輸液自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

李瑞潔，楊靜茹，刁美然，張慧琳

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

現(xiàn)代醫(yī)療中，靜脈輸液是臨床中一種非常普遍的治療手段。目前臨床靜脈輸液有兩種方式。一種是傳統(tǒng)的人工方式，其缺點(diǎn)是需要護(hù)士不斷地巡視同時(shí)還必須有人陪護(hù)，占用了很大的人力資源同時(shí)也存在交叉感染的危險(xiǎn)。另一種是新型自動(dòng)化輸液泵可以讓患者得到休息，減輕醫(yī)護(hù)人員的壓力，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率。點(diǎn)滴輸液報(bào)警系統(tǒng)利用滴速傳感器隨時(shí)間同步檢查測(cè)驗(yàn)，由顯示屏上觀察到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，并與預(yù)先設(shè)立的輸液滴落速度限制進(jìn)行比較，一旦輸液滴落速度不在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，則發(fā)動(dòng)報(bào)警響應(yīng)。本系統(tǒng)可以在一定程度上降低醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，提升工作效率。

1 系統(tǒng)總體方案

點(diǎn)滴輸液報(bào)警系統(tǒng)的總體硬件框架如圖1 所示。OLED液晶屏用于顯示當(dāng)前信息和參數(shù)。水位傳感器用于檢測(cè)水瓶是否有水，如果沒(méi)有水，蜂鳴器會(huì)聲光報(bào)警。采用DS18B20 溫度傳感器，用于檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度。ULN2003用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)模擬控制滴速。加熱片通過(guò)繼電器控制加熱片，當(dāng)前溫度低時(shí)，控制加熱片加熱。STM32F103CT6 單片機(jī)作為CPU 處理器，用于數(shù)據(jù)處理。按鍵用于設(shè)置滴速上下限值。光耦用于檢測(cè)當(dāng)前點(diǎn)滴的滴速，當(dāng)?shù)嗡傩r(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)置

■2.1 單片機(jī)

STM32F103 單片機(jī)是一款性價(jià)比高的微控制器，早期STC 公司生產(chǎn)用于工業(yè)控制。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，我們選擇的單片機(jī)是芯片為STM32F103C8T6 單片機(jī)。此單片機(jī)和51系列相比，其功能更加強(qiáng)大，性能更高，自帶2 個(gè)AD 轉(zhuǎn)換，方便在設(shè)計(jì)煙霧和CO 的時(shí)候免去了需要加外部ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

■2.2 按鍵控制電路

按鍵開(kāi)關(guān)的檢測(cè)原理就是高低電平的檢測(cè)。單片機(jī)按鍵的一端連接單片機(jī)的雙向I/O 口，另一端接地。當(dāng)按下按鍵時(shí)，當(dāng)I/O 引腳接地時(shí)，此時(shí)為低電平狀態(tài)，同時(shí)也向單片機(jī)返回一個(gè)低電平信號(hào)。當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)處于張開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)該I/O 引腳處在高電平，電路未閉合，電流無(wú)法形成通路。按鍵開(kāi)關(guān)由于其撥動(dòng)時(shí)間，難免產(chǎn)生誤差，所以在編寫(xiě)按鍵函數(shù)時(shí)，要額外寫(xiě)一個(gè)去抖函數(shù)，提高精確性。

■2.3 報(bào)警電路

本次設(shè)計(jì)采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)裝置檢測(cè)到溫度和滴速高于預(yù)設(shè)上限或者低于預(yù)設(shè)下限時(shí)，蜂鳴器會(huì)聲光報(bào)警。在此單片機(jī)電路中，蜂鳴器連接在三極管的引腳上，另一端通過(guò)接地實(shí)現(xiàn)電路的閉合。由于單片機(jī)電路的電流非常小，如果直接用單片機(jī)控制蜂鳴器，可能達(dá)不到蜂鳴器工作所需的電壓。因此，為了讓蜂鳴器工作，本設(shè)計(jì)采用了NPN 三極管。NPN 三極管可以放大電流，從而讓微弱的單片機(jī)電路輸出變得更強(qiáng)。通過(guò)這種方式，蜂鳴器可以正常工作，發(fā)出預(yù)設(shè)的聲音或警報(bào)信號(hào)等。NPN 三極管具有放大電流和電平的特性同時(shí)上拉電阻也起到限流作用，防止電流過(guò)大擊穿蜂鳴器，經(jīng)過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)電流后，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

■2.4 OLED 液晶顯示電路

OLED 是一種用于發(fā)光和顯示的器件，即在陽(yáng)極和陰極之間夾多層有機(jī)薄膜組成了穩(wěn)定的綠色有機(jī)薄膜發(fā)光器件。OLED 是128 列×64 行點(diǎn)陣的OLED、字符、圖形顯示模塊，接口電路簡(jiǎn)單，使用方便。根據(jù)所要顯示的文字生成所需字符庫(kù),通過(guò)OLED 顯示程序?qū)⒆址a寫(xiě)入并存儲(chǔ)在SSD1306 的GDDRAM 模塊后,就可以穩(wěn)定地顯示出來(lái)。

■2.5 滴速檢測(cè)模塊

滴速檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)藥水瓶中滴速。該模塊的原理是使用元器件來(lái)計(jì)算水滴落下的時(shí)間，并根據(jù)時(shí)間計(jì)算出此時(shí)的水滴速度。通過(guò)多次檢測(cè)水滴速度并取平均值，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的結(jié)果。采集到的滴速數(shù)據(jù)將通過(guò)單片機(jī)和引腳進(jìn)行通信，并在OLED 液晶屏上進(jìn)行顯示。測(cè)試方法是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水滴經(jīng)過(guò)凹槽部分的次數(shù)和時(shí)間，計(jì)算得出藥水瓶中的滴液速度。

■2.6 液位檢測(cè)模塊

本次設(shè)計(jì)使用的水位傳感器包含液位傳感器模塊和LM393 芯片。液位傳感器模塊的工作原理是利用壓強(qiáng)傳感器來(lái)測(cè)量液體表面的壓力，并將這個(gè)壓力轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)換成電信號(hào)用于計(jì)算水位高度。LM393 芯片用于對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位高度的準(zhǔn)確檢測(cè)和控制。檢測(cè)壓強(qiáng)值，水和壓強(qiáng)成正比，水越多壓強(qiáng)越大，通過(guò)和LM393 進(jìn)行比較，如果有水的情況下會(huì)輸出高電平，反之輸出低電平這樣就可以判斷瓶子內(nèi)是否有水。液位檢測(cè)電路如圖3 所示。

圖2 中LM393 電壓比較器電路，接2 個(gè)10k 的電阻目的是分壓，產(chǎn)生的電壓為2.5V 電壓值。3 為外接器件用來(lái)進(jìn)行光敏采集 ，out 為輸出電平，LM393 只會(huì)輸出2 種電平，一種是高電平一種是低電平0 和1，以2.5V 為分界線大于為高電平低于為低電平。

圖2 液位檢測(cè)電路

■2.7 步進(jìn)電機(jī)控制電路

28BYJ48 型四相八拍步進(jìn)電機(jī)在控制時(shí)一般采用ULN2003 芯片驅(qū)動(dòng)，ULN2003 實(shí)際上是一種集成電路，能夠?qū)⑼獠啃盘?hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不同，工作原理也不盡相同。其基本工作原理就是在不同相位上施加不同的脈沖，使步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的步進(jìn)序列來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成預(yù)定的任務(wù)。由于步進(jìn)電機(jī)只有在接收到脈沖信號(hào)時(shí)才轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，因此步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)所接收信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算其轉(zhuǎn)角，具有高精度、高定位精度、高控制精度等特點(diǎn)。此外，步進(jìn)電機(jī)具有平滑運(yùn)行、低噪聲、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種自控系統(tǒng)和精密儀器中。

■2.8 DS18B20 溫度檢測(cè)

本設(shè)計(jì)采用DS18B20 溫度傳感器模塊，防水的溫度傳感器DS18B20 主要是負(fù)責(zé)進(jìn)行溫度檢測(cè)。這個(gè)傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它的占用面積很小，不會(huì)占用太多的空間。其次，它的精度可以達(dá)到0.2℃。傳感器采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，這意味著與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸共享同一個(gè)總線。此外，該傳感器具有強(qiáng)大的抗干擾能力，可以有效地避免外界環(huán)境對(duì)溫度檢測(cè)產(chǎn)生的影響。使用該傳感器可以獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，且能有效地控制溫度，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。這款溫度傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)間為75ns，檢測(cè)的結(jié)果以數(shù)字量方式串行傳送。作為一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度復(fù)合傳感器，DS18B20 溫度傳感器采集的數(shù)值是非常準(zhǔn)確的，其采集范圍在0℃-50℃±0.2℃。DS18B20 采集過(guò)程先由STC89C52 單片機(jī)發(fā)起信號(hào)，再通過(guò)I/O 引腳發(fā)送給DS18B20，之后DS18B20 反向單片機(jī)發(fā)送響應(yīng)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照40 位數(shù)據(jù)幀格式輸出，最高位在前，校驗(yàn)位為4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)相加取結(jié)果的低8 位數(shù)據(jù)作為校驗(yàn)和，單片機(jī)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)解析，得出溫度的具體數(shù)值后顯示在液晶屏上。

■2.9 系統(tǒng)硬件原理圖

本次方案使用了OLED 液晶顯示器來(lái)顯示檢測(cè)到的滴速以及滴速的上下限值。采用STM32F03C8T6 單片機(jī)作為核心控制，同時(shí)還采用了滴速傳感器來(lái)檢測(cè)藥水的水位。在圖中，還設(shè)計(jì)了三個(gè)按鍵，用于設(shè)置滴速速度的報(bào)警上下限值。當(dāng)?shù)嗡俪^(guò)預(yù)設(shè)上限或者下限時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)瓶中沒(méi)有水時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)以提醒使用者。當(dāng)液滴速度低于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn)以提高液滴速度；當(dāng)液滴速度高于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)則會(huì)反轉(zhuǎn)以降低液滴速度。該單片機(jī)系統(tǒng)使用5V 直流電源供電，采用DS18B20 傳感器對(duì)藥水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，繼電器則用于控制加熱片進(jìn)行加熱。其硬件原理電路圖如圖3 所示。

3 軟件設(shè)置

■3.1 軟件主程序架構(gòu)

當(dāng)硬件模塊調(diào)試結(jié)束后，需要專門(mén)指定的單片機(jī)和外設(shè)傳感器來(lái)進(jìn)行軟件的調(diào)試。整個(gè)程序架構(gòu)需要根據(jù)流程圖按部就班，由傳感器前后排列次序完成架構(gòu)。經(jīng)過(guò)分析，軟件架構(gòu)依次可以分為：DS18B20 溫度采集，步進(jìn)電機(jī)控制、滴速傳感器檢測(cè)當(dāng)前滴液速度，液位傳感器檢測(cè)當(dāng)前水瓶中水量位置，將結(jié)果呈現(xiàn)在OLED 液晶顯示器上。按鍵設(shè)置滴速報(bào)警的上限和下限值，若越過(guò)報(bào)警的上下限值時(shí)，那么蜂鳴器便會(huì)發(fā)動(dòng)警報(bào)，隨即單片機(jī)按照規(guī)則使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。如果水瓶?jī)?nèi)無(wú)水，系統(tǒng)感知發(fā)送信號(hào)，即蜂鳴器會(huì)迅速報(bào)告緊急情況。完整的軟件主流程如圖4 所示。

圖4 軟件主流程圖

■3.2 OLED 顯示

為使顯示器照常運(yùn)作，應(yīng)先寫(xiě)入調(diào)令符號(hào)，繼而再寫(xiě)入需要顯示的數(shù)據(jù)。下達(dá)指令來(lái)查看顯示器是否處于運(yùn)作狀態(tài)，這是寫(xiě)入調(diào)令符號(hào)的充分必要條件。若在運(yùn)作中,需要耐心等候，在確定顯示器發(fā)出工作完成的信號(hào)后,才可以寫(xiě)入控制字符和數(shù)據(jù)。

■3.3 滴速檢測(cè)

當(dāng)?shù)嗡賯鞲衅黟侂姾箝_(kāi)始工作時(shí)，傳感器在接收到單片機(jī)所帶來(lái)的信號(hào)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)滴液的時(shí)間，從而測(cè)算得出滴速。將計(jì)算結(jié)果傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將最終結(jié)果呈現(xiàn)在OLED 液晶屏上。滴速檢測(cè)的流程圖如圖5 所示。

圖5 滴速檢測(cè)

■3.4 水位監(jiān)測(cè)

液位傳感器檢測(cè)是其水位觸液面通過(guò)一個(gè)壓強(qiáng)傳感器，檢測(cè)實(shí)時(shí)壓強(qiáng)值，若有水則會(huì)輸出大于2.5V 電壓，而LM393 輸出高電平，反之無(wú)水輸出低電平。其流程圖如圖6 所示。

圖6 水位檢測(cè)

圖8

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

首先，接通電源，液晶屏?xí)@示當(dāng)前的滴速。最左邊是水位傳感器，將水位傳感器拿出，傳感器周?chē)鸁o(wú)水時(shí)，蜂鳴器就會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，并且在液晶屏上面會(huì)顯示“無(wú)”。

第1 個(gè)按鍵用來(lái)設(shè)置當(dāng)前滴速的下限和上限。第2 個(gè)鍵是加值，第3 個(gè)鍵是減值。再按回第1 個(gè)按鍵就會(huì)切換到上限的設(shè)置，連按兩次第一個(gè)鍵將切換到溫度的設(shè)置。如果滴速低于設(shè)置的下限，那么電機(jī)正轉(zhuǎn)，來(lái)控制點(diǎn)滴的滴速。

接著設(shè)置滴速和溫度，然后進(jìn)行測(cè)試，可以用不透光的刀片來(lái)模擬點(diǎn)滴經(jīng)過(guò)傳感器的情景。刀片經(jīng)過(guò)感應(yīng)器時(shí)燈會(huì)滅一下，滴速比較小，電機(jī)就會(huì)正轉(zhuǎn)，使點(diǎn)滴滴速變快。如果滴速超過(guò)設(shè)置的上限，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。等到滴速剛好在設(shè)置的范圍之內(nèi)，電機(jī)就靜止不轉(zhuǎn)，說(shuō)明滴速符合設(shè)置的范圍。當(dāng)?shù)嗡贋榱銜r(shí)，說(shuō)明沒(méi)有水，以此來(lái)檢測(cè)有無(wú)水的狀態(tài)。

通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置溫度，溫度感應(yīng)器可以放在水里面，也可以放在瓶子外面，它用來(lái)感應(yīng)當(dāng)前的溫度。假設(shè)將溫度設(shè)置在30℃，當(dāng)藥水溫度低于設(shè)置的溫度時(shí)，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，繼電器會(huì)閉合，加熱片會(huì)對(duì)藥水進(jìn)行加熱。

5 結(jié)論

本文針對(duì)液體點(diǎn)滴檢測(cè)報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了深入的探討，相比傳統(tǒng)的輸入報(bào)警，在進(jìn)行人體紅外硬件連接和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中更加重視。研制該裝置主要是為了克服人工檢測(cè)液位消耗精力和效率低的弊端，為醫(yī)護(hù)人員提供了方便，提高了工作效率。由于條件的限制，未在醫(yī)院試點(diǎn)使用，一旦投入前途不可估量。