基于单片机的点滴自动报警系统的设计

1、基于单片机的点滴自动报警系统的设计摘要：静脉滴注是临床医学中十分常见的一种医疗手段，在传统输液方式下，液体点滴装置需要由专人看护、手动调整和操作，对于病人而言有一定的心理负担，对于医护工作者也存在劳动负荷较大的问题，在大型医院患者数量较高时这一问题更为严重。而自动静脉滴注系统的应用恰恰能解决这一问题，但考虑到完全的智能化点滴控制系统应用本钱较高，因此大多数医院在住院区患者输液中都更倾向于使用本钱相对较低的点滴报警系统，同样可以到达减轻医护工作者的工作负荷的效果。由此，本文提出了基于单片机STC89C52的点滴自动报警系统，该系统可以实现对患者进行输液的滴速监测、异常报警等，能够有效解决人工监护

2、工作量较高、效率较低的问题。关键词：单片机；点滴；自动报警；设计与测试Abstract: intravenous drip is very common in clinical medicine is a medical method, under the traditional infusion method, liquid drop device needs care, manual adjustment and operation, there is a certain psychological burden for patients, the medical workers are

3、working load of the larger problem, in a large number of hospital patients is higher when the problem is more automatic application of intravenous drip system just can solve this problem, but consider the complete intelligent drip control system application cost is higher, so in most hospital infusi

4、on in hospitalized patients were more inclined to use relatively low cost drip alarm system, and can also reduce the workload of medical a result, this paper presents a bit automatic alarm system based on single chip microcomputer (STC89C52), the system can achieve the dripping speed of patients in

5、infusion monitoring, abnormal alarm, etc., can effectively solve the problem of artificial monitoring workload, low efficiency, high.Keywords: Single chip microcomputer;Intravenous drip;Automatic and testing一、智能化点滴系统研究综述一智能化点滴控制系统研究与开展现状国内对智能输液系统的研究起步较晚，直到 20 世纪 80年代后期，国内才开始从事智能输液监控设备产品的研发。于向英等利用弹簧变

6、形和输液瓶质量变化的原理研制出一种医用输液报警器，但该设备误差较大，每次使用前需根据输液容器进行质量调整，弹簧移动易产生疲劳，使用和维护非常不便；赵金农等设计了一种微型激光输液报警器，利用激光多普勒原理检测流速，实现对输液过程中异常情况的报警，但是该仪器灵敏度较低，容易产生误差；李长胜等利用光纤发出的光束在液面处发生全内反射的原理， 研制了一种输液结束自动报警装置，该装置本钱低且易于网络化，但是不便于安装，稳定性差；张爱华等将电容式液位传感器用于输液液位的非接触检测，其受吸附水作用和液位下降速度的影响较大，且不易操作；李云胜利用 MSComm 通信控件和 VC+语言编程，设计了一套可视化输液实

7、时监控系统，此系统界面直观，操作简单，提高了医院的管理水平和工作效率。国内对智能输液系统研制较早的厂家有北京科力建元公司和浙江史密斯医学仪器公司，前者研制了 ZNB 系列输液泵，后者研制 WZ 系列注射泵，但是都存在输液精度不高、调整时间长、价格高等弊端。由于一味地模仿和借鉴国外的成熟产品， 不愿投入人力物力去研发，如今国内的医疗输液监控设备技术相对落后，功能单一，精度和灵敏度不稳定，可靠性不高，自动化及智能化程度较低，设备性能达不到实际需要，因此未能在各级医院广泛使用。智能输液系统在国外的开发与应用起步较早， 经过近半个世纪的研究，技术已经比拟成熟，临床输液监控根本实行智能化，智能输液系统在

8、医院的使用十分普遍。 临床使用较多、性能较好的有德国贝朗公司的 Perfusor Compact 系列注射泵，其控制精度可达 2%，以及 Infusomat fmS 系列输液泵，使用比拟广泛。另外，美国百特公司的便携式输液泵和弹性输液泵，日本 JMS 株式会社的 OT 系列输液泵，以色列凯撒公司的Bodyguard生命卫士输液泵等产品的技术也较为成熟，平安性能较高。这些输液设备都具备输液监控功能，并能输出输液状态信号，从而与医院信息系统连接来组建网络，已被我国一些大型医院引进，但因其价格昂贵主要用于危重患者的监护。二智能化输液设备开展趋势网络化。目前在大多输液系统中， 输液泵仅仅是作为输液设备

9、单机使用。而在输液过程中，患者的生理特征参数会随时发生改变，如不及时地获得这些生理特征参数，并对输液过程进行适当的调整， 就会对患者的身体产生一定的不良影响或者副作用。 因此，把输液设备纳入到输液管理系统transfusion man-agement system，TMS 并融入医院的信息管理系统 hospitalinformation system，HIS势在必行。 合理利用医院现有的一些设备，并把从这些设备得到的生理信息及时地反应给输液泵，输液泵根据得到的生理信息及时调整输液速率或药液浓度等，就会取得更佳的预期效果。智能输液系统监控网络可分为有线网络和无线网络 2种。 有线网络对设备依赖性

10、强， 需要对现有设备进行彻底改造，不仅浪费资源，而且扩展性较差。 无线局域网络wireless local area networks，WLAN是一种相当便利的数据传输系统，它利用射频技术取代以前铜线所构成局域网络， 省去了铺设管路的复杂程序。WLAN 易于进行网络规划和调整，灵活性和移动性较强，故障定位容易。 对于没有安装 HIS 的医院来说，可以直接使用 WLAN 来方便地建立分布式智能输液监控网络系统，而不需要再重新铺设有线网络。便携化。现在大局部的输液监控仪、 输液泵和注射泵体积都比拟庞大，受到交流电源和输液架等的限制，只适合于在固定地点输液，限制了其使用范围。因此，各公司都加紧研制体

11、积更小、更轻便的智能输液系统，便于携带，可以在各种条件甚至恶劣的环境下进行输液。市场上出现了一种新型的无输液管的贴附式泵patch pump， 它将含有输液泵控制器和输液组件的输液系统黏在患者的皮肤外表， 输液泵上针头直接插入静脉血管而无需用输液管连接，使用遥控器进行操作。 这种输液泵携带更为方便，摆脱了输液管的束缚，提高了患者的舒适感。 利用微电子机械系统micro-electro-mechanical systems，MEMS技术能进一步缩小泵的质量和尺寸， 使得微型泵的尺寸到达厘米级甚至毫米级大小，有助于提高患者的生活质量。专业化。针对医院不同科室的具体使用环境，需要选择适宜的输液设备。

12、 例如在放射科中电磁干扰较严重，输液系统的机器本身对外界的电磁干扰抵抗水平有相应的标准，一旦超出其抗扰标准，就容易导致输注精度不准，甚至停机。 例如在核磁共振成像magnetic resonance imaging，MRI超强的磁场环境下，严禁任何含铁成分或磁性物质接近扫描机，此时如要输注麻醉药等，那么需要输液泵具有良好的电磁兼容性。 在心血管科中，例如冠心病监护病房coronary care unit，CCU是心血管危重患者的集中地，因患者病情危重、血流动力学不稳定，常常需要使用多种血管活性药物。 微量输液设备的输液速率需要能精确控制，要求显示流速精确到小数点后一位0.1 mL/h，有脉动补

13、偿功能使输液更加平缓。 由于需要长时间输液，PVC 管路被频繁挤压容易出现疲劳破裂或疲劳塌陷的风险，故最好需要有管路疲劳报警功能。 在妇产科应用时，注射催产素需要输液设备能够敏捷调速、精确控制，如遇到产妇产后出血性休克需要大量补液时，输液设备需要快速将药液快速注入人体内，为产妇赢得珍贵的抢救时间。 应用于急救场合时，输液系统需要适宜救护车使用，小巧便携，平安可靠，不受周围环境影响，功能齐全，流速可调范围广，不需要提供交流电源。 在高压环境中，例如应用高压氧治疗危重患者，由于高压舱特殊环境的平安要求，微量输液装置需要抗高压，在各种压力条件下能保持输液精度。 输注具有腐蚀性的药物时，对泵体的材质也

14、有所要求，需要根据实际情况选择不同材质的输液设备，以免使用时出现意外。二、点滴输液报警应用的价值与意义二传统人工点滴输液的弊端静脉滴注在临床医学中的应用十分普遍，目前在国内大多数普通医院还是采用传统输液方式，即传统输液设施加以人工控制和监视的方式。这种输液方式会大幅增加护理人员的工作量，尤其是在医院住院治疗患者输液治疗过程中，患者数量众多、病情复杂，输液药物、点滴流速等都需要尽心更严格的控制，而这一工作通常是由护士手段转动输液器滑轮来进行控制，通过肉眼进行估计。这一传统输液管理方式存在较多的弊端，例如：当输液过程中低速不准确，而同时医护人员由于其他原因没有及时发现，可能会导致患者痛苦，严重时甚

15、至出现生命危险；在住院治疗中，患者输液通常持续进行，中途需要更换药液，这需要医护人员定时观察并及时更换，如果医护人员因工作繁忙未能顾及而患者也未能对及时发现，可能会导致空气进入血管并形成空气栓赛，甚至凝血堵塞针头等，如果延误治疗很容易造成患者痛苦甚至出现医疗事故。对于传统输液监护工作者而言，当一人需要多位病人进行监护时，工作量相对较大，而且工作过程中的精神负担严重，长久持续也可能造成医护工作者精神状态的恶性循环问题。三点滴输液报警应用的应用意义点滴输液报警系统是一种相对简单的职能输液装置应用，其具备了智能型输液装置的大多数特点。国外对智能型输液装置的研制较早，如日本、美国和德国等国家上世纪 8

16、0年代末就进行了智能型输液装置的研制，现在市场上流行的大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日本 JMS 株式会社的 OT-601 型输液泵(控制精度为 10%)和 SP-500 型注射泵，美国、德国、以色列等国家也有性能较好的产品。我国对智能输液装置的研制起步较晚，大都在 90 年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液装置，如北京科力丰高科技开展有限责任公司的 ZNB 系列产品，深圳康特公司也有输液装置产品。但综合来说，国产的智能输液装置种类少，性能也有待提高。当然，从国内经济开展现状以及医疗需求来看，全智能型点滴系统的本钱相对较高，引入后应用效果虽好但并不一定适应大多数患者的经济能力，而点

17、滴输液报警系统的开发相对简单，应用本钱相对较低，对于医院而言引进难度低，同时患者使用费用也相对均衡，其应用后虽然仍需要护理人员投入一定量工作，但整体工作量大幅减轻，这对于医护工作者劳动负荷缓解也有重要意义。三、点滴自动报警系统需求分析一功能需求结合输液人工监控的工作内容来看，点滴自动报警系统的功能性需求主要涵盖以下两个方面：其一，点滴信号检测，检测内容主要为滴速检测。静脉滴注的速度需要针对患者情况、用药情况进行合理调整，当医护人员在装置布置完成后需要进行一次人工滴速调整，调整后一般不会出现特殊变动。当然，也有可能出现不可控因素导致的滴速变化等，例如他人误碰、滴注完成等。因此点滴信号检测可以确保

18、滴速平稳，同时可以实现换药提醒。这一功能主要替代人工检查的大局部内容，可以有效降低人工看护频率，为护理人员工作负荷降低提供帮助，同时能够保证点滴的稳定性，降低患者不适、医疗问题的出现几率。其二，报警系统，其主要目标是在出现点滴问题时及时报警。报警系统需要通过监测系统输送的信号向医护人员工作室、监察室发送报警信号，并由终端报警设备发出警鸣等形式的报警，保证滴注出现问题时能够有医护人员第一时间进行处理，能够有效降低医疗事故的发生率，提升效劳质量。对于护理人员而言，报警系统的应用能够在很大程度上缓解护理工作的心理负担，不需要时刻关注滴注情况而产生的巨大的心理压力。二硬件需求结合上述功能分析来看，系统

19、视线中主要须应用四类硬件：其一，点滴信号传感器。其作用在于收集滴速信息，并将相应信息提供应中央处理器，由中央处理器决定是否需要向报警模块输送报警信息，本文的方案设计中主要采用光电传感器作为点滴信号检测设备。其二，重要处理器。中央处理器的工作是完成对滴速信息的判断，同时实现对滴速信号的收集和控制信息的传递，在本文的方案设计中采用单片机作为中央处理器。其三，显示与报警模块硬件。该局部硬件主要用于实现报警功能，通过接收中央处理器的信号信息，显示滴注运行情况，并在需要时进行声光报警。其四，信号电路和供电模块。用于传递检测信号和设备供电，其中供电设备要参加平安性冗余考量，需要在停电等特殊问题出现时能够持

20、续监测，保证系统运行的稳定性。四、系统设计关键技术选择一根本方案设计本文设计的输液监测系统结构框图如图 1 所示，主要包括: 滴速测量模块、微处理器、显示模块、程序存储器模块、电池供电模块、声光报警模块。具体实现步骤是: 滴速测量模块将莫菲管中的输液滴速通过光电转化，将脉冲信号输入单片机，利用程序存储器中的程序进行滴速计算，并与设定的数值相比拟，判断滴速是否异常。然后通过显示模块将计算结果显示。如果滴速异常，立即启动声光报警。图1 点滴报警系统框架二单片机选择为了实现低功耗和便携式，本系统的微处理器选用 STC89C52RC单片机。STC89C52RC单片机介绍 STC89C52RC单片机是宏

21、晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。标准如下：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构兼容传统51的5向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切

22、工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52RC 是增强型8051单片机，其技术成熟，价格低廉，具有功耗低、抗干扰强等优点，性价比拟高，能满足设计要求。三滴速检测方法选择点滴检测的常见方案主要有三种：第一，可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。 第二，不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难

23、且仍然容易受到外部广元等干扰。 第三，脉冲调制的红外对射传感器。红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会到达很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。本文设计中主要采用光电传感器作为滴注检测装置，光电检测的原理是当有检测物体经过光电传感器上，由于散射和吸收导致透射光衰减，检测衰减后的透射光通量即称之为漫反射式光检测法。本系统就是通过透射光通量的强弱的变化在通过光电转换法把光通量的变化转换成电压的变化来判断是否有无液滴落下。光电传感器采用红外发射管发射，光敏二极管接收，其图如图2所示，当无液滴落下时，红外发光二极管所发出的红外光全部照在光敏二极管

24、上，当有液滴落下是红外发光二极管所发出的光经过液滴的吸收和散射只有一局部到达光敏二极管上。图2 光电检测原理光电传感器主要由红外发射管发射，红外接收管接收来检测液滴。为了防止输液器的漏斗倾斜引起水滴的偏移，导致不正常的检测，可采用三枚红外发射管和一枚红外接收管组成，如图3所示。将该传感器套在输液器的漏斗上，确保液滴的检测无误。红外发射管在恒定的电源驱动下发射一定频率的恒定红外线，红外线经过对管间的间隙，由接收管接收。当没有水滴通过对管间隙时，红外接收管完全导通，输出高电平；当有水滴通过对管间隙时，红外接收管的导通能力不同程度地下降，输出不规那么的负向脉冲；每一个水滴产生一个这样的不规那么的负向

25、脉冲，脉冲数目与水滴数目一一对应。图3 传感器布置示意图四通信方案选择常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。并行通信一般在实际当中用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机 I/O口较多，需要的传输线也很多，不适合远距离通信,因此弃用而采用串行通信方式。 串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高可达800kb/s的场合。因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，本钱高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。由于本文主要采用了单片机作为核心控制模块，基于本钱型和网络特性，因此CAN总线作为

26、控制总线。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术开展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN 属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而对节点错误CAN 总线型系统根本无影响。在抗干扰方面，CAN 的每帧数据都有CRC 校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用，这点对医疗

27、系统的可靠性起到非常重要的作用。此外CAN 总线还有数据传输率高、网络调试容易、后期维护本钱低等珍贵特点。 因此，可以在监控模块和处理器之间采用CAN宗信进行通信控制。四、系统功能设计一点滴检测模块设计滴速检测电路是本系统设计成败的关键点，是整个系统可靠性的重要指标，能否可靠地检测出输液的速度，将会影响护理人员对患者输液速度的准确设定，同时也会影响输液结束状态的准确判定。通过查阅和比照研究大量同类设计，结合本系统的实际情况，选用基于光电检测技术的液滴计数法。光电检测技术根本原理如图4所示，将红外对管的收发端置于莫菲滴管两边，发射端发出的红外线穿过滴管时，会因液滴的局部吸收而光强减弱，接收端将光

28、强度的变化转变为电压信号的幅度变化，输出脉冲信号。再将此电压信号经后续整形电路处理后产生的矩形波信号，送给入处理器的 I/O口，再通过相应的软件处理程序求解出输液滴速。因其具有非接触测量，与药液、输液器材无关的特点，在一定程度上提高了设备的平安性与可靠性。图4 点滴检测模块工作原理图本文在上述原理的根底上，为了克服工作环境中自然光、照明等常见光源对滴速测量电路的影响，我们选用波长m 的 I204/PT202C 型红外对管，设计了实际测量电路如图 5所示的测量电路。为了使所设计的电路具有通用性，不受药物种类的影响，我们分别选用医用生理盐水、葡萄糖、纯洁水进行了屡次标定测试实验。在测试电路中选了3

29、.3V 直流电源接 VCC，依据器件手册中的技术要求，红外发射管的最大工作电流为 20mA。经过屡次实验说明 1 选取100 时，既能满足红外发射管的工作电流要求，对液滴的检测又有较高的灵敏度。处于红外接管端的上拉电阻 2 的作用是将由液滴滴落引起的电流变化转变为电压信号的变化。图5 点滴检测电路图经实验测定 2 选 5000 时效果较好。电阻 3 的作用是调节集成运放 LM393 正输入端的比拟电压V + ，经实验测定 V + 取 1.1V 为宜，3 选用阻值为200 的可调电阻。4 选取 5K; 当红外接收管 A点输出电压大于比拟器正端输入的比拟电压 V +时，LM393 输出端输出高电平

30、 3.3V; 当红外接收管A 点输出电压小于比拟器正端输入的比拟电压 V +时，LM393 输出端输出低电平 0V。将经过 LM393处理后的输出信号送入 STC89C52 的 P0.3 口完成液滴滴速的检测。通过信号整形电路的原理图和时序图，可以对整形有简单的了解。在实际操作中，接收到的信号会在每一个液滴下落时产生相距很近的双脉冲，这会给计数带来极大的干扰。为了消除这种干扰，减小虚假信息的影响，提高采样的可靠性，还需使用软件滤波的方式，将相距很近的两个脉冲滤去一个，这就保证了计数的精确性。二显示与报警模块设计为了能将静脉输液的滴速显示出来，便于监护人员查看，本设计需要一块液晶显示屏。考虑到输

31、液监测终端节点的低功耗、小体积需求，在设计中选取了小体积、低功耗标准的三位笔段式液晶EDS812。为防止液晶的老化坏死，选取交流驱动模式。由于 STC89C52 不含液晶驱动电路，设计中通过外接 HT1621 驱动芯片来驱动 EDS812，其接口电路如图6 所示。图6 接口电路示意图声光报警电路如图 7 所示，采用 STC89C52 的一个 I/O 口驱动蜂鸣器和 LED 发光二极管来实现。图7 报警电路具体实现过程如下: 当程序判断滴速异常时，就通过 P07 口线输出低电平信号，此时三极管 Q 的基极与发射极处于导通状态，进而使三极管 Q 的集电极与发射极也导通，使发光二极管和蜂鸣器同时接通

32、，实现声光报警。因蜂鸣器发声单调，不够悦耳，会对患者造成一定程度的刺激，因此本文在设计通过软件编程使STC89C52 的 P0 7 口输出一定频率方波信号来驱动蜂鸣器，使其发出动听悦耳有节奏的声音信号。与此同时，发光二极管也会闪光报警，并且与声音报警节奏相同。声光同时报警，能更有效地提醒患者或陪护人员。这一点对于视觉或听觉障碍的病人显得更为方便。三供电模块设计为了实现低功耗，本设计采用2 节3V 的纽扣电池供电，电源电路如图8所示。因输液监测终端节点各模块的工作电压均为33V，所以通过电压转换芯片 AMS1117 将6V 的电池电源输入电压转换为33V的电压，为各个功能模块单元电路供电。图8

33、供电电路四控制程序设计点滴速度可以有以下两种方式进行测量。方式一：以点滴间隔为单位，记录一次点滴的时间，用60除以点滴单位时间就可得到每分钟的点滴数。这种方法用到除法操作，而且当点滴速度较快时，测量误差较大，因为测量单位点滴时间的误差回被60秒这样大的时间单位放大。但此法在修正点滴速度时，可以实时的测得当前的点滴的速度变化量，适合在调整滴速度使用。方式二：以单位时间记录点滴数。通过简单的乘法就可计算出点滴速度，但此法也存在单位时间内不是完整的点滴数目，从而存在一定的测量误差。但是，此法在点滴速度恒定的情况下，可以采用多个单位时间取均值，从而求得单位时间的平均点滴数，这样可以到达比拟好的精度。输

34、液监测系统的监测程序如图9所示。系统工作时，开启定时计数器中断和外部中断，定时器以1秒的时间为间隔，探测外部中断引脚负脉冲的产生次数，执行5 次后求平均值，再乘以 60 得到每分钟输液滴速。正常监测时，系统会通过 LED 显示屏显示滴速。为了降低功耗，也可选择休眠状态。当输液药液异常时，会触发外部中断，此时将休眠状态的处理器唤醒，输出终端声光报警。图8 供电电路五、目标功能检测为了检验输液检测系统设计的可靠性，我们进行了滴速测试和报警测试。滴速测试时，通手动调节输液软管上的速度调节器，分别设定10 个档次的滴速，每个档次的滴速进行时长1 分钟的目测计数，将计数总量与液晶显示的测量结果进行比照。比照结果如表1 所示。测试结果显示，系统监测计算的滴速与实际滴速稍有偏差，产生偏差的原因主要是因滴管安装有所倾斜及在测定的过程中有抖动，不能确保液滴垂直通过传感器所造成，但误差在药理误差允许范围之内。报警测试时，当滴速超过设定范围立即启动声光报警，误报率为零，工作可靠，因此本输液监测系统能够胜任实际测试的要求。表1 检测测试数据滴/分测试编号显示值实测值135342404134646449505555566160767658707097675108080综合测试结果来看，本次设计的报警系统能够完成根本滴速检测，可以在滴速出现异常