智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

王中陶，任天平，辛冠希，馮鵬飛

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）

智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

王中陶，任天平，辛冠希，馮鵬飛

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）

研制了一種智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心，采用紅外對(duì)射的原理檢測(cè)茂菲管里是否有液滴滴落，同時(shí)采用蠕動(dòng)泵為滴速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)可以通過(guò)按鍵設(shè)置藥液滴速并顯示實(shí)時(shí)滴速。另外該系統(tǒng)還能在異常情況和輸液完畢時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并自動(dòng)關(guān)斷。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性高、成本低、安全衛(wèi)生、操作方便，在傳統(tǒng)醫(yī)療中具有廣泛的市場(chǎng)價(jià)值和推廣性。

智能輸液；AVR單片機(jī)；蠕動(dòng)泵；自動(dòng)關(guān)斷

0 引言

靜脈輸液是一種重要的臨床藥物治療手段，是醫(yī)療監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中[1]。據(jù)醫(yī)學(xué)研究得知，藥液速度對(duì)于不同年齡段的人、不同的病人、不同藥物具有很大的差異性。并且它對(duì)于治療效果具有很大的影響，有的甚至?xí)绊懟颊叩纳?。傳統(tǒng)輸液速度的調(diào)節(jié)是通過(guò)一個(gè)斜槽機(jī)構(gòu)，靠護(hù)士的經(jīng)驗(yàn)控制輸液速度，具有很大的不確定性。并且傳統(tǒng)輸液需要人為看護(hù)，這無(wú)疑增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量和意外事件發(fā)生的可能性?；谝陨锨闆r，本文設(shè)計(jì)一套智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用紅外對(duì)射原理檢測(cè)藥液滴速，利用AVR單片機(jī)控制蠕動(dòng)泵人為地調(diào)節(jié)藥液滴速并顯示實(shí)時(shí)滴速，并且該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)速。當(dāng)異常情況發(fā)生或者輸液完畢時(shí)，該系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并自動(dòng)關(guān)斷藥液。該系統(tǒng)不但可以減輕護(hù)理人員的工作量，還能使病人得到更好的休息和治療，可提高靜脈輸液的治療效果。該系統(tǒng)具有高可靠性、安全衛(wèi)生的特點(diǎn)，可廣泛在醫(yī)療行業(yè)推廣使用。該系統(tǒng)已經(jīng)做成實(shí)物并經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。主要包括液體滴速檢測(cè)模塊、PWM波調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊等電路。該系統(tǒng)選擇ATMEGA16作為控制核心。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成

1.1 藥滴檢測(cè)原理

該系統(tǒng)采用紅外傳感技術(shù)，將方形紅外對(duì)射裝置安裝在茂菲管兩側(cè)[2]。方形紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，紅外光穿過(guò)茂菲管照射到方形光敏三極管。方形光敏三極管將接收到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電流輸出。當(dāng)茂菲管沒(méi)有藥液滴落時(shí)，紅外光光強(qiáng)損失小，光敏三極管產(chǎn)生的光電流較大。當(dāng)茂菲管里有藥滴滴落時(shí)，藥滴吸收并散射大部分紅外光，紅外光光強(qiáng)損失較大，光敏三極管產(chǎn)生的光電流較小。采用圖2的電路將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。最終通過(guò)檢測(cè)光敏三極管輸出端的電壓變化來(lái)檢測(cè)茂菲管里是否有藥液滴落。

圖2 滴速檢測(cè)電路

1.2 滴速檢測(cè)電路

滴速檢測(cè)電路主要由紅外發(fā)射、紅外接收、比較器整形三個(gè)部分組成，如圖2所示。

紅外發(fā)光二極管在5 V電源系統(tǒng)下持續(xù)發(fā)出恒定頻率的紅外光，當(dāng)茂菲管里沒(méi)有藥液滴落時(shí)，接收管輸出端的電壓較小，經(jīng)過(guò)比較器整形過(guò)后將在比較器端輸出一個(gè)接近5 V的高電平。當(dāng)有藥液滴落擋住紅外光時(shí)，接收管輸出端的電壓較大，經(jīng)過(guò)比較器整形將在比較器的輸出端輸出一個(gè)接近0 V的低電平。當(dāng)藥液不斷滴落時(shí)，將在比較器輸出端形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形波正向脈沖。波形如圖3所示。其中低電平代表有液滴滴下，高電平代表無(wú)液滴滴落。將比較器輸出端連接到AVR單片機(jī)P0.2引腳上，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)該脈沖的上升沿判斷是否有液滴滴落。

圖3 滴速檢測(cè)電路輸出波形

1.3 滴速調(diào)節(jié)原理和控制原理

該系統(tǒng)選擇蠕動(dòng)泵作為滴速調(diào)節(jié)的執(zhí)行元件。蠕動(dòng)泵是一種可控制流速的液體輸送裝置并且具有關(guān)斷功能，通過(guò)改變?nèi)鋭?dòng)泵兩端的電壓即可達(dá)到控制滴速的功能。蠕動(dòng)泵對(duì)藥液無(wú)污染，且蠕動(dòng)泵軟管易于更換，滴速控制精確，調(diào)速簡(jiǎn)單方便。該系統(tǒng)正是通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的端電壓來(lái)調(diào)節(jié)液體滴速。當(dāng)人為地設(shè)定滴速后，單片機(jī)將自動(dòng)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的端電壓，使得藥液滴速與設(shè)定值相近，并在數(shù)碼管顯示出實(shí)時(shí)滴速。

1.4 滴速調(diào)節(jié)電路

滴速調(diào)節(jié)電路由前級(jí)濾波電路和后級(jí)放大電路組成，如圖4所示。該電路的PWM0連接到單片機(jī)P1.4口，DAOUTO和DGND連接到蠕動(dòng)泵兩端。該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)改變PWM波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的輸出電壓在0 V～10 V之間變化，從而改變液體的滴落速度，最終間接實(shí)現(xiàn)了通過(guò)改變P1.4口PWM波占空比來(lái)調(diào)節(jié)液體的滴速。自動(dòng)關(guān)斷模式就是單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)使得輸出電壓為0 V。

圖4 滴速調(diào)節(jié)電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件包括主程序、滴速檢測(cè)、PWM波調(diào)速、按鍵滴速設(shè)置、數(shù)碼管顯示、報(bào)警功能等子程序。智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流程圖如圖5所示。

圖5 智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流程圖

2.1 滴速測(cè)量子程序

檢測(cè)藥液滴速的方法有測(cè)頻和測(cè)周兩種方式，該系統(tǒng)選擇測(cè)周的方式測(cè)量藥液的滴落速度，分析如下。

（1）測(cè)頻，在固定時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)量點(diǎn)滴的個(gè)數(shù)以得到當(dāng)前點(diǎn)滴速度：V=n/T。由于這種方法在點(diǎn)滴速度較慢時(shí)需要的測(cè)速周期過(guò)長(zhǎng)，如點(diǎn)滴速度為20滴/s時(shí)，測(cè)取相鄰兩滴的間隔時(shí)間至少為3 s，而設(shè)定的時(shí)間段必須遠(yuǎn)大于3 s。這樣就很難達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，而且此時(shí)誤差也會(huì)相對(duì)變大。

（2）測(cè)周，系統(tǒng)中利用軟件方式定義了一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，該時(shí)鐘利用定時(shí)器中斷計(jì)時(shí)。通過(guò)外部中斷使其啟動(dòng)及復(fù)位，并讀取時(shí)間T，進(jìn)而利用下式計(jì)算出點(diǎn)滴速度：V=60 n/T（滴/min），式中T的單位為s。測(cè)周的誤差與系統(tǒng)定時(shí)的誤差有關(guān)，所以該系統(tǒng)選取計(jì)時(shí)精度為1 ms；考慮到實(shí)時(shí)性的要求，選取n為1，實(shí)踐表明，此種測(cè)量方案完全能達(dá)到精度要求。

由于一些客觀原因，該系統(tǒng)測(cè)量的滴速波動(dòng)性比較大，為了能準(zhǔn)確測(cè)量滴速不致于偏差太大，采用了連續(xù)測(cè)量3個(gè)液滴的周期總和再取平均值的方法，較好地減小了誤差。程序流程圖如圖6所示。

圖6 滴速測(cè)量子程序流程圖

圖7 PWM波調(diào)速子程序流程圖

2.2 PWM波調(diào)速子程序

智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以設(shè)置滴速。通過(guò)蠕動(dòng)泵自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)使輸液滴速調(diào)節(jié)至設(shè)定值，其原理是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵兩端的電壓，從而間接影響其轉(zhuǎn)速，因此可以建立占空比與滴速的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

PWM脈寬調(diào)制可以通過(guò)調(diào)節(jié)其占空比，通過(guò)后續(xù)電路處理，來(lái)控制輸出電壓。而輸出頻率的變化可通過(guò)改變此脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

該子程序采用兩個(gè)定時(shí)器。采用定時(shí)器T0來(lái)控制頻率，定時(shí)器T1來(lái)控制占空比。大致的編程思路：T0定時(shí)器中斷讓一個(gè)I/O口輸出高電平，在T0中斷當(dāng)中起動(dòng)定時(shí)器T1，而這個(gè)T1是讓I/O口輸出低電平，這樣改變定時(shí)器T0的初值就可以改變頻率，改變定時(shí)器T1的初值就可以改變占空比。

如果不需要改變頻率，只需要改變占空比，那么只需要用一個(gè)定時(shí)器即可。此時(shí)定時(shí)一定的時(shí)間，讓一個(gè)I/O口循環(huán)顯示高低電平即可。具體流程圖如圖7所示，圖中sbit_pwm為PWM波輸出I/O口。

表1 滴速設(shè)定及相關(guān)穩(wěn)定時(shí)間測(cè)量結(jié)果

3 產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從表1分析得出，無(wú)論是在全過(guò)程范圍內(nèi)，還是在一個(gè)較小的調(diào)整范圍內(nèi)，實(shí)際誤差最大為3滴/min。該數(shù)據(jù)證明該系統(tǒng)具有較高的可靠性和精確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一套智能輸液速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的病人設(shè)置不同的輸液滴速，并自動(dòng)精確地調(diào)速到設(shè)定滴速。該系統(tǒng)能夠測(cè)量并顯示輸液滴速。當(dāng)輸液完畢或者有突發(fā)情況時(shí)，該系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警并關(guān)斷輸液裝置。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)安全、衛(wèi)生、操作方便、可靠性高、精確度高，并有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

[1]徐冬冬，郭薇，葛小宇.無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，5（6）：548-552.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]楊光友.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

The system of intelligent transfusion speed regulation

Wang Zhongtao，Ren Tianping，Xin Guanxi，F(xiàn)eng Pengfei
（College of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

The system of intelligent transfusion speed regulating is developed.The system uses AVR single chip microcomputer as the core.The principle of infrared ray is used to detect whether the drop in the Murphy tube is falling or not.At the same time，the system uses a peristaltic pump as regulating mechanism for the speed of drop.The system can set the liquid dripping speed and display real-time dripping speed by keys.In addition，the system can make sound and light alarm and automatic shutdown in the abnormal condition or the completion of infusion.The test result shows that the system has high reliability，low cost，safety，sanitation，handiness.And the system has extensive market value and generalization in conventional medicine.

intelligent transfusion；AVR single chip microcomputer；peristaltic pump；automatic shutdown

TP23

A

1674-7720（2015）09-0096-03

2014-11-01）

王中陶（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電檢測(cè)與控制技術(shù)。

任天平（1970-），男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)電檢測(cè)與控制技術(shù)。