智能化輸液控制系統的設計與實現方法

摘要：本文對輸液監控智能系統進行較全面的研究，主要分軟件、硬件兩部分內容，并詳細說明了系統的實現方法。上位機使用了Visual C + +編程語言，主要創建一個可視化、人機對話界面，使操作更加方便。用戶可以通過屏幕監視目標滴速、實際的滴速、剩余量的液體及報警等信息。下位機設計了具有CAN總線轉換器、接口LCD數據顯示、滴速設置鍵盤、電機控制、液滴紅外探測、輸液報警等功能的終端監控系統。

關鍵詞：輸液監控；Visual C + +；CAN總線；電路設計

中圖分類號： 02 文獻標識碼：A

在20世紀90年代初，人們就開始研究輸液監控技術，并取得了多項專利發明和研究成果。在輸液控制系統領域，他們開發的系統主要特點是通過使用單片機作為控制核心，集中監控輸液患者的輸液狀態，其主要功能有：鍵盤輸入預先設定的液量數字，系統可以分時顯示每個病人的輸液過程中狀態（滴速太慢，太快，滴完，無滴），如果出現異常，系統能自動報警，系統可以顯示在輸液過程中輸液時間、剩余的液量、滴速、藥液余量等信息。雖然在應用方面起到了一定的作用，但這些監測系統都存在共同的缺點：需要將尖型的金屬傳感器插入在滴管內，由液滴導電的工作原理所產生的電脈沖，這種情況并不符合在醫用方面無菌操作的要求，并且系統只可以對8個輸液瓶同時檢測，并使用一個公共的電路，觀察起來并不方便；系統不具有遠程控制功能，也并沒有實現監控的網絡化。

本文對輸液監控智能系統進行了較全面的探討，并從軟件，硬件兩方面詳細說明了系統的研究內容和實現方法。本設計實現了對輸液的準確性、自動控制和無接觸式紅外線光電傳感器進行測量，并通過實驗對以下四種不同的液體（5％葡萄糖，0.9％氯化鈉，5％葡萄糖+藥物，10％葡萄糖）進行觀察，由此證明了此液滴計數的方法來確定輸液是否正常，是完全可以實現的。根據對以往設計資料不斷研究的前提下，通過對輸液過程中的需求分析，當在輸液過程中出現各種情況時，系統可以自動及時報警所要達到的控制滴速，以此來確定系統中的各個功能模塊的詳細需求。我們通過單片機相應的控制技術、CAN無線傳輸技術，光電檢測技術，來確定目前的系統軟件，硬件組成。本文還設計了一個系統硬件系統開發的內容，其中有微控制器的選型和系統下位機的鍵盤輸入模塊，滴液檢測模塊，液晶顯示模塊，聲光報警模塊、滴速控制模塊和CAN總線傳輸模塊等方面的設計，對于系統軟件系統也設計了下位機各模塊的應用程序，以及完成上機位機中的輸液監控管理軟件的相應模塊的程序及功能。

1硬件和組件的接口設計

1.1硬件電路的設計

醫院輸液監控系統主要采用主、從站分布式體系結構，實時監控可以有多個病床輸液狀態。其中，從站負責為病人劑量和輸注速度的信息進行設定，由實時監測的液滴和微型步進電機ULN2003A驅動的紅外線傳感器，微型步進電機反向驅動的輸送機，以便控制軟管松動或緊張來進行滴速調節，當異常情況或輸液結束時，系統會自動發出聲光報警，從站的監測數據傳輸通過CAN總線傳送主站，主站設計輸液監控和管理軟件，采用C語言編寫，通過調用相應的功能模塊，醫務人員知道每個病床輸液狀態一目了然，并通過CAN總線改變病人的輸液速度。輸液監控系統構成的供應鏈管理系統，負責完成特定的輸液過程監控。它包括：MSP430F149單片機，鍵盤輸入模塊，滴速檢測模塊，聲光報警模塊，LCD顯示模塊，CAN總線傳輸設備和滴速控制模塊。單片機滴速控制CAN總線傳輸LCD顯示聲光報警滴速檢測鍵盤輸入PC機。

1.2 JTAG調試接口設計

在調試過程中，首先應用的JTAG調試器將編寫的程序從PC上下載到FLASH運行，通過JTAG接口進行程序控制，然后讀取芯片和CPU狀態的內存內容的信息，為設計人員編譯調試軟件集成和調試環境，而不是一個專用的編程器。所以你只把單片機按調試接口的標準，與購買的JTAG調試器對接，就可以在線調試程序。

1.3 JTAG調試端口引腳設計

采用2.54mm的間距，14針雙排針座的JTAG調試接口，只可用于在實際應用中的五個引腳，其他引腳都沒有用，跳線PZ用于選擇JTAG調試器使用外部電源或內部電源。當外圍電路的電源是功率相對較小時，使用JTAG內部電源即可。當外圍電路的電源功率比較大時，你應該使用一個外部電源。

1.4基于USB-CAN總線適配器電路設計

整個系統的設計目標是設計一個適配器，CAN總線的數據通過USB接口快速傳輸到PC進行處理和分析，并通過它來CAN節點發送數據或命令，實現計算機和通信設備通訊。

1.5 USB通信模塊的設計

MSP430F149的P6端口連接到一個對應的D12數據端口，通過端口連接MCU之間的4個IO 和D12四個控制74HC573隔離緩沖后如下：P2.0→WR_N，P2.1→RD_N，P2.2→A0，P2.3→CS_N。因為MSP430 MCU系列單片機無需外部總線接口，所以需要4個以上P6端口來模擬數據/地址復用總線來讀寫程序，以實現D12的操作。此外，D12的INT_N端口，通過跳線與MSP430F149的P2.5端口相連，來完成D12要求MCU的請求中斷處理。

1.6印刷電路板的設計

原理圖設計的最終目標是生產電子產品，電子產品在生產前要畫出電路原理圖，根據原理圖進行繪制電路板設計，印刷電路板簡稱PCB（Prinied Circult Board），按設計PCB電路板制成。

2硬件開發設計原則

2.1元件排列原則

（1）通常，所有的部件都設置在印刷電路板的同一表面上，并且僅在頂層元件太密時，才能把一些高度有限和較小發熱量的元件，如表面安裝IC，片狀電容器、片狀電阻等放在底部。

（2）有些高的元器件或導體之間存在電位差，應增加它們的距離，以避免意外的電線短路。

（3）確保的電氣性能的前提下，元件應放置在刪格上，并彼此平行或垂直布置以求美觀，簡潔和整齊，通常不讓元件重疊放置，元件結構應該是緊湊的，同時輸入和輸出組件盡可能地遠離。

（4）在該板的整個表面上的元件應均勻地分布，密度一致。

（5）位于板邊緣的元件遠離PCB板的邊緣中的至少兩個板厚的距離。

2.2根據信號走向布局原則

（1）為了保持信號的流通，元件的放置應該使該信號的方向盡可能一致。在正常情況下，布置的信號流的從頂部到底部或左到右，與輸入、輸出端直接相連接的元件應當放置在靠近連接器或者輸入、輸出接插件的地方。

（2）通常是由一個根據信號流的各自的功能安排電路單元的位置，以每個電路單元的核心元素為中心，在其周圍布局安排。

3系統軟件主程序設計方法

主程序必須先完成初始化工作，主要包括設置看門狗管理模式，系統時鐘初始化，初始化LCD模塊的初始化中斷，初始化定時器，全局變量和其他參數的初始化。然后啟動計時器開始計時，開中斷允許單片機響應外部中斷請求，內部定時器中斷請求。計算輸液滴速子程序，達到采樣時間，計算輸液滴速，并設置報警標志。任何中斷，外部中斷和定時器中斷可以喚醒，打開相應的中斷服務程序。最后中斷處理是完整的循環執行子程序計算輸液滴速和其他功能。根據滴速值計算和調整剩余時間的值，并在同一時間顯示新值。如果秒計數器減去上次采樣的時刻不等于采樣間隔時，返回到主程序，繼續進行后續的過程中的操作。

4軟件開發體現的原則

4.1體現了實用性和經濟性

輸液監測信息管理軟件系統的開發主要體現功能齊全、操作簡單、實用、方便的特點，提高了系統的成本效益。

4.2體現了操作的簡易性

堅持“以人為本”的指導思想來開發軟件，努力實現良好的界面，操作方便，性能良好，客戶滿意度等軟件系統。

4.3體現了實時性

該軟件使用了多線程，使操作員選擇的監視器，實現了從站和站數據同步，程序每六秒鐘更新一次滴速，而報警是即時提醒，如果有從站用戶報警，主站立即拉響了警報，給出一個醒目的報警。

結語

我們在系統的設計中使用的檢測技術和控制技術，自動監測輸液過程中要達到的目的，使用USB TO CAN適配卡，總線CAN信號采集和轉換到USB信號，信息會顯示在軟件界面通過用戶的操作，可以使主站通過的信號轉換適配器的交互數據。其主要特點是：當一個異常發生在輸液過程中或輸液接近尾聲時，系統能自動報警，實時顯示系統可以自動輸液控制輸液速度，系統是可以設置的點滴速度，特點采用分布式設計原則，實現了基于CAN總線的遠程監控輸液，脈沖調制技術的應用，使系統能夠提高抗干擾能力紅外線輸液管，多級齒輪減速，自動步進電機控制，定位精度該系統具有多個報警信號，系統是簡單的，可視化顯示的結果，具有高可靠性和穩定性的系統軟件。

輸液監控系統的發展趨勢是將向網絡化發展，而目前醫療技術的快速發展需要配套相應的醫療服務和設施，而作為最為常用的輸液醫療手段，輸液監控器材已經被越來越廣泛的使用。就目前為止，醫院的輸液觀察室和普通病房還基本上沒有這種設備的出現，因此，如果出現一種低成本的可以接收的輸液監控系統，它的前景應用將不可估量。

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