无人点滴控制技术毕业论文设计

毕业设计（论文）论文题目无人监守点滴自动监控系统的设计

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成人高等教育毕业设计（论文）诚信承诺书学生姓名学号学习形式业余专业机电一体化技术指导老师题目无人监守点滴自动监控系统的设计诚信承诺本人慎重承诺和声明：1、本人在毕业设计（论文）撰写过程中严格遵守有关规定，恪守学术规范，所呈交的毕业设计（论文）是在指导教师的指导下独立完成；2、毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已注释说明来源；3、毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；4、本人已被告知并清楚：学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；5、若在学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。学生（签名）：2015无人监守点滴自动监控系统的设计摘要随着电子技术的发展，医疗设备也在发生着一些变化，而传统的人工式监护方式显然已经越来越不能满足当今的监护需要了。目前，我国医疗机构在进行输液治疗时，输液速度的控制还是采用人工方式常规临床输液，普遍采用挂瓶式输液，并用眼睛直接观察，依靠手动夹子来控制输液速度，这样的操作方式不能精确控制输液的速度，而且工作量大。因此，就需要既廉价又实用的医疗输液检测监控装置来满足现今的医疗需求。本系统的设计是以单片机AT89C51为核心，以键盘及光电传感器作为输入系统，以数码管及电动机作为输出系统的智能化输液控制及监测系统。键盘系统为独立式按键系统，光电传感器的功能为液体点滴的速度以及输液瓶页面高度的可靠检测。当液面低于警戒值时，系统发出警报，并可以手动除去警报。电动机具有转速可控功率大及输入脉冲不变时可保持大力矩等优点，这样就可以通过控制吊瓶的上、下缓慢移动达到智能控制液体点滴速度的目的。【关键字】单片机；光电传感器；步进电机i目录摘要 3第一章绪论 31.1研究背景及意义 31.2国内外发展和研究现状 3第二章系统方案 32.1.1液体点滴速度检测 32.1.2输液瓶液面检测 32.1.3键盘方案 32.1.4显示方案 32.1.5电动机系统方案 32.1.6点滴速度控制方案 32.2基本系统框图 3第三章系统的硬件设计与实现 33.1系统硬件的基本组成部分 33.2.1液体点滴速度检测电路 33.2.2储液瓶液面检测电路 33.2.3键盘电路 33.2.4显示电路 33.2.5步进电机驱动电路 3第四章系统软件设计 34.1液体点滴速度检测子程序 34.2储液瓶液面检测子程序 34.3点滴速度检测子程序 34.4键盘显示子程序 34.5系统的主程序设计 3参考文献 3主要研究成果 3致谢 3参考文献 错误！未定义书签。第一章绪论1.1研究背景及意义随着微电子技术和信息技术的快速发展和应用，医疗设备领域正在发生着一场悄无声息的信息化革命。尤其是近几年来，现代科技的高度发展更是为液体点滴自动监控提供了坚实可靠的技术基础。我国是世界上人口最多的国家，随着近些年来各个领域的高度发展加上环境的恶化，各种疾病日益增多，医疗消费的人群也与日俱增。虽然对医疗的改革和创新政府每年都投入巨额财政支持，但取得的效果还是微乎其微，与西方发达国家的技术还有一定得差距。目前，我国医疗设备的市场份额在全球所占的份额依然很小。根据国家经贸委的要求，我国要在2050年左右成为世界医疗器械制造强国。由此可见，我国医疗技术的改革与创新具有巨大的前景。静脉输液在各个医院的医疗工作中被广泛应用，据统计住院输液率为70%~80%[1]，它不仅是一种重要的给药途径，而且还是给患者补充体液、营养的重要方法。点滴输液是临床中一种普遍使用的治疗手段，长期以来一直靠人工控制。在传统输液中[2]，易发生一些异常情况，如管路堵塞、滴速异常及输液完毕无提示等情况。如果这些异常情况不能被及时发现，就会给病人造成伤害，严重的甚至还会造成医疗事故。因此，设计一款无人监守输液监控系统的医疗设备对提升我国医疗质量有着十分的重要帮助如（A-A）想象图。1.2国内外发展和研究现状为了提高输液过程的安全性和降低输液过程中医护人员的工作强度，国内外都对输液过程的智能监控进行了研究和试验。点滴输液监控设备的发展主要经历了下面几个阶段：（1）机械式该方法出现的比较早，利用输液瓶中液位的下降会导致其重量下降的原理，用弹簧秤对其液位进行检测。由于输液瓶重量的不同，实际情况比较复杂，此方法可靠性较差，操作使用不方便，适用性较差。（2）电容式当输液瓶中的药液液位变化，引起电容长度变化对药液液位进行监测。此类监控设备的可靠性、实用性都相对较高，但是由于输液瓶形状大小没有统一的标准，因以输液监控设备需要多种设计规格，在使用中不放便，不能投入实际使用。（3）电极式将正负两个电极插入输液器的莫菲氏管中，当液体点滴下落时就会产生中断信号，由此监测点滴的速度。这类设备性能可靠、设计简单，但是在点滴降落过程中会与电极发生接触，可能会造成一些医疗卫生等方面的问题。（4）光电式光电式是近年来较流行的点滴监控方式。它是利用药液吸收和散射的方式减弱通过液体中红外光的强度来进行测量。在莫菲氏管的两侧分别安装发射端和接收端，当液体点滴经过二者之间时，传感器感受到光线强弱的变化，将光信号转换成电信号，并由下一级处理单元进行转换处理，由此监视输液过程由于光电传感器和药液不接触，而且与液体、输液器材无关，使输液监控设备的性能有很大提高，具有易用、高效和适用性强的优点[3]。第二章系统方案2.1.1液体点滴速度检测利用光的反射原理。使用反射式红外光电传感器检测。红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，先通过放大电路的处理再通过电压比较电路的处理就可以得到单片机可以处理的脉冲信号。实现原理框图如图1-2。其中整形电路包括放大电路和比较电路。前置电路前置电路发送发送单片机脉冲信号产生整形单片机脉冲信号产生整形接收接收图1-2光反射原理检测电路此方案利用光的反射原理。使用反射式红外光电传感器检测。直接反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。2.1.2输液瓶液面检测方案三：通过软件设置完全可以通过检测点滴速度来产生报警信号，因此可以去掉液面检测电路而完全由液体点滴速度检测电路代替。这样就不需要硬件的储液瓶液面检测电路，而由软件控制。2.1.3键盘方案采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点为电路设计简单，且编程极其容易。2.1.4显示方案采用三位LED七段数码管显示点滴数目。数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。2.1.5电动机系统方案采用电机加输出量直接反馈的控制系统。本方案的执行机构是电机，电机用来调节储液瓶的高度，同时改变滴斗的高度，从而达到改变水滴的目的。利用光电传感器测试水滴的速度，再将此反馈量给控制器比较，然后通过调整高度再比较反馈量。直到调到所要的水滴速度为止，此系统为是输出量直接反馈的闭环自动控制系统。在控制的稳定性上讲，可以较稳定的调节水滴速度，再则是由于输出量直接作为反馈量，有利于输出量的稳定。显示电机电机单片机系统键盘键盘储液瓶储液瓶控制控制测量点滴速度测量点滴速度图1-6电动机驱动电路图一方面调节的步长尽可能的小，定位要好；另一方面如果停止信号到来，要能立刻停止电机。因此选择步进电机，此方案最适合不过。2.1.6点滴速度控制方案采用单片机和可编程逻辑器件控制输液软管的松紧来控制点滴速度。改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速。这样的方法虽然直观,但存在很多的缺点。首先由于对管壁施压改变其形状,其所施加的压力与流量改变的关系非线性,这给流量控制带来了难度。其次由于滴管是由塑料制成,在长时间受压后松开并不能使塑料滴液管完全恢复原形,控制装置无法保证理想的控制效果。此外,要完成滴速夹的制作有一定的困难。即使此方案有很多缺点，但以其结构小巧，可移动性强，电机要求低，机械设备简洁的优点。[6]2.2基本系统框图根据题目要求系统可以分为以下几个模块：点滴速度测量模块，储液液面检测模块，键盘显示模块，电机系统控制（点滴速度控制）模块。基本系统框图[7]如图1-5。点滴速度测量点滴速度测量单片机储液液面检测点滴速度控制控制电路电机控制键盘显示图1-5系统基本框图第三章系统的硬件设计与实现3.1系统硬件的基本组成部分本题目中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可以分为传感器检测部分和控制部分。传感器检测部分：系统利用红外对管发射接收即光电传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信号。传感器检测电路包括2个单元电路：点滴速度测量电路、储液检测电路。控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度及数码管的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、数码显示及报警功能等各项任务。控制部分主要包括3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、数码管的动态显示电路。3.2.1液体点滴速度检测电路液体点滴速度检测是整个系统的重要组成部分，检测精度是衡量系统精确性的一个最重要指标。将滴管放置在检测用槽形光耦的中间，在检测过程中，液滴呈近椭圆状向下加速运动并通过槽型光耦。由于液滴的表面是曲面，上半部与下半部将光线两次折射，使接收端接收不到光，仅在液滴中部光线可以直射穿过，产生这样的波形是不稳定的，干扰较大，系统采用了定时器NE555接成单稳态触发器，将输出脉冲波形整形后再输入单片机。因为系统滴速范围为60-80滴/分，以最快要求来算，每分80滴，两滴之间的最小间隔时间为0.75s，所设计的单稳态触发器就应该使得暂稳态的时间小于0.75s。取R=400K,C=1uF,则暂稳态的时间为T=1.1RC=0.44s，可以有效的避免两个液滴之间的干扰。当没有液滴滴落时，通过传感器的光照强度最大，产生的光电流最大，使得光敏三极管导通，它的集电极和射极之间电压很小，输出低电平；当有液滴滴落时，切断光路，产生的光电流减小，光敏三极管介质，输出高电平，根据输出脉冲电平高低情况就可以检测是否有液滴通过。[8]图2-1液体点滴速度检测电路3.2.2储液瓶液面检测电路液位检测是指输液时，当液面低于给定的输液位置时，认为输液过程己经结束，应发出报警信号，停止输液操作，以保证患者的安全液位检测电路原理图如图2-2所示。当瓶内药液液面在光路之上时，红外接收三极管不能接收到红外发射二极管发出的光，从而截止，放大器正极输入为“1”；当瓶内药液液面逐渐下降至光路附近时，红外接收二极管能接收到红外发射二极管发出的光，从而导通，放大器正极输入为“0”，此时驱动相应电路发出报警信号，通知医护人员及时采取措施。报警时的输液剩余量应该足够，符合护理人员对药液剩余量的[9]其报警信号也是由储液信号来决定的。当储液的液面的高度为2～3cm后，会由红外对管发射接收产生检测信号，即为报警信号。报警电路如图2-3所示。[10]图2-2储液瓶液面检测电路图2-3报警电路3.2.3键盘电路每个按钮开关都接10K的下接电阻，使其处于关断状态输出位低电平，而非浮空状态。要进行设定之前首先要按下“Ctrl”按钮，输出高电平给单片机的P0.0，说明设定开始。之后若按下按钮“++”，输出高电平给单片机的P0.1；若按下按钮“--”，输出高电平给单片机的P0.2。退出设定，要求同时给P0.1和P0.2以高电平,即需要同时按下按钮“++”“--”对单片机进行说明。键盘电路如图2-4所示。图2-4键盘电路3.2.4显示电路采用动态显示方式驱动3个七段数码管，来显示点滴的速度。数码管采用共阴极。3.2.5步进电机驱动电路电动机驱动电路就如图2-5示。图2-5路采用的是H型的开关驱动电路。整个的电路可以分为两级：第一级接单片机的I/O口，用射极跟随电路加大电流的驱动能力；第二级才是驱动电路。当P3.0为高电平时，Q2导通，Q1，Q3导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q5导通，Q4，Q6导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。图2-5电机驱动电路第四章系统软件设计主程序对模块进行初始化，接收从传感器传来的信号，并对此信号进行处理，输出调整信号控制电动机的转动，扫描键盘进行动态显示。用的是循环查询方式，来显示和控制点滴的速度4.1液体点滴速度检测子程序检测点滴速度子程序主要是用与系统信号的采集。经过光电传感器采集，后由施密特触发器整形，输出到单片机的端口送入单片机内部。检测点滴速度子程序如图3-1所示。开开始滴速检测，读出6秒内点滴的数目送数目到Buffer,累加得到滴速图3-1液体点滴速度检测子程序4.2储液瓶液面检测子程序本程序主要是用于测量储液瓶内部的液位高度的，当液位低于2～3cm时，发出报警信号。如果液位的高度不在此区间内，则点滴的速度照常采集，并送入单片机内部。其储液子程序流程图如图3-2所示。开开始光电传感信号变化否？发出报警信号，储液面进入2～3cm的警戒水位进入检测点滴速度子程序YN发出报警信号，储液面进入警戒水位图3-2储液瓶液面检测子程序4.3点滴速度检测子程序根据题目的设计要求，首先读出6秒内的点滴的数目（将一分种平均划分成十分），进而得到当前的点滴的速度。根据其设定的速度值与当前的点滴的速度的误差来确定电动机的正转与反转，即控制储液瓶的位置的高低，进一步影响下一个6秒内的点滴的速度，如此的循环往复。其点滴速度的电动机控制程序流程图如3-3所示。开开始当前值与设定值比较小于大于等于电动机正转，储液瓶下降电动机维持，滴速稳定电动机反转，储液瓶上升图3-3点滴速度检测子程序4.4键盘显示子程序键盘及显示字程序主要是用于判断速度有没有调整的动向和点滴速度的显示（包括当前值和设定值）。其程序流程图如3-4所示。开开始初始化继续扫描显示判断有没有键盘的按下延时子程序显示数据转化成BCD码，查表送入显示缓冲区YN图3-4键盘显示子程序4.5系统的主程序设计开开始初始化判断液位的高度，有没有产生中断有没有调整键按下调用按键处理程序换数据的BCD码转显示继续执行，等待图3-5系统主程序流程图参考文献[1]王紫婷,王瑞峰,严天峰.智能液体点滴速度监控仪.自动化与仪器仪表,2004,(5)：48-50[2]张丹彤,魏巍.智能化医疗点滴控制系统的设计与实现.吉林工程技术师范学院学报,2009,25(10)[3]宋雪丽,王虎林,万金领.基于单片机系统的液体点滴速度监控装置设计.电脑开发与应用,2007,20(5)[4]朱雷平.单片机控制双步进电机运动控制系统.电子通信与自动控制技