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. 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 燕 山 大 學(xué) 里仁學(xué)院 2016年06月 . 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 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 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(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 學(xué)生 姓名 專 業(yè) 班 級 里仁檢測12-1班 題 目 題目名稱 智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 題目性質(zhì) 1.理工類：工程設(shè)計 （ √ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）； 理論研究型（ ）；計算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。 2.文管類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）。 題目類型 1.畢業(yè)設(shè)計（ √ ） 2.論文（ ） 題目來源 科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（√ ）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，如未及時換藥或拔針頭，將會出現(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)計一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能對輸液總量進(jìn)行控制、并檢測輸液速度，輸液完成時給出提示信號，必要時自動斷液，通過無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域管理 基 本 要 求 6．設(shè)計一套輸液監(jiān)測方案，實現(xiàn)藥液重量的實時測量 7.設(shè)計檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測、輸液進(jìn)度測算、異常報警功能 8.給出無線通訊及區(qū)域管理的方案 9.繪制完整的設(shè)計圖紙 10.完成畢業(yè)設(shè)計論文 參 考 資 料 3.汪義旺.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.測控技術(shù).2015，NO》 4.刁惠民.靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)在個體化靜脈輸液中的應(yīng)用.護(hù)理學(xué)報.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)計本監(jiān)控系統(tǒng)方案 硬件的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試 軟件設(shè)計及實驗 完善系統(tǒng)功能，撰寫論文 撰寫論文畢業(yè)設(shè)計答辯 指導(dǎo)教師：侯培國 職稱： 教授 年 月 日 注：周次完成內(nèi)容請指導(dǎo)老師根據(jù)課題內(nèi)容自主合理安排。 . . 摘要 本設(shè)計是基于目前輸液過程存在這樣或那樣的醫(yī)療隱患而設(shè)計的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。通過對控制芯片、傳感器、通信方式以及點擊應(yīng)用比較與分析，選擇出了各部分的最優(yōu)方案。其中，輸液檢測部分本設(shè)計選擇的是HX711稱重傳感器，通過對剩余的液量的重量來判斷輸液是否完成，以及反饋給護(hù)士臺，使護(hù)士臺做出一系列反應(yīng)。如果輸液完成，會發(fā)生報警。本系統(tǒng)包括下位機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計兩大部分,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)計的，并輔以必要的外圍電路，實現(xiàn)液滴檢測，聲光報警、數(shù)碼顯示等功能，再通過nRF2401無線傳輸模塊把數(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)控平臺可以與輸液監(jiān)控器無線組網(wǎng)，同時實現(xiàn)對多臺監(jiān)控器的監(jiān)控和管理。醫(yī)護(hù)人員可以隨時觀察到每個病人的輸液情況,一旦出現(xiàn)異常狀況,護(hù)士可以及時處理。輸液結(jié)束報警,護(hù)士及時拔針或換藥,避免血液回流。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)STC89C52RC，hx711稱重傳感器，上位機(jī)，報警 . . 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 國內(nèi)外發(fā)展史 2 1.3 設(shè)計的主要內(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)計和對比分析 6 2.3.1控制方案的選擇 6 2.3.2液滴檢測方案選擇 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 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報警模塊 18 3.4斷液模塊 19 3.5無線通訊模塊 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)管理軟件開發(fā) 23 4.1.1軟件系統(tǒng)設(shè)計原則 23 4.2.2上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境介紹 23 4.1.3上位機(jī)軟件界面設(shè)計 23 4.1.4上位機(jī)軟件功能設(shè)計 24 4.1.5機(jī)通信接口模塊設(shè)計 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 改革開放以來,隨著國際交流的進(jìn)一步增強(qiáng)和國家支持力度的不斷加大,我國醫(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年時間,中國醫(yī)療器械的總量相當(dāng)于以前的6倍,2005年,除了美國和日木之外,中國己躍居世界第三。06和07年,中國醫(yī)療器械進(jìn)出口額都超過百億美元。近幾十年來,中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,人民生活水平大大提高,人們對醫(yī)療保健的重視程度愈來愈強(qiáng),這樣促進(jìn)醫(yī)院及家庭對醫(yī)療設(shè)備的需求快速增加,致使國內(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)品功能越來越多,質(zhì)量越來越好,中國醫(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可替代的作用。它的主要特色是給藥迅速、見效快,及時搶救了無數(shù)患者的寶貴生命。然而目前,輸液過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題,一般來講,輸液速度的控制大多是靠醫(yī)護(hù)人員通過旋轉(zhuǎn)液滴管上的機(jī)械滑輪,目測出大概速度,特別是對于新進(jìn)人員,由于缺乏經(jīng)驗,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題,太快會給病人帶來疼痛,太慢則起不到良好的治療效果。其次,當(dāng)患者輸液時,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)藥液快滴完時通知護(hù)士及時拔針或更換藥液,有時陪護(hù)人員太累或者臨時有急事,未注意到藥液滴結(jié)束,護(hù)士未及時來處理,結(jié)果造成血液回流等情況,給病人身心健康帶來不必要的傷害,甚至帶來生命危險。針對以上問題,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程中浪費時間、精力、服務(wù)水平低下等弊端。我國是人口大國,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,將大大提高我國醫(yī)療整體服務(wù)水平,帶來良好的效益[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)大多都能實現(xiàn)速度控制及結(jié)束報警等基木任務(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)這樣那樣的問題,譬如價格高、操作不夠簡捷、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)國家出現(xiàn)輸液泵的應(yīng)用,它的功能相對齊全,控制比較精確,但是價格太昂貴,要想在全世界真正推廣開來不太現(xiàn)實。要想使產(chǎn)品真正普及到每一個病人,研制出價格較低、性能較全且操作簡便的智能監(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輸液滴速，根據(jù)經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)輸液器上的滑輪來控制輸液速度[4]。輸液過程中護(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，及時通知值班護(hù)士前來處理。這樣不僅增加了醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，導(dǎo)致差錯率大為上升，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)士未能及時處理，則有可能會發(fā)生回血或其他危險，給患者造成痛苦，甚至導(dǎo)致醫(yī)療事故。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展史 鑒于目前輸液過程中存在這樣那樣的安全隱患,且在輸液過程中存在耗費人力較大等問題,迫切需要對目前輸液狀況進(jìn)行改進(jìn),近幾十年來,國內(nèi)外一些專家爭相研究,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)輸液過程中瓶中藥液逐漸減少,導(dǎo)致彈簧伸縮變形,由此計算出剩余液面的當(dāng)前位置,于向英等利用這種方法對輸液監(jiān)控過程進(jìn)行了多次試驗,結(jié)果證明誤差較大,這是因為輸液瓶容積規(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)電容的特性對剩余藥量進(jìn)行估計的[6]。這種設(shè)計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,但是由于輸液過程中涉及瓶子體積不均問題,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,需要設(shè)計多種規(guī)格的電路,實際應(yīng)用起來太繁瑣,并不能真正推廣開來。 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,液滴下落時由于受到晃動,電極還會產(chǎn)生一定的極性反應(yīng),并發(fā)出相應(yīng)信號,由此計算出當(dāng)前液體滴速,然后計算出剩余藥液體積變化,這種設(shè)計方法相對簡單易行,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,這樣會對藥液造成污染,不符合藥品安全規(guī)范,所以并不能投入實際應(yīng)用。 4.光電式輸液監(jiān)視階段 光電傳感器能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換為某種電路,它包括發(fā)送端和接收端,使用時將其水平放在莫菲式管兩邊即可,傳感器發(fā)送端一般對外界光強(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轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號,傳給后面電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而可以計算出當(dāng)前滴速,并可計算剩余體積,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年代初我國就有人開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)計了一種輸液監(jiān)控報警器包括至少一個光源發(fā)射器和至少一個光源接收器、電源模塊、控制器和報警電路,光源發(fā)射器與光源接收器要對應(yīng)設(shè)置,光源接收器輸出端連接到控制器的信號輸入端,控制器的信號輸出端再連接到報警電路的信號輸入端[8]。本輸液監(jiān)控報警器在輸液出現(xiàn)不正常時或瓶內(nèi)液滴快要滴完時可進(jìn)行聲光報警。此輸液監(jiān)控報警器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、報警準(zhǔn)確率高等特點。其缺點是功能較少,不能實現(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、硬件開發(fā)出病區(qū)輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有靜脈輸液速度檢測、液面檢測、顯示、記錄、聲光報警、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,倒是一種不失實際的選擇。但是系統(tǒng)相對來說較復(fù)雜,應(yīng)用前景不夠樂觀[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輸液檢測報警器,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信息顯示單元組成,各個信息顯示單元分別連接與其對應(yīng)的輸液檢測報警器。此系統(tǒng)能夠同時在病房和護(hù)士站發(fā)出聲光報警,且在報警的同時能夠自動停止輸液[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。 國外對智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)也有諸多研究,相對較早,在20世紀(jì)80年代末就開始有研究了。德國、韓國、美國、日木等發(fā)達(dá)國家都進(jìn)行了輸液監(jiān)控設(shè)備的研究,目前主要對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、無菌地進(jìn)入病人體內(nèi)。輸液泵對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,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。但是輸液泵價格普遍比較昂貴,在兩萬元人民幣左右,其應(yīng)用在一些發(fā)達(dá)國家醫(yī)院較為常見,而在國內(nèi)醫(yī)院還鮮有應(yīng)用。目前我國只有幾所大醫(yī)院才有購買配備,國內(nèi)使用范圍相當(dāng)狹窄。 綜上,國內(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?；谝陨锨闆r,本論文在借鑒前人的基礎(chǔ)上,揚長避短。努力設(shè)計更加完美的監(jiān)控系統(tǒng)。 1.3 設(shè)計的主要內(nèi)容 靜脈輸液的監(jiān)控常采用人工方式，輸液完成時，如未及時換藥或拔針頭，將會出現(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)計一種輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能對輸液總量進(jìn)行控制、并檢測輸液速度，輸液完成時給出提示信號，必要時自動斷液，通過無線通訊系統(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)計是基于目前輸液過程存在這樣或那樣的醫(yī)療隱患而設(shè)計的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。通過對控制芯片、傳感器、通信方式以及點擊應(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)計兩大部分,如下圖2-1所示。下位機(jī)設(shè)計包括發(fā)送板設(shè)計和接收板設(shè)計,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)計的，并輔以必要的外圍電路，實現(xiàn)液滴檢測，聲光報警、數(shù)碼顯示等功能，再通過nRF2401無線傳輸模塊把數(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)控平臺可以與輸液監(jiān)控器無線組網(wǎng)，同時實現(xiàn)對多臺監(jiān)控器的監(jiān)控和管理。醫(yī)護(hù)人員可以隨時觀察到每個病人的輸液情況,一旦出現(xiàn)滴速過快或過慢異常狀況,護(hù)士可以及時處理。輸液結(jié)束報警,護(hù)士及時拔針或換藥,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，利用重力傳感器實時采集輸液剩余量，反饋到控制器，由控制器進(jìn)行計算，并與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較做出相應(yīng)的動作，同時將采集數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程無線監(jiān)控平臺和接受控制指令[14]，實現(xiàn)無線組網(wǎng)運行，系統(tǒng)的工作原理如圖2-2所示。 開機(jī) 設(shè)定初始值 輸液剩余量采集處理 實時數(shù)據(jù)值與設(shè)定值比較 無線數(shù)據(jù)輸出提示護(hù)士 電機(jī)裝置動作終止輸液 遠(yuǎn)程無線控制指令 手動設(shè)定動作 返回 圖2-2 系統(tǒng)工作原理框圖 2.3硬件方案設(shè)計和對比分析 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)點是價格低廉、簡單易行，但最大缺點是精度較低，不易于功能擴(kuò)展。 方案二：此方案采用STC單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)，超級加密，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時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/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時鐘/機(jī)器周期和12時鐘/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），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。 7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（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16位定時器/計數(shù)器。即定時器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），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART 13.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級） 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口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負(fù)載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，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，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，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（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(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，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（）。 此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體參見下表： 在對Flash ROM編程和程序校驗時，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 功能特性 P1.0 T2（定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(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（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（）。 在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX @DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX @R1”指令）時，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），在整個訪問期間不會改變。 在對Flash ROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。 P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個帶內(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（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。 在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。 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 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（定時器0的外部輸入） P3.5 T1（定時器1的外部輸入） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） RST（9引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機(jī)器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。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（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，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，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。 如果需要，通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標(biāo)志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 （29引腳）：外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機(jī)器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。 /VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時，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液滴檢測方案選擇 方案一：用可見光二極管與光敏三極管組成的傳感器來測量,相對于光敏二極管來說,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)用時易導(dǎo)致滴速測量不準(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[17]。 方案二：采用紅外對管檢測,紅外對管是一種利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng),具體用法是把對管放在莫菲式管兩側(cè),紅外發(fā)送管對光的敏感性較強(qiáng),當(dāng)有液滴下落時使發(fā)送管接受到某種紅外線后會發(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,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),計算出液滴速度。近幾十年來,紅外傳感器以優(yōu)越的價格及優(yōu)良的性能得到廣大電子愛好者的青睞,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壓力傳感器,通過壓力大小變化來判斷是否有藥液滴下,壓力傳感器具有價格低、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點。但在本設(shè)計中會有誤差。 本設(shè)計采用方案三 電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的原件。由電阻應(yīng)變片和測量電路兩部分組成。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，所以在測量時我們一定要注意。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：電阻絲與被測原件對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對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)的自動補(bǔ)償，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補(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，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。它在未受力時的原始電阻值為 式中 : ——電阻絲的電阻率； ——電阻絲的長度； ——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。對于金屬材料，項的阻值要比小得多，可以忽略，故=。大量實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(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)行點到點或點到多點的通信方式,其突出優(yōu)點是保密性好、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：采用無線方式無線通信是相對有線通信而言的,免去了布線的麻煩,即利用電磁場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。無線通信具有成木低廉、擴(kuò)展性好、適應(yīng)性好等優(yōu)點。 無線通信具有一定的移動性,只需在終端架設(shè)天線或連接到電臺即可,無需浪費大量人力物力去架設(shè)電線桿或挖溝埋線纜無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，使用簡單，顯示效果簡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[20]。 由于本設(shè)計涉及到較多的參數(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來作為顯示模塊。LCD1602 它具有體積小、功耗低、使用方便的特點。 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:162個字符 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為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(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，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報警模塊的選擇 方案一：采用語音芯片提示，優(yōu)點可以自由設(shè)定要提示的聲音。缺點使用復(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，電路簡單實用，可靠性高。 綜上所述我們選擇使用蜂鳴器來進(jìn)行報警。 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)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(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)計中，主要采用電壓式的無源蜂鳴器，由 PNP型三極管驅(qū)動的蜂鳴器。無源蜂鳴器的優(yōu)點是： 1.價格便宜 2.聲音頻率可控，可以做出“多來米發(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，然后逐一對本課題設(shè)計所選用的各個模塊進(jìn)行對比跟分析，以及最終確認(rèn)了本設(shè)計中選用的各個模塊。其中，控制方案的選擇采用STC單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)。然后對液滴檢測的方案進(jìn)行可比較，最終我決定使用壓力傳感器來檢測。通訊方式采用了各方面都占優(yōu)的無線通訊方式。顯示模塊采用了LCD，報警則采用簡單實用的蜂鳴器。 . 第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 稱重傳感器采集模塊 信號處理 最小系統(tǒng) 顯示模塊 無線通訊 報警模塊 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)，主要包括信號采集、按鍵輸入、顯示輸出、控制輸出和無線通訊等。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、彈性體和檢測電路等幾個主要部分組成。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)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而完成了將外力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕倪^程[21]。檢測電路如圖3-2所示. 圖3-2檢測電路 HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的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。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單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(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，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為20mV或40mV。通道B 則為固定的32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。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)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。 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]。鍵盤是由若干個按鍵開關(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，每一個鍵相當(dāng)于一個機(jī)械開關(guān)觸點，當(dāng)鍵按下時，觸點閉合，當(dāng)鍵松開時，觸點斷開。單片機(jī)接收到按鍵的觸點信號后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對于單片機(jī)系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。本系統(tǒng)一共有三個按鍵，第一個復(fù)位，即清零，對輸液瓶重新開始計數(shù)。第二個取消報警，當(dāng)液量過低時，蜂鳴器會開始報警，這時按下第二個按鍵會使蜂鳴器停止鳴叫。第三個按鍵的設(shè)置是為了適應(yīng)不同的輸液瓶，因為患者有可能會進(jìn)行多次輸液，而且輸液瓶的規(guī)格不一樣，這時候就會用到第三個按鍵。先放一個空的輸液瓶上去，進(jìn)行去瓶重，然后再放上有滴液的輸液瓶，這樣就可以重新計算液滴的重量。從左到右，一次為第一個、第二個、第三個按鍵，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)動電源；第三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實現(xiàn)液晶對比度的調(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報警模塊 當(dāng)輸液完成時,輸液監(jiān)控器能夠發(fā)出聲光報警,同時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,與此同時輸液監(jiān)控器還會將輸液完成的信息通過無線的方式發(fā)送給位于醫(yī)生辦公室的監(jiān)控主機(jī)并報警提醒醫(yī)護(hù)人員前來護(hù)理。誤報警會大大增加醫(yī)護(hù)人員的工作量,同時也會影響患者的治療過程。由于輸液控制器采集到的數(shù)據(jù)為輸液時的實時滴數(shù),本文判斷輸液是否完成的根據(jù)也是基于實時滴數(shù)來判斷的[25]。通過實驗發(fā)現(xiàn),在正常的輸液速度下從輸液軟管的滴斗中無液滴滴下到產(chǎn)生回血現(xiàn)象,整個過程時間大約需要11秒。為了保證輸液過程的安全性,如果稱重程序檢測到剩余液量過少,就判定輸液完成。 在嵌入式軟件中,通過設(shè)定一個專用延時子程序和時間閾值來實現(xiàn)這一設(shè)計。將延時子程序的時間閾值精確的設(shè)定為6秒,一但6秒記時完成且系統(tǒng)沒有檢測到任何液滴信息,則認(rèn)為輸液已經(jīng)完成,此時單片機(jī)立即控制聲光報警裝置發(fā)出警報同時控制輸液阻斷裝置阻斷輸液軟管停止輸液,并將報警信息無線發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)通知醫(yī)護(hù)人員輸液完成。因為設(shè)定兩滴液滴之間的最大時間間隔為6秒。 當(dāng)單片機(jī)判定輸液完成時,會控制聲光報警單元發(fā)出報警聲音,提醒輸液患者輸液已經(jīng)完成。其中聲光報警的實現(xiàn)在通過單片機(jī)的一個口控制蜂鳴器和發(fā)光二極管來實現(xiàn)的。原理圖如圖3-6所示。 圖3-6 聲光報警原理圖 3.4斷液模塊 輸液完成后,在發(fā)出聲光報警的同時輸液監(jiān)控器最主要的工作是控制輸液阻斷裝置及時的阻止輸液繼續(xù)進(jìn)行。本設(shè)計采用的電機(jī)是直流電機(jī)，它的主要作用是當(dāng)輸液結(jié)束時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，卡緊滴管，以免護(hù)士未來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)動電路如圖3-7所示。 直流電機(jī)一般選用L9110來驅(qū)動，從電路中可以看出它具有兩個輸入端和兩個輸出端，是兩道芯片，電機(jī)直接加在兩輸出端，器電流驅(qū)動能力很強(qiáng)，單通道能驅(qū)動750～800mA持續(xù)電流[26]。L9110應(yīng)用非常廣泛，在控制電機(jī)運作時也比較安全、可靠。引腳圖如圖3-8所示。 圖3-7 電機(jī)驅(qū)動電路 圖3-8 L9110引腳圖 圖3-9偏心輪斷液裝置 圖3-10 電動機(jī) 當(dāng)輸液快要結(jié)束時，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)見圖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)計選用偏心輪及卡子，偏心輪見圖3-9?？ㄗ拥木唧w作用就是相當(dāng)于一個當(dāng)班，而偏心輪的選擇特別重要，偏心輪由電機(jī)帶動，當(dāng)正常輸液時，滴管放在卡子與偏心輪中間，當(dāng)輸液結(jié)束時，電機(jī)轉(zhuǎn)動，偏心輪與卡子緊緊地把滴管夾緊，同時伴隨聲光報警，提醒護(hù)士來處理。 3.5無線通訊模塊 在整個系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的無線傳輸都是通過無線傳輸芯片來實現(xiàn)的。在無線傳輸數(shù)據(jù)的過程中,我們對數(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)上述對芯片的一此要求,系統(tǒng)選擇了nRF2401作為系統(tǒng)的無線傳送芯片。 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三個引腳決定 表3-1 無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,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)計采用ShockBurstTM收發(fā)模式,這種方法有三大優(yōu)點；（1）節(jié)能,利用堆棧區(qū),先入先出節(jié)省資源；（2）系統(tǒng)費用低,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)傳輸時間較短,不易受到外界干擾。另外,在此模式下,nRF2401具有CRC校驗碼和自動處理字頭的功能。在發(fā)射時,自動加上相應(yīng)字頭并進(jìn)行CRC校驗接收時,能自動去除所加字頭并CRC進(jìn)行校驗。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，無線模塊nRF2401處于收發(fā)工作模式，開始工作； B. 把接收地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按相應(yīng)時序發(fā)送入無線模塊中； 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，自動加字頭，進(jìn)行CRC校驗； c) 數(shù)據(jù)包高速發(fā)送； d) 發(fā)送結(jié)束，CE置低電平，無線模式進(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，然后分別對稱重傳感器HX 711、鍵盤輸入部分、顯示模塊、報警模塊的電路圖進(jìn)行了介紹。然后又給出斷液的方案，即使用電動機(jī)加一個偏心輪的方式實現(xiàn)斷液。最后給出了無線通訊的可行方案。 . 第4章 區(qū)域管理的方案 4.1區(qū)域管理上位機(jī)管理軟件開發(fā) 4.1.1軟件系統(tǒng)設(shè)計原則 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,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、實用性,輸液監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)開發(fā)以功能齊全、操作簡單、實用方便為開發(fā)基礎(chǔ)。 3、開放性,整個監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送結(jié)構(gòu)設(shè)計符合國際上大型應(yīng)用軟件的發(fā)展趨勢,易于后期維護(hù)與升級。 3、操作簡易性,在開發(fā)該軟件的過程中,堅持“以人為本”的指導(dǎo)思想,努力實現(xiàn)軟件系統(tǒng)具備界面良好、操作簡便、性能良好等特性[28]。 4.2.2上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境介紹 本系統(tǒng)采用National Instruments公司的LabWindows/CVI進(jìn)行開發(fā)。LabWindows/CVI是National Instrument公司退出的一套面向測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺。它以ANSIC為核心，在C++平臺上開發(fā)的可視化編程工具，是編程更加簡單。將功能強(qiáng)大，使用靈活的C語言平臺與數(shù)據(jù)采集，分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，可以直接把控件拖到窗體并使用，同時窗體也是一個控件,減少了大量的控件和窗體開發(fā)。為熟悉語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng),自動測量環(huán)境,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。 4.1.3上位機(jī)軟件界面設(shè)計 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。上位機(jī)軟件是在Windows環(huán)境下利用Lab Windows編寫的一個可視化窗口程序。它的主界面如圖4-1所示。 圖4-1 主界面圖 作為幾個監(jiān)控系統(tǒng)的主控單元,PC端軟件的設(shè)計較為復(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)不同的功能實現(xiàn),上位機(jī)軟件可以分為以下幾個主要模塊。 1、輸液界面顯示,主要是為用戶提供操作直觀簡便的控制、顯示界面,方便用戶觀察和控制整個監(jiān)控系統(tǒng)。在整個輸液的界面上有通信參數(shù)設(shè)置、開始輸液的時間、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,解包以及錯誤檢測。同時,上位機(jī)軟件在性能上要做到具有一定的容錯能力[29]。 4.1.4上位機(jī)軟件功能設(shè)計 輸液報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、患者編號、開始輸液的時間、以及開始輸液、停止輸液二個按鈕和二個通信參數(shù)復(fù)選框。 在開始輸液前先進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置,選擇與無線接收器進(jìn)行通信的機(jī)算機(jī)COM口與傳輸速率如圖4-3所示,因為在本設(shè)計中所用的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 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)提出資源申請要求打開串口,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。對串口而言,Windows為相應(yīng)的串口設(shè)備開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)后臺完成。 Lab Windows/CVI有許多標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫,其中的RS232函數(shù)庫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/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 從串口讀一個字符 ComWrByte 從串口寫一個字符 ComRd 從串口讀一個字符塊 ComWrt 從串口寫一個字符塊 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/關(guān)函數(shù)功能 函數(shù)名 函數(shù)功能 OpenCom 打開串口 OpenComConfig 打開串口同時設(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)置通訊終止時間 ComSetEscape