無人陪護輸液報警裝置設計

孟圣亞，魏威，楊金利，許詩雨，付毅偉

無人陪護輸液報警裝置設計

孟圣亞，魏威，楊金利，許詩雨，付毅偉

（貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

如今，輸液時普遍需要人為觀測輸液瓶中液體的剩余量，有時病人會由于疏忽而忘記觀測，藥物輸盡時，卻未能及時中斷輸液，而導致血液倒吸進輸液管。針對此問題設計了一款輸液報警裝置，利用簡單經(jīng)濟的非接觸式液位傳感器與STC8系列單片機能夠實現(xiàn)當液體剩余量達到一定位置時，提醒病人以及護士及時停止輸液。在一定程度上降低了危險發(fā)生的概率。同時該輸液報警裝置的成本低，可以使其成為醫(yī)院醫(yī)療服務的一項內容，由醫(yī)院提供該設備的租用服務。這也符合當下共享經(jīng)濟的潮流，未來可推廣性較強。

輸液報警；非接觸式液位傳感器；單片機；共享經(jīng)濟

當前，隨著科技的發(fā)展和醫(yī)療水平的不斷進步，醫(yī)療設備進一步的智能化、人性化，居民的就醫(yī)體驗更加放心和安全。但是傳統(tǒng)的輸液裝置依舊被廣泛應用，并且短期內很難被替代。對于在城市獨居的居民，輸液時往往沒有人陪伴，加之臨床護士短缺，病人需要自行注意和觀察輸液瓶的剩余量，經(jīng)常會出現(xiàn)由于意識不清、醫(yī)護人員忙碌等原因沒能及時發(fā)現(xiàn)輸液已經(jīng)結束而導致血液回流。在正常情況下，血液回流不會造成太大的問題，但是當血液回流的時間過長，血液凝固進而導致針管堵塞，必須更換輸液管并重新穿刺，增加患者的痛苦與護理人員的工作量，病人不得不再次承受一次痛苦；回流血在輸液管壁形成小血栓，回輸?shù)交颊唧w內可能引起栓塞；患者對輸液回血易產生緊張、恐懼感[1]。同時，血液回流還有可能造成血液中進入空氣，危害病人的生命健康。因此，當輸液瓶中液體剩余量達到一定程度時，及時終止輸液或者更換輸液瓶是十分重要的。

如今，絕大數(shù)的醫(yī)院都安裝了傳呼系統(tǒng)，該傳呼系統(tǒng)通過病人手動按動按鈕，向護士站發(fā)送呼叫地址，護士在看到相關信息之后前去為病人提供幫助。這一整套的傳呼系統(tǒng)極大提高了醫(yī)護人員的工作效率，同時也給病人提供了極大的便利，但仍需要病人時時關注輸液瓶中的剩余量。在很多情況下，生病會使人精神不佳，注意力很難集中，因此該傳呼系統(tǒng)在實際應用中給病人的體驗并不是非常貼心。

為了解決上述問題，本文基于STC8系列單片機實現(xiàn)了一款低成本的輸液報警裝置。通過夾管式非接觸液位傳感器對輸液管內是否含有液體進行檢測，當輸液管中沒有液體時發(fā)出相應的聲光報警信號，提醒病人輸液即將完成，降低因輸液導致血液回流的危險。

1 硬件部分

本輸液報警器由控制器、非接觸式液位傳感器、聲光報警電路、充電電路以及蓄電池構成，整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構圖

1.1 控制器部分

STC單片機是STC公司推出的基于8051內核，專為低成本、低功耗、高速簡單嵌入式應用開發(fā)的8位微控制器。而STC8系列微控制器不需要外部晶振和外部復位，極大簡化了外圍電路的設計。同時其完全兼容傳統(tǒng)的8051指令，并且執(zhí)行速度比傳統(tǒng)的8051約快12倍。工作電壓為2.0～3.5 V，功耗較低。STC芯片如圖2所示。

圖2 STC芯片

本報警裝置選用型號為STC8F1K08-28I-SOP8的STC8系列的單片機，其具有2個外部中斷，1個USART，6個I/O。STC8系列的單片機性能較為優(yōu)越，同時成本很低。這使得小型系統(tǒng)的開發(fā)性價比更高。

1.2 傳感器部分

1.2.1 傳感器基本原理

本報警器采用的主要傳感器為一并聯(lián)行變介質非接觸式液位傳感器，利用水的介電常數(shù)和空氣的介電常數(shù)不同，來檢測是否有液體存在。該傳感器的結構如圖3所示。

圖3 非接觸式液位傳感器示意圖

當將該傳感器安裝在輸液管上，輸液管中的導電藥液會與感應電極片之間形成耦合電容，當輸液管中始終存在藥液時，該耦合電容的電容值是固定的，此時感應電極片有固定的充放電時間。而當輸液管中的藥液不存在時，耦合電容消失，僅存在感應電極片和大地之間的寄生電容，該電容值與此前的耦合電容值的差別造成了感應電極片的充放電時間發(fā)生改變。傳感器內部的MCU通過計數(shù)器對充放電時間的周期進行計時，從而來檢測輸液管中是否有液體存在[2]。該傳感器的實物如圖4所示。

圖4 非接觸式液位傳感器實物圖

1.2.2 傳感器模塊的應用

該傳感器采用先進的信號處理技術和和高速處理芯片，突破了容器壁的桎梏，能夠真正實現(xiàn)對密閉容器內液位高度的檢測。具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、抗干擾能力強、兼容性強等特點，并且成本較低，對于小型系統(tǒng)的開發(fā)可用性很強。

傳感器的供電電壓為5～24 V，在實驗中發(fā)現(xiàn)，采用5 V電壓對該傳感器模塊供電會出現(xiàn)誤判，導致傳感精度不夠，因此無法直接使用同一個電壓對MCU和該傳感器模塊供電。因此在設計時需要考慮供電電壓的問題，該問題將在電源部分闡述。其與STC8系列單片機的接線如圖5所示。

1.3 程序下載

通信模塊主要完成預設程序的調試和預設程序的下載。由于MCU自帶一個串口USART，使用STC官方的ISP串口下載器即可實現(xiàn)該功能。

1.4 聲光報警部分

液位報警采用聲光報警方式，燈光選用廉價易得的發(fā)光二極管，聲音采用常用的有源蜂鳴振蕩器?？紤]到兩者均無法被單片機的TTL電平驅動，因此使用三極管放大電路，通過STC8系列單片機的一個I/O引腳同時對二極管和蜂鳴器進行控制輸出。

聲光報警電路如圖6所示。

圖5 傳感器與MCU接線圖

圖6 聲光報警電路

1.5 電池部分

電池部分采用7 V可充電式鋰電池。由于鋰電池在使用過程中不能過放，且控制器和傳感器的工作電壓存在一定差值，因此為防止鋰電池電壓過低導致液位傳感器無法正常工作，需要設置低壓報警電路。由于所選用的傳感器標稱電壓為5～24 V，因此可以直接使用鋰電池的輸出電壓為傳感器供電。但是對于MCU的供電則需要進行一系列的轉換，首先需要將鋰電池輸出的7 V電壓降至5 V電壓為控制器供電，同時將降壓得到的5 V電壓與基準5 V電壓作比較，當降壓后的電壓低于5 V時，通過中斷發(fā)出低壓報警。低壓報警選用發(fā)光二極管。

電池電路如圖7所示。

2 軟件部分

采用硬件申請軟件處理的報警方式，即由傳感器直接產生報警并向CPU申請中斷，CPU只需要處理該中斷即可[3]，整體的流程和中斷流程如圖8所示。

圖7 電池供電電路

圖8 主程序流程圖

3 電路實驗

3.1 模擬電路試驗

3.1.1 仿真環(huán)境簡介

仿真實驗環(huán)境選擇由英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件——Protues8.8（試用版），能夠實現(xiàn)從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。它是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。

3.1.2 仿真電路的搭建

由于Protues并不支持STC公司生產的單片機，而所選STC8F1K08-28I-SOP8的STC8系列的單片機是基于8051內核，因此采用Inter公司研發(fā)的AT89C51單片機進行仿真。在Protues的傳感器元器件中，并沒有此次項目所選擇的傳感器類型，因此選擇通過一個按鍵來實現(xiàn)傳感信號的模擬。需要注意的是，根據(jù)前文傳感器部分的闡述，當檢測到輸液管中沒有液體存在時（即輸液即將完成，需要發(fā)出報警）。傳感器自身將持續(xù)發(fā)出低電平信號，因此在用按鍵仿真時，需要將按鍵鎖定。根據(jù)上述硬件部分的闡述在Protues中搭建仿真電路如圖9所示。

圖9 Protues仿真電路

3.1.3 仿真程序的編寫

根據(jù)軟件部分的闡述，使用C語言編寫相關代碼。程序主要包含延時子函數(shù)中斷初始化子函數(shù)、主程序以及中斷服務子程序。其中延時函數(shù)的主要作用是實現(xiàn)無源蜂鳴器和發(fā)光二極管的不同頻率的輸出。中斷服務子程序是在系統(tǒng)進入中斷后自動調用，在本次設計中，中斷服務子程序需要完成對報警標志位flag的置位。主程序主要需要完成相關初始化的任務，之后循環(huán)檢測報警標志位 flag是否為1，報警標志位為1時進入報警服務程序，當檢測到P3.1始終為0時持續(xù)進行聲光報警。

Protues支持多種編譯環(huán)境，在這里選擇Keil C作為程序的編譯環(huán)境，根據(jù)上述軟件部分的闡述，編寫相關程序代碼。在Keil C中編譯調試無誤后，將生成的.HEX文件通過Edit Component——Program File下載到Protues仿真環(huán)境中。

3.1.4 仿真結果分析

仿真結果基本可以達到實驗預期，當按鍵持續(xù)按下（模擬非接觸式液位傳感器檢測到輸液管內不存在時，發(fā)出持續(xù)的低電平信號），報警燈持續(xù)閃爍，喇叭或者蜂鳴器發(fā)出持續(xù)閃爍。

3.2 實物電路試驗

根據(jù)前文闡述的相關內容，搭建實物電路，利用STC官方的ISP下載器將程序燒錄進MCU中，進行試驗。在試驗中發(fā)現(xiàn)，由于傳感器自身的夾持裝置結構問題，多次使用后，會使感應電極片不能很好地與輸液管接觸，有時會造成誤判。針對該問題，在實際應用中進行了一定的改進，將平面的感應電極片進行適當?shù)膹澱?，成為一個弧形，使其能夠更好地貼合輸液管。同時由于傳感器的基本原理是依據(jù)感應電容的不同，因此在某些情況下同樣可以觸發(fā)報警，如當人的手誤觸到感應電極片時也會觸發(fā)報警。針對這種情況，為裸露在外側的感應電極片表面涂抹不導電涂料，就可以避免這種情況。

4 結語

本文基于STC8系列單片機設計的無人陪護輸液報警裝置是大學生SRT項目，此次項目的初衷是減少因輸液耗盡造成病人血液回流現(xiàn)象的發(fā)生次數(shù)，提高輸液的安全性。到項目完成時，核心電路以及基本功能已全部完成，并在多次的實驗中，準確地實現(xiàn)了輸液過程中藥物耗盡之前的一個聲光報警提醒，基本達到了預期目標，并且將成本控制在了50元以內，為接下來的市場推廣工作打好了堅實的基礎。

［1］李佳穎.一種新型防止回血輸液器研制與應用［J］.齊魯護理雜志，2015（21）：23-33.

［2］深圳市星科創(chuàng)科技有限公司.一種非接觸式液位傳感器及液位檢測方法：中國，105806444［P］.2016-07-27.

［3］潘新民.微型計算機控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

R472

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.028

2095－6835（2019）19－0071－03

孟圣亞（1996—），女，研究方向為單片機開發(fā)、微型計算機控制。

〔編輯：嚴麗琴〕