智能點滴控制系統的設計與實現

張偉光 高宏偉

【摘要】靜脈輸液監測對保障病人輸液安全意義重大。本文設計了一種基于單片機的智能點滴病房呼叫系統，采用單片機作為主控制器，由紅外發射和接收管檢測液滴，并用動態掃描法實現LED數字顯示。由電子稱重傳感器監測液面的變化，然后由高精度稱重傳感器 HX711將重力值轉換成電壓，傳送到單片機處理報警。實驗證明本系統集聲、光、數顯示為一體，可以對病人的輸液情況進行實時有效的監測報警，避免醫療事故的發生。

【關鍵詞】智能點滴;紅外發射和接收;稱重傳感器

Abstract：Venous infusion monitoring is of great significance to protect the patient transfusion safety.An intelligent drip control system based on single chip microcomputer is proposed in this paper，which uses MCU as the main controller，transmits and receives tubes droplet by infrared，and uses dynamic scanning method to achieve LED digital display.The electronic weighing sensor is applied to monitor the liquid level changes，then the gravity value is converted to a voltage by high-precision weighing sensor HX711，and is transmitted to the microcontroller for alarm.The experiment results show that the system set sound，light，digital display as a whole system，it can infusion on patients of alarm monitoring real-time effectively and prevent the occurrence of medical accidents.

Key words：Intelligent drip;Infrared transmitting and receiving;Weighing sensor

1.引言

靜脈輸液是臨床醫療工作中最常用的、最有效的重要治療手段。在輸液治療過程中，每年都有一部分患者因輸液出現事故：病輕患者因病輕思想麻痹大意或重病患者因輸液組數多，陪護人員過于疲勞等原因而出現不能及時換藥或拔針頭，空氣進入血管內形成空氣栓塞、凝血堵針頭的情況，造成醫療事故及后續糾紛。目前國內大多數醫院中所使用的靜脈輸液器，大都采用懸掛方式，即依靠重力原理進行輸液，并且整個輸液過程中醫護人員必須不定時地進行巡視，浪費了人力資源。在醫療高峰期，還會出現輸液結束，而醫護人員沒有及時發現未進行處理的情況，這種狀況會造成不同程度的醫療事故，給病人和醫院雙方帶來了不必要的麻煩。本文論述了開發的一個智能點滴控制系統。由于輸液往往需要很長時間，而護士不能總陪伴在病人左右，該系統能夠通過智能化監控，當有問題時自動報警來幫助護士看護病房的病人。

2.系統構成與硬件設計

2.1 系統的整體結構

本系統采用單片機STC12C5A60S2[1]作為主控制器，病房呼叫時，按鍵傳到單片機，由單片機控制一位數碼管的顯示。由紅外發射和接收管檢測液滴，然后接收到的信號經一級施密特觸發器傳送到單片機的中斷口，并用動態掃描法實現LED數字顯示[2]，據此就可以探測出液滴的計數;由電子稱重傳感器監測液面的變化，然后由 HX711[3]專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片將重力值轉換成電壓，傳送到單片機處理，實現報警來提醒護士。本系統實現了病房呼叫、點滴計數、監測液面的三種功能，但由于有稱重傳感器和紅外對管，所以環境因素的影響會存在些許誤差。本系統的系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.2 紅外液滴檢測模塊

紅外液滴檢測模塊由紅外線接收管（紅外收發管）[4]構成，它是將紅外線光信號變成電信號的半導體器件，它的核心部件是一個特殊材料的PN結，無液滴落下時，接收管與發射管正對，接收管接收到的光強較強，有液滴滴下時，下落中的水滴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，接收管在接受和不接受紅外線時電阻發生明顯的變化，紅外信號經接收管解調后，數據“0”和“1”的區別通常體現在高低電平的時間長短或信號周期上，利用外圍電路可以輸出產生明顯的高低電平的變化，接收管接收到的信號經一級施密特觸發器，送單片機的中斷口，據此就可以正確的探測出液滴的滴落，實現智能控制。同時也解決了因液體透明而使得發射不明顯的問題。紅外液滴檢測模塊電路圖如圖2所示。

圖2 檢測液滴電路圖

2.3 液面監測模塊

液面監測模塊由稱重傳感器測得液面，得到的是一個重量值，然后將重量值傳到24位A/D 轉換器芯片HX711中進行處理，將其轉換成電壓值，再傳到單片機中由單片機進行整體控制是否報警。本系統采用的平行梁式稱重傳感器采用連接圖如圖3所示。

圖3 連接圖

其中，HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A或通道B，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV或±40mV。通道B則為固定的32增益，用于系統參數檢測。

2.4 數碼管顯示模塊

本系統中應模塊用了一位和四位一體的數碼管。一位數碼管顯示很簡單，由單片機控制直接采用靜態顯示。而四位一體則采用動態方式。

動態顯示驅動：數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低[5]。

LED7-4共陰極數碼管的使用條件：

（1）段及小數點上加限流電阻

（2）使用電壓

段：根據發光顏色決定;

小數點：根據發光顏色決定

（3）使用電流

靜態：總電流 80mA（每段 10mA）

動態：平均電流 4-5mA ;峰值電流 100mA

數碼管管腳圖4和數碼管顯示原理圖5如圖4所示。

圖4 數碼管管腳圖

圖5 數碼管顯示原理圖

3.系統軟件設計

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統[6]，與匯編相比，C語言在功能、結構性、可讀性、可維護性等方面都有明顯的優勢。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。C51工具包的整體結構，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發環境（IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。

本系統的開發環境采用了基于Windows的Uvision2 ide開發平臺，其包含（下轉第173頁）（上接第171頁）1個高效的編輯器、1個項目管理器和1個make工具。Uvision2支持Keilc51工具，包括C編輯器、宏編輯器、連接/定位器、目標代碼到hex的轉換器。為提高系統的實時性和系統的可擴展性，本系統軟件使用了Keil C51操作系統。

圖6 主程序流程圖

系統的軟件程序主要包括外部中斷程序，數碼管顯示程序，HX711程序設計。其中中主函數含有初始化程序，分別調用稱重傳感器檢測液面，紅外收發管監測輸液滴數，將采集到的數據傳到AD轉換器HX711中進行數據轉換，調用顯示程序將輸液數據實時顯示。采集到液面數據后將數據與設定液面閾值比較，當超過閾值時響應外部中斷調用蜂鳴器報警。同時在正常輸液階段，系統處于等待按鍵狀態，當有按鍵按下時進行報警。系統以此完成整個系統的運行。主程序流程圖如6所示。

4.實驗結果

本設計最終能夠實現病房呼叫、液滴計數、液面監測這三種功能：

1）病房呼叫的測試結果：當某一病房病人按下按鈕，則在醫務處會報警提醒并顯示相應的病房號。圖7為1病房的病人呼叫醫護。

圖7 病房1呼叫和報警界面 ? ? ? ? ? 圖8 液滴計數界面

圖9 液位報警界面

2）液滴計數的測試結果：當病人開始輸液時，則在醫務處會顯示液滴的滴數，護士可以根據計數頻率來判斷滴速的快慢，來做相應的處理。圖8為某病房病人輸液的檢測結果。

3）液面監測的測試結果：病人在輸液過程中，當藥液所剩不多時，即滴至某一固定液面時，醫務處警鈴會報警提醒護士病人即將輸液完畢，護士做好醫護工作。圖9是液滴滴到某液位報警的測試結果。

5.結語

靜脈輸液是現在醫院中常用的輸液方式，為解決輸液給病人及醫護人員帶來的麻煩，智能點滴控制病房呼叫系統能夠很好的解決問題，因此，本系統有很好的應用前景。智能點滴控制系統可以實現點滴控制并報警的功能，實現了液面監測及液滴計數，最后顯示數碼管顯示病房號以及報警通知護士，由于有稱重傳感器和紅外對管，所以環境因素的影響會存在些許誤差，所以還需要做進一步的完善和提高。

參考文獻

[1]宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械，2010.6.vol（31）：220-221.

[2]朱士虎，何培忠，王立巍.基于AT89S52超聲波測距儀設計[J].儀表技術，2009（6）：22-24

[3]樊毅，秦會斌.基于STM32的高精度電子天平[J].機電工程，2013.1.vol（30）：52-59

[4]高華磊，遲雨杰，張少飛，斐文龍.多功能智能車的論證與設計[J].中國科技信息，2012（11）：141-142

[5]江力.單片機原理[M].清華大學出版社，2006：21-150.

[6]田立，田清，等.51單片機C語言程序設計快速入門[M].人民郵電出版社，2007：242-260.