一种具有恒温加热功能的输液控制报警器的设计

张薇薇

（西安邮电大学陕西西安710121）

目前，我国大多数医疗机构采用的静脉输液器，大部分都采用悬挂方式，即依靠重力原理进行输液。遇到寒冷天气，对于一些特殊病号，比如患有冠心病、高血压、脑梗等的病人，如果输入的液体较冷就会刺激血管，会出现血管痉挛、体温升高、血压升高等危险症状。过去，医护人员和家属通常采用的方法是在进针部位热敷，但这会使药液的温度忽高忽低不稳定，对药性的稳定性和疗效有一定的负面影响，使用时极其不方便。输液过程中，还需要根据病人的病情和药物来选择合适的输液速度。输液过程中，医护人员必须定时进行巡视，造成了人力资源的浪费。

针对上述问题，设计出一种智能输液控制报警器，该报警器在出现险情时发出警报的同时，还具有恒温加热的功能。有着很实际的意义，能够有效阻止事故的发生，具有重要的推广意义和较好的社会效益、经济效益。

1 系统结构示意图及功能简介

系统以MSP430G2553芯片为控制核心，包括固定连接在输液架上的药液重量传感器、药液水浴加热器和输液控制报警器，药液水浴加热器包括套装在输液针管上的加热水容器，加热水容器的顶部设有加热水添加口和金属筒，金属筒内设有温度传感器，加热水容器内部设有加热控制继电器；输液控制报警器包括微控制器模块和电源模块，温度传感器与微控制器模块相接，微控制器模块的输入端接有按键操作电路模块和信号调理电路模块，微控制器模块的输出端接有液晶显示电路模块、加热控制继电器、蜂鸣器报警电路模块和发光二极管报警电路模块。如图1所示。

图1 恒温加热输液报警器的结构示意图Fig.1 The schematic diagram of constant temperature heating function control alarm

本报警器可以实现多种功能，具体如下：

1）温度控制功能，利用温度传感器进行温度检测，并通过设置上下限对温度进行继电器加电/断电的温度控制，并对当前温度和继电器状态在数码管上进行显示。

2）流速控制功能，通过重力传感器检测药液的变化量，根据此计算出药液的流速。当出现跑针时，流速下降，驱动蜂鸣器报警；当药液重量达到临界值，即输液即将完成时，蜂鸣器报警。

3）具有加温功能：通过加热吊瓶周围的水环境从而实现间接加温要求。

2 系统硬件设计

报警器的电路原理图如2所示。通过操作按键操作电路模块设置药液重量阈值和加热水温度阈值，输液过程中，温度传感器对加热水温度进行实时检测并将所检测到的信号实时输出给微控制器模块，微控制器模块控制液晶显示电路模块对温度传感器检测到的实时加热水温进行显示，并将温度传感器检测到的实时加热水温与加热水温度阈值相比对，当实时加热水温小于加热水温度阈值时，微控制器模块控制加热控制继电器接通电源模块为半导体加热片供电的供电回路，半导体加热片开始对加热水容器内部的加热水进行加热，进而对流过输液针管的输液液体进行加热后再输给病人，避免了病人因输液液体温度过低而出现不适；同时，药液重量传感器对输液瓶及其内部的药液重量进行实时检测，并将其检测到的实时药液重量经过信号调理电路模块进行放大、滤波和A/D转换处理后输出给微控制器模块，微控制器模块控制液晶显示电路模块对药液重量传感器检测到的实时药液重量进行显示，将药液重量传感器检测到的实时药液重量与药液重量阈值相比对，当实时药液重量小于药液重量阈值时，说明输液瓶内的药液即将输完，微控制器模块控制蜂鸣器报警电路模块发出声音报警信号，并控制发光二极管报警电路模块发出闪光报警信号，提醒医护人员、病人或病人家属及时采取相应措施。

图2 恒温加热输液报警器的电路原理框图Fig.2 The circuit principle diagram of constant temperature heating function control alarm

2.1 温度传感器

本报警器的重点在于对水温的采集和读取。要求测温的范围在0～40℃之间，精度要求在0.5度左右。需要实时采集，实时读取。采用温度传感器DS18B20进行测温，DS18B20精度高，成本低，易于采集信号。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。为了尽量提高测温精度及灵敏度，通过液晶显示当前温度，并根据既定的温度上下限判断当前温度是否超限。若温度低于下限，则将继电器状态设为开，即接通外部用电器；此时，温度会逐渐升高，而当温度升至上限，单片机则会使继电器断开，即关掉用电器。

通过DS18B20来读取实际温度。将所读取的若干次温度化为数据通入单片机程序中的PID算法。PID算法用于计算实测值与预定之间的差值，并根据计算结果控制单片机的下一步命令，决定继电器的通断。继电器控制电路的通断，从而达到加热与停止加热的目的。需要注意的是加热水袋是典型的滞后系统，所以加热到预定温度之前就应该停止加热。

2.2 加热控制继电器

本模块设计是为了控制加温系统的通断，故采用5VDC—8A，250VAC继电器。单片机I/O口输出经JK触发器扩流，经光耦隔离，再用ULN2003D驱动，并且使用LED指示继电器的通断。两端子分别为220 V电压输入和输出端。具体电路如图3所示。

图3 继电器驱动电路Fig.3 The relay drive circuit

3 系统软件设计

系统各模块的初始化包括基础时钟模块、MCU内部各功能模块、定时器模块，设置堆栈、I/O口配置，同时建立中断向量表以及其他参数和变量的初始化等。滴速的设定可以按键也可以手动调节，如果没有设定则认定为默认值。在启动定时器时开始定时，允许单片机响应外部中断的请求，也可响应内部定时器中断的请求。程序流程图如图4所示。

在系统初始化完成以后，进入主循环。在主循环以中断方式进行A/D采样，采样结束唤醒CPU，进行采样结果读取和数据处理过程。并等待定时器1 s定时中断的到来，在定时中断中，进行温度比较并根据比较结果控制继电器动作，然后，刷新数码管显示结果。其中，初始化程序主要对系统时钟、ADC工作方式、定时器工作方式进行设定，对I/O口进行初始化，对液晶进行初始化并令其显示初始字符并使能相关中断。A/D采样采用单通道单次采样，每采样10次取平均值，计算一次温度值。采样过程时单片机进入低功耗休眠状态，在ADC中断中唤醒CPU。定时器设置为定时1 s中断一次，在中断中刷新数码管显示，并根据当前温度值控制继电器动作。

图4 主程序流程图Fig.4 Main program flow chart

4 结论

能够对输液液体进行加热使输液液体恒温输给病人，避免了病人因输液液体温度过低而出现不适；还能够对药液重量进行实时检测，并在输液瓶内的药液即将输完时，发出报警信号提醒医护人员、病人或病人家属及时采取相应措施，输液过程中医护人员不再需要进行不定时巡视，节约了人力资源，避免了药液输完没有及时发现造成的医疗事故的发生。使用时与输液瓶内药液无任何接触，无污染，使用安全性高。其结构简单，设计合理，实现方便且成本低，使用操作便捷，功能完备，工作可靠性高，使用安全性高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

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