蘭皓宇　張煉碩　葛小偉　張永林　蔣鵬飛　張書恒

摘 要：文中設計了一種高性價比的醫(yī)用吸氧計時計費裝置，以解決醫(yī)院多發(fā)的吸氧收費糾紛。該裝置以Arduino最小系統(tǒng)為處理核心，配合氣流傳感器實現(xiàn)病人吸氧的同步計時計費，并實時顯示吸氧時長、流量和費用。該裝置通過紅外進行授權操作和系統(tǒng)設置，并具有掉電數(shù)據(jù)自動保存、低電量聲光報警等功能。該吸氧計時裝置結構簡單、易于安裝、計時準確、使用方便，醫(yī)院試用效果良好。

關鍵詞：間斷吸氧計時；吸氧計時計費裝置；實時性；操作管理；Arduino

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

目前醫(yī)院在實際醫(yī)療工作中，對于病人的吸氧計費仍然存在收費不精準的問題，多數(shù)是由醫(yī)護人員定時巡房進行人工計時，缺少精確的設備進行計時收費。且病人在吸氧治療的過程中并不是持續(xù)不斷的吸氧，而是間歇吸氧，這就為醫(yī)院和病人之間對吸氧治療的標準計時造成了困難，因此收費有一定出入。

吸氧計時的設備國內(nèi)外已有研究，醫(yī)院也有使用，但醫(yī)院較為常見的計時器都存在一些問題和缺陷。比如醫(yī)院多用普通計時器記錄時間，出現(xiàn)間斷吸氧如外出就餐或外出檢查后，停止供氧的時段只能通知護士扣減，計時存在明顯的不準確性；另一種具有專利的氧氣吸入濕化器雖可自動計時，但該設備的核心裝置是觸碰開關，在使用過程中硬件接觸頻繁極易損壞，同時清零裝置未設置權限，病人也可以自行清零，無法保障準確性。

1 系統(tǒng)功能

結合吸氧治療的實際狀況，為了解決多數(shù)設備不能間斷累積計時的問題，文中提出的計時系統(tǒng)運用微控制單元（MCU）對吸氧過程進行實時監(jiān)控和管理，以提高計時的可靠性，減小系統(tǒng)體積。計時系統(tǒng)接在吸氧裝置的氣流通路中，當氣流傳感器檢測到氧氣流通后，會根據(jù)當前氧氣流速產(chǎn)生0～5 V的模擬電壓信號，該信號經(jīng)Arduino最小系統(tǒng)處理送到顯示模塊顯示并開始計時；當氣流傳感器檢測到氧氣停止流通后，系統(tǒng)停止計時。系統(tǒng)的顯示模塊會顯示當前實時氧速率、累積吸氧時間、當前吸氧計時、吸氧費率、單次吸氧費用、累積吸氧費用，其中氧速率、累積時間、吸氧費率和累積費用的數(shù)據(jù)存儲在E2PROM中，實現(xiàn)掉電保存功能。系統(tǒng)具有權限操作功能，病人吸氧的數(shù)據(jù)只有通過紅外遙控輸入正確的密碼后才可以更改清零，密碼亦同。為提醒醫(yī)務人員意外掉電情況的發(fā)生，采用雙供電系統(tǒng)，即適配器供電和鋰電池供電，將適配器作為主供電，一旦發(fā)生掉電情況，系統(tǒng)會立即進行聲光報警；若鋰電池掉電，系統(tǒng)亦報警。

2 Arduino 最小系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)選用Arduino ProMini的開源硬件。Arduino ProMini的處理器核心為 ATmega168，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個晶體諧振，一個復位按鈕。Arduino ProMini自帶存儲器，ATmega168包括片上16 KB Flash，其中2 KB用于Boot Loader。同時還有1 KB SRAM和0.5 KB E2PROM。

14路數(shù)字輸入輸出口的工作電壓為3.3 V或5 V，每一路輸出和接入的最大電流為40 mA。每一路配置了20～50 kΩ內(nèi)部上拉電阻（默認不連接）。如下引腳有特定的功能：

串口信號RX（0號）、TX（1號）： 提供TTL電壓水平的串口接收信號，可與6腳Header通孔相連。

外部中斷（2號和3號）：觸發(fā)中斷引腳，可設成上升沿、下降沿或同時觸發(fā)。

脈沖寬度調制PWM（3、5、6、9、10 、11）：提供6路8位PWM輸出。

SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK））：SPI通信接口。

LED（13號）：Arduino專門用于測試LED的保留接口，輸出為高時點亮LED，反之輸出為低時LED熄滅。

6路模擬輸入A0～A5：每一路具有10位分辨率（即輸入有1 024個不同值），默認輸入信號范圍為0～5 V，可通過AREF調整輸入上限。

TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C總線）。

3 吸氧計時系統(tǒng)的硬件、軟件設計

3.1 系統(tǒng)的硬件結構

吸氧計時系統(tǒng)的硬件部分包括氣流傳感器、控制系統(tǒng)、LCD顯示屏、雙路電源、電源管理系統(tǒng)等，如圖1所示。

氣流傳感器左右兩端的進出氣口與氧氣通路相連，當病人吸氧且氧氣通過時傳感器發(fā)送0～5 V電信號觸發(fā)計時系統(tǒng)。LCD顯示模塊屏位于計時器主體表面，可以顯示當前氧速率、累積吸氧時間、吸氧計時/密碼、費率、單次吸氧費用、累積吸氧費用。電源、控制系統(tǒng)位于計時器主體內(nèi)部。

控制系統(tǒng)包括兩塊Arduino pro mini、紅藍LED、蜂鳴器、紅外接收器和遙控設備，其中一塊Arduino用于系統(tǒng)計時和操作管理，Arduino在接收到模擬信號后先進行AD處理，產(chǎn)生當前氧氣流速時開始計時，計時過程中的實時時間、計時結束后的費用計算都由Arduino完成并在LCD上顯示。系統(tǒng)權限操作指吸氧的費率只可由醫(yī)護人員通過紅外遙控更改，病人的吸氧數(shù)據(jù)必須通過紅外遙控輸入正確的密碼才可清零，系統(tǒng)具有初始密碼，但也可手動更改，密碼和相關的吸氧數(shù)據(jù)存放在E2PROM內(nèi)，若系統(tǒng)意外掉電不會被擦除。另外一塊Arduino用于電源管理功能的實現(xiàn)，為防止意外掉電情況的發(fā)生，實現(xiàn)監(jiān)控電量并在掉電后報警。系統(tǒng)為雙路供電，鋰電池給電源管理Arduino、LED和蜂鳴器供電，12 V/5 V雙輸出適配器給主控Arduino、LCD和傳感器供電，同時控制電路里有兩塊LM393集成運算放大器，分別用于檢測適配器電量和鋰電池電量，當適配器掉電時LM393會給Arduino發(fā)送高電平信號觸發(fā)聲光報警，當鋰電池電量低時LM393直接輸出高電平點亮LED，若系統(tǒng)及時上電，則報警解除。endprint

電源管理模塊主要通過兩塊LM393運算放大器實現(xiàn)主要功能。電源管理核心電路如圖2所示。LM393（適配器掉電檢測）由5 V鋰電池供電，同向端接12 V適配器，反向端接5 V鋰電池，運算放大器持續(xù)輸出高電平，當出現(xiàn)意外狀況適配器掉電時，運算放大器輸出變?yōu)榈碗娖剑藭rArduino檢測到電平變化，會控制蜂鳴器和藍色LED閃爍報警，若適配器重新連接，則報警消除；LM393（鋰電池電量檢測）由12V適配器供電，同向端接12 V，限伏在5 V以下，反向端接5V鋰電池，運算放大器輸出端接紅色LED。正常工作狀態(tài)下，LM393持續(xù)輸出低電平，紅色LED熄滅。當鋰電池處于低電量狀態(tài)時反向端電壓低于同向端電壓，LM393輸出高電平，從而點亮紅色LED，提醒工作人員需要給鋰電池充電。電源管理模塊同時檢測適配器電源和鋰電池電源，以提醒醫(yī)護人員可能影響吸氧計時的突發(fā)狀況是否發(fā)生。

計時器主體部分還有復位按鈕可給系統(tǒng)復位，以防系統(tǒng)死機；具有掉電存儲和累加計時功能，以防突然掉電情況下數(shù)據(jù)丟失和無法間斷計時的問題出現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的實時計時部分運用Arduino庫函數(shù)millis（），該函數(shù)從燒錄程序運行開始計時。因為計時器是從上電起一直運行，為實現(xiàn)對每一次吸氧時間的精確計錄，當Arduino接收到傳感器傳送的模擬信號時，程序調用millis函數(shù)，并將當前時間點截取并保存到ROM中，若模擬信號消失，將再一次截取時間并保存至ROM，結束時間和起始時間的差值即為本次吸氧的總時間。在氧氣流通期間調用millis函數(shù)，用millis函數(shù)的返回值減去截取的起始時間，并在LCD上顯示，即實現(xiàn)了每次吸氧開始都可以從0計時，使用者可以清晰觀察使用情況。計時部分主要代碼如下：

if（val>20）//大于20 sccm傳感器輸出電信號

{

if （flag1）

{

T=millis （）/1000；

Start=T；

flag1=0；

flag2=1；

}

lcd.setCursor （10， 0）；

Timer=millis （）/1000-T；

lcd.print （timer）；

}

else if （flag2）

{

T=millis （）/1000；

Over=T；

flag2=0；

flag1=1；

Time=over-start；

Money=per*Time；

Serial.print （Time）；

Serial.println （）；

Serial.print （money）；

}

掉電存儲則是運用Arduino promini上集成的0.5 KB E2PROM，累積吸氧時間、單次費用、吸氧費率、累積費用和密碼按次序存放在相應的E2PROM中，每次吸氧結束計算吸氧費用，數(shù)據(jù)都會更新并被重新存放到相應的存儲空間中，實現(xiàn)了間斷吸氧計時的功能。若系統(tǒng)意外掉電，重要數(shù)據(jù)不會丟失。

密碼和費率通過紅外傳輸更改，系統(tǒng)包含三種模式，即計時模式、清零模式、修改密碼模式，每種模式都通過紅外遙控進入。

（1）在計時模式下，工作人員可以對費率進行修改，吸氧結束后程序會根據(jù)當前輸入的費率進行計算；

（2）點擊紅外遙控上的“CL”鍵即進入清零模式，在該模式下使用者必須輸入正確的密碼才能將E2PROM中的累積吸氧時間、單次費用、累積費用數(shù)據(jù)清零，若輸入錯誤不會進行任何修改；

（3）點擊“CH”鍵進入修改密碼模式，該模式需先輸入舊密碼才能進行新密碼的設置，輸入錯誤則不會進行任何修改。

在計時模式下若使用者忘記新設置的密碼，可以通過“RE”鍵將密碼初始化，但使用者需牢記系統(tǒng)的初始密碼。

4 程序流程圖

4.1 系統(tǒng)主流程圖

將傳感器接口與濕化瓶連接，接上電源，當有氣流通過時，傳感器檢測到信號并輸出0～5 V模擬電壓，傳送至芯片；芯片經(jīng)AD轉換將信號處理為當前的氧氣流速，通過LCD進行實時顯示并計時。LCD顯示屏顯示計時時間的主程序如圖3所示。

4.2 紅外遙控設計流程圖

控制芯片在接收到紅外遙控輸入的吸氧費率后，吸氧結束階段計算出吸氧所需費用，在LCD屏上顯示出來。系統(tǒng)的操作管理流程如圖4所示。在按下遙控器上的清零鍵后會要求輸入密碼，密碼正確則成功清零；在按下遙控器上的重置密碼按鍵后，先輸入原密碼，原密碼輸入正確，則LCD顯示屏顯示“CORRECT”，即可輸入新密碼并保存；若忘記密碼，按下密碼復位鍵即可恢復初始密碼。

4.3 電源管理流程圖

系統(tǒng)的電源管理由LM393和Arduino共同控制，自系統(tǒng)運行起就進行不間斷監(jiān)測，若適配器掉電則會觸發(fā)聲光報警，直至重新上電；若鋰電池為低電壓則會觸發(fā)光報警，直至工作人員給鋰電池充電。圖5所示為電源管理流程圖。

5 結 語

本文所研制的醫(yī)用吸氧自動計時計費裝置以氣流傳感器采集到的氧氣流通信號觸發(fā)計時系統(tǒng)工作，通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的配合來完成實時累積計時計費、電源管理和簡單的系統(tǒng)管理。樣機測試和醫(yī)院試用結果表明，該裝置可精確計時并檢測當前氧氣流速，計費數(shù)據(jù)安全可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性符合要求，完全滿足醫(yī)院的實際需求，有效解決了因吸氧計費產(chǎn)生的糾紛。

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