方慶山，汪玉

1. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，安徽 蚌埠 233060；2.安徽蚌埠第四人民醫(yī)院，安徽 蚌埠233010

基于STC89C52單片機(jī)的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

方慶山1，汪玉2

1. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，安徽 蚌埠 233060；2.安徽蚌埠第四人民醫(yī)院，安徽 蚌埠233010

針對(duì)傳統(tǒng)人工輸液過(guò)程中存在的問(wèn)題，以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種非接觸式的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)。在保證輸液安全與衛(wèi)生的前提下，實(shí)現(xiàn)了液位檢測(cè)、液溫測(cè)量與調(diào)節(jié)、點(diǎn)滴速度控制、遠(yuǎn)程報(bào)警、液晶顯示等功能。該系統(tǒng)操作方便，成本低廉，在臨床靜脈輸液中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)；靜脈輸液；STC89C52單片機(jī)；輸液泵；傳感器

0 前言

目前臨床靜脈輸液主要有兩種方式。一種是傳統(tǒng)的人工方式，其缺點(diǎn)是護(hù)士要不斷地巡視，同時(shí)還必需有人陪護(hù)，人力資源占用很大，還有交叉感染的危險(xiǎn)；另一種是自動(dòng)化輸液泵，這種方法雖然解決了人力資源占用的問(wèn)題，但目前市場(chǎng)上的自動(dòng)輸液裝置成本均比較高，醫(yī)院在使用過(guò)程中增加了輸液成本，這種輸液成本最終加到的患者身上，這種輸液方式因成本較高的缺點(diǎn)，在實(shí)際中很難普及。本文主要介紹一種基于單片機(jī)STC89C52的非接觸式靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控功能的前提下，盡量減小產(chǎn)品成本。同時(shí)采用一些常用的傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式監(jiān)控方式是保證輸液衛(wèi)生的基本要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控制器、監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和滴速與溫度控制控制模塊組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

液位監(jiān)測(cè)模塊采集輸液瓶的液位信息，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定的最低處時(shí)通過(guò)液位報(bào)警模塊報(bào)警，提醒護(hù)理人員換水；信息顯示模塊用于顯示液位、滴數(shù)和當(dāng)前溫度等信息；滴速控制模塊可以根據(jù)設(shè)定的滴速進(jìn)行輸液速度的控制；液溫控制模塊可以根據(jù)設(shè)定的輸液溫度進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；按鍵設(shè)置模塊用于人工輸入各種初始設(shè)定值和系統(tǒng)初始化；外部通信接口可以根據(jù)實(shí)際需要與其它控制系統(tǒng)連接，進(jìn)行分批式控制與監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 液位監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊

考慮到系統(tǒng)的醫(yī)用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用吊瓶中應(yīng)盡量避免異物進(jìn)入，所以選擇紅外非接觸探測(cè)方法。考慮到吊瓶壁厚度和外直徑的影響，增大紅外發(fā)射功率，通過(guò)輸液瓶有水和無(wú)水時(shí)紅外接收的信號(hào)差異可以達(dá)到檢測(cè)液位的目的。由于液位報(bào)警電路只需要在液面下降到紅外發(fā)射接收通路高度以下時(shí)才發(fā)出警報(bào)，因此傳感器部分接收到的信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)濾波，而只需放大即可。出于盡量減小信號(hào)傳輸損耗的考慮，把初級(jí)放大部分電路與傳感器一起設(shè)計(jì)在儲(chǔ)液瓶旁邊[1]。再設(shè)定一個(gè)門限電平，使接收信號(hào)高于門限電平時(shí)給單片機(jī)送入一個(gè)信號(hào)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，液位監(jiān)測(cè)與報(bào)警電路框圖如圖2所示。

圖2 液位監(jiān)測(cè)與報(bào)警

經(jīng)實(shí)際測(cè)量，無(wú)論何種的藥液成份，有水和無(wú)水時(shí)的檢測(cè)信號(hào)幅度差異至少有30～40mV，作為本系統(tǒng)只探測(cè)最低液位的功能來(lái)說(shuō)，只需實(shí)現(xiàn)最低液位報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)差異在25mV以上時(shí)，就可以作為產(chǎn)生一報(bào)警信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。為了避免誤測(cè)的可能性，在軟件設(shè)計(jì)中可加入重復(fù)檢測(cè)程序模塊，經(jīng)間隔3s的液位檢測(cè)信息比較，能夠比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)最低液位報(bào)警。

2.2 滴速控制模塊

滴速控制模塊由滴速檢測(cè)與滴速調(diào)節(jié)兩部分組成，其組成框圖如圖3所示。

圖3 滴速控制模塊

為了減小外界環(huán)境的影響，紅處發(fā)射采用調(diào)制后發(fā)射，根據(jù)有液滴和無(wú)液滴的紅外接收檢測(cè)信號(hào)不同來(lái)判斷是否有液滴滴下。為使單片機(jī)能夠正確識(shí)別，將紅外接收的信號(hào)經(jīng)信號(hào)整形電路處理，信號(hào)整形電路可采用施密特觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。單片機(jī)根據(jù)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路ULN2003A后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，從而使機(jī)械夾夾緊或放松，達(dá)到控制滴速的目的。在軟件實(shí)現(xiàn)中，為了避免干擾信號(hào)，采用軟件濾波的方法，如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間很短，即兩個(gè)脈沖非?？拷那闆r，為了計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，將其中一個(gè)脈沖濾除。

2.3 液溫控制模塊

液溫控制模塊可以根據(jù)事先設(shè)定的溫度值監(jiān)測(cè)輸液的溫度，根據(jù)實(shí)際輸液過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，在保證藥性的前提下，適當(dāng)?shù)亟o液體加溫可以使患者更舒服。由于對(duì)液溫要求不高，所以在設(shè)計(jì)中只采用了成本較低的大功率電阻和單總線器件DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。為了監(jiān)控更準(zhǔn)確，使該模塊緊貼輸液監(jiān)測(cè)口，在液體溫度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，讓一定大小的電流通過(guò)電阻產(chǎn)生一定的熱量，用以對(duì)液體加溫。如果DS18B20測(cè)量到溫度到達(dá)設(shè)定值，再通過(guò)單片機(jī)控制斷開(kāi)電流，停止加熱，動(dòng)態(tài)地達(dá)到使液溫保持恒定的目的。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 液溫控制模塊

溫度傳感器DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具體微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理，因而可省去傳統(tǒng)的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路。測(cè)量溫度范圍為-55～+125℃,工作電壓范圍為3～5.5V。DS18B20的使用，使得本系統(tǒng)的便攜溫度測(cè)量成為可能。

2.4 其它模塊

鍵盤模塊主要用于外界初始值的設(shè)定及系統(tǒng)復(fù)位；顯示模塊主要用于顯示液位、液溫、總液滴量、滴速、報(bào)警提示等信息；外部通信模塊主要根據(jù)實(shí)際需要可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程有線監(jiān)控與報(bào)警。鍵盤及顯示模塊是單片機(jī)系統(tǒng)的通用模塊，外部通信模塊根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到低成本沒(méi)有外加擴(kuò)展，這里不再詳細(xì)敘述。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖5 軟件流程圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C51設(shè)計(jì)，主要包括：系統(tǒng)初始化、預(yù)設(shè)定置、主程序運(yùn)行、異常報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋控制等功能，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示[4]。

4 主控系統(tǒng)測(cè)試

主控系統(tǒng)利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)板測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)良好。經(jīng)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，系統(tǒng)的液位、滴速和液溫等監(jiān)控功能基本實(shí)現(xiàn)。在具體的性能指標(biāo)測(cè)量中，液位報(bào)警功能能完全無(wú)誤實(shí)現(xiàn)，滴速測(cè)量精度有±5滴/min的誤差，液溫測(cè)量誤差在±0.9℃，對(duì)于靜脈輸液的自動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，基本能滿足要求。本系統(tǒng)目前在模擬實(shí)驗(yàn)階段，臨床的應(yīng)用還需要硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中的軟件算法調(diào)試。

圖6 主控系統(tǒng)測(cè)試

5 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的智能靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)，具有滴速控制、液溫控制、液位監(jiān)測(cè)報(bào)警、按鍵設(shè)置與信息顯示等功能。非接觸性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，低成本的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用可行性的保證。系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，設(shè)備輕便等特點(diǎn)，實(shí)際使用中，根據(jù)需要可以外擴(kuò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)多機(jī)級(jí)聯(lián)監(jiān)控。

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Design of Intravenous Infusion Monitoring System Based on STC89C52

FANG Qing-Shan1, WANG Yu2
1. Experimental Center, Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology, Bengbu Anhui 233060, China; 2. Fourth People's Hospital of Bengbu City, Bengbu Anhui 233010, China

Taking into account of the problems in traditional artificial infusion, we designed a non-contact intravenous infusion monitoring system with the core of STC89C52 single-chip microcomputer. This system is operationally simple low-cost, and has realized functions of liquid level detecting, liquid temperature measurement and ajustment, intravenous drip speed control, remote alarm and liquid crystal display.

intravenous infusion monitoring system; intravenous infusion; stc89c52 single chip microcomputer; infusion pump; sensor

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.012

1674-1633(2011)06-0040-03

2010-12-02

2010-12-20

作者郵箱：Fqs008@163.com