智能红外输液控制系统设计

赵思瑶 贾光锋 赵 晨 张甜甜

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

1 引言

静脉输液是通过注入静脉营养品或规定浓度药物来达到治疗效果的常用的治疗手段。该种治疗可以快速补充患者所需的营养，但是如果处理不当会产生许多不良影响。例如如果药物滴注过快或过量输注，会造成输入电解质失衡，严重时甚至会危机病人生命。目前，我国大多数医院及医疗机构普遍利用输液器上的输液阀对输液速度进行调节，但其控制精度不够，而且输液过程中需要人看护，若输液完毕未及时拔掉输液管会发生血液回流现象［1］，其次在输液过程中，医护人员需要不断更换输液瓶，这不仅加大了医护人员的劳动强度，而且病人也需时常注意输液进度，加重病人的心理负担［2］。为了解决这一问题我们可以给每位输液病人配备一个输液自动控制器［3］。近年来关于输液器的研究层出不穷，其基本原理有：重力作用和弹簧原理，浮力原理，电磁感应等传感技术，但基于这些原理的设备构造通常复杂，体积庞大，价格昂贵，使用范围窄，仅有大中型医院采购。而智能输液系统不仅能够实时监测药物温度和输送情况，而且可以根据医生设定的温度恒定加热药液，并在药液输送完毕后自动关闭输液器，通过无线呼叫系统通知医护人员［4］。这种输液器造价低，从本质上改变了传统的输液管理模式，极大地降低医护人员的劳动强度，同时又可降低患者及其陪护人员在输液管理中的心理负担，有利于提高医疗服务水平。

2 系统整体结构

本研究主要是基于51内核STC12C5A60S2单片机［5］、由红外监测、测温加热、电机断流、声光报警以及无线遥控等一系列自动控制综合应用设计出的一种新型的智能输液系统。可实现的功能有：

1）通过按键设置规定的输液速度，实时检测储液瓶中的液面高度［6］，并显示该时的输液速度，如果速度出现异常进行报警；

2）通过按键设置规定的输液温度［7］，系统对输液温度进行自动控制；

3）当输液完成或者患者需要停止输液时，可通过无线遥控器自行控制；

4）当输液结束时，使用声光报警，并自动关闭输液瓶的输入状态，完成输液。

系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

3 硬件设计

3.1 滴速检测模块设计

被检测对象对红外光束产生一定的遮挡或反射导致接收器接收到不同强弱的光线，红外线光电传感器则是利用该种性质来判断物体是否存在。本设计使用红外光电传感器［8］实现对液体点滴速度的检测［9］。当有点滴滴落时，经过红外光电传感器会产生一个相对没有点滴滴落时较高的电压［10］，由于存在电压差而产生脉冲信号，通过单片机对该脉冲信号进行计数处理从而实现对点滴滴数的计数，实现框图如图2所示。

点滴速度测量电路如图3所示。

图2 光投射原理检测电路

由图3所示，由于电源能量恒定，所以红外发射管发射出强度相同的红外线，红外线经外界物体反射后由接收管接收［11］。接收管与发射管处在正相对的位置。当液滴滴下时，下落的液滴对红外光线产生一定的吸收，发散以及漫反射作用［12］，使得接收到的光强产生改变，从而产生一个较长的脉冲。此时产生的波形稳定性差且有噪声，波形形状不理想。因此经过施密特触发器对有噪声的波形进行整形，输出一个正向的脉冲信号送给单片机中断口［13］，通过对液滴滴数的检测来实现对点滴速度的检测（滴/分）。

图3 点滴速度测量电路

3.2 滴速控制模块设计

通过控制一个低功耗的小型步进电机对输液管进行挤压来达到控制液滴流量进而控制低速的效果［14］，理论原理图如图4所示，电机通过主齿轮带动带有齿轮的楔子，挤压在凹槽里达到控制速度的目的。通过键盘设定一个最佳滴速范围，低于最小速度时挤压管子，高于最大速度时松开管子。步进机都有锁存功能。5s内无点滴滴下时，挤压管子，禁止液体流下。

图4 滴速控制理论原理图

检测方法采用测周法，系统中的内部时钟利用定时器0中断计时。通过外部中断使其启动及复位，并读取时间T，通过式（1）：

计算出点滴速度。考虑到实时性的要求选取n为1。实践表明，此种测量方案可以达到设计的精度要求。为了能减小误差准确测量滴速，我们采用求均值的方法，连续测量10个液滴的周期总和求平均。结果表明求均值的方法有利于提高系统测量的准确性。本设计中利用步进电机控制滴速的模块原理图如图5所示。

图5 步进电机控制模块

3.3 测温计加热模块设计

DS18B2是一种常用的数字温度传感器，其有单线接口的优势，采用一只引脚便可以与单片机进行双向通信。本设计采用DS18B2用于在药品的加热与温度的测定，测量范围在0℃～35℃之间。研究表面输液最适合人的温度是18℃～25℃，因此通过软件设定使DS18B20检测到的温度低于18℃时加热片开始周期工作，温度高于25℃停止加热。加热部分采用5v的加热片，给与周期通电，保证低温加热。TQ2-5v继电器通过与单片机引脚P3.7RO相连来控制加热片。温度传感器DS18B20的电路与单片机P3.3INT1引脚连接［15］。当DS18B20读取的温度高于上限时则加热装置等待，当DS18B20读取的温度低于下限时，加热开始工作。如图6，7所示。

图6 加热电路图

图7 测温电路图

3.4 无线传输模块

本设计使用HX1838B作为无线传输的主要器件［16］，当输液完成或者患者需要停止输液时，只需按下无线遥控器的stop按钮，HX1838b红外接收头接收到信息，单片机启动直流电机挤压输液管达到止流的效果。

3.5 声光报警模块

本系统配有三个发光二极管，可分别进行电源上电的指示、报警指示、和加热状态指示。如果出现速度或温度异常，LED灯均会变亮5s。若储液瓶中无液体滴下时，蜂鸣器将发出报警。如图9所示。

图8 光报警

图9 声报警

3.6 显示与键盘模块

本次设计采用动态显示方式驱动四位七段数码管，用来显示药液的温度。使用三个按键。当有键按下时按键将导通，处于低电平状态。当无键按下时，处于高电平状态；两个按键分别控制数码管显示器，通过按键次数设定位数上值的大小。

4 软件设计

4.1 系统主程序设计

软件即在硬件电路的基础上，以程序算法的形式实现液体点滴速度的控制，以及显示温度等功能。该系统的软件采用C51编写，包括键盘、显示、电动驱动、彩色LED、蜂鸣器等子程序模块，以此实现对数据的采集，设定、显示、调整［17］等处理。如图10的主程序流程图。

4.2 滴速检测子程序

正常情况下，红外光电传感器接收到的是一个稳定的光信号。当液面下降至最低线以下时，红外光束会直接发射到接收机，接收机收到的红外光信号就会发生变化，提取变化的信号，该信号已从光信号转换成电信号，经过放大和适当处理，驱动蜂鸣器发出报警信号。滴速检测子程序主要是用于系统信号的采集，并将采集的信号输出到单片机的端口送入单片机内部。系统流程图如图11。

图10 主程序流程图

图11 系统工作流程图

4.3 滴速控制子程序

根据设计要求，将一分钟六等份，首先读出10秒内的点滴的数目根据公式得到当前点滴的速度。对比当前点滴的速度与原先设定的速度值的误差来决定电动机是正转或反转，从而控制储液瓶位置的高低，进一步影响下一个10s内的点滴的速度，如此循环。其点滴速度的电动机控制程序流程图如图12所示。

图12 点滴速度控制检测子程序

4.4 测温及加热子程序

本系统使用数字温度传感器DSI8B20对输液管外壁温度进行检测，从而获得输液管内药液的温度，该种温度控制属于闭环控制方式［18］。把检测到的温度值与原先设定的温度值进行比较，根据两者的差值控制固态继电器的通断，从而控制水的温度。启动温度转换及读温度值流程图如图13。

图13 启动温度转换及读温度值流程图

4.5 无线控制子程序

该模块利用单片机控制无线发送模块CC1101将采集到的数据传输到CC1101无线接收模块，并将CC1101接收到的数据传送到PC终端监控界面；再次，PC终端采用人性化的操作界面，实时显示病人输液动态。

5 结语

智能输液控制器可以根据事先设定标准参数自动调节和监测输液速度［19］，可以实时监测每个输液患者的输液情况，并在发现异常情况时发出报警。并将当前的滴速情况通过通讯线路传输给医护人员，使医护人员可以通过无线遥控进行远程操作。结合设计的各种硬件电路模块，我们最终通过绘制PCB将系统各模块做出实物，如图14所示。

图14 实物图

本产品外观简洁，体积尺寸为70*60*20mm（长*宽*高），重量为230g，小巧轻便。从该实物板左侧看有3个接口，从上起依次是用来连接温度传感器和关断液滴装置的接口、用来连接串口与PC机进行通讯控制用的接口、红外遥控接收装置。从实物板下侧看有3个接口，左起3个接口依次为加热器接口、滴速检测装置接口和mini USB 5v供电电源插口。从实物板右侧看有一个连接电池盒的接口。通过现场实验，该系统可以实现滴速检测、控制以及液体加热等要求。测试结果表明：本系统输液速度在设定误差的范围内响应快、误差小、报警信号可靠、准确，外部非接触遥控功能最远遥控距离可达10m，具有较高的实用价值和经济效益［20］。其性能稳定、易操作，成本低廉、使用简便，适合于临床普及。