岳秀明 王紅 左振永

摘 要：為了解決醫(yī)院或小型診所中輸液問題，采用STC89C51單片機(jī)作為核心模塊，通過按鍵設(shè)定輸液速度，監(jiān)測無液滴滴下或者輸液速度異常，進(jìn)行聲光報警，并通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動對輸液速度的調(diào)整，不用人看護(hù)就能安全地完成輸液過程。在輸液過程中如果有情況能及時報警并停止輸液，有效的節(jié)省了人力、物力、財力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);傳感器;步進(jìn)電機(jī);滴速

緒論

目前醫(yī)患比例失調(diào)，醫(yī)護(hù)人員也無法滿足所有患者輸液過程的陪同，輸液過程中要時刻監(jiān)查液滴滴速。如果病人在輸液的過程當(dāng)中有其他的需要，例如走動等情況的發(fā)生，很可能會造成輸液速度的異常。設(shè)計出能夠顯示實時滴速并且當(dāng)?shù)嗡俑哂诨虻陀谠O(shè)定值以及監(jiān)測到無液滴滴下時發(fā)出聲光報警信號的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，可以幫助患者監(jiān)控輸液過程，解決了患者輸液時無法休息的問題。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是由護(hù)士站、病床以及病床和護(hù)士站之間的數(shù)據(jù)通信三大部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（一）主控單元

本系統(tǒng)主要是采用STC89C51單片機(jī)作為主控芯片來進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和處理。此款單片機(jī)是一個內(nèi)部擴(kuò)展到了8k字節(jié)集成可編程功能flash的新一代MCU。同時外部擴(kuò)展了更多的通用IO口，雖然它也是搭載51內(nèi)核單片機(jī)，但是整體的結(jié)構(gòu)和功能相比較傳統(tǒng)的51單片機(jī)做了許多的改進(jìn)，為相當(dāng)一部分工控領(lǐng)域難題提供了解決方案。因此此款單片機(jī)可以選用為本設(shè)計的主控芯片。

（二）點滴監(jiān)測單元

本系統(tǒng)主要采用的是對射式紅外傳感器。發(fā)射器通過信號調(diào)制電路，發(fā)射出紅外線。紅外線的接收過程是將載波控制信號通過光學(xué)濾波器后轉(zhuǎn)化成電信號。由于信號轉(zhuǎn)化十分微弱，因此需要能量放大電路將信號放大之后進(jìn)行信號甄別。經(jīng)過信號放大之后，傳感器采集到了載有不同信息的電壓，通過電壓比較器轉(zhuǎn)換成高低電平傳給單片機(jī)[1]。單片機(jī)根據(jù)高低電平的輸入信號頻率，通過一定的算法來計算液滴的滴速。

紅外線傳感器發(fā)射端和接收端中都用到了LM393芯片，LM393芯片為電壓比較器，它的原理是將紅外接收管的電壓信號和自己設(shè)置的閾值進(jìn)行比對，從而輸出高低電平，高低電平用于單片機(jī)判斷輸液此時處于哪個狀態(tài)。

（三）聲光報警單元

報警系統(tǒng)比較簡單通過一個三極管控制蜂鳴器的通斷，其實蜂鳴器還有很多種的鳴叫方式，以便更能引起人們注意，可以通過軟件編碼實現(xiàn)，這里主要進(jìn)行討論硬件的電路設(shè)計。三極管的知識在這里得到充分應(yīng)用，其實這里還可以使用MOS管來進(jìn)行替換。本設(shè)計直接在PNP三極管的發(fā)射極端口接上蜂鳴器，基極端串聯(lián)電阻接單片機(jī)引腳，單片機(jī)通過控制信號中斷來操控蜂鳴器，控制簡單方便[2]。

（四）滴速顯示單元

為了能夠?qū)崟r顯示液滴滴落速度，顯示系統(tǒng)外接了一個數(shù)碼管用于可視化。本設(shè)計采用數(shù)碼管進(jìn)行設(shè)計，可以清晰的顯示當(dāng)前值，并且節(jié)省能耗。數(shù)碼管還可以工作在寬電壓下，支持3.3V以及5V供電模式。數(shù)碼管模塊需要注意的是單片機(jī)的引腳只有P1是上拉模式，其他都是不帶上拉電阻的[3]。另外單片機(jī)的最大拉電流和灌電流也需要考慮在內(nèi)，防止導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或者過早損害。

（五）步進(jìn)電機(jī)控制單元

當(dāng)系統(tǒng)判斷輸液結(jié)束時，通過發(fā)送控制指令，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角，從而加緊輸液管路結(jié)束輸液。本設(shè)計的執(zhí)行結(jié)構(gòu)通過單片機(jī)發(fā)送對應(yīng)的脈沖指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動對應(yīng)轉(zhuǎn)角，此次設(shè)計采用42BY015型步進(jìn)電機(jī)，采用ULN2003芯片構(gòu)成了一個完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（六）無線通信單元

本設(shè)計采用了無線通信的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。315M無線傳輸模塊適合短距離傳輸，受外界干擾小。為了降低成本同時縮短開發(fā)周期，采用315M無線傳輸模塊，將輸液主站和從站串聯(lián)起來，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性。315M無線傳輸模塊分為發(fā)射模塊和接收模塊。整個模塊主要采用了SC2262以及SC2272M4芯片作為無線傳輸?shù)闹饕酒?。這兩塊芯片成對配合使用，分工明確。SC2262作為發(fā)射芯片，主要是用于將信號調(diào)試完成之后進(jìn)行發(fā)射。它是一款將載波振蕩器、發(fā)射單元、以及其附屬電路集成于一身的集成電路。接收端SC2272芯片檢測到當(dāng)前地址與發(fā)射芯片的地址一致時，便可接收數(shù)據(jù)。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用51MCU系列作為核心功能模塊，核心模塊用于信息的處理。因此在軟件代碼的開發(fā)上選擇了兼容51系列MCU的C語言軟件開發(fā)的環(huán)境KEIL uVision4。主程序設(shè)計流程主要是定時器初始化，調(diào)用顯示子函數(shù)，顯示滴速。調(diào)用計算函數(shù)，根據(jù)單片機(jī)對信號的處理，判斷出有沒有液滴的信號，如果有液滴信號，利用液滴計算法計算出實時滴速，在數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前的滴速值，如果沒有液滴信號，結(jié)束該程序。

四、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)后，將對系統(tǒng)的進(jìn)行測試，測試是否實現(xiàn)相應(yīng)的功能，驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性和合理性。在經(jīng)過系統(tǒng)靜態(tài)測試沒有發(fā)現(xiàn)錯誤后，進(jìn)行整個系統(tǒng)的測試，將系統(tǒng)連接電源，開始模擬輸液情景，當(dāng)?shù)嗡俚陀诨蚋哂谠O(shè)定值以及檢測到回血時，10秒內(nèi)會觸發(fā)報警，數(shù)碼管上將會顯示橫線，蜂鳴器和LED燈光同時響應(yīng)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)九十度夾死輸液管。

五、總結(jié)

本文設(shè)計的是醫(yī)院護(hù)士站智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，它是基于STC89C51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)的。使用紅外對管采集輸液信息，然后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)分析和處理采集到的數(shù)據(jù)信息，然后對比當(dāng)前滴速和按鍵設(shè)定的滴速，如果當(dāng)前滴速和設(shè)定滴速不相同，將會觸發(fā)聲光報警單元，護(hù)士站和病床同時進(jìn)行聲光報警。本系統(tǒng)用信息化手段實現(xiàn)了護(hù)理信息規(guī)范化，護(hù)理工作量精準(zhǔn)化等。

參考文獻(xiàn)：

[1]王海，王建衛(wèi)，周熠，熊天潤.基于單片機(jī)STC89C51輸液監(jiān)控裝置報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子制作，2016（23）：20+22.

[2]朱越，姚松麗，陸欣輝，楊天豪，林一凡，朱曉晨.基于單片機(jī)的無人值守輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2018，17（14）：70-71.

[3]上官光華.高精度輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2015.

[4]韓曉光.智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)[D].寧波大學(xué)，2017.

[5]孫海微.無人監(jiān)守輸液自動監(jiān)控系統(tǒng)[D].長春：吉林大學(xué)，2018.