蘭皓宇　張煉碩　葛小偉　張永林　蔣鵬飛　張書恒

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種高性價(jià)比的醫(yī)用吸氧計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)裝置，以解決醫(yī)院多發(fā)的吸氧收費(fèi)糾紛。該裝置以Arduino最小系統(tǒng)為處理核心，配合氣流傳感器實(shí)現(xiàn)病人吸氧的同步計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，并實(shí)時(shí)顯示吸氧時(shí)長、流量和費(fèi)用。該裝置通過紅外進(jìn)行授權(quán)操作和系統(tǒng)設(shè)置，并具有掉電數(shù)據(jù)自動(dòng)保存、低電量聲光報(bào)警等功能。該吸氧計(jì)時(shí)裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、使用方便，醫(yī)院試用效果良好。

關(guān)鍵詞：間斷吸氧計(jì)時(shí)；吸氧計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)裝置；實(shí)時(shí)性；操作管理；Arduino

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

目前醫(yī)院在實(shí)際醫(yī)療工作中，對于病人的吸氧計(jì)費(fèi)仍然存在收費(fèi)不精準(zhǔn)的問題，多數(shù)是由醫(yī)護(hù)人員定時(shí)巡房進(jìn)行人工計(jì)時(shí)，缺少精確的設(shè)備進(jìn)行計(jì)時(shí)收費(fèi)。且病人在吸氧治療的過程中并不是持續(xù)不斷的吸氧，而是間歇吸氧，這就為醫(yī)院和病人之間對吸氧治療的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)造成了困難，因此收費(fèi)有一定出入。

吸氧計(jì)時(shí)的設(shè)備國內(nèi)外已有研究，醫(yī)院也有使用，但醫(yī)院較為常見的計(jì)時(shí)器都存在一些問題和缺陷。比如醫(yī)院多用普通計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間，出現(xiàn)間斷吸氧如外出就餐或外出檢查后，停止供氧的時(shí)段只能通知護(hù)士扣減，計(jì)時(shí)存在明顯的不準(zhǔn)確性；另一種具有專利的氧氣吸入濕化器雖可自動(dòng)計(jì)時(shí)，但該設(shè)備的核心裝置是觸碰開關(guān)，在使用過程中硬件接觸頻繁極易損壞，同時(shí)清零裝置未設(shè)置權(quán)限，病人也可以自行清零，無法保障準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)功能

結(jié)合吸氧治療的實(shí)際狀況，為了解決多數(shù)設(shè)備不能間斷累積計(jì)時(shí)的問題，文中提出的計(jì)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)用微控制單元（MCU）對吸氧過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，以提高計(jì)時(shí)的可靠性，減小系統(tǒng)體積。計(jì)時(shí)系統(tǒng)接在吸氧裝置的氣流通路中，當(dāng)氣流傳感器檢測到氧氣流通后，會(huì)根據(jù)當(dāng)前氧氣流速產(chǎn)生0～5 V的模擬電壓信號，該信號經(jīng)Arduino最小系統(tǒng)處理送到顯示模塊顯示并開始計(jì)時(shí)；當(dāng)氣流傳感器檢測到氧氣停止流通后，系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)。系統(tǒng)的顯示模塊會(huì)顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)氧速率、累積吸氧時(shí)間、當(dāng)前吸氧計(jì)時(shí)、吸氧費(fèi)率、單次吸氧費(fèi)用、累積吸氧費(fèi)用，其中氧速率、累積時(shí)間、吸氧費(fèi)率和累積費(fèi)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在E2PROM中，實(shí)現(xiàn)掉電保存功能。系統(tǒng)具有權(quán)限操作功能，病人吸氧的數(shù)據(jù)只有通過紅外遙控輸入正確的密碼后才可以更改清零，密碼亦同。為提醒醫(yī)務(wù)人員意外掉電情況的發(fā)生，采用雙供電系統(tǒng)，即適配器供電和鋰電池供電，將適配器作為主供電，一旦發(fā)生掉電情況，系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)行聲光報(bào)警；若鋰電池掉電，系統(tǒng)亦報(bào)警。

2 Arduino 最小系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)選用Arduino ProMini的開源硬件。Arduino ProMini的處理器核心為 ATmega168，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)晶體諧振，一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino ProMini自帶存儲(chǔ)器，ATmega168包括片上16 KB Flash，其中2 KB用于Boot Loader。同時(shí)還有1 KB SRAM和0.5 KB E2PROM。

14路數(shù)字輸入輸出口的工作電壓為3.3 V或5 V，每一路輸出和接入的最大電流為40 mA。每一路配置了20～50 kΩ內(nèi)部上拉電阻（默認(rèn)不連接）。如下引腳有特定的功能：

串口信號RX（0號）、TX（1號）： 提供TTL電壓水平的串口接收信號，可與6腳Header通孔相連。

外部中斷（2號和3號）：觸發(fā)中斷引腳，可設(shè)成上升沿、下降沿或同時(shí)觸發(fā)。

脈沖寬度調(diào)制PWM（3、5、6、9、10 、11）：提供6路8位PWM輸出。

SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK））：SPI通信接口。

LED（13號）：Arduino專門用于測試LED的保留接口，輸出為高時(shí)點(diǎn)亮LED，反之輸出為低時(shí)LED熄滅。

6路模擬輸入A0～A5：每一路具有10位分辨率（即輸入有1 024個(gè)不同值），默認(rèn)輸入信號范圍為0～5 V，可通過AREF調(diào)整輸入上限。

TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C總線）。

3 吸氧計(jì)時(shí)系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

吸氧計(jì)時(shí)系統(tǒng)的硬件部分包括氣流傳感器、控制系統(tǒng)、LCD顯示屏、雙路電源、電源管理系統(tǒng)等，如圖1所示。

氣流傳感器左右兩端的進(jìn)出氣口與氧氣通路相連，當(dāng)病人吸氧且氧氣通過時(shí)傳感器發(fā)送0～5 V電信號觸發(fā)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。LCD顯示模塊屏位于計(jì)時(shí)器主體表面，可以顯示當(dāng)前氧速率、累積吸氧時(shí)間、吸氧計(jì)時(shí)/密碼、費(fèi)率、單次吸氧費(fèi)用、累積吸氧費(fèi)用。電源、控制系統(tǒng)位于計(jì)時(shí)器主體內(nèi)部。

控制系統(tǒng)包括兩塊Arduino pro mini、紅藍(lán)LED、蜂鳴器、紅外接收器和遙控設(shè)備，其中一塊Arduino用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)和操作管理，Arduino在接收到模擬信號后先進(jìn)行AD處理，產(chǎn)生當(dāng)前氧氣流速時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)過程中的實(shí)時(shí)時(shí)間、計(jì)時(shí)結(jié)束后的費(fèi)用計(jì)算都由Arduino完成并在LCD上顯示。系統(tǒng)權(quán)限操作指吸氧的費(fèi)率只可由醫(yī)護(hù)人員通過紅外遙控更改，病人的吸氧數(shù)據(jù)必須通過紅外遙控輸入正確的密碼才可清零，系統(tǒng)具有初始密碼，但也可手動(dòng)更改，密碼和相關(guān)的吸氧數(shù)據(jù)存放在E2PROM內(nèi)，若系統(tǒng)意外掉電不會(huì)被擦除。另外一塊Arduino用于電源管理功能的實(shí)現(xiàn)，為防止意外掉電情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電量并在掉電后報(bào)警。系統(tǒng)為雙路供電，鋰電池給電源管理Arduino、LED和蜂鳴器供電，12 V/5 V雙輸出適配器給主控Arduino、LCD和傳感器供電，同時(shí)控制電路里有兩塊LM393集成運(yùn)算放大器，分別用于檢測適配器電量和鋰電池電量，當(dāng)適配器掉電時(shí)LM393會(huì)給Arduino發(fā)送高電平信號觸發(fā)聲光報(bào)警，當(dāng)鋰電池電量低時(shí)LM393直接輸出高電平點(diǎn)亮LED，若系統(tǒng)及時(shí)上電，則報(bào)警解除。endprint

電源管理模塊主要通過兩塊LM393運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)主要功能。電源管理核心電路如圖2所示。LM393（適配器掉電檢測）由5 V鋰電池供電，同向端接12 V適配器，反向端接5 V鋰電池，運(yùn)算放大器持續(xù)輸出高電平，當(dāng)出現(xiàn)意外狀況適配器掉電時(shí)，運(yùn)算放大器輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)Arduino檢測到電平變化，會(huì)控制蜂鳴器和藍(lán)色LED閃爍報(bào)警，若適配器重新連接，則報(bào)警消除；LM393（鋰電池電量檢測）由12V適配器供電，同向端接12 V，限伏在5 V以下，反向端接5V鋰電池，運(yùn)算放大器輸出端接紅色LED。正常工作狀態(tài)下，LM393持續(xù)輸出低電平，紅色LED熄滅。當(dāng)鋰電池處于低電量狀態(tài)時(shí)反向端電壓低于同向端電壓，LM393輸出高電平，從而點(diǎn)亮紅色LED，提醒工作人員需要給鋰電池充電。電源管理模塊同時(shí)檢測適配器電源和鋰電池電源，以提醒醫(yī)護(hù)人員可能影響吸氧計(jì)時(shí)的突發(fā)狀況是否發(fā)生。

計(jì)時(shí)器主體部分還有復(fù)位按鈕可給系統(tǒng)復(fù)位，以防系統(tǒng)死機(jī)；具有掉電存儲(chǔ)和累加計(jì)時(shí)功能，以防突然掉電情況下數(shù)據(jù)丟失和無法間斷計(jì)時(shí)的問題出現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)部分運(yùn)用Arduino庫函數(shù)millis（），該函數(shù)從燒錄程序運(yùn)行開始計(jì)時(shí)。因?yàn)橛?jì)時(shí)器是從上電起一直運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)對每一次吸氧時(shí)間的精確計(jì)錄，當(dāng)Arduino接收到傳感器傳送的模擬信號時(shí)，程序調(diào)用millis函數(shù)，并將當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)截取并保存到ROM中，若模擬信號消失，將再一次截取時(shí)間并保存至ROM，結(jié)束時(shí)間和起始時(shí)間的差值即為本次吸氧的總時(shí)間。在氧氣流通期間調(diào)用millis函數(shù)，用millis函數(shù)的返回值減去截取的起始時(shí)間，并在LCD上顯示，即實(shí)現(xiàn)了每次吸氧開始都可以從0計(jì)時(shí)，使用者可以清晰觀察使用情況。計(jì)時(shí)部分主要代碼如下：

if（val>20）//大于20 sccm傳感器輸出電信號

{

if （flag1）

{

T=millis （）/1000；

Start=T；

flag1=0；

flag2=1；

}

lcd.setCursor （10， 0）；

Timer=millis （）/1000-T；

lcd.print （timer）；

}

else if （flag2）

{

T=millis （）/1000；

Over=T；

flag2=0；

flag1=1；

Time=over-start；

Money=per*Time；

Serial.print （Time）；

Serial.println （）；

Serial.print （money）；

}

掉電存儲(chǔ)則是運(yùn)用Arduino promini上集成的0.5 KB E2PROM，累積吸氧時(shí)間、單次費(fèi)用、吸氧費(fèi)率、累積費(fèi)用和密碼按次序存放在相應(yīng)的E2PROM中，每次吸氧結(jié)束計(jì)算吸氧費(fèi)用，數(shù)據(jù)都會(huì)更新并被重新存放到相應(yīng)的存儲(chǔ)空間中，實(shí)現(xiàn)了間斷吸氧計(jì)時(shí)的功能。若系統(tǒng)意外掉電，重要數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

密碼和費(fèi)率通過紅外傳輸更改，系統(tǒng)包含三種模式，即計(jì)時(shí)模式、清零模式、修改密碼模式，每種模式都通過紅外遙控進(jìn)入。

（1）在計(jì)時(shí)模式下，工作人員可以對費(fèi)率進(jìn)行修改，吸氧結(jié)束后程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前輸入的費(fèi)率進(jìn)行計(jì)算；

（2）點(diǎn)擊紅外遙控上的“CL”鍵即進(jìn)入清零模式，在該模式下使用者必須輸入正確的密碼才能將E2PROM中的累積吸氧時(shí)間、單次費(fèi)用、累積費(fèi)用數(shù)據(jù)清零，若輸入錯(cuò)誤不會(huì)進(jìn)行任何修改；

（3）點(diǎn)擊“CH”鍵進(jìn)入修改密碼模式，該模式需先輸入舊密碼才能進(jìn)行新密碼的設(shè)置，輸入錯(cuò)誤則不會(huì)進(jìn)行任何修改。

在計(jì)時(shí)模式下若使用者忘記新設(shè)置的密碼，可以通過“RE”鍵將密碼初始化，但使用者需牢記系統(tǒng)的初始密碼。

4 程序流程圖

4.1 系統(tǒng)主流程圖

將傳感器接口與濕化瓶連接，接上電源，當(dāng)有氣流通過時(shí)，傳感器檢測到信號并輸出0～5 V模擬電壓，傳送至芯片；芯片經(jīng)AD轉(zhuǎn)換將信號處理為當(dāng)前的氧氣流速，通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并計(jì)時(shí)。LCD顯示屏顯示計(jì)時(shí)時(shí)間的主程序如圖3所示。

4.2 紅外遙控設(shè)計(jì)流程圖

控制芯片在接收到紅外遙控輸入的吸氧費(fèi)率后，吸氧結(jié)束階段計(jì)算出吸氧所需費(fèi)用，在LCD屏上顯示出來。系統(tǒng)的操作管理流程如圖4所示。在按下遙控器上的清零鍵后會(huì)要求輸入密碼，密碼正確則成功清零；在按下遙控器上的重置密碼按鍵后，先輸入原密碼，原密碼輸入正確，則LCD顯示屏顯示“CORRECT”，即可輸入新密碼并保存；若忘記密碼，按下密碼復(fù)位鍵即可恢復(fù)初始密碼。

4.3 電源管理流程圖

系統(tǒng)的電源管理由LM393和Arduino共同控制，自系統(tǒng)運(yùn)行起就進(jìn)行不間斷監(jiān)測，若適配器掉電則會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，直至重新上電；若鋰電池為低電壓則會(huì)觸發(fā)光報(bào)警，直至工作人員給鋰電池充電。圖5所示為電源管理流程圖。

5 結(jié) 語

本文所研制的醫(yī)用吸氧自動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)裝置以氣流傳感器采集到的氧氣流通信號觸發(fā)計(jì)時(shí)系統(tǒng)工作，通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的配合來完成實(shí)時(shí)累積計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)、電源管理和簡單的系統(tǒng)管理。樣機(jī)測試和醫(yī)院試用結(jié)果表明，該裝置可精確計(jì)時(shí)并檢測當(dāng)前氧氣流速，計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)安全可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性符合要求，完全滿足醫(yī)院的實(shí)際需求，有效解決了因吸氧計(jì)費(fèi)產(chǎn)生的糾紛。

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