基于C8051F310單片機的醫(yī)用氧氣流量計量器的研制

徐鋒

泰安市腫瘤防治院 設(shè)備科，山東泰安 271000

基于C8051F310單片機的醫(yī)用氧氣流量計量器的研制

徐鋒

泰安市腫瘤防治院 設(shè)備科，山東泰安 271000

Abstract: Based on C8051F310 microcontroller, the medical oxygen discharger counter provided for patients has been developed. This paper introduces the hardware and software design of the medical oxygen discharger counter and implementation technology. The counter realized the function of controlling discharger, controlling total time simultaneously, and could display and print some information of two oxygen channels, including gas given time, total time, oxygen discharge and the total oxygen discharge,etc.

Key words: oxygen discharge counter; medical oxygen; microcontroller; humidif i cation bottle

基于C8051F310單片機，研制了一種醫(yī)用氣體流量計量器，用于病員給氧治療。本文介紹了醫(yī)用氧氣流量計量器的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)。該計量器實現(xiàn)了同時或分別控制兩路的給氣流量、給氣總時間，并能顯示、打印兩路氣體輸出的給氣時刻、給氣時間、給氣流量及總氣量等信息。

氧氣流量計量器；醫(yī)用氧氣；單片機；濕化瓶

1 單片機

單片機（MCU）最早的設(shè)計理念是，將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成在復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中，即把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機是靠程序運行的，并且可以修改，通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。

單片機的基本結(jié)構(gòu)由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。其硬件特性：① 集成度高。一個單片機一般包括：CPU、4KB容量的ROM（8031 無）、128 B容量的RAM、 2個16位定時/計數(shù)器、4個8位并行口及全雙工串口； ② 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，模塊化；③ 可靠性高，可無故障運行106~107h；④ 處理功能強，速度快。單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域[1]。根據(jù)項目要求，醫(yī)用氧氣流量計量器選擇了C8051F310單片機（圖1）作為控制的基礎(chǔ)。其基本參數(shù)包括：存儲器16KBFLASH 1280RAM；4個16位定時器；25MIPS（峰值）；5個PCA通道；2個比較器；10位ADT；28個I/O口；32引腳[3]。

圖1 C8051F310引腳圖

2 醫(yī)用氧氣流量計量器的控制和性能指標

醫(yī)用氧氣流量計量器利用了單片機的軟件控制功能，采用LED屏顯示。雙路一體式設(shè)計可同時或分別控制兩路氣體輸出的信息，并能夠顯示、打印、保存吸氧參數(shù)，包括患者姓名、床號、給氧開始時刻、結(jié)束時刻、總時間、總流量等。其計量準確，可提高供氧站的使用效率，為保證治療的有效性提供了技術(shù)保障，從而使病人得到有效地定量治療。其性能指標：輸入電壓 220 V、功率 <50 W 、LCD屏顯示、每通道氧氣流量（0~10）L/min、報警輸出、鈴聲提示報警、精度≤2% 、環(huán)境溫度為0~50℃、相對濕度 <90%RH、電池供電 24 V。

3 開發(fā)與實現(xiàn)

醫(yī)用氧氣流量計量器的總體結(jié)構(gòu)，見圖2。主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2部分。

3.1 氧氣輸入、輸出管道

氧氣輸入、輸出管道與快接接頭相連的通道由聚乙烯制造，在快接接頭后面，通過三通結(jié)構(gòu)分成兩路，每一路中都有流量檢測及流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，形成兩路獨立的供氧管路。

3.2 流量檢測裝置

流量檢測元件采用微小流量傳感器FS1015UL，其特點是，體積小、延時小、線性誤差小、適用范圍寬等優(yōu)點。在使用過程中，傳感器性能的變化對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，通過軟件處理來進行偏差修正。

3.3 主控電路（圖3）

主控電路采用C8051F310單片機為數(shù)據(jù)處理核心，對鍵盤輸入信號、傳感器信號進行控制，并輸出電磁閥控制信號、數(shù)字顯示信號及打印信號。主控電路主要包括：電源電路；單片機電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；鍵盤電路；蜂鳴器響鈴提示電路；實時時鐘電路；數(shù)據(jù)存儲電路；顯示電路；打印電路。

圖2 醫(yī)用氧氣流量計量器的結(jié)構(gòu)框圖

圖3 主控電路結(jié)構(gòu)框圖

（1）電源電路。將輸入的220 V市電，利用24 V快速開關(guān)電源為主控電路產(chǎn)生24 VDC，通過電源電路生成12 V、5 V、3.3 V電壓為各點提供電源。

（2）單片機及其輸入輸出電路（圖4）。采用C8051F310單片機為核心，由芯片ZLG7289實現(xiàn)與主芯片的數(shù)據(jù)交流，由12 MHz晶振及外圍電路等組成晶振電路與復(fù)位電路。接受按鍵的輸入，流量計的輸入，打印請求信號，輸出電磁閥繼電器的控制信號，LCD模組顯示信號及打印內(nèi)容。

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（圖5）。將微小流量傳感器的檢測信號模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸入到C8051F310，從而實現(xiàn)吸氧參數(shù)控制。

（4）蜂鳴器響鈴提示電路。當吸氧結(jié)束時，蜂鳴器會鳴叫提示。

（5）實時時鐘電路及存儲器。由PCF8563芯片構(gòu)成的時鐘電路，其專用時鐘芯片，計時準確，單片機掉電也不影響其工作。本裝置選用非易失CMOS串行EEPROM存儲器AT24W02（2Kb）用于存儲本裝置的工作信息。

（6）數(shù)字顯示電路。由OCM12232液晶顯示模組及驅(qū)動電路組成，能夠顯示當前時間、床號、當前氧氣流量氧時段、給氧總量等數(shù)據(jù)。

（7）熱敏打印機。通過芯片MAX3232與主芯片實現(xiàn)RS232接口的連接。

3.4 閥體及流量調(diào)節(jié)單元（圖6）

采用ZCS-5電磁閥控制吸氧管道的通斷，手動調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整本路的設(shè)定氧氣流量。

3.5 殼體

殼體采用工程塑料注塑成型，并在面板上集成了鍵盤、LCD顯示屏、兩路的流量調(diào)節(jié)旋鈕及打印出紙口，殼體側(cè)面是兩路濕化瓶接頭，能夠方便的更換濕化瓶的液體。

4 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)是指支撐系統(tǒng)實現(xiàn)特定機能的程序組，本軟件系統(tǒng)包括：主程序（圖7）；鍵盤掃描處理程序；數(shù)據(jù)采集及處理程序以及相應(yīng)的輸出程序[5-6]。

圖4 單片機及其輸入輸出電路

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖6 電磁閥控制電路

此設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動兩種計量控制方式。在手動方式下，儀表處于監(jiān)控狀態(tài)時，直接按下數(shù)值鍵“1”或數(shù)值鍵“2”，儀表立即啟動，打開閥門檢測流量，直到再次按下對應(yīng)的數(shù)值鍵，則關(guān)閉閥門、保存并打印相關(guān)信息（姓名、床號、開始時間、停止時間本次總流量等）。當采用自動模式時，根據(jù)設(shè)置的啟動與停止時間，在時間到達前1 min自動打開報警鈴，提示吸氧時間將到，在時間達到設(shè)定的時間時自動打開氧氣閥門，并開始檢測流量，累加總流量；當時間達到設(shè)置的停止時間時關(guān)閉氧氣閥門，保存并打印本次工作的所有信息[7-8]。囑對給氧流量、給氧時刻、給氧時間及給氧總量進行統(tǒng)計顯示，最大限度地實現(xiàn)計量準確，提高供氧站的使用效率及準確率，為保證治療的有效性提供了技術(shù)保障；④ 采用雙路一體式設(shè)計，即通過對不同氣體通路的設(shè)計，在一臺計量器上，可以顯示相鄰兩個病人的吸氧參數(shù)，從而節(jié)約配置成本；⑤ 具有信息顯示、打印、保存等功能。

圖7 主程序框圖

醫(yī)用氧氣流量器的使用，改變了傳統(tǒng)流量計的數(shù)據(jù)控制由粗放控制轉(zhuǎn)為數(shù)字控制。提高了治療的準確性，實現(xiàn)了自動監(jiān)控吸氧過程，到達設(shè)定參數(shù)時自動報警，減輕了護理人員工作強度[9-10]。

經(jīng)過實際應(yīng)用，認為本裝置設(shè)計合理、計量準確、操作簡單、成本低、實時顯示、自動報警、自動啟閉氧氣通路，并根據(jù)需要打印數(shù)據(jù)。此裝置在臨床應(yīng)用中有很好的發(fā)展前景。

5 臨床應(yīng)用

氧對生命來說至關(guān)重要，對患者的給氧治療在臨床應(yīng)用廣泛。對吸氧過程的準確控制，對病人的恢復(fù)起到重要的作用，只有對給氧流量、給氧時間及給氧總量的準確計量才能夠達到對吸氧參數(shù)的準確控制。本系統(tǒng)由于采用以C8051F310單片機為控制單元，通過適當?shù)能浖O(shè)計，使系統(tǒng)可在數(shù)十秒內(nèi)完成對吸氧參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)處理和控制輸出工作，實時監(jiān)控兩路吸氧時間和氧氣流量，并實現(xiàn)對吸氧通路進行自動通斷控制。此計量器的主要特點：①采用微小氣體流量測定元件，計量準確；② 采用數(shù)字式顯示裝置，示值準確；③ 采用單片機控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)醫(yī)

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Development of Medical Oxygen Discharge Counter Based on C8051F310 Microcontroller

XU Feng
Equipment Department, Taian Hospital of Tumor Prevention and Treatment,Taian Shandong 271000, China

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.08.013

1674-1633(2012)08-0048-04

2012-05-07

2012-06-21基金項目：泰安市計劃科研課題（20093030）。

本文作者：徐鋒，主管技師，主要從事醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究。

作者郵箱：XUFTA@SOHU.COM

濕化瓶是醫(yī)院急救和治療中經(jīng)常使用到的器件，其主要作用是調(diào)整病員吸氧的參數(shù)，并對氧氣用水進行霧化（濕潤化）來保證病員的呼吸質(zhì)量。常規(guī)上的濕化瓶由水瓶、氧氣流量計和流量調(diào)節(jié)旋鈕構(gòu)成。使用時通過快接接頭連接到醫(yī)院集中供氣系統(tǒng)，并通過呼吸軟管接入到病員鼻腔[2]。這種濕化瓶能夠完成基本的功能，因其流量指示是浮子式流量計，數(shù)據(jù)控制粗放。為此，我們設(shè)計并開發(fā)了一種基于C8051F310單片機的氣體流量計量器，用于改變病人吸氧時，利用浮子式流量計粗放地控制吸氧參數(shù)的現(xiàn)狀，實現(xiàn)精確控制。