基于单片机智能输液系统的设计

泰 山 学 院 本 科 毕 业 设 计

基于单片机智能输液系统的设计

所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 二〇一一级 (3+2) 学生姓名、学号 李丽芬 2011170223 指导教师姓名、职称 张秀红 讲师 完 成 日 期 2013年5月30号

摘要

摘要

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

I

Abstract

ABSTRACT

The design is a set of smart infusion system designed for the the mesh during infusion series of medical malpractice. Through the sensor, the control chip, the application of the motor Comparative analysis and communication mode, to select the best solution for each part.

The system comprises a host computer and slave computer design software design in two parts, the upper machine is based on virtual instrument software to establish visual interface and programming for each part, can be well aware of the infusion patient information. The medical staff can be convenient transfusion for each patient were observed, in case of the drop speed too fast or too slow and abnormal situation, medical personnel can handle at any time. The lower position machine design is the hardware transfer circuit board placed at the end of the patient, with AT89S52 as the control chip design, the peripheral circuit must be added, to achieve sound and light alarm, digital display, liquid level detection, detection and other functions, then the corresponding data transmitted through the wireless transmission module PTR8000. The system of low price, complete functions, good performance, it will be applied in nursing management and automation of hospital level has greatly improved, and the prospects of its application in the medical field is extremely wide.

Keywords: microcontroller, wireless transmission module, infrared sens

II

目录

目录

1引言 ............................................................... 1 1.1课题背景 ......................................................... 1 1.1.1课题的提出及意义 ............................................... 1 1.2课题的研究现状 ................................................... 1 1.3本课题的研究内容和预期目标 ....................................... 3 2总体方案的设计和工作原理 ........................................... 4 2.1设计方案的选择 ................................................... 4 2.2设计方案总体结构 ................................................. 5 2.3方案论证与比较 ................................................... 6 2.3.1控制方案选择 ................................................... 6 2.3.2电机方案的选择 ................................................. 6 2.3.3步进电动机的选型 ............................................... 7 2.3.4无线模块的选型 ................................................. 8 2.3.5液滴检测方案选择 ............................................... 9 3硬件设计 .......................................................... 10 3.1单片机的选型 .................................................... 10 3.2键盘设计 ........................................................ 14 3.3数码显示电路 .................................................... 16 3.4声光报警电路 .................................................... 16 3.5液滴检测电路 .................................................... 17 3.6液位监测单元 .................................................... 18 3.7电源电路的设计 .................................................. 19 4软件设计 .......................................................... 20 4.1主控模块设计 .................................................... 20 4.2点滴速度的测量模块设计 .......................................... 20

III

目录

4.3报警模块的设计 .................................................. 22 4.4欢迎界面的设计 .................................................. 24 4.5监控/报警界面设计 ............................................... 25 5联机调试 .......................................................... 28 5.1硬件调试 ........................................................ 28 5.2软件调试 ........................................................ 28 附录 ................................................................ 30 附录I 整体电路图 ................................................... 30 附录II程序 ........................................................ 30 参考文献 ........................................................... 35 致谢 .............................................................. 366

IV

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图2 控制面板 按钮

数码管显示

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。

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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

机电一体化的产品关键部件之一就是步进电动机，一般被用作定位的控制和定速的控制。步进电机定位精度高、惯量低、控制简单、没有累积误差等特点。

在选择步进电动机的时候，最先要保证的是步进电动机的输出功率必须要大于负载所需要的功率。但在选取功率步进电动机时，首先要计算机械的负载所需转矩，电动机的矩频特性在一定程度能满足机械的负载并且有的余量能保证它的运行可靠。在实际的工作进程中，各个频率下负载的力矩应该在矩频特性曲线的范围。一般最大静力矩大的电动机，那么负载力矩就大。

Y系列三相异步电动机一般用在鼠笼型异步电动机基本系列，全国统一设计。它的功率等级、中心高、安装尺寸都符合IEC国际电工委员会标准。产品可以和国内外各类机械设备配套。Y系列电机具有效率高、振动小、噪声低、能耗少、重量轻、体积小，维护方便，性能优良、运行可靠等优点。

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根据一般情况选择Y80-132。以下表1为参数：

表1 Y80-132的参数

机凸座缘号号 Y8FF162.数极机座 AA /2 6122.5 01轴伸 凸圆端盖 孔AAAHL B C H K D E F G M N P R S T 数B C D D 11581146 0 0 0 9 0 0 5 .5 0 0 56300 2 5 5 5 0 5 0 121.4 675793111120 5 4 5 2.3.4无线模块的选型

我们知道就有线通信而言，其扩展的性能较差，布线相对比较麻烦，而且其成本也较高。现有的有线通信都是将线缆埋藏在地下，这样就会存在线路腐化、遭到侵蚀的问题，容易影响到通信的质量。考虑到护士站到病房的距离在大医院来说大约在100到200米左右，建议使用PTR8000无线模块。以下为PTR8000无线数传模块的好处：

目前国内外已经开发出种类齐全的甚高频（VHF）无线数传模块，以工作于433MHz和2.4GHz为多。nRF905是一款工作在433/868/915 MHz ISM频段的单片无线射频收发芯片。其显著特点是：

? 通信距离100～300米(433MHz), 10～40米(2.4GHz) ? 所需外围元件少，设计方便

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? 工作于国际开放的ISM频段，无需向专业部门申请使用许可

? 作为无线技术方案，它省却了铺设传输连接线的麻烦，而且升级和增加新的设备非常方便，低功耗

? nRF905的工作电压范围为1.9V～3.6V，其电流消耗很低，发射电流约为11mA(-10dB输出)，接收电流约为12.5mA，待机电流为2μA 采用低价格的单片机和无线收发模块相结合来构建无线通信系统具有以下优点: ? nRF905 作为短距离单片式无线收发芯片具有低功耗、抗干扰性强、传输速率相对较快的特点。价格低廉，开发平台较低，硬件设计简单，开发周期较短。

? 可应用于数据采集、无线抄表、门禁系统、机器人控制等领域，因此具有广阔的市场空间和发展潜力。

2.3.5液滴检测方案选择

方案一:用压力传感器来进行测量的方法。压力传感器主要是利用压力的效应而造成的，在输液瓶的下方加一个压力传感器,通过压力的大小的变化情况来判断是不是有液滴滴下，压力传感器的价格低廉、抗干扰的能力突出而且使用寿命也长。但是在本次设计中不容易实现，实验结果的误差会较大。

方案二:用可见光二极管和光敏三极管共同组成的传感器来测量[3][4]。与光敏二极管相比，光敏三极管则有很大光电流放大的作用，但是较高灵敏度也存在弊端，其在系统中应用时有可能导致滴速测量的不准确，采用了大功率的光敏三极管正好可以弥补这一遗憾，不过他的功耗太大，容易造成不必要的浪费。

方案三:脉冲调制的红外传感器。红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，而且它的调制信号占空比较小，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，切实地增强了系统的抗干扰能力[10]。近几十年来，红外传感器价格合适、性能优良，正逐步得到了广大的电子爱好者的喜爱，在工农业、医疗等各大行业中得到广泛的应用。

因此，本文所设计的系统采用了方案三。

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3硬件设计

主站负责协调和控制整个系统的工作，实现接收从输液监控仪发送的数据并对其进行分析和处理。主站包括PC机和无线PTR8000模块两部分，它可以看成是一个扩展了的 PC机。PC机负责对输液过程的监控和对输液数据的管理，无线PTR8000模块将PC机扩展成了可以接收无线信号的装置，并对各个输液的监控仪进行了通信调度，并把接收数据传输到PC机，然后PC机进行相应的处理。如图3所示：

MCU MCU PTR8000 图3 主站框架图

PC机 MCU MCU PTR8000 PTR8000 MCU MCU MCU PTR8000 从站 主站 当本文的输液监控系统处在工作状态时，PTR8000模块收到数据后，立即把它传送给PC机，监控管理的软件在接收到了该输液数据之后，就将它保存到了数据库，然后经过调用监控的模块，把各个输液状态显示到用户界面上，管理者就可清晰的知道各输液情况，若输液过程中发生异常，系统就会发出声光报警。

系统硬件和软件要作统一规划,一种功能既可以由软件实现,又可以由硬件实现,要根据系统的实时性和性能价格比进行综合确定,智能输液监控系统可分为软件设计、硬件设计两大部分,硬件设计主要包括用在病人端的发送板和用在护士端 的接收板,软件设计包括下位机及在护士端的上位机软件程序两大部分。

3.1单片机的选型

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指

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参考文献

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致谢

值此论文完成之际，谨向那些曾教导我的师长、帮助我的同学，表达我诚挚的谢意！

短短几年的大学时光就要过去了，我感受颇深。大学教会了我自主学习的能力，同时这也与老师的教诲是分不开的。在此论文的写作过程中，张秀红老师给予了我悉心地指导和亲切地关怀。张老师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风和丰富的理论、实践经验深深地影响了我，使我在以后的学习与工作里受益终生。再次向张老师表示深深地感谢！

我也要感谢亲爱的同学们，在我有了困难的时候是你们给予了我帮助，当我处在意志薄弱的时期给予我鼓励。彼此友爱，互帮互助的和谐气氛给予了我无尽的温暖，让我重燃了克服困难的信心。

此外，我也要感谢我的家人，是他们默默地在精神与物质上给予我支持。多年来，他们的关心、鼓励，是我勇往直前的动力。以后我会更加努力地学习和工作，好好报答他们的养育之恩。

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