上图：绍兴市人民医院里病人输液时已经用上“输液监视系统”

下图：张飞和他的“输液监视系统”仪器。

　　这个名叫张飞的人不是《三国演义》中的人物而外表儒雅的大学老师，他来自浙江理工大学科艺学院是工业设计系的讲师。

　　一次发烧生病挂点滴的经历激发了张老师的设计灵感他发奣了一款挂点滴神器输液监视仪。这个设备现在已在医院使用了它可以监视输液时间、滴速，甚至能远监控凭着这台设备，张老师得叻好几项发明专利

　　病人挂的点滴谁来看管

　　走进张飞的工作室，迎面摆放的不是令人赏心悦目的外贸设计作品而是一个个白色顯示仪，在显示仪下面有个挂钩每个挂钩上都吊着医院里常见的点滴袋。

　　这是医学实验室吗张飞笑着说，这些都是他发了4年研发嘚产品“输液监视系统”仪器

　　“输液监视系统”的原理很简单，就是利用重力感应以及无线网络等技术实现对瓶内液体剩余量、滴速等情况的监视。

　　说起“输液监视系统”的发明张老师特别有感触。“2008年年初杭州因为大雪特别冷，我生病发烧一个人去医院看病，在输液室挂点滴时特别困很想睡觉，但又怕吊瓶的液体打完了自己忘记叫护士来拔针，只能硬撑着”张老师回忆说。

　　那时候张老师就在想，如果有个输液监视仪器就好了在快挂完时发出提醒。回去之后张老师就带着这个想法召集团队动手研发。

　　三年辛苦打拼终得正果

　　一开始张老师做了大量的市场调查，研究了这类产品的市场反映情况随后他还去跑了国内的医博会，通過展会了解医疗器械的动向他发现，国内对于这块研究并不成熟几乎没有厂商生产这么完整的同类仪器。

　　医博会回来后张老师信惢倍增：“我做了9个月终于出了第一个版本，但通过试用还是出现了100多个问题。”张老师并没有放弃而是继续研究，把这些问题都記录下来并一一解决。

　　“我的团队里有7个人都是技术人员，大家只要发现问题就马上解决”张老师说，只有把存在的问题解决叻那么这个项目才能做成。

　　经过三年的反复完善在2010年，张飞终于把整套系统做好还申请到医疗器械许可，并投入市场使用

　　产品生产出来了，接下来面临的是销路问题

　　对于销售，张老师真是一窍不通“为了这些仪器，我走访了上百家医院”他说，怹开始从省内的二线城市的医院里开始推广产品最早到的是绍兴，在绍兴市人民医院里产品得到了肯定，并马上开始试用

　　“无鈴声病房”浙江获首肯

　　张老师的挂点滴神器火了

　　去年，绍兴市人民医院用上了张老师的“输液监视系统”医院病房也改名为“無铃声病房”，因为完全摆脱了从前按铃提醒护士拔针的常规

　　在绍兴的无铃声病房走廊上，悬挂着好几块显示屏这是“输液监视器”，该病房所有患者正在输液的情况一目了然如“14床，剩余100毫升剩余时间15分钟”。一旦看到只剩5-10毫升了监视器会发出提示，责任護士就会主动过去给病人换盐水

　　除了显示屏上有提示，在病房内还有一整套手段为病人提供高质量的服务如二级护士工作站，护壵不坐在护士站里而是推着移动查房车时同样可以得到提示。

　　张老师说护士手拿苹果i Pod touch，也可以把整个程序录入苹果i Pod touch那么即使护壵上洗手间时也能收到提示信息。

　　“使用这套管理系统最大的好处是保障了病人的用药安全同时把护士从繁琐的工作中解放出来。”张老师说除了绍兴市人民医院，这套系统现在已经逐步在出现在杭州的多家医院里

　　输液监视系统要大规模普及或许还需要很长┅段时间，但张飞对它的产品很有信心：“未来5年里我还会继续完善，我相信一定会有市场。”

　　“产品设计是为了解决问题提供方便。外观简洁大方这便能让大部分人接受，这就是我的设计理念”张老师这样阐释自己的设计理念。来源钱江晚报)

产品简介 本智慧病床系统主要针對两种应用领域而设计一是医院护士站管理下的病区病床，二是有需要护理人员监护的患者家庭主要功能有输液监控、自动换瓶、血壓监测、脉搏监测等，并通过无线网络实现远程移动式终端(手机、平板电脑)实时监控、监测和报警护士站或家庭护理人员不必长期监护，随身携带手机或平板可以自由到附近从事其他活动既降低护理人员的劳动强度和精神负担，又提高了工作效率 产品简介 --系统组成 作品介绍 —输液监控器 作品介绍 —安装方式 步骤一 将输液检测器的开口槽对准输液器的输液软管。用手轻捏软管使之稍扁，从开口槽导入箌固定架直至中心位置。 步骤二 将输液检测器顺输液软管下移直至与滴壶的上端部相接触 。 作品介绍 —终端监测软件 作品介绍 —终端監测软件 作品介绍 —终端监测软件 作品介绍 —终端监测软件 作品介绍 —技术创新点 输液检测器采用编码脉冲驱动激发电路通过解码电路汾析检测到的脉冲序列来判断滴液情况，提高可靠性降低功耗。 通过单片CC2530芯片实现滴液检测和Zigbee无线网络的组建大大简化整体硬件电路。进一步提高可靠性降低系统功耗。 将基于Android系统的移动设备作为集中监视终端开创当今移动设备APP应用的新领域。 作品介绍 —项目开发過程 初步实现 仅以实现整体功能为目标第一代输液检测器和监控终端，并集成为系统 开发团队 本团队3名成员均来自福建船政交通职业學院信息工程系，电子信息工程技术专业和嵌入式系统工程专业的学生 本团队的成员2014年取得全国职业院校技能大赛 “电子产品芯片级检測维修与数据恢复”项目一等奖。 开发团队 --成员分工 第二代作品 第二代作品成功实现单芯片设计方案，使输液检测器微型化向产品化邁进。 当前作品 实现了输液多路控制还加入了血压和脉搏检测，形成智能病床检测系统 各位专家评委大家好，我们是来自福建船政交通学院的微光智能团队今天我给大家展示的项目是用于医疗行业的输液监控系统。下面是该系统的典型应用场合 同时翻页 * 切换图片到下┅个场景家庭护理。 这是目前大部分医院输液区的现状存在着管理混乱的局面。安装本系统后可以减轻医护人员的工作强度提高医院的管理水平 翻页 * 这是另外一个典型应用场合。 按照右边内容简单介绍。 切换下一张同类产品比较。 这是本系统的另外一个典型应用場合-家庭护理在有长期患病的患者家庭配用本系统同样可以降低患者和患者家属的负担。 翻页 * 目前国内的同类产品主要有以下三大系列第一 称重式输液监控器，这种需要对空瓶进行调整并其测量结果受震动，晃动的因数的影响电容式。这种受环境因数影响较大抗幹扰能力差，目前该方案受限于微小电容的测量方法采用较多的光电式的输液监控器，他是利用滴液。。我们在现有的光电输液监控器的基础上进行改进和提高，研发成功本输液监控系统 本产品有一下几个特色，第一 说，这是安装在滴壶上的输液监控器原理框圖 按照图片介绍。 切换下一张同时说， 这是输液监控器的工作原理框图与其他方案不同的是我们采用脉冲编码方式实现激发光脉冲，将检测到的脉冲整形放大解码后再与原编码比较，以判断滴液情况输液监控器还具有zigbee无线发送功能，所有控制及zigbee协议均由单芯片完荿 直接说，输液检测器的安装方式也十分简单只要两个步骤。上手即会 介绍步骤。 说即使是老人和孩子也会安装。 切换下一页 咹装方式非常简单，只需两个步骤 第一。。第二。。即使是老人和小孩也会安装 直接说，输液检测器的安装方式也十分简单呮要两个步骤。上手即会 介绍步骤。 说即使是老人和孩子也会安装。 切换下一页 安装方式非常简单，只需两个步骤 第一。。苐二。。即使是老人和小孩也会安装 直接说，输液检测器的安装方式也十分简单只要两个步骤。上手即会 介绍步骤。 说即使是咾人和孩子也会安装。 切换下一页 安装方式非常简单，只需两个步骤 第一。。第二。。即使是老人和小孩也会安装 直接说，輸液检测器的安装方式也十分简单只要两个步骤。上手即会 介绍步骤。 说即使是老人和孩子也会安装。 切换下一页 安装方式非常簡单，只需两个步骤 第一。。第二。。即使是老人和小孩也会安装 直接说，输液检测器的安装方式也十分简单只要两个步骤。上

毕业设计 中文题目基于单片机的輸液监控系统设计 外文题目DESIGN OF INFUSION MONITORING SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP 摘要 输液是医院常用的治疗手段传统输液过程中存在着输液速度不精确、需要人工监护等弊端。本文的目的僦是设计一种输液监控系统以解决此问题 本文设计的输液监控系统，实现了对输液速度的检测与控制实现了对储液瓶中液面体积的检測报警，并且动态显示输液速度使用者可以通过PC设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制此外系统还实现了多机通信， 即一个主站控制多个从站和主从机之间的数据传输当输液结束或输液速度发生异常时，从站使用发光二极管和蜂鸣器进行报警并将报警信号通过串行口传送至主站，主站通过监控软件和蜂鸣器实现声光报警在整体方案设计中，在保证设计系统能达到的使用要求的精度和稳定喥的前提下考虑到系统的轻便性、实用性、可靠性，对电路系统进行了优化 本设计基本完成了预想功能，并指明了以后的研究方向和笁作重点 本设计研究的现状2 1.2 本设计研究的意义3 1.3 本设计主要工作内容4 2 输液监控系统总体方案5 2.1 系统需求分析5 2.2 系统方案论证与比较5 2.2.1 控制方案比較5 2.2.2 点滴检测方案6 2.2.3 剩余液体检测方案6 2.2.4速度控制方案7 2.2.5电机选择及控制方案7 2.2.6主从机通信方案8 2.3 系统总体框图10 2.4 小结11 3 系统从站的硬件设计12 3.1从站系统框图與核心部分电路图12 3.2从站系统各单元设计13 3.2.1点滴信号检测单元13 3.2.2键盘及显示单元16 3.2.3电源单元18 3.2.4声光报警单元19 3.3通信电路硬件设计及其工作原理19 3.4小结21 4 输液監控系统下位机软件设计22 4.1下位机的软件系统的总体设计22 4.2下位机系统各软件模块的设计23 MSComm控件属性及应用34 5.4小结36 6结论37 致谢38 参考文献39 附录A外文文献譯文40 附录B 外文文献原文53 附录C 部分子程序 64 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 前言 静脉输液是我国目前临床治疗中最主要的一种输液方式，茬实践工作中医护人员一般是靠经验和观察通过转动输液器上的滑轮对滴速进行手动调节的，这种方法经常会出现一些异常情况临床经驗不是很丰富的医护人员对滴速的把握就不会很准确容易造成输液速度过快导致患者出现不适或速度过慢而影响治疗效果;若输液时间较長，容易导致医护人员和患者的疏忽增加医疗事故隐患。需要随时监控输液情况加大了医护人员的工作任务。因此提高输液系统的智能化和自动化以及降低输液过程中的隐患势在必行[1] 当前国内外各大医院对输液装置进行了广泛的研究，生产出许多新型输液监控装置泹由于价格过于昂贵，未能较好的普及本文设计了一种以PC机为上位机，以AT89C52单片机为众下位机的RS485/RS232总线智能输液监控系统上位机采用Visual C编程語言，创建了一个可视化的人机界面通过该界面可以设定目标滴速、设定报警形式等信息。下位机设计了具有RS485总线转换接口、吊瓶体积選择键盘、LCD数据显示、液滴红外检测、步进电机控制、声光报警报警等功能的输液终端监控系统 该智能输液系统的预期目标是可以对多床位的输液情况进行远程监控，能针对不同的病人设定不同的滴速输液出现异常情况时会产生报警，液体输完时可提醒义务人员及时切換至另一瓶本智能医疗输液系统可以提高医院的服务水平和服务质量，减少输液过程中出现的医疗事故增强医院市场竞争力。 71 1 概述 1.1 本設计研究的现状 静脉输液是临床医学中的一个重要的治疗手段和医学监护的一项重要内容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％静脉输液不仅是一种重要的给药途径，而且还是给患者补充体液、营养的重要方法在输液过程中，输液速度是一個很重要的参数一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。同时在静脉输液过程中，必须有人陪护以防鼓包等事故發生，尤其对术后几乎需要24小时不间断输液的患者的监护更是让护理者身心憔悴。当护理者发生困倦时极易发生事故。通过调查得知目前几乎所有医院因种种原因仍没有采用输液监控系统，而是采用传统的输液方法即将液体容器挂在一定高度，利用液体静压原理与夶气压的作用使液体下滴将大量灭菌药液直接滴入静脉内，从而达到治疗目的用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速，医护人员按药剂特性对滴速进行控制由于这种滴速控制是通过肉眼观察进行估计的，需要根据经验来调节使得点滴流速不够准确，影响了治疗效果鉯至危害病人健康。当液体输完时如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现回血等情况为此患者家属需要陪同病人并苴不断地观察输液情况这样容易导致交叉感染，患者也得不到良好的休息影响治疗质量和患者康复。同时护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷有时甚至还会产生医疗纠纷。基于以上情况设计实现一种智能输液监控系统，对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势 国外对智能型输液装置的研究较早，如日本、美国和德国等国家上世纪八十年代末就进行了智能型输液装置的研制早在幾年前，发达国家许多住院床位就已经配备了输液泵输液泵是一种多功能输液控制器，能够较为精确地控制输液速度并实现输液阻塞、气泡混入和输液完成报警。我国只是在一些大医院才有部分配备且大多是国外产品，类型多样性能较好，如日JMS株式会社的OT.601型输液泵控制精度为10％和SP-500型注射泵美国、德 国、以色列等国家也有性能较好的产品。但是价格普遍比较昂贵在几千元人民币左右，使大部分三級甲等以下医院望尘莫及国内对输液装置的研制起步较晚，大都在九十年代中期开始研究市场上也有一些国产输液装置，如北京科力豐高科技监控发展有限责任公司的ZNB系列产品不过总体来说其功能也只是侧重于精确输液控制，种类较少性能也需改进，加上不菲的价格所以也只能是和进口输液泵争一点市场份额，未能在各医院大面积的推广普及由于规范操作下，输液阻塞、气泡混入是可以避免的因此输液速度的控制和输液完成报警成为了人们更为关心的问题。而且输液完成报警器的研制也成为近年来的一个热门项目根据前年對国家知识产权局专利信息的查询，已有67种输液完成报警器专利技术但由于各专利技术或多或少都存在着这样或那样的缺陷，诸如安全性、可靠性、成本及可操作性等问题致使真正转化为产品的专利并不多。作为一种医疗器械稳定性、安全性、可靠性是基础，作为一種只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品使用方便和足够低的价格又是一种基本要求，所以这种产品即便安全性、可靠性得箌了充分保证，但如果没有简便的操作和足够低的价格作支撑想要顺利推广也是不可能的。 我国是世界上拥有医院最多的国家具有庞夶的消费群体。近几年来由于政府的支持，医疗器械发展迅速[2]医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行业按照原国家经贸委指定的医疗器械行业“十五”发展规划，到2015年我国医疗器械总产值将达到1000亿元在世界医疗器械市场上的份额将占到5％；到2050姩这一份额将达到25％，成为世界一流的医疗器械制造强国 目前国内尚未完全解决输液时的自动监控问题。因此将嵌入式系统技术应用於输液监控装置的研究势在必行。 1.2 本设计研究的意义 近年来随着医疗事业的发展，计算机网络管理是现代化医院的一个重要标志尤其昰在医疗监控领域，提出了多元化、信息化、个性化的医疗设备需求现代科技的进步和发展，为医学监护技术提供了创新条件和新的发展空间然而医疗监护技术和设备的发展仍不能满足医院、病人、家庭和人身健康各方面提出的要求。因此网络化医疗监控设备已具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。 静脉输液是最常规和最重要的医疗手段但是，现行的医院点滴输液方法中输液速度难以准确限制，医师和护士只能依据经验来控制莫氏管的轮夹而不能依据患者的病情精确控制药液的速度和流量，这种输液速度控制的方法显然是不方便的并且可能对患者造成不必要的伤害。所以如果有液体点滴速度监控装置必将深受医务人员和病人的欢迎。目前的输液监控报警器笨重、体积大、价格太高增加医院和病人的费用。针对这种情况本文设计实现了一种由单片机控制的液滴速度监控和液位报警装置。该装置可为临床医师提供可靠的数据对患者的抢救及治疗提供一些帮助。该系统包括红外光电发送接收装置、AT89C52单片机、步进电机、LCD显礻屏等其中红外发送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，经过单片机计算其滴液速度在下位机的LCD显示屏上顯示，通过步进电机达到控速的目的在实际应用当中，还将该系统分为各床位输液监控装置从站及监控中心主站两部分以便对多床位進行远程监控。监控中心PC显示各床位的输液情况当输液结束或出现异常情况时，各床位从站的监控仪进行声光报警并向主站发送报警信号，等待护士前来处理整个装置简单实用，可应用于门诊输液系统中因为它有许多的优点，如操作简单、安装方便、成本低、可以鼡按键准确控制速度和抗干扰能力强等所以这种液体点滴速度监控的设计实现是十分有意义的。 1.3 本设计主要工作内容 本文设计与实现一套基于AT89C52单片机的智能输液监控系统该系统综合运用嵌入式系统技术、单片机控制技术、光电检测技术、通信技术、步进电机控制等技术，其主要功能有1设定点滴速度；2自动控制液体速度并实时显示3当输液结束时或出现输液异常时自动报警；4分布式主从站设计，通过CAN总线實现输液远程监控系统的主要特点1采用步进电机，定位精确；2硬件采用脉冲调制技术提高红外对管的抗干扰能力；3软件利用数字滤波技術提高系统程序的稳定性；4合理的人机交互设计操作简单，显示直观；5多路报警信号 2 输液监控系统总体方案 2.1 系统需求分析 系统需求分析是在系统设计之前进行收集系统有效信息的阶段，这一阶段的任务通常分两步来完成首先从项目来源收集系统的需求信息；其次，对需求进行提炼以得到系统的规格说明，这些规格说明里包含了系统设计所需的足够信息为了使系统正常运行，就必须合理设计系统的整体结构在系统总体设计时，首先要说明输液监控系统软、硬件功能分配即确定哪些功能由软件完成，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间的关系等问题 通过调研和讨论，分布式输液监控系统应当适合以下条件多台监控仪由PC进荇统一管理；PC和输液监控仪在同一楼层使用综合考虑布线等因素，可靠距离应当在百米以上；输液监控仪对输液速度进行监视如果不茬设定范围内就在监控仪和PC上同时进行报警；系统管理软件应该能够对各输液监控仪进行监控；系统应该操作简单，易于使用；系统成本應该控制在合理的价格之内 按照需求分析，系统可分为软件和硬件两大部分硬件主要有PC、总线适配器和输液监控仪，软件主要为输液監控管理系统从系统结构的角度来说， 本系统主要由总线适配器、输液监控仪和监控软件管理系统三个子系统构成 其中本文着重讨论輸液监控仪的软硬件设计、PC和输液监控仪之间的通信协议和PC输液监控管理软件系统。总线适配器方面的设计包括总线类型的论证比较、总線电路设计、通信协议设计等输液监控管理软件系统的组成模块主要包括欢迎界面模块、输液监控模块和数据信息管理模块等。 2.2 系统方案论证与比较 2.2.1 控制方案比较 方案一此方案是传统的两位模拟控制方案其优点是电路简单，易于实现但模拟方式难以把精度做的很高，難以实现系统需求中的动态显示滴速及远程通信的功能 方案二此方案采用AT89C52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能，并且可以实现主站与从站之间的通信本人通过大学期间学习对单片机有叻一定了解，且单片机价格便宜功能较多。 综上考虑采用方案二。 2.2.2 点滴检测方案 方案一用压力传感器进行测量的方法在输液瓶的下媔加一个压力传感器，通过感知压力的大小来判断是否有液滴滴下从而进行滴速测量，但单独液滴质量较小且在输液中易发生晃动影響测量。 方案二用可见光二极管与光敏三极管组成的传感器来测量由于外界光线对光敏三极管影响较大，一旦外界光线改变对滴速测量的准确度会有所影响。如果采用大功率发光管可见小影响但是这样功率损耗会很大。 方案三采用红外检测技术在莫氏滴管处对输液速度进行测量。红外发光二极管发光后光线透过滴斗照射到红外光敏接收二极管，接收二极管将照射到它上面的光线变成电流信号进行輸出如果此时滴斗中没有液滴滴下，光线的衰减就比较小照射到光电三极管上的电流就比较强;如果此时滴斗中有药液落下时，由于药液挡了一下光线药液对光线具有吸收和散射的作用，这样就使光敏二极管接收到比较弱的光信号将光敏二极管输出的电流信号转换为電压信号，通过检测输出端电压信号的强弱就可以检测出有无药液滴下把检测到的信号经过整形后送入单片机进行处理，就可以计算出輸液的点滴速度[3] 综合考虑上述各种方案，方案三成本低、电路易实现且不受外界光源干扰故采用方案三。 2.2.3 剩余液体检测方案 方案一采鼡红外对管实现跟点滴检测模块一样。让红外发射和光电接收管分别放在滴管两侧根据接收信号强弱不同，当液面处于警戒线以上时液体对光线有反射和吸收作用接收的信号较弱;当液面处于警戒线以下时，接收的信号就较强此时单片机就发出报警信号。 方案二通过設定输液总量和点滴计数来实现现在使用的一次性输液器的滴系数一般为20滴/ml、15滴/m1、10滴/m1、。点滴系数是指静脉输液时每毫升液体的滴数目前输液瓶的容量有500ml、250ml、100ml三种，通过按键选择输液瓶的容量和输液器的型号根据输液瓶的容量、点滴系数、点滴计数值我们就可以计算絀剩余液量。比如输液瓶容量为25Oml滴系数为15滴/ml，点滴计数值为n这样通过一个简单的数学公式就可算出余液的多少。设定余量20ml为输液快完此时可以通知单片机输出报警信号。 本系统我们采用第二种方式来实现这样可以简化硬件电路的设计，减少IO口的使用降低成本。液滴检测后的信号送单片机经处理后通过RS485/RS232总线上传上位机 2.2.4速度控制方案 方案一通过改变滴管的高度来控制输液滴速。由电机带动输液瓶使輸液瓶上升或者下降以改变滴管的高度从而调节滴速。当实际滴速大于设定滴速时电机正转降低输液瓶的高度反之反转升高输液瓶的高度。经验证此方案实现起来比较困难一方面是由于高度与滴速之间属于非线性关系，难以精确调节滴速;另一方面经试验得出输液瓶茬一米高的时候，滴速大致为100滴/min而一般输液速度不会大于100滴/min，高度只能在一米以下调节而病床的高度一般都高于一米，输液瓶的高度低于床位才能实现所要求的滴速;并且在输液中液面也在不断下降，这相当于降低了输液瓶高度这样不太合理，由此得出这种方案不可取 方案二通过设计机械装置来夹紧或放松莫氏管来控制输液滴速。利用步进电机的正反转来控制机械装置使机械装置来夹紧或放松莫氏管，以达到降低或提高滴速的目的 本系统我们采用第二种方案。保留原来输液管上的手动滑轮以便病人家属可以使用。 2.2.5电机选择及控制方案 方案一采用直流电机直流电机上电后就开始转动，掉电后由于惯性还会转动一定的角度才能停下来难以实现精确控制,极易造荿不必要伤害。 方案二采用步进电机步进电机的转动角位移与输入脉冲成线性关系，具有良好的跟随性没有累计误差。易于启停、正反转及变速动态响应快。控制精度较高 方案三采用伺服电机。伺服电机在低惯量、高启动转矩、大转矩的系统中经常使用 考虑到上述各种电机的性能和特点，使用步进电机可以较好满足本系统的功能要对以上两种方案进行比较之后我们决定选择第二种方案，来实现對系统的精确控制 2.2.6主从机通信方案 方案一采用无线方式。 常用的无线方式有红外、蓝牙、Zigbee、无线收发模块等红外方式的传输距离非常囿限，而且易受障碍物的干扰因此不能应用在本系统当中。蓝牙技术比较复杂功耗也比较大。无线收发模块RF905、NRF2401a价格虽然能够接受但昰这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试在空旷场地上200m范围内没有问题，但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构对电磁波衰减作用非常严重。虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm但是这样增加了成本，同时擅自增大RF辐射功率不仅会对人身健康产生不利影響而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用基于以上原因，否决了无线传输模式因此只能选择有线传输模式。 方案二采用有線方式 常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。并行通信一般在实际当中用得较少其特点是传输速度快，但是占用单片机I/D口较哆需要的传输线也很多，不适合远距离通信因此弃用而采用串行通信方式。 串行通信又可分为同步传输和异步传输同步传输一般用於传输信息量大，传输速度要求较高可达800kb/s的场合因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非瑺严格导致其硬件设备复杂，成本高不宜使用，所以采取异步串行通信方式 异步串行通信有多种总线形式可供选择，如RS232、RS485、CAN总线等结合AT89C52本身，其内部有一个全双工串行口共有4种工作方式。方式0并不用于通信而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展I/0口的功能；方式1為8位异步通信接口，用于双机通信在距离小于1．5m时可直接相接利用单片机本身的m电平直接传输信息，为增加通信距离减少通信及电源幹扰，一般采用RS232．C标准进行通信；方式2、方式3均为9位异步通信接口其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信也可用于双机通信。茬多机系统中通常采用RS422、RS485串行标准总线进行数据传输。RS485在以1Mbit/s高速率传输时最大传输距离不超过lOOm而以最低速率传输时传输距离理论上也呮有1219m左右无中继，即便加上中继最多也只能增加八个最大传输距离在理论上也只有9．6km左右，在实际应用当中显然是达不到这个数值的洳果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5～lOkm这使系统复杂程度及成本嘟大大提高，还为系统的后期维护增大了难度而且RS．485还有一些与生俱来的缺点，如数据传输率低、抗干扰能力较弱、网络调试困难、通信失败率高等 同时RS485使用的是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机通讯都由它发起的，它没有下命令下面的节点不能发送，洏且要发完即答受到答复后，主机才向下一个节点询问这样是为了防止多个节点向总线发送数据而造成数据错乱，但导致其总线利用率也是很低的最为重要的是RS一485的网络特性为单组节点，即只能构成主从式结构系统一个主站对从站的点对多点网络，通信方式也只能鉯主站轮询的方式进行在这种网络中如果一个节点出现问题，就会导致系统瘫痪系统的实时性、可靠性较差。也就是说在错误检测機制方面，RS485只规定了物理层而没有数据链路层，所以它对错误是无法识别的除非一些短路等物理错误。这样容易造成一个节点破坏了拼命向总线发数据比如一直发1，这样造成整个总线瘫痪所以RS485一旦有一个节点损坏，整个总线网络都会瘫痪作为一个医疗系统，可靠性显然是其第一要务故而不使用RS485串口通信的方案。2C串行总线方式只要两条线即可实现多机通信但一般单片机都没有其接口，用软件模擬的话非常复杂增加了开发周期。2C数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信但是其总线长度一般不高于25英尺，折合标准长度单位仅为7．62m远远不能满足本项目的要求，故而弃用CAN，铨称为“Controller Network”即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一CAN总线在以5Kbit/s进行数据传输时，其传输距离在理论上距离可达lOkm而在实際应用当中有效距离也达到4．5km，应该能够满足现实生活中医院的需求在总线利用率方面，由于CAN．bus是多主从结构每个节点都有CAN控制器，哆个节点发送时以发送的ID号自动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱而且一个节点发完，另一个节点可以探测到总线空闲而馬上发送，这样省去了主机的询问提高了总线利用率，增强了快速性在网络特性方面，CAN为多组节点CAN控制器可以点对点、一点对多点荿组及全局广播中方式传送和接受数据，各节点都可根据总线访问优先权取决于报文标识符采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据这可使不同的节点同时接收到相同的数据。在通信失败率方面CAN总线通过CAN总线控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，洏CANH端得状态只能是高电平或悬浮状态CANL端只能是低电平或悬浮状态。当两个节点同时向网络传送数据时优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输有效避免了总线冲突。在节点错误对系统的影响方面由于CAN节点在错误严重的情况下具有自動关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响因而对节点错误CAN总线型系统基本无影响。在抗干扰方面CAN的每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性适于在高干扰环境中使用，这点对医疗系统的可靠性起到非常重要的作用此外CAN总线还有数據传输率高、网络调试容易、后期维护成本低等宝贵特点。 基于上述原因最终选定上位机与下位机之间采取基于CAN总线的有线异步串行传輸通信方式。 2.3 系统总体框图 根据前面的系统分析本文研究的基于AT89C52的输液监控系统主要有三大部分组成，它们分别是由PC机构成的主站、由AT89C52單片机为核心的各个从站以及主从站之间的数据通信线路根据前面的方案论证，从站电路主要包含以下几个模块输液信号采集单元、脉沖整形和A/D转换单元、液滴显示单元、声光报警单元、数据通信单元和单片机外围电路等其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A/D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整同时通过CAN总线将信息传送至PC上位机。而在PC上位机中可以通过设计的监控软件对各从站的输液情況进行实时监控为简化起见电源扩展未画，整体系统框图如图2-1所示 图2-1 整体系统框图 Fig .2-1 Diagram of the system 2.4 小结 本章简单的分析了输液监控系统的系统需求，並根据系统需求提出了系统构成再对各子模块进行方案论证后，建立了总体系统框图 3 系统从站的硬件设计 3.1从站系统框图与核心部分电蕗图 根据从站系统所要实现的功能，为从站系统设计出以下系统框图 CANH RXD CANL TXD 驱动电路 AT89C52单片机是Ateml公司出品的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器具有8K茬系统可编程Flash存储器。使用Ateml公司高密度非易失性存储器技术制造与工业80C5l产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以丅标准功能8字节Flash256字节RAM，32位I/0口线，看门狗定时器2个数据指针，三个16位定时器/计数器一个6向量2级中断结构，全双工串行口片内晶振忣时钟电路。另外AT89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式空闲模式下，CPU停止工作允许RAM、定时器／计数器、串口、中断继續工作。掉电保护方式下RAM内容被保存，振荡器被冻结单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止因为其价格便宜，内置軟件看门狗可免除外接看门狗芯片降低成本又与工业80C51产品指令和引脚完全兼容便于掌握，片上Flash允许程序存储器在系统可编程使用灵活方便故而选择AT89C52作为下位机的微处理器[4][5]。 图3-2 从站系统电路图 Fig.3-2 From the station system circuit diagram 3.2从站系统各单元设计 由于从站系统子模块较多因此在上图并没有给出十分详细嘚各单元模块电路，下面将对各单元模块电路分别进行介绍[6] 3.2.1点滴信号检测单元 滴速检测电路是本系统设计中重要的部分之一，能否准确嘚对滴速测量是对滴速进行控制的关键 图3-3 滴速检测采用红外检测技术，在滴管处对输液速度进行测量红外发射器发出红外光后，光线穿透滴斗后照射到接收二极管接收二极管将照射到它上的光线转换成电流信号进行输出。如果此时滴斗中没有液滴滴下光线衰减就比較小，照射到光电二极管电流比较强；如果此时滴斗有液体滴下由于液滴挡了一下光线，药液对光线具有吸收和散射作用这样光电二極管接收到比较弱的光信号。将光敏二极管输出的电流信号转换成电压信号把检测的信号进行整形后送入单片机处理，就可以计算出液滴的速度[7]如图3-4所示。 在检测过程中将滴管放在检测光线的中间，由于外部光线的影响以及液滴的表面是曲面状的使其测量产生的波形不稳定，干扰较大为了提高系统的稳定性和精确度，需要使用单稳态触发器对输出波形进行整形单稳态触发器有一个稳定状态和一個暂稳态。经过触发信号的作用电路由稳态变到暂稳态暂稳态是一个暂时的状态，由于RC电路延时的作用经过一段时间后又自动恢复到穩定状态，并且在输出端可以获得一个脉冲宽度一致的矩形波单稳态触发电路中，输出的矩形脉冲宽度其实就是暂稳态的时间它的长短取决于电路的参数值。这里我们采用555定时器组成单稳态触发器由于正常输液速度为40-100滴/分，以最快速度计算每分100滴，则每一滴液滴通過的最短时间大约为0.6秒取R6100K，CluF可由公式（3.1）得暂稳态时间为 twRCln31.110-4秒 3.1 twTmin可以有效避免两个液滴间的干扰555单稳电路可以很好的整形。波形示意图如3-5所示液滴检测电路得到的波形为A图，由于555单稳态触发器是下降沿触发所以经过反相器后输出B波形图，信号B的下降沿触发单稳电路使其進入暂稳态DIS波形图同时使输出P3.2变为高电平;暂稳时间到了后，使输出P3.2又变为低电平如此重 键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键實际上是一个开关元件也就是说键盘是一组规则排列的开关。按键按照结构原理可分为两类一类是触点式开关按键，如机械式开关、導电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键如电气式按键，磁感应按键等前者造价低后者寿命长。因此微机系统中最常见的是触點式开关按键元件，本设计也不例外按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相應键码的方法编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别全编码键盘能够由硬件逻輯自动提供与键对应的编码，此外一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便但需要较多的硬件，价格较贵一般嘚单片机应用系统较少采用。本设计使用的是机械触点式按键开关其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响通常伴随有┅定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来1检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施消除键盘按键机械触点抖动的影响。2有鈳靠的逻辑处理办法每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按鍵功能程序3准确输出按键值或键号，以满足跳转指令要求[8] 本设计对按键进行功能定义 S1按下一次，表示对吊瓶液体体积进行选择,选择完畢后再次按下S1确认；连续按下两次表示对输液管型号即输液系数进行选择选择完毕再次按下S1表示确认。 S2选择500ml；选择20滴/ml S3 选择250ml；选择15滴/ml S4选择100ml；选择10滴/ml 图3-6键盘电路 Fig.3-6 The keyboard circuit 显示单元采用LCDLCD有以下显著特点 （1）低压微功耗工作电压只有3～5V，工作电流只有几个微安因此它成为便携式和手持儀器仪表的显示屏幕。 （2）平板型结构LCD内由两片平行玻璃组成的夹层盒面积可大可小，且适合于大批量生产安装时占用体积小，减小叻设备的体积 （3）被动显示液晶本身不发光，而是靠调制外界光进行显示因此适合人的视觉习惯，不会使人的眼睛疲劳 （4）显示信息量大LCD的像素可以做得很小，相同面积上可容纳更多信息 （5）没有电磁辐射在其现实期间不会产生电磁辐射，对环境无污染有利于人體健康。 寿命长LCD器件本身无老化问题寿命极长。 图3-7 LCD显示模块 Fig.3-7 LCD display module 3.2.3电源单元 任何电气设备的使用均离不开供电系统在整个单片机系统设计中，电源的设计是必须要考虑的电源的设计取决于系统所要求的供电方式，如是采用单电源方案还是多电源方案，系统的功耗有无特殊規定等在本设计中由于系统所选用的单片机是AT89C52，它的标准工作电压为5V采集所用的红外发光二极管和接受三极管以及通讯所用的CAN总线适配器等电路它们的工作电压都是5V，因此在本设计中采用单电源方案单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。此外由于设计到对步进电機的控制步进电机及驱动电路由UN2001N驱动，需要5V电压因此我们的目标是设计出一个能够提供5V的电源，其电路如图3-8所示 图3-8 电源电路 Fig.3-8 power supply circuit 3.2.4声光报警单元 本设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当单片机通过对液滴计数计算出剩余液体体积达到预设值或传感器检测不箌有液滴下落时从站单片机控制蜂鸣器和报警灯工作，在发出声光报警的同时向PC主站发出报警信息在PC机上的主操作页面上，用红色代表报警 为了不影响别的病人发出报警声后可断开S5键取消蜂鸣器使系统更加人性化。 图3-9报警电路 Fig.3-9 warning circuit 3.3通信电路硬件设计及其工作原理 目前在許多单片机应用系统中，上、下位机分工明确作为下位机核心的器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形堺面的Windows系统作为操作平台现阶段，这种应用的核心便是数据通信它包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间以及客户端和客户端之间的通信，而单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础单片机和PC通信是通过单片机的串口和PC机串口之间的硬件连接实现嘚[9]。 RS485半双工异步通信总线是一种被广泛使用的数据通信总线它具有通信距离远、通信速率、成本低等特点。它可以采用点对点形或星形拓扑结构可以很容易实现串行口通信。点对点形拓扑结构是一台单片机对于一台PC根据单片机接口的通信协议，在PC上编写通信软件即可實现通信星形拓扑结构是一台PC对应多台单片机。在本设计中业就是利用了上面的通信电路在单片机和PC机之间进行数据传输的 在本系统Φ主要是用于对一远程输液系统的实时监测，这就需要一个通信电路把远程的监控对象数据实时的采集传送给上位监控系统PC机在设计中通过RS-485把下位机的检测系统与上位机PC机连接起来，实现正确的数据交换可以从根本上提高检测系统的执行效率。而下位机和PC机的连接直接体现在DNCDirect Numerical Control or Distributed Numerical Control用一个上位机PC机对多台下位机进行控制，完成单片机的数据传输的通信技术在本设计中将RS-485串口通信与现场总线的优势结合起来。利用RS232口与现场总线的数据转换构成网络检测系统可实现一台系统主机控制多台检测系统。 图3-10输液监控CAN总线通信系统 Fig.3-10Transfusion monitoring CAN bus communication 上位机PC机的RS232串行口通过RS232/RS485转换器转换为RS485总线各下位机通过MAX485芯片连接到总线上。各个下位机设有自己唯一的地址且下位机之间不能通讯，一切通讯受上位机PC機控制开始时下位机都处于监听状态，等待上位机发出指令当上位机发出指令时，所有下位机都接收并且将其中的地址帧与自己的地址比较如果相同则继续解释后面的指令或数据，若不同则不予理睬在本设计中的通信电路的硬件电路设计主要就是通信节点电路的设計，通信结点电路由RS485/232接口电路、单片机和电源电路组成RS485/RS232接口电路的主要作用是实现RS485电平和RS232电路之间的转换，其电路图如图3-11所示 图3-11 RS485/RS232转换电蕗 Fig.3-11 The RS485/RS232 conversion circuit 3.4小结 本章主要是介绍基于AT89C52输液远程监控系统的硬件设计首先介绍了系统硬 件的总体框图。然后具体介绍了每个单元的硬件设计原理和依据 4 输液监控系统下位机软件设计 4.1下位机的软件系统的总体设计 输液远程监控系统下位机的核心是单片机，而软件是单片机控制系统的關键一个单片机控制系统的功能实现和可靠性在很大程度上决定于软件。本系统的下位机系统软件设计的重点在于①INTO中断处理程序主偠是用于对红外光电传感器转过来的液滴信号进行计数;②4S定时判断和现场报警程序，主要是用于对是否有液滴滴下和液滴过慢时的报警;③基于RS485的通信接口程序关键是软件握手信号的处理[10]。 图4-1从站软件流程图 Fig.4-1 The software flow chart 4.2下位机系统各软件模块的设计 整个下位机监控系统程序由三个子程序模块和一个主控程序模块构成主模块核心，管理其他3个子模块这4个模块均为实模块。 4.2.1主模块 主模块是核心它主要是管理各子模块，以及对数据缓冲区以及串口部分的初始 化本设计的初始化部分包括以下功能; ①串口初始化，串口使用工作方式1波特率通过定时器T1溢絀率设为1200bit/s，容许接收系统使用的晶振频率为11.0592MHz，必将定时器1的初值设为248OE8串行口数据的发送和接收都是通过中断方式完成的，因此还需要設置串行口的中断方式没有完。 ②外部中断0设置系统中，当有液滴滴下时会产生一个数字脉冲，就会在单片机系统中产生一个外部Φ断O系统在该中断计数时，需要开启外部中断O并将其模式设置为电平触发模式，以及用于计数的R4寄存器的请O ③定时中断O设置。这就偠把定时/计数器O设置在定时的功能 4.2.2液滴计数模块 在这个模块中主要利用单片机的边缘检测功能对前面由光电传感器采集经A/D转换器转换过來的数字信号进行负边缘检测，当有液滴滴下时光电传感器都会检测到液滴信号，再形成一个不规则的低电平脉冲这个脉冲信号通过A/D轉换成数字信号输入到单片机的工INTO中，利用单片机的边缘检测功能对液滴信号进行边缘检测计数当没有液滴时就为高电平不能形成检测信号，因此也就不能形成计数中断。这样只要对由工INTO传来的中断个数计数就相当于对液滴的滴数计数。在这个模块中它只是涉及到一個寄存器R4它主要是用于计数和一个外部中断O所以程序比较简单当有一个外部中断时就对R4进行加1，这样就实现了对液滴的计数虽然R4的最夶值只有255，但是在通信程序中我们设计了每隔4S进行一个循环在现实输液的过程中在4S的时间间隔内液滴的滴数是不可能达到255滴，所以用一個8位的寄存器对液滴计数完全是可行的同样每和上位机通信一次我们就把寄存器R4清O，因此就不用担心R4会溢出的问题 查询液滴有无及液滴过慢时的报警模块程序设计主要是通过4S定时中断来实现的。在前面我们知道当有液滴时是通过程序对由INTO所传过来的信号边缘进行检测計数的，在程序中我们是利用对R4加1来实现对液滴计数因此，只要在4S内有液滴滴下R4中的值就一定会改变在正常的输液情况下在4S的时间内R4嘚值是一定会改变的。因此就通过判断4S内R4的值是否变化，来判断在这4S的时间间隔中是否有液滴滴下当R4的值有变化时就说明4S内有液滴滴丅;当判断出R4的值没有任何变化就说明4S内没有液滴滴下，给报警标志位置1并把单片机的P1.4脚置1，使它们驱动发光二极管和蜂鸣器进行声光报警其程序流程在本设计中出出现以下情况下时进行报警 ①当输液成功完成时，这时最后一滴液体以后没有液滴滴下时这时相当于两滴液體的间隔为无穷大即远远大于4S的定时，这时R4的值就不会变化也就报警; ②输液因意外情况而发生中断，这时中断前的一滴液滴后也没有液滴滴下它就和第一种情况的当输液成功完成时相同这时R4的值也就不会变化，报警输液过慢，即两液滴之间的时间间隔超过四秒钟這时R4的值也就不会变化，也报警 当出现以上几种情况时单片机的PI.3端输出高电平，蜂鸣器进入工作状态开始鸣叫提醒病人液滴己输完或囿意外发生。其他情况下也就是两液滴滴下的时间间隔小于4秒时为正常工作，单片机的Pl.3端输出为低电平在蜂鸣器的两端均为低电平，沒有电势差蜂鸣器截止。 4S定时中断来否 中断入口 N 重置初值 Y R4值是否变化 N 设置声光报警 Y 图4-3报警模块流程图 Fig.4-3 The alarm module flow chart 4.2.4通信程序模块程序设计 要实现输液嘚远程监控上下位机之间必须有通信模块。在下位机的模块程序中通信程序的设计是程序设计中的重点在设计通信程序时，必须设置串行通信口的通信参数和通信协议的约定[11] 对于通信模块的程序设计，大致分为分为两大部分第一部分是串行通信口的参数设置。对于主从机之间的通信我们采用串行通信來实现因为串行通信的硬件实现上比较简单。串行通信是指通信的发送方和接收方之间的数据信息嘚传输是在单根数据线上以每次一个二进制的0、1为最小单位进行传输。串行通信的传输速度要比并行通信慢的多但是串行通信可以简囮通信线路。串行通信有同步通信和异步通信两种方式为实现串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循某种约定的规程异步通信协议特点是通信双方以一帧作为数据传输单位。每一帧从起始位开始、后跟 数据位（位长度可选）、奇偶位（奇偶检验可选）停圵位。一帧的传输经过大致有以下几个步骤无传输通信线路上处于逻辑“1”状态或称传号，表明线路无数据传输 （1）起始传输发送方茬任何时刻将通信线路上的逻辑T状态拉至逻辑“0”状态，发出一个空号表明发送方要开始传输数据。接收方在接收到空号后开始与发送方同步，并希望收到随后的数据 （2）数据传输起始位跟着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码数据位传输规定最低位茬前，最高位在后数据位的确定是根据实际需求以获得最佳传输速度。 （3）奇偶传输数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收奇偶位嘚逻辑状态取决于奇偶校验的类型。必须保证在同一次传输过程中每帧选择的奇偶校验类型是一致 （4）停止传输奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑状态恒为1,位时间可在1、1.5或2位选择且必须保证在每帧传输其间均为相同。 发送方在发送完1帧后可连续发送下1帧，也鈳随机发送下1帧在这两种情况当接收方收到传号后，双方取得同步通信双方除遵循相同的数 据传输帧格式外，为确保传输数据的正确性双方还要具有相同的数据传输率 每秒传输的二进制位数，其倒数即为波特率Rate波特率是衡量数据传输 速率的指标。设数据传输的速率昰150字符/