一種具有恒溫加熱功能的輸液控制報警器的設計

張薇薇

（西安郵電大學陜西西安710121）

目前，我國大多數醫療機構采用的靜脈輸液器，大部分都采用懸掛方式，即依靠重力原理進行輸液。遇到寒冷天氣，對于一些特殊病號，比如患有冠心病、高血壓、腦梗等的病人，如果輸入的液體較冷就會刺激血管，會出現血管痙攣、體溫升高、血壓升高等危險癥狀。過去，醫護人員和家屬通常采用的方法是在進針部位熱敷，但這會使藥液的溫度忽高忽低不穩定，對藥性的穩定性和療效有一定的負面影響，使用時極其不方便。輸液過程中，還需要根據病人的病情和藥物來選擇合適的輸液速度。輸液過程中，醫護人員必須定時進行巡視，造成了人力資源的浪費。

針對上述問題，設計出一種智能輸液控制報警器，該報警器在出現險情時發出警報的同時，還具有恒溫加熱的功能。有著很實際的意義，能夠有效阻止事故的發生，具有重要的推廣意義和較好的社會效益、經濟效益。

1 系統結構示意圖及功能簡介

系統以MSP430G2553芯片為控制核心，包括固定連接在輸液架上的藥液重量傳感器、藥液水浴加熱器和輸液控制報警器，藥液水浴加熱器包括套裝在輸液針管上的加熱水容器，加熱水容器的頂部設有加熱水添加口和金屬筒，金屬筒內設有溫度傳感器，加熱水容器內部設有加熱控制繼電器；輸液控制報警器包括微控制器模塊和電源模塊，溫度傳感器與微控制器模塊相接，微控制器模塊的輸入端接有按鍵操作電路模塊和信號調理電路模塊，微控制器模塊的輸出端接有液晶顯示電路模塊、加熱控制繼電器、蜂鳴器報警電路模塊和發光二極管報警電路模塊。如圖1所示。

圖1 恒溫加熱輸液報警器的結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of constant temperature heating function control alarm

本報警器可以實現多種功能，具體如下：

1）溫度控制功能，利用溫度傳感器進行溫度檢測，并通過設置上下限對溫度進行繼電器加電/斷電的溫度控制，并對當前溫度和繼電器狀態在數碼管上進行顯示。

2）流速控制功能，通過重力傳感器檢測藥液的變化量，根據此計算出藥液的流速。當出現跑針時，流速下降，驅動蜂鳴器報警；當藥液重量達到臨界值，即輸液即將完成時，蜂鳴器報警。

3）具有加溫功能：通過加熱吊瓶周圍的水環境從而實現間接加溫要求。

2 系統硬件設計

報警器的電路原理圖如2所示。通過操作按鍵操作電路模塊設置藥液重量閾值和加熱水溫度閾值，輸液過程中，溫度傳感器對加熱水溫度進行實時檢測并將所檢測到的信號實時輸出給微控制器模塊，微控制器模塊控制液晶顯示電路模塊對溫度傳感器檢測到的實時加熱水溫進行顯示，并將溫度傳感器檢測到的實時加熱水溫與加熱水溫度閾值相比對，當實時加熱水溫小于加熱水溫度閾值時，微控制器模塊控制加熱控制繼電器接通電源模塊為半導體加熱片供電的供電回路，半導體加熱片開始對加熱水容器內部的加熱水進行加熱，進而對流過輸液針管的輸液液體進行加熱后再輸給病人，避免了病人因輸液液體溫度過低而出現不適；同時，藥液重量傳感器對輸液瓶及其內部的藥液重量進行實時檢測，并將其檢測到的實時藥液重量經過信號調理電路模塊進行放大、濾波和A/D轉換處理后輸出給微控制器模塊，微控制器模塊控制液晶顯示電路模塊對藥液重量傳感器檢測到的實時藥液重量進行顯示，將藥液重量傳感器檢測到的實時藥液重量與藥液重量閾值相比對，當實時藥液重量小于藥液重量閾值時，說明輸液瓶內的藥液即將輸完，微控制器模塊控制蜂鳴器報警電路模塊發出聲音報警信號，并控制發光二極管報警電路模塊發出閃光報警信號，提醒醫護人員、病人或病人家屬及時采取相應措施。

圖2 恒溫加熱輸液報警器的電路原理框圖Fig.2 The circuit principle diagram of constant temperature heating function control alarm

2.1 溫度傳感器

本報警器的重點在于對水溫的采集和讀取。要求測溫的范圍在0～40℃之間，精度要求在0.5度左右。需要實時采集，實時讀取。采用溫度傳感器DS18B20進行測溫，DS18B20精度高，成本低，易于采集信號。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。為了盡量提高測溫精度及靈敏度，通過液晶顯示當前溫度，并根據既定的溫度上下限判斷當前溫度是否超限。若溫度低于下限，則將繼電器狀態設為開，即接通外部用電器；此時，溫度會逐漸升高，而當溫度升至上限，單片機則會使繼電器斷開，即關掉用電器。

通過DS18B20來讀取實際溫度。將所讀取的若干次溫度化為數據通入單片機程序中的PID算法。PID算法用于計算實測值與預定之間的差值，并根據計算結果控制單片機的下一步命令，決定繼電器的通斷。繼電器控制電路的通斷，從而達到加熱與停止加熱的目的。需要注意的是加熱水袋是典型的滯后系統，所以加熱到預定溫度之前就應該停止加熱。

2.2 加熱控制繼電器

本模塊設計是為了控制加溫系統的通斷，故采用5VDC—8A，250VAC繼電器。單片機I/O口輸出經JK觸發器擴流，經光耦隔離，再用ULN2003D驅動，并且使用LED指示繼電器的通斷。兩端子分別為220 V電壓輸入和輸出端。具體電路如圖3所示。

圖3 繼電器驅動電路Fig.3 The relay drive circuit

3 系統軟件設計

系統各模塊的初始化包括基礎時鐘模塊、MCU內部各功能模塊、定時器模塊，設置堆棧、I/O口配置，同時建立中斷向量表以及其他參數和變量的初始化等。滴速的設定可以按鍵也可以手動調節，如果沒有設定則認定為默認值。在啟動定時器時開始定時，允許單片機響應外部中斷的請求，也可響應內部定時器中斷的請求。程序流程圖如圖4所示。

在系統初始化完成以后，進入主循環。在主循環以中斷方式進行A/D采樣，采樣結束喚醒CPU，進行采樣結果讀取和數據處理過程。并等待定時器1 s定時中斷的到來，在定時中斷中，進行溫度比較并根據比較結果控制繼電器動作，然后，刷新數碼管顯示結果。其中，初始化程序主要對系統時鐘、ADC工作方式、定時器工作方式進行設定，對I/O口進行初始化，對液晶進行初始化并令其顯示初始字符并使能相關中斷。A/D采樣采用單通道單次采樣，每采樣10次取平均值，計算一次溫度值。采樣過程時單片機進入低功耗休眠狀態，在ADC中斷中喚醒CPU。定時器設置為定時1 s中斷一次，在中斷中刷新數碼管顯示，并根據當前溫度值控制繼電器動作。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

4 結論

能夠對輸液液體進行加熱使輸液液體恒溫輸給病人，避免了病人因輸液液體溫度過低而出現不適；還能夠對藥液重量進行實時檢測，并在輸液瓶內的藥液即將輸完時，發出報警信號提醒醫護人員、病人或病人家屬及時采取相應措施，輸液過程中醫護人員不再需要進行不定時巡視，節約了人力資源，避免了藥液輸完沒有及時發現造成的醫療事故的發生。使用時與輸液瓶內藥液無任何接觸，無污染，使用安全性高。其結構簡單，設計合理，實現方便且成本低，使用操作便捷，功能完備，工作可靠性高，使用安全性高，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

[1] 賈少青，李愛華，陳平.智能輸液監控系統設計與實現[J].山東理工大學學報:自然科學版，2007，21（4）:66-68 JIA Shao-qing，LI Ai-hua，CHEN Ping.The design and realization of intelligent transfusion monitor system[J].Journal of Shandong University of Technology:Science and Technology，2007，21（4）:66-68.

[2] 袁境男.紅外傳感器測量液位報警裝置的設計[J].現代電子技術，2011，34（13）:130-135 YUAN Jing-nan.The design of the infrared sensor to measure liquid level alarm device[J].Modern Electronic Technology，2011，34（13）:130-135.

[3] 姚運萍，張育斌，陳宇，等.基于單片機的智能輸液裝置控制系統[J].陜西科技大學學報，2010，4（28）:83-86.YAO Yun-ping，ZHANG Yu-xian，CHEN Yu，et al.Intrllgent infusion device control system based on chip microcomputer[J].Journal of Shaanxi University of Science&Technology，2010，4（28）:83-86.

[4] 李文靜.靜脈輸液報警裝置中液位信號的檢測原理[J].電子設計工程，2013，21（15）:102-104.LI Wen-jing.Intravenous infusion alarm device level signal detection principle[J].Electronic Design Engineering，2013，21（15）:102-104.

[5] 張志艷，楊小亮.輸液速度自動控制系統的設計[J].自動化與儀表，2009（11）:53-56.ZHANG Zhi-yan，YANG Xiao-liang.Design of the automatic control system for transfusion in the therapy[J].Automation&Instrumentation，2009（11）:53-56.

[6] 張中華，譚婷，陳明蘭，等.對輸液瓶液位監控報警系統的研究[J].科技信息，2011（31）:79-81.ZHANG Zhong-hua，TAN Ting，CHEN Ming-lan，et al.Study of infusion bottle liquid level monitoring alarm system[J].Journal of Information Science and Technology，2011（31）:79-81.