基于红外光电传感器的输液监测系统设计

李增权等

摘要：现代医学需要对药液的流量或流速进行精确控制，针对医院人工监测病人输液存在的问题，本文设计了基于红外光电传感器的点滴传感器用于对输液泵辅助监测。采用MSP430F413单片机采集数据，通过液晶屏来显示输液总量及输液速度。该设计成品结构简单、体积小巧，操作方便。实际测试表明，该监护器运行稳定，基本无误报现象，安全可靠。

关键词：单片机；红外光电传感器；输液总量

静脉输液是一种最常用的临床治疗方法[1]。目前，医院进行临床输液时，输液速度的调节一般由病人或医院护士来完成，效率不高。特别是在患者增多，医护人手紧张的情况下，这个矛盾尤为突出[2]。在长时间的静脉输液过程中，对护士来说，需要时刻保持紧张情绪，精神压力极大；对患者来说，如果没有陪护人员，患者必须自己时刻关注输液情况，如果稍有不慎，就极有可能导致更换药液不及时，对患者造成一定的伤害。因此，传统的人工输液监护形式有不少弊端，研制一种智能输液监控器，对患者输液过程进行自动化监控，并实现智能管理是医院今后发展的必然趋势[3]。

1系统总体设计

系统功能设计如下：在一定误差允许的条件下，系统实现对液滴的瞬时速度（滴数/min），以及总量计数（ml/h）的监测，作为输液泵的辅助工具用来测量流速以及总量。

系统总体结构见图1。输液监护器由单片机作为主控器件， 外围硬件电路包括输液检测模块、电源模块、按键模块以及报警模块和显示模块组成，单片机内部的软件应用程序由C语言进行编程设计。

2硬件设计

输液监护器直接固定在输液器上，系统选取纽扣电池作为系统电路电源。MSP430F413单片机作为系统核心芯片。单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要是完成与其他电路的接口，从而获得数据进行处理实现各种功能，并且将处理的结果采用液晶屏显示出来。单片机的接口电路非常简单，分别采用单片机的一般I/O口实现与其他电路的接口。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的，本设计采用的晶体振荡器的时钟频率是32768HZ。这里需要考虑干扰的问题，在该系统中的干扰比较小，因此，模拟地和数字地共地，模拟电源输入端增加一个滤波电容以减少干扰。同时接入外围电路用来为LCD液晶屏提供驱动电压，选用的电阻为1MΩ，且在电源端接入0.1uF的电容，用来滤掉微小的波纹，以减少干扰。在干扰不是很大的情况下，单片机可以正常工作实现各种功能。

2.1输液检测模块 目前，采用光电检测技术[4]实现滴速检测是常用的方法。系统选用槽式光电开关LTH-301-32作为检测液滴的传感器。LTH-301-32红外发射管发出的红外光穿过莫菲氏管照射到接收管，当莫菲氏管中没有药液滴过时，光线衰减变弱，此时光电开关输出电流比较强；当莫菲氏管中有药液滴过时，光线会因为药液发生吸收和散射现象，光电开关只能得到比较弱的光信号，因此输出的电流比较弱。因此， 根据光电开关输出电流的强弱就可判断是否有液滴滴下。

2.2报警模块电路 当输液过程异常或输液完毕时，输液监护器会发出声光报警信号，可选用压电式蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器工作时约需10mA的驱动电流，由于单片机输出信号不能直接驱动蜂鸣器，因此外接驱动电路。蜂鸣器作为三极管的集电极负载，当三极管导通时，蜂鸣器发出鸣叫声；三极管截止时，蜂鸣器不发声。

2.3显示模块电路 显示模块主要有液晶LED来实现。系统的显示电路由简单段码液晶LED实现，该电路直接与单片机的I/O端口进行连接，并且MSP430F413具有直接驱动液晶的作用。

3软件设计

MSP430单片机的开发软件常用的是IAR公司的IAR Embedded Workbench集成开发环境，它可以编辑、汇编和编译汇编语言和C语言源文件，并且其C语言和汇编语言具有相同格式的头文件，给开发带来了灵活性。本设计的代码均由C语言编写[5]。

软件程序设计主要包括：定时器Timer_A的初始化，端口设置初始化，显示液晶的初始化，Timer_A的中断程序，端口的中断程序，液晶显示程序和主函数程序。主处理模块主要是实现各个模块软件的交互，并且设置默认显示记录总滴数，瞬時速度。本文主要采用在一段时间内累计相加的算法。

滴数/min的算法采用1min中每10s计1次数，第一个10s计数，计算1min的输液速度，20s计数，然后计算1min的输液速度，以此类推，然后当计时间到1min后，第一个10s的数重新写入，然后计算1min的输液速度，第二个10s再重新写入，计算1min的输液速度，以此类推。每10s刷新一次。利用1min内的计数来算瞬时速度。在第一个1min内10s计数，计算得瞬时速度的误差较大，随着时间的累加，误差逐渐减小。ml/h采用总的计量数计算总滴数转换而得，由于液滴的每滴存在着一定的误差，采用补偿的方法弥补缺陷。

4实验结果

在某市规模最大的一家三级甲等医院进行临床测试，结果显示， 当目测输液滴速在60滴/min左右时，输液监护器不会报警； 当手工缓慢调节滴速至目测低于40滴/min或高于80滴/min时，输液监护器会马上发出声光报警提示；当掐断输液管（模拟输液堵塞或输液结束状态）时，输液监护器也会马上发出声光报警提示。经反复测试， 无误报现象。此外，经实际测试，输液监控系统测得的流速结果见表1。

5结论

本文以单片机为系统核心，设计了一款轻巧便携的输液监护器。当有病人需要输液时， 将输液监护器固定在输液器的莫菲氏管上， 可以实时监测输液情况。临床测试表明，此输液监护器操作简单，安全可靠，可以使护士从繁重的工作中解脱出来，有精力投入到其他工作中，既节约了人力，又充分利用了护士资源。可以预测，医用输液监护系统未来的发展趋势将是把通信技术和单片机技术结合在一起，从而进一步提高系统的性能，使系统更加精密可靠，并且成本低廉，易于推广。同时，网络化和智能化也是输液监护系统未来的发展方向。

参考文献：

[1]李琴.基于MCGS的液体点滴监控系统模型的设计与实现（论文）[J].北京：华北电力大学，2006，1～2.

[2]陈巍，郁汉琪.基于单片机的液体点滴速度监控的研究[J].自动化博览，2009，5（10）：74～75.

[3]张永东，班旭东，高军.输液速度自控系统的设计与实现[J].计算技术与自动化，2004，24（4）：27～28.

[4]兰天，李路云. 医用点滴智能监控装置的设计[J].大连民族学院学报，2004，6（5）：1～2.

[5]马将，杨昆，文宇桥等.医用输液监护器的设计[J].四川理工学院学报，2013，26（2）：39～42.

编辑/许言