智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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. 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 燕 山 大 學(xué) 里仁學(xué)院 2016年06月 . 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè) 學(xué)生姓名： 學(xué) 指導(dǎo)教師： 侯培國(guó) 答辯日期：2016年6月19日 . . 任務(wù)書 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 學(xué)院：電氣工程學(xué)院 專業(yè)(方向)：儀器科學(xué)與工程系 學(xué) 號(hào) 學(xué)生 姓名 專 業(yè) 班 級(jí) 里仁檢測(cè)12-1班 題 目 題目名稱 智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 題目性質(zhì) 1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ √ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）； 理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。 2.文管類（ ）；3.外語(yǔ)類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）。 題目類型 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ √ ） 2.論文（ ） 題目來(lái)源 科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（√ ）自選題目（ ） 主 要 內(nèi) 容 靜脈輸液的監(jiān)控常采用人工方式，輸液完成時(shí)，如未及時(shí)換藥或拔針頭，將會(huì)出現(xiàn)回血、空氣進(jìn)入血管形成空氣栓塞、凝血堵住針頭等情況，嚴(yán)重影響者的用藥安全。 研究設(shè)計(jì)一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)輸液總量進(jìn)行控制、并檢測(cè)輸液速度，輸液完成時(shí)給出提示信號(hào)，必要時(shí)自動(dòng)斷液，通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域管理 基 本 要 求 6．設(shè)計(jì)一套輸液監(jiān)測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)藥液重量的實(shí)時(shí)測(cè)量 7.設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、輸液進(jìn)度測(cè)算、異常報(bào)警功能 8.給出無(wú)線通訊及區(qū)域管理的方案 9.繪制完整的設(shè)計(jì)圖紙 10.完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 參 考 資 料 3.汪義旺.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).測(cè)控技術(shù).2015，NO》 4.刁惠民.靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)在個(gè)體化靜脈輸液中的應(yīng)用.護(hù)理學(xué)報(bào).2013，NO.10 周 次 1 — 4 周 5 — 8 周 9 —12 周 13 —15 周 16 — 17 周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 收集資料，了解輸液監(jiān)控的基本要求及常用方案，設(shè)計(jì)本監(jiān)控系統(tǒng)方案 硬件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn) 完善系統(tǒng)功能，撰寫論文 撰寫論文畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 指導(dǎo)教師：侯培國(guó) 職稱： 教授 年 月 日 注：周次完成內(nèi)容請(qǐng)指導(dǎo)老師根據(jù)課題內(nèi)容自主合理安排。 . . 摘要 本設(shè)計(jì)是基于目前輸液過(guò)程存在這樣或那樣的醫(yī)療隱患而設(shè)計(jì)的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)控制芯片、傳感器、通信方式以及點(diǎn)擊應(yīng)用比較與分析，選擇出了各部分的最優(yōu)方案。其中，輸液檢測(cè)部分本設(shè)計(jì)選擇的是HX711稱重傳感器，通過(guò)對(duì)剩余的液量的重量來(lái)判斷輸液是否完成，以及反饋給護(hù)士臺(tái)，使護(hù)士臺(tái)做出一系列反應(yīng)。如果輸液完成，會(huì)發(fā)生報(bào)警。本系統(tǒng)包括下位機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩大部分,下位機(jī)主要功能是把輸液病人的信息傳送到護(hù)士站,能夠進(jìn)行良好的通信。硬件發(fā)送電路板用在病人端，是以STC89c52RC控制芯片設(shè)計(jì)的，并輔以必要的外圍電路，實(shí)現(xiàn)液滴檢測(cè)，聲光報(bào)警、數(shù)碼顯示等功能，再通過(guò)nRF2401無(wú)線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳輸出去。接收板與上位機(jī)進(jìn)行連接并放在護(hù)士站，接收板接收數(shù)據(jù)后通過(guò)USB2.0接口把數(shù)據(jù)直接傳送到上位機(jī)。上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可以與輸液監(jiān)控器無(wú)線組網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)監(jiān)控器的監(jiān)控和管理。醫(yī)護(hù)人員可以隨時(shí)觀察到每個(gè)病人的輸液情況,一旦出現(xiàn)異常狀況,護(hù)士可以及時(shí)處理。輸液結(jié)束報(bào)警,護(hù)士及時(shí)拔針或換藥,避免血液回流。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)STC89C52RC，hx711稱重傳感器，上位機(jī)，報(bào)警 . . Abstract Square root of this design is based on the existence of one kind or another medical infusion process hazard and design a set of intelligent infusion monitoring system. Through the control chip, sensor, communication mode, and click on the application of moths comparison and analysis, choose the optimal scheme of each part. Place machine and superordination machine under this system, including the software design of two parts, the next bit machine design including sending board design and receive board design, its main function is to put the transfusion patient information transmitted to the nurse station, can be good communication. Hardware circuit board sent on the patient side, based on 89 c52 chip design, supplemented by necessary peripheral circuit, realize the droplet detection, sound and light alarm, digital display, and other functions, and then the data transfer out by nRF2401 wireless transmission module. Receiving plate and upper Keywords:microcontroller STC89C52RC、HX711weighing sensor、upper computer、give an alarm . . 目錄 摘要 I Abstract I 第1章 緒論 1 1.1課題背景、目的和意義 1 1.1.1 課題背景 1 1.1.2課題的研究目的和意義 2 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展史 2 1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4 第2章 研究方案及選擇 5 2.1輸液監(jiān)控系統(tǒng)的組成 5 2.2系統(tǒng)的工作原理 5 2.3硬件方案設(shè)計(jì)和對(duì)比分析 6 2.3.1控制方案的選擇 6 2.3.2液滴檢測(cè)方案選擇 10 2.3.3通訊方式選擇 10 2.3.4顯示模塊的選擇 12 2.3.5報(bào)警模塊的選擇 13 2.4本章小節(jié) 14 第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 15 3.1稱重傳感器 15 3.2鍵盤輸入 16 3.3顯示模塊 17 3.3報(bào)警模塊 18 3.4斷液模塊 19 3.5無(wú)線通訊模塊 20 3.6本章小節(jié) 21 第4章 區(qū)域管理的方案 23 4.1區(qū)域管理上位機(jī)管理軟件開(kāi)發(fā) 23 4.1.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 23 4.2.2上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 23 4.1.3上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì) 23 4.1.4上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì) 24 4.1.5機(jī)通信接口模塊設(shè)計(jì) 26 4.2數(shù)據(jù)處理及誤差 28 結(jié)論 30 參考文獻(xiàn) 31 附錄 . . 第1章 緒論 1.1課題背景、目的和意義 1.1.1 課題背景 改革開(kāi)放以來(lái),隨著國(guó)際交流的進(jìn)一步增強(qiáng)和國(guó)家支持力度的不斷加大,我國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)迅猛發(fā)展令世界刮目相看。資料顯示,從2000年到2009年10年時(shí)間,中國(guó)醫(yī)療器械的總量相當(dāng)于以前的6倍,2005年,除了美國(guó)和日木之外,中國(guó)己躍居世界第三。06和07年,中國(guó)醫(yī)療器械進(jìn)出口額都超過(guò)百億美元。近幾十年來(lái),中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,人民生活水平大大提高,人們對(duì)醫(yī)療保健的重視程度愈來(lái)愈強(qiáng),這樣促進(jìn)醫(yī)院及家庭對(duì)醫(yī)療設(shè)備的需求快速增加,致使國(guó)內(nèi)投入研究醫(yī)療器械行業(yè)的企業(yè)不斷增多,研究人員不斷壯大,醫(yī)療產(chǎn)品不斷豐富,產(chǎn)品功能越來(lái)越多,質(zhì)量越來(lái)越好,中國(guó)醫(yī)療器械正不斷走向全世界。 靜脈輸液是利用大氣壓和液體靜壓原理將生理鹽水、葡萄糖等藥液由靜脈輸入病人體內(nèi)的方法[1]。在臨床治療方面起到無(wú)可替代的作用。它的主要特色是給藥迅速、見(jiàn)效快,及時(shí)搶救了無(wú)數(shù)患者的寶貴生命。然而目前,輸液過(guò)程還存在各種各樣的隱患。首先,輸液速度是最令人頭疼的問(wèn)題,一般來(lái)講,輸液速度的控制大多是靠醫(yī)護(hù)人員通過(guò)旋轉(zhuǎn)液滴管上的機(jī)械滑輪,目測(cè)出大概速度,特別是對(duì)于新進(jìn)人員,由于缺乏經(jīng)驗(yàn),容易速度把握不夠準(zhǔn)確,出現(xiàn)輸液速度太快或太慢的問(wèn)題,太快會(huì)給病人帶來(lái)疼痛,太慢則起不到良好的治療效果。其次,當(dāng)患者輸液時(shí),大多需要陪護(hù)人員在旁邊不停地觀察藥液余量,以便當(dāng)藥液快滴完時(shí)通知護(hù)士及時(shí)拔針或更換藥液,有時(shí)陪護(hù)人員太累或者臨時(shí)有急事,未注意到藥液滴結(jié)束,護(hù)士未及時(shí)來(lái)處理,結(jié)果造成血液回流等情況,給病人身心健康帶來(lái)不必要的傷害,甚至帶來(lái)生命危險(xiǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題,急需研究一種功能齊全、智能、安全、方便的輸液監(jiān)控設(shè)施。使醫(yī)護(hù)人員能夠合理控制液滴速度,也可以不用陪護(hù)人員。這樣克服了目前輸液過(guò)程中浪費(fèi)時(shí)間、精力、服務(wù)水平低下等弊端。我國(guó)是人口大國(guó),醫(yī)院數(shù)量居全世界首位,輸液監(jiān)控系統(tǒng)的成功研制及其推廣應(yīng)用,將大大提高我國(guó)醫(yī)療整體服務(wù)水平,帶來(lái)良好的效益[2]。 截止2009年,資料記載目前己有67種輸液監(jiān)控方面的專利技術(shù),這些技術(shù)大多都能實(shí)現(xiàn)速度控制及結(jié)束報(bào)警等基木任務(wù),然而真正做到成功推廣應(yīng)用的專利 . 技術(shù)卻是寥寥無(wú)幾,正是由于研究人員未能深入醫(yī)院進(jìn)行深入考察,與醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行充分交流,一味蠻干,結(jié)果出現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題,譬如價(jià)格高、操作不夠簡(jiǎn)捷、保密性不夠強(qiáng)等多方面的因素[3]。我們知道,目前在一些發(fā)達(dá)國(guó)家出現(xiàn)輸液泵的應(yīng)用,它的功能相對(duì)齊全,控制比較精確,但是價(jià)格太昂貴,要想在全世界真正推廣開(kāi)來(lái)不太現(xiàn)實(shí)。要想使產(chǎn)品真正普及到每一個(gè)病人,研制出價(jià)格較低、性能較全且操作簡(jiǎn)便的智能監(jiān)控系統(tǒng)迫在眉睫。 1.1.2課題的研究目的和意義 在臨床醫(yī)學(xué)中，靜脈輸液雖然應(yīng)用廣泛，但目前普遍使用的輸液工具仍然是傳統(tǒng)的茂菲氏輸液器，且以人工監(jiān)控為主。輸液時(shí)需要將輸液瓶（袋）懸掛在輸液架上或者高于患者的穿刺部位，利用勢(shì)差將藥液輸入患者體內(nèi)，護(hù)士憑借肉眼觀察茂菲氏管中的液滴并估計(jì)輸液滴速，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)輸液器上的滑輪來(lái)控制輸液速度[4]。輸液過(guò)程中護(hù)士需要不停地巡檢，并由患者或陪護(hù)人員觀察剩余藥液量，當(dāng)藥液即將輸完或者滴速出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)通知值班護(hù)士前來(lái)處理。這樣不僅增加了醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，導(dǎo)致差錯(cuò)率大為上升，而且不利于患者的休息，影響了治療質(zhì)量。如果發(fā)生藥液輸完或者輸液管堵塞等情況而護(hù)士未能及時(shí)處理，則有可能會(huì)發(fā)生回血或其他危險(xiǎn)，給患者造成痛苦，甚至導(dǎo)致醫(yī)療事故。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展史 鑒于目前輸液過(guò)程中存在這樣那樣的安全隱患,且在輸液過(guò)程中存在耗費(fèi)人力較大等問(wèn)題,迫切需要對(duì)目前輸液狀況進(jìn)行改進(jìn),近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外一些專家爭(zhēng)相研究,輸液監(jiān)控系統(tǒng)一直在不斷改進(jìn),目前已取得不小成就,其發(fā)展主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段： 1.機(jī)械式輸液監(jiān)視階段 該方法是在輸液瓶上方掛一只彈簧秤,根據(jù)輸液過(guò)程中瓶中藥液逐漸減少,導(dǎo)致彈簧伸縮變形,由此計(jì)算出剩余液面的當(dāng)前位置,于向英等利用這種方法對(duì)輸液監(jiān)控過(guò)程進(jìn)行了多次試驗(yàn),結(jié)果證明誤差較大,這是因?yàn)檩斠浩咳莘e規(guī)格大小不同,且輸液液體密度不同等多種原因?qū)е碌?所以說(shuō)機(jī)械式輸液監(jiān)控設(shè)備可行性較差,未能得到發(fā)展[5]。 2.電容式液位監(jiān)視階段 輸液過(guò)程中,藥液液位不斷下降引起電容變化,從而根據(jù)電容的特性對(duì)剩余藥量進(jìn)行估計(jì)的[6]。這種設(shè)計(jì)思想具有一定的可取性,系統(tǒng)能夠起到一定的監(jiān)控作用,但是由于輸液過(guò)程中涉及瓶子體積不均問(wèn)題,且電容不能像電阻那樣是可以隨便調(diào)節(jié),一旦焊接固定了就不可改動(dòng),需要設(shè)計(jì)多種規(guī)格的電路,實(shí)際應(yīng)用起來(lái)太繁瑣,并不能真正推廣開(kāi)來(lái)。 3.電極式輸液監(jiān)視階段 電極式監(jiān)控方法是把兩電極插入到輸液管的莫菲氏管中,液滴下落時(shí)由于受到晃動(dòng),電極還會(huì)產(chǎn)生一定的極性反應(yīng),并發(fā)出相應(yīng)信號(hào),由此計(jì)算出當(dāng)前液體滴速,然后計(jì)算出剩余藥液體積變化,這種設(shè)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)單易行,可靠性好,但是兩電極直接放入滴管中[7]。難免與下落液滴接觸,這樣會(huì)對(duì)藥液造成污染,不符合藥品安全規(guī)范,所以并不能投入實(shí)際應(yīng)用。 4.光電式輸液監(jiān)視階段 光電傳感器能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換為某種電路,它包括發(fā)送端和接收端,使用時(shí)將其水平放在莫菲式管兩邊即可,傳感器發(fā)送端一般對(duì)外界光強(qiáng)變化較為敏感,產(chǎn)生反應(yīng),并把相應(yīng)反應(yīng)發(fā)送出去,接受傳感器接受相應(yīng)變化,把接受到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號(hào),傳給后面電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而可以計(jì)算出當(dāng)前滴速,并可計(jì)算剩余體積,由于光電傳感器不與液體直接接觸,它以不污染藥液、安全、可靠等多方面的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛支持,目前的輸液監(jiān)控設(shè)備多采用這種方法。 上世紀(jì)90年代初我國(guó)就有人開(kāi)始涉足這方面的研究。且在輸液監(jiān)控領(lǐng)域有了一定的成就,主要有以下專利和研究成果。張婉妓于90年發(fā)表專利設(shè)計(jì)了一種輸液監(jiān)控報(bào)警器包括至少一個(gè)光源發(fā)射器和至少一個(gè)光源接收器、電源模塊、控制器和報(bào)警電路,光源發(fā)射器與光源接收器要對(duì)應(yīng)設(shè)置,光源接收器輸出端連接到控制器的信號(hào)輸入端,控制器的信號(hào)輸出端再連接到報(bào)警電路的信號(hào)輸入端[8]。本輸液監(jiān)控報(bào)警器在輸液出現(xiàn)不正常時(shí)或瓶?jī)?nèi)液滴快要滴完時(shí)可進(jìn)行聲光報(bào)警。此輸液監(jiān)控報(bào)警器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、報(bào)警準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是功能較少,不能實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控。 齊齊哈爾大學(xué)的徐鳳霞等人利用MCS一51系列單片機(jī)與電力線載波芯片結(jié)合其他軟、硬件開(kāi)發(fā)出病區(qū)輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有靜脈輸液速度檢測(cè)、液面檢測(cè)、顯示、記錄、聲光報(bào)警、電力線載波通信、上位機(jī)組態(tài)等功能。該系統(tǒng)利用電力載波技術(shù)將低壓線路用作通信系統(tǒng)的物理信道,電力線是覆蓋范圍非常廣泛的網(wǎng)絡(luò),從降低有線通信系統(tǒng)的成本方面考慮,倒是一種不失實(shí)際的選擇。但是系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較復(fù)雜,應(yīng)用前景不夠樂(lè)觀[9]。 劉世平、薛大磊、葛強(qiáng)研制了輸液智能監(jiān)控產(chǎn)品,本系統(tǒng)包括護(hù)士站信息顯示板和多個(gè)輸液檢測(cè)報(bào)警器,護(hù)士站信息顯示板是由調(diào)整鍵盤電路和與其相連接的且依次排列的多個(gè)信息顯示單元組成,各個(gè)信息顯示單元分別連接與其對(duì)應(yīng)的輸液檢測(cè)報(bào)警器。此系統(tǒng)能夠同時(shí)在病房和護(hù)士站發(fā)出聲光報(bào)警,且在報(bào)警的同時(shí)能夠自動(dòng)停止輸液[10]。另外,在護(hù)士工作站可以顯示該病床輸液的相關(guān)信息。 國(guó)外對(duì)智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)也有諸多研究,相對(duì)較早,在20世紀(jì)80年代末就開(kāi)始有研究了。德國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日木等發(fā)達(dá)國(guó)家都進(jìn)行了輸液監(jiān)控設(shè)備的研究,目前主要對(duì)輸液泵的研究有了很大的成就,例如日本托普公司研制的輸液泵TOP一2000及TOP一3000,它們能夠準(zhǔn)確控制輸液滴數(shù)及輸液速度,保證藥物能夠勻速、無(wú)菌地進(jìn)入病人體內(nèi)。輸液泵對(duì)于重癥病人及某些嬰幼兒患者進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的,對(duì)病人的治療起到了很好的幫助作用[11]。SM一2100輸液泵是韓國(guó)JONGSANG公司產(chǎn)品,不同于以往的輸液方式,是一種集光、機(jī)電于一體化的智能化輸液監(jiān)控設(shè)備。同時(shí),輸液泵的功能相當(dāng)齊全。操作較方便,大大減輕工作人員負(fù)擔(dān),是患者可以放心選擇的安全設(shè)備。但是輸液泵價(jià)格普遍比較昂貴,在兩萬(wàn)元人民幣左右,其應(yīng)用在一些發(fā)達(dá)國(guó)家醫(yī)院較為常見(jiàn),而在國(guó)內(nèi)醫(yī)院還鮮有應(yīng)用。目前我國(guó)只有幾所大醫(yī)院才有購(gòu)買配備,國(guó)內(nèi)使用范圍相當(dāng)狹窄。 綜上,國(guó)內(nèi)外關(guān)于輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究雖取得了不小的成就,但是還存在很多不足。基于以上情況,本論文在借鑒前人的基礎(chǔ)上,揚(yáng)長(zhǎng)避短。努力設(shè)計(jì)更加完美的監(jiān)控系統(tǒng)。 1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 靜脈輸液的監(jiān)控常采用人工方式，輸液完成時(shí)，如未及時(shí)換藥或拔針頭，將會(huì)出現(xiàn)回血、空氣進(jìn)入血管形成空氣栓塞、凝血堵住針頭等情況，嚴(yán)重影響患者的用藥安全[12]。 研究設(shè)計(jì)一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)輸液總量進(jìn)行控制、并檢測(cè)輸液速度，輸液完成時(shí)給出提示信號(hào)，必要時(shí)自動(dòng)斷液，通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域管理。 . 第2章 研究方案及選擇 2.1輸液監(jiān)控系統(tǒng)的組成 本設(shè)計(jì)是基于目前輸液過(guò)程存在這樣或那樣的醫(yī)療隱患而設(shè)計(jì)的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)控制芯片、傳感器、通信方式以及點(diǎn)擊應(yīng)用娥比較與分析，選擇出了各部分的最優(yōu)方案。本系統(tǒng)包括下位機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩大部分,如下圖2-1所示。下位機(jī)設(shè)計(jì)包括發(fā)送板設(shè)計(jì)和接收板設(shè)計(jì),其主要功能是把輸液病人的信息傳送到護(hù)士站,能夠進(jìn)行良好的通信[13]。硬件發(fā)送電路板用在病人端，是以89c52控制芯片設(shè)計(jì)的，并輔以必要的外圍電路，實(shí)現(xiàn)液滴檢測(cè)，聲光報(bào)警、數(shù)碼顯示等功能，再通過(guò)nRF2401無(wú)線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳輸出去。接收板與上位機(jī)進(jìn)行連接并放在護(hù)士站，接收板接收數(shù)據(jù)后通過(guò)USB2.0接口把數(shù)據(jù)直接傳送到上位機(jī)。上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可以與輸液監(jiān)控器無(wú)線組網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)監(jiān)控器的監(jiān)控和管理。醫(yī)護(hù)人員可以隨時(shí)觀察到每個(gè)病人的輸液情況,一旦出現(xiàn)滴速過(guò)快或過(guò)慢異常狀況,護(hù)士可以及時(shí)處理。輸液結(jié)束報(bào)警,護(hù)士及時(shí)拔針或換藥,避免血液回流。系統(tǒng)應(yīng)用組成圖如圖2-1。 圖2-1 系統(tǒng)應(yīng)用組成圖 2.2系統(tǒng)的工作原理 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)工作室，利用重力傳感器實(shí)時(shí)采集輸液剩余量，反饋到控制器，由控制器進(jìn)行計(jì)算，并與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控平臺(tái)和接受控制指令[14]，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)的工作原理如圖2-2所示。 開(kāi)機(jī) 設(shè)定初始值 輸液剩余量采集處理 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值與設(shè)定值比較 無(wú)線數(shù)據(jù)輸出提示護(hù)士 電機(jī)裝置動(dòng)作終止輸液 遠(yuǎn)程無(wú)線控制指令 手動(dòng)設(shè)定動(dòng)作 返回 圖2-2 系統(tǒng)工作原理框圖 2.3硬件方案設(shè)計(jì)和對(duì)比分析 2.3.1控制方案的選擇 方案一：此方案采用模擬控制方案，突出優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易行，但最大缺點(diǎn)是精度較低，不易于功能擴(kuò)展。 方案二：此方案采用STC單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，超級(jí)加密，具有超強(qiáng)抗干擾性能，I/O口豐富，操作能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展。另外軟件編程方便，可實(shí)現(xiàn)各種算法和控制。數(shù)據(jù)傳送是收到的干擾小，傳輸性能好[15]。 所以本設(shè)計(jì)采用方案二。 STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。 主要特性如下 1.增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051. 2.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)） 3.工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz 4.用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié) 5.片上集成512字節(jié)RAM 6.通用I/O口（32個(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。 7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 8.具有EEPROM功能 9.具有看門狗功能 10.共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2 11.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 12.通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART 13.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)） 14.PDIP封裝 STC89C52RC單片機(jī)的工作模式 1.掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序 2.空閑模式：典型功耗2mA 3.正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA 4.掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備 圖2-3 STC89C52RC引腳 STC89C52RC引腳功能說(shuō)明 VCC（40引腳）：電源電壓 VSS（20引腳）：接地 P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載，對(duì)端口P0寫入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時(shí)，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻[16]。 P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（）。 此外，P1.0和P1.1還可以作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體參見(jiàn)下表： 在對(duì)Flash ROM編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1接收低8位地址。 表2-1 P1.0和P1.1引腳復(fù)用功能 引腳號(hào) 功能特性 P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制） P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。P2作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行“MOVX @DPTR”指令）時(shí)，P2送出高8位地址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行“MOVX @R1”指令）時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。 在對(duì)Flash ROM編程和程序校驗(yàn)期間，P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。 P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P3做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸入一個(gè)電流。 在對(duì)Flash ROM編程或程序校驗(yàn)時(shí)，P3還接收一些控制信號(hào)。 P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能，如下表所示： 表2-2 P3口引腳復(fù)用功能 引腳號(hào) 復(fù)用功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 （外部中斷0） P3.3 （外部中斷1） P3.4 T0（定時(shí)器0的外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)器1的外部輸入） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST（9引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來(lái)完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST引腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時(shí)，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來(lái)作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。 如果需要，通過(guò)將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無(wú)效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。 （29引腳）：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。 /VPP（31引腳）：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。 XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 2.3.2液滴檢測(cè)方案選擇 方案一：用可見(jiàn)光二極管與光敏三極管組成的傳感器來(lái)測(cè)量,相對(duì)于光敏二極管來(lái)說(shuō),光敏三極管具有很大的光電流放大作用,其較高的靈敏度在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)易導(dǎo)致滴速測(cè)量不準(zhǔn)確,采用大功率光敏三極管可以彌補(bǔ)這一缺憾,但是功耗太大,造成不必要的浪費(fèi)[17]。 方案二：采用紅外對(duì)管檢測(cè),紅外對(duì)管是一種利用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng),具體用法是把對(duì)管放在莫菲式管兩側(cè),紅外發(fā)送管對(duì)光的敏感性較強(qiáng),當(dāng)有液滴下落時(shí)使發(fā)送管接受到某種紅外線后會(huì)發(fā)生明顯變化進(jìn)而發(fā)送信息,紅外接收管接收到微弱信號(hào),經(jīng)放大并進(jìn)行電壓比較后再經(jīng)整形處理傳送給單片機(jī),計(jì)算出液滴速度。近幾十年來(lái),紅外傳感器以優(yōu)越的價(jià)格及優(yōu)良的性能得到廣大電子愛(ài)好者的青睞,廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各大行業(yè)之中。 方案三：用壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法。壓電傳感器主要利用壓電效應(yīng)而造成的,在輸液瓶的上方加一個(gè)壓力傳感器,通過(guò)壓力大小變化來(lái)判斷是否有藥液滴下,壓力傳感器具有價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但在本設(shè)計(jì)中會(huì)有誤差。 本設(shè)計(jì)采用方案三 電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的力，通過(guò)它產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的原件。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計(jì)采用的是電阻應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線珊上面有覆蓋層，起保護(hù)作用[18]。 電阻應(yīng)變片也有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以在測(cè)量時(shí)我們一定要注意。其中的溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A:電阻絲溫度系數(shù)引起的。B：電阻絲與被測(cè)原件對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對(duì)要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的辦法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)及溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來(lái)說(shuō)主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過(guò)線性補(bǔ)償，也可以得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。 設(shè)有一根電阻絲，如圖所示。它在未受力時(shí)的原始電阻值為 式中 : ——電阻絲的電阻率； ——電阻絲的長(zhǎng)度； ——電阻絲的面積。 電阻絲在外力的作用下，將引起電阻變化，且有 令電阻絲的軸向效應(yīng)為，由材料力學(xué)可知，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得 通常把單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化稱作電阻線的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為 從上式可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)由兩部分組成：表示受力后由材料的幾何尺寸變化引起的；表示由材料電阻變化所引起的。對(duì)于金屬材料，項(xiàng)的阻值要比小得多，可以忽略，故=。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即=1.7～3.6。上式可寫成。 2.3.3通信方式的選擇 方案一：采用有線方式借助雙絞線、同軸電纜等可進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的通信方式,其突出優(yōu)點(diǎn)是保密性好、可靠性高、抗干擾性能強(qiáng)但有線通信擴(kuò)展性能差、布線相當(dāng)麻煩、成木較高。由于有線通信是把很多線纜埋在地下,時(shí)間久了,線路容易腐化或遭到侵蝕,影響通信質(zhì)量。 方案二：采用無(wú)線方式無(wú)線通信是相對(duì)有線通信而言的,免去了布線的麻煩,即利用電磁場(chǎng)電磁波在空間中自由傳播的特征,進(jìn)行信息交換的一種通信方式。無(wú)線通信具有成木低廉、擴(kuò)展性好、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。 無(wú)線通信具有一定的移動(dòng)性,只需在終端架設(shè)天線或連接到電臺(tái)即可,無(wú)需浪費(fèi)大量人力物力去架設(shè)電線桿或挖溝埋線纜無(wú)線通信幾乎不受地理環(huán)境限制,特別是在湖泊、山區(qū)等惡劣環(huán)境中使用非常方便。有廣泛的適應(yīng)性[19]。 本設(shè)計(jì)采用方案二 2.3.4顯示模塊的選擇 方案一：用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。數(shù)碼管由于顯示速度快，使用簡(jiǎn)單，顯示效果簡(jiǎn)潔明了而得到了廣泛應(yīng)用。 方案二：用LCD液晶進(jìn)行顯示。LCD由于其顯示清晰，顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于此系統(tǒng)我們顯示要求是很高的，用LCD顯示充分發(fā)揮出LCD的顯示優(yōu)勢(shì)[20]。 由于本設(shè)計(jì)涉及到較多的參數(shù)需要顯示，所以用數(shù)碼管顯示不足以滿足要求，因此我們選擇了采用LCD1602來(lái)作為顯示模塊。LCD1602 它具有體積小、功耗低、使用方便的特點(diǎn)。 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:162個(gè)字符 芯片工作電壓:4.5—5.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 其引腳主要功能為： 第1腳：VSS為地電源 第2腳：VDD接5V正電源 第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：正極。 第16腳：負(fù)極。 2.3.5報(bào)警模塊的選擇 方案一：采用語(yǔ)音芯片提示，優(yōu)點(diǎn)可以自由設(shè)定要提示的聲音。缺點(diǎn)使用復(fù)雜，需要專門的編程軟件，成本高控制復(fù)雜，不便于普及。 方案二：采用蜂鳴器提示，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，可靠性高。 綜上所述我們選擇使用蜂鳴器來(lái)進(jìn)行報(bào)警。 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。在本設(shè)計(jì)中，主要采用電壓式的無(wú)源蜂鳴器，由 PNP型三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器。無(wú)源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是： 1.價(jià)格便宜 2.聲音頻率可控，可以做出“多來(lái)米發(fā)索拉西”的效果 3.在一些特例中，可以和LED復(fù)用一個(gè)控制口 2.4本章小節(jié) 本章首先介紹了輸液監(jiān)控系統(tǒng)的組成和工作原理，然后逐一對(duì)本課題設(shè)計(jì)所選用的各個(gè)模塊進(jìn)行對(duì)比跟分析，以及最終確認(rèn)了本設(shè)計(jì)中選用的各個(gè)模塊。其中，控制方案的選擇采用STC單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后對(duì)液滴檢測(cè)的方案進(jìn)行可比較，最終我決定使用壓力傳感器來(lái)檢測(cè)。通訊方式采用了各方面都占優(yōu)的無(wú)線通訊方式。顯示模塊采用了LCD，報(bào)警則采用簡(jiǎn)單實(shí)用的蜂鳴器。 . 第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 稱重傳感器采集模塊 信號(hào)處理 最小系統(tǒng) 顯示模塊 無(wú)線通訊 報(bào)警模塊 按鍵輸入 控制輸出 智能輸液監(jiān)控器采用以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的數(shù)組控制系統(tǒng)，主要包括信號(hào)采集、按鍵輸入、顯示輸出、控制輸出和無(wú)線通訊等。結(jié)構(gòu)圖3-1如下所示。 圖3-1 控制器硬件組成結(jié)構(gòu)圖 3.1稱重傳感器 稱重傳感器的工作原理：電阻應(yīng)變式稱重傳感器由電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路等幾個(gè)主要部分組成。彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，是粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，他的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而完成了將外力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的過(guò)程[21]。檢測(cè)電路如圖3-2所示. 圖3-2檢測(cè)電路 HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，它的電路 圖如下3-3所示。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連[22]。通道A 的可編程增益為128 或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為20mV或40mV。通道B 則為固定的32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú)需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程。 圖3-3 hx711電路圖 3.2鍵盤輸入 鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。操作者通過(guò)鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[23]。鍵盤是由若干個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)斷開(kāi)。單片機(jī)接收到按鍵的觸點(diǎn)信號(hào)后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。本系統(tǒng)一共有三個(gè)按鍵，第一個(gè)復(fù)位，即清零，對(duì)輸液瓶重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。第二個(gè)取消報(bào)警，當(dāng)液量過(guò)低時(shí)，蜂鳴器會(huì)開(kāi)始報(bào)警，這時(shí)按下第二個(gè)按鍵會(huì)使蜂鳴器停止鳴叫。第三個(gè)按鍵的設(shè)置是為了適應(yīng)不同的輸液瓶，因?yàn)榛颊哂锌赡軙?huì)進(jìn)行多次輸液，而且輸液瓶的規(guī)格不一樣，這時(shí)候就會(huì)用到第三個(gè)按鍵。先放一個(gè)空的輸液瓶上去，進(jìn)行去瓶重，然后再放上有滴液的輸液瓶，這樣就可以重新計(jì)算液滴的重量。從左到右，一次為第一個(gè)、第二個(gè)、第三個(gè)按鍵，如圖3-4所示。 圖3-4 按鍵圖 3.3顯示模塊 顯示模塊我使用的LCD1602，1602液晶模塊的引腳連線圖3-5所示。其中，第1、2腳為液晶的驅(qū)動(dòng)電源；第三腳VL為液晶的對(duì)比度調(diào)節(jié)，通過(guò)在VCC和GND之間接一個(gè)10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機(jī)的P0.5、P0.6、P0.7；數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P2口；BL+、BL-為液晶背光電源[24]。 圖3-5 1602液晶模塊的接線圖 3.3報(bào)警模塊 當(dāng)輸液完成時(shí),輸液監(jiān)控器能夠發(fā)出聲光報(bào)警,同時(shí)控制輸液阻斷裝置阻斷輸液軟管停止輸液防止血液回流,提醒輸液患者輸液已經(jīng)完成,與此同時(shí)輸液監(jiān)控器還會(huì)將輸液完成的信息通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送給位于醫(yī)生辦公室的監(jiān)控主機(jī)并報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員前來(lái)護(hù)理。誤報(bào)警會(huì)大大增加醫(yī)護(hù)人員的工作量,同時(shí)也會(huì)影響患者的治療過(guò)程。由于輸液控制器采集到的數(shù)據(jù)為輸液時(shí)的實(shí)時(shí)滴數(shù),本文判斷輸液是否完成的根據(jù)也是基于實(shí)時(shí)滴數(shù)來(lái)判斷的[25]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在正常的輸液速度下從輸液軟管的滴斗中無(wú)液滴滴下到產(chǎn)生回血現(xiàn)象,整個(gè)過(guò)程時(shí)間大約需要11秒。為了保證輸液過(guò)程的安全性,如果稱重程序檢測(cè)到剩余液量過(guò)少,就判定輸液完成。 在嵌入式軟件中,通過(guò)設(shè)定一個(gè)專用延時(shí)子程序和時(shí)間閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)。將延時(shí)子程序的時(shí)間閾值精確的設(shè)定為6秒,一但6秒記時(shí)完成且系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到任何液滴信息,則認(rèn)為輸液已經(jīng)完成,此時(shí)單片機(jī)立即控制聲光報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)同時(shí)控制輸液阻斷裝置阻斷輸液軟管停止輸液,并將報(bào)警信息無(wú)線發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)通知醫(yī)護(hù)人員輸液完成。因?yàn)樵O(shè)定兩滴液滴之間的最大時(shí)間間隔為6秒。 當(dāng)單片機(jī)判定輸液完成時(shí),會(huì)控制聲光報(bào)警單元發(fā)出報(bào)警聲音,提醒輸液患者輸液已經(jīng)完成。其中聲光報(bào)警的實(shí)現(xiàn)在通過(guò)單片機(jī)的一個(gè)口控制蜂鳴器和發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的。原理圖如圖3-6所示。 圖3-6 聲光報(bào)警原理圖 3.4斷液模塊 輸液完成后,在發(fā)出聲光報(bào)警的同時(shí)輸液監(jiān)控器最主要的工作是控制輸液阻斷裝置及時(shí)的阻止輸液繼續(xù)進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)是直流電機(jī)，它的主要作用是當(dāng)輸液結(jié)束時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，卡緊滴管，以免護(hù)士未來(lái)得及處理而造成血液回流現(xiàn)象，給病人增加痛苦。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3-7所示。 直流電機(jī)一般選用L9110來(lái)驅(qū)動(dòng)，從電路中可以看出它具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，是兩道芯片，電機(jī)直接加在兩輸出端，器電流驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，單通道能驅(qū)動(dòng)750～800mA持續(xù)電流[26]。L9110應(yīng)用非常廣泛，在控制電機(jī)運(yùn)作時(shí)也比較安全、可靠。引腳圖如圖3-8所示。 圖3-7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖3-8 L9110引腳圖 圖3-9偏心輪斷液裝置 圖3-10 電動(dòng)機(jī) 當(dāng)輸液快要結(jié)束時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)見(jiàn)圖3-10。但是只有直流電機(jī)是不夠的，要想真正的起到阻塞作用，還需要其他器件，本設(shè)計(jì)選用偏心輪及卡子，偏心輪見(jiàn)圖3-9。卡子的具體作用就是相當(dāng)于一個(gè)當(dāng)班，而偏心輪的選擇特別重要，偏心輪由電機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)正常輸液時(shí)，滴管放在卡子與偏心輪中間，當(dāng)輸液結(jié)束時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪與卡子緊緊地把滴管夾緊，同時(shí)伴隨聲光報(bào)警，提醒護(hù)士來(lái)處理。 3.5無(wú)線通訊模塊 在整個(gè)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸都是通過(guò)無(wú)線傳輸芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中,我們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性有較高的要求。另外由于醫(yī)院中的電磁環(huán)境比較復(fù)雜因此要求無(wú)線傳輸芯片還必須具備較強(qiáng)的抗干擾能力[27]。根據(jù)上述對(duì)芯片的一此要求,系統(tǒng)選擇了nRF2401作為系統(tǒng)的無(wú)線傳送芯片。 nRF2401工作模式有四種關(guān)機(jī)模式、空閑模式、配置模式、收發(fā)模式，如圖3-10所示。工作模式由PWR_UP、CE和CS三個(gè)引腳決定 表3-1 無(wú)線模塊工作模式配置表 工作模式 CE CS PWR_UP 關(guān)機(jī)模式 — — 0 空閑模式 0 0 1 配置模式 0 1 1 收發(fā)模式 1 0 1 收發(fā)模式有直接收發(fā)模式和ShockBurstTM收發(fā)模式,直接收發(fā)模式時(shí),天線與傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器工作一樣,具有一定的不足。木設(shè)計(jì)采用ShockBurstTM收發(fā)模式,這種方法有三大優(yōu)點(diǎn)；（1）節(jié)能,利用堆棧區(qū),先入先出節(jié)省資源；（2）系統(tǒng)費(fèi)用低,低速微控制器就能進(jìn)行高達(dá)1Mbps速率的發(fā)射；（3）抗干擾能力強(qiáng),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間較短,不易受到外界干擾。另外,在此模式下,nRF2401具有CRC校驗(yàn)碼和自動(dòng)處理字頭的功能。在發(fā)射時(shí),自動(dòng)加上相應(yīng)字頭并進(jìn)行CRC校驗(yàn)接收時(shí),能自動(dòng)去除所加字頭并CRC進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)發(fā)送完成后,DR引腳電平變化,告知微控制器發(fā)送過(guò)程結(jié)束。 ShockBurstTM發(fā)射流程:所用接口引腳為CE，DATA，CLK1. A. 把CE腳置高電平，無(wú)線模塊nRF2401處于收發(fā)工作模式，開(kāi)始工作； B. 把接收地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按相應(yīng)時(shí)序發(fā)送入無(wú)線模塊中； C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401后進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射； D. Nrf2401開(kāi)始ShockBurstTM發(fā)射 a) 射頻前段通電； b) 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包，自動(dòng)加字頭，進(jìn)行CRC校驗(yàn)； c) 數(shù)據(jù)包高速發(fā)送； d) 發(fā)送結(jié)束，CE置低電平，無(wú)線模式進(jìn)入空閑模式。 3.6本章小節(jié) 本章首先介紹了以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的數(shù)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，然后分別對(duì)稱重傳感器HX 711、鍵盤輸入部分、顯示模塊、報(bào)警模塊的電路圖進(jìn)行了介紹。然后又給出斷液的方案，即使用電動(dòng)機(jī)加一個(gè)偏心輪的方式實(shí)現(xiàn)斷液。最后給出了無(wú)線通訊的可行方案。 . 第4章 區(qū)域管理的方案 4.1區(qū)域管理上位機(jī)管理軟件開(kāi)發(fā) 4.1.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 1、標(biāo)準(zhǔn)性和先進(jìn)性,本系統(tǒng)充分體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)性并符合軟件發(fā)展趨勢(shì),采用了目前成熟的、先進(jìn)的軟件技術(shù)和產(chǎn)品,注重關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)性,全系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、可靠性和安全性。 2、實(shí)用性,輸液監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以功能齊全、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用方便為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。 3、開(kāi)放性,整個(gè)監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合國(guó)際上大型應(yīng)用軟件的發(fā)展趨勢(shì),易于后期維護(hù)與升級(jí)。 3、操作簡(jiǎn)易性,在開(kāi)發(fā)該軟件的過(guò)程中,堅(jiān)持“以人為本”的指導(dǎo)思想,努力實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)具備界面良好、操作簡(jiǎn)便、性能良好等特性[28]。 4.2.2上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 本系統(tǒng)采用National Instruments公司的LabWindows/CVI進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabWindows/CVI是National Instrument公司退出的一套面向測(cè)控領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它以ANSIC為核心，在C++平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的可視化編程工具，是編程更加簡(jiǎn)單。將功能強(qiáng)大，使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集，分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，交互式編程方法，豐富的控件和庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，可以直接把控件拖到窗體并使用，同時(shí)窗體也是一個(gè)控件,減少了大量的控件和窗體開(kāi)發(fā)。為熟悉語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng),自動(dòng)測(cè)量環(huán)境,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。 4.1.3上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì) 輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主控PC機(jī)部分主要工作在于上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件是在Windows環(huán)境下利用Lab Windows編寫的一個(gè)可視化窗口程序。它的主界面如圖4-1所示。 圖4-1 主界面圖 作為幾個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的主控單元,PC端軟件的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,它需要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、保存以及根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行控制等多種功能。根據(jù)不同的功能實(shí)現(xiàn),上位機(jī)軟件可以分為以下幾個(gè)主要模塊。 1、輸液界面顯示,主要是為用戶提供操作直觀簡(jiǎn)便的控制、顯示界面,方便用戶觀察和控制整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。在整個(gè)輸液的界面上有通信參數(shù)設(shè)置、開(kāi)始輸液的時(shí)間、醫(yī)院信息、患者信息和輸液的速度以及在異常情況下的報(bào)警等。 2、通信接口部分模塊主要是負(fù)責(zé)通信協(xié)議的處理,數(shù)據(jù)的打包,解包以及錯(cuò)誤檢測(cè)。同時(shí),上位機(jī)軟件在性能上要做到具有一定的容錯(cuò)能力[29]。 4.1.4上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì) 輸液報(bào)警器的用戶顯示界面如圖4-2所示,它是用于顯示當(dāng)前從機(jī)輸液的情況包括:醫(yī)院編號(hào)、患者編號(hào)、開(kāi)始輸液的時(shí)間、以及開(kāi)始輸液、停止輸液二個(gè)按鈕和二個(gè)通信參數(shù)復(fù)選框。 在開(kāi)始輸液前先進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置,選擇與無(wú)線接收器進(jìn)行通信的機(jī)算機(jī)COM口與傳輸速率如圖4-3所示,因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中所用的RS232總線進(jìn)行傳輸,在保證傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定的前提下我們給予波特率4800-11520bit/s的選擇范圍,在默認(rèn)的情況下為使用COM1口以9600bit/s的波特率進(jìn)行傳輸。在通信過(guò)程中輸入不同的病人代碼可以了解不同的患者當(dāng)前的輸液情況。 圖4-2 用戶顯示界面圖 圖4-3 機(jī)算機(jī)COM口與傳輸速率圖 4.1.5機(jī)通信接口模塊設(shè)計(jì) 在Windows環(huán)境下,串口是系統(tǒng)資源的一部分。應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信,必須在使用前向操作系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求打開(kāi)串口,通信完之后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。在Windows的系統(tǒng)函數(shù)中,均包含了支持通信的中斷的功能。對(duì)串口而言,Windows為相應(yīng)的串口設(shè)備開(kāi)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)輸入輸出緩沖區(qū)進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)進(jìn)入串口的操作均由系統(tǒng)后臺(tái)完成。 Lab Windows/CVI有許多標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù),其中的RS232函數(shù)庫(kù)提供了各種方式的串口通訊控制函數(shù)和I/O函數(shù),一共可分為打開(kāi)關(guān)閉函數(shù)、I/O讀寫函數(shù)、調(diào)查制解調(diào)函數(shù)、串口設(shè)置函數(shù)、寄存器狀態(tài)函數(shù)和回調(diào)函數(shù)6大類。其中部分較常用的函數(shù)如下: 開(kāi)/關(guān)閉函數(shù)，具體功能如表4-1所示。 其中：OpenComConfig可設(shè)置串口通訊的波特率、校驗(yàn)方式等參數(shù)。 I/O讀寫函數(shù) I/O讀寫函數(shù)提供了多種讀寫方式，這里只介紹部分函數(shù)，如表4-2所示。 表4-2 I/O讀寫函數(shù)功能 函數(shù)名 函數(shù)功能 ComRdByte 從串口讀一個(gè)字符 ComWrByte 從串口寫一個(gè)字符 ComRd 從串口讀一個(gè)字符塊 ComWrt 從串口寫一個(gè)字符塊 調(diào)制解調(diào)器控制函數(shù)，具體功能如表4-3所示。 串口設(shè)置函數(shù)，利用這些函數(shù)可以有效地控制串口各種通信行為，具體功能如表4-4所示。 表4-1開(kāi)/關(guān)函數(shù)功能 函數(shù)名 函數(shù)功能 OpenCom 打開(kāi)串口 OpenComConfig 打開(kāi)串口同時(shí)設(shè)置通訊參數(shù) CloseCom 關(guān)閉串口 表4-3 調(diào)制解調(diào)器控制函數(shù)功能 函數(shù)名 函數(shù)功能 XmodemConfig 通訊設(shè)置函數(shù) XmodemReceive 文件接收 XmodemSend 文件發(fā)送 表4-4 串口設(shè)置函數(shù)功能 函數(shù)名 函數(shù)功能 ComBreak 設(shè)置通訊終止時(shí)間 ComSetEscape