一、项目规划布景及概述
1、开发意图
众所周知，我国人口众多，医疗资源稀缺，医院经常人满为患。输液作为一种重要的医治手法，其受众面是十分之广，简直每个人都有在医院挂水的阅历。但是进入信息时代的今日，输液器却仍然保留着最原始的功用，缺少智能化或信息化的操控手法，这也是导致医院打针室次序紊乱，护理疲于奔命，患者苦不堪言的最直接原因。现在医院所运用的悬挂式输液器虽然有操控流速的设备，但无法得知输液剩余时刻，且缺少输液结束后的报警体系，使患者不能合理组织打针时刻，且打针结束后不得不大声呼叫护理，这样做既造成了打针室的喧闹，影响了其他患者的歇息，亦耗费了患者的膂力。
2、功用特性
本小组规划的输液器智能操控体系不光能够实时调整患者输液的流速，并且能够以剩余时刻的方法，形象直观地指出患者的输液进展，并且在输液行将结束后主动宣布提示。
3、立异性及实用性
本设备的立异之处在于，比较以往传统的输液设备只具有输液功用和简略的调速功用，本设备赋予了其监测时刻和结束报警的功用，使得患者能够根据自己的志愿精确设定输液时刻，做到与其他事宜的无缝联接，合理组织手头作业。举个比如来说，就如同于咱们平常下载电影，假如只知道下载速度而不知道下载剩余时刻，就会显得很被迫，无法统筹操控和办理各下载使命，无法合理组织其他业务。而正因为有了剩余时刻，使得咱们能够精确组织下载流程，合理分配各项活动。对医院而言，本设备也可使医务作业者及时获悉患者输液信息以便补液和结束输液，做到有条有理，次序井然，终究进步功率。本设备的实用性在于，无需对传统输液器进行改装加工，只需在顶部挂钩处增加本设备即可。此外其结构简略，易于装置，运用便利。
二、项目规划原理
1、整体规划原理
由物理常识可知，悬挂着的输液瓶首要遭到两个力：一个是竖直向下的重力G，另一个是竖直向上的拉力F。因为F=G，故输液瓶停止与空中。
别的输液瓶中的液体：
(1-1)
(1-2)
(1-3)
由以上三式，可得：
(1-4)
因为 为常数，故：
(1-5)
其间K为常数，可知输液瓶遭到的拉力F与瓶中液体体积V成线性关系。那么经过丈量拉力F，即可得到体积V。
根据以上的推论，本体系经过丈量一段短时刻 内输液瓶遭到拉力的改动量 ，并与此刻遭到的拉力F做一下运算即可得到输液结束所需的时刻t：
(1-6)
注：F为除掉输液瓶毛重后液体所受的拉力
2、硬件规划原理
硬件上的规划难点在于液体分量的获取。针对此问题，咱们选用了高精度的3kg拉力传感器(如图2-1所示)，此传感器是电阻桥式压力传感器。
图2-1 拉力传感器
电阻桥式压力传感器的作业原理如下所述：将应变片黏贴到受力的力敏型弹性元件上，当弹性元器材受力发生变形时，应变片发生相应的改动，进而使电阻阻值发生改动，有力引起的阻值改动转化为电压的改动，经过丈量输出电压的数值再经过相应的核算即可得出丈量的物体的分量。其内部电路如图2-2所示。
图2-2 拉力传感器内部电路
虽然此传感器的精度较高，但其输出的电压仍然很低，单片机的AD口不能检测出来。咱们选用的计划的是：选用专用的传感器检测芯片HX711。
HX711是一款专为高精度电子秤而规划的24位A/D转化器芯片。与同类型其它芯片比较，该芯片集成了包含稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需求的外围电路，具有集成度高、呼应速度快、抗搅扰性强等长处。下降了电子秤的整机本钱，进步了整机的功用和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程十分简略，一切操控信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程扩大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B 则为固定的64 增益，用于体系参数检测。芯片内供给的稳压电源能够直接向外部传感器和芯片内的A/D 转化器供给电源，体系板上无需别的的模仿电源。芯片内的时钟振荡器不需求任何外接器材。上电主动复位功用简化了开机的初始化进程。
从传感器输出的电压经过HX711的128倍扩大后，由其24位AD采样后得到的数值已能够满足此项意图需求。
因为此传感器的精度较高，其对电源的要求而随之进步，为了满足其对供电的需求。咱们运用了5V线性稳压器使供电电源愈加安稳，纹波更小。
以上便是硬件规划原理的介绍，具体的硬件规划将在后边的硬件规划中论说。
3、软件规划原理
本项目软件部分的规划难点在于怎么精确地获取输液的分量，怎么反抗外部的搅扰。
根据整体规划原理里提及的输液剩余时刻的获取，软件程序将获取的总分量减去称重传感器毛重及输液瓶分量后即为输液的分量，再经过每1s的采样获取输液分量的改动，即可核算出剩余时刻。但实践中并不完全是这样的。因为在实践中输液的速度极慢，碍于传感器的精度有限，在1s的采样周期内，搜集到的输液分量简直不变，无法进行剩余时刻的猜测。为了战胜这种状况，咱们参照光电编码器里的T丈量转速的方法，经过丈量在第n个1s内输液分量改动1个单位，再将n乘以1s采样周期内改动1个单位所算得的剩余时刻，这才得到输液剩余时刻。
因为输液瓶并不是停止不动的，每时每刻它都遭到各种力的效果。这会对咱们重力的丈量带来各种搅扰。为了尽量下降这种搅扰的影响，咱们的软件程序中对运算得到的分量改动率进行了简略的一阶滤波，这能有用地下降高频搅扰的影响。不过，这样仍然不行的，如输液瓶遭到人为施加的晃动时，剩余时刻会突变得十分严峻的。故咱们的程序中，经过每三个改动周期里其剩余时刻改动共一起才以为搜集到的数据为正确的数据。经过这种方法，能够很好处理外部大的搅扰带来的影响。
在此，咱们仅仅介绍了软件规划中所用到的重要技能，具体的软件规划将在后边的软件规划中论说。
三、项目规划
1、硬件规划
图3-1 硬件整体框图
扼要阐明一下，咱们选用的供电计划是：由220V市电经电源适配器得到5-12V，然后经过LM2940-5.0线性稳压芯片得到5V，再给单片机、传感器、LCD显现屏和无线模块供电。
因为拉力传感器受压后输出值改动量小，故需求经过扩大电路后再送到单片机的AD口进行模数转化以得到满足的精度。而因为HX711芯片内部已自带128倍可编程扩大器，故不需求在外部电路多加扩大电路。
因为医院的输液室不算广大，并且输液悬挂点较多。针对这种状况，无线模块运用Zigbee是最合适的。但手头上暂无Zigbee，只要曾经用过的XL02-232AP1。故无线模块暂定于XL02-232AP1。
为了开发的便利，LCD显现屏暂时运用手头上已有的OLED 128*64 0.96寸黄蓝双色显现屏。
以下是体系的硬件原理图：
图3-2 体系硬件原理图
因为时刻紧迫，咱们并没有PCB打样。咱们运用曾经用过的旧板上经过飞线焊接，建立最小体系。实物图如下所示：
图3-3 最小体系实物图
配上各种模块后的实物图如下所示：
图3-4 总的实物图
2、软件规划
软件规划首要分为两个部分：上位机和下位机。下位机的作业首要是在规则的采样周期内搜集输液的分量，经过算法核算得到输液剩余时刻，然后经过OLED显现及经过无线模块发送到上位机。
而上位机的作业首要是搜集下位机发送的数据，将数据分类并排序，最终在界面上显现出来。
2.1 下位机软件规划
下位机的程序先经过各方面的初始化(包含定时器、串口、称重传感器的去皮等)，然后等候1s采样时刻的到来。当1s采样周期到来时，单片机经过HX711搜集输液的分量，关于实在的数据进行处理，不契合的扔掉。以下是其程序流程图：
图3-5 下位机程序框图
2.2 上位机程序规划
上位机经过初始化，翻开特定通讯端口，创立衔接后，就等候着下位机发送数据。当上位机收到数据后，判别数据是否契合通讯协议的规则(通讯协议为：A5+ID+AA+剩余时刻)，契合进行排序并显现;不契合则扔掉。其软件流程图如下所示：
图3-6 上位机软件流程图
四、测验成果
咱们的程序调试结束后，用医用输液瓶进行丈量，丈量的成果如下表所示：
表4-1 试验丈量成果
从上表上的数据能够看出，在短时刻内的差错简直为0，而在较长时刻上有所缺乏，在咱们的试验上差错最大为15.7%，但其实践上误差的分钟数并不算许多(最多为11分钟)，这在实践运用傍边仍然能让人承受。
五、总结
本计划是以深联华单片机芯片为中心，经过相应的传感器和无线模块，将患者当时输液时刻信息实时的反馈给院方和患者的一个功率处理计划。针对当时医院输液紊乱的现实状况，本着以患者为中心，以医院作业功率为要点而提出的这个输液时刻监控处理计划处理了输液时刻这个长期存在但并未正确处理的问题，使医院输液次序得到有用的保护，并处理了患者在无法获悉时刻的着急感。并且在实践丈量中，其成果能让人满足。本计划规划产品精巧，有用，本钱低价，一起后期可扩展的可能性大，可大面积的在医院推行运用。
