基于STC89C52 單片機(jī)的雙藥瓶輸液監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

劉豐愷，辛志強(qiáng)，徐子浩

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽，110819）

0 引言

靜脈輸液作為各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)中最常規(guī)的治療手段，其應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，但是輸液過程的自動(dòng)化、智能化發(fā)展卻非常緩慢。目前可實(shí)現(xiàn)輸液全過程自動(dòng)化的控制系統(tǒng)十分匱乏，因而開發(fā)一套智能化輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)對(duì)臨床工作具有重要意義。

目前，臨床上使用的自動(dòng)輸液器大多是基于蠕動(dòng)泵結(jié)構(gòu)，一般只具有藥液完全輸盡時(shí)截止輸液和報(bào)警的功能。國(guó)內(nèi)有關(guān)智能輸液控制系統(tǒng)的研究多集中于將智能算法應(yīng)用在傳統(tǒng)單藥瓶輸液過程。例如，陳宇等[1]設(shè)計(jì)了一套分布式智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，通過改變藥瓶高度調(diào)節(jié)輸液速度，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占據(jù)空間大，不利于臨床應(yīng)用。周強(qiáng)等[2]研制開發(fā)一種新型半擠壓式智能輸液泵，提出了新型滴速控制結(jié)構(gòu)和方法，控制精度高，但不能實(shí)現(xiàn)事故報(bào)警和通信功能?？籽┗艿萚3]設(shè)計(jì)了一種智能輸液控制系統(tǒng)，結(jié)合PID 算法控制液體滴落速度，通過CC2530 無線通信模塊將輸液信息發(fā)送至PC 端，便于統(tǒng)一管理。黎愷敏等[4]設(shè)計(jì)了基于STM32 的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)藥液溫度、輸液速度并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警控制，解決了醫(yī)護(hù)和患者之間的信息交互問題。張昱昊[5]等設(shè)計(jì)了基于STC89C52 單片機(jī)的智能遠(yuǎn)程輸液系統(tǒng)，通過移動(dòng)端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速率的控制。于邵杰等[6]設(shè)計(jì)了基于STM32的智能輸液裝置，加入藍(lán)牙模塊、心率測(cè)量模塊等進(jìn)行智能化擴(kuò)展。

綜上所述，雖然靜脈輸液過程的控制系統(tǒng)已經(jīng)有了成熟的方案，但由于市場(chǎng)上新興的雙頭輸液管的結(jié)構(gòu)特殊性，極少出現(xiàn)適用于雙頭輸液器的配套控制系統(tǒng)。盡管巫春蘭等[7]研制的靜脈輸液管理系統(tǒng)具有雙管輸液模式，但是僅具有輸液速度調(diào)節(jié)功能，并不能在輸液全過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為在靜脈輸液中使用雙頭輸液器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能控制和監(jiān)控報(bào)警，本文嘗試使用單片機(jī)控制技術(shù)、紅外檢測(cè)技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，解決雙頭輸液器兩支管內(nèi)藥液的流速控制問題，實(shí)現(xiàn)滴速控制和更換輸液藥瓶的功能。最終開發(fā)出了一套適用于雙頭輸液器的雙藥瓶輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠自動(dòng)更換輸液藥瓶和檢測(cè)事故報(bào)警，可以有效減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量，保障患者輸液安全，適于應(yīng)用在醫(yī)護(hù)資源緊缺的鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)。

1 設(shè)計(jì)方案

基于STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)了雙藥瓶輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，將單片機(jī)技術(shù)、紅外光敏檢測(cè)技術(shù)和機(jī)械控制原理以及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用到輸液控制系統(tǒng)中。在單片機(jī)通過藍(lán)牙模塊接收到手機(jī)端設(shè)置的目標(biāo)滴速檔位信息后，經(jīng)液滴檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前藥液滴速和是否完成輸液或發(fā)生堵塞等輸液安全狀態(tài)，同時(shí)控制夾持裝置分別對(duì)雙頭輸液器兩支管進(jìn)行滴速控制、截流保護(hù)以及更換藥瓶的操作。最后，當(dāng)輸液完成或發(fā)生堵塞等急需醫(yī)護(hù)人員處理的情況時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)。雙藥瓶輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 雙藥瓶輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件設(shè)計(jì)

以STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控單元，使用紅外對(duì)管（含發(fā)射管和接收管）作為檢測(cè)單元，以步進(jìn)電機(jī)為主體的夾持裝置作為執(zhí)行單元構(gòu)成滴速檢測(cè)與控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)設(shè)有蜂鳴器報(bào)警模塊，用于提示輸液完成或輸液管發(fā)生堵塞；系統(tǒng)設(shè)有藍(lán)牙模塊用于將手機(jī)端設(shè)置的目標(biāo)滴速檔位信息傳遞給單片機(jī)；整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊供電。

(1)滴速檢測(cè)模塊

采用紅外對(duì)管采集莫氏滴管中液體滴落信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液滴速的測(cè)算。紅外對(duì)管的工作原理為由光敏接收管接收紅外發(fā)射管的光信號(hào)，若兩管間有藥液滴落，光敏接收管收到的光強(qiáng)會(huì)減弱，該信號(hào)經(jīng)比較器電路濾波放大整形，得到電平變化。單片機(jī)通過I/O 口接收到這個(gè)信號(hào)，并統(tǒng)計(jì)在單位時(shí)間內(nèi)電平變化次數(shù)，即藥液滴落次數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速度的測(cè)量。若沒有液滴滴落，電平不發(fā)生變化。滴速檢測(cè)模塊電路原理如圖2 所示。

圖2 滴速檢測(cè)模塊電路原理圖

(2)夾持結(jié)構(gòu)及其電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，對(duì)滴速的精確調(diào)控由以步進(jìn)電機(jī)為主體的夾持結(jié)構(gòu)執(zhí)行。在雙頭輸液管中“Y”形支管兩端各設(shè)置一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，共同構(gòu)成夾持裝置，用于實(shí)現(xiàn)滴速調(diào)控、藥瓶切換和截流保護(hù)的功能。

單片機(jī)借助L298N 與L297 驅(qū)動(dòng)芯片分配脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，根據(jù)輸液速度情況，調(diào)節(jié)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，改變輸液管徑寬，使藥液滴速回到設(shè)定范圍內(nèi)。步進(jìn)電機(jī)采取半步勵(lì)磁方式，絲杠滑塊位移精確度良好，并且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，適用于精密度較高的輸液系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖3 所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制電路

本系統(tǒng)采用半步模式驅(qū)動(dòng)二相四線制步進(jìn)電機(jī)，可以精準(zhǔn)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度以及絲杠滑塊運(yùn)動(dòng)距離，該夾持結(jié)構(gòu)設(shè)有適用于雙頭輸液器支管限位結(jié)構(gòu)，便于穩(wěn)定輸液器。

(3)蜂鳴器報(bào)警電路

在本系統(tǒng)中，采用蜂鳴器作為報(bào)警單元，信號(hào)由單片機(jī)I/O 口輸出，連接到NPN 三極管基極，在集電極輸入+5V電壓，將蜂鳴器接在發(fā)射極和地之間，可以實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)輸出為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲；單片機(jī)輸出為高電平時(shí)，三極管飽和，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

(4)供電與電壓轉(zhuǎn)換模塊電路

本系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)需要12V 電壓驅(qū)動(dòng)，同時(shí)藍(lán)牙模塊需要3.3V 電壓驅(qū)動(dòng)，因此需要電壓轉(zhuǎn)換模塊供電。本系統(tǒng)供電模塊由220V 相電壓經(jīng)轉(zhuǎn)接口得到12V ，再通過LM2596 芯片組成的電壓轉(zhuǎn)化模塊，將12V 轉(zhuǎn)為5V，從而可以為單片機(jī)系統(tǒng)供電。另外，系統(tǒng)采用AM1117 芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，將5V 電壓轉(zhuǎn)換得到3.3V 電壓用于藍(lán)牙模塊的工作。供電模塊與電壓轉(zhuǎn)換模塊電路，如圖4 所示。

圖4 供電模塊與電壓轉(zhuǎn)換模塊電路

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要用 Keil uVision5 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)程序邏輯對(duì)STC89C52 單片機(jī)進(jìn)行編譯調(diào)試。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和EEPROM 程序兩個(gè)方面。

（1）主程序

本文根據(jù)系統(tǒng)控制滴速、自動(dòng)換瓶以及事故報(bào)警等功能的設(shè)計(jì)要求對(duì)系統(tǒng)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)通電后，首先對(duì)單片機(jī)的I/O 接口、串口和EEPROM存儲(chǔ)器進(jìn)行初始化；隨后依據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行滴速判斷，根據(jù)實(shí)際滴速與預(yù)設(shè)范圍的關(guān)系，對(duì)夾持裝置進(jìn)行控制；當(dāng)系統(tǒng)判斷滴速為0 時(shí)，證明當(dāng)前藥瓶輸液完成，調(diào)整夾持裝置切換當(dāng)前輸液藥瓶，并重復(fù)滴速判斷過程；當(dāng)藥瓶按上述過程切換3 次時(shí)，系統(tǒng)判斷雙頭輸液器兩端的藥瓶均輸液完成或發(fā)生堵塞事故，立即夾緊夾持裝置的兩個(gè)電機(jī)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，呼叫醫(yī)護(hù)人員前來處理。

圖5 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

（2）EEPROM 程序

EEPROM 程序用于從手機(jī)端藍(lán)牙串口軟件中獲取滴速檔位信息并存儲(chǔ)，用于主程序中與實(shí)際滴速之間的滴速比較。系統(tǒng)設(shè)置三種速度擋位，設(shè)置擋位信息如表1 所示，藍(lán)牙連接后數(shù)據(jù)透明傳輸，通過手機(jī)端輸入擋位設(shè)置指令，若指令輸入有效且正確給出正確回應(yīng)；若輸入錯(cuò)誤給出錯(cuò)誤回應(yīng)；若指令無效給出未知回應(yīng)。EEPROM 存儲(chǔ)的滴速檔位數(shù)據(jù)經(jīng)主程序處理，可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)際滴速的比較，用于對(duì)輸液滴速進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

表1 擋位指令設(shè)置信息

2 監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)本系統(tǒng)各模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試運(yùn)行無誤后，進(jìn)行實(shí)際輸液實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)整體功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過程：通過改變手機(jī)端的輸入指令調(diào)節(jié)輸液管管徑得到穩(wěn)定的初始滴速，通過手機(jī)端預(yù)設(shè)滴速檔位，系統(tǒng)通電后開始計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)輸液速度再次穩(wěn)定時(shí)的滴速和耗時(shí)以及穩(wěn)定后絲桿運(yùn)動(dòng)位移。測(cè)試結(jié)果中，液體滴速均在較短時(shí)間內(nèi)調(diào)整至預(yù)設(shè)滴速檔位范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了液體滴速的有效控制。

三組實(shí)驗(yàn)分別是由初始穩(wěn)定狀態(tài)通過系統(tǒng)控制最終達(dá)到緩慢、較快、快速三個(gè)擋位，通過對(duì)每組實(shí)驗(yàn)的重復(fù)試驗(yàn)，得到圖6 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，每組實(shí)驗(yàn)最終得到的穩(wěn)定狀態(tài)均在預(yù)設(shè)擋位范圍內(nèi)；其中緩慢擋位（12~17 滴/20秒）的波動(dòng)更小，說明本系統(tǒng)控制下對(duì)慢速輸液過程的穩(wěn)定性、安全性更高。

圖6 各組實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定

測(cè)試中正在工作的夾持裝置如圖7 所示。

圖7 測(cè)試中正在工作的夾持裝置

3 結(jié)論

本文針對(duì)市場(chǎng)上缺少完善的適用于雙頭輸液模式的智能輸液控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于STC89C52 的雙藥瓶輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，主要對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)雙頭輸液器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為輸液控制和更換藥瓶的功能打下了基礎(chǔ)。從功能上看，所涉及的雙藥瓶輸液監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)輸液速度控制、輸液完成報(bào)警、檢測(cè)堵塞事故報(bào)警、自動(dòng)更換輸液藥瓶的功能；利用藍(lán)牙模塊，通過無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端輸入指令控制滴速范圍的效果，減輕了醫(yī)護(hù)人員和患者的工作量，同時(shí)，避免發(fā)生靜脈輸液事故，保障輸液過程中患者的安全。該系統(tǒng)成本較低，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，適合在各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)中推廣使用。