王恒成

[摘 要]本文主要講述了無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，主要包括以AT89S53單片機為控制主體的控制系統(tǒng)模塊設計、點滴檢測模塊設計、液位監(jiān)測模塊設計、滴速監(jiān)控模塊設計、電機選擇模塊設計以及主從通信模塊設計等內容，以保障在無人看管情況下，醫(yī)療患者也能進行正常且安全的靜脈注射。

[關鍵詞]無人監(jiān)守、單片機、點滴檢測、模塊設計

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0135-02

一、緒論

隨著科技的進步和時代的發(fā)展，我國各項領域均在向著自動化、智能化的方向發(fā)展。無論是在機械行業(yè)、交通運輸、化工制造，還是在醫(yī)療行業(yè)，智能化自動監(jiān)控已在各個行業(yè)得到廣泛發(fā)展與應用。醫(yī)療行業(yè)是一個比較特殊的部門，每天承載著億萬人民的生命安全。如果醫(yī)院的人力與物力滿足不了病人的醫(yī)用需求，則勢必會影響到人們的身體健康與生命安全。尤其在近些年來，環(huán)境的惡化和意外事故的頻繁，各種醫(yī)療就診人數日益增多，這就更加促進與加劇了醫(yī)療體系與醫(yī)療方式的改革與創(chuàng)新。

靜脈輸液是各家醫(yī)院與診所最長應用到的一種診療手段，這不僅是因為點滴輸液的見效成果快，還是因為這是一種為病人補充體力與營養(yǎng)的方式，尤其對于一些處于中毒昏迷、無法進食的患者而言。但是在傳統(tǒng)靜脈輸液過程中，患者身旁必須有人監(jiān)守，以防在輸液過程中有異常情況發(fā)生。比如管路堵塞、液體輸畢而無人拔管等，都會影響到患者的病情診療，甚至是生命安全。即便是在有人監(jiān)管的情況下，由于人為疏忽而造成靜脈輸液異常的事件也時有發(fā)生。因此，設計一款無人監(jiān)守的自動監(jiān)控靜脈輸液設備，無論是對于治病患者，還是對于醫(yī)療單位，都有著十分重要的意義。

二、無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案

2.1 無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)設計方案包括控制系統(tǒng)方案、點滴檢測方案、液位監(jiān)測方案、滴速監(jiān)控方案、電機選擇方案、主從通信方案等六個方案的設計?？刂葡到y(tǒng)方案的核心是微處理器，其所承擔的主要職責為液體的滴速、液位的監(jiān)測、以及液體精度的運算與控制等。由于傳統(tǒng)的設計中一直應用的是兩位模擬控制方案，但該方案難以滿足遠程通信和高精度的應用需求，而單片機AT89S53不但可以實現高運算、高精度的應用需求，還能便于遠程控制，功耗損耗低，所以應當選用單片機AT89S53作為無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)中的微處理器。點滴檢測有多種方案，但取到決定作用的是傳感器對液滴判斷的靈敏度與抗干擾性?？梢姽獍l(fā)光傳感器和不可調制紅外對射傳感器均存在靈敏度低、抗干擾性弱等問題，因此均不適合作為點滴檢測的傳感器。而脈沖調制紅外對射傳感器的平均電流較大，靈敏度高，能有效抗拒外界干擾，提高點滴檢測的準確性，因此選用脈沖調制紅外對射傳感器作為點滴檢測的應用設備。液位監(jiān)測是對液體輸送進展方面的監(jiān)控，主要是對警戒液位的監(jiān)控。當液面到達警戒液位時，傳感器會發(fā)出境界信號通知醫(yī)務人員，醫(yī)務人員會根據需要選擇拔根或者更換靜脈注射液。對液位的監(jiān)測方案有三種選擇，分別是拉力傳感器、超聲波傳感器和光電傳感器。拉力傳感器的靈敏度和精確度都比較高，但是市場價格也比較高，所以在一般的液位監(jiān)測設計中應用的比較少；超聲波傳感器應用的原理是聲音在不同介質中的傳播速度不同所設計，但由于不同靜脈注射液的成分不同，所以聲音的傳播速度也存在略微差距，容易造成液位測量不準確的情況發(fā)生。而且一旦液位出現波動，則可能會造成提前報警或者延遲報警等情況，因此，也不適宜液面監(jiān)測的應用；光電傳感器利用的是光的折射原理，在警戒液位安裝光電傳感器，當液體瓶內折射出來的光發(fā)生變化時，傳感器會發(fā)出遠程通訊信息告知醫(yī)務人員。該方法雖然也存在一定不足，但比較而言是其中最為經濟，最為精確的一款。滴速控制主要是實現對液體流動速度監(jiān)測并控制的一種應用方案。傳統(tǒng)的滴速控制方法是滑動軟管夾，以改變軟管孔徑的大小來改變液體在軟管流動中的阻力，從而實現對液體流動速度的控制。但遠程控制難以實現或者說成本比較高，因此不宜選用。對滴速實現調整與控制的另外一種方法是調整液體瓶的高度，增加或降低液體流動的勢能來調整液體流動的速度。此方法與滑動軟管夾的方法異曲同工，但容易實現。因此，設計選用電機滑輪系統(tǒng)控制液體流速。市面上的電機種類比較多，包括直流電機、伺服電機、步進電機等。為實現高精度測量，控制靈敏且經濟適用的原則，步進電機為最佳選用方案。主從通信是實現遠程控制的通信服務的一種方案，所有的靜脈輸液信息都要通過主從通信發(fā)送給醫(yī)護人員。本次設計選用的是成本低、傳輸速度快、抗干擾等多項優(yōu)點的控制器局域網通信方式。

2.2 無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構

根據無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，可將硬件系統(tǒng)分為三部分，分別是系統(tǒng)主站、系統(tǒng)從站和系統(tǒng)通信。系統(tǒng)電路設計依從于系統(tǒng)硬件結構，分為系統(tǒng)主站電路、系統(tǒng)從站電路和系統(tǒng)通信電路三部分。系統(tǒng)主站電路部分主要是整形系統(tǒng)從站各部分所發(fā)出的輸液信息，再將整形后的信息傳達給微處理器，其目的是便于微處理器的處理。系統(tǒng)從站電路部分主要負責采集并監(jiān)控各部分發(fā)出的輸液信號，并將這些信號信息傳達給系統(tǒng)主站電路，以傳達給單片機微處理器。該電路部分主要包括四項信息的采集與監(jiān)控，分別是點滴信號的采集與監(jiān)控、液體信息的采集與監(jiān)控、鍵盤控制信息的采集與監(jiān)控和聲光報警信息的采集與監(jiān)控。系統(tǒng)通信電路主要負責傳送系統(tǒng)從站電路采集的輸液信息到系統(tǒng)主機，再通過主機來監(jiān)控輸液進展情況信息。該電路部分主要包括兩項內容，一是控制器局域網總線適配芯片連接電路，二是各通信接口連接電路。

三、無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)從站主要分為點滴信號檢測模塊、鍵盤控制電路模塊、點滴信號整形模塊、報警電路模塊、電源電路模塊、液體檢測模塊和通信電路模塊七部分。

點滴信號檢測模塊是通過脈沖調制紅外對射傳感器來檢測是否有點滴滴下的模塊。該模塊主要包括兩部分，分別是紅外發(fā)光管和紅外受光管。通過發(fā)光管向瓶內發(fā)出紅外光，再經瓶內折射、反射、再折射，由受光管接收光線，將光信號傳送給傳感器，傳感器將光信號轉化為電信號，經單片機微處理器的處理傳輸至主機，從而實現對點滴滴速的監(jiān)控。由于是通過脈沖調制的方式實現光線的發(fā)射與接收，因此所受到的外界干擾性小，信息傳達準確。鍵盤控制電路模塊是實現機械控制轉化為電路控制的模塊，其應用的鍵盤為觸點式機械開關，運用此種開關主要是由于其經濟實用，不易損壞等原因。鍵盤只負責提供矩陣，不負責其他工作內容。由于在點擊鍵盤的過程中伴有著5～10ms的機械抖動，這就會造成難于識別按鍵的通斷狀態(tài)，為判斷的準確性帶來困難，所以在設計中必須將這種迷惑準確化。去抖動措施的實現主要借助于軟件延時，在檢測有按鍵按下或彈開時，程序會自動執(zhí)行10ms延時程序，以此可準確判斷按鍵是否處于閉合狀態(tài)。同樣在按鍵彈開時，程序也會自動執(zhí)行10ms的延時程序，以判斷按鍵是否處于彈開狀態(tài)。除此之外，鍵盤控制模塊要具備縝密的邏輯處理方案，保證正在處理中的按鍵不會對其他按鍵和系統(tǒng)產生影響。即每次只允許處理一個按鍵，處理完畢之后才能處理其他按鍵。且在處理某按鍵的過程中，其他按鍵無論處于閉合狀態(tài)，還是處于彈開狀態(tài)，均不會對系統(tǒng)產生任何的影響。點滴信號整形模塊是為了消除雙脈沖造成的信號干擾而設計的模塊。其消除干擾的方式同鍵盤控制電路模塊去除機械抖動的方式相同，都是運用程序設計的方式，濾除脈沖信號，以保證點滴信號技術模塊計數的準確性。報警電路模塊采用的是聲和光兩種報警方式共同報警。當輸液瓶內液面低于警戒液面時，由微處理器控制的蜂鳴器開始發(fā)出聲音警報，同時二極管也會發(fā)出閃爍燈光，以向主機和工作人員發(fā)出警示。報警電路模塊除了檢測警戒液面之外，還會檢測吊瓶的高度，因為調整靜脈注射速度的方法是控制吊瓶的高度實現的。當靜脈注射速度偏低調整輸液瓶高度的過程中，可能存在輸液瓶已上升到支架頂部而依然無法達到需求的靜脈注射速度，由此可能會造成輸液瓶拉倒支架的危險。為避免此類事故的發(fā)生，需要在支架頂部預先安裝紅外探測器，如果檢測到上述情況發(fā)生時，報警器會發(fā)出警示信息，并自動控制電機運轉，避免意外事故的發(fā)生。電源電路模塊是為無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)提供電力支持的模塊。這里的電源設計要依據設計系統(tǒng)的供電方式而定，不同的系統(tǒng)設計所選用的供電方式也不一樣。本次設計選用單電源供電方案，因為這種供電方式設計比較簡單，且工作穩(wěn)定。除去設計系統(tǒng)的供電電源之外，還有控制吊瓶升降的步進電機電源設計。由于步進電機和驅動電路由兩部分組成，每部分的工作電壓均為+5V，再考慮上上其他電壓增加的情況，步進電機電壓設計為+15V。由于無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)是在標準+5V的電壓下工作的，所以系統(tǒng)電壓電源設計為+5V。液體檢測模塊是用來檢測液位是否達到警戒液面的檢測模塊。其原理是利用光線在有液體和無液體兩種不中狀態(tài)下的光線折射差異而設計的，再將檢測結果轉化為電信號，經放大后輸送至單片機微處理器。在液位檢測模塊設計中有兩項注意要點，其一是液位探測儀需選用無損探測避免影響輸液瓶中液體的成分；其二是要選用功率較大的紅外探測裝置，因為功率較大的紅外探測裝置所發(fā)出的紅外信號所得到的接收信號比較強，能夠實現高精度的液位測量。通信電路模塊的控制器局域網包括兩部分組成，分別是控制器局域網的控制器和控制器局域網的收發(fā)器。本次設計選用MCP2510作為控制器局域網的控制器，TJA1050作為控制器局域網的收發(fā)器。MCP2510除具備驗收及管理功能之外，還包括三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器，以降低微處理器的工作負擔。TJA1050則同時具備差動發(fā)送與差動接收雙重性能，是目前廣泛應用的一款告訴控制器局域網收發(fā)器。

四、無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

軟件設計是無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的所有操作均是按照軟件設計指標而定。本次系統(tǒng)設計所選用的是模塊化結構方式，各個系統(tǒng)模塊之間相互獨立，其操作與應用也是相互獨立的。因為獨立設計便于后期維護，如果測試某一部分出現錯誤也不必全程修改。從站軟件設計的模塊主要包括主控模塊設計、鍵盤控制模塊設計、點滴速度控制模塊設計、電機模塊設計、報警模塊設計以及主從通信模塊設計六部分。

主控模塊是從站系統(tǒng)的大腦，是各子模塊調度的指揮官。主控模塊在操作之前，先對各項數據初始化，避免上次數據對此次調度操作產生錯誤影響。首先將串口的工作處方式設為“1”，然后再設定定時器的初始值。在串口處于發(fā)射狀態(tài)的情況下，定時器的初始值設定為1200bit/s；在串口處于接收狀態(tài)下，定時器的設定值為248。數據的發(fā)送與接收是通過外部中斷控制的，因此串口中斷的初始設置值為“0”。每當有一個脈沖信號完成從采集、整形到處理的過程之后，就會產生一次外部中斷。鍵盤控制模塊的掃描也是采用中斷方式進行，只是比主控模塊多了一項去除抖動的延時程序。點滴速度監(jiān)測模塊是通過計算點滴個數并統(tǒng)計點滴時間完成的由于每一次點滴的完成就伴隨著一次中斷，所以點滴的個數是通過中斷的次數得出的。電機控制模塊應用的是PID控制算法設計的，由于步進電機的正轉和反轉是通過正反驅動兩個函數控制的，設置正轉驅動的函數變量為“1”，反轉驅動的函數變量為“0”。以此在程序設計中，直接控制函數“1”和“0”的轉化即可。報警模塊是通過分析滴速數據而設計的，預先設定正常滴速范圍，若現實滴速高于此范圍，則說明滴速過快，報警裝置會自動啟動；反之若現實滴速低于此范圍，則說明滴速過慢，如果連續(xù)4s內都沒有液體滴下，則視為輸液中斷或結束。無論哪一種情況，報警器都會發(fā)出報警信號。主從通信模塊設計主要是實現各個通信接口的預定值設置和控制器局域網的節(jié)點程序設計兩部分內容即可。

五、總結

無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)是順應時代的發(fā)展需求而設計的一款醫(yī)用監(jiān)控軟件，主要是為了實現在無人監(jiān)守的情況下，醫(yī)療患者能夠保障得到安全、正常的治療，同時也是為了緩解醫(yī)院的工作壓力，以使更多的患者得到及時的診治。

參考文獻

[1] 張克平.靜脈輸液液位自動檢測系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2004.

[2] 宮麗華.液體點滴控制系統(tǒng)設計及關鍵問題的研究[D].天津：天津大學，2010.

[3] 單巍.基于AT89S52的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2009.

[4] 王紫婷，王瑞峰，嚴天峰.智能液體點滴速度監(jiān)控儀.自動化與儀器儀表，2004，（5）：48-50.

[5] 肖煒，涂亞慶，王杰等.液體點滴的無線智能監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現[J].電子測量技術，2008（1）：133-136.

[6] 尹明，謝云.一種新型無線輸液監(jiān)護系統(tǒng)的設計[J].計算機與數字工程，2007（8）：176-178.

[7] 于匯泉，呂麗雪.普通輸液警報及控制系統(tǒng)的設計和研制[J].醫(yī)療設備信息，2004（9）：10-11.

[8] 張丹彤，魏巍.智能化醫(yī)療點滴控制系統(tǒng)的設計與實現.吉林工程技術師范學院學報，2009，25（5）.