【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）基于單片機(jī)的輸液保溫控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘 要 IAbstract II第一章 引 言 3 醫(yī)用智能儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的相關(guān)因素 3 本文的主要研究工作和各章內(nèi)容安排 3第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)總體方案論證 3 加熱位置與加熱方式 3 溫度傳感器安裝 3 控制單元的確定 3 驅(qū)動(dòng)電路 3 控制方式的選擇 3 輸液保溫器的設(shè)計(jì)思想 3 自頂向下設(shè)計(jì) 3 軟硬件折衷設(shè)計(jì) 3 高性價(jià)比的設(shè)計(jì) 3 高可靠性設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理 3 輸液保溫器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 3 輸液保溫器的工作原理 3 系統(tǒng)的工作流程 3 系統(tǒng)可靠性分析 3第三章 系統(tǒng)控制方式選擇研究 3 控制系統(tǒng)的分類 3 不同控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用 3 輸液保溫器的控制方式的確定 3 PID控制的原理、分類及參數(shù)整定 3 PID控制的原理 3 PID的分類 3 PID控制參數(shù)整定方法 3 本章小結(jié) 3第四章 單片機(jī)簡(jiǎn)介及硬件概述 3 單片機(jī)的選用 3 8051單片機(jī) 3 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu) 3 8051單片機(jī)引腳功能 3 復(fù)位電路 3 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 3 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 硬件可靠性設(shè)計(jì) 3 合理選擇元器件 3 可靠的電路設(shè)計(jì) 3 抗干擾設(shè)計(jì) 3 接地技術(shù) 3 本章小結(jié) 3第五章 溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì) 3 溫度傳感器的選擇 3 AD590的特性 3 AD590基本應(yīng)用電路 3 放大轉(zhuǎn)換電路 3 A/D轉(zhuǎn)換 3 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 3 A/D轉(zhuǎn)換器的選用 3 ADC0809 3 A/D轉(zhuǎn)換電路 3第六章 溫度的數(shù)碼顯示設(shè)計(jì) 3 8255和鎖存器 3 8255 3 74LS373 3 顯示及驅(qū)動(dòng)器 3 LED數(shù)碼管 3 驅(qū)動(dòng)器74LS244 3第七章 看門狗和輸出驅(qū)動(dòng)電路 3 看門狗 3 X25045 3 X25045看門狗電路設(shè)計(jì) 3 輸出驅(qū)動(dòng)電路 3第八章 PID程序的設(shè)計(jì) 3 數(shù)字PID控制算法 3 位置式PID控制算法 3 增量式PID控制算法 3 積分分離PID控制算法 3 數(shù)字PID控制算法的選擇及設(shè)計(jì) 3 數(shù)字濾波 3 標(biāo)度變換 3 偏差處理 3 限幅程序設(shè)計(jì) 3 結(jié)果處理 3 系統(tǒng)的軟件可靠性設(shè)計(jì) 3 實(shí)時(shí)診斷技術(shù) 3 數(shù)字濾波技術(shù) 3 本章小結(jié) 3結(jié) 束 語(yǔ) 3參考文獻(xiàn) 3附錄A 硬件圖 3附錄B 源程序 3致 謝 3 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第一章 引 言70年代初出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)斷層攝影（CT）；80年代初出現(xiàn)的磁共振成像裝置（MRCT）以及可根據(jù)監(jiān)護(hù)患者心臟情況而自動(dòng)起搏的起搏器等均是醫(yī)用智能儀器在醫(yī)療領(lǐng)域成功應(yīng)用的范例。在醫(yī)療領(lǐng)域有許多診斷方法、治療措施由于電腦控制的加入形成了更實(shí)用更有效的智能儀器裝置，如各種病人自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)診療系統(tǒng)以及人工器官等均是智能控制技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成功應(yīng)用的范例。在許多智能化的醫(yī)療儀器中，均采用了單片機(jī)控制系統(tǒng)，由于單片機(jī)的加入提高了控制系統(tǒng)的控制水平，如微處理器控制的人工胰臟、人工腎、人工眼、人工耳等，在這些人工器官中均體現(xiàn)了單片機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)。在臨床檢驗(yàn)儀器的自動(dòng)化方面，如分光光度計(jì)、電泳儀、電解質(zhì)分析儀等由于微電腦的引入，使所設(shè)計(jì)的儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用更方便。此外，在生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)生化分析儀采集、處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與控制儀器的工作，使自動(dòng)生化分析儀的分析速度有了很大提高。其它，如計(jì)算機(jī)的輔助診斷、輔助放療計(jì)劃系統(tǒng)、脈搏信號(hào)的計(jì)算機(jī)分析等均是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域成功應(yīng)用的實(shí)例。在醫(yī)療部門臨床上醫(yī)生常需給患者輸液來(lái)治療各種疾病。由于輸液治療方式具有治療手段簡(jiǎn)單、效果好的特點(diǎn)，故長(zhǎng)期以來(lái)一直是臨床上最常使用并受到病患者廣泛歡迎的治療手段之一。對(duì)輸血時(shí)低溫情況下產(chǎn)生的不良反映，國(guó)外已研制出了輸血加熱器與輸血溫度監(jiān)護(hù)器來(lái)成功解決此問(wèn)題。對(duì)低溫時(shí)輸液會(huì)對(duì)病人產(chǎn)生不適這一醫(yī)療問(wèn)題，國(guó)內(nèi)1999年出現(xiàn)的醫(yī)用一次性輸液自熱保溫袋，采用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量對(duì)輸液進(jìn)行保溫來(lái)減緩在戰(zhàn)爭(zhēng)期間嚴(yán)冬環(huán)境下傷員的輸液反應(yīng)，由于該產(chǎn)品是一次性使用的，并且溫度不可控制，所以不適用于和平時(shí)期病房里輸液保溫的實(shí)際需要。2002年出現(xiàn)的保溫型靜脈輸液支架，采用溫控開(kāi)關(guān)進(jìn)行輸液的自動(dòng)控制（39℃通，46℃斷）。但由于輸液是典型的大慣性的系統(tǒng)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到溫度達(dá)到46℃而斷開(kāi)加熱時(shí)，溫度實(shí)際上會(huì)繼續(xù)上升；該系統(tǒng)的目標(biāo)溫度范圍（39℃~46℃）偏高存在一定的不合理性，輸液的藥液穩(wěn)定性和溫度有關(guān)，溫度愈高，藥液的化學(xué)穩(wěn)定性愈差，該系統(tǒng)設(shè)定的偏高的溫度容易使藥液在輸入人體內(nèi)之前就產(chǎn)生分解，從而影響實(shí)際療效；此外，該系統(tǒng)未考慮輸液的滴速不同帶來(lái)的影響。輸液保溫器的研究與開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)在輸液室溫環(huán)境溫度較低（0℃~15℃）情況下，將輸液出口藥液溫度保持在人體感覺(jué)舒適的溫度20℃左右，避免低溫輸液對(duì)病人產(chǎn)生的不適反應(yīng)。但在輸液時(shí)由于藥液的溫度與人體的溫度（35℃~37℃）總是存在一個(gè)溫度差，而藥液的溫度一般與室溫一致，這樣在寒冷的冬天藥液的溫度將與人體的溫度有幾十度的溫差，此時(shí)當(dāng)醫(yī)生給病人進(jìn)行輸液時(shí)，由于藥液的溫度低，輸入體內(nèi)的藥液與血液混合后將使病人產(chǎn)生不適感，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生體位性低血壓使病人頭暈甚至出現(xiàn)昏厥等現(xiàn)象。由于目前的輸液保溫器存在較嚴(yán)重缺陷，開(kāi)發(fā)一個(gè)能使輸入病患者體內(nèi)的藥液溫度保持在舒適溫度的智能儀器有臨床的實(shí)際需求。輸液保溫器的研究與開(kāi)發(fā)，將從根本上解決病人輸液時(shí)的不適感，該儀器可將輸入病患者體內(nèi)的藥液溫度控制在20℃左右(人體感覺(jué)舒適的溫度，也是特護(hù)病房的溫度)，使患者在無(wú)不適感的情況下完成輸液治療過(guò)程。因此本課題的研究具有較好的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值與較廣泛的應(yīng)用前景。 醫(yī)用智能儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的相關(guān)因素隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及與發(fā)展，大大提高了智能儀器的設(shè)計(jì)水平與應(yīng)用范圍。目前在醫(yī)療領(lǐng)域已出現(xiàn)了一些實(shí)用的醫(yī)用智能設(shè)備與儀器，這些醫(yī)用智能設(shè)備與儀器的使用提高了對(duì)疾病的診斷和治療水平，也大大促進(jìn)了醫(yī)療事業(yè)的進(jìn)步。由于醫(yī)用儀器臨床使用的特殊性，在設(shè)計(jì)醫(yī)用儀器時(shí)要考慮到一些相關(guān)因素。影響醫(yī)用電子儀器設(shè)計(jì)的基本因素有[1]：信號(hào)因素、環(huán)境因素、醫(yī)用因素、可靠性因素和經(jīng)濟(jì)性因素。(1)信號(hào)因素。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮傳感器（或醫(yī)用傳感器）所獲取的信號(hào)情況，信號(hào)應(yīng)準(zhǔn)確無(wú)誤。(2)環(huán)境因素。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮所設(shè)計(jì)的儀器使用時(shí)的特定環(huán)境所提出的技術(shù)要求。(3)醫(yī)學(xué)因素。設(shè)計(jì)時(shí)考慮儀器與人體間的作用方式?？紤]儀器具有一定的散熱性能以及儀器的絕緣性能，保證儀器無(wú)論是在正常使用時(shí)，還是在出現(xiàn)故障的情況下，均具有良好的絕緣性能，確保人身安全。(4)可靠性因素。醫(yī)療護(hù)理、監(jiān)測(cè)儀器等其失效可能導(dǎo)致生命悠關(guān)。因此，在醫(yī)用智能儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)可靠性的考慮應(yīng)貫穿于每一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要采取各種措施提高儀器的可靠性，確保儀器能長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定工作。(5)經(jīng)濟(jì)性因素。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮儀器的價(jià)格、使用壽命和兼容性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)上述五個(gè)基本因素進(jìn)行儀器初步設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試，再對(duì)儀器設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修正和調(diào)試，做出樣機(jī)，并應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間的臨床觀察和運(yùn)用，在性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，請(qǐng)有關(guān)部門進(jìn)行鑒定，然后做小批量生產(chǎn)，直至批量生產(chǎn)。 本文的主要研究工作和各章內(nèi)容安排單片機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域的運(yùn)用，使醫(yī)療器械智能化得到了大幅度的提高，極大地提升了醫(yī)療器械的功能，并催生了許多新型的醫(yī)療器械。本文針對(duì)低溫時(shí)輸液會(huì)對(duì)病人產(chǎn)生不適這一醫(yī)療問(wèn)題，研究并開(kāi)發(fā)了單片機(jī)控制的輸液保溫器來(lái)解決上述醫(yī)療問(wèn)題。設(shè)計(jì)中成功運(yùn)用PID控制理論及單片機(jī)控制技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了輸液保溫器這一新型的醫(yī)療器械。論文根據(jù)輸液保溫器的控制目標(biāo)為輸液的出口藥液溫度維持在20℃左右出發(fā)，選用高性價(jià)比的8051單片機(jī)為控制單元，采用基于PID控制算法，通過(guò)對(duì)一定室溫環(huán)境下加熱元件的加熱時(shí)間、保溫時(shí)間、再加熱時(shí)間及再保溫時(shí)間的控制，實(shí)現(xiàn)輸液出口藥液的溫度控制。分析研究了輸液保溫器系統(tǒng)的硬件與軟件可靠性設(shè)計(jì)。全文共分五章，各章的主要研究工作如下。第一章引言綜述對(duì)智能儀器的發(fā)展過(guò)程和輸液保溫器研究現(xiàn)狀作了剖析，討論了設(shè)計(jì)醫(yī)用智能儀器時(shí)應(yīng)考慮的相關(guān)因素。第二章對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了論證，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案、工作原理與工作流程，對(duì)輸液保溫器的設(shè)計(jì)思想作了討論，提出了智能儀器設(shè)計(jì)應(yīng)采用自頂向下設(shè)計(jì)、軟硬件折衷設(shè)計(jì)、性價(jià)比高的設(shè)計(jì)與高可靠性設(shè)計(jì)的思想。第三章對(duì)控制方式做了研究，并對(duì)控制方式的分類及特點(diǎn)做了較深入的分析，最終選用PID控制，在對(duì)PID的原理、分類和整定做了探討。第四章詳細(xì)論述了輸液保溫器系統(tǒng)8051中單片機(jī)的工作原理，給出了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路布置，同時(shí)還分析研究了系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì)。在下面的第五、六、七章分別對(duì)溫度和A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)碼顯示、看門狗和輸出驅(qū)動(dòng)，分三部分做了詳細(xì)論述。第八章針對(duì)輸液保溫器系統(tǒng)的工作要求，進(jìn)行了PID控制的軟件編程，實(shí)現(xiàn)了輸液保溫器系統(tǒng)的控制。研究了系統(tǒng)的軟件可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題。在結(jié)束語(yǔ)中指出系統(tǒng)存在的問(wèn)題和需要改進(jìn)的地方。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案論證輸液保溫器的控制目標(biāo)為：一定室溫（0℃~15℃）條件下將輸液出口藥液溫度控制在20℃左右。其主要技術(shù)指標(biāo)為：3分鐘。177。3℃。實(shí)現(xiàn)輸液保溫器的控制目標(biāo)，溫度的檢測(cè)與控制是兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。溫度的檢測(cè)可用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。 加熱位置與加熱方式要實(shí)現(xiàn)在室溫較低的環(huán)境下將輸液出口藥液溫度控制在20℃左右，就必須對(duì)藥液進(jìn)行加熱。因此，加熱位置與加熱方式的選擇是保證輸液保溫器正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。輸液保溫器的設(shè)計(jì)應(yīng)保證藥液在輸入患者體內(nèi)時(shí)已被加熱至20℃左右。由于鹽水瓶體積較大，而且在輸液過(guò)程中鹽水瓶?jī)?nèi)的藥液將越來(lái)越少，給鹽水瓶進(jìn)行恒溫加熱很不容易實(shí)現(xiàn)?？紤]到輸液管中的藥液量遠(yuǎn)比鹽水瓶中的少且在整個(gè)輸液過(guò)程中輸液管內(nèi)藥液的體積是維持不變的，對(duì)輸液管中藥液加熱以及溫度控制較易實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)選擇輸液管下部的一段為加熱位置。在加熱方式的選擇上，設(shè)計(jì)過(guò)程中做了幾種方案的比較：。由于電熱毯電路的單位平方能承受的最大功率遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，故不能采用[2]。，同樣由于單位平方能承受的最大功率問(wèn)題，定制的樣品沒(méi)過(guò)關(guān)[2]。在使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于鋁的加工面不能和輸液管很好的貼合，熱效益低，影響了輸液出口藥液溫度的上升[2]。，并將10cm長(zhǎng)的輸液管埋在水里實(shí)現(xiàn)熱的傳遞。這是本設(shè)計(jì)最終采用的加熱方式。選用輸液管下部的一定長(zhǎng)度的輸液管為加熱的位置，實(shí)現(xiàn)輸液管內(nèi)液體的加熱，設(shè)計(jì)時(shí)制作了一特制的加熱裝置，一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為10cm、3cm、6cm的鐵槽。之所以選擇鐵槽是因?yàn)殍F的導(dǎo)熱性能比較符合設(shè)計(jì)加熱與散熱的速度。如果溫度過(guò)高能較快的速度使熱量散發(fā)掉。在槽中加入一半高度的水恰好為100ml左右的水，使輸液管充分浸泡在水中。加熱器使用100W的電阻絲在瓷管中穿過(guò)并固定在槽的底部。加熱部分也用鐵殼包裹起來(lái)，底部設(shè)有通風(fēng)口，殼的周圍有石棉墊進(jìn)行隔熱，以免外部過(guò)熱灼傷人。，可在容器內(nèi)設(shè)一刻度線。103J/KG℃，100ml的水升高1℃約需要420J的熱量即升高每攝氏度需要4秒的時(shí)間，0℃的水升高到20℃需要80s，已能滿足設(shè)計(jì)要求。輸液管的安裝可以在水槽長(zhǎng)度的之間加一個(gè)向下硬的彎曲的彎管。這個(gè)管的兩端卡在槽兩個(gè)沿上的并可以取下，這樣輸液管可以較靈活的活動(dòng)，病人不會(huì)受到太大的束縛。 溫度傳感器安裝將傳感器固定在保溫的棉布上后將其包裹在輸液管壁，使傳感器緊貼輸液管管壁，然后將其纏上。 控制單元的確定控制單元是控制系統(tǒng)的核心，正確定位控制單元可使系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的同時(shí)還具備高可靠性與高性價(jià)比的特性。常用控制單元有微機(jī)控制、DSP控制器與單片機(jī)控制。(1)微機(jī)控制微機(jī)控制系統(tǒng)有處理速度高、存儲(chǔ)容量大、人機(jī)接口功能強(qiáng)的特點(diǎn)，但產(chǎn)品成本高。(2) DSP控制器[3]DSP控制器的突出特點(diǎn)是采用多組總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了并行機(jī)制，有獨(dú)立的加法器和乘法器，有靈活的尋址方式，可以非?？焖俚奶幚韽?fù)雜算法，廣泛使用于音頻、視頻、多媒體、家電、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，但目前成本較高。(3) 單片機(jī)控制。單片機(jī)控制有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高。(2)數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。(3)結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。(4)應(yīng)用廣泛?？捎糜跍y(cè)量?jī)x器、醫(yī)療儀器及家用電器、工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。綜合考慮后，本設(shè)計(jì)的控制單元選定了單片機(jī)作為控制單元。 驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)輸出的是0V~5V的低壓信號(hào)，不足以驅(qū)動(dòng)加熱元件。加熱元件的控制可以有兩種方式：通過(guò)控制電流的大小控制加熱元件的功率與通過(guò)控制電壓來(lái)控制加熱元件的功率。由于電流控制方法電路比較復(fù)雜，因此本設(shè)計(jì)采用通過(guò)調(diào)整輸出電壓的脈寬來(lái)控制加熱元件的平均功率。 控制方式的選擇針對(duì)特定的控制對(duì)象，選擇合適的控制方式，可以提高控制精度和降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。在對(duì)系統(tǒng)作綜合分析，考慮系統(tǒng)的輸入與輸出、控制的目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)控制的難易程度等因數(shù)的基礎(chǔ)上來(lái)決定控制方式。由于輸液保溫器實(shí)際使用時(shí)，為保證輸液不受污染，不能實(shí)測(cè)輸液出口處的藥液溫度。針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)本文采用了PID控制器，工作時(shí)采用基于溫度采集的數(shù)據(jù)，對(duì)給定輸入量作數(shù)字PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)輸液出口藥液溫度的實(shí)時(shí)控制。 輸液保溫器的設(shè)計(jì)思想 自頂向下設(shè)計(jì)考慮整體目標(biāo)，按儀器的功能將硬件與軟件分成若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊完成一個(gè)任務(wù)，并考慮各模塊之間的關(guān)系。對(duì)各個(gè)模塊采用自頂向下的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試。最后將各模塊連接起來(lái)進(jìn)行總調(diào)。 軟硬件折衷設(shè)計(jì)從儀器的功能、成本、研制周期和費(fèi)用等多方面綜合考慮軟硬件的配置。在輸液保溫器中某些功能必須用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而有些功能利用軟件或硬件都