基于單片機的醫院輸液監測系統

劉翠+謝小芳+羅旭+扈應

摘要：隨著醫療科技的發展，高精度治療手段的需求愈發凸顯，各式醫院輸液監測系統應運而生。在該文中給出了一種基于單片機的醫院輸液監測系統。該系統基于單片機技術，引入紅外對管、傳感器、無線通信設備和技術對傳統靜脈輸液設備進行了改進，提高了病患對藥物的吸收率、減輕了醫護人員的勞動負擔、減少了靜脈輸液期間醫療事故發生幾率。相較于其他輸液監測系統，本系統具有運行穩定、性能可靠、成本較低、適應臨床需求等優勢，可行性較強。

關鍵詞：靜脈輸液； 單片機； 輸液監控； 滴速監控； 溫度監控

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0237-02

1 概述

靜脈輸液技術廣泛應用于臨床。醫護人員需不定時巡檢以保證輸液過程正常進行，這對人力、物力資源造成了額外的消耗?；谶@一現狀，各式智能化醫院輸液監測系統應需而生。目前此類系統多采用光電式或紅外線傳感器檢測藥液液面[1][2][3][4]，這存在著響應時間長、頻率特性差、受光線影響較大等問題。而在本系統中，優先采用了液位傳感器檢測液面，該傳感器靈敏度高、穩定性好、具有反向保護及限流保護功能；另外，還有些系統采用熱敏電阻作為溫度傳感器采集輸液管溫度[5]，此方式只能粗略的檢測溫度，易受環境影響，不具備可靠性。而在本系統中，采用了DS18B20數字溫度傳感器，體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高。因此，本系統是一款操作簡便、顯示直觀、可集中控制、功能完善的智能型輸液監控系統。

2 總體設計

系統主要由液位監測模塊、滴速檢測模塊、溫度控制模塊、顯示模塊及無線傳輸模塊組成，如圖1所示。

液位監測模塊負責采集輸液瓶的液位信息，當液位到達最低警戒線時，通過報警裝置進行聲光報警，提醒醫護人員更換藥液；滴速檢測模塊可精確測量液滴滴速；溫度控制模塊可檢測當前藥液溫度，并根據事先設定的輸液適合溫度范圍進行溫度調節；顯示模塊用于實時顯示滴速、當前溫度及適應范圍等數據；無線傳輸模塊利用WiFi數據傳輸將滴速、溫度等信息傳至PC端，便于醫護人員了解輸液情況[4]。具體流程見圖2。

3 硬件設計

3.1 液位監測模塊

該模塊選用了智能型非接觸式液位感應器（以下簡稱液位感應器），此感應器采用了先進的信號處理技術及高速信號處理芯片[2]，突破了容器壁厚的影響，實現了對密閉容器內液位高度的真正非接觸檢測。液位傳感器（探頭）安裝于輸液瓶外壁的下方（液位警戒線），當液位低于最低警戒線時，在病人端會發出聲光報警 （LED燈光閃爍、蜂鳴器響），提醒護理人員及時處理[6]。具體原理見圖3。

3.2 滴速檢測模塊

滴速檢測模塊通過紅外對管實現。檢測滴速時，紅外對管對莫非氏滴管內液滴進行檢測[2]，紅外發送管對光的敏感性較強，當有液滴通過時接收管所接收到的紅外線會發生明顯變化，放大并進行電壓比較后再經整形處理，產生一次低電平，在單片機中設置下降沿觸發[7]，單片機的中斷口啟動10秒定時器計數。定時結束后通過采樣滴數計算速度（20滴=1mL）。電壓比較器工作電路及紅外對管電路圖分別如圖4，5，6所示。

圖4中，阻值為1.8K和3.6K的電阻串聯分壓后得到電壓值U1，紅外接收電路中產生電壓值U2，將U1與U2共同輸入到電壓比較器中，比較后得到的低電平信號經由1引腳輸入到單片機中。其中接1引腳的電阻（R=10KΩ）為上拉電阻，另兩個電阻為分壓電阻。

圖5、6中所示電阻均起到限流、保護電子器件的作用。

3.3 溫度控制模塊

溫度控制模塊可以實時檢測當前藥液溫度，在保證藥性的前提下，適當加熱液體使患者感覺更舒適[8]。用于測量溫度的傳感器種類眾多，本系統采用體積小、成本較低、抗干擾能力強、精度高的DS18B20溫度傳感器。 DS18B20是一種全數字溫度轉換兼輸出模塊，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。

為了使測量更精確，將傳感器緊貼輸液管管壁，同時在四周包裹保溫材料。在輸液管末端纏繞電阻絲，通過對其施加一定大小的電流達到加熱目的。當液體溫度低于設定閾值時，開始加熱電阻絲產生熱量；當溫度到達設定范圍上限時，DS18B20檢測后輸出信號至單片機，單片機斷開電流，停止加熱，使其達到調節溫度的目的。

3.4 顯示模塊

該模塊主要用于顯示滴速、溫度及設定溫度正常范圍，便于醫院人員獲取數據。

顯示模塊采用基于ST7920的12864液晶顯示屏。該顯示屏具有輕薄短小、成本較低、低耗電量、無輻射、平面直角顯示以及影像穩定不閃爍等優點[9]。對于字符來說，12864可顯示16×4個中文字符或32×8個半寬字符[10]，可滿足系統基本要求。

3.5 無線傳輸模塊

該模塊主要用于實現PC端與單片機間的數據交流。單片機將接收到的數據通過發送端無線傳輸至接收端，在PC機上進行顯示。

無線通信具有成本低廉、擴展性好、適應性好等優點。本系統選用的ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，具有超小體積的封裝尺寸和超低能耗技術，是一款專為移動設備和物聯網應用而設計的模塊，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。

4 軟件設計

本系統的核心是AT89C51單片機[11]。單片機作為整個系統的控制中心，接收液位感應器、紅外對管及DS18B20溫度傳感器發送的數據，處理后分別發送至12864液晶屏及PC端進行顯示。

單片機系統實現的主要功能如下：

① 接收液位感應器發來的信號，并控制聲光報警裝置開關。

② 利用中斷子程序，計算10秒內外部中斷口輸入的下降沿數目，并根據公式計算得到1分鐘內的液滴滴速。endprint

③ 通過對比DS18B20檢測到的實時藥液溫度與單片機的內部設定閾值，來控制電阻絲是否加熱。

④ 將接收到的數據進行處理后發送至12864液晶屏及PC端進行顯示（注意避免沖突）。

⑤ 利用ESP8266實現與PC機的無線通訊功能。

5 輸液檢測測試

為了檢驗輸液監測系統的可靠性，我們進行了一系列相關模塊的測試。滴速測試時，通過調節輸液軟管上的流速調節器，采集10組數據，與實驗人員的目測計數進行比較；溫度檢測時進行了五組實驗，每組實驗包括正常范圍內外的兩組溫度值，檢驗該模塊測溫及加熱功能。

在具體的性能指標測量中，液位報警、加熱、顯示功能失誤率為零，滴速檢測存在3滴/min的誤差，溫度檢測存在1℃左右的誤差，但該誤差值均在有效范圍內。

經實際測量驗證，系統的液位報警、滴速測量、溫度控制、數據顯示、無線傳輸等功能基本實現，對于靜脈輸液的自動監測來說，基本能滿足使用需求。

6 總結

在本文中，給出了一種基于單片機的醫院輸液監測系統。該系統設備結構簡單、費用低、有利于推廣使用；可實現輸液的自動監測與控制，既減輕病人家屬及醫院護理人員的勞動負擔，提高醫院輸液系統的安全性、精確性和醫護人員工作效率，也提高了醫院護理和管理的自動化與智能化水平[3]，可廣泛應用于社區醫療的輸液實時監控，具有技術、經濟、社會可行性，適用于普通民眾。

參考文獻：

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