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1、精选优质文档-倾情为你奉上SRT计划项目申请书项目名称: 基于单片机的医用智能 输液监护系统设计制作 申请者: 王天博 院 系: 工学院电气工程系 专 业: 农业电气化与自动化 指导教师: 陆静霞 职称: 讲师 2011年 4 月 21 日南京农业大学教务处制一、简表申请者姓名王天博学号班级电气94班年级大二电话E-mailswany4000项目名称基于单片机的医用智能输液监护系统设计制作项目来源A、 自立项目 B、教师科研课题的子项目 C、其它项目类型A、实验研究 B、调查研究 C、软件制作经费来源A、学校资助 B、导师课题资助 C、企业资助经费额度1500元指导教师姓名陆静霞指导教师职称讲
2、师合作者姓名、学院、班级郎佳茹 工学院电气工程系 农业电气化与自动化94班杨碧凤 工学院电气工程系 农业电气化与自动化94班王申 工学院电气工程系 农业电气化与自动化94班郑含璐 工学院电气工程系 农业电气化与自动化94班申请时间2011年4月21日完成时间2012年4月21 日项目研究内容摘要 输液是医院常用的医疗手段，输液速度是一个很重要的参数，一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。目前进行输液治疗时，都是由护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，人工调整滴流速度不够准确和方便，而且异常、结束也不容易被及时发现。为了提高医疗设备的自动化水平，给护士输液工作提供方便，给
3、输液病人提供可靠的安全保证。我小组设计研究一种基于单片机技术、红外检测技术和模糊 控制技术，实现对输液速度自动监测和调速，监视剩余药液及给予输液液体温度补给的解决方案。与此同时，该系统还可以根据所提供的接口连接多心电仪以及数字血压计，实现功能的多种完善。该医用智能输液监护系统的主要功能是实现对医用输液智能化控制，具体功能如下：可以通过键盘对输液速度值进行设置根据病人的心率变化、输液药剂特性、体制特性智能调整输液速度当装置速度与设定速度不相等时，该装置能通过步进电机来控制皮管的送进来调整输液速度。可对输液速度进行精确的实时监测和显示特殊情况手动报警输液结束预警、输液故障自动报警输液结束自动停止输
4、液、输液液体温度补给提供多心电仪及数字血压计接口，方便对病人进行更多详细检查。功能简图如下图1：图1 系统结构框图以下为各个部分的功能说明：AT89C51单片机：控制模块，采集到的模拟信号经过转换，变为数字信号，控制模块再由接收到的数字信号进行相应的处理（包括输液速度实时监控、输液异常情况自动报警、输液结束自动预警等）。液滴探测：采用红外检测技术，在滴斗处对输液速度进行测量，由于液体下落时对光线有吸收和散射作用，照射到光电三极管的光信号比较弱，它输出比较弱的光电流。通过检测光电三极管的输出电流，就可以探测出有无液滴通过。键盘及显示电路：主要完成对点滴速度的设置，并将设定好的滴速送到数码管进行显
5、示。液速调节及步进电机驱动：本系统中选用步进电机来控制输液皮管的松紧。当单片机检测到的输液实时速度与设定值有偏差时，则执行相应的控制算法，通过步进电动机控制输液皮管松紧。液位检测：当储液瓶中液位高度降到警戒值（离瓶口2-3cm）时，下位机接收液位检测传感器发来的中断请求信号，立即发出声光报警，并向上位机发送报警信号。温度感应集控温：该功能可以实现自动恒温加热，可以在设定的温度范围内自行调节温度，例如温度过高时自动断开，温度过低时自动打开。报警系统：分为LED灯部分和声音部分。根据单片机给的相应信号给出相应的灯光响应或者是声音效果。 当前社会是一个高速发展的社会，技术更可谓是日新月异。科技发达，
6、使得我们可以利用科技大大地改善我们的生活水平。然而一切的发展，一切的创新都是来源于社会并最终服务于社会。处于现在高举人性化气质的社会，从理论到应用的时间相比以前更是大大缩短，但在医疗系统中特别是关于点滴控制装置仍存在种种弊端。点滴系统是医院常用的医疗手段。医院在对病人进行输液治疗过程中，需根据不同那个的药物以及不同类型的病人选择合适的滴流速度，并对病人进行监护。目前，对于输液速度的控制主要由护士凭经验和直觉来调整滴速至合适值，存在一定的误差。此外，在输液过程中，需护士实时查看剩余的药体，耗费了大量的人力，并且当药输完或输液过程中发生阻塞时，都需要患者家属及时通知护士来进行处理，很不方便。如果由
7、于人为的一时疏忽，没有及时地换瓶或拔掉针头，便有可能造成医疗事故。因此，我小组依据当前诸多不便情况提出一种医用智能输液监护系统的设计制作方案。基于以上思路，我小组认为本课题有以下两方面的研究意义：1. 我小组研发的智能输液监护系统可以实现了对输液过程的全自动化监控和管理。能够对点滴速度进行自动检测并通过数码管进行显示；能够用键盘设定点滴速度，并通过调整步进电机来控制点滴速度；在液位降低到设定位置时自动报警。本系统工作稳定、响应速度快、操作简单、实用性强、因此具有较高的推广和实用价值。2. 我小组希望通过本次srt的实践研究，提高自学能力、动手能力、实践能力和创新能力，深入当代解科技前沿，把握专
8、业动向，为以后我专业进一步研究打下坚实的基础。 参考文献： 1 梁维铭，黄 劲.输液速度自动控制系统J.广西科学学报，2002 2 李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2000 3 刘曙光，魏俊民.模糊控制技术M.北京：中国纺织出版社，2001 4 刘 辉，周志英.医疗输液速度的测量与控制J.计量与测试技术，2005，,32（1）：5-6. 5伍 玉，陈晓君.液体点滴速度检测装置J.电子设计工程，2009,7（7）：52-53. 6 W.Hoffm ann. Computer controlled tittation with piston burette or perista
9、ltic pump a comparisonJ.Fresenius J Anal Chem,1996,(356):303-305.二、立论依据1.项目研究的目标、内容和拟解决的关键问题 项目研究目标： 项目研究内容：一、 系统结构：系统硬件结构主要包括单片机系统、液滴探测、报警、步进电机控制、看门狗等电路。单片机选用AT89C51，内含4K字节的EEPROM，便于研制阶段反复调试和修改；为提高系统可靠性，采用X25045实现硬件看门口功能，它也提供512字节EEPROM来保存重要的系统参数。每当系统掉电、上电后，通过串行时钟输出端将重要的系统参数读到特定RAM区，使程序恢复正常运行。二、 液滴
10、探测： 滴探测原理：采用红外检测技术，在滴斗处对输液速度进行测量，如下图1所示，红外发光二极管发出红外光，光线透过输液管照射到光电三极管，光电三极管将接收到的光信号转化成电流输入。当滴斗中没有液滴通过时，光线衰减小，光电三极管输出比较强的光电流。当滴斗中有液滴通过时，由于液滴对光线的吸收和散射作用，照射到光电三极管的光信号比较弱，它输出比较弱的光电流。通过检测光电三极管的输出电流，就可以探测出有无液滴通过。图2 液滴探测示意图液滴探测电路：在电路中，红外二极管D1与光电三极管T1是红外发射/接收对管，采用脉冲信号驱动红外发光管，利用锁相环路解码以提高检测灵敏度来消除背景光的干扰。由集成锁相环路
11、解码器（U4）LM567的第5脚发出中三、研究方案心频率为f0的方波电压，经U28放大后控制三极管T2通断，对红外发光二极管D1进行调试，使它发出频率为f0的脉冲光。U24为电压放大器，将光电三极管T1的输出电流变换成电压并将其幅值放大。U3A是电压比较器，电阻R9给电压比较器提供一个可调节的阈值电压UT,当U3A的输入电压Ui3UT时，U3A输出低电平；当U3A的输入电压Ui3UT时，U3A输出高电平。U4组成鉴频电路，当光路中没有液滴时，U3A输入幅值比较强的脉冲电压而且其幅值大于UT，使U3A输出频率为f0的方波电压；当光路中有液滴时，U3A输出为直流电压。电压比较器U3A的作用是将是否
12、有液滴在光路上，转换成输出脉冲电压的无与有。当输入信号的频率等于鉴频电路的中心频率f0时，LM567引脚8输出低电平“0”，反之输出高电平“1”。因此，当光路中有液滴时，U4无输入而输出“1”；当光路中无液滴时，U4输入频率为f0的交流电压而输出“0”；鉴频电路输出的高电平和低电平分别与光路中有和无液滴相对应。U5A为带施密特触发器的反相器74HC14，用于对鉴频电路的输出脉冲信号进行整性和反相。U5A输出端的信号波形如图3所示。图3 液滴探测电路输出波形三、 输液速度的调节和控制：当单片机检测到的输液实时速度与设定值有偏差时，则执行相应的控制算法，通过步进电机控制皮管的松紧来调整输液速度，当
13、输液速度低于预设值时，电机反向转动以放松对输液皮管的压力从而增加滴速，使之保持在要求的控制范围内。如果储液瓶液位高度降到警戒值（离瓶口2-3cm）时，下位机接收液位检测传感器发来的中断请求信号，立即发出声光报警，并向上位机发送报警信号。四、 步进电机的驱动和储液瓶液位高度的检测报警：本系统中选用步进电机来控制输液皮管的松紧。步进电机很容易用单片机实现数字控制，定位精准且具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时，则电动机可以保持再苦顶的位置上。通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制点击的转动，从而进行了数字/角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲
14、数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则余脉冲的顺序有关。本系统中，单片机P1口线中的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3接步进电机的绕组，输出电流脉冲，采用四相八拍控制，选用全电压驱动方式；在距储液瓶口2-3cm处放置一个非接触光电式液位传感器，当储液瓶中的液位低于设定值时传感器输出一个低电平，将此信号接单片机的外部中断INT1（P3.3）,单片机在中断服务程序中发出报警信号。五、 软件设计：主程序：图4 主程序流程图 系统在完成所有初始化工作后，开始查询键盘输入状态，检测输液速度，设定值与测量值有偏差时，根据偏差e的大小，调用模糊控制算法子程序，各功能模块完成后又返回查键，如
15、图4所示。输液速度测量子程序：将液滴探测电路的输出信号输入单片机P1口的P1.5中，需要测量输液速度时，调用低速测量子程序，在该程序中单片机反复查询P1.5的状态，当P1.5由低电平变为高电平时，启动片内定时/计数器开始定时，当P1.5由高电平变为低电平时，停止定时，测量出正脉冲的宽度T，即两滴液之间的间隔时间，从而可以计算出每分钟的滴流数。 图5 输液速度测量子程序流程图当间隔时间T大于设定值时，则认为输液停止或针头堵塞，CPU发出报警信号。单片机测量两液体之间时间差的程序流程图如图5所示。由于普通病人的输液速度一般不超过60滴/分，两液滴之间的时间差常常会大于1秒，定时器须经过多次溢出，才
16、能达到，因此，在程序中设立了一个定时器的溢出次数计时器。模糊控制子程序：由单片机对输液速度进行测量，将本次测得的输液速度与设定的输液值相减得到输液速度的偏差E，将本次测得的输液速度减前次测量的输液速度，得到输液速度的偏差变化量EC。将偏差E与偏差变化率EC作为模糊控制器的输入量，把输液速度误差E和误差变化量EC分为：负大（NB）,负中（NM）,负小（NS），零（0），正小（PS），正中（PM），正大（PB）七个模糊集。根据输液速度的偏差及偏差的变化量，由事先离线根据模糊控制规则表得到的模糊控制查询表来决定本次控制输出量。本控制系统的输出量是步进电机的步进数，改变步进电机的步进数即可改变输液皮管
17、的松紧，从而达到控制输液速度的目的。将步进电机的步进数分为：UFC(反向长)、UFJC（反向较长）、UFD（反向短）、0（零）、UZD（正向短）、UZJC(正向较长)、UZC（正向长）七个模糊集，即其模糊子集为：U=UFC、UFJC、UFD、0、UZD、UZJC、UZC他们与步进数的对应关系如表1所示。时间模糊集步进数时间模糊集步进数UFC-6UZD2UFJC-4UZJC4UFD-2UZC600表1 步进电机步进数输出子集 拟解决的关键问题：一、 滴速精确度问题。步进电机的调节是控制液滴速度的关键所在。通过单片机接收输入信号并对步进电机进行调节，我们预计可达到系统的输液速度能在5-15（滴/分
18、）范围内连续可调，稳态误差不超过2滴。二、 红外传感器的信号采集问题。由于体积要求我们需要体积小，性能良好的红外信号传感器，便于对光信号强弱细微变化的灵敏识别。三、 电源问题。由于系统内部装有大量传感器以及大量的处理电路，需要一个稳定长效的电源来驱动整个装置，如果采用普通的贴片式或者日常使用的干电池，则在实际使用中，用户还需要考虑电池的寿命问题，降低了使用的方便性，所以，如何有效地解决电源问题是一个需要主要解决的问题，我们初步考虑采用5号电池或同规格的充电电池作为驱动电源。2. 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析基于以上思路，我们需要采取先用电脑设计仿真，判断可行性，再利用学校实
19、验室的实验仪器对传感器及控制电路进行检测，并制作样品的方法进行实践研究。具体方案如下： 一、 首先采用仿真软件进行仿真，利用电子电路设计软件画出原理图，检测信号处理是否稳定有效，对自己的设计思路进行矫正，并修正电路，使信号的采集与处理和输出从原理上变得更加完善和稳定有效。二、 然后到电子市场上采购所需的实验用传感器及相关所需其他电子产品，利用学校实验室的实验器材对各种传感器进行信号检测和观测，对各个原件的性能进行判断，修正我们的设计电路，完善整个产品系统。三、基于以上的几个步骤之后，设计并制作出样品雏形。具体实现整个系统的安装布局调整和系统功能调整。并检测整个系统是否能如所设想的一样无隙配合，
20、达到整个系统的功能上的完整的统一。四、定稿，设计出最终产品模型。整个研究过程中主要采用的都是模拟与测试的研究思路，由于实现方法较为简单，相关的研究方法与实现方案都非常成熟，而且所涉及的开发能力和设计技术也是我们学校所完全具备的，实现可能性以及预期产品开发的可行性都非常的高。3.本项目的创新之处一、 预期产品性价比高，具有广阔的实用推广价值。本监护系统可以动态监测输液患者的多项指标，如果今后投入医用后，还可以加入更多功能整合为一台多功能智能化监护仪。对监护病重人群有很大的作用，具有很高的性价比。二、 通过对感应器的对比，选用了即精准又相对廉价的红外线感应系统，节约了整个监护系统的成本。三、我小组
21、将电子产品开发应用的技术推广到特殊人群，体现了创新思维的人文美和我院srt创新精神；将多种功能集中到一个电子产品中来，并应用到生活用品中去，将生活自动化，人性化，智能化体现到科研创新中来。四、 创新思维不仅仅局限于一个产品的开发，而是着眼于一个产品的开发技术，尽量做到一个产品的开发可以带动产生更多更好的产品开发思路和开发应用技术，使得创新思维具有广阔前景。4.项目研究计划及预期进展项目研究计划分为以下六个阶段：一、2011年6月到2011年7月，查阅相关资料、学习基础知识，为后续工作打下基础。二、2011年8月到2011年9月，确定我们预期系统的主要功能以及实现相关功能所需具备的开发技术和研究
22、能力，并将这些实现技术进行分类分块，各个功能逐步实现。三、2011年10月到2011年12月，设计相关实现电路，并在电脑上进行初步仿真。四、 2012年1月到2012年2月，选择并购买相关的实验传感器和电路板，单片机等用品，并对这些元件分类进行性能测试。于此同时，开发制作出相应的电路板。五 、 2010年3月到2010年4月，制作出对应的系统样品模型，并将各个元件拼装组合到系统上，进行初步组装调试。五、 2010年5月份，对系统进行最后的完善和修改，设计出最终系统的模型。5. 预期研究成果预期研究成果分为两部分：一、 预期产品，即“基于单片机的医用智能输液监护系统”，能够实现对点滴速度进行自动
23、检测并通过数码管进行显示；用键盘设定点滴速度，并通过调整步进电机来控制点滴速度；在液位降低到设定位置时自动报警等功能。二、 此次研究开发的总结性论文及相关技术材料的文字汇总。四、研究基础1. 与本项目有关的研究工作积累和已有的研究工作成绩虽然市场上并未出现相关的产品，但是，开发我们的预期产品所需要的技术是成熟的，研究设备和开发条件也已经具备。比如说单片机的普遍学习和应用，由于我们的系统是基于单片机上面，而单片机和相关的电路设计软件以及仿真软件都已经相当普及，所以，我们的工作是在前人的基础上，将已经成熟的技术应用到我们的创意中来，达到我们最后的设想。我们具有良好的开发团队和指导老师陆静霞老师，
24、她多年从事模拟电子电路和数字电子电路教学指导。具有丰富的教学经验和设计指导能力及开发能力。已经指导过多批次的SRT项目，经验丰富，知识全面，技术娴熟。著有电路与电子技术实验教程等多本关于电子方面的书籍。2. 已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的途径已具备的条件包括：电脑及相关软件，可以进行电路板的设计以及其它电路仿真设计；学校有各种各样的研究实验室以及各种研究所需要的实验仪器；图书馆具备开发过程中所要学习的各项文字资料；具有丰富工作经验的指导老师。尚缺乏的条件包括：印制电路板的相关设备。五、经费预算支 出 科 目金 额（元）计 算 根 据 及 理 由单片机开发板300市场价格，AT89C51系
25、列单片机开发板电路板80用于产品的制作，需要多块电线20需要制作各零部件的连接线路金属触片30用于制作接触开关温度传感器100需要LM75A数字温度传感器小键盘20一个，用于输入输液流速及相关信息红外传感器150由于需要体积小，精度高，所以价格较高各式二极管若干30包括LED以及普通二极管三极管20由于容易损耗，所以需要若干各式电阻若干20包括贴片式及普通电阻各式电容若干50包括聚苯乙烯电容器及其它专用电容器各式电感若干50包括紧密多圈电位器等多种电感器材电烙铁及焊接材料80需要3份，各成员分工需要步进电机20用于控制输液速度相关书籍150预期采购估算封装材料50包括热缩管，专用胶水胶带等调试
26、校准器材150包括调试各个功能的器材制作经费100包括制作工具如螺丝刀，镊子，小刀等采购经费100采购制作等路途费用资料复印费30用于相关资料的复印、打印总计1550注:开支范围详见校教字（2003）134号南京农业大学SRT计划项目管理办法文件的第十三条。六、审查意见指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日系部意见 负责人签名、公章： 年 月 日学院意见 负责人签名、公章： 年 月 日学校意见 负责人签名、公章： 年 月 日备注七、申请者承诺我保证上述填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。申请者（签名）： 年 月 日推 荐 书 推荐人签名： 年 月 日注：此表由具有副高以上职称的教师（非指导教师）填写专心-专注-专业