液体点滴监控装置设计

张 姣

（湖南省怀化市工业学校，湖南 怀化418000）

1 研究意义

电子技术的发展促进了医疗设备的改革，很多传统的医疗设备都需得到改进，而传统的人工监护方式需要耗费大量的人力，显然这种传统方式应该得到改善，我们需要用自动控制设备来取代人工监护。现今医院使用的输液方法大多是挂瓶式静脉输液方式，它依靠医护人员手动调节输液管上的输液夹来控制输液的速度。该装置的研究能实现静脉输液速度的自动控制，医护人员只需根据患者情况通过键盘设定输液速度，装置还能在输液瓶中的药液即将滴完时自动发出报警信号，远程传给医护人员监控端，提醒医护人员更换输液瓶或者结束输液。因此，该装置可以大大减轻了医护人员的工作量，也能使输液速度得到更精确的控制，确保患者的安全。

2 液体点滴监控装置的特点

2.1 液体点滴速度检测

利用光透射原理，用红外对管来实现对液体点滴速度的检测。当没有点滴落下的时候，检测系统输出一个比较低的电压，而当有点滴滴下，经过红外对管，检测电路就会产生一个比较高的电压，如此就可以产生脉冲信号。但检测到的电压变动比较小，所以必须加一个电压放大电路。经过放大的信号再通过一个电压比较器就可以得到单片机可以识别的脉冲信号，从而实现对点滴滴数的计数。通过软件计算，就能得到液体点滴的速度。

2.2 液体点滴滴速控制

通过改变输液瓶的高度就能改变点滴的滴速。医护人员通过键盘输入设定输液的速度，通过比较实际点滴速度与设定点滴滴速，单片机根据点滴滴速的差值来控制电动机的转动，只要偏差存在，电动机就会被控制转动，使得与其相连的输液瓶上下移动。用这种方法，可以实现液滴滴速的调节，使得实际输液的速度与设定的点滴滴速相一致。

2.3 输液瓶缺液及报警

当输液瓶内的药液输完或输液堵塞时，如果医护人员没有及时拔除针头停止输液或更换输液瓶，就会造成回血现象，从而危及病人的生命安全。该装置为了避免这种危险设计了报警系统，当输液缺液或输液堵塞时，系统将会发出报警，提醒病人和医护人员，此时如果医护人员没有及时赶到病房处理，病人可以先自行关闭输液夹，只要输液夹处于关闭状态，就不会出现回血现象，从而可以避免出现危害，此时再等待医护人员来对输液进行处理即可。

2.4 系统的键盘及显示模块

该系统采用两位独立式按键作为键盘，用于设置液体滴速。采用点阵型LCD液晶显示模块，能够显示输液时的实际液滴滴速和预先设定的输液速度。系统的键盘及显示模块相当于人的手和眼睛，使得该装置操作方便灵活。

3 系统设计要求

设计一个液体点滴监控装置（图1），对该装置的要求如下：（1）能够检测液体点滴的滴速；（2）能够显示液体点滴的设定滴速和实际滴速；（3）能够改变液体点滴的滴速，使设定的点滴滴速与实际滴速相一致；（4）能够在输液瓶内的药液过少时产生报警信号，发出蜂鸣报警声。

4 系统硬件电路

4.1 系统基本组成

该装置主要由ATmega16单片机、输液速度检测、输液速度控制、12864LCD液晶显示、两位独立式键盘及其他部分构成，系统框图如图2所示。

图2 系统框图

该系统是由反射式红外光电传感器组成的外部液滴速度检测电路来对输液的速度进行测量，并将测量结果传给单片机，通过键盘设定的液滴速度也传给单片机，单片机对两个速度进行对比，以速度的差值决定控制电路的动作。当液滴速度需要进行调节时，控制电路控制电动机动作。液晶显示模块显示实际的液滴速度和设定的液滴速度。当输液瓶缺液或输液发生堵塞时，系统报警。

4.2 各模块主要电路

4.2.1 ATmega16单片机

AVR ATmega16包含丰富的指令集，时钟周期短，工作寄存器通用，系统功耗小，处理速度良好，寄存器直接依附在算术逻辑运算单元（ALU）上，每条指令每个周期重复读取两次，实际是前一条处理下一条预处理这种方式。RISC架构比CISC架构处理速度快10倍，工作效率高，功耗方面大大减少，系统运行速度也得到提高。

4.2.2 液体点滴的速度检测电路

液体点滴的速度检测主要由TCRT5000红外光电传感器、发光二极管和NE555等组成的电路完成。TCRT5000红外光电传感器的红外二极管会不停地向外部发射出红外线，如果发射的红外线没有被外部反射回来，传感器的光敏三极管就会处于原来的状态不会饱和，相当于红外传感器没有检查到外界信号，其输出低电平，指示灯也不会被点亮。如果红外线被反射回来，就说明传感器检测到了外界信号，光敏三极管处于饱和状态，其输出高电平，指示灯将被点亮。

4.2.3 液体点滴的速度控制电路

该装置输液时液滴的速度控制是先由医护人员通过键盘设定液滴速度，单片机再将外部检测的液滴速度与设定速度相比较，控制电路控制直流电动机的转动，直到两个速度的差值在允许的范围内，控制电路停止工作，电动机停止转动。

将L298N模块作为直流电动机的驱动装置。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输入端能直接与单片机相接，改变其输入端电平的高低，就能实现直流电动机正反转的控制。

4.2.4 液晶显示模块电路

基于128×64点阵的液晶模块就是所谓的显示模块LCD12864，可满足4行4列或8行8列的中文显示，同时可以显示图形。其所需成本相对其他小型显示设备较低，该液晶显示模块相对于其他图形点阵液晶模块来说，硬件电路结构及显示程序都精简了很多，可以显示3种类型字符，还可提供光标／闪烁控制电路。

5 系统的软件设计

5.1 主程序设计

液体点滴监控装置的主程序主要包括初始化和各功能模块程序。初始化模块程序使之前所设定的液滴速度恢复到默认值，显示屏显示程序中设定的需要显示的数据等。功能模块包括液体点滴的速度检测程序、液体点滴的速度控制程序、电机驱动及控制程序、报警控制程序、按键处理控制程序、屏幕显示更新程序等。液体点滴监控装置的主程序流程图如图3所示。

5.2 子程序设计

5.2.1 液滴速度控制程序设计

滴速的控制是通过控制直流电动机的正反转来实现的，其原理是通过改变电动机的转向来改变点滴瓶的高低。

5.2.2 键盘扫描程序设计

行扫描法又称逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，其过程如下：判断键盘中有无键按下，将全部行线置低电平，然后检测列线的状态；只要有一列电平为低，则表示键盘中有键被按下；若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

图3 主程序流程图

判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他线为高电平。在确定某根行线置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

5.2.3 LCD液晶显示程序设计

显示子程序主要是用于判断速度有没有调整的动向和显示点滴速度（包括液滴速度当前值和设定值）。

5.2.4 报警程序设计

本设计采用一个蜂鸣器实现系统报警。当系统液滴滴速检测电路检测到的滴速低于20滴／min时，蜂鸣器发出蜂鸣声报警。报警发生时，需按下复位按钮才能解除报警。

6 结语

该装置设计目的是改变传统的输液方式，实现输液体系的智能化，改善输液系统，尽量减小输液不当及疏忽给病人造成的生命危害，减少医护人员的工作量，其实现了预期设计要求，达到了设计目的。

［1］蓝和慧，宁武，闫晓金.全国大学生电子设计竞赛单片机应用技能精解［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［2］黄智伟.全国大学生电子设计竞赛培训教程（修订）［M］.北京：电子工业出版社，2010.