【正文】 作中，醫(yī)護(hù)人員一般是靠經(jīng)驗(yàn)和觀察通過轉(zhuǎn)動輸液器上的滑輪對滴速進(jìn)行手動調(diào)節(jié)的，這種方法經(jīng)常會出現(xiàn)一些異常情況 :臨床經(jīng)驗(yàn)不是很豐富的醫(yī)護(hù)人員對滴速的把握就不會很準(zhǔn)確，容易造成輸液速度過快導(dǎo)致患者出現(xiàn)不適或速度過慢而影響治療效果 。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，對電路系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。此外系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信， 即一個(gè)主站控制多個(gè)從站和主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。 本文設(shè)計(jì)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對輸液速度的檢測與控制，實(shí)現(xiàn)了對儲液瓶中液面體積的檢測報(bào)警，并且動態(tài)顯示輸液速度。 I 畢業(yè)設(shè)計(jì) 中文題目：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 外文題目： DESIGN OF INFUSION MONITORING SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP II 摘要 輸液是醫(yī)院常用的治療手段，傳統(tǒng)輸液過程中存在著輸液速度不精確、需要人工監(jiān)護(hù)等弊端。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。使用者可以通過 PC 設(shè)置輸液速度，系統(tǒng)將自動對輸液 速度進(jìn)行控制。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。 本設(shè)計(jì)基本完成了預(yù)想功能，并指明了以后的研究方向和工作重點(diǎn)。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。因此提高輸液系統(tǒng)的智能化和自動化以及降低輸液過程中的隱患勢在必行 [1]。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)。下位機(jī)設(shè)計(jì)了具有 RS485 總線轉(zhuǎn)換接口、吊瓶體積選擇鍵盤、 LCD 數(shù)據(jù)顯示、液滴紅外檢測、步進(jìn)電機(jī)控制、聲光報(bào)警報(bào)警等功能的輸液終端監(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。靜脈輸液不僅是一種重要的給藥途徑，而且還是給患者補(bǔ)充體液、營養(yǎng)的重要方法。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。通過調(diào)查得知，目前幾乎所有醫(yī)院因種種原因仍沒有采用輸液監(jiān)控系統(tǒng)，而是采用傳統(tǒng)的輸液方法，即將液體容器掛在一定高度，利用液體靜壓原理與大氣壓的作用使液體下滴，將大量滅菌藥液直接滴入靜脈內(nèi)，從而達(dá)到治療目的。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。為此患者家屬需要陪同病人并且不斷地觀察輸液情況這樣容易導(dǎo)致交叉感染，患者也得不到良好的休息，影響治療質(zhì)量和患者康復(fù)?；谝陨锨闆r，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，對治療過程采用自動化監(jiān)控和管理是發(fā)展的必然趨勢。早在幾年前，發(fā)達(dá)國家許多住院床位就已經(jīng) 配備了輸液泵。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。國內(nèi)對輸液裝置的研制起步較晚，大都在九十年代中期開始研究，市場上也有一些國產(chǎn)輸液裝置，如北京科力豐高科技發(fā)展有限責(zé)任公司的 ZNB 系列產(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。作為一種醫(yī)療器械，穩(wěn)定性、安全性、可靠性是基礎(chǔ)，作為一種只有普及到每一位輸液病人才有實(shí)際意義的產(chǎn)品，使用方便和足夠低的價(jià)格又是一種基本要求，所以，這種產(chǎn)品即便安全性、可靠性得到了充分保證，但如果沒有簡便的操作和足夠低的價(jià)格作支撐，想要順利推廣也是不可能的。近幾年來，由于政府的支持，醫(yī)療器械發(fā)展迅速 [2]。按照原國家經(jīng)貿(mào)委指定的《醫(yī)療器械行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃》，到 2020 年我國醫(yī)療器械總產(chǎn)值將達(dá)到 1000 億元，在世界醫(yī)療器械市場上的份額將占到 5％；到 2050 年這一份額將達(dá)到 25％，成為世界一流的醫(yī)療器械制造強(qiáng)國。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?，F(xiàn)代科技的進(jìn)步和發(fā)展，為醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)提供了創(chuàng)新條件和新的發(fā)展空間，然而醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展仍不能滿足醫(yī)院、病人、 家庭和人身健康各方面提出的要求。 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。所以如果有液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置，必將深受醫(yī)務(wù)人員和病人的歡迎。針對這種情況，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。該系統(tǒng)包括紅外光電發(fā)送接收裝置、AT89C52 單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、 LCD 顯示屏等。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，以便對多床位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)輸液結(jié)束或出現(xiàn)異常情況時(shí)，各床位 (從站 )的監(jiān)控儀進(jìn)行聲光報(bào)警，并向主站發(fā)送報(bào)警信號，等待護(hù)士前來處理。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。 本設(shè)計(jì)主要工作內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一套基于 AT89C52 單片機(jī)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。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。為了使系統(tǒng)正常運(yùn)行，就必須合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先要說明輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件功能分配，即確定哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件完成，其次要說明各部分的工作原理，以及工作中各部分之間的關(guān)系等問題。 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)。 其中本文著重討論輸液監(jiān)控儀的軟硬件設(shè)計(jì)、 PC 和輸液監(jiān)控儀之間的通信協(xié)議和 PC 輸液監(jiān)控管理軟件系統(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。但模擬方式難以把精度做的很高，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求中的動態(tài)顯示滴速及遠(yuǎn)程通信的功能。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。 綜上考慮，采用方案二。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)生晃動影響測量。如果采用大功率發(fā)光管可見小影響，但是這樣功率損耗會很大。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進(jìn)行輸出。如果此時(shí)滴斗中有藥液落下時(shí)，由于藥液擋了一下光線，藥液對光線具有吸收和散射的作用，這樣就使光敏二極管接收到比較弱的光信號。把檢測到的信號經(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]。 剩余液體檢測方案 方案一 :采用紅外對管實(shí)現(xiàn)，跟點(diǎn)滴檢測模塊一樣。當(dāng)液面處于警戒線以下時(shí)，接收的信號就較強(qiáng)，此時(shí)單片機(jī)就發(fā)出報(bào)警信號?，F(xiàn)在使用的一次性輸液器的滴系數(shù)一般為 20 滴 /ml、 15滴 /m 10 滴 /m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。比如輸液瓶容量為 25Oml，滴系數(shù)為 15 滴 /ml，點(diǎn)滴計(jì)數(shù)值為 n，這樣通過一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)公式就可算出余液的多少。 本系統(tǒng)我們采用第二種方式來實(shí)現(xiàn)。液滴檢測后的信號送單片機(jī)經(jīng)處理后通過 RS485/RS232 總線上傳上位機(jī)。由電機(jī)帶動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。經(jīng)驗(yàn)證此方案實(shí)現(xiàn)起來比較困難，一方面是由于高度與滴速之間屬于非線性關(guān)系，難以精確調(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。利用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械裝置，使機(jī)械裝置來夾緊或放松莫氏管，以達(dá)到降低或提高滴速的目的。保留原來輸液管上的手動滑輪，以便病人家屬可以使用。直流電機(jī)上電后就開始轉(zhuǎn)動，掉電后由于慣性還會轉(zhuǎn)動一定的角度才能停下來，難以實(shí)現(xiàn)精確控制 ,極易造成不必要傷害。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動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?？刂凭容^高。伺服電機(jī)在低慣量、高啟動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)中經(jīng)常使用。 主從機(jī)通信方案 方案一：采用無線方式。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。無線收發(fā)模塊 RF90 NRF2401a 價(jià)格雖然能夠接受，但是這種無線模塊并不是非常適合運(yùn)用在樓宇當(dāng)中，經(jīng)過測試，在空曠場地上 200m 范圍內(nèi)沒有問題，但是現(xiàn)代樓宇普遍采用鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，對電磁波衰減作用非常嚴(yán)重?；谝陨显?，否決了無線傳輸模式，因此只能選擇有線傳輸模式。 常用的有線方式可分為有并行通信和串 行通信。 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。 異步串行通信有多種總線形式可供選擇，如 RS23 RS48 CAN 總線等。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。 RS485 在以 1Mbit/s 高速率傳輸時(shí)最大 傳輸距離不超過 lOOm，而以最低速率傳輸時(shí)傳輸距離理論上也只有 1219m 左右 (無中繼 )，即便加上中繼最多也只能增加八個(gè)，最大傳輸距離在理論上也只有 9． 6km 左右，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中顯然是達(dá)不到這個(gè)數(shù)值的，如果真需要長距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，多模光纖的傳輸距離是 5～ lOkm，這使系統(tǒng)復(fù)雜程度及成本都大大提高，還為系統(tǒng)的后期維護(hù)增大了難度。 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。也就是說，在錯(cuò)誤檢測機(jī)制方面， RS485 只規(guī)定了物理層，而沒有數(shù)據(jù)鏈路層，所以它 對錯(cuò)誤是無法識別的，除非一些短路等物理錯(cuò)誤。所以 RS485 一旦有一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)都會癱瘓。 2C 串行總線方式只要兩條線即可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，但一般單片機(jī)都沒有其接口，用軟件模擬的話非常復(fù)雜，增加了開發(fā)周期。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。 CAN 總線在以 5Kbit/s 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其傳輸距離在賈鑫：基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 理論上距離可達(dá) lOkm，而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中有效距離也達(dá)到 4． 5km，應(yīng)該能夠滿足現(xiàn)實(shí)生活中醫(yī)院的需求。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)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(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)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸，有效避免了總線沖突。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?，適于在高干擾環(huán)境中使用，這點(diǎn)對醫(yī)療系統(tǒng)的可靠性起到非常重要的作用。 基于上述原因，最終選定上位機(jī)與下位機(jī)之間采取基于 CAN 總線的有線異步串行傳輸通信方式。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。而在 PC 上位機(jī)中可以通過設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件對各從站的輸液情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 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，再對各子模塊進(jìn)行方案 論證后，建立了總體系統(tǒng)框圖。 AT89C52 單片機(jī)是 Ateml 公司出品的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(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。另外， AT89C52可降至 0HZ 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。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。 圖 32 從站系統(tǒng)電路圖