張昱昊 朱偉康 黃磊* 姚宇恒 程淑群 楊錦

（皖南醫(yī)學院醫(yī)學影像學院，安徽 蕪湖 241000）

在靜脈注射中， 血藥注射速度一直是藥物靜脈注射中關鍵的一個物理性劑量， 藥物一旦進入整個人體后還需要在進入血液中迅速達到一定的血藥濃度后亦即有效降低血藥濃度之后才能真正發(fā)揮作用。速度過慢如果達到得不到有效控制血藥濃度，治療癲癇效果就可能會大打折扣;治療速度過快則容易嚴重引起癲癇患者局部胃腸道不適， 誘發(fā)靜脈疼痛甚至導致神經功能紊亂。目前我國大多數醫(yī)院都是在醫(yī)護人員陪護下進行靜脈注射，并根據醫(yī)護人員經驗對給藥速度進行控制，這對醫(yī)護人員的操作經驗是一個很大的考驗， 并且對其工作時間內的體力是一個巨大的消耗。遇到長時間輸液患者時，這無疑是加大了對醫(yī)護人員工作負擔， 若因醫(yī)護人員疏忽在輸液完成后忘記及時拔針或更換藥液， 勢必造成病人身心健康損害并加劇醫(yī)患關系的惡化[1]。在與疾病患者的身體密切接觸中，醫(yī)護人員工作者也存有可能感染其他傳染病的較大風險。如今，全球正經歷著21 世紀繼非典以來最嚴重的一次人類疾病——新冠肺炎， 其以極強的傳染性和高病死率在世界各地區(qū)肆虐。我國作為人口大國也深受其害，但我國積極落實防疫政策，嚴格執(zhí)行隔離措施大大的降低了我們較其他國家的新冠肺炎感染人數。因此設計一套可遠程控制的輸液器用以避免醫(yī)務工作者在工作中受感染率就很有必要。

國外自20 世紀80 年代中期開始對智能液體輸液系統(tǒng)進行研究，目前已獲得運用，并且在國際市場上所占市場份額很大，如日本的TOP-3300、TOP-2200、ot-601 等不同型號的智能輸液監(jiān)控泵已具備優(yōu)良的性能及安全性。另外德國貝朗公司multifuse型、英國smitjssy-1200 型、美國IMED 公司geminipc-2tx 型等都已具有不錯的臨床表現。我國自20 世紀90 年代起從國外開始引進相關設備，這些設備雖能準確控制輸液速率、給藥量并具有報警功能，但價格非常昂貴[2]，并且國外對相關技術也采取了嚴格的保護。目前國內相關技術的自主研發(fā)能力雖在緩步提升，已有相關研究成果發(fā)表， 成型的產品也于近些年逐漸在市面上出現，如北京科力建元、深圳科麥田和濟南歐萊博等機型等，在價格上較進口機型也更具優(yōu)勢，但在性能上還存在較大差距。從技術角度看，目前國內外用于輸液監(jiān)控常用的方法有以下幾種:①探針式監(jiān)測法[3]，這種方法的缺點其一，其中的金屬傳感器頭和摸頭導線探針必須直接插入酸性輸液瓶中接觸到酸性藥液， 易和藥物中的一些成分之間產生劇烈的化學反應， 可能會使得藥物成分產生改變影像藥性， 嚴重的甚至可能直接危及一些疾病晚期患者的生命安全，其二，另外不利于金屬傳感器中的探頭探針重復回收和再利用，安裝也不方便，不符合我國現代醫(yī)學生物藥品安全醫(yī)生衛(wèi)生使用技術標準的相關要求; ②電容式的輸液法，這種方法的缺點是不適合大批量加工生產， 因為每種輸液檢測瓶需要根據不同的容量規(guī)格， 分別設計一套相應的電容輸液檢測裝置[4]，生產成本較高;③光電式的輸液法，工作原理主要是在每個輸液管的漏斗或內外壁分別安裝一對紅外光的發(fā)射管和接收管， 當一種有效的藥液滴下時紅外對輸液管內膜會自動感受接收到光的照射強弱發(fā)生變化， 進而將其轉化成作為參與相應產生電學處理信號的光使強弱發(fā)生改變， 最后通過數控單片機等自動控制電子器件進行處理電學信號即可得到當前輸液滴速和其他條件輸液的相關信息[5]，這種檢測方法不易污染滴液、性能良好、性價比高、測量分析結果較準確;④除此之外，還有機械式、電極式、電磁感應式、超聲波式、光纖式等方法，但這些方法都有明顯缺陷，如機械式智能輸液器，由于過度依賴的物理基礎——彈簧形變量，導致其在精確度方面不盡人意，超聲式的智能輸液器，成本高，體積大，不易安裝，實用性大打折扣，電容式的智能輸液器則需要根據輸液量來制造相對應的輸液容器，性價比偏低。從總體上看，目前智能輸液系統(tǒng)所面臨的主要問題有精確度低，實用性低，性價比低。

據此，為了提高輸液的穩(wěn)定性和有效性，實現智能輸液的實用性，降低在長時間輸液時醫(yī)護工作者的工作強度和感染風險，增進醫(yī)患關系，降低成本，筆者設計了一套可遠程控制的智能輸液系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)不僅可以同時實現對住院輸液回流速度的自動測量和針對輸液回流通斷的自動控制， 同時它還擁有緊急報警提醒功能并可提醒住院醫(yī)務人員及時換藥或執(zhí)行拔罐打針等緊急任務。對于醫(yī)院護士來說，本監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠大大減輕她們每天巡視醫(yī)院病人的時間工作量，提高她們工作效率，降低她們感染其他傳染病毒的風險;對于醫(yī)院患者來說，近乎不需要安排家人24h 專門看護， 也減少了患者時不時需要觀察輸液液位、流速等的麻煩，減輕了患者的焦慮與緊張情緒，對于醫(yī)院、護士、患者及其家屬都是非常有利的。

1 系統(tǒng)硬件設計

單片機STC89C52 作為智能遠程輸液系統(tǒng)的控制核心，用LCD1602 作為顯示設備， 利用CXGO 光電槽型光耦傳感器來檢測液位以及液滴流速，利用步進電機ULN2003 控制閥門從而控制液滴的速度，利用ESP8266 串口Wi-Fi 實現遠程通信。

1.1 STC89C52 單片機核心系統(tǒng)電路設計

STC89C52 使用的是經典的S-MCS-51 內核， 但是我們做了很多的技術改進，它使得這個芯片可以具有很多傳統(tǒng)51 單片式主機不能夠具備的很多功能。掉電自動保護的工作方式下，rami的內容被整個振蕩器硬件保存，振蕩器被硬件凍結，單片上電機一切正常工作狀態(tài)都會自動停止， 直到它的下一個操作硬件自動中斷工作或者是整個硬件自動復位成功為止[6]。最高工作頻率35MHz，6t/12t 可選。

STC89C52 單片機最小系統(tǒng)說明:STC89C52 單片機的最小控制集成電路主要功能包括電源復位、時鐘和控制電源等。在我們擁有了這三個組成部分的控制電路之后， 單片硅電機就可以能夠正常工作運行。單片機的最小化系統(tǒng)的基本原理及其框圖結構如圖1 所示。

圖1 單片機最小系統(tǒng)原理圖

1.1.1 VCC 和GND 為單片機的電源引腳， 為單片機提供電源。

1.1.2 外部按鍵式自動復位電陰控制電路主要由外部按鍵按鍵S1、電解器內部的按鍵EC1 及其內部的復位電陰按鍵R1構成。它還同時具備了手動來電按鍵上門復位及專人上門來電自動按鍵復位等多種功能。系統(tǒng)過程中的上壓下電復位采用按鍵手動接口也就是在系統(tǒng)采集兩個給的高端電壓信號后再次分別進行手動上電復位，就是不自動的對該按鍵進行復位;而在系統(tǒng)中所需要檢測得的輸出電壓由一個比較低電平逐漸緩慢上升下降至一個比較高電平的電壓一段時間后， 在這段較長時間過后， 系統(tǒng)中就會通過直流電陰與電壓接地之間并聯建立一條降壓通路， 然后自動把整個高電平的輸出電流電壓進行了手動拉低， 使得整個給的單片機從一個高電位電流轉換到成為一個低水平電位， 從而也就是說按要求給整個給的單片機自動地再次進行了上電復位，也就是即上壓下電復位。

1.1.3 調頻時鐘信號控制電路主要由電容晶振Y1、瓷片1和電容調頻C1 與晶振C2 構成。所以現在一個沒有數字控制系統(tǒng)芯片的數字電路正常工作運行時其工作也就少不了一個time(時鐘)控制電路，我們就常常需要通過這個時鐘控制電路自動向數字控制系統(tǒng)單元前端發(fā)出一定的控制系統(tǒng)工作時間， 讓其正常工作運行。給需要控制整個芯片正常快速運行的射頻時鐘系統(tǒng)輸出射頻信號， 一般把這種正?？焖俟ぷ鞯男盘柗绞较到y(tǒng)叫做“拍”，以至于為了能夠讓整個射頻控制芯片系統(tǒng)都足夠能正常快速地進行工作， 由于我們現在想要更好地能夠保證每控制一臺射頻控制器的芯片都足夠能正?？焖俚剡M行工作， 提高他的正常信號工作處理能力，我們通過選擇使用11.0592MHz 的晶振和30pF 的射頻電容晶振來對其信號進行正確分類和合理組合，電容為了更好地能夠幫助晶振起震的，滿足了所有的要求數字射頻控制器在一次上下通電后就已經能夠正常工作運行。

1.1.4 JD1 為單片機的下載接口。

1.2 5V 電源電路設計

本供電系統(tǒng)選用5V 直流電源為系統(tǒng)電源，為系統(tǒng)提供直流電。可以直接將電源線插在5V 的電源上，如充電計算機USB、充電寶、移動智能手機無線充電器等等。LED 為一個紅色中的LED 指示燈， 作為判斷控制電路系統(tǒng)電壓是否正確存在有點的電陰指示燈，電陰值設定為1K 時的電陰，起到電壓限流的控制作用。SW 啟動控制開關，開關按下后，紅燈就會點亮，表示有5V直流電壓輸出。開關再次按壓一下后，紅燈就會熄滅，此時無電源輸出。其原理如圖2 所示。

圖2 電源電路原理圖

1.3 步進電機ULN2003 驅動電路設計

步進驅動電機主要是將直流電脈沖驅動信號經過改換后變成角位移或變成直線性的角位移的自動開環(huán)式同步控制驅動電機， 是一種現代工業(yè)數字程序控制和微處理器系統(tǒng)的主要自動實現控制元件，應用領域范圍極為廣泛。在非嚴重超載的環(huán)境條件下，電機的啟動工作量和轉速、停止點的位置只一定能夠直接取決于電機脈沖控制信號的啟動頻率和電機脈沖啟動次數，而且不一定能夠直接地感受到會使電機驅動負載發(fā)生變化的環(huán)境條件等所影響， 當一個進行步進式的驅動器被電機接收并得到某一個步行脈沖式的信號， 它就自然會開始驅動步行漸進式的電機按照設定角度連續(xù)轉動，這個轉動角度做“步距角”，它可以實現脈沖精確定位的控制目標; 同時還因為可以通過對控制脈沖運行頻率的自動控制功能來直接實現對驅動電機高速運行時的運動速度與脈沖加速度的自動控制， 從而可以實現自動調速[7]。

步進傳動電機還不像普通直流傳動電機，交流傳動電機那樣只能在正常工作情況下才可以能夠正常使用。它必須通過采用雙片式環(huán)形功率脈沖控制信號、功率電路驅動控制電路等器件來直接構建的方式控制一個單片式電機系統(tǒng)。所以說只要真正想用好這臺新型步進驅動電機又是很容易的， 它主要涉及工程機械、電機和應用計算機等眾多的相關專業(yè)知識。步進式壓電機機就是將它作為一種機械執(zhí)行驅動元件， 也是機電設備結合執(zhí)行一體化的重要技術產品之一， 廣泛應用于各種大型工業(yè)機械自動化過程管理控制執(zhí)行系統(tǒng)中。隨著我國現代通用微電子和現代計算機信息技術的飛速發(fā)展， 步進驅動電機的產品市場量和需求量與日俱增， 在各大城市國民經濟的重要領域都已經得到了廣泛應用[8]。

本次測試控制中的系統(tǒng)用戶可以抉擇選用4 相5 線圈的步進驅動電機。其生產型號代碼是28byj-48。其具體參數如下。

(1)直徑:28mm；

(2)電壓:5V；

(3)步進角度:5.625 x 1/64；

(4)減速比:1/64。

1.4 LCD1602 液晶顯示模塊電路設計

LCD 圖形顯示器主要可以分為兩種文字符號段字符圖像圖形顯示器和其他文字段或符號段圖像圖形顯示器。其中一個信號字段的實時顯示方式與圖中l(wèi)ed 的實時顯示相似，只要用戶發(fā)送一個字段相應的顯示信號給它， 那么這個信號字段的數據管腳也就一定會被認為能夠實時地進行顯示。字符排序表示法就是按照所有的需要字符來排序顯示一個基本的英文字符。本文的設計主要使用的方法是一種使用字符式控制顯示器的方法。該控制系統(tǒng)中主要部分使用了LCD1602 作為一個輸出顯示控制元件使用來進行輸出顯示信息。與目前市場上各種傳統(tǒng)的LED 系列數碼管液晶顯示驅動元件模塊相比， 液晶數字顯示驅動模塊不僅具備了元件體積小、功耗低、顯示視頻內容豐富等諸多顯著優(yōu)點， 而且不必再過分依賴于元件外加的顯示驅動控制電路， 現在這些新型液晶數字顯示驅動模塊已發(fā)展成為數控單片機在各種應用流程設計中最常見的一種液晶顯示驅動元件。LCD1602 可以直接自動顯示2 行16 個帶有英文的簡體漢字[9]。

系統(tǒng)中主要采用了LCD1602 作為輸出顯示屏該器件進入輸出的顯示信息。在本系列電路元件中的一個手動電位器中就可以通過手動調節(jié)一個液晶電視顯示的顏色對比度即清晰。它的具體集成電路工作原理如圖3 所示。

圖3 顯示模塊原理圖

1.5 蜂鳴器報警電路(低電平有效)設計

有源發(fā)聲蜂鳴器喇叭是一種采用集成電路一體化供電結構的家用電子訊號音響器， 采用各種交流和低電壓器件進行電源供電，它是音頻和圖像發(fā)聲的重要器件。本設計系統(tǒng)所用的需要電路采用的有源蜂鳴器自動報警控制模塊被系統(tǒng)稱為5V 的主機有源自動蜂鳴器報警模塊， 電路中分別采用了三極晶閘管9012 來對其進行方波驅動， 其限流電陰裝置是一個自動限流保護電陰，起到自動保護限流功能[10]。如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器報警電路原理圖

1.6 CXGO 光電槽型光耦傳感器模塊電路設計

本光電槽型光耦傳感器采用基于紅外對管模塊的光耦傳感器。該傳感器具有一對紅外線的發(fā)射和接收管，發(fā)射管在檢測方向上發(fā)射紅外線，當檢測到的方向上遇到一些障礙物時，紅外線就會反射了回來由接收管進行接受， 經過了比較器的電路處理后，指示燈就會自動亮起，同時在接口中信號輸出接口中就會輸出一個數字信號(一個低電平的信號)，此傳感器廣泛用于電機轉速檢測，脈沖計數，位置限位等[11]。

模塊接口說明

(1)VCC 電源正；

(2)GND 電源負；

(3)DO 數字量輸出；

(4)AO 無效。

光電槽型光耦模塊模塊接口原理圖如圖5 所示。

圖5 光電槽型光耦傳感器模塊原理圖

1.7 ESP8266 串口Wi-Fi 模塊設計

ESP8266 是一款超低能耗功率的無線UART WIFI 通傳透傳無線模塊， 擁有業(yè)內最具市場競爭力的無線封裝尺寸大小和全尺寸和超低功率能耗等新一代技術， 專門針對各種移動智能設備和工業(yè)物聯網等各種應用而進行設計， 可將不同用戶的各種物理移動設備直接相互連接在一個Wi-Fi 無線網絡上， 進行移動互聯網或其他局域網無線通信， 實現移動互聯網的無線功能。

通過對以上各個電路模塊的分析與設計，最終設計出完整的遠程智能輸液系統(tǒng)硬件電路。

2 系統(tǒng)軟件設計

由于整個過程比較復雜，且其計算量較大，用到了相對更多的浮點數進行計算，所以該程序的設計和編寫都是采用C 語言。本文在設計中需要采用的這種單片機軟件開發(fā)操作環(huán)境主要軟件是基于Java 的Keil。主程序流程如圖6 所示。系統(tǒng)上電后，首先對端口、定時器、LCD 初始化，調用LCD_WriteString()函數，進行循環(huán)。系統(tǒng)在每個循環(huán)內，先調用LCD_Show()函數，按鍵設置滴數，將測得的滴數與設定的滴數值進行比較，等于或超過設定的滴數值時則報警，以此完成了一次對輸液速率，精度的簡單控制及反饋。

圖6 主程序流程圖

3 測試結果及分析

本文主要設計了一種基于STC89C52 單片機的智能醫(yī)療輸液系統(tǒng)(如圖7)，該系統(tǒng)可以實現對輸液量的測量和輸液遠程控制，同時擁有報警功能。其測試結果如下:

圖7 智能遠程輸液系統(tǒng)實物圖

(1)可通過按鍵對輸液總量進行設置(默認設置滴數);

(2)可通過紅外對管完成對輸液量的監(jiān)測;

(3)可通過計算藥液總量和輸液量完成對警戒液位的報警;

(4)LCD 可顯示輸液總量、剩余量、瞬時速度;

(5) 可通過ESP8266 對電機進行遠程控制其通斷來完成對藥液的滴出和暫停。(實驗中通過電機旋轉后固定在其轉子上的遮擋板伴隨旋轉通過紅外對管來模擬液滴的滴出)。

4 結論

本文主要設計了一種基于STC89C52 單片機的智能醫(yī)療輸液系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現對輸液速度的測量和輸液的遠程控制，同時擁有報警功能提醒醫(yī)務人員換藥或拔針等任務。對于各級醫(yī)院的護士而言， 本次巡視監(jiān)控管理系統(tǒng)應用可以有效地大大減輕她們在醫(yī)院日常巡視中可能發(fā)生的對病人的心理壓力和日常工作量，提高其日常工作效率，降低各種傳染病的發(fā)生風險;對于一些糖尿病病的患者來說， 既不必再經常需要他們父母或者其他家人們的照顧， 也大大減少了我們需要時不時地派人去醫(yī)院觀察其進行輸液時的狀態(tài)等具體情況的麻煩， 減輕了一些患者焦慮以及心理上的情緒，對于醫(yī)院、護士、患者及其病人家屬來說是非常有利的。關于本文的研究， 還有很多工作拓展，主要集中在以下幾個方面:第一，在輸液的過程中，可以通過添加溫度傳感器和脈搏傳感器來針對一個人的身體溫度和脈搏情況進行檢測，提供更多的滴速調節(jié)判斷方式，從而促進整個系統(tǒng)的完善。第二，可以添加對電機的轉速控制，設置多個流速值來更好的實現對輸液時流速的控制。第三，進一步優(yōu)化軟、硬件，提高系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定。第四， 可以提升系統(tǒng)軟件的人機交互體驗。