液體點滴監控裝置設計

張 姣

（湖南省懷化市工業學校，湖南 懷化418000）

1 研究意義

電子技術的發展促進了醫療設備的改革，很多傳統的醫療設備都需得到改進，而傳統的人工監護方式需要耗費大量的人力，顯然這種傳統方式應該得到改善，我們需要用自動控制設備來取代人工監護。現今醫院使用的輸液方法大多是掛瓶式靜脈輸液方式，它依靠醫護人員手動調節輸液管上的輸液夾來控制輸液的速度。該裝置的研究能實現靜脈輸液速度的自動控制，醫護人員只需根據患者情況通過鍵盤設定輸液速度，裝置還能在輸液瓶中的藥液即將滴完時自動發出報警信號，遠程傳給醫護人員監控端，提醒醫護人員更換輸液瓶或者結束輸液。因此，該裝置可以大大減輕了醫護人員的工作量，也能使輸液速度得到更精確的控制，確保患者的安全。

2 液體點滴監控裝置的特點

2.1 液體點滴速度檢測

利用光透射原理，用紅外對管來實現對液體點滴速度的檢測。當沒有點滴落下的時候，檢測系統輸出一個比較低的電壓，而當有點滴滴下，經過紅外對管，檢測電路就會產生一個比較高的電壓，如此就可以產生脈沖信號。但檢測到的電壓變動比較小，所以必須加一個電壓放大電路。經過放大的信號再通過一個電壓比較器就可以得到單片機可以識別的脈沖信號，從而實現對點滴滴數的計數。通過軟件計算，就能得到液體點滴的速度。

2.2 液體點滴滴速控制

通過改變輸液瓶的高度就能改變點滴的滴速。醫護人員通過鍵盤輸入設定輸液的速度，通過比較實際點滴速度與設定點滴滴速，單片機根據點滴滴速的差值來控制電動機的轉動，只要偏差存在，電動機就會被控制轉動，使得與其相連的輸液瓶上下移動。用這種方法，可以實現液滴滴速的調節，使得實際輸液的速度與設定的點滴滴速相一致。

2.3 輸液瓶缺液及報警

當輸液瓶內的藥液輸完或輸液堵塞時，如果醫護人員沒有及時拔除針頭停止輸液或更換輸液瓶，就會造成回血現象，從而危及病人的生命安全。該裝置為了避免這種危險設計了報警系統，當輸液缺液或輸液堵塞時，系統將會發出報警，提醒病人和醫護人員，此時如果醫護人員沒有及時趕到病房處理，病人可以先自行關閉輸液夾，只要輸液夾處于關閉狀態，就不會出現回血現象，從而可以避免出現危害，此時再等待醫護人員來對輸液進行處理即可。

2.4 系統的鍵盤及顯示模塊

該系統采用兩位獨立式按鍵作為鍵盤，用于設置液體滴速。采用點陣型LCD液晶顯示模塊，能夠顯示輸液時的實際液滴滴速和預先設定的輸液速度。系統的鍵盤及顯示模塊相當于人的手和眼睛，使得該裝置操作方便靈活。

3 系統設計要求

設計一個液體點滴監控裝置（圖1），對該裝置的要求如下：（1）能夠檢測液體點滴的滴速；（2）能夠顯示液體點滴的設定滴速和實際滴速；（3）能夠改變液體點滴的滴速，使設定的點滴滴速與實際滴速相一致；（4）能夠在輸液瓶內的藥液過少時產生報警信號，發出蜂鳴報警聲。

4 系統硬件電路

4.1 系統基本組成

該裝置主要由ATmega16單片機、輸液速度檢測、輸液速度控制、12864LCD液晶顯示、兩位獨立式鍵盤及其他部分構成，系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

該系統是由反射式紅外光電傳感器組成的外部液滴速度檢測電路來對輸液的速度進行測量，并將測量結果傳給單片機，通過鍵盤設定的液滴速度也傳給單片機，單片機對兩個速度進行對比，以速度的差值決定控制電路的動作。當液滴速度需要進行調節時，控制電路控制電動機動作。液晶顯示模塊顯示實際的液滴速度和設定的液滴速度。當輸液瓶缺液或輸液發生堵塞時，系統報警。

4.2 各模塊主要電路

4.2.1 ATmega16單片機

AVR ATmega16包含豐富的指令集，時鐘周期短，工作寄存器通用，系統功耗小，處理速度良好，寄存器直接依附在算術邏輯運算單元（ALU）上，每條指令每個周期重復讀取兩次，實際是前一條處理下一條預處理這種方式。RISC架構比CISC架構處理速度快10倍，工作效率高，功耗方面大大減少，系統運行速度也得到提高。

4.2.2 液體點滴的速度檢測電路

液體點滴的速度檢測主要由TCRT5000紅外光電傳感器、發光二極管和NE555等組成的電路完成。TCRT5000紅外光電傳感器的紅外二極管會不停地向外部發射出紅外線，如果發射的紅外線沒有被外部反射回來，傳感器的光敏三極管就會處于原來的狀態不會飽和，相當于紅外傳感器沒有檢查到外界信號，其輸出低電平，指示燈也不會被點亮。如果紅外線被反射回來，就說明傳感器檢測到了外界信號，光敏三極管處于飽和狀態，其輸出高電平，指示燈將被點亮。

4.2.3 液體點滴的速度控制電路

該裝置輸液時液滴的速度控制是先由醫護人員通過鍵盤設定液滴速度，單片機再將外部檢測的液滴速度與設定速度相比較，控制電路控制直流電動機的轉動，直到兩個速度的差值在允許的范圍內，控制電路停止工作，電動機停止轉動。

將L298N模塊作為直流電動機的驅動裝置。L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，其輸入端能直接與單片機相接，改變其輸入端電平的高低，就能實現直流電動機正反轉的控制。

4.2.4 液晶顯示模塊電路

基于128×64點陣的液晶模塊就是所謂的顯示模塊LCD12864，可滿足4行4列或8行8列的中文顯示，同時可以顯示圖形。其所需成本相對其他小型顯示設備較低，該液晶顯示模塊相對于其他圖形點陣液晶模塊來說，硬件電路結構及顯示程序都精簡了很多，可以顯示3種類型字符，還可提供光標／閃爍控制電路。

5 系統的軟件設計

5.1 主程序設計

液體點滴監控裝置的主程序主要包括初始化和各功能模塊程序。初始化模塊程序使之前所設定的液滴速度恢復到默認值，顯示屏顯示程序中設定的需要顯示的數據等。功能模塊包括液體點滴的速度檢測程序、液體點滴的速度控制程序、電機驅動及控制程序、報警控制程序、按鍵處理控制程序、屏幕顯示更新程序等。液體點滴監控裝置的主程序流程圖如圖3所示。

5.2 子程序設計

5.2.1 液滴速度控制程序設計

滴速的控制是通過控制直流電動機的正反轉來實現的，其原理是通過改變電動機的轉向來改變點滴瓶的高低。

5.2.2 鍵盤掃描程序設計

行掃描法又稱逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，其過程如下：判斷鍵盤中有無鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態；只要有一列電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下；若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。

圖3 主程序流程圖

判斷閉合鍵所在的位置：在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其他線為高電平。在確定某根行線置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。

5.2.3 LCD液晶顯示程序設計

顯示子程序主要是用于判斷速度有沒有調整的動向和顯示點滴速度（包括液滴速度當前值和設定值）。

5.2.4 報警程序設計

本設計采用一個蜂鳴器實現系統報警。當系統液滴滴速檢測電路檢測到的滴速低于20滴／min時，蜂鳴器發出蜂鳴聲報警。報警發生時，需按下復位按鈕才能解除報警。

6 結語

該裝置設計目的是改變傳統的輸液方式，實現輸液體系的智能化，改善輸液系統，盡量減小輸液不當及疏忽給病人造成的生命危害，減少醫護人員的工作量，其實現了預期設計要求，達到了設計目的。

［1］藍和慧，寧武，閆曉金.全國大學生電子設計競賽單片機應用技能精解［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［2］黃智偉.全國大學生電子設計競賽培訓教程（修訂）［M］.北京：電子工業出版社，2010.