智能輸液監控系統設計

無錫職業技術學院 雍嘉鑫 陸偉

近年來，隨著我國物聯網技術的發展和應用，醫療設備越來越智能化。傳統的靜脈輸液主要是依靠人工控制和監視，需要耗費大量人力和時間。本文設計的智能輸液系統采用STC89C52單片機作為核心處理器，對是否有滴液、點滴速度進行實時監控。當檢測到異常情況，設備進行聲光報警，提醒患者或陪護人員，同時系統也會通過無線通信模塊將監控的數據上傳至上位機顯示報警信息，通知醫護人員及時進行處理，對輸液情況進行實時監控。

本設計采用上位機下位機架構，下位機采用STC89C52單片機為核心處理器，選用紅外對管等傳感器，對采集輸液過程中是否有滴液、點滴速度等關鍵參數進行合理預置，并實時監測采集這些關鍵參數，對采集的數據進行分析，判斷數據是否在預置的合理范圍內。同時通過無線通信接口，將信息及時傳輸到PC上位機并顯示，當所檢測參數出現異常時，上位機下位機同時報警，提醒患者和陪護人員注意，并提醒醫護人員輸液現場有異常情況需要處理。

1 系統總體組成

智能輸液監控系統（下位機）主要由STC89C52主控模塊、點滴信號檢測模塊、點滴速度測量模塊、顯示模塊、報警模塊、按鈕模塊、無線數據傳輸模塊等組成[1]。下位機系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統整體組成框圖Fig.1 Block diagram of overall composition of the system

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

本設計選用STC89C52單片機為核心控制元件。STC89 C52單片機低功耗，8位CPU，可編程Flash，主MCU的工作電壓一般設為5伏，工作頻率范圍為0～40MHz，通用I/O端口（32）復位，當用作總線擴展時，無需添加上拉電阻。本設計中，單片機起到控制作用，對按鍵輸入信息進行保存，對點滴信號檢測模塊和點滴速度檢測模塊的信息進行計算和對比后輸出信息控制聲光報警器和無線通信模塊。外接時鐘電路和復位電路，構成了一個52單片機的最小應用系統，單片機最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統Fig.2 Microcontroller minimum system

2.2 點滴信號檢測模塊

該模塊用于實時監測是否存在液滴。采用了紅外對管檢測電路，由紅外對管和LM393雙電壓比較器集成電路組成，如圖3所示。在沒有液滴的情況下，紅外發射管發射出來的紅外線大部分被紅外接收管接收到，使接收管電阻變小，接收管兩端的壓降也變小。當有藥液滴下時，接收管接收不到或者只能接收到很小一部分的紅外線，接收管電阻增大，相應接收管兩端壓降也增大。LM393的同相輸入端設置為基準電壓，當與紅外對管相連的反相輸入端的壓降大于正相輸入端的壓降時，LM393的輸出端輸出為低電平，這樣就實現了檢測是否有液滴滴下的功能。

圖3 點滴信號檢測電路Fig.3 Drip signal detection circuit

2.3 點滴速度測量模塊

該模塊主要包括了兩對紅外發射器和接收器，應用了紅外線發射與接收原理，發射器之間的距離L是已知的。在操作過程中，兩個發射器同時發射紅外輻射，當接收方第一次檢測到紅外線時，記錄時間t1，這次，當檢測到第二個紅外線時，記錄此時的時間t2，計算出兩次記錄間隔的時間差。由于時間差是液體的移動距離為L的時間，因此可以獲得液體的移動速度[2]。

根據需求設定好輸液滴數（20～99滴/分）和輸液總量，并在顯示模塊上顯示；點滴速度閾值設置要提前設置好，而且由相應的按鈕可以改變輸液速度的快慢以及控制輸液的啟停；當輸液速度處在較低低速時可以在顯示器上顯示出來，當速度超過閥值時，會自動報警。

2.4 按鈕模塊

按鈕模塊主要用于實現滴速閾值設置。采用獨立按鈕設計，將獨立按鈕直接連接到單片機的引腳，并將單片機引腳設置為相應的上升或下降沿操作模式。按此按鈕可將單片機轉移到相應的處理功能以執行。用SET鍵設置液滴速度閥值，對于不同藥物的滴液可以通過加鍵、減鍵加大或減小液滴速度閥值。

2.5 報警模塊

在發生異常情況時下位機系統會通過聲光報警形式進行報警，提醒醫護人員，報警電路如圖4所示。報警電路由蜂鳴器、發光二極管和晶體管構成的，單片機的P13口接入報警系統，采用NPN結構，其作用相當于開關。

圖4 聲光報警電路Fig.4 Acousto-optic alarm circuit

3 系統軟件設計

下機軟件程序開發以Windows10作為操作系統平臺，使用Keiluvision5集成開發環境完成開發，程序采用C語言編寫。程序流程圖如圖5所示。系統初始化后，通過按鍵模塊設置參數，首先檢測采樣是否有滴液，如果沒有滴液下位機直接報警，如果有滴液就檢測采樣滴速，如果滴速正常，則繼續檢測采樣，否則啟動聲光報警程序[3]，下位機程序。

圖5 下位機程序流程圖Fig.5 Program flow chart of lower computer

上位機程序流程圖如圖6所示，上位機程序用C++編程語言編寫。主要用來顯示下位機采集到的信息，特別是報警信息的顯示。

圖6 上位機程序流程圖Fig.6 Program flow chart of upper computer

4 結語

本文設計了一種基于STC89C52單片機的智能輸液監控系統，系統采用上位機和下位機的架構設計。下位機的功能是檢測是否有滴液并計算滴液速度，當檢測到跌落滴液速度異常時，可以自動實現聲光報警，上位機PC作為信息接收終端，通過無線通信模塊和下位機進行信息的實時傳輸。系統具有數據監控、信息傳輸以及異常情況報警等功能。該設計能夠減輕陪護家屬和醫務人員的負擔，具有較高的實用價值和應用前景。

引用

[1]肖瑋.液體點滴的無線智能監測系統設計與實現[D].北京:電子測量技術,2008:311-316.

[2]程劍鋒.接觸式液面檢測系統[D].山西:機械工程與自動化, 2009:243-253.

[3]葉東毅.C語言程序設計教程[M].福建:廈門大學出版社,2014: 157-161.