【正文】 技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 人民幣左右，使大部分三級(jí)甲等以下醫(yī)院望塵莫及。 國外對(duì)智能型輸液裝置的研究較早，如日本、美國和德國等國家上世紀(jì)八十年代末就進(jìn)行了智能型輸液裝置的研制。當(dāng)液體輸完時(shí)，如床旁無陪護(hù)或醫(yī)護(hù)人員未及時(shí)換藥或拔針頭，將會(huì)出現(xiàn)回血等情況。當(dāng)護(hù)理者發(fā)生困倦時(shí)，極易發(fā)生事故。 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 概述 本設(shè)計(jì)研究的現(xiàn)狀 靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中的一個(gè)重要的治療手段和醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在各個(gè)醫(yī)院的醫(yī)療工作中被廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)住院輸液率為 70％～ 80％。上位機(jī)采用 Visual C++編程語言，創(chuàng)建了一個(gè)可視化的人機(jī)界面，通過該界面可以設(shè)定目標(biāo)滴速、設(shè)定報(bào)警形式等信息。需要隨時(shí)監(jiān)控輸液情況，加大了醫(yī)護(hù)人員的工作任務(wù)。在整體方案設(shè)計(jì)中，在保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)能達(dá)到的使用要求的精度和穩(wěn)定度的前提下，考慮到系統(tǒng)的輕便性、實(shí)用性、可靠性，對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。 本文設(shè)計(jì)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸液速度的檢測與控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)液瓶中液面體積的檢測報(bào)警，并且動(dòng)態(tài)顯示輸液速度。本文的目的就是設(shè)計(jì)一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)以解決此問題。當(dāng)輸液結(jié)束或輸液速度發(fā)生異常時(shí)，從站使用發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)通過串行口傳送至主站，主站通過監(jiān)控軟件和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。若輸液時(shí)間較長，容易導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員和患者的疏忽，增加醫(yī)療事故隱患。本文設(shè)計(jì)了一種以 PC 機(jī)為上位機(jī)，以 AT89C52單片機(jī)為眾下位機(jī)的 RS485/RS232 總線智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。本智能醫(yī)療輸液系統(tǒng)可以提高醫(yī)院的服務(wù)水平和服務(wù)質(zhì)量，減少輸液過程中出現(xiàn)的醫(yī)療事故，增強(qiáng)醫(yī)院市場競爭力。同時(shí)，在靜脈輸液過程中，必須有 人陪護(hù)，以防鼓包等事故發(fā)生，尤其對(duì)術(shù)后幾乎需要 24小時(shí)不間斷輸液的患者的監(jiān)護(hù)，更是讓護(hù)理者身心憔悴。由于這種滴速控制是通過肉眼觀察進(jìn)行估計(jì)的，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)，使得點(diǎn)滴流速不夠準(zhǔn)確，影響了治療效果，以至危 害病人健康。基于以上情況，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)治療過程采用自動(dòng)化監(jiān)控和管理是發(fā)展的必然趨勢。我國只是在一些大醫(yī)院才有部分配備，且大多是國外產(chǎn)品，類型多樣，性能較好，如日 JMS 株式會(huì)社的 型輸液泵 (控制精度為 10％ )和 SP500 型注射泵，美國、德 國、以色列等國家也有性能較好的產(chǎn)品。由于規(guī)范操作下，輸液阻塞、氣泡混入是可以避免的，因此輸液速度的控制和輸液完成報(bào)警成為了人們更為關(guān)心的問題。近幾年來，由于政府的支持，醫(yī)療器械發(fā)展迅速 [2]。因此，將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于輸液監(jiān)控裝置的研究勢在必行。 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 靜脈輸液是最常規(guī)和最重要的醫(yī)療手段。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種由單片 機(jī)控制的液滴速度監(jiān)控和液位報(bào)警裝置。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，還將該系統(tǒng)分為各床位輸液監(jiān)控裝置 (從站 )及監(jiān)控中心 (主站 )兩部分，以便對(duì)多床位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。因?yàn)樗性S多的優(yōu)點(diǎn)，如：操作簡單、安裝方便、成本低、可以用按鍵準(zhǔn)確控制速度和抗干擾能力強(qiáng)等。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： (1)采用步進(jìn)電機(jī)，定位精確； (2)硬件采用脈沖調(diào)制技術(shù)提高紅外對(duì)管的抗干擾能力； (3)軟件利用數(shù)字濾波技術(shù)提高系統(tǒng)程序的穩(wěn)定性； (4)合理的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，操作簡單，顯示直觀； (5)多路報(bào)警信號(hào)。 按照需求分析，系統(tǒng)可分為軟件和硬件兩大部分，硬件主要有 PC、總線適配器和輸液監(jiān)控儀，軟件主要為輸液監(jiān)控管理系統(tǒng)。輸液監(jiān)控管理軟件 系統(tǒng)的組成模塊主要包括：歡迎界面模塊、輸液監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)信息管理模塊等。賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 這種方案方便地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)需求中的鍵盤設(shè)定和動(dòng)態(tài)顯示滴速等功能，并且可以實(shí)現(xiàn)主站與從站之間的通信。在輸液瓶的下面加一個(gè)壓力傳感器，通過感知壓力的大小來判斷是否有液滴滴下，從而進(jìn)行滴速測量，但單獨(dú)液滴質(zhì)量較小，且在輸液中易發(fā)生晃動(dòng)影響測量。紅外發(fā)光二極 管發(fā)光后，光線透過滴斗照射到紅外光敏接收二極管，接收二極管將照射到它上面的光線變成電流信號(hào)進(jìn)行輸出。把檢測到的信號(hào)經(jīng)過整形后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，就可以計(jì)算出輸液的點(diǎn)滴速度 [3]。當(dāng)液面處于警戒線以下時(shí)，接收的信號(hào)就較強(qiáng)，此時(shí)單片機(jī)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。目前輸液瓶的容量有 500ml、 250ml、 100ml 三種，通過按鍵選擇輸液瓶的容量和輸液器的型號(hào)。 本系統(tǒng)我們采用第二種方式來實(shí)現(xiàn)。由電機(jī)帶動(dòng)輸液瓶使輸液瓶上升或者下降，以改變滴管的高度從而調(diào)節(jié)滴速。并且在輸液中，液面也在不斷下降，這相當(dāng)于降 低了輸液瓶高度，這樣不太合理，由此得出這種方案不可取。保留原來輸液管上的手動(dòng)滑輪，以便病人家屬可以使用。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移與輸入脈沖成線性關(guān)系 ，具有良好的跟隨性，沒有累計(jì)誤差。伺服電機(jī)在低慣量、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)中經(jīng)常使用。紅外方式的傳輸距離非常有限，而且易受障礙物的干擾，因此不能應(yīng)用在本系統(tǒng)當(dāng)中?；谝陨显颍駴Q了無線傳輸模式，因此只能選擇有線傳輸模式。 串行通信又可分為同步傳輸和異步傳輸，同步傳輸一般用于傳輸信息量大，傳輸速度要求較高 (可達(dá) 800kb/s)的場合。方式 0并不用于通信，而是通過外接移位寄存器芯片實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展 I/0 口的功能；方式 1 為 8 位異步通信接口，用于雙機(jī)通信，在距離小于 1． 5m 時(shí)可直接相接利用單片機(jī)本身的 m 電平直接傳輸信息，為增加通信距離，遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 減少通信及電源干擾，一般采用 RS232． C 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信；方式 方式 3均為 9 位異步通信接口，其區(qū)別僅在于波特率不同，主要用于多機(jī)通信，也可用于雙機(jī)通信。 同時(shí) RS485 使用的是單主從結(jié)構(gòu)， 就是一個(gè)總線上只能有一臺(tái)主機(jī)，通訊都由它發(fā)起的，它沒有下命令，下面的節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送，而且要發(fā)完即答，受到答復(fù)后，主機(jī)才向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)詢問，這樣是為了防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，但導(dǎo)致其總線利用率也是很低的。所以 RS485 一旦有一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)都會(huì)癱瘓。但是其總線長度一般不 高于 25 英尺，折合標(biāo)準(zhǔn)長度單位僅為 7． 62m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本項(xiàng)目的要求，故而棄用。在網(wǎng)絡(luò)特性方面， CAN 為多組節(jié)點(diǎn)， CAN 控制器可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) (成組 )及全局廣播中方式傳送和接受數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán) (取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符 )采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。在抗干擾方面， CAN 的每幀數(shù)據(jù)都有 CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境中使用，這點(diǎn)對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)的可靠性起到非常重要的作用。根據(jù)前面的方案論證，從站電路主要包含以下幾個(gè)模塊：輸液信號(hào)采集單元、脈沖整形和 A/D 轉(zhuǎn)換單元、液滴顯示單元、聲光報(bào)警單元、數(shù)據(jù)通信單元和單片機(jī)外圍電路等。 圖 21 整體系統(tǒng)框圖 Fig .21 Diagram of the system 小結(jié) 本章簡單的分析了輸液監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)需求，并根據(jù)系統(tǒng)需求提出了系統(tǒng)構(gòu)成，再對(duì)各子模塊進(jìn)行方案 論證后，建立了總體系統(tǒng)框圖。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 33 滴速檢測原理圖 Drip speed detection principle diagram 滴速檢測采用紅外檢測技術(shù)，在滴管處對(duì)輸液速度進(jìn)行測量。如圖 34所示。經(jīng)過觸發(fā)信號(hào)的作用電路由穩(wěn)態(tài)變到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)暫時(shí)的狀態(tài)，由于 RC 電路延時(shí)的作用，經(jīng)過一段時(shí)間后又自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且在輸出端可以獲得一個(gè)脈沖寬度一致的矩形波。 555 單穩(wěn)電路可以很好的整形。如此重 復(fù)作用就形成了穩(wěn)定的輸出波形 。因此，微機(jī)系統(tǒng)中最常見的是觸點(diǎn)式開關(guān)按鍵元件，本設(shè)計(jì)也不例外。本設(shè)計(jì)使用的是機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)，其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關(guān)系。 (2)有可靠的邏輯處理辦法。 S2：選擇 500ml；選擇 20滴 /ml S3: 選擇 250ml；選擇 15滴 /ml S4：選擇 100ml；選擇 10滴 /ml 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 36鍵盤電路 The keyboard circuit 顯示單元采用 LCD， LCD 有以下顯著特點(diǎn)： （ 1）低壓微功耗：工作電壓只有 3～ 5V，工作電流只有幾個(gè)微安。因此適合人的視覺習(xí)慣，不會(huì)使人的眼睛疲勞。 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 37 LCD顯示模塊 LCD display module 電源單元 任何電氣設(shè)備的使用均離不開供電系統(tǒng)，在整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源的設(shè)計(jì)是必須要考慮的。因此我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠提供 +5V 的電源，其電路如圖 38所示。 圖 39報(bào)警電路 warning circuit 通信電路硬件設(shè)計(jì)及其 工作原理 目前，在許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，上、下位機(jī)分工明確，作為下位機(jī)核心的器件的單賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 片機(jī)往往只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和通信，而上位機(jī)通常以基于圖形界面的 Windows 系統(tǒng)作為操作平臺(tái)。它具有通信距離遠(yuǎn)、通信速率、成本低等特點(diǎn) 。在本設(shè)計(jì)中業(yè)就是利用了上面的通信電路在單片機(jī)和 PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在本設(shè)計(jì)中將 RS485 串口通信與現(xiàn)場總線的優(yōu)勢結(jié)合起來。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令時(shí)，所有下位機(jī)都接收并且將其中的地址幀與自己的地址比較，如果相同則繼續(xù)解釋后面的指令或數(shù)據(jù)，若不同則不予理睬。然后具體介紹了每個(gè)單元的硬件設(shè)計(jì)原理和依據(jù)。③基于 RS485 的通信接口程序，關(guān)鍵是軟件握手信號(hào)的處理 [10]。本設(shè)計(jì)的初始化部分包括以下功能 。 ②外部中斷 0 設(shè)置。 液滴計(jì)數(shù)模塊 在這個(gè)模塊中主要利用單片機(jī)的邊緣檢測功能對(duì)前面由光電傳感器采集經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行負(fù)邊緣檢測，當(dāng)有液滴滴下時(shí)，光電傳感器都會(huì)檢測到液滴信號(hào)，再形成一個(gè)不規(guī)則的低電平脈沖，這個(gè)脈沖信號(hào)通 過 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)的工 INTO 中，利用單片機(jī)的邊緣檢測功能對(duì)液滴信號(hào)進(jìn)行邊緣檢測計(jì)數(shù)，當(dāng)沒有液滴時(shí)就為高電平不能形成檢測信號(hào)，因此，也就不能形成計(jì)數(shù)中斷。同樣每和上位機(jī)通信一次我們就把寄存器 R4清 O，因此就不用擔(dān)心 R4 會(huì)溢出的問題。因此，就通過判斷 4S 內(nèi) R4的值是否變化，來判斷在這 4S 的時(shí)間間隔中是否有液滴滴下，當(dāng) R4 的值有變化時(shí)就說明 4S 內(nèi)有液滴滴下 。輸液過慢，即兩液滴之間的時(shí)間間隔超過四秒鐘，這時(shí) R4 的值也就不會(huì)變化，也報(bào)警。在下位機(jī)的模塊程序中通信程序的設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。對(duì)于主從機(jī)之間的通信我們采用串行通信來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇型ㄐ诺挠布?shí)現(xiàn)上比較簡4S 定時(shí)中斷來否？ 重置初值 R4值是否變化？ 設(shè)置聲光報(bào)警 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 單。為實(shí)現(xiàn)串行通信并保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，要求通信雙方遵循某種約定的規(guī)程。 （ 1）起始傳輸發(fā)送方在任何時(shí)刻將通信線路上的邏輯 T 狀態(tài)拉至邏輯“ 0”狀態(tài)，發(fā)出一個(gè)空號(hào)，表明發(fā)送方要開始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位的確定是根據(jù)實(shí)際需求以獲得最佳傳輸速度。 發(fā)送方在發(fā)送完 1 幀后，可連續(xù)發(fā)送下 1幀，也可隨機(jī)發(fā)送下 1幀。設(shè)數(shù)據(jù)傳 輸?shù)乃俾适?150 字符 /秒，每個(gè)字符為 8 位，則其傳輸?shù)牟ㄌ芈适牵?8 位 /字符 xl50 字符 /秒 = 1200 波特。因?yàn)闊o論什么接口標(biāo)準(zhǔn)，均只負(fù)責(zé)解釋傳輸線 上的數(shù)據(jù)值，而不解釋傳輸?shù)母鲾?shù)據(jù)值本身及遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 其組合在一起時(shí)的含義。在下位機(jī)主程序流程圖中串行口初始化在主模塊完成，使本機(jī)處于通訊狀態(tài)。選用 晶并將其優(yōu)先權(quán)設(shè)置 [12]。最后重點(diǎn)介紹通信模塊程序設(shè)計(jì)。監(jiān)控管理系統(tǒng)的歡迎界面如圖 51所示。如圖 53（ a）所示。 圖 53(a)從站 2詳細(xì)信息 （ a)From the station 2 for more information 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 53（ b)從站 8詳細(xì)信息 由圖 53(b)可以看出從站 8 處于未開啟狀態(tài)，主頁面為灰色，當(dāng)主站 PC 巡檢至從站 8時(shí)經(jīng)過三次查詢沒有反應(yīng)，故認(rèn)為通信中斷，并將其判定為未開啟狀態(tài) 。對(duì)串口而言， Windows 為相應(yīng)的串口設(shè)備開放了用戶定義的輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)，應(yīng)用程序只能對(duì)輸入 /輸出緩沖Fig53（ b)From the station 2 for more information 賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 區(qū)進(jìn)行操作。在本設(shè)計(jì)中就是使用了前者， VisualC++ Active控件中的 Microsoft Comunieation(MSConun)實(shí)現(xiàn)串口的通信的，該控件在安裝 VC++時(shí)己經(jīng)在 Windows 中注冊(cè)，因此在開發(fā)時(shí)，可以直接調(diào)用該控件。通過這個(gè)橋梁，似的開發(fā)串口通信程序的工作變得更容易。當(dāng)讀屬性時(shí)，可以讀出該屬性的當(dāng)前設(shè)置值。一般應(yīng)用與應(yīng)用程序較小，并且是自保持的場合。此時(shí)，可以利用M