基于單片機(jī)的點(diǎn)滴自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精要

1、基于單片機(jī)的點(diǎn)滴自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：靜脈滴注是臨床醫(yī)學(xué)中十分常見的一種醫(yī)療手段，在傳統(tǒng)輸液方式下，液體點(diǎn)滴裝置需要由專人看護(hù)、手動(dòng)調(diào)整和操作，對(duì)于病人而言有一定的心理負(fù)擔(dān)，對(duì)于醫(yī)護(hù)工作者也存在勞動(dòng)負(fù)荷較大的問題，在大型醫(yī)院患者數(shù)量較高時(shí)這一問題更為嚴(yán)重。而自動(dòng)靜脈滴注系統(tǒng)的應(yīng)用恰恰能解決這一問題，但考慮到完全的智能化點(diǎn)滴控制系統(tǒng)應(yīng)用本錢較高，因此大多數(shù)醫(yī)院在住院區(qū)患者輸液中都更傾向于使用本錢相對(duì)較低的點(diǎn)滴報(bào)警系統(tǒng)，同樣可以到達(dá)減輕醫(yī)護(hù)工作者的工作負(fù)荷的效果。由此，本文提出了基于單片機(jī)STC89C52的點(diǎn)滴自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)患者進(jìn)行輸液的滴速監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警等，能夠有效解決人工監(jiān)護(hù)

2、工作量較高、效率較低的問題。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；點(diǎn)滴；自動(dòng)報(bào)警；設(shè)計(jì)與測(cè)試Abstract: intravenous drip is very common in clinical medicine is a medical method, under the traditional infusion method, liquid drop device needs care, manual adjustment and operation, there is a certain psychological burden for patients, the medical workers are

3、working load of the larger problem, in a large number of hospital patients is higher when the problem is more automatic application of intravenous drip system just can solve this problem, but consider the complete intelligent drip control system application cost is higher, so in most hospital infusi

4、on in hospitalized patients were more inclined to use relatively low cost drip alarm system, and can also reduce the workload of medical a result, this paper presents a bit automatic alarm system based on single chip microcomputer (STC89C52), the system can achieve the dripping speed of patients in

5、infusion monitoring, abnormal alarm, etc., can effectively solve the problem of artificial monitoring workload, low efficiency, high.Keywords: Single chip microcomputer;Intravenous drip;Automatic and testing一、智能化點(diǎn)滴系統(tǒng)研究綜述一智能化點(diǎn)滴控制系統(tǒng)研究與開展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)智能輸液系統(tǒng)的研究起步較晚，直到 20 世紀(jì) 80年代后期，國(guó)內(nèi)才開始從事智能輸液監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)品的研發(fā)。于向英等利用彈簧變

6、形和輸液瓶質(zhì)量變化的原理研制出一種醫(yī)用輸液報(bào)警器，但該設(shè)備誤差較大，每次使用前需根據(jù)輸液容器進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整，彈簧移動(dòng)易產(chǎn)生疲勞，使用和維護(hù)非常不便；趙金農(nóng)等設(shè)計(jì)了一種微型激光輸液報(bào)警器，利用激光多普勒原理檢測(cè)流速，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液過程中異常情況的報(bào)警，但是該儀器靈敏度較低，容易產(chǎn)生誤差；李長(zhǎng)勝等利用光纖發(fā)出的光束在液面處發(fā)生全內(nèi)反射的原理， 研制了一種輸液結(jié)束自動(dòng)報(bào)警裝置，該裝置本錢低且易于網(wǎng)絡(luò)化，但是不便于安裝，穩(wěn)定性差；張愛華等將電容式液位傳感器用于輸液液位的非接觸檢測(cè)，其受吸附水作用和液位下降速度的影響較大，且不易操作；李云勝利用 MSComm 通信控件和 VC+語言編程，設(shè)計(jì)了一套可視化輸液實(shí)

7、時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)界面直觀，操作簡(jiǎn)單，提高了醫(yī)院的管理水平和工作效率。國(guó)內(nèi)對(duì)智能輸液系統(tǒng)研制較早的廠家有北京科力建元公司和浙江史密斯醫(yī)學(xué)儀器公司，前者研制了 ZNB 系列輸液泵，后者研制 WZ 系列注射泵，但是都存在輸液精度不高、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格高等弊端。由于一味地模仿和借鑒國(guó)外的成熟產(chǎn)品， 不愿投入人力物力去研發(fā)，如今國(guó)內(nèi)的醫(yī)療輸液監(jiān)控設(shè)備技術(shù)相對(duì)落后，功能單一，精度和靈敏度不穩(wěn)定，可靠性不高，自動(dòng)化及智能化程度較低，設(shè)備性能達(dá)不到實(shí)際需要，因此未能在各級(jí)醫(yī)院廣泛使用。智能輸液系統(tǒng)在國(guó)外的開發(fā)與應(yīng)用起步較早， 經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究，技術(shù)已經(jīng)比擬成熟，臨床輸液監(jiān)控根本實(shí)行智能化，智能輸液系統(tǒng)在

8、醫(yī)院的使用十分普遍。 臨床使用較多、性能較好的有德國(guó)貝朗公司的 Perfusor Compact 系列注射泵，其控制精度可達(dá) 2%，以及 Infusomat fmS 系列輸液泵，使用比擬廣泛。另外，美國(guó)百特公司的便攜式輸液泵和彈性輸液泵，日本 JMS 株式會(huì)社的 OT 系列輸液泵，以色列凱撒公司的Bodyguard生命衛(wèi)士輸液泵等產(chǎn)品的技術(shù)也較為成熟，平安性能較高。這些輸液設(shè)備都具備輸液監(jiān)控功能，并能輸出輸液狀態(tài)信號(hào)，從而與醫(yī)院信息系統(tǒng)連接來組建網(wǎng)絡(luò)，已被我國(guó)一些大型醫(yī)院引進(jìn)，但因其價(jià)格昂貴主要用于危重患者的監(jiān)護(hù)。二智能化輸液設(shè)備開展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)化。目前在大多輸液系統(tǒng)中， 輸液泵僅僅是作為輸液設(shè)備

9、單機(jī)使用。而在輸液過程中，患者的生理特征參數(shù)會(huì)隨時(shí)發(fā)生改變，如不及時(shí)地獲得這些生理特征參數(shù)，并對(duì)輸液過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整， 就會(huì)對(duì)患者的身體產(chǎn)生一定的不良影響或者副作用。 因此，把輸液設(shè)備納入到輸液管理系統(tǒng)transfusion man-agement system，TMS 并融入醫(yī)院的信息管理系統(tǒng) hospitalinformation system，HIS勢(shì)在必行。 合理利用醫(yī)院現(xiàn)有的一些設(shè)備，并把從這些設(shè)備得到的生理信息及時(shí)地反應(yīng)給輸液泵，輸液泵根據(jù)得到的生理信息及時(shí)調(diào)整輸液速率或藥液濃度等，就會(huì)取得更佳的預(yù)期效果。智能輸液系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò) 2種。 有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備依賴性

10、強(qiáng)， 需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行徹底改造，不僅浪費(fèi)資源，而且擴(kuò)展性較差。 無線局域網(wǎng)絡(luò)wireless local area networks，WLAN是一種相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻技術(shù)取代以前銅線所構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)， 省去了鋪設(shè)管路的復(fù)雜程序。WLAN 易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和調(diào)整，靈活性和移動(dòng)性較強(qiáng)，故障定位容易。 對(duì)于沒有安裝 HIS 的醫(yī)院來說，可以直接使用 WLAN 來方便地建立分布式智能輸液監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而不需要再重新鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)。便攜化?，F(xiàn)在大局部的輸液監(jiān)控儀、 輸液泵和注射泵體積都比擬龐大，受到交流電源和輸液架等的限制，只適合于在固定地點(diǎn)輸液，限制了其使用范圍。因此，各公司都加緊研制體

11、積更小、更輕便的智能輸液系統(tǒng)，便于攜帶，可以在各種條件甚至惡劣的環(huán)境下進(jìn)行輸液。市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種新型的無輸液管的貼附式泵patch pump， 它將含有輸液泵控制器和輸液組件的輸液系統(tǒng)黏在患者的皮膚外表， 輸液泵上針頭直接插入靜脈血管而無需用輸液管連接，使用遙控器進(jìn)行操作。 這種輸液泵攜帶更為方便，擺脫了輸液管的束縛，提高了患者的舒適感。 利用微電子機(jī)械系統(tǒng)micro-electro-mechanical systems，MEMS技術(shù)能進(jìn)一步縮小泵的質(zhì)量和尺寸， 使得微型泵的尺寸到達(dá)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)大小，有助于提高患者的生活質(zhì)量。專業(yè)化。針對(duì)醫(yī)院不同科室的具體使用環(huán)境，需要選擇適宜的輸液設(shè)備。

12、 例如在放射科中電磁干擾較嚴(yán)重，輸液系統(tǒng)的機(jī)器本身對(duì)外界的電磁干擾抵抗水平有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，一旦超出其抗擾標(biāo)準(zhǔn)，就容易導(dǎo)致輸注精度不準(zhǔn)，甚至停機(jī)。 例如在核磁共振成像magnetic resonance imaging，MRI超強(qiáng)的磁場(chǎng)環(huán)境下，嚴(yán)禁任何含鐵成分或磁性物質(zhì)接近掃描機(jī)，此時(shí)如要輸注麻醉藥等，那么需要輸液泵具有良好的電磁兼容性。 在心血管科中，例如冠心病監(jiān)護(hù)病房coronary care unit，CCU是心血管危重患者的集中地，因患者病情危重、血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，常常需要使用多種血管活性藥物。 微量輸液設(shè)備的輸液速率需要能精確控制，要求顯示流速精確到小數(shù)點(diǎn)后一位0.1 mL/h，有脈動(dòng)補(bǔ)

13、償功能使輸液更加平緩。 由于需要長(zhǎng)時(shí)間輸液，PVC 管路被頻繁擠壓容易出現(xiàn)疲勞破裂或疲勞塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，故最好需要有管路疲勞報(bào)警功能。 在婦產(chǎn)科應(yīng)用時(shí)，注射催產(chǎn)素需要輸液設(shè)備能夠敏捷調(diào)速、精確控制，如遇到產(chǎn)婦產(chǎn)后出血性休克需要大量補(bǔ)液時(shí)，輸液設(shè)備需要快速將藥液快速注入人體內(nèi)，為產(chǎn)婦贏得珍貴的搶救時(shí)間。 應(yīng)用于急救場(chǎng)合時(shí)，輸液系統(tǒng)需要適宜救護(hù)車使用，小巧便攜，平安可靠，不受周圍環(huán)境影響，功能齊全，流速可調(diào)范圍廣，不需要提供交流電源。 在高壓環(huán)境中，例如應(yīng)用高壓氧治療危重患者，由于高壓艙特殊環(huán)境的平安要求，微量輸液裝置需要抗高壓，在各種壓力條件下能保持輸液精度。 輸注具有腐蝕性的藥物時(shí)，對(duì)泵體的材質(zhì)也

14、有所要求，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同材質(zhì)的輸液設(shè)備，以免使用時(shí)出現(xiàn)意外。二、點(diǎn)滴輸液報(bào)警應(yīng)用的價(jià)值與意義二傳統(tǒng)人工點(diǎn)滴輸液的弊端靜脈滴注在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用十分普遍，目前在國(guó)內(nèi)大多數(shù)普通醫(yī)院還是采用傳統(tǒng)輸液方式，即傳統(tǒng)輸液設(shè)施加以人工控制和監(jiān)視的方式。這種輸液方式會(huì)大幅增加護(hù)理人員的工作量，尤其是在醫(yī)院住院治療患者輸液治療過程中，患者數(shù)量眾多、病情復(fù)雜，輸液藥物、點(diǎn)滴流速等都需要盡心更嚴(yán)格的控制，而這一工作通常是由護(hù)士手段轉(zhuǎn)動(dòng)輸液器滑輪來進(jìn)行控制，通過肉眼進(jìn)行估計(jì)。這一傳統(tǒng)輸液管理方式存在較多的弊端，例如：當(dāng)輸液過程中低速不準(zhǔn)確，而同時(shí)醫(yī)護(hù)人員由于其他原因沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致患者痛苦，嚴(yán)重時(shí)甚

15、至出現(xiàn)生命危險(xiǎn)；在住院治療中，患者輸液通常持續(xù)進(jìn)行，中途需要更換藥液，這需要醫(yī)護(hù)人員定時(shí)觀察并及時(shí)更換，如果醫(yī)護(hù)人員因工作繁忙未能顧及而患者也未能對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入血管并形成空氣栓賽，甚至凝血堵塞針頭等，如果延誤治療很容易造成患者痛苦甚至出現(xiàn)醫(yī)療事故。對(duì)于傳統(tǒng)輸液監(jiān)護(hù)工作者而言，當(dāng)一人需要多位病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)時(shí)，工作量相對(duì)較大，而且工作過程中的精神負(fù)擔(dān)嚴(yán)重，長(zhǎng)久持續(xù)也可能造成醫(yī)護(hù)工作者精神狀態(tài)的惡性循環(huán)問題。三點(diǎn)滴輸液報(bào)警應(yīng)用的應(yīng)用意義點(diǎn)滴輸液報(bào)警系統(tǒng)是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的職能輸液裝置應(yīng)用，其具備了智能型輸液裝置的大多數(shù)特點(diǎn)。國(guó)外對(duì)智能型輸液裝置的研制較早，如日本、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家上世紀(jì) 8

16、0年代末就進(jìn)行了智能型輸液裝置的研制，現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的大多是國(guó)外產(chǎn)品，類型多樣，性能較好，如日本 JMS 株式會(huì)社的 OT-601 型輸液泵(控制精度為 10%)和 SP-500 型注射泵，美國(guó)、德國(guó)、以色列等國(guó)家也有性能較好的產(chǎn)品。我國(guó)對(duì)智能輸液裝置的研制起步較晚，大都在 90 年代中期開始研究，市場(chǎng)上也有一些國(guó)產(chǎn)輸液裝置，如北京科力豐高科技開展有限責(zé)任公司的 ZNB 系列產(chǎn)品，深圳康特公司也有輸液裝置產(chǎn)品。但綜合來說，國(guó)產(chǎn)的智能輸液裝置種類少，性能也有待提高。當(dāng)然，從國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)開展現(xiàn)狀以及醫(yī)療需求來看，全智能型點(diǎn)滴系統(tǒng)的本錢相對(duì)較高，引入后應(yīng)用效果雖好但并不一定適應(yīng)大多數(shù)患者的經(jīng)濟(jì)能力，而點(diǎn)

17、滴輸液報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用本錢相對(duì)較低，對(duì)于醫(yī)院而言引進(jìn)難度低，同時(shí)患者使用費(fèi)用也相對(duì)均衡，其應(yīng)用后雖然仍需要護(hù)理人員投入一定量工作，但整體工作量大幅減輕，這對(duì)于醫(yī)護(hù)工作者勞動(dòng)負(fù)荷緩解也有重要意義。三、點(diǎn)滴自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)需求分析一功能需求結(jié)合輸液人工監(jiān)控的工作內(nèi)容來看，點(diǎn)滴自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的功能性需求主要涵蓋以下兩個(gè)方面：其一，點(diǎn)滴信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容主要為滴速檢測(cè)。靜脈滴注的速度需要針對(duì)患者情況、用藥情況進(jìn)行合理調(diào)整，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員在裝置布置完成后需要進(jìn)行一次人工滴速調(diào)整，調(diào)整后一般不會(huì)出現(xiàn)特殊變動(dòng)。當(dāng)然，也有可能出現(xiàn)不可控因素導(dǎo)致的滴速變化等，例如他人誤碰、滴注完成等。因此點(diǎn)滴信號(hào)檢測(cè)可以確保

18、滴速平穩(wěn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)換藥提醒。這一功能主要替代人工檢查的大局部?jī)?nèi)容，可以有效降低人工看護(hù)頻率，為護(hù)理人員工作負(fù)荷降低提供幫助，同時(shí)能夠保證點(diǎn)滴的穩(wěn)定性，降低患者不適、醫(yī)療問題的出現(xiàn)幾率。其二，報(bào)警系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是在出現(xiàn)點(diǎn)滴問題時(shí)及時(shí)報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)需要通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸送的信號(hào)向醫(yī)護(hù)人員工作室、監(jiān)察室發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并由終端報(bào)警設(shè)備發(fā)出警鳴等形式的報(bào)警，保證滴注出現(xiàn)問題時(shí)能夠有醫(yī)護(hù)人員第一時(shí)間進(jìn)行處理，能夠有效降低醫(yī)療事故的發(fā)生率，提升效勞質(zhì)量。對(duì)于護(hù)理人員而言，報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用能夠在很大程度上緩解護(hù)理工作的心理負(fù)擔(dān)，不需要時(shí)刻關(guān)注滴注情況而產(chǎn)生的巨大的心理壓力。二硬件需求結(jié)合上述功能分析來看，系統(tǒng)

19、視線中主要須應(yīng)用四類硬件：其一，點(diǎn)滴信號(hào)傳感器。其作用在于收集滴速信息，并將相應(yīng)信息提供應(yīng)中央處理器，由中央處理器決定是否需要向報(bào)警模塊輸送報(bào)警信息，本文的方案設(shè)計(jì)中主要采用光電傳感器作為點(diǎn)滴信號(hào)檢測(cè)設(shè)備。其二，重要處理器。中央處理器的工作是完成對(duì)滴速信息的判斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)滴速信號(hào)的收集和控制信息的傳遞，在本文的方案設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)作為中央處理器。其三，顯示與報(bào)警模塊硬件。該局部硬件主要用于實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，通過接收中央處理器的信號(hào)信息，顯示滴注運(yùn)行情況，并在需要時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。其四，信號(hào)電路和供電模塊。用于傳遞檢測(cè)信號(hào)和設(shè)備供電，其中供電設(shè)備要參加平安性冗余考量，需要在停電等特殊問題出現(xiàn)時(shí)能夠持

20、續(xù)監(jiān)測(cè)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)選擇一根本方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，主要包括: 滴速測(cè)量模塊、微處理器、顯示模塊、程序存儲(chǔ)器模塊、電池供電模塊、聲光報(bào)警模塊。具體實(shí)現(xiàn)步驟是: 滴速測(cè)量模塊將莫菲管中的輸液滴速通過光電轉(zhuǎn)化，將脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)，利用程序存儲(chǔ)器中的程序進(jìn)行滴速計(jì)算，并與設(shè)定的數(shù)值相比擬，判斷滴速是否異常。然后通過顯示模塊將計(jì)算結(jié)果顯示。如果滴速異常，立即啟動(dòng)聲光報(bào)警。圖1 點(diǎn)滴報(bào)警系統(tǒng)框架二單片機(jī)選擇為了實(shí)現(xiàn)低功耗和便攜式，本系統(tǒng)的微處理器選用 STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)介紹 STC89C52RC單片機(jī)是宏

21、晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。標(biāo)準(zhǔn)如下：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切

22、工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。STC89C52RC 是增強(qiáng)型8051單片機(jī)，其技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，具有功耗低、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比擬高，能滿足設(shè)計(jì)要求。三滴速檢測(cè)方法選擇點(diǎn)滴檢測(cè)的常見方案主要有三種：第一，可見光發(fā)光二極管與光敏三極管傳感電路。由于系統(tǒng)外界光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作有很大的干擾，一旦外界光亮度改變，就會(huì)影響對(duì)液滴的判斷。如采用超強(qiáng)亮度發(fā)光管可以減小干擾，但功率損失大。所以方案一不可取。 第二，不調(diào)制的紅外對(duì)射傳感器。由于直接采用直流電壓對(duì)發(fā)光管進(jìn)行供電，考慮到平均功率的限制，工作電流不能高于元件的額定值，對(duì)投幣照射有一定的困難

23、且仍然容易受到外部廣元等干擾。 第三，脈沖調(diào)制的紅外對(duì)射傳感器。紅外發(fā)射管的最大工作電流是由其平均電流決定的，采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，瞬間電流會(huì)到達(dá)很大，大大提高了信號(hào)噪聲比，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本文設(shè)計(jì)中主要采用光電傳感器作為滴注檢測(cè)裝置，光電檢測(cè)的原理是當(dāng)有檢測(cè)物體經(jīng)過光電傳感器上，由于散射和吸收導(dǎo)致透射光衰減，檢測(cè)衰減后的透射光通量即稱之為漫反射式光檢測(cè)法。本系統(tǒng)就是通過透射光通量的強(qiáng)弱的變化在通過光電轉(zhuǎn)換法把光通量的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化來判斷是否有無液滴落下。光電傳感器采用紅外發(fā)射管發(fā)射，光敏二極管接收，其圖如圖2所示，當(dāng)無液滴落下時(shí)，紅外發(fā)光二極管所發(fā)出的紅外光全部照在光敏二極管

24、上，當(dāng)有液滴落下是紅外發(fā)光二極管所發(fā)出的光經(jīng)過液滴的吸收和散射只有一局部到達(dá)光敏二極管上。圖2 光電檢測(cè)原理光電傳感器主要由紅外發(fā)射管發(fā)射，紅外接收管接收來檢測(cè)液滴。為了防止輸液器的漏斗傾斜引起水滴的偏移，導(dǎo)致不正常的檢測(cè)，可采用三枚紅外發(fā)射管和一枚紅外接收管組成，如圖3所示。將該傳感器套在輸液器的漏斗上，確保液滴的檢測(cè)無誤。紅外發(fā)射管在恒定的電源驅(qū)動(dòng)下發(fā)射一定頻率的恒定紅外線，紅外線經(jīng)過對(duì)管間的間隙，由接收管接收。當(dāng)沒有水滴通過對(duì)管間隙時(shí)，紅外接收管完全導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)有水滴通過對(duì)管間隙時(shí)，紅外接收管的導(dǎo)通能力不同程度地下降，輸出不規(guī)那么的負(fù)向脈沖；每一個(gè)水滴產(chǎn)生一個(gè)這樣的不規(guī)那么的負(fù)向

25、脈沖，脈沖數(shù)目與水滴數(shù)目一一對(duì)應(yīng)。圖3 傳感器布置示意圖四通信方案選擇常用的有線方式可分為有并行通信和串行通信。并行通信一般在實(shí)際當(dāng)中用得較少，其特點(diǎn)是傳輸速度快，但是占用單片機(jī) I/O口較多，需要的傳輸線也很多，不適合遠(yuǎn)距離通信,因此棄用而采用串行通信方式。 串行通信又可分為同步傳輸和異步傳輸，同步傳輸一般用于傳輸信息量大，傳輸速度要求較高可達(dá)800kb/s的場(chǎng)合。因?yàn)樗笥蓵r(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)接收與發(fā)送之間的嚴(yán)格同步，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)相位的一致性要求非常嚴(yán)格，導(dǎo)致其硬件設(shè)備復(fù)雜，本錢高，不宜使用，所以采取異步串行通信方式。由于本文主要采用了單片機(jī)作為核心控制模塊，基于本錢型和網(wǎng)絡(luò)特性，因此CAN總線作為

26、控制總線。CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)開展的熱點(diǎn)之一,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN 屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，因而對(duì)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤CAN 總線型系統(tǒng)根本無影響。在抗干擾方面，CAN 的每幀數(shù)據(jù)都有CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境中使用，這點(diǎn)對(duì)醫(yī)療

27、系統(tǒng)的可靠性起到非常重要的作用。此外CAN 總線還有數(shù)據(jù)傳輸率高、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試容易、后期維護(hù)本錢低等珍貴特點(diǎn)。 因此，可以在監(jiān)控模塊和處理器之間采用CAN宗信進(jìn)行通信控制。四、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)一點(diǎn)滴檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)滴速檢測(cè)電路是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵點(diǎn)，是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，能否可靠地檢測(cè)出輸液的速度，將會(huì)影響護(hù)理人員對(duì)患者輸液速度的準(zhǔn)確設(shè)定，同時(shí)也會(huì)影響輸液結(jié)束狀態(tài)的準(zhǔn)確判定。通過查閱和比照研究大量同類設(shè)計(jì)，結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際情況，選用基于光電檢測(cè)技術(shù)的液滴計(jì)數(shù)法。光電檢測(cè)技術(shù)根本原理如圖4所示，將紅外對(duì)管的收發(fā)端置于莫菲滴管兩邊，發(fā)射端發(fā)出的紅外線穿過滴管時(shí)，會(huì)因液滴的局部吸收而光強(qiáng)減弱，接收端將光

28、強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的幅度變化，輸出脈沖信號(hào)。再將此電壓信號(hào)經(jīng)后續(xù)整形電路處理后產(chǎn)生的矩形波信號(hào)，送給入處理器的 I/O口，再通過相應(yīng)的軟件處理程序求解出輸液滴速。因其具有非接觸測(cè)量，與藥液、輸液器材無關(guān)的特點(diǎn)，在一定程度上提高了設(shè)備的平安性與可靠性。圖4 點(diǎn)滴檢測(cè)模塊工作原理圖本文在上述原理的根底上，為了克服工作環(huán)境中自然光、照明等常見光源對(duì)滴速測(cè)量電路的影響，我們選用波長(zhǎng)m 的 I204/PT202C 型紅外對(duì)管，設(shè)計(jì)了實(shí)際測(cè)量電路如圖 5所示的測(cè)量電路。為了使所設(shè)計(jì)的電路具有通用性，不受藥物種類的影響，我們分別選用醫(yī)用生理鹽水、葡萄糖、純潔水進(jìn)行了屢次標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在測(cè)試電路中選了3

29、.3V 直流電源接 VCC，依據(jù)器件手冊(cè)中的技術(shù)要求，紅外發(fā)射管的最大工作電流為 20mA。經(jīng)過屢次實(shí)驗(yàn)說明 1 選取100 時(shí)，既能滿足紅外發(fā)射管的工作電流要求，對(duì)液滴的檢測(cè)又有較高的靈敏度。處于紅外接管端的上拉電阻 2 的作用是將由液滴滴落引起的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的變化。圖5 點(diǎn)滴檢測(cè)電路圖經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定 2 選 5000 時(shí)效果較好。電阻 3 的作用是調(diào)節(jié)集成運(yùn)放 LM393 正輸入端的比擬電壓V + ，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定 V + 取 1.1V 為宜，3 選用阻值為200 的可調(diào)電阻。4 選取 5K; 當(dāng)紅外接收管 A點(diǎn)輸出電壓大于比擬器正端輸入的比擬電壓 V +時(shí)，LM393 輸出端輸出高電平

30、 3.3V; 當(dāng)紅外接收管A 點(diǎn)輸出電壓小于比擬器正端輸入的比擬電壓 V +時(shí)，LM393 輸出端輸出低電平 0V。將經(jīng)過 LM393處理后的輸出信號(hào)送入 STC89C52 的 P0.3 口完成液滴滴速的檢測(cè)。通過信號(hào)整形電路的原理圖和時(shí)序圖，可以對(duì)整形有簡(jiǎn)單的了解。在實(shí)際操作中，接收到的信號(hào)會(huì)在每一個(gè)液滴下落時(shí)產(chǎn)生相距很近的雙脈沖，這會(huì)給計(jì)數(shù)帶來極大的干擾。為了消除這種干擾，減小虛假信息的影響，提高采樣的可靠性，還需使用軟件濾波的方式，將相距很近的兩個(gè)脈沖濾去一個(gè)，這就保證了計(jì)數(shù)的精確性。二顯示與報(bào)警模塊設(shè)計(jì)為了能將靜脈輸液的滴速顯示出來，便于監(jiān)護(hù)人員查看，本設(shè)計(jì)需要一塊液晶顯示屏?？紤]到輸

31、液監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的低功耗、小體積需求，在設(shè)計(jì)中選取了小體積、低功耗標(biāo)準(zhǔn)的三位筆段式液晶EDS812。為防止液晶的老化壞死，選取交流驅(qū)動(dòng)模式。由于 STC89C52 不含液晶驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)中通過外接 HT1621 驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng) EDS812，其接口電路如圖6 所示。圖6 接口電路示意圖聲光報(bào)警電路如圖 7 所示，采用 STC89C52 的一個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和 LED 發(fā)光二極管來實(shí)現(xiàn)。圖7 報(bào)警電路具體實(shí)現(xiàn)過程如下: 當(dāng)程序判斷滴速異常時(shí)，就通過 P07 口線輸出低電平信號(hào)，此時(shí)三極管 Q 的基極與發(fā)射極處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而使三極管 Q 的集電極與發(fā)射極也導(dǎo)通，使發(fā)光二極管和蜂鳴器同時(shí)接通

32、，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。因蜂鳴器發(fā)聲單調(diào)，不夠悅耳，會(huì)對(duì)患者造成一定程度的刺激，因此本文在設(shè)計(jì)通過軟件編程使STC89C52 的 P0 7 口輸出一定頻率方波信號(hào)來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，使其發(fā)出動(dòng)聽悅耳有節(jié)奏的聲音信號(hào)。與此同時(shí)，發(fā)光二極管也會(huì)閃光報(bào)警，并且與聲音報(bào)警節(jié)奏相同。聲光同時(shí)報(bào)警，能更有效地提醒患者或陪護(hù)人員。這一點(diǎn)對(duì)于視覺或聽覺障礙的病人顯得更為方便。三供電模塊設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)低功耗，本設(shè)計(jì)采用2 節(jié)3V 的紐扣電池供電，電源電路如圖8所示。因輸液監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)各模塊的工作電壓均為33V，所以通過電壓轉(zhuǎn)換芯片 AMS1117 將6V 的電池電源輸入電壓轉(zhuǎn)換為33V的電壓，為各個(gè)功能模塊單元電路供電。圖8

33、供電電路四控制程序設(shè)計(jì)點(diǎn)滴速度可以有以下兩種方式進(jìn)行測(cè)量。方式一：以點(diǎn)滴間隔為單位，記錄一次點(diǎn)滴的時(shí)間，用60除以點(diǎn)滴單位時(shí)間就可得到每分鐘的點(diǎn)滴數(shù)。這種方法用到除法操作，而且當(dāng)點(diǎn)滴速度較快時(shí)，測(cè)量誤差較大，因?yàn)闇y(cè)量單位點(diǎn)滴時(shí)間的誤差回被60秒這樣大的時(shí)間單位放大。但此法在修正點(diǎn)滴速度時(shí)，可以實(shí)時(shí)的測(cè)得當(dāng)前的點(diǎn)滴的速度變化量，適合在調(diào)整滴速度使用。方式二：以單位時(shí)間記錄點(diǎn)滴數(shù)。通過簡(jiǎn)單的乘法就可計(jì)算出點(diǎn)滴速度，但此法也存在單位時(shí)間內(nèi)不是完整的點(diǎn)滴數(shù)目，從而存在一定的測(cè)量誤差。但是，此法在點(diǎn)滴速度恒定的情況下，可以采用多個(gè)單位時(shí)間取均值，從而求得單位時(shí)間的平均點(diǎn)滴數(shù)，這樣可以到達(dá)比擬好的精度。輸

34、液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)程序如圖9所示。系統(tǒng)工作時(shí)，開啟定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷和外部中斷，定時(shí)器以1秒的時(shí)間為間隔，探測(cè)外部中斷引腳負(fù)脈沖的產(chǎn)生次數(shù)，執(zhí)行5 次后求平均值，再乘以 60 得到每分鐘輸液滴速。正常監(jiān)測(cè)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過 LED 顯示屏顯示滴速。為了降低功耗，也可選擇休眠狀態(tài)。當(dāng)輸液藥液異常時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷，此時(shí)將休眠狀態(tài)的處理器喚醒，輸出終端聲光報(bào)警。圖8 供電電路五、目標(biāo)功能檢測(cè)為了檢驗(yàn)輸液檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，我們進(jìn)行了滴速測(cè)試和報(bào)警測(cè)試。滴速測(cè)試時(shí)，通手動(dòng)調(diào)節(jié)輸液軟管上的速度調(diào)節(jié)器，分別設(shè)定10 個(gè)檔次的滴速，每個(gè)檔次的滴速進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)1 分鐘的目測(cè)計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)總量與液晶顯示的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比照。比照結(jié)果如表1 所示。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)計(jì)算的滴速與實(shí)際滴速稍有偏差，產(chǎn)生偏差的原因主要是因滴管安裝有所傾斜及在測(cè)定的過程中有抖動(dòng)，不能確保液滴垂直通過傳感器所造成，但誤差在藥理誤差允許范圍之內(nèi)。報(bào)警測(cè)試時(shí)，當(dāng)?shù)嗡俪^設(shè)定范圍立即啟動(dòng)聲光報(bào)警，誤報(bào)率為零，工作可靠，因此本輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠勝任實(shí)際測(cè)試的要求。表1 檢測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)滴/分測(cè)試編號(hào)顯示值實(shí)測(cè)值135342404134646449505555566160767658707097675108080綜合測(cè)試結(jié)果來看，本次設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)能夠完成根本滴速檢測(cè)，可以在滴速出現(xiàn)異常