本科毕业论文---基于蓝牙的无线输液报警系统.doc

本科毕业设计（论文）论文题目：基于蓝牙的无线输液报警系统摘 要摘 要静脉输液是现在医院中常用的输液方式，然而大部分的输液要靠医护人员不定时地巡检，这使得在就医高峰期，医护人员很难应付，常常会造成无法及时停止输液而导致危害病人的健康甚至危及病人的生命。本论文是设计一个一主多从的输液报警系统，设计利用光电检测输液管内的液面变化，通过甄别液面变化的电信号判断输液是否完成，及时产生输液完成的报警提示，利用单片机把报警信号经蓝牙无线传输到报警终端，实现从机-输液检测端和主机-报警端双重报警。主从机蓝牙的使用，可以实现整个输液报警系统实现一个主机-报警终端同时对多个从机-输液检测端实施集中式管理，蓝牙的无线传输可以使得从机-输液检测端在主机蓝牙有效的信号覆盖范围内任意移动，这样可以很好地解决输液管理问题，减轻医护人员的工作压力，缓解医护人员不足的矛盾。关键词：光电检测，蓝牙，无线传输，输液报警- I -AbstractABSTRACTIntravenous infusion is the commonly used transfusion method in hospital now ,but most of the infusions depend on the inspection of paramedics from time to time, what makes paramedics difficultly to cope with when in the medical treatment peak，and it often leads to the not timely discontinuation of the infusion that harm the patients health and even endanger their life.The present paper is to design an infusion alarm system of one leader with multi-followers , which uses photo-electricity to detect liquid level change in the infusion tube, to determine the infusion is complete or not through discriminating the liquid surface changes of electrical signal. The timely alarm prompt of transfusion completion transfers the alarm signal to the alarm terminal via the Bluetooth wireless by using the SCM, to achieve the dual alarm which from the machine-infusion test terminal and the host machine-alarm terminal. The use of master-slave machines Bluetooth can make the whole infusion alarm system to achieve the centralized management which from one host machine-alarm terminal to many slave machines-infusion test terminal over the same time .Bluetooth wireless transmission can make the slave machine-infusion test side to move arbitrarily within the range that host Bluetooth effective signal coverage, so it can solve infusion management problems very well, reduce paramedics pressure and ease the lack of paramedic.Key Words: Photodetector, Bluetooth, wireless transmission, Transfusion alarm-II-目 录目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 研究的意义11.2 国内外的研究状况11.3 主要研究内容11.4 主要设计思路1第二章 系统硬件电路设计22.1 系统总体框图22.1.1 从机-输液检测端22.1.2 主机-报警终端22.2 单元电路设计32.2.1 电源电路32.2.2 液面光电检测32.2.3 报警信号甄别52.3 蓝牙系统52.3.1 蓝牙模块外围电路62.3.2 蓝牙从机控制电路72.3.3 蓝牙主机控制电路7第三章 系统软件设计83.1 输液检测端软件系统83.2 报警终端软件系统10第四章 系统调试与测试134.1系统硬件电路调试134.1.1 光电液面检测调试134.1.2 报警信号甄别电路调试134.1.3 蓝牙控制调试134.2 系统软件调试144.2.1 从机-输液检测端单片机系统调试144.2.2 主机-报警终端单片机系统调试154.2.3 单片机联合调试164.3 系统测试164.3.1 一对一系统测试164.3.2 一对多系统测试16第五章 总结与展望185.1 总结185.2 不足与展望18致 谢19参考文献20附 录21附录一 程序源代码21附录二 总电路图26附录三 实物图28-IV-第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究的意义静脉输液治疗疾病是临床医疗工作中常用的治疗手段，目前国内大多数医院中所使用的静脉输液器，大都采用悬挂方式，即依靠重力原理进行输液。由于病情不同，不少患者一天需输几组药液，因输液时间长，患者卧床产生疲劳，易在输液过程中熟睡。当液体输完时，如床旁无陪侍或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况。轻则延误治疗，给病人造成痛苦，重则会严重危及患者的身心健康，发生不可弥补的医疗事故。目前,临床输液中采取的对应措施一般是由患者、陪侍或医护人员随时观察监视药液余量情况,牵扯精力大、效率低。特别是在患者增多，医护人员紧张的情况下，这个矛盾尤为突出。为此，结合临床实践，本研究采用一个终端监控多个检测器的办法，在患者众多的情况下给医护人员及时提供换药或拔针的提示信号，从而减轻了患者和医护人员在输液过程中的心理负担和反复观察监视的劳动强度，具有很强的实用价值。1.2 国内外的研究状况在国外，电子在医疗方面的应用起步很早，并且经过实际的临床使用、证明，得到逐步推广，形成医疗器械的智能化，美国、日本等一些发达国家走在世界的前列。较早的电子医疗器械强调高、精、尖，都是大型器械，而且投资巨大，使用的广泛性受到限制。经过十几年的发展，一些智能医疗器械逐步向小型化靠拢。其中应用于静脉输液的报警器、恒温加热装置应运而生，这不但减小了医疗事故的发生，也提高了医疗工作的效率。例如美国的V520全自动输液报警器等。我国在这方面的起步较晚，现今我们所使用的产品都是进口的，价格比较昂贵。国内所有正在研制厂家的产品也很不理想，且成本较高。如北京东方美源科技有限公司生产的输液监控仪都是单机版，价位却在几千元。1.3 主要研究内容本文以输液监控作为研究对象，研究内容包括：采用光电检测对液面进行监控，用蓝牙通讯进行数据的无线传输，单片机控制等，根据设计的要求确定各个部分的设计方案(包括硬件和软件)，解决设计中遇到的难题。1.4 主要设计思路本设计包括主机-报警终端和从机-输液检测端两个独立部分。从机-输液检测端通过光电传感器对输液管内的液面变化进行检测，将液面变化信号转化为光信号的变化，再由光电传感器将光信号转化为电信号的变化，由甄别电路通过对电信号的变化判断药液是否用完，从而产生输液报警信号。用输液报警信号触发从机-输液检测端的单片机，单片机将从机-输液检测端的编号传送到与其相连的从机蓝牙模块，通过蓝牙无线传输将报警编号发送到主机-报警终端，产生对不同从机-输液检测端所产生的输液完成报警，将多个从机-检测端和一个主机-报警终端组合在一起实现一个小型的无线输液报警系统。- 12 -第二章 系统硬件电路设计第二章 系统硬件电路设计2.1 系统总体框图本输液报警系统是由一个主机-报警终端和多个独立的从机-输液输液检测端组成的一个一主多从的无线网络输液报警系统。报警终端和输液检测端之间通过串口蓝牙模块可以进行双向无线传输，每个输液检测端都有一个唯一的系统编号，而且检测端与检测端间是独立的，彼此间不影响各自的工作。输液检测端检测到输液完成后产生报警信号，信号经蓝牙无线传输到报警终端产生相应的输液完成报警提示。由于采用了蓝牙无线传输，所以每个输液检测端都是可移动的，这将大大提高系统的方便性。其总系统框图如图2.1所示。图2.1 系统的总框图2.1.1 从机-输液检测端输液检测端首先通过单片机的外中断向报警终端确认该编号的检测器开始工作，然后利用光电检测输液管内的液面变化，获取液面的变化电信号，通过比较器判断输液管内是否还有药液，输液管内无液时产生声光报警信号，同时报警信号由单片机经串口蓝牙模块发给报警端的单片机，使报警终端产生对相应编号的检测端产生输液完成报警。检测端的系统框图如图2.2所示。图2.2 输液检测端系统框图2.1.2 主机-报警终端报警终端根据蓝牙主机端收到的信息判断接收到的信号是输液检测端的开启信号还是报警信号，根据信号点亮相关检测端工作状态指示灯或者产生相关的报警提示，并且控制蓝牙主机跟需要进行数据传输的蓝牙从机进行配对。其系统框图如图2.3所示。图2.3 报警终端系统框图2.2 单元电路设计系统单元电路主要包括系统电源电路，液面检测电路，报警信号甄别电路，蓝牙模块控制电路。2.2.1 电源电路电源是设计系统中的重要组成部分，主要是为各功能电路提供所需的工作电压，其稳压性能直接影响系统工作的稳定性和可靠性。由于本设计所用的蓝牙模块采用3.3V电压供电，所以系统电源采用可调节的3端正电压稳压器LM317实现。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5A的电流。其电路设计如图2.4所示，其输出电压Vo=1.25（1R2/R1）。检测端电源由9V电池提供，报警终端的电源由5V直流稳压电源提供。 图2.4 系统电源电路设计2.2.2 液面光电检测光电检测器件是利用物质的光电效应，把光信号转换成电信号的器件。它的性能对光电系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等。对不同的光电检测系统，其光电变换装置的组成和结构形式也就有所不同。本系统的光电变换形式为光被被测对象遮挡的形式和光透过被测对象的形式的总和。本系统的光电变换类型为模拟量的变换，即被测的光信息量(通常为光通量)变为电信息量(光电流)。光通量入射到光电器件的光敏面上，输出光电流，二者成正比。所以，光电流的大小可以反映出被测点信息量的大小。即光电器件输出的光电流Im是被测信息量Q的函数：Im=f(Q)。光电器件上产生的光电流I的大小，不仅与被测信息量Q的大小有关，而且与光辐射通量密度，光学系统质量和光电器件本身的性能有关，所以要求光源的性能稳定。特别要求它们的特性不因工作时间、电源电压波动以及温度变化等原因而发生变化。否则，由于光源特性的改变将明显引起输出电流的变化，给光信号检测带来误差。本检测端的系统光源采用白色散光型发光二极管，其具有功耗低，发光均匀，工作稳定，价格便宜等特点。其电路符号如图2.5所示。 图2.5 发光二极管电路符号 图2.6 光电二极管电路符号当被测对象因光的反射率、折射率变化或者是被测对象本身光辐射的强度变化，此时的光信号幅度大小也随之改变。为准确测出幅度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件。系统报警和滴速检测部分是利用幅度变化，来判断是否报警，所以选用光电二极管。光电二极管是一种光能与电能进行转换的器件，PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化，其符号如图2.6所示，图2.7为光电二极管的伏安特性曲线，在无光照的时候，光电二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。外加正向电压时，电流与端电压成指数关系，见特性曲线的第一象限。外加反向电压时，反向电流称为暗电流，通常小于0.2 u A。在有光照的时候，特性曲线下移，分布在第三、第四象限，特性曲线是一组横轴的平行线。光电流是光电二极管在反向时受到光照而产生的电流，当电压大到一定值时，光电流趋于饱和。此时光电流与所加电压几乎无关，它仅取决于光照强度，照度一定的时候，光电二极管可等效成恒流源，照度越大，光电流越大。在较小的负载电阻下，表现出良好的线性。图2.7 光电二极管的伏安特性曲线本系统报警部分采用光电原理非接触式探测液面变化，判定输液管中是否有药液存在，装置结构如图2.8所示，发光二极管和光电接收二极管位于输液管的两侧，根据输液管内柱形液体(截面为凸透镜)的透聚光原理判断输液是否结束。图2.8 液面检测装置由于输液管是一根透明塑料管，当管内有液体时，管壁和管内柱形液体相当于一个柱形透镜，光线不仅能透过，而且还能聚集到一条线上。当管内无药水时, 管内气体对光线形成散射，光线主要在管壁内，仅有很小一部分光线溢出；光电二极管能把这种光信号的变化转变成电信号的变化，液面变化电信号经甄别电路的处理，驱动报警装置在无药水的情况下发出报警。液面检测电路如图2.9所示，根据光电二极管接收到的光强度不同，B点将出现不同的电压值。具体为随光电二极管的接收到光强度是的增强，光电二极管的反向电阻减小，而反向电流增大，B点电压U增大。 图2.9 液面检测电路 图2.10 信号甄别电路 2.2.3 报警信号甄别报警信号甄别采用电压比较器来实现，电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平。具体电路如图2.10。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，管脚图如图2.11所示。甄别电路主要是通过把滑动变阻器产生的参考电压Vt1和Vt2（Vt2=Vb）进行比较，当Vt1Vt2时,比较器输出高电平,报警指示灯不亮,蜂鸣器不响。当Vt1#30H;*确认在使用的检测器*CJNE A,#01H,J1SETBP0.1CLR P1.1LJMP EXITJ1: CJNEA,#02H,J2SETBP0.2CLR P1.2LJMP EXITJ2: CJNEA,#03H,J3SETBP0.3CLR P1.3LJMP EXITJ3: CJNEA,#04H,J4SETBP0.4CLR P1.4LJMP EXITJ4: CJNE A,#05H,EXITSETBP0.5CLR P1.5LJMP EXIT;*报警提示*L1: MOVA,R0CJNE A,#31H,L2CLRP0.1SETBP1.1LCALL LEDL2:CJNE A,#32H,L3CLRP0.2SETBP1.2LCALL LEDL3:CJNE A,#33H,L4CLRP0.3SETBP1.3LCALL LEDL4:CJNE A,#34H,L5CLRP0.4SETBP1.4LCALL LEDL5:CJNE A,#35H,EXITCLRP0.5SETBP1.5EXIT:SETBP3.6 CLR P3.6 RETILED:CLRP0.0 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTRMOV P2,ARET ；*显示数字笔段代码*TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H 第四章 系统调试与测试第四章 系统调试与测试4.1系统硬件电路调试4.1.1 光电液面检测调试液面检测是本设计的关键所在，实验调试分四种情况：1、发光二极管与光电二极管间预留的输液管槽内空着，检测B点电压。2、发光二极管与光电二极管间预留的输液管槽内放充满透明药液的输液管，检测B点电压。3、 发光二极管与光电二极管间预留的输液管槽内放充满带浅颜色药液的输液管，检测B点电压。4、发光二极管与光电二极管间预留的输液管槽内放无药液的输液管，检测B点电压。实验结果如表4.1。由此，可将比较器LM358的负输入端的参考电压定为1V，输液槽内只要不是空的输液管，比较器将输出高电平。当输液管内无药液时，比较器输出由高电平跃变为低电平。表4-1 光电液面检测结果输液管情况B点电压无输液管2.4V有输液管（管内有透明药液）2V有输液管（管内有浅颜色药液）1.6V1.9V有输液管（管内无药液）0.9V4.1.2 报警信号甄别电路调试电路调试时把比较器负输入端的参考电压定为1V，正输入端电压大于1V时，比较器输出端为2.7V，属于高电平。当正输入端电压小于1V时，报警指示灯点亮，蜂鸣器响，测得比较器输出端电压为1.2V，出现“低电平”，但这时候未能触发单片机进入外中断。断开报警指示灯和蜂鸣器，比较器输出端电压为0.9mV，可以触发单片机进入外中断。很显然，电源经过报警指示灯以及蜂鸣器将一部分电压加在比较器输出端。针对此情况，对报警信号甄别电路增加一比较器，两个比较器的输入接法完全相同，增加的比较器输出端直接接到单片机INT0中断的触发端，电路如图4.1所示，问题得到解决。图4.1 修改后的报警信号甄别电路4.1.3 蓝牙控制调试蓝牙控制调试包括蓝牙从机的调试和蓝牙主机的调试。蓝牙从机的调试主要实现通过单片机控制从机蓝牙的电源实现控制从机蓝牙的开与关。蓝牙主机的调试主要实现蓝牙主机的刷新，即将蓝牙主机的KEY脚置高电平，清除蓝牙主机上一次连接的从机物理地址。调试蓝牙从机的时候，蓝牙从机一直不能工作，检测三极管C2383发射极电压为2.4V（蓝牙模块额定工作电压为3.3V），由此可知三极管没有处于饱和导通的状态，而是处于放大的工作状态。将蓝牙从机控制电路改为图4.2中的控制方式，发现由于单片机I/O口输出电流过小，而不能驱动三极管处于饱和导通状态，导致蓝牙两端电压不能达到额定的3.3V。进一步将修改蓝牙从机控制电路如图4.3所示，当P3.4处于高电平时，第一个开关三极管导通，发射极输出高电平，驱动第二个开关三极管处于饱和导通的状态，此时蓝牙从机两端的电压达到额定电压3.3V，蓝牙可以正常工作。P3.4处于低电平时，两个三极管都处于截止状态，蓝牙从机关闭。21图4.2蓝牙从机控制电路 图4.3 蓝牙从机控制电路报警终端控制蓝牙主机的管脚出现高电平时，开关三极管导通，发射极变成高电平，蓝牙主机KEY端为高电平，蓝牙主机清除上一次连接的蓝牙从机的物理地址，蓝牙主机可以跟其他需要进行数据传输的蓝牙从机配对连接。4.2 系统软件调试 单片机系统调试分为仿真调试和实际单片机调试，仿真调试主要在电脑的仿真上完成，这里没有叙述，以下为实际单片机调试过程和调试结果。包括从机-输液检测端的单片机系统调试、主机-报警终端单片机系统调试以及从机-检测端和主机-报警终端通过蓝牙连接进行联合调试。 4.2.1 从机-输液检测端单片机系统调试在面包板上搭建如图4.4所示电路，用串口线将单片机与电脑连接，用串口调试助手接收来自于单片机的数据或者向单片机发送数据。程序定义调试从机-输液检测端单片机编号为03H，调试方法以及结果如表4.2。图4.4 从机-输液检测端单片机调试电路表4-2 从机-输液检测端单片机调试方法及结果调试方法结果触发INT0中断P3.4为高电平，串口接收到的数据为03H，数码管显示3通过串口助手向单片机发送03H后P3.4为低电平，单片机不能触发INT0中断，可以进行INT1中断，数码管熄灭触发INT1中断P3.4为高电平，串口接收到的是数据是33H，数码管显示3通过串口助手向单片机发送33H后P3.4为低电平，单片机均不能触发INT0、INT1中断4.2.2 主机-报警终端单片机系统调试在面包板上搭建如图4.5所示电路，用串口线将单片机与电脑连接，用串口调试助手接收来自于单片机的数据或者向单片机发送数据，调试方法以及结果如表4.3。上排从左到右为15号检测器正常工作指示灯（发绿光）下排从左到右为15号检测器报警作指示灯（发红光）图4.5 主机-报警端单片机调试电路表4-3 主机-报警端单片机调试方法及结果调试方法调试结果通过串口助手向单片机发送03H3号从机-输液检测端正常工作指示灯亮，串口助手同时接收到数据03H通过串口助手向单片机发送33H3号从机-输液检测端报警指示灯亮，正常工作指示灯熄灭，数码管显示3，蜂鸣器响，串口助手同时接收到数据33H，触发INT0中断报警指示灯熄灭，数码管熄灭，蜂鸣器静音4.2.3 单片机联合调试在面包板上搭建如图4.6所示电路，从机-输液检测端单片机与主机报警终端单片机之间通过蓝牙无线连接，由于蓝牙的配对连接需要一定的时间（5s之内），为了提高通讯的效率，检测端的INT0中断采用下降沿触发，INT1采用电平触发，调试方法以及结果如表4.4。下排从左到右为15号从机-输液检测端报警作指示灯（发红光