宋玲玲，張會兵

(1. 煙臺職業(yè)學(xué)院 電子工程系，山東 煙臺 264670；2.桂林電子科技大學(xué) 計算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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基于STC15F2K60S2單片機(jī)智能醫(yī)療系統(tǒng)輸液監(jiān)護(hù)的設(shè)計與實現(xiàn)

宋玲玲1，張會兵2

(1. 煙臺職業(yè)學(xué)院 電子工程系，山東 煙臺 264670；2.桂林電子科技大學(xué) 計算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004)

智能醫(yī)療助手可以通過重力傳感器來感知吊瓶中藥液量的多少，A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給單片機(jī)，再由STC15F2K60S2單片機(jī)通過異步串行通信口送給上位終端顯示機(jī)，上位終端機(jī)再對接受的信號進(jìn)行處理，用圖形化的形式顯示出藥液量的多少；心率監(jiān)測模塊是指利用紅外線對人體的小拇指、耳垂等組織較薄的部位進(jìn)行脈搏檢測，以達(dá)到自身監(jiān)控.

智能醫(yī)療；A/D轉(zhuǎn)換；上位機(jī)；心率監(jiān)測

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們對自己的身體健康越來越重視，對醫(yī)院的要求也越來越高，由于醫(yī)生任務(wù)繁忙，病人過多，無法細(xì)致的照顧到每一位病人，輸液時得不到及時看護(hù)，從而引發(fā)醫(yī)療糾紛.基于STC15F2K60S2單片機(jī)的智能醫(yī)療助手可以非常有效的解決這個問題，使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)走向智能化成為可能.

1 總體設(shè)計方案

通過重力傳感器和光電傳感器采集液體和脈搏的模擬信號傳給A/D芯片，A/D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號送給單片機(jī)，STC15F2K60S2單片機(jī)通過異步串行通信口送給上位終端顯示機(jī)，上位終端機(jī)再對接受的信號進(jìn)行處理、顯示，從而達(dá)到對輸液量和脈搏進(jìn)行實時醫(yī)療監(jiān)護(hù)的目的.控制系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)總圖

2 功能模塊的工作原理

2.1 傳感器模塊

重力傳感器內(nèi)部有一種特殊的材料，當(dāng)有外來壓力(重力)作用時，其內(nèi)部的某些電介質(zhì)會發(fā)生極化，在內(nèi)部建立電場；當(dāng)外來壓力(重力)發(fā)生變化時，在內(nèi)部建立的電場強(qiáng)弱也會發(fā)生變化.將內(nèi)部建立的電場通過電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，給出與所受外力(重力)相對應(yīng)的電信號的輸出.通過輸出的電信號反應(yīng)外來壓力的變化[1-2].它的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)可靠、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等.重力傳感器模塊如圖2所示.

圖2 重力傳感器模塊

光電傳感器內(nèi)部有一種特殊的材料，能夠靈敏的感知外界光的變化，并能借助于電子元器件將外界光的變化轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器是由光源發(fā)生器、光學(xué)通路以及光電檢測器三部分組成的[3].光電檢測方法具有價格低廉、檢測距離長和響應(yīng)速度快的特點(diǎn).

檢測原理為，人體中血液的流動有兩個方向：一個方向是通過動脈將新鮮的血液送到人體的各個部位；一個方向是通過靜脈將攜帶垃圾的血液送回心臟.人體組織半透明度在血液的兩個不同的輸送方向反應(yīng)不同，當(dāng)血液通過動脈時，組織的半透明度減小，血液通過靜脈時，組織半透明度則增大.組織半透明度的變化明顯的部位在人體組織的手指尖、耳垂等部位[4].因此本設(shè)計光源發(fā)生器采用紅外發(fā)光二極管，其產(chǎn)生的紅外線照射到患者的手指部位，通過手指旁邊的光電檢測器接收經(jīng)過手指的透射光并將其轉(zhuǎn)換成電信號.由于人體中血液循環(huán)經(jīng)心臟表現(xiàn)出周期性的變化，使得流經(jīng)手指的血液也呈現(xiàn)出周期性的變化，因此光電檢測器處理單元輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化[5].將輸出信號經(jīng)過處理，輸出到數(shù)碼管顯示，即可以得到實時測量出來的脈搏的次數(shù).控制電路和傳感器模塊如圖3所示.

圖3 控制電路和傳感器模塊

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

設(shè)計主要采用TI公司的TLC2543的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其原理是利用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程.TLC2543優(yōu)點(diǎn)是采用串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且性價比非常好，分辨率較高.TLC2543引腳分布如圖4所示.

圖4 控制電路和傳感器模塊

2.3 處理器模塊

設(shè)計主要采用的控制核心是STC公司生產(chǎn)的STC15F2K60S2來控制整個智能醫(yī)療系統(tǒng)，該型號的單片機(jī)采用STC第八代加密技術(shù)，加密性超強(qiáng)指令代碼，速度比傳統(tǒng)的51系列的單片機(jī)速度快8-12倍.內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，±1%溫飄，常溫下溫飄5‰，5MHz～35MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振.兩組高速異步串行通信端口(可同時使用)，可在5 組管腳之間進(jìn)行切換，分時復(fù)用可當(dāng)5組串口使用.單片機(jī)芯片配置40腳STC系列單片機(jī)插座，各種接口擴(kuò)展齊全.輸入/輸出模塊配置4×4 矩陣式鍵盤，其中16 個按鍵可通過跳線靈活的配置為獨(dú)立按鍵.傳感模塊配置數(shù)字溫度傳感器DS18B20 接口.本系統(tǒng)用到不同功能的傳感器以及串口通信，所以這個芯片非常適用.處理器模塊如圖5所示.

圖5 STC15F2K60S2單片機(jī)引腳圖

2.4 路由器模塊

QAZ2000 Zigbee無線傳輸模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，主要實現(xiàn)Zigbee無線數(shù)據(jù)透明傳輸轉(zhuǎn)串口通信.針對復(fù)雜的Zigbee協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，只留出串口，用戶無需了解Zigbee協(xié)議棧，只需要讀寫串口,即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，簡單易用，非常適合嵌入用戶系統(tǒng).路由器模塊如圖6所示.

圖6 路由器電路模塊

2.5 上位機(jī)模塊

上位機(jī)系統(tǒng)主要包括兩部分：登錄界面和主界面.登陸界面主要用于信息驗證，登錄上位機(jī)系統(tǒng)是需要進(jìn)行身份和密碼的驗證，信息通過驗證后，進(jìn)入主界面.主界面上會顯示準(zhǔn)確時間、進(jìn)度條，還包括重啟、退出、關(guān)機(jī)等功能，也可以作記事本用，進(jìn)度條可以實現(xiàn)對藥液量的多少監(jiān)測，重啟可以重啟上位機(jī)系統(tǒng)，重回登陸界面，退出可以實現(xiàn)退出上位機(jī)系統(tǒng)，關(guān)機(jī)可實現(xiàn)整個電腦關(guān)機(jī).上位機(jī)模塊如圖7所示.

圖7 上位機(jī)模塊

上位機(jī)模塊主要將Zigbee接收到的通過單片機(jī)串口發(fā)出的信號以圖形化的形式直觀的將點(diǎn)滴藥瓶的液量信息在PC機(jī)上顯示出來.主要實現(xiàn)對吊瓶中藥液量多少的監(jiān)測，輸液到50%，上位機(jī)病房顏色由綠色變?yōu)辄S色，輸液10%時，由黃色變?yōu)榧t色，同時發(fā)出語言提醒看護(hù)人員輸液即將完成，并且在上位機(jī)上可以顯示病人輸液的藥品詳細(xì)說明.

3 功能模塊的程序設(shè)計

3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

sbit CLOCK = P1^0;//設(shè)置P1.0為TLC2543的CLOCK

sbit D_IN = P1^1; //設(shè)置P1.1為TLC2543的D_IN

sbit D_OUT = P1^2;//設(shè)置P1.2為TLC2543的D_OUT

sbit _CS = P1^3; //設(shè)置P1.3為TLC2543的_CS

Uint read2543(uchar port) //讀取哪個端口ad值就寫入哪個端口

{

uint ad=0,i;

CLOCK=0;

_CS=0;

port<<=4;

for(i=0;i<12;i++)

{

if(D_OUT) ad|=0x01;

D_IN=(bit)(port&0x80);

CLOCK=1;

CLOCK=0;

port<<=1;

ad<<=1;

}

_CS=1;

ad>>=1;

return(ad);

}

3.2 串口通信模塊

void INITUART()

{

P2 = 0X01;

TMOD = 0X20;//定時器1方式2

SCON = 0X50; //設(shè)定串口1工作方式1

AUXR = 0X00; //12分頻，定時器1作為串口1的波特率發(fā)生器

AUXR1= AUXR1&0x3F; //串口1在3.0和3.1不進(jìn)行切換

TH1 = 0XFD;

TL1 = 0XFD;

TR1 = 1;

ES = 1;

EA = 1;

}

3.3 數(shù)碼管顯示和報警模塊

void display(uint k)

{

P0=0x01; //千位的顯示

P1=table[k/1000];

delayms(5);

P0=0x02; //百位的顯示

P1=table[k%1000/100];

delayms(5);

P0=0x04; //十位的顯示

P1=table[k%100/10];

delayms(5);

P0=0x08;//個位的顯示

P1=table[k%10];

delayms(5);

}

4 智能醫(yī)療助手設(shè)計的特點(diǎn)與創(chuàng)新

本設(shè)計是由我們自主創(chuàng)新設(shè)計，自己動手制作的智能醫(yī)療助手.其擁有以下主要特點(diǎn)：

(1)輸液和脈搏測量同時進(jìn)行.紅外線來進(jìn)行人體的脈搏測量，檢測的部位為被檢測人的小拇指、耳垂等組織較薄的部分，單片機(jī)處理信號并用數(shù)碼管顯示測量結(jié)果.體積小但精度高，提高了脈搏測量儀的簡便性和精確度，具有很強(qiáng)的使用價值.

(2)警報功能.以STC15F2K60S2單片機(jī)為核心，以紅外對管為傳感器，若測量結(jié)果超出正常范圍則報警提示.

(3)路由傳輸功能.只需要讀寫串口，采用Zigbee無線傳輸模塊將單片機(jī)接收到的數(shù)字信號傳遞給下一接收級，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，簡單易用.

(4)上位機(jī)監(jiān)控功能.接收到的信號以圖形化的形式直觀的將點(diǎn)滴藥瓶的液量信息在PC機(jī)上顯示出來，更具人性化.

本設(shè)計通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元STC15F2K60S2單片機(jī)， 處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)顯示，采用最少的硬件實現(xiàn)比較完善的醫(yī)院報警系統(tǒng)，采用單片機(jī)與上位機(jī)結(jié)合，圖形化的顯示效果更直觀.產(chǎn)品功能穩(wěn)定、處理速度快、操控簡單、電路簡單、易于維修，實用性強(qiáng).

[1]門秀花,李舜酩.壓電陶瓷傳感器穩(wěn)定性的仿真分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007(10)：41-44.

[2]鄭玉章,徐愛鈞.STC15和CH376的實時海量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)，2014(2)：38-41.

[3]韓光江,孫鵬.基于STC15F2K61S2的計算器設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新,2015(5):101-102.

[4]石金鑫.簡易數(shù)字人體心率檢測儀[J].科技風(fēng),2010(3)：204-205.

[5]李新雨.基于單片機(jī)設(shè)計的脈搏測量儀[J].電子技術(shù),2011(8):48-50.

Design and Implementation of Intelligent Medical Infusion Monitoring System Based on STC15F2K60S2

SONG Ling-ling1, ZHANG Hui-bing2

(1. Department of Electronic Engineering, Yantai Vocational College, Yantai, 264670;2. School of Computer Information and Security, Guilin University of Electronic Technology, Ginlin, 541004, China)

The intelligent medical assistant can get to know the quantity of liquid in the infusion bag or bottle by gravity sensor, A/D converts analog signals into digital signals sending to single chip microcomputer, and STC15F2K60S2 sends digital signals to upper terminal display machine through asynchronous serial communication port , superior signal reprocesses the accepted terminal in a graphical form to show the amount of liquid; Heart rate monitoring module refers to the use of infrared ray to examine the pulse detection on thinner groups of the human body, such as ear lobe and litter finger, in order to achieve their own monitoring.

intelligent medical; analog to digital; upper terminal display machine; heart rate monitoring

2016-10-14

廣西可信軟件重點(diǎn)實驗室項目(kx201214)

宋玲玲(1979-),女,山東煙臺人，煙臺職業(yè)學(xué)院電子工程系講師.

R472；TP277

A

1672-2590(2016)06-0065-06