王恒成

[摘 要]本文主要講述了無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，主要包括以AT89S53單片機(jī)為控制主體的控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)、點(diǎn)滴檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)、液位監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)、滴速監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)、電機(jī)選擇模塊設(shè)計(jì)以及主從通信模塊設(shè)計(jì)等內(nèi)容，以保障在無(wú)人看管情況下，醫(yī)療患者也能進(jìn)行正常且安全的靜脈注射。

[關(guān)鍵詞]無(wú)人監(jiān)守、單片機(jī)、點(diǎn)滴檢測(cè)、模塊設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0135-02

一、緒論

隨著科技的進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)各項(xiàng)領(lǐng)域均在向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。無(wú)論是在機(jī)械行業(yè)、交通運(yùn)輸、化工制造，還是在醫(yī)療行業(yè)，智能化自動(dòng)監(jiān)控已在各個(gè)行業(yè)得到廣泛發(fā)展與應(yīng)用。醫(yī)療行業(yè)是一個(gè)比較特殊的部門，每天承載著億萬(wàn)人民的生命安全。如果醫(yī)院的人力與物力滿足不了病人的醫(yī)用需求，則勢(shì)必會(huì)影響到人們的身體健康與生命安全。尤其在近些年來，環(huán)境的惡化和意外事故的頻繁，各種醫(yī)療就診人數(shù)日益增多，這就更加促進(jìn)與加劇了醫(yī)療體系與醫(yī)療方式的改革與創(chuàng)新。

靜脈輸液是各家醫(yī)院與診所最長(zhǎng)應(yīng)用到的一種診療手段，這不僅是因?yàn)辄c(diǎn)滴輸液的見效成果快，還是因?yàn)檫@是一種為病人補(bǔ)充體力與營(yíng)養(yǎng)的方式，尤其對(duì)于一些處于中毒昏迷、無(wú)法進(jìn)食的患者而言。但是在傳統(tǒng)靜脈輸液過程中，患者身旁必須有人監(jiān)守，以防在輸液過程中有異常情況發(fā)生。比如管路堵塞、液體輸畢而無(wú)人拔管等，都會(huì)影響到患者的病情診療，甚至是生命安全。即便是在有人監(jiān)管的情況下，由于人為疏忽而造成靜脈輸液異常的事件也時(shí)有發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)一款無(wú)人監(jiān)守的自動(dòng)監(jiān)控靜脈輸液設(shè)備，無(wú)論是對(duì)于治病患者，還是對(duì)于醫(yī)療單位，都有著十分重要的意義。

二、無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案包括控制系統(tǒng)方案、點(diǎn)滴檢測(cè)方案、液位監(jiān)測(cè)方案、滴速監(jiān)控方案、電機(jī)選擇方案、主從通信方案等六個(gè)方案的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)方案的核心是微處理器，其所承擔(dān)的主要職責(zé)為液體的滴速、液位的監(jiān)測(cè)、以及液體精度的運(yùn)算與控制等。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一直應(yīng)用的是兩位模擬控制方案，但該方案難以滿足遠(yuǎn)程通信和高精度的應(yīng)用需求，而單片機(jī)AT89S53不但可以實(shí)現(xiàn)高運(yùn)算、高精度的應(yīng)用需求，還能便于遠(yuǎn)程控制，功耗損耗低，所以應(yīng)當(dāng)選用單片機(jī)AT89S53作為無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的微處理器。點(diǎn)滴檢測(cè)有多種方案，但取到?jīng)Q定作用的是傳感器對(duì)液滴判斷的靈敏度與抗干擾性。可見光發(fā)光傳感器和不可調(diào)制紅外對(duì)射傳感器均存在靈敏度低、抗干擾性弱等問題，因此均不適合作為點(diǎn)滴檢測(cè)的傳感器。而脈沖調(diào)制紅外對(duì)射傳感器的平均電流較大，靈敏度高，能有效抗拒外界干擾，提高點(diǎn)滴檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因此選用脈沖調(diào)制紅外對(duì)射傳感器作為點(diǎn)滴檢測(cè)的應(yīng)用設(shè)備。液位監(jiān)測(cè)是對(duì)液體輸送進(jìn)展方面的監(jiān)控，主要是對(duì)警戒液位的監(jiān)控。當(dāng)液面到達(dá)警戒液位時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出境界信號(hào)通知醫(yī)務(wù)人員，醫(yī)務(wù)人員會(huì)根據(jù)需要選擇拔根或者更換靜脈注射液。對(duì)液位的監(jiān)測(cè)方案有三種選擇，分別是拉力傳感器、超聲波傳感器和光電傳感器。拉力傳感器的靈敏度和精確度都比較高，但是市場(chǎng)價(jià)格也比較高，所以在一般的液位監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的比較少；超聲波傳感器應(yīng)用的原理是聲音在不同介質(zhì)中的傳播速度不同所設(shè)計(jì)，但由于不同靜脈注射液的成分不同，所以聲音的傳播速度也存在略微差距，容易造成液位測(cè)量不準(zhǔn)確的情況發(fā)生。而且一旦液位出現(xiàn)波動(dòng)，則可能會(huì)造成提前報(bào)警或者延遲報(bào)警等情況，因此，也不適宜液面監(jiān)測(cè)的應(yīng)用；光電傳感器利用的是光的折射原理，在警戒液位安裝光電傳感器，當(dāng)液體瓶?jī)?nèi)折射出來的光發(fā)生變化時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出遠(yuǎn)程通訊信息告知醫(yī)務(wù)人員。該方法雖然也存在一定不足，但比較而言是其中最為經(jīng)濟(jì)，最為精確的一款。滴速控制主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流動(dòng)速度監(jiān)測(cè)并控制的一種應(yīng)用方案。傳統(tǒng)的滴速控制方法是滑動(dòng)軟管夾，以改變軟管孔徑的大小來改變液體在軟管流動(dòng)中的阻力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流動(dòng)速度的控制。但遠(yuǎn)程控制難以實(shí)現(xiàn)或者說成本比較高，因此不宜選用。對(duì)滴速實(shí)現(xiàn)調(diào)整與控制的另外一種方法是調(diào)整液體瓶的高度，增加或降低液體流動(dòng)的勢(shì)能來調(diào)整液體流動(dòng)的速度。此方法與滑動(dòng)軟管夾的方法異曲同工，但容易實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)選用電機(jī)滑輪系統(tǒng)控制液體流速。市面上的電機(jī)種類比較多，包括直流電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，控制靈敏且經(jīng)濟(jì)適用的原則，步進(jìn)電機(jī)為最佳選用方案。主從通信是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的通信服務(wù)的一種方案，所有的靜脈輸液信息都要通過主從通信發(fā)送給醫(yī)護(hù)人員。本次設(shè)計(jì)選用的是成本低、傳輸速度快、抗干擾等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的控制器局域網(wǎng)通信方式。

2.2 無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可將硬件系統(tǒng)分為三部分，分別是系統(tǒng)主站、系統(tǒng)從站和系統(tǒng)通信。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)依從于系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)主站電路、系統(tǒng)從站電路和系統(tǒng)通信電路三部分。系統(tǒng)主站電路部分主要是整形系統(tǒng)從站各部分所發(fā)出的輸液信息，再將整形后的信息傳達(dá)給微處理器，其目的是便于微處理器的處理。系統(tǒng)從站電路部分主要負(fù)責(zé)采集并監(jiān)控各部分發(fā)出的輸液信號(hào)，并將這些信號(hào)信息傳達(dá)給系統(tǒng)主站電路，以傳達(dá)給單片機(jī)微處理器。該電路部分主要包括四項(xiàng)信息的采集與監(jiān)控，分別是點(diǎn)滴信號(hào)的采集與監(jiān)控、液體信息的采集與監(jiān)控、鍵盤控制信息的采集與監(jiān)控和聲光報(bào)警信息的采集與監(jiān)控。系統(tǒng)通信電路主要負(fù)責(zé)傳送系統(tǒng)從站電路采集的輸液信息到系統(tǒng)主機(jī)，再通過主機(jī)來監(jiān)控輸液進(jìn)展情況信息。該電路部分主要包括兩項(xiàng)內(nèi)容，一是控制器局域網(wǎng)總線適配芯片連接電路，二是各通信接口連接電路。

三、無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)從站主要分為點(diǎn)滴信號(hào)檢測(cè)模塊、鍵盤控制電路模塊、點(diǎn)滴信號(hào)整形模塊、報(bào)警電路模塊、電源電路模塊、液體檢測(cè)模塊和通信電路模塊七部分。

點(diǎn)滴信號(hào)檢測(cè)模塊是通過脈沖調(diào)制紅外對(duì)射傳感器來檢測(cè)是否有點(diǎn)滴滴下的模塊。該模塊主要包括兩部分，分別是紅外發(fā)光管和紅外受光管。通過發(fā)光管向瓶?jī)?nèi)發(fā)出紅外光，再經(jīng)瓶?jī)?nèi)折射、反射、再折射，由受光管接收光線，將光信號(hào)傳送給傳感器，傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)微處理器的處理傳輸至主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴滴速的監(jiān)控。由于是通過脈沖調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)光線的發(fā)射與接收，因此所受到的外界干擾性小，信息傳達(dá)準(zhǔn)確。鍵盤控制電路模塊是實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制轉(zhuǎn)化為電路控制的模塊，其應(yīng)用的鍵盤為觸點(diǎn)式機(jī)械開關(guān)，運(yùn)用此種開關(guān)主要是由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不易損壞等原因。鍵盤只負(fù)責(zé)提供矩陣，不負(fù)責(zé)其他工作內(nèi)容。由于在點(diǎn)擊鍵盤的過程中伴有著5～10ms的機(jī)械抖動(dòng)，這就會(huì)造成難于識(shí)別按鍵的通斷狀態(tài)，為判斷的準(zhǔn)確性帶來困難，所以在設(shè)計(jì)中必須將這種迷惑準(zhǔn)確化。去抖動(dòng)措施的實(shí)現(xiàn)主要借助于軟件延時(shí)，在檢測(cè)有按鍵按下或彈開時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)執(zhí)行10ms延時(shí)程序，以此可準(zhǔn)確判斷按鍵是否處于閉合狀態(tài)。同樣在按鍵彈開時(shí)，程序也會(huì)自動(dòng)執(zhí)行10ms的延時(shí)程序，以判斷按鍵是否處于彈開狀態(tài)。除此之外，鍵盤控制模塊要具備縝密的邏輯處理方案，保證正在處理中的按鍵不會(huì)對(duì)其他按鍵和系統(tǒng)產(chǎn)生影響。即每次只允許處理一個(gè)按鍵，處理完畢之后才能處理其他按鍵。且在處理某按鍵的過程中，其他按鍵無(wú)論處于閉合狀態(tài)，還是處于彈開狀態(tài)，均不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何的影響。點(diǎn)滴信號(hào)整形模塊是為了消除雙脈沖造成的信號(hào)干擾而設(shè)計(jì)的模塊。其消除干擾的方式同鍵盤控制電路模塊去除機(jī)械抖動(dòng)的方式相同，都是運(yùn)用程序設(shè)計(jì)的方式，濾除脈沖信號(hào)，以保證點(diǎn)滴信號(hào)技術(shù)模塊計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。報(bào)警電路模塊采用的是聲和光兩種報(bào)警方式共同報(bào)警。當(dāng)輸液瓶?jī)?nèi)液面低于警戒液面時(shí)，由微處理器控制的蜂鳴器開始發(fā)出聲音警報(bào)，同時(shí)二極管也會(huì)發(fā)出閃爍燈光，以向主機(jī)和工作人員發(fā)出警示。報(bào)警電路模塊除了檢測(cè)警戒液面之外，還會(huì)檢測(cè)吊瓶的高度，因?yàn)檎{(diào)整靜脈注射速度的方法是控制吊瓶的高度實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)靜脈注射速度偏低調(diào)整輸液瓶高度的過程中，可能存在輸液瓶已上升到支架頂部而依然無(wú)法達(dá)到需求的靜脈注射速度，由此可能會(huì)造成輸液瓶拉倒支架的危險(xiǎn)。為避免此類事故的發(fā)生，需要在支架頂部預(yù)先安裝紅外探測(cè)器，如果檢測(cè)到上述情況發(fā)生時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出警示信息，并自動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免意外事故的發(fā)生。電源電路模塊是為無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)提供電力支持的模塊。這里的電源設(shè)計(jì)要依據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的供電方式而定，不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選用的供電方式也不一樣。本次設(shè)計(jì)選用單電源供電方案，因?yàn)檫@種供電方式設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，且工作穩(wěn)定。除去設(shè)計(jì)系統(tǒng)的供電電源之外，還有控制吊瓶升降的步進(jìn)電機(jī)電源設(shè)計(jì)。由于步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成，每部分的工作電壓均為+5V，再考慮上上其他電壓增加的情況，步進(jìn)電機(jī)電壓設(shè)計(jì)為+15V。由于無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)+5V的電壓下工作的，所以系統(tǒng)電壓電源設(shè)計(jì)為+5V。液體檢測(cè)模塊是用來檢測(cè)液位是否達(dá)到警戒液面的檢測(cè)模塊。其原理是利用光線在有液體和無(wú)液體兩種不中狀態(tài)下的光線折射差異而設(shè)計(jì)的，再將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大后輸送至單片機(jī)微處理器。在液位檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)中有兩項(xiàng)注意要點(diǎn)，其一是液位探測(cè)儀需選用無(wú)損探測(cè)避免影響輸液瓶中液體的成分；其二是要選用功率較大的紅外探測(cè)裝置，因?yàn)楣β瘦^大的紅外探測(cè)裝置所發(fā)出的紅外信號(hào)所得到的接收信號(hào)比較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的液位測(cè)量。通信電路模塊的控制器局域網(wǎng)包括兩部分組成，分別是控制器局域網(wǎng)的控制器和控制器局域網(wǎng)的收發(fā)器。本次設(shè)計(jì)選用MCP2510作為控制器局域網(wǎng)的控制器，TJA1050作為控制器局域網(wǎng)的收發(fā)器。MCP2510除具備驗(yàn)收及管理功能之外，還包括三個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器，以降低微處理器的工作負(fù)擔(dān)。TJA1050則同時(shí)具備差動(dòng)發(fā)送與差動(dòng)接收雙重性能，是目前廣泛應(yīng)用的一款告訴控制器局域網(wǎng)收發(fā)器。

四、無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的所有操作均是按照軟件設(shè)計(jì)指標(biāo)而定。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選用的是模塊化結(jié)構(gòu)方式，各個(gè)系統(tǒng)模塊之間相互獨(dú)立，其操作與應(yīng)用也是相互獨(dú)立的。因?yàn)楠?dú)立設(shè)計(jì)便于后期維護(hù)，如果測(cè)試某一部分出現(xiàn)錯(cuò)誤也不必全程修改。從站軟件設(shè)計(jì)的模塊主要包括主控模塊設(shè)計(jì)、鍵盤控制模塊設(shè)計(jì)、點(diǎn)滴速度控制模塊設(shè)計(jì)、電機(jī)模塊設(shè)計(jì)、報(bào)警模塊設(shè)計(jì)以及主從通信模塊設(shè)計(jì)六部分。

主控模塊是從站系統(tǒng)的大腦，是各子模塊調(diào)度的指揮官。主控模塊在操作之前，先對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)初始化，避免上次數(shù)據(jù)對(duì)此次調(diào)度操作產(chǎn)生錯(cuò)誤影響。首先將串口的工作處方式設(shè)為“1”，然后再設(shè)定定時(shí)器的初始值。在串口處于發(fā)射狀態(tài)的情況下，定時(shí)器的初始值設(shè)定為1200bit/s；在串口處于接收狀態(tài)下，定時(shí)器的設(shè)定值為248。數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收是通過外部中斷控制的，因此串口中斷的初始設(shè)置值為“0”。每當(dāng)有一個(gè)脈沖信號(hào)完成從采集、整形到處理的過程之后，就會(huì)產(chǎn)生一次外部中斷。鍵盤控制模塊的掃描也是采用中斷方式進(jìn)行，只是比主控模塊多了一項(xiàng)去除抖動(dòng)的延時(shí)程序。點(diǎn)滴速度監(jiān)測(cè)模塊是通過計(jì)算點(diǎn)滴個(gè)數(shù)并統(tǒng)計(jì)點(diǎn)滴時(shí)間完成的由于每一次點(diǎn)滴的完成就伴隨著一次中斷，所以點(diǎn)滴的個(gè)數(shù)是通過中斷的次數(shù)得出的。電機(jī)控制模塊應(yīng)用的是PID控制算法設(shè)計(jì)的，由于步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是通過正反驅(qū)動(dòng)兩個(gè)函數(shù)控制的，設(shè)置正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的函數(shù)變量為“1”，反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的函數(shù)變量為“0”。以此在程序設(shè)計(jì)中，直接控制函數(shù)“1”和“0”的轉(zhuǎn)化即可。報(bào)警模塊是通過分析滴速數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，預(yù)先設(shè)定正常滴速范圍，若現(xiàn)實(shí)滴速高于此范圍，則說明滴速過快，報(bào)警裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)；反之若現(xiàn)實(shí)滴速低于此范圍，則說明滴速過慢，如果連續(xù)4s內(nèi)都沒有液體滴下，則視為輸液中斷或結(jié)束。無(wú)論哪一種情況，報(bào)警器都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。主從通信模塊設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)各個(gè)通信接口的預(yù)定值設(shè)置和控制器局域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容即可。

五、總結(jié)

無(wú)人監(jiān)守點(diǎn)滴自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求而設(shè)計(jì)的一款醫(yī)用監(jiān)控軟件，主要是為了實(shí)現(xiàn)在無(wú)人監(jiān)守的情況下，醫(yī)療患者能夠保障得到安全、正常的治療，同時(shí)也是為了緩解醫(yī)院的工作壓力，以使更多的患者得到及時(shí)的診治。

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