楊錦春

摘要：本設(shè)計主要是以單片機(jī)、無線收發(fā)模塊、壓力傳感器等元件為核心來實(shí)現(xiàn)智能醫(yī)用液位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計。液位檢測部分采用了比較可靠的壓力傳感器和具有高精度、高效率的HX711 AD模塊。本系統(tǒng)主要分為檢測發(fā)送端，數(shù)據(jù)接收端，上位機(jī)數(shù)據(jù)分析端三部分。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無線模塊；液位檢測；壓力傳感器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0067-02

1緒論

現(xiàn)在幾乎所有醫(yī)院都是人工觀測輸液情況。這些醫(yī)院基本都裝有簡單的有線呼叫系統(tǒng)，病人通過自己觀察輸液情況，等輸液快結(jié)束時手動按下呼叫按鈕。護(hù)士在辦公室通過觀察呼叫系統(tǒng)的顯示結(jié)果來采取行動。這對病人和護(hù)士都是非常不方便的，病人容易忽略鹽水瓶里的液位信息，護(hù)士也不能準(zhǔn)確的知道輸液情況。其次，一般病人有時候很想知道還有多久時間能完成輸液但只能憑經(jīng)驗(yàn)估計，著急的病人會手動調(diào)快滴液的速度如果速度過快會產(chǎn)生危險。目前能很好解決這一問題的方法是使用輸液泵，但是輸液泵價格太過昂貴，每臺輸液泵至少要花費(fèi)上萬元。醫(yī)院一次需投資上百萬元來采購此設(shè)備。一般醫(yī)院難以承受。然而本設(shè)計雖然達(dá)不到輸液泵的所有功能，但是能達(dá)到輸液泵的主要功能。

2系統(tǒng)設(shè)計

醫(yī)用液位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由一臺上位機(jī)（電腦）和一臺下位機(jī)（STC90C516RD、NRF24L01無線模塊）以及數(shù)據(jù)采集發(fā)送端（壓力傳感器、HX71lAD模塊、單片機(jī)、NRF24L01無線模塊）三部分組成。上位機(jī)主要是用來把程序下載到單片機(jī)，同時也能將下位機(jī)上收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析。下位機(jī)主要是接收來自不同發(fā)送端發(fā)送來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集發(fā)送端主要是利用壓力傳感器來檢測鹽水瓶的液體剩余量，因?yàn)閴毫鞲衅鬏敵龅氖悄M量，但是單片機(jī)只能識別數(shù)字量，所以壓力傳感器的輸出信號需要經(jīng)過AD模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)過單片機(jī)的計算轉(zhuǎn)換為具體重量，最后由NRF24L01無線模塊把重量的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端。

數(shù)據(jù)檢測發(fā)送主要以具有較高可靠性的壓力傳感器、高精度高效率的AD模塊、MCU為核心。采用壓力檢測技術(shù)、無線通訊技術(shù)，以壓力傳感器為檢測元件、NRF24L01為無線發(fā)射元件構(gòu)成數(shù)據(jù)檢測發(fā)送電路。如圖2-1所示，該系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集電路、AD轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)送電路、單片機(jī)電路、電源電路、顯示電路。選用的主要器件有：壓力傳感器，STC90C516RD單片機(jī)，無線收發(fā)模塊NRF24L01，LCD1602液晶顯示模塊，內(nèi)置128倍增益的AD模塊HX711等等。工作過程為壓力傳感器把模擬量輸出信號給AD模塊，AD模塊把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機(jī)接收到數(shù)字信號以后，處理數(shù)據(jù)把具體重量計算出來，用LCD1602顯示計算結(jié)果，然后用NRF24L01無線模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

下位機(jī)主要以MCU、串口電路、無線收發(fā)模塊為核心。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)無線收發(fā)電路、單片機(jī)電路、電源電路、串口電路、顯示電路組成。選用器件主要有：STC90C516RD單片機(jī)，無線收發(fā)模塊NRF24L01，LCD1602液晶顯示模塊，串口電路等等。工作過程為，當(dāng)NRF24L01無線模塊接收到來自發(fā)送端數(shù)據(jù)以后，把數(shù)據(jù)送往單片機(jī)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)提取出來以后在LCD1602顯示屏上顯示出來，同時把數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)。

本系統(tǒng)以MCU為核心，通過單片機(jī)控制其他模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對液位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、顯示、傳輸、與上位機(jī)進(jìn)行通訊等功能。數(shù)據(jù)采集是通過壓力傳感器進(jìn)行采集的，采集的數(shù)據(jù)為模擬信號然后通過HX711放大信號并且轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機(jī)上的LCD來實(shí)時顯示。然后利用無線模塊NRF24L01把檢測液位的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收裝置。接收端一旦收到發(fā)送端發(fā)送來的數(shù)據(jù)以后，馬上顯示在顯示屏上，再通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，上位機(jī)軟件對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算，報警。當(dāng)液位低于設(shè)定值得時候，軟件發(fā)出報警，同時軟件上顯示鹽水瓶里的液位下降速度、液位實(shí)時隋況等。

3主要的硬件設(shè)計

3.1傳感器及AD電路的設(shè)計

本設(shè)計所選用的傳感器是由應(yīng)變式電阻組成橋式電路的壓力傳感器，此傳感器可以將壓力信號轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換以后模擬量變?yōu)閿?shù)字量，單片機(jī)接收到數(shù)字量以后可以轉(zhuǎn)換為具體的壓力值。此傳感器具有靈明度高，外形小巧，性能可靠等特點(diǎn)。本設(shè)計的AD芯片采用的是具有較高精確度的HX711 AD芯片，精確度為24位。與其他一些類似的高精度AD芯片相比，該芯片集成性很好內(nèi)部集成了一些其他AD芯片不具有的電路，比如穩(wěn)壓電源、時鐘振蕩器等。電路圖如圖1所示。

壓力傳感器檢測重量以后會輸出一個模擬量，經(jīng)過AD模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。再通過單片機(jī)即可把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為具體的

3.2NRF24L01無線模塊的設(shè)計

NRF24L01是一款可以采用FSK調(diào)制方法的無線傳輸數(shù)據(jù)的芯片，內(nèi)部集成了自己獨(dú)有的通訊協(xié)議。它的速度可以達(dá)到2M（bps），工作頻率為2.4Ghz到2.5Ghz，同時支持125個通訊頻率。非常適合為單片機(jī)構(gòu)建無線通訊網(wǎng)絡(luò)。原理圖如2所示。

重量數(shù)據(jù)由NRF24L01無線模塊完成發(fā)送與接收。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，首先把NRF24L01配置成發(fā)送模式，接著把發(fā)送地址和有效數(shù)據(jù)按照時序由SPI口寫入NRF24L01的緩存區(qū)，然后CE置為高電平并且保持10us，延時130us以后發(fā)送數(shù)據(jù)。開啟自動應(yīng)答，若接收到應(yīng)答信號，則認(rèn)為通訊成功。同時NRF24L01清除緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，等待下一次數(shù)據(jù)傳輸，若再次有數(shù)據(jù)，重復(fù)以上過程。在接收數(shù)據(jù)的時候首先將NRF24L01設(shè)置成接收模式，接著延時120us等待數(shù)據(jù)到來。當(dāng)檢測到有效數(shù)據(jù)和地址的時候，就將數(shù)據(jù)包存儲起來，同時中斷標(biāo)志位置高，IRQ變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生了中斷，通知單片機(jī)去取出數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計為了使程序方便理解，采用了在主程序中調(diào)用子程序的方法，即每個模塊的控制程序單獨(dú)編寫成子文件，然后在主程序中調(diào)用每個模塊的控制程序。此方法通俗易懂，使程序條理清晰。

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件用NILWCV12009SP1軟件編寫，編寫語言同樣為c語言。軟件采用串口接收方式接收數(shù)據(jù)，并且設(shè)置成5秒鐘接收處理一次數(shù)據(jù)。其中剩余液量窗口的數(shù)值，由串口接收到數(shù)據(jù)決定。速度窗口的數(shù)值等于[（5秒鐘前的重量值一目前的重量值）/5秒]×60。剩余時間窗口的數(shù)值等于剩余液量的數(shù)值除以速度的數(shù)值。報警燈的設(shè)置是一旦剩余液量的數(shù)值小于20克，則報警燈為紅色。瓶重窗口數(shù)據(jù)可以根據(jù)實(shí)際情況自己填寫，一旦填上數(shù)據(jù)就會影響報警燈。例如假設(shè)一個瓶子的重量是50克，輸入完成以后，本來是剩余重量少于20克報警，現(xiàn)在變?yōu)槭Ｓ嘀亓可儆?0克報警。程序按照以上原則編寫，編寫完成以后設(shè)置對應(yīng)窗口的鏈接按下運(yùn)行按鈕即可。

5結(jié)論

整個裝置經(jīng)過安裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)以下功能：1）實(shí)時測量當(dāng)前的輸液袋重量值，并在液晶屏上動態(tài)顯示；2）壓力傳感器開機(jī)工作時可以自動清0；3）當(dāng)壓力傳感器失靈或者安裝錯誤時，顯示屏顯示“ERROR”；4）NRF24L01無線傳輸把壓力傳感器檢測到壓力值傳送到接收數(shù)據(jù)的裝上；5）接收端能夠接收到多個發(fā)送端傳來的數(shù)據(jù)；61系統(tǒng)具有較高的可靠性，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)相互通訊，并且采用串口通訊方式。能在電腦上編程，并將程序下載入單片機(jī)內(nèi)，還能將下位機(jī)測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上；7）上位機(jī)分析接收端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)估算液位下降的速度和液體剩余情況、液位過低報警等功能。