【正文】 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 1 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文） （ 說(shuō) 明 書(shū) ） 題 目： 基于 AT89S52 單片機(jī)的醫(yī)用輸液 液位控制報(bào)警器設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào) ： 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 2021 年 12 月 9 日 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 2 摘 要 靜脈輸液是現(xiàn)在醫(yī)院中常用的輸液方式，大部分的輸液要靠醫(yī)護(hù)人員手動(dòng)控制滴速，輸液過(guò)程中藥液溫度取決于所處環(huán)境溫度，醫(yī)護(hù)人員要不定時(shí)的巡查，已確定輸液是否結(jié)束。這樣在輸液高峰期，醫(yī)護(hù)人員很難應(yīng)付，常常會(huì)造 成無(wú)法及時(shí)停止輸液，而造成“ 回血 ” 等現(xiàn)象。由于環(huán)境因素造成的低溫輸液反應(yīng)，以及滴速不準(zhǔn)確帶來(lái)的藥理反應(yīng)，有時(shí)甚至?xí)斐舍t(yī)療事故，簡(jiǎn)易輸液報(bào)警器在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。 本設(shè)計(jì)再結(jié)合實(shí)際生活和課題的實(shí)際要求，以單片機(jī)控制為核心，采用紅外對(duì)射技術(shù)，光電傳感技術(shù)，電機(jī)控制技術(shù)，并解決了大電流控制的問(wèn)題。在分析各部分實(shí)施方案后。提出了輸液檢測(cè)與控制方案的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包括輸液報(bào)警單元，液位檢測(cè)單元，滴速檢測(cè)單元，顯示單元和電源單元。通過(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輸液滴速計(jì)數(shù)，顯示，越限報(bào)警等功能，并詳細(xì)介 紹了各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)和工作原理，給出了各部分的軟件流程。為更好的實(shí)現(xiàn)，自行設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是紅外對(duì)射和光電檢測(cè)裝置中液位，滴速以及電機(jī)控制的信號(hào)采集得到了保證，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，使整個(gè)系統(tǒng)性能得到提高，實(shí)現(xiàn)了輸液過(guò)程中滴速，液位越限報(bào)警的自動(dòng)控制。本系統(tǒng)可適當(dāng)改進(jìn)，在醫(yī)療輸液領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：靜脈輸液；單片機(jī)控制；紅外對(duì)射；光電檢測(cè)；滴速檢測(cè)；越限報(bào)警； 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 3 緒 論 隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的服務(wù)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，尤其在公共醫(yī)療設(shè)施方面，追求相關(guān)產(chǎn)品的 安全、智能、高效已經(jīng)成為必然選擇，也成為企業(yè)不斷研發(fā)的動(dòng)力。 在醫(yī)院輸液 (俗稱(chēng)打吊針 )有一個(gè)難題長(zhǎng)期困擾著病人與醫(yī)護(hù)人員：在病人輸液的過(guò)程中，往往由于病人體質(zhì)虛弱、昏迷或入睡或者醫(yī)護(hù)人員正在別處忙碌等而無(wú)法留意，當(dāng)輸液完畢，若處理不及時(shí)，病人的血液就會(huì)因空管而倒流入輸液針管內(nèi)，時(shí)間稍長(zhǎng)會(huì)使扎針處嚴(yán)重腫脹。若處理過(guò)早，即藥液還末完全輸盡就摘瓶取管則又會(huì)造成藥液的浪費(fèi)等等。因此常引發(fā)病人的不滿以至投訴，甚至使醫(yī)護(hù)人員無(wú)奈。而醫(yī)用輸液報(bào)警器的設(shè)計(jì)和投入應(yīng)用，可以較好地解決輸液中所遇到的這些困擾。 靜脈輸液 是最常規(guī)和最重要的醫(yī)療手段。但是現(xiàn)行的醫(yī)用點(diǎn)滴輸液方法中，靜脈輸液器都是懸掛在病人的上頭才能輸液，輸液速度難以準(zhǔn)確控制，醫(yī)師和護(hù)士只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)來(lái)控制墨菲氏管的輪夾，而不能依據(jù)患者病情的程度控制藥液的速度和流量，這種輸液控制的方法顯然是不方便的，并且可能對(duì)患者趙成不必要的傷害。這對(duì)特護(hù)病人和對(duì)輸液速度有較嚴(yán)格的病人是不方便的。傳統(tǒng)的輸液設(shè)備笨重、體積大、價(jià)格貴，增加了醫(yī)院和病人的費(fèi)用。輸液報(bào)警器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)病人輸液液面的變化，當(dāng)輸液完畢時(shí)發(fā)出報(bào)警提示聲，醫(yī)護(hù)人員有足夠的時(shí)間拔針或換藥，避免了 “ 回血 ” 等現(xiàn)象的發(fā) 生。輸液報(bào)警器的使用既可減輕醫(yī)護(hù)人員和陪護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能最大限度地利用藥物，避免了浪費(fèi)。所以有輸液報(bào)警器的使用，必將受到醫(yī)務(wù)人員和病人的歡迎。 針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)控制的液滴速度監(jiān)控液面報(bào)警裝置。該系統(tǒng)包括紅外發(fā)射接收裝置， AT89S52單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)， LED顯示屏和蜂鳴器等。其中紅外對(duì)射傳感器接收裝置用于將液滴滴下一滴的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算其點(diǎn)滴速度，并在 LED顯示屏上顯示，用電動(dòng)機(jī)控制速度。當(dāng)輸液完成時(shí)或出現(xiàn)異常情況是會(huì)聲光報(bào)警。因?yàn)樗泻芏嗟膬?yōu)點(diǎn)，可以較為 準(zhǔn)確地控制速度，可以報(bào)警，設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。所以對(duì)輸液報(bào)警的研究十分有意義。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 4 第 1 章 方案設(shè)計(jì)與論證 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)簡(jiǎn)易的醫(yī)生用輸液液位控制報(bào)警器。 （單位：滴 /分鐘），范圍在 0300滴 /分鐘。 ，顯示控制器將發(fā)出聲音報(bào)警，提示輸液者。 3. 顯示器： 4位一體數(shù)碼管。 4. 采用蜂鳴器報(bào)警，音樂(lè)聲自定。 5. 自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的 +5V電源供電。 點(diǎn) 滴檢測(cè)方案比較 方案一：可見(jiàn)光發(fā) 光二極管與光敏三極管傳感電路。由于系統(tǒng)外界光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作有很大的干擾，一旦外界光度改變，就會(huì)影響對(duì)液滴的判斷。如采用超強(qiáng)亮度發(fā)光管可以減小干擾，但功率損失大，此方案一定不可取。 方案二：不調(diào)制的紅外對(duì)外傳感器。由于直接采用直流電壓對(duì)發(fā)光管進(jìn)行供電，考慮到平均功率的限制，工作電流不能高于元件的額定值，對(duì)投幣照射有一定的困難且仍然容易受到外部光源等干擾。 方案三：脈沖調(diào)制的紅外對(duì)外傳感器。紅外對(duì)射管的最大工作電流是由其平均電流決定的采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，瞬間電流會(huì)達(dá)到很大，大大提高了 信號(hào)噪聲比，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 輸液管 —— 莫非氏 管的形狀決定了檢測(cè)滴速的方法 ,藥液在滴管處以液滴的形式一滴一滴滴落。 光源發(fā)出的光垂直照射滴管并在滴管的剖面的中心線上，光線經(jīng)過(guò)滴管沒(méi)有折射發(fā)生（如圖 11所示）。而液滴滴落的過(guò)程中要經(jīng)過(guò)滴管的中心線，當(dāng)有也液滴經(jīng)過(guò)光源和紅外對(duì)射管之間時(shí)，光線會(huì)發(fā)生折射和散射，導(dǎo)致接收器收不到光信號(hào)，這時(shí)紅外對(duì)射管的輸出要產(chǎn)生一個(gè)電壓跳變，利用這個(gè)電平跳變可以實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過(guò)滴管的液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)。 示意圖如圖 12所示 因此，本方案采用方案三。 液位檢測(cè)方 案比較 方案一：使用拉力傳感器間接測(cè)量。將拉力傳感器接在滑輪和儲(chǔ)液瓶之間，利用液圖 11 光線走向示意圖圖 圖 12 紅外對(duì)射滴速檢測(cè)示意圖 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 5 位高度變化和拉力變化之間的線性關(guān)系進(jìn)行間接測(cè)量。但是拉力傳感器價(jià)格貴，從實(shí)用性角度考慮，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中不合適。 方案二：利用超聲波測(cè)量液面高度。利用超聲波在不同物質(zhì)，不同密度內(nèi)傳播速度不同的原理，通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射后的回?fù)軙r(shí)間來(lái)檢測(cè)超聲波穿過(guò)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，利用MCU定時(shí)控制超聲波的發(fā)射，利用中斷接受檢測(cè)到的回波，然后經(jīng) MCU的數(shù)據(jù)處理獲得需要的數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)中，可預(yù)先測(cè)定液位到達(dá)警戒線時(shí)的回?fù)軙r(shí)間，然后將每次測(cè)量結(jié)果與 此進(jìn)行比較，便可得知是否到達(dá)警戒液位。超聲波測(cè)距準(zhǔn)確，是一種常用的測(cè)距方法。但是超聲波探測(cè)不可避免的存在一些盲區(qū)，盲區(qū)的大小與相應(yīng)的 MCU處理速度相關(guān)，在對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合還需加入溫度補(bǔ)償模塊及相應(yīng)的軟件算法以改善超聲探測(cè)隨環(huán)境溫度的變化所產(chǎn)生的變化?？紤]到軟、硬件的復(fù)雜程度及要求的測(cè)量精度，以及本系統(tǒng)存在液體產(chǎn)生的表面波動(dòng)，使用超聲波傳感器檢測(cè)液面會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，同時(shí)超聲波傳感器安裝方位的確定也是一大難題。 方案三：使用光電傳感器定點(diǎn)対液面進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢圆捎眉t外對(duì)管進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。根據(jù)接收管接收到的 光強(qiáng)大小 （時(shí)間間隔 3秒） 來(lái)判斷液位是否到達(dá)警戒線。利用光在不同媒質(zhì)界面的折射和反射原理，通過(guò)光電傳感器接受光信號(hào)實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)功能。此外光電傳感器安裝方便，只需將傳感器固定在儲(chǔ)液瓶外瓶壁上 （圖 13） 即可，不需要詳細(xì)計(jì)算儲(chǔ)液瓶液面高度，簡(jiǎn)化了外圍電路結(jié)構(gòu)。 圖 13 光電傳感器安裝示意圖 綜合比較上面三種方案，從實(shí)用，簡(jiǎn)便同時(shí)保證測(cè)量準(zhǔn)確度上，使用光電傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)液瓶液面高度是最理想的選擇。 速度控制方案 對(duì)液體點(diǎn)滴速度的控制，可以使用下面兩種方案： 方案一：采用輸液軟管夾 頭松緊程度來(lái)控制液體的流速，控制滴速夾移動(dòng)的距離很小，但是滴速夾的松緊過(guò)程中，存在很多因素，例如橡膠粘度與液體粘度，彈簧的彈力等，都為非線性控制量，移動(dòng)距離，移動(dòng)阻力等參數(shù)難以計(jì)算，用機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。所以如果采用夾頭控制難以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的線性控制。 方案二：通過(guò)電機(jī)和齒輪系統(tǒng)控制莫非試管的松緊程度，來(lái)達(dá)到控制液滴流速的目的，方案實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)便，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì) 莫非試管 的控制，從而達(dá)到控制 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 6 液滴流速的目的。 原有的輸液管上配有一楔形手動(dòng)控制滴速控制裝置，內(nèi)有滑槽，通過(guò)推動(dòng)滑槽上的圓形滾輪來(lái)控制輸液 的快慢。在本系統(tǒng)的滴速控制中，保留原有的控制裝置以備應(yīng)急使用，應(yīng)用電機(jī)來(lái)控制輸液的滴速。方案如下 （圖 14） ：電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)，利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)裝配一螺桿，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng) （或者拽回）螺桿一端帶有內(nèi)螺紋的滑塊擠緊（或者放松 ） 莫非氏管 ,從而實(shí)現(xiàn)輸液滴速的自動(dòng)控制。 第一項(xiàng)和第二項(xiàng)方案經(jīng)過(guò)綜合比較，使用電機(jī)控制度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制效果較好，因此決定選擇第二項(xiàng)的方案。 圖 14 電機(jī)控制滴速示意圖 電機(jī)選擇及控制方案 常用的電機(jī)主要有以下幾種：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。 方案一 ：直流電機(jī)上電即可轉(zhuǎn)動(dòng)，掉電后慣性較大，停機(jī)時(shí)還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后才可停止，如果要 求準(zhǔn)確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其閉環(huán)算法比較復(fù)雜，系統(tǒng)硬件也會(huì)相應(yīng)麻煩。 方案二：伺服電機(jī)的機(jī)械特性較好，輸出功率大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，正反轉(zhuǎn)控制容易且 有抱死功能，但有由于其實(shí)際價(jià)格偏高，不適合普遍使用。 方案三：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩相對(duì)直流電機(jī)大，控制精度比較高，其步進(jìn)轉(zhuǎn)過(guò)的一個(gè)角度也固定，適用于較精確的測(cè)量，這可有效提高輸液速度的控制精度。 因此，電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)最佳。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 7 第 2 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 芯片介紹 AT89C52 單片機(jī) 1. AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的功能框圖 （ 如圖 21）， 在一塊兒小芯片上集成一個(gè)微機(jī) 計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分，其核心部分是中央處理器 CPU，它由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和進(jìn)行位操作，有算術(shù)邏輯單元（ ALU） 、位處理器、累加器（ ACC），寄存器 B、暫存器 TMP1 和 TMP2 組成。 控制器是用來(lái)統(tǒng)一指揮和控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的部件， 它由控制邏輯、內(nèi)部振蕩電路 OSC、指令寄存器及其譯碼器、程序 計(jì)數(shù)器 PC 及其增量器、程序地址寄存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW、 RAM 地址寄存器、數(shù)據(jù)指針 DPTR、堆棧指針 SP 等組成。 圖 21 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ）