摘要

随着科技进步，我国的医疗设施不断完善，逐渐达到现代化水平。在当今的医疗环境下，病患更关心自己是否能够及时进行有效的治疗，医护人员对患者进行输液过程的全程监控。医生治疗的效果明显提高，不仅节约大量的时间，同时能够接受大量需要治疗的患者。自动输液监控系统在医疗领域发挥着重大作用。满足了医生与患者的双方需求和医疗设施现代化的需求。

本设计具有设置无点滴报警时间，液晶显示点滴速度，点滴数量，无点滴报警。基于以上功能，分别进行自动输液监控系统的硬件电路和软件电路的设计。本设计利用光电感应原理，当液滴掉落经过光电开关，光电开关之间的光线发生变化，液滴阻挡了光电开关的发射部分和接收部分电信号传递，产生瞬间电信号变化，这种变化将光信号转化为电信号并传输电信号。本设计选择STC89C52单片机作为核心控制元件，包含的外围模块：1×4矩阵键盘、独立按键、光束红外传感器、液晶显示屏、蜂鸣器、双运放,电源电路等。

采用STC89C52单片机为主要芯片，一是性价比高，能够满足设计的功能需求。二是无需专用仿真器，就可通过串口直接下载用户程序，可以直接将单片机固定焊接到PCB板上，进行程序的下载调试。

关键词

STC89C52单片机；1×4矩阵键盘；LCD1602液晶屏；自动输液监控系统

第1章概述

1.1 研究背景及意义

输液是利用静压原理和大气压将生理盐水、葡萄糖等药液由静脉输入病人体内,在临床治疗起到重要的作用。它的特点是给药速度快、见效快,能够及时抢救患者的宝贵生命。目前,输液过程还存在各种隐患。首先,输液速度难以控制的问题,一般来讲,输液速度的控制大多是靠医护人员通过旋转液滴管上的滑轮,目测出大概速度,然而对于新进的医护人员,由于缺乏经验,很容易把握不够准。出现输液速度太快或太慢的问题,太快会给病人带来疼痛,太慢则起不到良好的治疗效果。

随着医疗进步和科学技术的发展，人们在治疗过程中更加注重有一个更良好治疗系统带来的效率，这更有利于病人治病，加快康复速度。让病人对自己治病康复有更大信心，从而减少病人的自身焦虑，增进人们的幸福感。传统的输液方式很难通过肉眼观测到液滴速度，陪护患者的家属或监护医疗人员就需要不断的观察输液状况，以免发生意外，这很容易导致交叉感染，也不能给患者一个良好的调养环境。传统输液还要护士不断地到病房查看状况，增加工作量，还可能发生医疗纠纷。通过采用自动输液监控系统改变这种情况，治疗过程自动化让问题迎刃而解。

本次选题是对现有的医疗状况的思考，以及全国普遍医疗水平入手。

最近几年，医疗事业不断发展。从实际出发用现有的知识活学活用，熟练掌握单片机，并将其运用到自动输液监控系统中。

1.2 现状分析

目前，美国研究的一种可供战时使用的人体状态监护仪器，是一种由士兵佩戴，监控士兵在战场上的呼吸、体温、血压及心电图的监护设备，通过无线传输使战地指挥官能了解战场上的士兵是否还活着，并获取受伤者的位置信息。

国内医院以计算机为基础的病人床边监护与中央集中监护系统，能通过各种方式与各类信息系统相连接，组成一个集数据、波形、语音、图像为一体的有线与无线相结合的信息网络。在这个网络中可通过各种有线和无线传输方式，将急救现场、急救车、诊疗船、直升机、家庭诊疗所、乡村医院等与急救中心和大型医院相联通，为人类提供在任何地方、任何时候实行远程监护与医疗诊断。这一现代技术目前正悄悄地进入医院、家庭以及任何载人的运输工具。

1.3 主要研究内容

本系统由STC89C52RC单片机执行的液晶显示和键盘构成的外围的数据处理最终和显示模块进行通信，主要研究内容如下：

（1）实现STC89C52RC对系统的精准控制。

（2）可以设置无点滴信号警报时间与独立键盘。

（3）使用1062液晶显示当前状态，点滴的速度和数量。

（5）在设置的时间内无点滴信号时进行报警。

（6）对本方案的电路的工作原理和工作过程进行分析。

第2章硬件方案

2.1 硬件电路总体设计

本方案设计基于单片机的自动输液监控系统，STC89C52作为主控制器，输入部分为1×4的矩阵键盘，液晶屏显示字符，输入设备为LM358运算放大器和光电开关，输出设备为蜂鸣器。设计过程包括硬件电路设计，使用PROTUES对电路进行仿真，运行完成光电检测和发生警报液晶显示。可以按键调控模式，设置警报时间和发生警报的间距。液晶屏可以显示液滴掉落的速度，总共掉落液滴数。如下2.1系统框图。

图2.1 系统框图

2.2 硬件简介 

2.2.1 STC89C52芯片

STC89C52RC单片机不仅具有速度高，功耗低的特性，而且抗干扰能力很强。是宏晶科技最新发布的单片机，在兼具传统51单片机全部功能同时时可切换6/12时钟周期/机器周期。具有以下功能特性：

· 工作电压：3.8V~2.0V/3.3V~5.5V · 工作频率：0~40MHz

· 8K字节的用户应用程序空间 · 512字节片上集成RAM

· 可选择6/12时钟周期或机器周期

· 共有32个通用I/O端口，上电复位后P0开漏输出，作I/O口时需要上拉电阻，作总线时不需上拉电阻，P1/P2/P3/P4有准双向口和弱上拉。

· 系统可编程中的ISP和应用可编程中的IAP均不需要编程器和仿真器

· EEPROM功能 · 看门狗功能

· 16位定时器/计数器（3个）：T0，T1，T2。

· 4个外部中断，低电平出发或下降沿触发电路，利用低电平触发或外部中断触发Power Down。

· 定时器软件完成多个异步通信串行口UART

· 工作温度：-40~+85℃/0~75℃ · DPIP封装

2.2.2 LCD1602

LCD1602液晶显示屏较之前能够展示更多内容，寿命更长，技术不断进步，液晶屏更容易得到广大的推广，很受客户喜爱。同时价格低廉，拥有较高的显示效率和显示速度，使用人数越来越多。代码驱动相对更加简单，然后进行初始化即可在显示屏显示已经设置好的内容。液晶显示具有的较高清晰度及其功能强大很适合本次进行的方案设计。

图2.2 LCD液晶显示

连接如上图所示为LCD1602液晶屏显示，其内部设有存储了数字，英文，图案等数据的存储器，这相当一个大的数据库。当你使用显示器时，可直接调用数据库，并完成编辑函数。操作过程及其简单易调试，故选择该类显示屏。

在使用显示模块之前应先进行初始化程序，完成字符和坐标的设置。使其在显示字符后并且在自动向右移动，空出一个字符，从而实现出屏幕滚动效果。完成上述操作后实时监测显示器状态，使显示屏在显示字符前处于非工作状态。

2.3 单片机最小系统

最小系统是用来保证单片机正常稳定工作同时最方便简洁，其包含：电源电路，晶振电路，复位电路，下载电路。

（1）晶振电路

晶振电路为单片机提供所需的工作脉冲好比人类的心脏，当收到12M晶振，单片机每秒接收120000000个脉冲，因为单片机12分频，每收到12脉冲，并执行一个指令。

（2）电源电路

电源电路，工作电压在3.3~5.5V，STC89C52RC单片机，电池和电脑USB，移动电源，手机充电器等可采用两种方式。

（3）复位电路

复位电路可作为单片机的重启键，当单片机执行程序时跑飞死机就可以使用复位电路对单片机进行重新启动。常用有复位功能的按键手动复位和上电复位。

（4）下载电路

下载电路运用到集成电路板，使调试更加简单，提前将程序装载，方便演示。如下图所示：

图2.3 单片机最小系统

2.4 运算放大器

LM358内部包含两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源，也适用于双电源工作模式，在建议的工作条件下，电源的电流与电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其功能特性如下；

. 内部频率补偿                    . 低输入偏流
. 低输入失调电压和失调电流        . 共模输入电压范围宽，包括接地
. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
. 直流电压增益高(约100dB)         . 单位增益频带宽(约1MHz)
. 电源电压范围宽：单电源(3—30V)   . 双电源(±1.5 -±15V)
. 低功耗电流，适合于电池供电       . 输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)如下图所示：

图2.4 运算放大器

2.5 光电开关

H2010（光电开关）作为一种槽型的光电传感器，将一个光发射器与一个接收器面对面地组装在一个槽的两侧便组成槽形光电。发光器能够发出红外光线或可见光线，在没有障碍物阻挡情况下光接收器是能够收到光线的。但是当被检测物体从槽中通过时，光线被遮挡，光电开关开始运作，会输出一个开关控制信号，从而开断负载电流，这样便完成一次开或关的控制动作。槽形开关的检测距离很有限，受整体结构的影响，同时考虑测量精准度的限制，所以一般只有几厘米。光电传感器就是将光线强度的明暗变化转化成电信号的变化并实现控制。如下图所示：

图2.5 光电开关

2.6 报警电路

报警电路是通过设置一个延时子程序和时间闽值来完成本设计，在嵌入式软件中，把延时子程序的时间阂值非常精确的设置为3秒,一但3秒记时完成后并且光电开关没有发送信号，即没有检测到任何液滴,就可以认为输液已经停止,这时系统将立即控制声光报警装置并发出警报。同时液晶屏显示液滴速度为零，并记录液滴数目。这时设计人员知道本次运行结束，可以按复位键恢复初始状态。由于设置两滴液滴之间的时间间隔为3秒。当系统认为输液完成后,就会控制声光报警模块进行报警，蜂鸣器发出报警声音,提醒输液病患输液已经完成。声光报警整个过程的完成是在单片机系统控制蜂鸣器和发光二极管。如下图所示：

图2.6 报警电路

2.7 复位电路

复位电路就是在STC89C52单片机的RST引脚设置高电平并且维持2个机器周期，单片机系统内部就会执行复位操作。复位电路一般使用上电自动复位和按键复位。

通常有些情况下我们还需要按键手动复位，本设计没有采用上电复位,就是使用按键手动复位。按键手动复位共有脉冲方式和电平方式两种。电平复位是由RST引脚端与电源Vcc接通来完成的。按键手动复位电路如下图所示：

图2.7 复位电路

2.8 信号检测及放大电路

图2.8 信号检测放大电路

2.9 时钟电路

STC89C52单片机的时钟信号一般有内部时钟和外部时钟两种方式产生。在STC89S51单片机系统内部的振荡电路，当单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体，便组成了自激振荡器，并且在单片机系统内部产生时钟脉冲信号。时钟电路便是振荡器，为单片机提供一个节拍，只有在单片机系统执行操作在这个节拍的控制下才能正常进行。所以单片机系统没有时钟电路就不可能正常工作。时钟电路本身是不具备任何控制功能，因此我们需要通过单片机系统并进行编写子程序从而控制时钟电路运行。如下图所示：

图2.9 时钟电路

2.10下载接口电路

下载接口电路就是在STC89C52单片机系统中具有可编程的特性，STC89C52单片机可编程，这对设计人员有着更多的实验设计的空间，而且不需要再去购买通用编程器，使用时将写好的子程序下载烧录到单片机系统中，更不需要拆下，减少了损坏产品的可能。并且有些程序还没有完善定型的产品就可以边生产，边完善，有利于产品快速进入市场，降低新产品因为软件不足带来的风险。不仅可以在用户的目标单片机系统上把程序直接烧录到单片机查看运行结果，而且不需要仿真器。具体如下图所示：

图2.10 下载接口电路

2.11 发光二极管

两个指示灯分别是红灯和绿灯，是两个按键的操作指示灯。绿灯亮起时代表此时为弹奏模式，K1按键有效；红灯亮起时代表此时是音乐播放模式，K2按键有效。发光二极管部分如下图2.10所示。

图2.11 发光二极管

第3章软件设计

整体程序处理：

图3.1 程序框图

如图3.1所示，按下自锁开关，系统默认为关闭状态，通过按下设置时间键，并进行时间加减，最后打开启动按键。对液滴速度和液滴数量进行监控并在液晶显示屏显示，如果没有点滴在设置时间内报警。

第4章系统调试

4.1 仿真调试

1.用Proteus设计仿真

仿真设计图如图4.1所示：

图4.1 仿真设计图

2. 运行仿真

运行演示设置无点滴报警时间。如图4.2所示已设置3秒报警，如图4.3所示无点滴时液滴速度为零，并红灯亮起，发生警报。

图4.2 仿真设计图A

图4.3 仿真设计图B

4.2 硬件调试

（1）按下自锁开关，自动输液装置开始工作，液晶显示屏一开始显示液滴速度为零，液滴数也为零，系统默认为关闭状态液晶屏显示“OFF”，系统默认初始状态。如图4.4所示：

图4.5 输液工作模式

（2）通过设置按键可切换界面并设置蜂鸣器报警时间，屏幕显示“SET BUZZER TIME”并且默认时间间隔为4秒。如图4.4所示：

图4.6 设置时间间隔

（3）按下时间加减按键设置自己预定的时间如图4.7所示，可设置5秒间隔。

图4.7设置时间间隔

（4）使用启动开始按键将状态调至屏幕显示“ON”自动输液监控系统开始工作。如下图所示：

图4.8 工作模式

输液工作开始进行，屏幕显示液滴数为35，液滴速度为26。

（5）当输液停止不在有液滴掉落，光电检测不到液滴时，在经过设置的间隔时间5秒后单片机开始发生警报，并有二极管亮起红灯，如下图所示：

图4.9 发生警报

（6）使用复位按键，将自动输液复位到初始状态如图所示：

图4.9 复位初始状态模式

第5章总结

本设计是基于STC89C52的最小开发板而设计的自动输液监控系统，新冠疫情爆发以来，医院接待患者的压力巨大，要完成对病人输液，并对患者输液过程进行全程监控。如何在没有足够的医护人员的情况下，有效的对患者进行有效的治疗。我们学生及科研团队目前正在研究的自动输液监控系统，能够很好满足医院需求。同时也能及时拯救大量患者，为疫情防控奉献自己的力量。

从我国现有的临床医疗来看,静脉输液是仍然是比较常见的输液方式,通常情况下,医院的医护人员凭借自身经验和转动滑轮来控制和观察输液滴速,这样就给医护人员带来了众多的不便同时也加大了医护人员的工作量。为此有必要改进这种监控方式,研究和利用输液监控系统是为了避免一些异常情况的产生,降低医疗事故的发生,轻医护人员繁重的工作压力。

单片机编程虽已不是最先进的，同时还有很多不足，但是通过学习单片机编程思想我也学会很多基础，打牢基本功为以后的学习更加顺利。在设计时，我也遇到诸多问题，滴管在使用过程中大幅度晃动时，测量结果一定会出现误差，实际生活中，在医院的输液患者和护士难免会碰到或者调整滴管，怎样提升测量精准度，降低误差。这些还需要我们继续努力。可以清楚知道，进一步提升系统的灵敏性，使其更加精准可靠。同时降低设备成本也很重要，这样设备才能受到广大群众的欢迎。并且利用好网络进行实时通信符合时代发展。