基于單片機(jī)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著我國醫(yī)療行業(yè)的不斷發(fā)展，對應(yīng)的醫(yī)療設(shè)備也在不斷革新。針對護(hù)理人員在輸液監(jiān)控問題上的繁重工作，本文設(shè)計了一種成本低、可廣泛應(yīng)用的點(diǎn)滴自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將輸液的滴速檢測，液位判斷和輸液速度控制結(jié)為一體。主要使用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)輸液瓶的高度控制針孔處的液體壓強(qiáng)，從而調(diào)節(jié)輸液速度。在輸液速度不在設(shè)定范圍內(nèi)或輸液瓶內(nèi)無藥液的時候，發(fā)出報警通知護(hù)理人員。該系統(tǒng)可以減少因輸液問題引起的不良事件，減少因為護(hù)理人員疏忽而造成患者的醫(yī)患糾紛。這對提高醫(yī)院服務(wù)和維護(hù)醫(yī)患關(guān)系平和具有十分積極的意義。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；輸液監(jiān)控；步進(jìn)電機(jī)；報警。1引言靜脈輸液在17世紀(jì)初開始發(fā)展，實現(xiàn)了第一例人與人之間輸血，在20世紀(jì)隨血型、腸外營養(yǎng)支持的發(fā)現(xiàn)而開始蓬勃發(fā)展，在目前已經(jīng)成為了我國日常疾病的臨床治療的重要手段，在平常護(hù)理人員操作的時候，基本都是按照經(jīng)驗和肉眼觀察，對輸液吊瓶上的滑輪手動調(diào)節(jié)。本次設(shè)計可以通過水位傳感器和紅外光電開關(guān)對藥液水平和滴液速度進(jìn)行實時監(jiān)控，并在點(diǎn)滴速度超過設(shè)置的最高值和最低值的時候以及輸液瓶內(nèi)無藥水的情況下進(jìn)行蜂鳴器報警和亮燈。1.1研究意義及背景靜脈輸液在醫(yī)療場景中有著廣泛的應(yīng)用，但是輸液的速度也有著十分嚴(yán)格的要求，在面對不同病情、年齡的患者的時候輸液的速度和總量都有著不同的要求，甚至對于不同的藥物也有著不一樣的規(guī)定。當(dāng)輸液速度過快時，一般的會出現(xiàn)手脹痛、寒戰(zhàn)和頭暈的情況，如果患者是老年人則會加重患者的生理負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重的會引起各種健康不良反應(yīng)。當(dāng)輸液速度過慢時，對于一些濃度依賴性較高的藥物可能會使它的血藥濃度變低，從而使一些需要血藥濃度高的藥物失去作用，其次在一些特殊情況下需要快速地進(jìn)行輸液，如脫水或休克REF_Ref2608\r\h[1]。在面對這種情況時點(diǎn)滴速度的監(jiān)控能夠?qū)崟r反映點(diǎn)滴的速度，使得輸液速度能夠按照最理想的效果對不同病人實施救治。在輸液過程中，還有一個隱患是在藥液從輸液瓶中輸完后，針頭如果一直留在病人血管內(nèi)，則會不停地向血管注入空氣，危害患者的生命安全。一般來說，對于這種情況都是護(hù)理人員進(jìn)行監(jiān)管，但輸液報警功能從一定程度上減低了護(hù)理人員的工作量，使得護(hù)理人員在工作過程中能夠更好地觀察病情和服務(wù)患者。減少了因為各種原因疏忽，導(dǎo)致不良事件的發(fā)生,減少了醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)患糾紛,這對提高醫(yī)院服務(wù)和維護(hù)醫(yī)患關(guān)系平和具有十分積極的意義。1.2國內(nèi)外研究狀況目前市場上主流的輸液設(shè)備主要包括輸液泵、注射泵兩種基本類型。輸液泵性能強(qiáng)大，可快速調(diào)節(jié)輸液速度，但是價格昂貴無法在普通注射區(qū)大規(guī)模安裝。注射泵與輸液泵一樣擁有輸液速度控制準(zhǔn)確和快速調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，但是由于使用注射器進(jìn)行輸液，在需要快速輸液的應(yīng)用場景下，無法發(fā)揮作用，而且價格昂貴。在國內(nèi)的輸液設(shè)備領(lǐng)域ZNB系列輸液泵、WZ系列注射泵是屬于較早的一批產(chǎn)品，分別由力建元公司和位于浙江的史密斯公司研發(fā)[2]。但是都有著輸液精度低，調(diào)節(jié)時間長，價格昂貴的缺點(diǎn)。由于目前該類輸液設(shè)備在國內(nèi)研發(fā)力度低，時間和資金成本投入小，只能在國外的成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)下進(jìn)行改良。導(dǎo)致當(dāng)前國內(nèi)的輸液設(shè)備精度和穩(wěn)定度不足，可靠性低，在各級醫(yī)院中未能廣泛使用REF_Ref12669\r\h[3]德國MEDRAD公司的高壓造影注射系統(tǒng)，有機(jī)械停止功能還增加了輸液保溫功能，另外日本TOP-3300和TOP-2200輸液泵，輸液密度在±3%，滴速精度在±2%。日本JMS株式會社的SP-500微量注射泵，日本ATOM公司的P-600輸液泵等產(chǎn)品的技術(shù)也較為成熟，安全性能較高REF_Ref12551\r\h[4]，在醫(yī)院也有相對應(yīng)地引入。、但是由于此類產(chǎn)品價格昂貴，僅僅適用于危重病人的監(jiān)護(hù)，對于緩解工作量巨大的普通門診部門的醫(yī)護(hù)人員工作量并無實際作用。目前市場上大部分的輸液報警器、輸液泵和注射泵體積相對來說較大且價格昂貴，受到輸液場地等的限制，也不適合大批量地放置在普通門診輸液區(qū)，限制了其使用范圍。因此，面對普通門診工作量巨大但相較于急重癥區(qū)病人精度要求相對較低的輸液監(jiān)控需求，目前最優(yōu)的解決方案是通過在輸液瓶外布置自動點(diǎn)滴系統(tǒng)，從而實現(xiàn)泛用性強(qiáng)且價格低適合大批量布置的需求。2設(shè)計方案 本設(shè)計使用STC89C52作為上位機(jī)，外圍電路由紅外光電開關(guān)、水位傳感器、步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)了滴速和液位檢測并對異常狀況報警和輸液速度調(diào)節(jié)的功能。2.1滴速控制方案方案一：通過調(diào)節(jié)輸液器上的滑輪控制滴速，該方案屬于對現(xiàn)實調(diào)控點(diǎn)滴速度的復(fù)現(xiàn)，但是由于輸液瓶的設(shè)計問題使得電機(jī)難以安裝在滑輪處，通過電機(jī)調(diào)節(jié)難以實現(xiàn)。方案二：通過調(diào)節(jié)輸液瓶的高度控制針孔處的液體壓強(qiáng)，增加輸液速度，隨著輸液瓶高度升高，瓶內(nèi)液面到針孔處高度也逐漸升高，針孔處壓強(qiáng)變大，滴速相應(yīng)變快。通過電機(jī)多次試驗可相對容易地得出滴速與輸液瓶高度的關(guān)系。比較兩種方案，方案二實現(xiàn)可能性更高，故采用方案二。2.2點(diǎn)滴檢測方案方案一：E18-D80NK紅外光電傳感器。通過傳感器內(nèi)的發(fā)射器對輸液瓶發(fā)出紅外光束，光束接觸到在點(diǎn)滴的藥液時反射會傳感器內(nèi)部的接受器，通過檢測電路將信號輸出至單片機(jī)，該檢測方式便宜，安裝、調(diào)試簡單。方案二：靜壓式測量：該測量方式使用壓力傳感器安裝在輸液瓶的底部，通過檢測藥液對輸液瓶底部的壓力，在檢測時藥液滴落到輸液瓶中時，輸液瓶底部的壓力發(fā)生變化，壓力傳感器將信號發(fā)送到單片機(jī)。但該方案對傳感器的精度要求非常高，難以找到相應(yīng)的傳感器或者該傳感器價格過于昂貴REF_Ref15621\r\h[6]?？紤]到實際成本與使用環(huán)境需求，方案一的紅外光傳感器價格便宜，易于安裝，方案二壓力傳感器要求精度過高，價格昂貴，綜合考慮方案一比較合適。2.3液位檢測方案方案一：超聲波傳感器。利用超聲波碰到藥液的液面后放射被接受器接收并且轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給單片機(jī)，由此來判斷液體的位置。但是該傳感器價格昂貴，性能受到環(huán)境的影響。方案二：雷達(dá)傳感器。與超聲波傳感器的工作原理相似，但雷達(dá)傳感器有一個優(yōu)點(diǎn)可以還原輸液瓶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但對于實際設(shè)計需求并無作用，而且在工作過程中容易受到環(huán)境的干擾，而且價格昂貴，在精度要求不高的場合一般不作考慮。方案三：數(shù)字水位傳感器。通過傳感器表面的導(dǎo)線來判斷水滴的大小，可以通過外加比較器的方法利用電位器來調(diào)節(jié)判斷藥液液位的高低，當(dāng)傳感器傳回單片機(jī)的電壓大于電位器上的分壓時則判斷為低液位，該方案價格便宜且滿足設(shè)計需求REF_Ref13478\r\h[5]?？紤]價格的問題，故采用方案三。 2.4電機(jī)選擇方案方案一：直流無刷電機(jī)。直流電動機(jī)可以實現(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。但是由于直流無刷電機(jī)存在慣性大的問題，在調(diào)節(jié)輸液瓶的高度時容易出現(xiàn)晃動導(dǎo)致出現(xiàn)意外，而且無抱死功能，故不采用。方案二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)擁有快速啟停的特點(diǎn)，通過單片機(jī)對電機(jī)進(jìn)行PWM控制，可以精確的實現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)的控制，在輸液過程中對輸液瓶晃動的影響較少，減少因快速提起或快速降低時的輸液瓶晃動，從而減少意外狀況發(fā)生。故采用方案二。2.5顯示方案的選擇方案一：點(diǎn)陣式數(shù)碼管。通過亮滅組合可以實現(xiàn)數(shù)字、字母和文字的顯示，但是對更改滴速閾值的操作執(zhí)行相對困難，價格也相對昂貴，不具有泛用性。方案二：1602液晶顯示屏。LCD液晶顯示是日常小型電子設(shè)備常用的顯示方案，配合按鍵電路可以使操作人員簡單易懂地設(shè)置滴速閾值和觀察實時的滴速。液晶顯示屏功率消耗很低，顯示效果可以通過外加電位器來調(diào)節(jié)顯示屏背光來達(dá)到更清晰的效果，價格也便宜。故采用方案二。3軟件系統(tǒng)設(shè)計3.1軟件主程序架構(gòu)啟動的步驟為：將各個元器件和部分器件工作所需的中斷進(jìn)行初始化，LCD屏顯示滴速控制信息和當(dāng)前滴速，通過按鍵設(shè)定液滴滴速的范圍，當(dāng)超出滴速范圍的時候或到達(dá)警戒水位時觸發(fā)報警通知護(hù)理人員。整個主流程圖如圖3.1所示：圖3.1主流程圖3.2LCD1602顯示流程圖LCD屏在檢測到初始化指令后進(jìn)行清屏操作，通過主函數(shù)的讀寫指令配合按鍵電路可以使操作人員簡單易懂地設(shè)置滴速閾值和觀察實時的滴速。并將滴速設(shè)定范圍、當(dāng)前滴速顯示在LCD屏上REF_Ref17090\r\h[8]。LCD1602顯示流程圖如如3.2所示：圖3.2LCD1602顯示流程圖3.3滴速檢測流程圖紅外光電開關(guān)通過對單片機(jī)不斷發(fā)出中斷信號，計算出滴速。通過傳感器內(nèi)的發(fā)射器對輸液瓶發(fā)出紅外光束，光束接觸到在點(diǎn)滴的藥液時反射會傳感器內(nèi)部的接受器，通過檢測電路將信號輸出至單片機(jī)，之后再發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)判斷滴速是否在范圍內(nèi)再決定是否啟動報警電路，且將當(dāng)前滴速顯示在LCD1602液晶屏上。圖3.3是滴速檢測的流程圖：圖3.3滴速檢測流程圖3.4液位檢測流程圖液位傳感器檢測是通過數(shù)字水位傳感器檢測到當(dāng)前水位，將水位信號的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出到LM393比較器中，與比較器里另一路的電壓作比較，當(dāng)高于比較電壓時，LM393輸出高電平到單片機(jī)中，表示到達(dá)警戒液位。其流程圖如圖3.4所示：圖3.4液位檢測流程圖3.5報警流程圖主函數(shù)執(zhí)行后，檢測使用者有無按動按鍵觸發(fā)中斷，通過按鍵設(shè)定好滴速報警的最低值和最高值的范圍，然后檢測是否在最低值和最高值范圍內(nèi)，或者水位檢測傳感器檢測到輸液瓶中是否沒有藥液。當(dāng)檢測到滴速超出閾值或者瓶中沒有水時，單片機(jī)啟動報警通知護(hù)理人員，報警流程圖如圖3.5所示：圖3.5報警程序流程圖4硬件電路設(shè)計4.1系統(tǒng)功能分析及總體結(jié)構(gòu)4.1.1系統(tǒng)的功能分析本次設(shè)計采用LCD顯示屏作為顯示方案，紅外光電開關(guān)采集到的滴速和使用者設(shè)定的滴速的閾值將顯示在屏幕上。單片機(jī)選擇STC89C52，紅外光電開關(guān)作為滴速檢測模塊，水位傳感器放入輸液瓶中檢測當(dāng)前液位。按鍵供使用者設(shè)置滴速的最低值和最高值，當(dāng)液滴速度不在閾值范圍內(nèi)時，或者出現(xiàn)輸液瓶內(nèi)無藥水時，報警電路啟動通知護(hù)理人員。當(dāng)速度低于設(shè)定的最高值時，步進(jìn)電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，拉高輸液瓶的高度，加快輸液速度；當(dāng)速度高于設(shè)定的最高值時，報警電路開始工作，步進(jìn)電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，降低輸液瓶的高度，減慢輸液速度。4.1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖圖4.1控制方案整體原理圖4.2模塊電路設(shè)計4.2.1電源電路設(shè)計單片機(jī)利用外部充電寶提供5V電壓，POW接充電寶為單片機(jī)提供電壓，剩余一個引腳3作為在板子上的固定，SWITCH是電源的開關(guān)，POW的引腳1連到SWITCH的1號腳，3號腳作為單片機(jī)的VCC輸出。按下SWITCH上的按鍵后，就可以給單片機(jī)輸出電源VCC。本次設(shè)計的電源電路如圖4.2所示：圖4.2電源電路圖4.2.2按鍵控制電路按鍵使用的是4個腳的瞬動開關(guān)按鍵，連接方式是對角連接GND和單片的I/O口，在按鍵按下時，通路導(dǎo)通，單片機(jī)收到低電平信號，反之收到高電平信號。另外需要在程序內(nèi)加入延時函數(shù)，起到消抖作用。圖4.3為按鍵控制電路原理圖：圖4.3按鍵電路圖4.2.3報警電路報警電路通過蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，單片機(jī)發(fā)出低電平信號時，兩個元器件開始工作，在電路設(shè)計上，由于單片機(jī)的驅(qū)動電流不足以使蜂鳴器工作，所以增加了PNP三極管，作為放大電流的作用REF_Ref17156\r\h[9]。R2為上拉電阻，防止電流過大，蜂鳴器被燒毀。圖4.4為報警電路：圖4.4報警電路圖4.2.4LCD1602液晶顯示電路該系統(tǒng)使用LCD顯示屏作為使用者讀取信息的顯示方案，U2在和單片機(jī)進(jìn)行通信時，選擇是接入單片機(jī)的P0口，在單片機(jī)和顯示屏之間連接4.7KΩ的排阻。RT為電位器也就是俗稱的滑動變阻器，利用RT上分壓的不同，實現(xiàn)背光調(diào)節(jié)功能。本次設(shè)計LCD顯示屏上顯示單片機(jī)處理得出的實時滴速和報警啟動的范圍。其引腳連接圖如圖4.5所示：圖4.5液晶顯示電路圖4.2.5滴速檢測電路本次設(shè)計采用E18-D80NK紅外光電傳感器實時采集輸液瓶中的滴液速度。這是一種NPN型的光電開關(guān)，最遠(yuǎn)可檢測80cm的距離，其中I/O口只會輸出2種電平特性，高低電平，當(dāng)前方有東西遮擋時輸出低電平，反之則輸出高電平REF_Ref18400\r\h[10]。直接旋轉(zhuǎn)電位器就可以調(diào)整檢測距離。光電開關(guān)通過引腳和單片機(jī)進(jìn)行通信，將輸液瓶中液滴的滴速數(shù)據(jù)發(fā)送給STC89C52，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的定時器中斷算出每秒的滴速，在通過LCD屏顯示出來。圖4.6是滴速檢測模塊電路圖：圖4.6滴速檢測模塊電路圖4.2.6液位檢測電路本次設(shè)計采用的水位傳感器是由數(shù)字液位傳感器模塊和LM393芯片組成。通過傳感器表面的導(dǎo)線來判斷水滴的大小，可以通過外加比較器的方法利用電位器來調(diào)節(jié)判斷藥液液位的高低REF_Ref21019\r\h[11]。接10k電阻是為了上拉，把電平鉗位為高電平，R6和R10分壓得到電壓為2.5V。比較器的3口為水位傳感器用來進(jìn)行采集電路得到的電壓為0到5V.，OUT為輸出電平。Lm393當(dāng)電壓大于2.5v就會輸出高電平，低于2.5V輸出低電平。圖4.7為液位檢測電路圖：圖4.7液位檢測電路圖4.2.728YJ-48步進(jìn)電機(jī)電路 因為單片機(jī)的電流不足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作，所以使用ULN2033作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，其輸出口分別連接步進(jìn)電機(jī)的四相，輸入口連接單片機(jī)輸出給步進(jìn)電機(jī)的電流，可以通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大單片機(jī)發(fā)出的電流，達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的功能。圖4.8為步