静脉输液监控及无线数据传输系统_毕业论文(编辑修改稿)

静脉输液监控及无线数据传输系统_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

光敏三极管的组合，将红外激光管和光敏三极管分别 „ „ 强弱实现对液滴的检测。 综合上述方案，方案 一对于单一药液测量精确度高，但对于不同的药液时，由于电解质不同，电容变化可能不同，而且外围电路也较为复杂；方案二中由于检测的液滴呈椭圆状，液滴经过时光敏三极管能接收到反射光信号比较微弱，信号检测的难度较大，同时其抗干扰能力较弱，当滴管发生抖动时，容易产生错误检测；方案三中由于液滴经过时发生的散射和折射作用对光信号影响较大，因此能实现对液滴的有效检测，同时发射光的穿透力较强、灵敏度高，能适应潮湿天气下的正常工作，能有效的实现对外界环境的抗干扰；另外，由于采用的是能发出 2~3mm 短线的红外光的激光管，此方案能实 现系统在一定抖动下的正常检测。 因此选用方案三作为液滴检测的方案。 液滴信号处理方案 方案一：利用液滴经过时引起光敏三极管信号输出端 的 电压信号的相应变化，通过电压比较器，将光敏三极管信号输出端的电压信号与一基准电压作比较，通过检测液滴经过时电压比较器对应信号输出端信号的变化实现对液滴信号的处理。 方案二：将光敏三极管信号输出端的电压信号经过滤波部分、信号放大部分后，经过电压比较器与一基准电压作比较，由于液滴经过时引起光敏三极管信号输出端的信号变化相当于脉冲信号，因此通过对脉冲信号的处理可实现对液 滴信号的处理。 综合上述方案，方案一的电路简单，能实现对液滴信号的处理，但电路稳定性较差、抗干扰能力弱，且容易受温度影响而导致检测出错；方案二中由于电路只对脉冲信号进行处理，因此电路抗干扰能力较强、稳定性高，能实现对液滴信号的有效处理。 因此选择方案二作为液滴信号处理的方案。 液面信号采集方案 方案一：采用电容液位传感器进行液面检测。 将液位传感器垂直置于茂菲氏管外侧，通过检测液位变化引起相关量的变化来实现液面的检测 [2]。 五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 5 方案二：采用超声回波检测技术，利用超声波在不同物质、不同密度内传播速度不 同的原理，通过检测超声波发射后的回波时间的变化实现对液面的检测。 方案三：利用光电检测的原理进行液面检测。 采用红外对管的组合，把红外发射管和接收管分别正对着垂直置于茂菲氏管的两 „ „ „ „ 液面的检测。 综合上述方案，方案一能有效的实现对液面的检测，但器件成本较高，外围电路也较为复杂；方案二中由于超声波探测 „ „ 同时成本低、电路简单，且受可见光影响小，稳定性好。 因此选择方案三作为液面检测方案。 数据显示方案 方案一：采用液晶显示模块进行数据显示。 方案二：采用数码管进行数据显示。 综合上述 方案，由于系统只需要进行相关数据及参数的显示，采用液晶显示模块成本较高，而且不利于系统的轻型化设计，因此选择方案二为数据显示方案。 数据输入方案 方案一：采用矩阵式键盘进行数据输入。 方案二：采用独立式按键电路进行数据输入。 综合上述方案，方案一中当电路需要较多按键进行数据输入时，可有效降低占用单片机的 I/O 口数目，但软件控制较为复杂；方案二中每个按键单独占有一根 I/O 接口线，每I/O 口之间的工作状态互不影响，电路设计较为简单，软件控制容易。 由于系统资源有限，I/O 口的使用较为紧张，因此选择方 案一作为数据输入方案。 串行通 信 方案 方案一：采用无线模块 „ „ 据的无线传输 方案二：采用无线模块 „ „ 无线传输 综合上述方案，两者均可通过单片机对其的控制实现与主机之间的数据传输。 方案一的 NRF2401 模块的方式设置比较麻烦，易出错。 同时，其传输距离较近，抗干扰性能比较五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 6 差，容易产生误码；方案二的 STR30 模块采用 GFSK 的调频方式，具有极高的抗干扰能力，进行智能数据控制时无需编制多余的程序，同时其数据传输速率高、可靠性高、故障率低、性价比高。 因此选择方案二作为串行通 信 方案。 系统设计原则 为了满足系统实现高性能与高性价比的要求，系统设计需遵循以下原则： （ 1）采用低功耗硬件电路设计及微控制器芯片，为输液监控提供平台支持，并能根据需要对系统进行功能扩展。 （ 2）信号采集部分尽量采用中断方式进行信号处理，有利于提高系统信号处理的效率与稳定性。 （ 3）系统要具有良好的人机交互界面，方便医护人员的操作。 （ 4）由于系统的使用环境的特殊性，系统要求具有很高的稳定性与可靠性，因此系统设计时要尽量提高系统的抗干扰能力。 （ 5）尽量实现系统的轻型化，采用高性价比的系统方案。 本章小结 本章对系统做了简单的介绍，介绍了系统的功能、结构，并对系统主体方案的设计进行了探讨与选择。 五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 7 第 3 章 系统 硬件 设计 系统硬件设计原则 作为针对监控病人生理体征的产品，为使系统得以更好地推广，系统硬件设计应遵循以下原则：安全可靠、足够的抗干扰能力、经济合理、易用性。 系统硬件电路设计 液滴检测电路设计 液滴检测电路是系统设计的重要部分，能否准确地检测液滴是计算已输液体体积、剩余体积、输液速度等参数的关键，也是系统性能与可靠性的主要参考标准。 本 系统 采用光电检测技术实现对液滴的测量 [3]。 如图 31 所示 液滴检测示意图中 ，红外激光管发射的光线透过茂菲氏管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光生电流也最大，此时光敏三极管信号输出端电压为低电平；当有液 „ „ „ „ 输出端电压信号的变化可实现对液滴的检测。 „ „ 图 31 液滴检测示意图 本系统 液滴检测电路如图 32 所示，电路中点解电容 C1 起到隔直通交的作用，当系统中没有液滴经过时，光敏三极管信号输出端输出恒为高电平的直流信号，由于电容 C1对直流信号的阻隔作用 ，导致运算放大器的正输入端没有信号输入，经过电压比较器进行电压比较后，此时 OUT1 端输出恒为 +5V的电平信号；当有液滴经过时，光敏三极管信号输出端输出低电平的直流信号，由于液滴经过的过程中信号输出端信号的变化相当于脉冲信号的产生，电容 C1 对交流信号的导通作用使得此脉冲信号能安全的进入运算放大器 U1进行高增益、低噪声放大，此时放大器输出端输出信号的信号已足够强。 U2 为电压比较器，其负输入端由电 „ „ „ „ 可实现对液滴信号的准确检测。 五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 8 R9R8R11122R2+ 5 V + 5 VC165784L M 3 5 8R3R5R6R4C3+ 5 VR7R1 6Q1R1 7+ 5 VC2+ 5 VR1 5+ 5 V312167 L M 3 3 9O U T 1D1 D2 图 32 系统液滴检测电路图 本电路中，为了提高系统液滴检测的 灵敏度，务必尽量使光敏三极管信号输出端电压信号的变化达到最大化，即  URR RCCDD  22 2达到最大，电路中 R2 应选用阻值为 的电阻；通过检测知道，液滴经过时输入到运算放大器正输入端的为电平 信号，为了使放大器工作在线性放大区域，同时可使放大器输入端接收到的微弱信号得到足够的放大，电路中 R4 和 R6 应选用阻值分别为 30KΩ、 100KΩ的电阻，此时电路中信号放大部分的放大倍数 为 64  倍；由于电容 C1 和 C2 涉及到电路的隔直通交性能，电容性能的好坏直接影响电路检测的稳定性与可靠性，因此应使用漏电压较少、寿命长、稳定性高的电容，本电路中电容 C C2 分别选用容值为 100 F 和 22 F 的钽电容。 同时系统可通过提高电压比较器的基准电压 URR RCC 98 8来增强其抗干扰能力，电路中 R9 为100KΩ， R8 为 15KΩ，它们构成的基准电压 为 V 0 .6988  URR R CCREFU。 同时，为了提高模块的抗干扰能力，系统采用黑色遮蔽体将光敏三极管包住，有效的减少了外围可见光对液滴检测的影响。 液面检测电路设计 本 系统采用红外检测技术对液面进行检测 [4],[7]。 如图 33 所示 ，红外发光二极管发出红外光，光线透过液体与茂菲氏管照射到红外接收管的感光面上，接收管将接收到的光信号转换成电流输出。 五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 9 „ „ 管后，如图 33(c)所示，光线又可直通照射光敏接收管，接收管恢复导通状态，此时接收管信 号输出端电压为低电平 [6]。 因此，通过检测接收管信号输出端电压信号的变化可实现对系统液面的检测。 „ „ 图 33 液面检测示意图 本系统液面检测电路如图 34 所示，电路中红外接收管的信号输出端连接到电压比较器 U2 的反相输入端，电阻 R R11 为电压比较器的正相输入端提供参考电压，本系统选取系统液面高于接收管时对应的输出电压为系统参考电压值。 由于接收管信号输出端接收的信号在临近液面时会有明显的变化，因此通过对电压比较器两输入端电压进行比较，利用单片机对电压比较器对应信号输出端信号的检测可实现对系统液面的 有效监测。 R 1 2 R 1 3+ 5 VD4+ 5 VD3R 1 4+ 5 VR 1 0R 1 1+ 5 V312245L M 3 3 9+ 5 VO U T 2 图 34 系统液面检测电路图 本电路中，可通过尽量使接收管信号输出端电压信号的变化达到最大来提高系统液面检测的灵敏度，即使参数41 3 4()D CCDR URR 达到最大，电路中 R13 应选用阻值为 200Ω的电阻；同时系统可通过提高电压比较器的参考电压值 REFU 来增强其抗干扰能力，电路中 R10 为 100kΩ， R11 为 15kΩ，它们构成的参考电压为 101 0 1 14 .4R E F C C VRUURR  。 按键电路设计 系统中按键模块是实现数据输入与参数修改的设备，借助键盘可向系统设置参数，发五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 10 出控制指令等。 当所设置的功能键 电路中矩阵键盘的 高四 位均接上拉电阻，其阻值为 10 kΩ。 12345678J6P 2 .0P 2 .1P 2 .2P 2 .3P 2 .4P 2 .5P 2 .6P 2 .7R32R33R34R35+ 5 VS6S5S4S2S3S112345678J4 图 35 系统按键电路图 数据显示电路设计 在系统中，数据显示模块是实现人机交互的界面，通过数据显示模块可显示系统的相关参数及报警信息。 考虑到部分数据取值较大，本系统采用 2 个 4 位数码管进行数据的显示；同时由于系统 I/O 端口较为紧张，为了实现对数码管的有效控制，系统采用串行控制芯片 74HC595 进行相关数据的处理，系统的数据显 示电路如图 36 所示。 „ „ 图 36 系统数据显示电路图 在本数据显示电路中，芯片 74HC595 是 8 位串行输入 /输出或并行输出移位寄存器，具有三态输出功能 寄存器有一个串行移位输入（ Ds），和一个串行输出（ Q739。 ） ,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当时能 OE 为低电平时，存储寄存器的数据输出到总线。 芯片工作时序图如图 37 所示 [7]。 五邑大学本科毕业设计 (论文 ) 注意本栏字体为“隶书” 11 图 37 74HC595 工作时序图 为了避免电路中导通电流过高而烧坏数码管，本电路中需要选择合适的限流电阻。 由于数码 管内部是由发光二极管构成的，其正常工作电流范围为 5~20 mA，以及其正向压降为 2V 左右。 为了适当控制数码管的发光亮度，电路中限流电阻 R18~R25 应选用阻值为330Ω的电阻，此时数码管的驱动电流 C C DD 5 2= A 9R 3 3 0UUI mA，其中其中 DU为二极管正常工作时的正向压降。 同时，为了实现对数码管的有效选通，电路中与三极管连接的串联电阻应选用稍大的阻值，本电路中 R36~R39 选用阻值为。 串行通 信 电路设计 由于 传统的 RS485 通信需要布线，安装维护工作较为困难、复杂，并且易受到现场条件的影响 [10] ,[11]，为了满足用户需求，本系统采用 何标准或非标准的用户协议，只需通过与单片机引脚直接连接即可对其进行相关的控制操作。