安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
引 言
随着二十一世纪信息革命的爆发，电子技术的迅猛发展以及应用，使得我们各大医院的医疗设备正在发生翻天覆地的变化，以往的人工操作方式已经不能满足当今人们对医疗监护的需求[1]。
静脉输液是一种比较常见且常用的临床治疗手段，是一项比较通用的给药医疗技术。我们在现实中常常会根据不同患者的不同身体状况给以不同的输液速度，输液过快会造成病人生理上的病变和医疗事故；输液过慢可能会发生病人情绪化和延长输液时间等负担。因此，必须控制输液的合适速度。而常规的输液又是通过人为的挂瓶输液，用肉眼去观察液面状况，通过手动调节来控制点滴的速度，这样一来不仅工作量较大而且不能做到精确控制，会造成人力资源的浪费等问题。本系统就是为了减少人力浪费、获得良好医疗效果而设计的液体点滴速度监控装置[2]。
目前各类医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的身体水平线以上才能输液，正是根据这种现象可以设计通过电机控制储液瓶的高度来控制输液管内液体的压强，从而达到控点滴速度的目的；红外传感器可以将光学信号转换成电信号，因此输液点滴速度和输液水位的检测可以通过红外传感系统来确定；而通常我们还需要设置适合自己的点滴速度，在这里可设计通过键盘砂纸液体点滴速度；同时在输液水位到达警戒线2～3 cm以下或者输液速度异常时，通过报警装置发出报警信号，提醒工作人员更换储液瓶或是重置输液速度，保证系统工作的可靠性；采用AT89C51作为中央处理器以及普通的元件实现整套系统，外围电路主要由水滴速度检测装置、滴速控制装置、显示装置、单片机最小系统、键盘和报警等装置组成[3]。
在系统设计时主要考虑操作方便、成本低、可靠实用，以便于在医院推广。实验证明本系统具有电路简单、检测精度高、响应速度快等优点。
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戴诗川：液体点滴速度监控系统设计
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
点滴输液治疗是各大医院最常用的治疗方式，是一种给药方式，也是给病人加强营养的重要方法。在正常输液时候，不同症状的患者对输液速度要求不同，因此输液的速度是大家比较关注的一个参数，如孕妇、老人、儿童及体质较弱的患者滴速过快会引发血管痉挛、心力衰竭；不同药物滴速的要求不同，如葡萄糖和抗生素，又如麻醉药这类特殊药物，输液速度和用药量尤其需要精确控制，否则会导致水肿和中毒；其次，护理人员必须亲自临床操作，随着输液人数增多，造成工作量巨大且效率低下，不但增加了医护人员感染几率，而且病人之间易交叉感染，如肺结核病区。最后，上述方式不能对病人的信息(如输液信息、药物信息、药物需求和既往病史等信息)进行直观而全面的查询、统计、分析以便于医生诊断和护理，没有一个统一管理的数据库和功能强大的人机交互界面[4]。
当前，国内的各大医院在输液治疗方面几乎都是人工方式，从某种程度上说都是不准确的，严重影响了病人的治疗效果。如果不能得到有效控制，极有可能会造成医疗事故，会给医院和患者当事人造成无法预计的损失。所以在不久的未来里，患者对输液速度和输液量的控制精度的要求会越来越高，我们希望出现高度精确的输液监测控制系统，为患者提供高效的医疗效果[5]。
传统的输液点滴速度已经不能够满足人们对于准确和方便的需求，而且需要人工操作，这对于医院来说工作量比较大。从患者的安全和减轻医院工作量的角度出发，要求输液设备的自动化水平更高，这就需要讲究实用、操作方便、可靠、节约工作量、高精度的准确性。因此，需要设计一种集红外检测技术、单片机技术、电力电子技术于一身的自动监控系统，能够实现实时监控的同时也能够精确的调节点滴的速度[6][7]。这种装置对于患者、医院都是非常有意义的。
1.2 国内外发展趋势
显然，由于历史原因国内的输液监控系统远远晚于国外，比如日本、德国和美国等国家在方面的研究可以追溯到上个世纪80年代，今天市场上比较畅销的大多是由他们生产出来的，不仅类型多样而且性能极其优越。德国诺尔(KNAUER公司)的K-120高压输液泵是世界上最小的HPLC泵。可更换惰性泵头，适用于微型高效液相色谱，分析型高效液相色谱和半制备型高效液相色谱。德国贝朗(BARUN)集团的输液泵具有控制精度高，使用方便等优点，但其光电传感器部件常易出现问题，送修需更换整体传感部件，维修时间长、成本高，造成医院开支巨大。可实现四路控制的PC-2TX型输液器是由美国生产的，德国也有很多先进的输液器，如Perfuse compact型，它的控制精度甚至可达到2%。此外，还有一些其他国家的输液器也是性能优良、精度客观的[8]。不过，这些医疗器械多应用于国内大型医院，价格也是常人所不能承受的。
相比较而言，国内的输液装置的研究就很晚，多数是在90年代才开始。市场上也有一些国内生产的输液装置，如深圳康福特公司的输液装置产品。不过，跟国外的产品无论是在种类上还是性能上都是相差很远，需要改进的地方还有很多。2009年北京市物理实验技能大赛中的输液瓶输液水位测量及报警装置该装置由弹簧、齿条、齿轮等机械部件组成、遵循胡克定律、通过测量输液瓶和瓶内液体的重力来间接测量液位、报警装置的指针随着输液水位的变化而变动、当与金属触头相接触时报警电路接通、实现报警[10][11]
。此装置主要利用机械原理实现液位测量，精密测量和智能化程度不高，较难推广。
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山西明佳电子技术有限公司开发的医用便携式输液监测器已获国家专利，采用无线射频通讯技术，由射频网络中继器，射频网络管理机组成通讯网络，系统几乎不需要安装，输液监控器为便携式，护理人员可直接将卡装在输液管上[12]。监控器内置安全无污染的聚合物电池供电，无线射频通讯(MJY-01A型)，对外无任何引线，可以方便到病人和已往一样携带输液瓶去洗手间。射频网路中继器和射频网络管理机可用一个膨胀螺栓挂装在走廊的墙上或直接放入走廊吊顶里，就近接入交流220V电源。LED显示屏只需要两个膨胀螺栓来固定在墙上，就近接入交流220V电源。通讯网络采用无线射频技术，无需布线，整个系统在安装过程中不影响医院的正常运营。总而言之，其特点是体积小、功耗低、安装方便。但射频信号易受干扰，对接受设备的抗干扰容限要求较高。
1.3 研究的主要内容及主要工作
根据医院的现场实际环境情况，对监测系统进行全面规划，总体设计以高新技术为主，力求保证系统先进、实用、安全、可靠、经济、易扩展、易维护和高性价比的原则，分析比较点滴输液监测系统的可行性方案。根据系统需求设计，实现部分硬件并编写系统软件，力争完成一个由微计算机技术、传感器技术、通讯技术、智能控制技术结合而成的功能强大的监测系统，以推进现代医疗事业的信息化进程[13][14]。
本课题的研究内容主要包括：
(1) 系统的硬件设计、软件结构分析和设计实现； (2) 系统的软件设计和实现； (3) 数据通信的设计与实现。
软件部分采用模块化和结构化的设计方法，系统软件包括系统初始化模块、监测报警模块、设定输液速度模块、按键模块、扫描显示模块等。用单片机实现具有高度智能化的系统的软硬件设计，实现远程监测、现场监控和医疗管理等功能[10]。
研究的主要工作：
(1) 传感器和单片机器件选型。现在市面上传感器种类众多，单片机的可选范围也很广。系统所需要的传感器要能快速检测到输液容器重量的微小变化，且不易受到外部环境的干扰。单片机要能满足对系统各个模块的信号处理要求，信号放大和A/D转换要能与传感器信号相匹配，外围电路要尽量简单，价格尽量便宜。
(2) 实现对输液过程输液容器中液体余量和点滴速度的实时监测显示与自动控制。 实时釆集到的输液容器内液体余量等信息，既需要在显示装置上进行显示，又需要在显示的同时发送一些命令给速度控制装置，以达到自动控制的目的[11]。
(3) 实现报警提示。当储液瓶液体余量达到设定阈值时，在显示异常的同时还可以发出报警，以提醒相关医护人员进行及时处理。
(4) 手动设置输液点滴速度值。当出现过快或者过慢的输液速度时，可以通过键盘设置自己理想的输液速度。
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戴诗川：液体点滴速度监控系统设计
第2章 系统硬件设计
液体点滴速度监控系统的点滴速度主要通过单片机来实现控制的，希望对点滴的滴速实现人工智能检测，并且根据患者自身的需要来设定滴速，实现智能控制。传感器用来检测滴速是比较常见的一种方式，而一般控制输液的滴速，有以下几种方案：
方案1：由物理知识
p??gh (2-1) 可以看到压强是与液面的高度成正比的，也就是说在输液管的面积确定且不变的情况下，滴斗到受液瓶的高度越高，压强越大滴速越快。因此，可通过改变输液瓶的滴斗到受液瓶的高度来控制调节点滴速度，这种方案简单易行，比较理想。
方案2：根据滴速夹的松紧程度调节点滴速度，然而这种方法不够智能，调节精度低，不利于准确控制。
方案3：利用改变输液管的截面积来实现点滴速，不过这种方法会造成输液管的形变恢复困难，很难准确控制滴速。
为了实现输液时对点滴速度的准确控制，相比较而言，方案1最合适。方案1可实现以下功能：输液点滴的滴速可在输液管的滴斗出检测；可以对输液的滴速进行智能控制，可由显示屏动态显示，也可由输入键盘人为设置滴速；当输液瓶内的药品液体到达输液瓶口2～3cm时，必须报警，发出报警信号。
系统的基本结构：由所需功能及对系统的要求可将系统划分为速度检测模块、储液瓶液面检测模块、键盘输入控制模块、液晶显示模块、滴速控制模块、报警模块等。系统的结构如图2-1所示：
显示模块液面检测模块点滴速度检测模块键盘输入AT89C51单片机改变高度报警电机控制模块
图2-1 系统基本结构框图
系统工作原理：在进行输液点滴时，根据患者的自身条件确定点滴速度，通过键盘输入模块输入合适的预置点滴速度，然后单片机接受其输入的数据信息。同时单片机又接收到速度检测模块检测到的以电信号形式传送来的点滴速度，之后单片机经过分析、运算、处理后经输出端口把数据传送给显示模块和电机。如果预设值和检测到的点滴速度有差值不为0，这时就要调节储液瓶的高度来调节点滴速度，使之与预设值的差值为0，其中电机起主要控制作用。与此同时，通过红外传感器检测储液瓶的液面是否低于储液瓶的2～3cm。如果是，由报警系统发出报警信号；如果不是，则不发出报警信号。
设计中运用了检测技术、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自动控制部分。
传感器检测部分：系统利用传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信
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号。传感器检测电路包括2个单元电路：点滴速度检测电路和储液瓶液体水位检测电路。
控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输入的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度。完成点滴装置的自动检测、自动调速、液晶显示屏显示以及报警功能等各项任务。主要包括3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、液晶显示屏的动态显示电路。
2.1 点滴速度测量模块
方案1：通过采用电感式传感器测量点滴速度，即将敏感元件放在输液器的漏斗外围，传感器的电感量会随着液滴滴下发生变化，其频率值会通过LC振荡电路输出而且是变化的，再经过F/V变换电路和电压比较后，就可以通过输出的TTL电平信号的状况检测出来。
方案2：采用红外对管发射接收式传感器来测量点滴速度，即采用断续式的工作方式，在点滴落下时接收管接收红外线被点滴阻挡了，产生的脉冲信号为高电平，在没有点滴落下时接收管会接受到发射管发射的红外线，就会产生低电平的脉冲信号。
两种方案相比较，方案1测量精度相对高一点，但是其外围电路的设计比第二种方案复杂。然而红外传感器尺寸小、电路简单、性能稳定、安装简单、对辅助电路要求少，此方案简单且较容易实现。因此，设计中采用方案2。其检测电路图如图2-2所示：
图2-2 点滴速度测量电路图
其中，液体点滴速度检测电路中包含了检测前置电路、信号放大电路、电压比较电路。检测前置电路，红外光电传感器是主要由红外发射管和红外接收管组成。在恒定的电源驱动下，红外发射管通过发射恒定红外线经过外界物体再产生反射回来，然后由接收管接收。电路如图2-3所示：
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