智能点滴控制系统的设计与实现

张伟光 高宏伟

【摘要】静脉输液监测对保障病人输液安全意义重大。本文设计了一种基于单片机的智能点滴病房呼叫系统，采用单片机作为主控制器，由红外发射和接收管检测液滴，并用动态扫描法实现LED数字显示。由电子称重传感器监测液面的变化，然后由高精度称重传感器 HX711将重力值转换成电压，传送到单片机处理报警。实验证明本系统集声、光、数显示为一体，可以对病人的输液情况进行实时有效的监测报警，避免医疗事故的发生。

【关键词】智能点滴;红外发射和接收;称重传感器

Abstract：Venous infusion monitoring is of great significance to protect the patient transfusion safety.An intelligent drip control system based on single chip microcomputer is proposed in this paper，which uses MCU as the main controller，transmits and receives tubes droplet by infrared，and uses dynamic scanning method to achieve LED digital display.The electronic weighing sensor is applied to monitor the liquid level changes，then the gravity value is converted to a voltage by high-precision weighing sensor HX711，and is transmitted to the microcontroller for alarm.The experiment results show that the system set sound，light，digital display as a whole system，it can infusion on patients of alarm monitoring real-time effectively and prevent the occurrence of medical accidents.

Key words：Intelligent drip;Infrared transmitting and receiving;Weighing sensor

1.引言

静脉输液是临床医疗工作中最常用的、最有效的重要治疗手段。在输液治疗过程中，每年都有一部分患者因输液出现事故：病轻患者因病轻思想麻痹大意或重病患者因输液组数多，陪护人员过于疲劳等原因而出现不能及时换药或拔针头，空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头的情况，造成医疗事故及后续纠纷。目前国内大多数医院中所使用的静脉输液器，大都采用悬挂方式，即依靠重力原理进行输液，并且整个输液过程中医护人员必须不定时地进行巡视，浪费了人力资源。在医疗高峰期，还会出现输液结束，而医护人员没有及时发现未进行处理的情况，这种状况会造成不同程度的医疗事故，给病人和医院双方带来了不必要的麻烦。本文论述了开发的一个智能点滴控制系统。由于输液往往需要很长时间，而护士不能总陪伴在病人左右，该系统能够通过智能化监控，当有问题时自动报警来帮助护士看护病房的病人。

2.系统构成与硬件设计

2.1 系统的整体结构

本系统采用单片机STC12C5A60S2[1]作为主控制器，病房呼叫时，按键传到单片机，由单片机控制一位数码管的显示。由红外发射和接收管检测液滴，然后接收到的信号经一级施密特触发器传送到单片机的中断口，并用动态扫描法实现LED数字显示[2]，据此就可以探测出液滴的计数;由电子称重传感器监测液面的变化，然后由 HX711[3]专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片将重力值转换成电压，传送到单片机处理，实现报警来提醒护士。本系统实现了病房呼叫、点滴计数、监测液面的三种功能，但由于有称重传感器和红外对管，所以环境因素的影响会存在些许误差。本系统的系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.2 红外液滴检测模块

红外液滴检测模块由红外线接收管（红外收发管）[4]构成，它是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，无液滴落下时，接收管与发射管正对，接收管接收到的光强较强，有液滴滴下时，下落中的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的散射作用，导致接收光强的较大改变，接收管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，红外信号经接收管解调后，数据“0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，利用外围电路可以输出产生明显的高低电平的变化，接收管接收到的信号经一级施密特触发器，送单片机的中断口，据此就可以正确的探测出液滴的滴落，实现智能控制。同时也解决了因液体透明而使得发射不明显的问题。红外液滴检测模块电路图如图2所示。

图2 检测液滴电路图

2.3 液面监测模块

液面监测模块由称重传感器测得液面，得到的是一个重量值，然后将重量值传到24位A/D 转换器芯片HX711中进行处理，将其转换成电压值，再传到单片机中由单片机进行整体控制是否报警。本系统采用的平行梁式称重传感器采用连接图如图3所示。

图3 连接图

其中，HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。

2.4 数码管显示模块

本系统中应模块用了一位和四位一体的数码管。一位数码管显示很简单，由单片机控制直接采用静态显示。而四位一体则采用动态方式。

动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低[5]。

LED7-4共阴极数码管的使用条件：

（1）段及小数点上加限流电阻

（2）使用电压

段：根据发光颜色决定;

小数点：根据发光颜色决定

（3）使用电流

静态：总电流 80mA（每段 10mA）

动态：平均电流 4-5mA ;峰值电流 100mA

数码管管脚图4和数码管显示原理图5如图4所示。

图4 数码管管脚图

图5 数码管显示原理图

3.系统软件设计

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统[6]，与汇编相比，C语言在功能、结构性、可读性、可维护性等方面都有明显的优势。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。C51工具包的整体结构，其中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

本系统的开发环境采用了基于Windows的Uvision2 ide开发平台，其包含（下转第173页）（上接第171页）1个高效的编辑器、1个项目管理器和1个make工具。Uvision2支持Keilc51工具，包括C编辑器、宏编辑器、连接/定位器、目标代码到hex的转换器。为提高系统的实时性和系统的可扩展性，本系统软件使用了Keil C51操作系统。

图6 主程序流程图

系统的软件程序主要包括外部中断程序，数码管显示程序，HX711程序设计。其中中主函数含有初始化程序，分别调用称重传感器检测液面，红外收发管监测输液滴数，将采集到的数据传到AD转换器HX711中进行数据转换，调用显示程序将输液数据实时显示。采集到液面数据后将数据与设定液面阈值比较，当超过阈值时响应外部中断调用蜂鸣器报警。同时在正常输液阶段，系统处于等待按键状态，当有按键按下时进行报警。系统以此完成整个系统的运行。主程序流程图如6所示。

4.实验结果

本设计最终能够实现病房呼叫、液滴计数、液面监测这三种功能：

1）病房呼叫的测试结果：当某一病房病人按下按钮，则在医务处会报警提醒并显示相应的病房号。图7为1病房的病人呼叫医护。

图7 病房1呼叫和报警界面           图8 液滴计数界面

图9 液位报警界面

2）液滴计数的测试结果：当病人开始输液时，则在医务处会显示液滴的滴数，护士可以根据计数频率来判断滴速的快慢，来做相应的处理。图8为某病房病人输液的检测结果。

3）液面监测的测试结果：病人在输液过程中，当药液所剩不多时，即滴至某一固定液面时，医务处警铃会报警提醒护士病人即将输液完毕，护士做好医护工作。图9是液滴滴到某液位报警的测试结果。

5.结语

静脉输液是现在医院中常用的输液方式，为解决输液给病人及医护人员带来的麻烦，智能点滴控制病房呼叫系统能够很好的解决问题，因此，本系统有很好的应用前景。智能点滴控制系统可以实现点滴控制并报警的功能，实现了液面监测及液滴计数，最后显示数码管显示病房号以及报警通知护士，由于有称重传感器和红外对管，所以环境因素的影响会存在些许误差，所以还需要做进一步的完善和提高。

参考文献

[1]宋凤娟，付侃，薛雅丽.STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械，2010.6.vol（31）：220-221.

[2]朱士虎，何培忠，王立巍.基于AT89S52超声波测距仪设计[J].仪表技术，2009（6）：22-24

[3]樊毅，秦会斌.基于STM32的高精度电子天平[J].机电工程，2013.1.vol（30）：52-59

[4]高华磊，迟雨杰，张少飞，斐文龙.多功能智能车的论证与设计[J].中国科技信息，2012（11）：141-142

[5]江力.单片机原理[M].清华大学出版社，2006：21-150.

[6]田立，田清，等.51单片机C语言程序设计快速入门[M].人民邮电出版社，2007：242-260.