基于AT89C52單片機的光電尿量監測系統的設計

石曦，楊宇航，陳偉寧

1.泰達國際心血管病醫院 醫療設備部，天津 300457；2.鏡湖醫院 醫療設備科，澳門 999078

基于AT89C52單片機的光電尿量監測系統的設計

石曦1，楊宇航1，陳偉寧2

1.泰達國際心血管病醫院 醫療設備部，天津 300457；2.鏡湖醫院 醫療設備科，澳門 999078

本研究為解決傳統手術中患者尿量監測過程中存在的問題。以AT89C52單片機為核心，輔以必要的外部檢測、顯示、操作、存儲和報警電路，設計一種智能光電尿量監測系統，實現手術過程中患者尿液的實時檢測和顯示，同時在出現異常情況下以報警提醒醫護人員及時做出正確的處理。

光電尿量監測系統；尿量監測；AT89C52單片機；光電傳感器

患者尿量是評價循環血容量、心功能狀態及微循環灌注的有效指標之一。手術期間，患者尿量可綜合反映圍手術期患者液體及電解質管理狀態、主要臟器功能情況和圍術期器官灌注狀態，也是手術期間監測腎功能的主要指標[1]。現今，尿量監測方法主要是通過插入尿管，收集尿液，以肉眼觀察來判斷尿液流出速度及尿量多少，該方法雖簡便，但需要反復觀察，過多占用工作人員精力，特別是在急癥、患者血流動力不穩定或患者需有較大體位變動時不易及時觀察尿量變化情況，以致易延誤病情判定。另外，手術醫師因工作位置的原因，手術期間經常不能直接觀察尿量情況。通過基于AT89C52單片機[2]的光電尿量監測系統進行尿量監測[3]，采用光電轉換技術將患者排尿情況轉化為聲信號，同時在液晶屏上輸出顯示，從而使手術醫師可迅速直觀地了解患者的尿量，對判斷循環狀態的動態變化、有效監測腎功能，增加圍術期患者安全度，減少術后并發癥有重要的臨床意義。

1 系統結構

系統主要由單片機、光電探頭及信號處理模塊、按鍵模塊、顯示模塊、聲音報警模塊與通信接口模塊組成（圖1）。

光電探頭用于檢測尿滴，測得微弱信號經信號處理模塊處理，然后經單片機外設端口輸入；按鍵模塊用于初始值設定和控制系統計數；顯示模塊用于顯示尿滴速率、總尿滴數及總尿量；聲音報警模塊用于尿滴提示和提醒更換尿液收集瓶；通信模塊用于與外部系統通信，也可以通過該模塊實現集中監控。

圖1 系統原理框圖

2 硬件設計

2.1 光電探頭及信號處理模塊

光電探頭[4]是整個尿量監測系統的關鍵所在，其設計時必須考慮到術中患者的排尿特點。正常人的排尿過程是由于膀胱的充脹，經傳入神經到達脊髓腰骶部排尿反射的初級中樞，然后經傳出神經，引起膀胱壁的逼尿肌強烈收縮，外括約肌放松，會陰部肌肉松弛，導致尿排出體外的。因此，尿液會在膀胱內壓及逼尿肌收縮壓下形成涓流，此時采用計算尿滴數的方法來計算尿量是不現實的。但是術中的患者由于麻醉的作用，中樞神經受到抑制，不能控制逼尿肌收縮，自然排尿過程不能實現，必須在其尿道中置入導尿管，使膀胱經導尿管完全開放，膀胱內無尿液儲存，膀胱內壓及逼尿肌收縮壓消失，腎代謝出的尿液在重力作用下隨即經導尿管排出，尿量很小，通過導尿管排出時，不會形成涓流。根據體外循環期間對患者尿量的評估標準，尿量為1mL/kg/h，即說明患者腎代謝功能正常，以70kg的成人計算，尿量為70mL/h，即0.02mL/s，而輸液器在重力作用下，其每滴液滴容量為0.05mL，也就是說每2.5s才會產生1滴尿滴。基于上述分析，尿量監測系統可以采用計算尿滴數的方式來計算術中患者的排尿量。因此，光電探頭采用夾式設計，紅外對管ST168的發射管和接收管分別置于探頭夾子的兩側，將輸液器連接到導尿管的出口， 然后將探頭夾子夾在輸液器的滴壺上，當有尿液從導尿管滴入滴壺時，從紅外對管的發射管和接收管之間通過的尿滴會對紅外光有較強的漫反射、吸收及一定的散射作用，導致接收光強的較大改變，接受管接收到的信號送至信號處理模塊。信號處理模塊對此信號進行放大，并經過施密特觸發器對信號進行整形，然后送單片機的P3.2口（外部中斷0），單片機根據輸入脈沖數進行尿滴計數。光電探頭及信號處理模塊具體電路，見圖2。

圖2 光電探頭及信號處理模塊電路

2.2 聲音報警模塊

聲音報警模塊由直流蜂鳴器、限流電阻（1kΩ）、1個PNP三極管S9012組成[5]（圖3）。該電路連接到單片機的P3.7口。當單片機中斷口檢測到有尿滴中斷時，即從P3.7口輸出一定頻率的脈沖，蜂鳴器就發出響聲，提示尿滴通過。在此情況下，手術醫生通過聲音的快、慢就可以判斷患者排尿情況。同時，還可以通過軟件設定時間域值。如果超過該時長未檢測到尿滴，單片機通過P3.7口輸出一高頻脈沖，蜂鳴器發出高頻警報音，提示醫生注意患者已長時間未排尿。另外，可以設定總尿量值，這個值大約是尿液收集瓶的容量，當總尿量達到此值時，單片機從P3.7口輸出另一高頻脈沖，蜂鳴器發出另一頻率的警報音，提示護士更換尿液收集瓶。

圖3 聲音報警模塊電路

2.3 其他模塊

按鍵模塊主要包括系統復位鍵、尿滴容量設定鍵和運行/暫停鍵。尿滴容量設定鍵用于設定每滴尿量的容量以便計算總尿量；運行/暫停鍵用于控制尿滴計數的開始和停止。

顯示模塊用于顯示尿滴滴速、總尿滴數及總尿量等信息。

通信接口模塊與外部集中控制系統[6-7]通信，將集中監控系統置于護士站，可以實現對各手術間患者的排尿情況進行統一監控和紀錄。由于集中監控系統是另外一套復雜系統，所以本文不再細述。

3 軟件設計

本系統軟件采用C51匯編語言設計，整個軟件實現模塊化，主要包括以下子程序：初始化子程序、按鍵掃描子程序、各鍵值處理子程序、中斷掃描程序、計數及計算子程序、聲音提示及報警子程序、液晶顯示子程序和存儲子程序，系統軟件流程，見圖4。

圖4 系統軟件流程圖

4 主控系統測試

在系統設計過程中，先對光電探頭及信號處理電路進行設計，然后采用89C52單片機開發板編寫軟件，模擬運行成功后對硬件系統進行優化設計，制作印刷電路板并對器件進行組裝，組裝后的尿量檢測系統，尿量檢測系統，見圖5。

圖5 尿量監測系統硬件圖

組裝完成后對系統性能進行了測試。為保證測試結果的精確性，采用尿液進行模擬測量實驗。實驗中，尿滴檢測、聲音提示和報警功能都能實現。在對尿量測精度進行模擬測試時，觀察對尿量測量精度產生影響的各種因素。經分析，對系統測量精度產生影響的因素僅有尿液滴速。因此，選擇1000mL尿液作為被測對象，使其在不同速度下通過光電尿量監測裝置，測試結果，見表1。對測量結果進行分析發現，測量誤差與尿滴速度幾乎成線性關系，速度越快，誤差越大。在3滴/s時，誤差為-5.8%，這個速度對于一個70kg的成人來說，相當于kg/h的排尿量為7.71mL，這個排尿量對于術中患者來說已經是一個相當大的數值了，若再測量更快的速度則沒有實際意義。而誤差在±6%以內這個精度完全能滿足術中患者尿量監測的要求。

表1 1000mL尿液在不同滴速下尿量監測裝置對的模擬測試數據

5 結束語

傳統的術中患者排尿情況監測是醫生通過口頭詢問護士，而護士則需要在手術床下進行人工計時數數來判斷患者尿量。這種方法費時、費力，缺乏實時性和動態性?；贏T89C52單片機的光電尿量監測系統，具有尿滴實時自動檢測、提示、顯示、報警和存儲等功能；成本低廉、操作簡便，是對傳統尿量監測的一種革新，未來可以廣泛應用于各級醫院。

[1] 徐啟明.臨床麻醉學[M].北京:人民衛生出版社,2001.

[2] 張志良.單片機原理與控制技術[M].2版.北京:機械工業出版社,2007.

[3] 張東衡,徐軍,鄭風,等.基于光電傳感器的尿量監測儀設計[J].制造業自動化,2010,32(5):122-124.

[4] 路立平,鹿曉力,賈巖.單片式光電傳感器電路設計[J].鄭州輕工業學院學報,1998,13(3):40-44.

[5] 徐瑋.51單片機綜合學習系統——蜂鳴器、繼電器篇[J].電子制作,2007,15(12):62-63.

[6]方慶山,汪玉.基于STC89C52單片機的靜脈輸液監控系統的設計[J].中國醫療設備,2011,26(6):40-42.

[7] 許海波,廖傳書.基于AT89S52單片機的遠程監控系統[J].安防科技,2007,17(9):17-19.

Design of Urine Volume Monitoring System Based on AT89C52

SHI Xi1, YANG Yu-hang1,CHEN Wei-ning2
1. Medical Equipment Department,TEDA International Cardiovascular Hospital, Tianjin 300457, China; 2.Medical Equipment Department, Kiang Wu Hospital, Macao 999078, China

For solving the problems in traditional urine output monitoring in operations, we designed an intelligent photoelectric urine output monitoring system with the core of AT89C52 SCM, and necessary external detector, display, operation, storage and alarm electro circuits, to achieving the real-time detecting and display of urine volume in operation, and remind the doctors and nurses in any risks.

urine output monitoring system; urine output monitoring; AT89C52 SCM; photoelectric sensor

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.01.007

1674-1633(2012)01-0025-03

2011-08-15

2011-09-11

作者郵箱：hillshi@126.com