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1、 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目： 基于AT89S52单片机的医用输液液位控制报警器设计姓 名： 学 号： 平顶山工业职业技术学院 2011 年 12 月 9 日摘 要静脉输液是现在医院中常用的输液方式，大部分的输液要靠医护人员手动控制滴速，输液过程中药液温度取决于所处环境温度，医护人员要不定时的巡查，已确定输液是否结束。这样在输液高峰期，医护人员很难应付，常常会造成无法及时停止输液，而造成“回血”等现象。由于环境因素造成的低温输液反应，以及滴速不准确带来的药理反应，有时甚至会造成医疗事故，简易输液报警器在这种情况下应运而生。本设计再结
2、合实际生活和课题的实际要求，以单片机控制为核心，采用红外对射技术，光电传感技术，电机控制技术，并解决了大电流控制的问题。在分析各部分实施方案后。提出了输液检测与控制方案的设计方案。系统包括输液报警单元，液位检测单元，滴速检测单元，显示单元和电源单元。通过硬件电路的设计和软件编程的设计，实现了输液滴速计数，显示，越限报警等功能，并详细介绍了各个模块的硬件设计和工作原理，给出了各部分的软件流程。为更好的实现，自行设计了相应的机械执行机构，是红外对射和光电检测装置中液位，滴速以及电机控制的信号采集得到了保证，系统稳定性增强，使整个系统性能得到提高，实现了输液过程中滴速，液位越限报警的自动控制。本系统
3、可适当改进，在医疗输液领域有广阔的应用前景。关键字：静脉输液；单片机控制；红外对射；光电检测；滴速检测；越限报警；绪 论 随着社会现代化进程的不断推进，传统的服务方式已远远不能满足人们的需求，尤其在公共医疗设施方面，追求相关产品的安全、智能、高效已经成为必然选择，也成为企业不断研发的动力。 在医院输液(俗称打吊针)有一个难题长期困扰着病人与医护人员：在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷或入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意，当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。若处理过早，即药液还末完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等
4、。因此常引发病人的不满以至投诉，甚至使医护人员无奈。而医用输液报警器的设计和投入应用，可以较好地解决输液中所遇到的这些困扰。静脉输液是最常规和最重要的医疗手段。但是现行的医用点滴输液方法中，静脉输液器都是悬挂在病人的上头才能输液，输液速度难以准确控制，医师和护士只能依据经验来来控制墨菲氏管的轮夹，而不能依据患者病情的程度控制药液的速度和流量，这种输液控制的方法显然是不方便的，并且可能对患者赵成不必要的伤害。这对特护病人和对输液速度有较严格的病人是不方便的。传统的输液设备笨重、体积大、价格贵，增加了医院和病人的费用。输液报警器会自动监测病人输液液面的变化，当输液完毕时发出报警提示声，医护人员有足
5、够的时间拔针或换药，避免了“回血”等现象的发生。输液报警器的使用既可减轻医护人员和陪护人员的劳动强度，又能最大限度地利用药物，避免了浪费。所以有输液报警器的使用，必将受到医务人员和病人的欢迎。针对这种情况，本文设计了一种由单片机控制的液滴速度监控液面报警装置。该系统包括红外发射接收装置，AT89S52单片机，步进电机，LED显示屏和蜂鸣器等。其中红外对射传感器接收装置用于将液滴滴下一滴的信息转化为电信号传入单片机，经过单片机计算其点滴速度，并在LED显示屏上显示，用电动机控制速度。当输液完成时或出现异常情况是会声光报警。因为它有很多的优点，可以较为准确地控制速度，可以报警，设备简单，价格便宜。
6、所以对输液报警的研究十分有意义。第1章 方案设计与论证设计要求：设计并制作一台简易的医生用输液液位控制报警器。1.具有液滴速度计算功能（单位：滴/分钟），范围在0-300滴/分钟。2.当输液瓶内剩余量低于报警值时或出现意外情况时，显示控制器将发出声音报警，提示输液者。3. 显示器：4位一体数码管。4. 采用蜂鸣器报警，音乐声自定。5. 自行设计并制作满足本设计任务要求的+5V电源供电。1.1 点滴检测方案比较 方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大，此
7、方案一定不可取。 方案二：不调制的红外对外传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部光源等干扰。 方案三：脉冲调制的红外对外传感器。红外对射管的最大工作电流是由其平均电流决定的采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。输液管莫非氏 管的形状决定了检测滴速的方法,药液在滴管处以液滴的形式一滴一滴滴落。光源发出的光垂直照射滴管并在滴管的剖面的中心线上，光线经过滴管没有折射发生（如图1-1所示）。而液滴滴落的过程中要经过滴管的中心线，当有也液滴经过光源和红外
8、对射管之间时，光线会发生折射和散射，导致接收器收不到光信号，这时红外对射管的输出要产生一个电压跳变，利用这个电平跳变可以实现对经过滴管的液滴进行计数。示意图如图1-2所示图1-2 红外对射滴速检测示意图图1-1 光线走向示意图图 因此，本方案采用方案三。1.2 液位检测方案比较 方案一：使用拉力传感器间接测量。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用液位高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑，在设计系统中不合适。 方案二：利用超声波测量液面高度。利用超声波在不同物质，不同密度内传播速度不同的原理，通过检测超声波发射后的回拨时间来检测超声波穿过物质的结
9、构，利用MCU定时控制超声波的发射，利用中断接受检测到的回波，然后经MCU的数据处理获得需要的数据。此系统中，可预先测定液位到达警戒线时的回拨时间，然后将每次测量结果与此进行比较，便可得知是否到达警戒液位。超声波测距准确，是一种常用的测距方法。但是超声波探测不可避免的存在一些盲区，盲区的大小与相应的MCU处理速度相关，在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿模块及相应的软件算法以改善超声探测随环境温度的变化所产生的变化。考虑到软、硬件的复杂程度及要求的测量精度，以及本系统存在液体产生的表面波动，使用超声波传感器检测液面会产生较大的误差，同时超声波传感器安装方位的确定也是一大难题。 方案三：使用光
10、电传感器定点対液面进行监测。可以采用红外对管进行实现。根据接收管接收到的光强大小（时间间隔3秒）来判断液位是否到达警戒线。利用光在不同媒质界面的折射和反射原理，通过光电传感器接受光信号实现液面检测功能。此外光电传感器安装方便，只需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上（图1-3）即可，不需要详细计算储液瓶液面高度，简化了外围电路结构。图1-3 光电传感器安装示意图 综合比较上面三种方案，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。1.3 速度控制方案 对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案： 方案一：采用输液软管夹头松紧程度来控制液体的流速，控制滴速夹移动的距离
11、很小，但是滴速夹的松紧过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难以计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。方案二：通过电机和齿轮系统控制莫非试管的松紧程度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对莫非试管的控制，从而达到控制液滴流速的目的。原有的输液管上配有一楔形手动控制滴速控制装置，内有滑槽，通过推动滑槽上的圆形滚轮来控制输液的快慢。在本系统的滴速控制中，保留原有的控制装置以备应急使用，应用电机来控制输液的滴速。方案如下（图1-4）：电机选用步进电机，利用电机的旋
12、转，通过装配一螺杆，将旋转运动变为直线运动，推动（或者拽回）螺杆一端带有内螺纹的滑块挤紧（或者放松）莫非氏管,从而实现输液滴速的自动控制。第一项和第二项方案经过综合比较，使用电机控制度来实现控制效果较好，因此决定选择第二项的方案。图1-4 电机控制滴速示意图1.4 电机选择及控制方案 常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。 方案一：直流电机上电即可转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停止，如果要 求准确控制其转动的角度，其闭环算法比较复杂，系统硬件也会相应麻烦。 方案二：伺服电机的机械特性较好，输出功率大，启动转矩大，驱动电路简单，正反转控制容易且 有抱死功能，
13、但有由于其实际价格偏高，不适合普遍使用。 方案三：步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行元件。步进电机转矩相对直流电机大，控制精度比较高，其步进转过的一个角度也固定，适用于较精确的测量，这可有效提高输液速度的控制精度。 因此，电机选用步进电机最佳。第2章 系统的硬件设计2.1芯片介绍 2.1.1 AT89C52单片机1. AT89C52单片机内部结构单片机的功能框图（如图2-1），在一块儿小芯片上集成一个微机计算机的各个部分，其核心部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，有算术逻辑单元（ALU）、位处理器、累加器（ACC），寄存器
14、B、暂存器TMP1和TMP2组成。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由控制逻辑、内部振荡电路OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器PC及其增量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器PSW、RAM地址寄存器、数据指针DPTR、堆栈指针SP等组成。图2-1 单片机内部结构2.AT89C52单片机的功能及引脚兼容标准MCS-51指令系统的AT89C52单片机（图2-2）是美国ATMEL公司生产的一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，推荐时钟为0Hz-24Hz,在本系统中选取时钟周期为24Hz,片内含8k bytes的芯片简述可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的
15、随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。图2-2 单片机封装 AT89C52单片机有40个引脚， 32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线 ，AT89C52单片机可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降开发成本。外围采用两片串行输入显示驱动接口芯片MAX7219，其硬件开销小，且编程简单。 采用串行E2PROM24LC01用于工况参数的设定，这些参数设定后，在24LC01中分3个区域存放，以3中取2方式读取，以保证正确率。串行器件的选用，系统的硬件简单，调试方便。1）AT89C52单片机的主要功能特性 1)兼容MCS51指令系统 2
