智能監控靜脈輸液系統的應用研究

摘要：靜脈輸液是一種醫療護理中常見且重要的臨床診療手段，因其可以達到快速治療效果被廣泛使用[1]。但目前醫院在進行輸液治療時普遍采用人工監護的傳統方式，依靠陪護或護士進行人工觀察，在輸液過程中，醫務人員一般使用手動調節流量調節器來控制輸液速度，藥液溫度受周圍環境影響嚴重，對于輸液的速度和溫度無法精確控制[2]，從而導致患者的治療效果得不到保障。因此，為了克服在輸液時由患者、陪護或醫護人員無法及時觀察藥液余量、耗費人力以及輸液效果低的弊端，本研究研制了一套智能輸液監控系統。該系統采用集合光電檢測技術與單片機控制技術，由液面檢測模塊、按鍵控制模塊、溫度檢測模塊、流速檢測模塊、LCD顯示模塊、報警模塊、流速控制模塊以及液體加熱驅動模塊等模塊構成硬件電路。該系統能夠實現對輸液過程的自動監控，保障了病人的治療效果的同時，減輕了醫務人員的工作量。

關鍵詞：靜脈輸液;單片機;紅外傳感器;自動控制;監控

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0105-02

1 前言

靜脈輸液是一種重要的臨床治療方法，主要通過向靜脈輸入藥液進行康復治療[2]。然而，在病人的治療過程中，主要是依靠家庭成員和護士協同照顧與治療，護士須頻繁巡查、工作效率低。由于靜脈輸液是把藥物直接送到靜脈內，輸液速度的快慢對治療效果影響很大，當輸液流速過快時，可能會導致血管脹大，患者感到疼痛。當輸液過慢時，在相同的治療效果下，浪費了多余的時間。尤其在冬天時，氣溫低下，藥物長期室內放置，導致其溫度低于人體溫度，當把藥物直接輸送進血液后，會造成身體局部偏冷等不良反應，無法發揮最佳藥效。另外，在輸液過程中，會遇到滴速異常、堵針、藥液滴完未拔針等情況，若未及時處理，不僅會影響預期治療效果，甚至會危及病人生命[3]。在當代的醫療監護中，靠人為監護的傳統方式已經不能滿足信息化、多元化的監護需求。所以設計一款可以實現智能輸液監測的系統是很有必要的。

本文針對人工監測輸液過程存在的各種隱患，提出了一套智能輸液監控系統，利用光電式檢測技術與STC89C52單片機控制技術相結合進行實現。該系統不僅可以同時實現控制輸液速度、提醒護士及時更換藥液、對低溫藥液加熱等功能，還可以減輕醫護人員的工作強度，同時保障了病人的輸液效果。

2 整體的設計方案

本設計采用光電技術與STC89C52單片機控制技術來實現，以STC89C52單片機為主控單元進行信號的控制與分析，設計原理方框圖如圖1所示。

本系統通過流速檢測模塊檢測流速，在LCD顯示模塊顯示實時流速，系統通過按鍵控制模塊設定了流速的上下限值，當系統檢測到流速不在設定流速上下值之間時，啟動流速控制模塊，控制步進電機正轉和反轉，進而拉動連接輸液瓶的導線來調整輸液瓶高低，實現控制點滴流速。通過液面檢測模塊檢測液面，當液面低于設定液面位置時，報警模塊啟動發出聲光報警。當溫度檢測模塊檢測到藥液溫度過低時，加熱驅動模塊自動打開對藥液進行加熱，并且可以通過按鍵模塊手動開關加熱裝置。最終，實現對靜脈輸液的智能控制。

3 系統硬件設計與實現

3.1 主控單元

本設計系統主以芯片STC89C52為主控單元，STC89C52單片機是功能強大、性能好、性價比高、穩定性好的芯片。本模塊是設計的主控制單元，用來接收與處理信號，給各個模塊下達指令信號使其達到想要的功能。

3.2 流速檢測模塊

本模塊由一對紅外對管、LM393電壓比較器、LED1、若干電阻組成。通過LM393電壓比較器的引腳1與單片機STC89C52的引腳P33相連。依據紅外線在藥液中會發生折射，當藥液滴下時，紅外接受管接收不到紅外線就會截止。當藥液滴過時，紅外接受管接收到紅外線而導通。此模塊采用了一對紅外對管，紅外接收管有兩個端口，一端與GND連接，另外的一端與LM393電壓比較器的IN+引腳連接，當液滴滴下時紅外接收管截止，LM393電壓比較器的IN+處電壓小于IN-電壓，OUT輸出低電平“0” [4]。反之，沒有液滴落下時，OUT輸出端輸出高電平“1”。當流速過快時LM393電壓比較器輸出端的高低電平變化頻率加快，LED1的閃爍頻率也會加快。同理，當流速過慢時高低電平交換頻率變慢，LED1的閃爍頻率變慢。單片機通過LM393電壓比較器通過輸出高低電平變化快慢來計算液體流速。可以通過觀察LED1閃爍頻率快慢來判斷流速快慢。該模塊在本系統中是實現滴速檢測的功能。

3.3 流速控制模塊

本模塊采用ULN2003步進電機來進行流速的控制，ULN2003步進電機的引腳1、引腳2、引腳3、引腳4分別與單片機STC89C52的引腳IN1、引腳IN2、引腳IN3、引腳IN4相連接。單片機控制ULN2003步進電機的驅動模式為四相八拍驅動邏輯模式。如果P2.1端口至111000001，P2.2端口至000011111，P2.3端口至100000111，P2.4端口至001110000時，步進電動機正轉，反之反轉。

根據資料顯示，適合人體的輸液速度為40-60滴每分鐘[5]。在系統模塊中，以十秒為單位計算流速的范圍為8-10滴每十秒。當流速檢測模塊檢測液體滴落速度超過10滴每十秒時，此時單片機的P2.1端口至111000001，P2.2端口至000011111，P2.3端口至100000111，P2.4端口至001110000，從而控制電機正轉，降低輸液瓶高度，調節滴速變慢到正常速度;同理當流速檢測模塊檢測液體滴落速度低于8滴每十秒時，此時單片機的P2.1到 P2.4端口輸入相反指令，從而控制電機反轉，提高輸液瓶高度，使滴速加快到正常速度。本模塊起到對流速控制的作用。

3.4 液面檢測模塊

本模塊由一對紅外對管，LM393電壓比較器，LED2以及若干電阻組成。通過LM393電壓比較器的引腳1與單片機STC89C52的引腳P32相連。本模塊采用一對紅外對管來實現液面檢測，其原理和流速檢測模塊一樣。系統采用了一對紅外對管，紅外接收管的兩個端口，一端與GND連接，另外的一端與LM393電壓比較器的IN+引腳相連，當液面處于距點滴瓶底部4CM以上時紅外接收管不導通，LM393電壓比較器的IN+處電壓小于IN-電壓，OUT輸出低電平“0”，這時LED2就會亮。反之液面處于警戒線以下時，OUT輸出端輸出高電平“1”， LED2就會滅。通過LED2的亮滅可以得知液面是否到達警戒線。該模塊在本系統的作用是檢測警戒液面。

3.5 溫度檢測模塊

在自動輸液監控系統的設計中，需要對輸液進行溫度的檢測，故加入一個溫度傳感器。溫度檢測模塊由一個10K電阻和DS18B20溫度傳感模塊組成。DS18B20溫度傳感器的2引腳與單片機STC89C52的引腳P22連接。DS18B20溫度傳感測溫產生固定頻率的脈沖信號傳送給計數器對其計算，最后傳到溫度寄存器的數值就是所測溫度。

DS18B20溫度傳感器內部通過讀溫度、寫溫度、溫度存儲轉換操作程序來完成溫度的檢測，從I＼O口向單片機傳送溫度信號。DS18B20溫度傳感器的2引腳與單片機STC89C52的引腳P22連接，將采集到的溫度信號傳送給單片機，傳輸信號為數字信號無須A＼D轉換，通過顯示屏顯示檢測到的溫度。同時接一個10k的R18上拉電阻，保證傳感器在高電平時能完成正常的輸入輸出。這個模塊主要作用就是檢測液體的實時溫度。

3.6 液體加熱驅動模塊

本模塊由繼電器Kj1、兩個電阻R9，R10、一個LED3和一個三極管Q2組成。將加熱模塊的引腳2與單片機STC89C52的引腳P14相連。在本模塊中，為解決加熱片在啟動時需要的電流高，導致整體電壓變低，影響到單片機和其他模塊的正常供電的問題，在這個系統里加入了繼電器，用來控制加熱片的控制電路[6]。三極管Q2的作用是控制繼電器工作。當液體加熱時LED3就會亮起。

單片機通過控制三級管的導通而控制繼電器，當溫度檢測模塊檢測到液體溫度低于10℃時，單片機的P14端口將呈現低電平，三極管會導通，使LED3點亮，繼電器閉合，從而驅動加熱片進行加熱工作;當溫度檢測模塊檢測到液體溫度高于10℃時，單片機的P14端口將呈現高電平，三極管會截止，使LED3熄滅，繼電器打開，從而加熱片停止加熱工作。工作期間，可以通過觀察LED3的亮滅來判斷是否加熱。該模塊在本系統的作用是驅動加熱片工作。

3.7 LCD顯示模塊

本設計采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602液晶顯示屏是由若干個5×7或5×11等點陣字符位組成，其中的每個點陣字符位都能實現顯示一個字符。LCD1602液晶顯示屏上的4、5、6引腳分別是RS、RW和RN，與單片機的P1.0、P1.1、P1.2 I＼O口一一對應相連。剩下7引腳至14引腳，分別與單片機的P0.0至P0.7共 8個I＼O口一一對應相連。單片機的P0.0至P0.7端口是向LCD1602液晶顯示屏輸入數據的I＼O口。其中RS為寄存器選擇，接通高電平選擇數據寄存器，接通低電平選擇指令寄存器。RW為讀寫操作，高電平時進行讀操作，低電平進行寫操作。EN為使能端，顯示屏可以執行命令的前提是EN引腳處于低電平。該模塊在本系統的作用是顯示信息。

3.8 報警模塊

報警模塊由LED4、蜂鳴器LS1、兩個電阻R7，R8和一個三極管Q1組成，報警模塊與單片機STC89C52的引腳P13連接。因為STC89C52單片機的I/O口不能直接驅動蜂鳴器，所以加入了PNP型三極管 。當液面處于距點滴瓶4CM下面時，液面檢測模塊的LM393電壓比較器OUT端輸出高電平信號給單片機，此時單片機發出指令讓三極管導通，這時蜂鳴器的正極便會變成高電平，蜂鳴器就會報警，LED4亮起。反之報警模塊不會工作，LED4熄滅。該模塊對于液面低于警戒時進行報警提醒病人和醫護人員。

3.9 按鍵控制模塊

在本次設計中，只需要設置一下流速的上下限值與最低溫度值，使用的按鍵數量不多。按鍵模塊設置了4個按鍵分別是K1、K2、K3、K4，分別與單片機STC89C52的引腳P34、引腳P35、引腳P36、引腳P37相連接。其中K1按鍵起到減的作用，K2按鍵起到加的作用，而K3按鍵則是主菜單按鍵，可以打開控制最低溫度和滴速的上下限臨界值的界面。K4按鍵是控制加熱的手動開關。通過這4個按鍵就可以實現對滴速臨界值的上下限，菜單，溫度下限值，加熱等的設置。

4 系統軟件設計與實現

系統軟件設計的主程序部分首先對將單片機的各個模塊進行初始化，對顯示部分，按鍵部分，蜂鳴器部分進行相應的邏輯設計，具體主程序流程圖如圖2所示。

5 結論

本設計系統可以對靜脈輸液過程中的藥物滴速以及溫度實現實時檢測與調整，并可通過顯示器進行實時顯示，讓病人在輸液時能實時掌握動態，保障治療效果。與此同時，本系統的設計對滴液界面具有自動檢測功能，一旦檢測到輸液界面低于設置的最低界面時，將會自動報警及時提醒護士進行處理。因此，本系統可以讓護士實時地了解病人的輸液狀態，減輕護士人員的工作強度，同時也保障了病人的輸液效果，能實現輸液信息的數字網絡化管理。

參考文獻：

[1] 孫亮.基于電力線通信技術的病房輸液監控系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2021.

[2] 鐘朵莉.醫院輸液監控系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[3] 阮太元.醫院病房靜脈輸液監測系統[J].電子技術與軟件工程，2017（14）：43.

[4] 江勇.基于光電傳感器的輸液報警監控系統的研究[J].醫療裝備，2010，23（12）：9-11.

[5] 陳宇，王璽.基于光電技術智能輸液監控系統設計[J].核電子學與探測技術，2009，29（5）：1149-1154.

[6] 付蓉，方安安，盧宗武，等.一種基于輸液速度與溫度實時監控的輸液監護儀設計[J].科學技術與工程，2015，15（15）：183-188.

收稿日期：2021-10-08

基金項目：2019年湖南人文科技學院校級青年項目（項目編號：2019QN09）

作者簡介：蔡蓉（1988—） ，女，湖南益陽人，講師，碩士，主要研究方向為電子信息類教學。