提高医疗器械的自动化程度成为目前主要应用方向之一。

本课题所要设计的液体点滴速度监控装置，正是在医疗设备自动化的背景下，为了满足患者和医院的需要而设计的。

1.1 设计背景

静脉输液是临床医学中一个重要的治疗手段，但长期以来一直没有有效的自动监测装置，从而需要专人监护，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理。

目前医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定高度上，利用势差将液体输入到病人的体内，通过软管夹对胶管口径的压紧和放松来控制滴速，其输液速度几乎全部都是一个不精确的值。有经验的医护人员可以根据药剂的特性对滴速进行控制，而一般的病人却无法做到，做的不好会有一定的危险性。而采用输液泵是解决输液速度的一种有效方法，但它机器成本和耗材成本太高，只适用于急救和重症情况。

因此对于可进行自助式护理的病人来说，需要一种可以由病人自己操作，可控制滴速的智能型液体点滴速度监控装置，但同时该装置要能接受医护人员的监管，以便更正病人不正确的设定。

1.2 设计目标

系统应用自动化控制技术实现了对液体点滴速度的监控，可根据需要设置点滴速度，并对异常情况进行声光报警。医护人员也可以通过远程通信，监控病人输液的整个过程，并对液滴速度进行设置，减轻护士的工作量，实现医院护理自动化。系统所要实现的主要功能有：⑴设定点滴速度；⑵控制点滴速度并实时显示；⑶对液位过低或滴速异常进行声光报警；⑷打印记录详单；⑸实现上位机和下位机的串行通信。

1.3 技术路线

本设计的技术路线如下：

1、对设计中相关的核心器件AT89C51、8255A、步进电机和技术知识进行研究，提出多种技术方案；

2、对所提方案进行论证和比较，以确定最终采用的方案；

3、进行系统硬件电路的模块化设计；

4、进行具体的模块电路设计；

5、进行相关软件设计和编程；

6、进行系统的综合测试和调试工作。

1.4 实施计划

3月下旬至4月初，查阅和收集文献资料；4月初至4月中旬，提出设计方案，并对方案进行比较和论证，选出最佳方案；4月下旬至5月初，完成硬件电路设计；5月初至5月中旬，完成相关软件编程；5月下旬，进行系统的模拟测试；5月底至6月上旬，撰写设计报告，并准备毕业设计答辩。

1.5 必备条件

硬件：计算机、单片机仿真器等。

软件：Proteus、Multisim、Word等。

2 总体方案设计

根据设计要求，上位机和下位机的系统框图如图2-1和图2-2所示，上、下位机通信系统结构图如图2-3所示。

图2-1 上位机系统框图

图2-2 下位机系统框图

图2-3 上、下位机通信系统结构图

上位机置于护士站，下位机置于病房，通信模块实现的是这两个部分的联接。 上位机即为下位机除去滴速检测、液位检测、电机驱动、详单打印这四个部分。所以本设计说明书部分可只对下位机部分进行说明。

键盘显示 通信模块 声光报警

上位机 89C51

电机驱动 键盘显示

通信模块 声光报警 下位机 89C51 滴速检测

液位检测 打印详单

上

位

机 RS485 接口

下位机1 下位机N ……

2.1 方案比较

通过查阅相关技术资料，结合自己的实际知识，并请教老师之后，针对各个单元模块提出了不同的技术方案来实现所需功能。下面将对各个单元模块的多种实现方案进行说明，并分析比较它们各自的特点，选择最合适的方案来完成本设计。

2.1.1 滴速检测方案

方案一：采用压力传感器来实现。在受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受液瓶中，根据液位传感器感受到的液位起伏来检测是否有液滴滴下。

方案三：采用红外对管实现，根据接受到的光强的强弱判断是否有液滴滴下。

综合分析，滴管滴出20点蒸馏水相当于1ml±0.1ml。因此，液滴的质量约为0.05g，对压力传感器的要求很高，故方案一不可取。本设计涉及医用，任何与瓶中液体有接触的设计方案都是不可行的，所有探测器、传感器只能固定于瓶的外壁，并且输液瓶的晃动会引起测量的误差，故方案二不可取。方案三成本低，电路简单，且不受可见光的干扰，稳定性好，测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。因此，综合比较后采用方案三。

2.1.2 液位检测方案

方案一：同点滴检测模块，采用红外对管实现，根据接收管接收到的光强大小来判断是否到达警戒线。

方案二：采用电容传感器来检测。在储液瓶的瓶身外贴两块金属薄片作为传感电容，储液面下降，电容两极间的介电常数减小，传感电容的电容值减小，再经过电容/电压变换器转换为电压值。

经比较，方案一器件简单，软硬件也都相对较容易实现。方案二虽然简单，但由于不同的药液可能有不同的电容值，而且为了使电容量的变化比较明显，瓶身外的金属薄片应该比较大，影响对液面的肉眼观察，所以不太适于医学使用。因此采用方案一。

2.1.3 滴速控制方案

方案一：通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的。

方案二：通过电机控制滴速夹的松紧程度来控制液滴流速。

综合分析，方案一实现较为简便，通过电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较

长，而且储液瓶高度与流速的关系并没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。方案二控制滴速夹移动的距离很小，调整比较迅速，但是在控制较慢的滴速时容易使塑料软管夹得过紧而变形，从而使滴速由慢向快调整时时间过长。综合比较，采用方案一。速度控制方案示意图如图2-4所示。

图2-4 速度控制方案

2.1.4 电机选择方案

方案一：采用直流电机。

方案二：采用步进电机，在较为精确的定位性能方面十分优越。

由于方案一采用的直流电机通电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来，且直流电机转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，实现难度比较大。方案二中步进电机转矩相对直流电机大，控制精度较高，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。经比较，采用方案二。

2.1.5 点滴速度计算方案

滴速测量的原理是单片机通过一定时间内红外传感器测得的脉冲信号计数得到滴速。

h 1 h 2

电动机

滑轮

点滴移动支架

储液瓶

受液瓶

滴斗

方案一：根据一定时间T （如10秒）内滴下的点滴的滴数n 计算点滴的滴速，计算公式为：

T

n v 60=（滴/分） 方案二：根据相邻滴液所间隔的时间t 计算点滴的速度，计算公式为

601?t

V ＝（滴/分） 分析比较，方案一若选取的计数时间T 较短，以10秒为例，如检测系统误差为1滴，则计算得出的速度误差为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20%，误差太大。若选取的计数时间T 较长，则系统达到稳定的时间太长。方案二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，而单片机的计时系统能很好的满足这一要求。经比较，采用方案二。

3 单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为九个单元模块，它们分别是：滴速检测模块、液位检测模块、电机驱动模块、声光报警模块、键盘模块、显示模块、通信模块、中央控制模块和电源模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1 滴速检测模块设计

本设计中首要的任务就是对滴速进行检测，实现对滴速的检测之后才能判断滴速是否正常，以及是否需要对滴速进行调整。该模块实现的就是对是否有液滴落下的检测，滴速检测电路如图3-1所示。 5412

U4:A NPN-PHOTO R41.5kR

R3

220R +5V +5V

INT0

12U5:A 40106

图3-1 滴速检测电路图

无液滴落下时，接收管与发射管正对，接收管接收到的光强较强；有液滴滴下时，下落中的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收和一定的散射作用，导致接收光强的较大改变，接收管接收到的信号经一级施密特触发器处理，送入单片机的中断口，据此就可以正确的探测出液滴的滴落。

3.1.2 液位检测模块设计

在输液过程即将结束时，需要通知医护人员进行相关护理。如果患者自己忘记或者由于视觉误差判断错误时，将会发生危险。液位检测模块的功能是当液位达到警戒线时，发出报警信号，通知患者和医护人员。液位检测电路如图3-2所示。