智能點滴控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張偉光 高宏偉

【摘要】靜脈輸液監(jiān)測對保障病人輸液安全意義重大。本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的智能點滴病房呼叫系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為主控制器，由紅外發(fā)射和接收管檢測液滴，并用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示。由電子稱重傳感器監(jiān)測液面的變化，然后由高精度稱重傳感器 HX711將重力值轉(zhuǎn)換成電壓，傳送到單片機(jī)處理報警。實驗證明本系統(tǒng)集聲、光、數(shù)顯示為一體，可以對病人的輸液情況進(jìn)行實時有效的監(jiān)測報警，避免醫(yī)療事故的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】智能點滴;紅外發(fā)射和接收;稱重傳感器

Abstract：Venous infusion monitoring is of great significance to protect the patient transfusion safety.An intelligent drip control system based on single chip microcomputer is proposed in this paper，which uses MCU as the main controller，transmits and receives tubes droplet by infrared，and uses dynamic scanning method to achieve LED digital display.The electronic weighing sensor is applied to monitor the liquid level changes，then the gravity value is converted to a voltage by high-precision weighing sensor HX711，and is transmitted to the microcontroller for alarm.The experiment results show that the system set sound，light，digital display as a whole system，it can infusion on patients of alarm monitoring real-time effectively and prevent the occurrence of medical accidents.

Key words：Intelligent drip;Infrared transmitting and receiving;Weighing sensor

1.引言

靜脈輸液是臨床醫(yī)療工作中最常用的、最有效的重要治療手段。在輸液治療過程中，每年都有一部分患者因輸液出現(xiàn)事故：病輕患者因病輕思想麻痹大意或重病患者因輸液組數(shù)多，陪護(hù)人員過于疲勞等原因而出現(xiàn)不能及時換藥或拔針頭，空氣進(jìn)入血管內(nèi)形成空氣栓塞、凝血堵針頭的情況，造成醫(yī)療事故及后續(xù)糾紛。目前國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院中所使用的靜脈輸液器，大都采用懸掛方式，即依靠重力原理進(jìn)行輸液，并且整個輸液過程中醫(yī)護(hù)人員必須不定時地進(jìn)行巡視，浪費了人力資源。在醫(yī)療高峰期，還會出現(xiàn)輸液結(jié)束，而醫(yī)護(hù)人員沒有及時發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行處理的情況，這種狀況會造成不同程度的醫(yī)療事故，給病人和醫(yī)院雙方帶來了不必要的麻煩。本文論述了開發(fā)的一個智能點滴控制系統(tǒng)。由于輸液往往需要很長時間，而護(hù)士不能總陪伴在病人左右，該系統(tǒng)能夠通過智能化監(jiān)控，當(dāng)有問題時自動報警來幫助護(hù)士看護(hù)病房的病人。

2.系統(tǒng)構(gòu)成與硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12C5A60S2[1]作為主控制器，病房呼叫時，按鍵傳到單片機(jī)，由單片機(jī)控制一位數(shù)碼管的顯示。由紅外發(fā)射和接收管檢測液滴，然后接收到的信號經(jīng)一級施密特觸發(fā)器傳送到單片機(jī)的中斷口，并用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示[2]，據(jù)此就可以探測出液滴的計數(shù);由電子稱重傳感器監(jiān)測液面的變化，然后由 HX711[3]專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片將重力值轉(zhuǎn)換成電壓，傳送到單片機(jī)處理，實現(xiàn)報警來提醒護(hù)士。本系統(tǒng)實現(xiàn)了病房呼叫、點滴計數(shù)、監(jiān)測液面的三種功能，但由于有稱重傳感器和紅外對管，所以環(huán)境因素的影響會存在些許誤差。本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 紅外液滴檢測模塊

紅外液滴檢測模塊由紅外線接收管（紅外收發(fā)管）[4]構(gòu)成，它是將紅外線光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個特殊材料的PN結(jié)，無液滴落下時，接收管與發(fā)射管正對，接收管接收到的光強(qiáng)較強(qiáng)，有液滴滴下時，下落中的水滴對紅外光有較強(qiáng)的漫反射、吸收及一定的散射作用，導(dǎo)致接收光強(qiáng)的較大改變，接收管在接受和不接受紅外線時電阻發(fā)生明顯的變化，紅外信號經(jīng)接收管解調(diào)后，數(shù)據(jù)“0”和“1”的區(qū)別通常體現(xiàn)在高低電平的時間長短或信號周期上，利用外圍電路可以輸出產(chǎn)生明顯的高低電平的變化，接收管接收到的信號經(jīng)一級施密特觸發(fā)器，送單片機(jī)的中斷口，據(jù)此就可以正確的探測出液滴的滴落，實現(xiàn)智能控制。同時也解決了因液體透明而使得發(fā)射不明顯的問題。紅外液滴檢測模塊電路圖如圖2所示。

圖2 檢測液滴電路圖

2.3 液面監(jiān)測模塊

液面監(jiān)測模塊由稱重傳感器測得液面，得到的是一個重量值，然后將重量值傳到24位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片HX711中進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成電壓值，再傳到單片機(jī)中由單片機(jī)進(jìn)行整體控制是否報警。本系統(tǒng)采用的平行梁式稱重傳感器采用連接圖如圖3所示。

圖3 連接圖

其中，HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV或±40mV。通道B則為固定的32增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。

2.4 數(shù)碼管顯示模塊

本系統(tǒng)中應(yīng)模塊用了一位和四位一體的數(shù)碼管。一位數(shù)碼管顯示很簡單，由單片機(jī)控制直接采用靜態(tài)顯示。而四位一體則采用動態(tài)方式。

動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低[5]。

LED7-4共陰極數(shù)碼管的使用條件：

（1）段及小數(shù)點上加限流電阻

（2）使用電壓

段：根據(jù)發(fā)光顏色決定;

小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定

（3）使用電流

靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）

動態(tài)：平均電流 4-5mA ;峰值電流 100mA

數(shù)碼管管腳圖4和數(shù)碼管顯示原理圖5如圖4所示。

圖4 數(shù)碼管管腳圖

圖5 數(shù)碼管顯示原理圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)[6]，與匯編相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性等方面都有明顯的優(yōu)勢。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境采用了基于Windows的Uvision2 ide開發(fā)平臺，其包含（下轉(zhuǎn)第173頁）（上接第171頁）1個高效的編輯器、1個項目管理器和1個make工具。Uvision2支持Keilc51工具，包括C編輯器、宏編輯器、連接/定位器、目標(biāo)代碼到hex的轉(zhuǎn)換器。為提高系統(tǒng)的實時性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)軟件使用了Keil C51操作系統(tǒng)。

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)的軟件程序主要包括外部中斷程序，數(shù)碼管顯示程序，HX711程序設(shè)計。其中中主函數(shù)含有初始化程序，分別調(diào)用稱重傳感器檢測液面，紅外收發(fā)管監(jiān)測輸液滴數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳到AD轉(zhuǎn)換器HX711中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，調(diào)用顯示程序?qū)⑤斠簲?shù)據(jù)實時顯示。采集到液面數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)與設(shè)定液面閾值比較，當(dāng)超過閾值時響應(yīng)外部中斷調(diào)用蜂鳴器報警。同時在正常輸液階段，系統(tǒng)處于等待按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時進(jìn)行報警。系統(tǒng)以此完成整個系統(tǒng)的運行。主程序流程圖如6所示。

4.實驗結(jié)果

本設(shè)計最終能夠?qū)崿F(xiàn)病房呼叫、液滴計數(shù)、液面監(jiān)測這三種功能：

1）病房呼叫的測試結(jié)果：當(dāng)某一病房病人按下按鈕，則在醫(yī)務(wù)處會報警提醒并顯示相應(yīng)的病房號。圖7為1病房的病人呼叫醫(yī)護(hù)。

圖7 病房1呼叫和報警界面 ? ? ? ? ? 圖8 液滴計數(shù)界面

圖9 液位報警界面

2）液滴計數(shù)的測試結(jié)果：當(dāng)病人開始輸液時，則在醫(yī)務(wù)處會顯示液滴的滴數(shù)，護(hù)士可以根據(jù)計數(shù)頻率來判斷滴速的快慢，來做相應(yīng)的處理。圖8為某病房病人輸液的檢測結(jié)果。

3）液面監(jiān)測的測試結(jié)果：病人在輸液過程中，當(dāng)藥液所剩不多時，即滴至某一固定液面時，醫(yī)務(wù)處警鈴會報警提醒護(hù)士病人即將輸液完畢，護(hù)士做好醫(yī)護(hù)工作。圖9是液滴滴到某液位報警的測試結(jié)果。

5.結(jié)語

靜脈輸液是現(xiàn)在醫(yī)院中常用的輸液方式，為解決輸液給病人及醫(yī)護(hù)人員帶來的麻煩，智能點滴控制病房呼叫系統(tǒng)能夠很好的解決問題，因此，本系統(tǒng)有很好的應(yīng)用前景。智能點滴控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)點滴控制并報警的功能，實現(xiàn)了液面監(jiān)測及液滴計數(shù)，最后顯示數(shù)碼管顯示病房號以及報警通知護(hù)士，由于有稱重傳感器和紅外對管，所以環(huán)境因素的影響會存在些許誤差，所以還需要做進(jìn)一步的完善和提高。

參考文獻(xiàn)

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