醫院護士站輸液監控系統設計與實現

岳秀明 王紅 左振永

摘 要：為了解決醫院或小型診所中輸液問題，采用STC89C51單片機作為核心模塊，通過按鍵設定輸液速度，監測無液滴滴下或者輸液速度異常，進行聲光報警，并通過步進電機驅動對輸液速度的調整，不用人看護就能安全地完成輸液過程。在輸液過程中如果有情況能及時報警并停止輸液，有效的節省了人力、物力、財力。

關鍵詞：單片機;傳感器;步進電機;滴速

緒論

目前醫患比例失調，醫護人員也無法滿足所有患者輸液過程的陪同，輸液過程中要時刻監查液滴滴速。如果病人在輸液的過程當中有其他的需要，例如走動等情況的發生，很可能會造成輸液速度的異常。設計出能夠顯示實時滴速并且當滴速高于或低于設定值以及監測到無液滴滴下時發出聲光報警信號的輸液監控系統，可以幫助患者監控輸液過程，解決了患者輸液時無法休息的問題。

一、系統總體設計

本系統是由護士站、病床以及病床和護士站之間的數據通信三大部分組成。其系統結構框圖如下圖1所示。

二、系統的硬件設計

（一）主控單元

本系統主要是采用STC89C51單片機作為主控芯片來進行數據的接收和處理。此款單片機是一個內部擴展到了8k字節集成可編程功能flash的新一代MCU。同時外部擴展了更多的通用IO口，雖然它也是搭載51內核單片機，但是整體的結構和功能相比較傳統的51單片機做了許多的改進，為相當一部分工控領域難題提供了解決方案。因此此款單片機可以選用為本設計的主控芯片。

（二）點滴監測單元

本系統主要采用的是對射式紅外傳感器。發射器通過信號調制電路，發射出紅外線。紅外線的接收過程是將載波控制信號通過光學濾波器后轉化成電信號。由于信號轉化十分微弱，因此需要能量放大電路將信號放大之后進行信號甄別。經過信號放大之后，傳感器采集到了載有不同信息的電壓，通過電壓比較器轉換成高低電平傳給單片機[1]。單片機根據高低電平的輸入信號頻率，通過一定的算法來計算液滴的滴速。

紅外線傳感器發射端和接收端中都用到了LM393芯片，LM393芯片為電壓比較器，它的原理是將紅外接收管的電壓信號和自己設置的閾值進行比對，從而輸出高低電平，高低電平用于單片機判斷輸液此時處于哪個狀態。

（三）聲光報警單元

報警系統比較簡單通過一個三極管控制蜂鳴器的通斷，其實蜂鳴器還有很多種的鳴叫方式，以便更能引起人們注意，可以通過軟件編碼實現，這里主要進行討論硬件的電路設計。三極管的知識在這里得到充分應用，其實這里還可以使用MOS管來進行替換。本設計直接在PNP三極管的發射極端口接上蜂鳴器，基極端串聯電阻接單片機引腳，單片機通過控制信號中斷來操控蜂鳴器，控制簡單方便[2]。

（四）滴速顯示單元

為了能夠實時顯示液滴滴落速度，顯示系統外接了一個數碼管用于可視化。本設計采用數碼管進行設計，可以清晰的顯示當前值，并且節省能耗。數碼管還可以工作在寬電壓下，支持3.3V以及5V供電模式。數碼管模塊需要注意的是單片機的引腳只有P1是上拉模式，其他都是不帶上拉電阻的[3]。另外單片機的最大拉電流和灌電流也需要考慮在內，防止導致系統不穩定或者過早損害。

（五）步進電機控制單元

當系統判斷輸液結束時，通過發送控制指令，調整步進電機轉角，從而加緊輸液管路結束輸液。本設計的執行結構通過單片機發送對應的脈沖指令控制電機轉動對應轉角，此次設計采用42BY015型步進電機，采用ULN2003芯片構成了一個完整的步進電機驅動電路執行機構。

（六）無線通信單元

本設計采用了無線通信的方式來進行數據的傳輸。315M無線傳輸模塊適合短距離傳輸，受外界干擾小。為了降低成本同時縮短開發周期，采用315M無線傳輸模塊，將輸液主站和從站串聯起來，保證數據傳輸的安全穩定性。315M無線傳輸模塊分為發射模塊和接收模塊。整個模塊主要采用了SC2262以及SC2272M4芯片作為無線傳輸的主要芯片。這兩塊芯片成對配合使用，分工明確。SC2262作為發射芯片，主要是用于將信號調試完成之后進行發射。它是一款將載波振蕩器、發射單元、以及其附屬電路集成于一身的集成電路。接收端SC2272芯片檢測到當前地址與發射芯片的地址一致時，便可接收數據。

三、系統的軟件設計

本系統采用51MCU系列作為核心功能模塊，核心模塊用于信息的處理。因此在軟件代碼的開發上選擇了兼容51系列MCU的C語言軟件開發的環境KEIL uVision4。主程序設計流程主要是定時器初始化，調用顯示子函數，顯示滴速。調用計算函數，根據單片機對信號的處理，判斷出有沒有液滴的信號，如果有液滴信號，利用液滴計算法計算出實時滴速，在數碼管上顯示出當前的滴速值，如果沒有液滴信號，結束該程序。

四、系統測試

系統軟硬件實現后，將對系統的進行測試，測試是否實現相應的功能，驗證系統設計的正確性和合理性。在經過系統靜態測試沒有發現錯誤后，進行整個系統的測試，將系統連接電源，開始模擬輸液情景，當滴速低于或高于設定值以及檢測到回血時，10秒內會觸發報警，數碼管上將會顯示橫線，蜂鳴器和LED燈光同時響應，步進電機旋轉九十度夾死輸液管。

五、總結

本文設計的是醫院護士站智能輸液監控系統，它是基于STC89C51單片機進行設計與實現的。使用紅外對管采集輸液信息，然后傳輸給單片機，單片機分析和處理采集到的數據信息，然后對比當前滴速和按鍵設定的滴速，如果當前滴速和設定滴速不相同，將會觸發聲光報警單元，護士站和病床同時進行聲光報警。本系統用信息化手段實現了護理信息規范化，護理工作量精準化等。

參考文獻：

[1]王海，王建衛，周熠，熊天潤.基于單片機STC89C51輸液監控裝置報警系統的設計[J].電子制作，2016（23）：20+22.

[2]朱越，姚松麗，陸欣輝，楊天豪，林一凡，朱曉晨.基于單片機的無人值守輸液監控系統軟件設計[J].產業與科技論壇，2018，17（14）：70-71.

[3]上官光華.高精度輸液監控系統設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2015.

[4]韓曉光.智能輸液監控系統[D].寧波大學，2017.

[5]孫海微.無人監守輸液自動監控系統[D].長春：吉林大學，2018.