基于STC89C52 單片機的雙藥瓶輸液監控系統與設計

劉豐愷，辛志強，徐子浩

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧沈陽，110819）

0 引言

靜脈輸液作為各級醫療機構中最常規的治療手段，其應用場景非常廣泛，但是輸液過程的自動化、智能化發展卻非常緩慢。目前可實現輸液全過程自動化的控制系統十分匱乏，因而開發一套智能化輸液監控報警系統對臨床工作具有重要意義。

目前，臨床上使用的自動輸液器大多是基于蠕動泵結構，一般只具有藥液完全輸盡時截止輸液和報警的功能。國內有關智能輸液控制系統的研究多集中于將智能算法應用在傳統單藥瓶輸液過程。例如，陳宇等[1]設計了一套分布式智能輸液監控系統，通過改變藥瓶高度調節輸液速度，該系統結構復雜，占據空間大，不利于臨床應用。周強等[2]研制開發一種新型半擠壓式智能輸液泵，提出了新型滴速控制結構和方法，控制精度高，但不能實現事故報警和通信功能?？籽┗艿萚3]設計了一種智能輸液控制系統，結合PID 算法控制液體滴落速度，通過CC2530 無線通信模塊將輸液信息發送至PC 端，便于統一管理。黎愷敏等[4]設計了基于STM32 的智能輸液監控系統，該系統能夠實時監測藥液溫度、輸液速度并實現數據顯示和報警控制，解決了醫護和患者之間的信息交互問題。張昱昊[5]等設計了基于STC89C52 單片機的智能遠程輸液系統，通過移動端軟件系統實現對輸液速率的控制。于邵杰等[6]設計了基于STM32的智能輸液裝置，加入藍牙模塊、心率測量模塊等進行智能化擴展。

綜上所述，雖然靜脈輸液過程的控制系統已經有了成熟的方案，但由于市場上新興的雙頭輸液管的結構特殊性，極少出現適用于雙頭輸液器的配套控制系統。盡管巫春蘭等[7]研制的靜脈輸液管理系統具有雙管輸液模式，但是僅具有輸液速度調節功能，并不能在輸液全過程中實現自動化。為在靜脈輸液中使用雙頭輸液器進一步實現智能控制和監控報警，本文嘗試使用單片機控制技術、紅外檢測技術和步進電機驅動技術，解決雙頭輸液器兩支管內藥液的流速控制問題，實現滴速控制和更換輸液藥瓶的功能。最終開發出了一套適用于雙頭輸液器的雙藥瓶輸液監控報警系統。本系統能夠自動更換輸液藥瓶和檢測事故報警，可以有效減輕醫護人員的工作量，保障患者輸液安全，適于應用在醫護資源緊缺的鄉鎮醫療機構。

1 設計方案

基于STC89C52 單片機設計了雙藥瓶輸液監控報警系統，將單片機技術、紅外光敏檢測技術和機械控制原理以及無線網絡通信技術應用到輸液控制系統中。在單片機通過藍牙模塊接收到手機端設置的目標滴速檔位信息后，經液滴檢測模塊實時獲取當前藥液滴速和是否完成輸液或發生堵塞等輸液安全狀態，同時控制夾持裝置分別對雙頭輸液器兩支管進行滴速控制、截流保護以及更換藥瓶的操作。最后，當輸液完成或發生堵塞等急需醫護人員處理的情況時，系統啟動報警模塊發出警報。雙藥瓶輸液監控報警系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1 雙藥瓶輸液監控報警系統設計方案

1.1 硬件設計

以STC89C52 單片機最小系統作為主控單元，使用紅外對管（含發射管和接收管）作為檢測單元，以步進電機為主體的夾持裝置作為執行單元構成滴速檢測與控制系統。此外，系統設有蜂鳴器報警模塊，用于提示輸液完成或輸液管發生堵塞；系統設有藍牙模塊用于將手機端設置的目標滴速檔位信息傳遞給單片機；整個系統由電源模塊供電。

(1)滴速檢測模塊

采用紅外對管采集莫氏滴管中液體滴落信號，從而實現對藥液滴速的測算。紅外對管的工作原理為由光敏接收管接收紅外發射管的光信號，若兩管間有藥液滴落，光敏接收管收到的光強會減弱，該信號經比較器電路濾波放大整形，得到電平變化。單片機通過I/O 口接收到這個信號，并統計在單位時間內電平變化次數，即藥液滴落次數，進而實現對輸液速度的測量。若沒有液滴滴落，電平不發生變化。滴速檢測模塊電路原理如圖2 所示。

圖2 滴速檢測模塊電路原理圖

(2)夾持結構及其電路設計

本系統中，對滴速的精確調控由以步進電機為主體的夾持結構執行。在雙頭輸液管中“Y”形支管兩端各設置一個步進電機，共同構成夾持裝置，用于實現滴速調控、藥瓶切換和截流保護的功能。

單片機借助L298N 與L297 驅動芯片分配脈沖信號實現對步進電機的控制，根據輸液速度情況，調節電機正反轉，改變輸液管徑寬，使藥液滴速回到設定范圍內。步進電機采取半步勵磁方式，絲杠滑塊位移精確度良好，并且運轉平滑，適用于精密度較高的輸液系統。步進電機控制電路如圖3 所示。

圖3 步進電機控制電路

本系統采用半步模式驅動二相四線制步進電機，可以精準控制電機旋轉角度以及絲杠滑塊運動距離，該夾持結構設有適用于雙頭輸液器支管限位結構，便于穩定輸液器。

(3)蜂鳴器報警電路

在本系統中，采用蜂鳴器作為報警單元，信號由單片機I/O 口輸出，連接到NPN 三極管基極，在集電極輸入+5V電壓，將蜂鳴器接在發射極和地之間，可以實現，單片機輸出為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不發聲；單片機輸出為高電平時，三極管飽和，蜂鳴器發聲報警。

(4)供電與電壓轉換模塊電路

本系統中步進電機需要12V 電壓驅動，同時藍牙模塊需要3.3V 電壓驅動，因此需要電壓轉換模塊供電。本系統供電模塊由220V 相電壓經轉接口得到12V ，再通過LM2596 芯片組成的電壓轉化模塊，將12V 轉為5V，從而可以為單片機系統供電。另外，系統采用AM1117 芯片進行電壓轉換，將5V 電壓轉換得到3.3V 電壓用于藍牙模塊的工作。供電模塊與電壓轉換模塊電路，如圖4 所示。

圖4 供電模塊與電壓轉換模塊電路

1.2 軟件設計

軟件主要用 Keil uVision5 開發環境進行開發，根據程序邏輯對STC89C52 單片機進行編譯調試。系統軟件設計主要包括主程序和EEPROM 程序兩個方面。

（1）主程序

本文根據系統控制滴速、自動換瓶以及事故報警等功能的設計要求對系統主程序進行設計，流程圖如圖5 所示。系統通電后，首先對單片機的I/O 接口、串口和EEPROM存儲器進行初始化；隨后依據系統功能進行滴速判斷，根據實際滴速與預設范圍的關系，對夾持裝置進行控制；當系統判斷滴速為0 時，證明當前藥瓶輸液完成，調整夾持裝置切換當前輸液藥瓶，并重復滴速判斷過程；當藥瓶按上述過程切換3 次時，系統判斷雙頭輸液器兩端的藥瓶均輸液完成或發生堵塞事故，立即夾緊夾持裝置的兩個電機，同時發出報警信號，呼叫醫護人員前來處理。

圖5 系統軟件主程序流程圖

（2）EEPROM 程序

EEPROM 程序用于從手機端藍牙串口軟件中獲取滴速檔位信息并存儲，用于主程序中與實際滴速之間的滴速比較。系統設置三種速度擋位，設置擋位信息如表1 所示，藍牙連接后數據透明傳輸，通過手機端輸入擋位設置指令，若指令輸入有效且正確給出正確回應；若輸入錯誤給出錯誤回應；若指令無效給出未知回應。EEPROM 存儲的滴速檔位數據經主程序處理，可以實現與實際滴速的比較，用于對輸液滴速進行反饋調節。

表1 擋位指令設置信息

2 監控系統測試

對本系統各模塊進行單獨調試運行無誤后，進行實際輸液實驗對系統整體功能進行實驗。測試結果如表2 所示。

表2 實驗測試結果

測試過程：通過改變手機端的輸入指令調節輸液管管徑得到穩定的初始滴速，通過手機端預設滴速檔位，系統通電后開始計時，統計輸液速度再次穩定時的滴速和耗時以及穩定后絲桿運動位移。測試結果中，液體滴速均在較短時間內調整至預設滴速檔位范圍內，實現了液體滴速的有效控制。

三組實驗分別是由初始穩定狀態通過系統控制最終達到緩慢、較快、快速三個擋位，通過對每組實驗的重復試驗，得到圖6 的實驗結果?？梢园l現，每組實驗最終得到的穩定狀態均在預設擋位范圍內；其中緩慢擋位（12~17 滴/20秒）的波動更小，說明本系統控制下對慢速輸液過程的穩定性、安全性更高。

圖6 各組實驗穩定

測試中正在工作的夾持裝置如圖7 所示。

圖7 測試中正在工作的夾持裝置

3 結論

本文針對市場上缺少完善的適用于雙頭輸液模式的智能輸液控制系統，設計了基于STC89C52 的雙藥瓶輸液監控報警系統，主要對系統的軟硬件進行設計，同時對雙頭輸液器的結構進行研究，為輸液控制和更換藥瓶的功能打下了基礎。從功能上看，所涉及的雙藥瓶輸液監控報警系統，可以實現輸液速度控制、輸液完成報警、檢測堵塞事故報警、自動更換輸液藥瓶的功能；利用藍牙模塊，通過無線通信技術，實現手機端輸入指令控制滴速范圍的效果，減輕了醫護人員和患者的工作量，同時，避免發生靜脈輸液事故，保障輸液過程中患者的安全。該系統成本較低，應用場景廣泛，技術實現相對簡單，適合在各級醫療機構中推廣使用。