基于單片機(jī)的輸液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李意如，姚茂明，韓雅琪，潘 濤，孔菲蝶，崔忠偉

（貴州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

隨著人們對(duì)健康要求的不斷提高，醫(yī)療行業(yè)和醫(yī)療設(shè)備越來越受到人們的重視?？紤]到傳統(tǒng)輸液方式會(huì)對(duì)部分患者造成不同的傷害，影響他們的身心健康，因此，輸液監(jiān)測系統(tǒng)就成為了當(dāng)今以及未來醫(yī)療發(fā)展的必需品。

西方國家對(duì)輸液監(jiān)測裝置的研究比較早，例如日本、美國等國家使用輸液泵實(shí)現(xiàn)控制、警報(bào)等功能，但是國內(nèi)對(duì)輸液監(jiān)測裝置的研究相對(duì)較晚，而且由于價(jià)格昂貴、技術(shù)不成熟，只有少部分醫(yī)院使用。近年來，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)不斷發(fā)展，輸液監(jiān)測系統(tǒng)的研究也逐漸成為了重點(diǎn)[1-3]。

基于此，文中設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的輸液監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由檢測模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、加熱模塊、控制模塊組成。

本系統(tǒng)使用STM32微處理器作為主控芯片，其工作流程是由檢測模塊檢測點(diǎn)滴的速度，并在顯示屏上呈現(xiàn)；通過按鍵設(shè)置點(diǎn)滴速度，當(dāng)點(diǎn)滴速度過快或者過慢時(shí)，通過控制模塊來控制滴瓶的高度，從而調(diào)整點(diǎn)滴的速度；通過檢測模塊檢測滴瓶內(nèi)有無液體，無液體時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)通知醫(yī)護(hù)人員；可以手動(dòng)打開加熱模塊，對(duì)液體進(jìn)行加熱[4-5]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件

2.1 加熱電路

加熱電路主要由繼電器、加熱絲以及PNP型三極管搭建，當(dāng)單片機(jī)I/O口為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，打開繼電器控制加熱絲電路加熱；當(dāng)單片機(jī)I/O口為高電平時(shí)保持原狀。加熱電路如圖2所示。

圖2 加熱電路

2.2 報(bào)警電路

電路采用PN5138三極管。PN5138三極管為PNP型三極管，當(dāng)基極為低電平時(shí)，PNP三極管導(dǎo)通，蜂鳴器啟動(dòng)；當(dāng)基極為高電平時(shí)基極和發(fā)射極均未導(dǎo)通。蜂鳴器電路如圖3所示。

圖3 蜂鳴器電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)電路

單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路變換、放大后輸入步進(jìn)電機(jī)。該電路使用ULN2003芯片進(jìn)行控制，通過單片機(jī)I/O口輸出脈沖來決定其轉(zhuǎn)動(dòng)方式，從而實(shí)現(xiàn)滴速的控制。步進(jìn)電機(jī)電路如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)電路

2.4 其他電路

時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路作為控制單元的“心臟”，在系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，在本系統(tǒng)中，由于內(nèi)部無時(shí)鐘振蕩電路，因此需外接時(shí)鐘振蕩電路。

復(fù)位電路：當(dāng)系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛時(shí)，復(fù)位電路可以使系統(tǒng)軟件恢復(fù)正常。

電源電路：本系統(tǒng)選用12 V電壓供電的加熱片，采用雙電壓供電模式。

按鍵電路：按鍵的接入方式有兩種，即獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵。本系統(tǒng)只需要設(shè)置報(bào)警距離值，以及實(shí)現(xiàn)按鍵加減功能，所以本系統(tǒng)選擇獨(dú)立按鍵接入方式。

液面檢測電路：本系統(tǒng)使用液位傳感器來檢測滴瓶內(nèi)液體的有無。

液晶顯示電路：本系統(tǒng)采用液晶顯示屏顯示輸液系統(tǒng)相關(guān)信息。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)主程序

在主程序中進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包含對(duì)本程序用到的變量進(jìn)行初始化，以及對(duì)顯示屏的初始化。用2個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制滴瓶的升高和降低，并在顯示屏上顯示滴瓶的狀態(tài)，從而控制液體滴落的速度。當(dāng)檢測到無藥液滴下時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員。當(dāng)加熱開關(guān)打開時(shí)系統(tǒng)對(duì)液體進(jìn)行加熱[6-8]。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程

3.2 系統(tǒng)子程序

系統(tǒng)初始化主要包括對(duì)本設(shè)計(jì)中用到的變量進(jìn)行初始化，并賦初值，例如引腳的定制，頭文件的調(diào)用編譯等，以及對(duì)顯示屏進(jìn)行相關(guān)操作。本設(shè)計(jì)還用到了定時(shí)器計(jì)數(shù)功能，因此還需對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，例如對(duì)定時(shí)器或寄存器進(jìn)行定義等[9]。

4 系統(tǒng)測試分析

4.1 滴速控制

查閱資料可知，成年人的液滴速度為40～60滴/min，如果液滴的速度過快或過慢，病人會(huì)感到不適[10]。通過按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制液滴速度，當(dāng)?shù)嗡龠^慢時(shí)，按下按鍵“1”，電機(jī)正轉(zhuǎn)，將吊瓶拉高，使得滴速加快；當(dāng)?shù)嗡龠^快時(shí)，按下按鍵“2”，電機(jī)反轉(zhuǎn)將吊瓶放低，使得滴速減慢。按鍵狀態(tài)與液滴速度關(guān)系見表1所列。

表1 按鍵狀態(tài)與液滴速度關(guān)系

4.2 報(bào)警測試

通過液位傳感器來檢測滴瓶內(nèi)有無液體。當(dāng)檢測到滴瓶無液體時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

5 結(jié) 語

基于單片機(jī)的輸液監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)藥流速度，并在液晶顯示屏上顯示相關(guān)信息的目的，有效降低了醫(yī)療事故幾率，提高了醫(yī)護(hù)效率。

本次設(shè)計(jì)性價(jià)比高，應(yīng)用范圍廣，實(shí)現(xiàn)了輸液的智能化，減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量。