基于單片機的智能點滴輸液控制系統設計

肖世金 張濤 盧涵宇

摘要：針對人們打點滴過程輸液速度監測與控制難的問題。本文設計了一種基于單片機的智能點滴輸液控制系統，系統以PIC單片機為核心，輔以步進電機驅動、鍵盤、LCD顯示、光電傳感器采集數據等外圍電路組成，實現了對點滴滴速的檢測與控制、對儲液瓶中液面體積的檢測報警，并且動態顯示輸液速度。整個裝置操作簡單，成本低，實用性強。

關鍵詞：單片機;智能點滴;輸液控制;光電傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0211-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著我國計算機技術和通信技術發展和應用，醫療事業的智能化水平也逐漸提高。在大多數綜合醫院，輸液護理的自動化程度和智能程度不高，傳統輸液過程中存在著輸液速度不精、并且在出現針頭堵塞，掉落速度異常、輸液結束等時不易發現、需要人工監護從而耗費大量人力和時間等弊端，稍微不謹慎，易導致醫療事故發生。

本文設計了一種基于PIC單片機的點滴輸液控制系統。系統能實現點滴輸液速度檢測與控制、異常情況的顯示報警功能，實現系統管理的人性化，提高了醫療服務質量，及時滿足病人的特殊需求等。

1 系統設計方案要求

本文設計的系統應用于實際生活中的臨床醫學，應能靈活操作，設置參數方面應能精確設置，檢測數據方面要求達到的精確度更要高，抗干擾性要求高。所以設計遵循以下幾個要求：（1）實時性：在短時間間隔內就能對系統進行檢測;（2）可靠性：要以病人安全為中心，檢測一旦出錯就要及時做出處理;（3）準確性：檢測出的滴速及數字化的部分一定要夠準確;（4）靈活性和通用性：將具有不同功能的幾個模塊組合起來;（5）抗干擾性：在外界因素如光之類的影響下不受干擾。

2 主要硬件設計

2.1 主控電路

主控電路由單片機實現，最小系統就是讓單片機實現正常工作所必須的最基本的電路條件。包括電源電路（+5V接vcc）、復位電路（采用按鍵復位、低電平有效）、時鐘電路（晶振選擇4MHZ）。原理如圖1所示。

2.2 滴速檢測電路

實現滴速實時檢測，滴速檢測是本次設計系統的重要部分之一，是否能準確地對滴速進行檢測，還需要光電傳感技術，本設計選擇三枚紅外發射管和一枚紅外接收管配合組成一套傳感器，如圖2所示。

當沒有液滴通過時，紅外接收器將輸出高電平，因為此時沒有阻礙，是處于完全導通狀態的。當有液滴通過時，則會產生不同程度的負向脈沖，并且脈沖的數量對應于液滴的數量。可以通過測量落在一分鐘內的脈沖數來確定液滴速度。

2.3 點滴速度控制電路

脈沖數用來控制電機位移，脈沖頻率用于控制速度，由單片機輸出脈沖信號使電機正轉或反轉，控制輸液管的夾緊程度，恢復滴速達到設定速度，步進電機不能直接連接到交流和直流電源，必須使用特殊的設備，也就是我們常說的步進電機驅動器。除了電動機本身的性能之外，步進電動機驅動系統的性能在很大程度上取決于驅動器。如圖3所示。

2.4 鍵盤顯示電路

本設計采用LCD1602 LCD液晶顯示屏，可顯示2行。引腳為8條數據線，控制線和電源線各三條。其中R/W是讀寫引腳。當引腳為1時，請閱讀操作。當引腳為0時，寫入操作，一般寫入，因此引腳通常接地。

2.5 聲光報警電路

聲光報警模塊主要通PIC16F877的I，0端口控制蜂鳴器和發光二極管。首先，設置固定數量的液滴作為報警信號，如果檢測電路檢測到設定值，PIC16 F877單片機會立即控制聲光報警裝置的報警并控制電機進入低速旋轉模式，將警報信息準確地發送給醫務人員。

2.6 滴速按鍵電路

在本點滴輸液控制系統中，一共會用到八個獨立按鍵，每個按鍵給個低電平啟動，系統中的復位按鍵包含在最小系統中，RCO、RC1、RC2接口分別接滴速檢測按鍵、對滴速的加減按鍵，如圖4所示。

2.7 通信模塊

本設計使用的通信模塊主要是用到ESP8266，它是一款低功耗，高集成度的Wi-Fi芯片，僅需7個外圍元件，工作溫度范圍寬：-400C至+1250C ESP8285-ESP8266封閉式8 Mbit閃存（ FIASH），也是一款非常便宜的Wi-Fi串行解決方案模塊。它可以開發Arduino庫，生成移動APP，也可以傳輸到后臺計算機，進行報警和搜索。

2.8 電源電路

該系統所有芯片都需要+5V的工作電壓，10節電池電壓為12V，則需要7805穩壓芯片。主要思路為變壓一穩壓。C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，7805能提供小于1.5A的電流，足以滿足芯片供電的要求。

3 系統軟件與仿真

3.1系統軟件程序

本系統的軟件設計主要分五大模塊：系統主程序模塊、滴速檢測程序模塊、電機控制模塊程序模塊、鍵盤程序模塊、聲光報警程序模塊。模擬滴度信號由滴數檢測鍵給出模擬的滴數信號。該信號是一定的高低脈沖信號，通過相應的接口提供給PIC單片機，由PIC輸出信號，經過一系列過程，最終鍵盤將會顯示模擬檢測到的滴速、設置的滴速。如圖5所示

3.2 系統仿真

（1）首先打開Proteus 8 Professional軟件進入New Project頁面，找到元器件查詢工具Component Mode，點擊左邊的P符號在Keywords里面將電阻、電容、PIC16F877型號單片機、蜂鳴器、電動機驅動芯片、LCD顯示器等所需元器件添加在P符號下面的預覽框里，最后將器件全部添加到編輯框里進行連線。

（2）在PIC系列單片機的專用開發環境MPIAB IDE 8.92下，以PICC編譯器作為編譯環境，通過完成配置后分別完成各個模塊的代碼編寫，調試。

（3）編譯成功后會自動生成HEX文件。依然打開之前在Proteus中連接好的電路圖，點擊PIC單片機芯片，進入屬性，添加HEX文件，點擊OK。

（4）檢查、改錯、顯示無誤后仿真結果如圖6所示。電動機正常轉動、LCD顯示設定的滴速100（滴/min），電機特殊按鈕進行電機正反轉停止操作，通過點數檢測按鍵進行滴數計數，10秒后檢測到實際滴速。

4 結論

本論文主要是針對傳統醫療點滴輸液帶來的問題提出的一種解決辦法。本系統設計通過PIC單片機對各模塊進行調節，能夠準確地輸入速度參數，通過LCD液晶顯示器顯示流速和滴數，當瓶中沒有液體或超過設定速度時，通過報警和步進電機反轉，控制下降速度。可靠的報警系統可以提高輸液系統的安全性，可以讓病人放心使用。

參考文獻：

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【通聯編輯：光文玲】

基金項目：貴州省人才平臺基金資助項目[2017]5305

作者簡介：肖世金（1997-），男，貴州惠水人，貴州大學電子信息科學與技術專業學生。