輸液自動報警系統

李瑞潔，楊靜茹，刁美然，張慧琳

（安徽三聯學院，安徽合肥，230601）

0 引言

現代醫療中，靜脈輸液是臨床中一種非常普遍的治療手段。目前臨床靜脈輸液有兩種方式。一種是傳統的人工方式，其缺點是需要護士不斷地巡視同時還必須有人陪護，占用了很大的人力資源同時也存在交叉感染的危險。另一種是新型自動化輸液泵可以讓患者得到休息，減輕醫護人員的壓力，提高醫護人員的工作效率。點滴輸液報警系統利用滴速傳感器隨時間同步檢查測驗，由顯示屏上觀察到的數據結果進行分析，并與預先設立的輸液滴落速度限制進行比較，一旦輸液滴落速度不在預設范圍之內，則發動報警響應。本系統可以在一定程度上降低醫護人員的工作負擔，提升工作效率。

1 系統總體方案

點滴輸液報警系統的總體硬件框架如圖1 所示。OLED液晶屏用于顯示當前信息和參數。水位傳感器用于檢測水瓶是否有水，如果沒有水，蜂鳴器會聲光報警。采用DS18B20 溫度傳感器，用于檢測當前環境溫度。ULN2003用于驅動步進電機實現正轉，反轉模擬控制滴速。加熱片通過繼電器控制加熱片，當前溫度低時，控制加熱片加熱。STM32F103CT6 單片機作為CPU 處理器，用于數據處理。按鍵用于設置滴速上下限值。光耦用于檢測當前點滴的滴速，當滴速小時，電機正轉，反之，電機反轉。

圖1 系統總體方案

2 系統硬件設置

■2.1 單片機

STM32F103 單片機是一款性價比高的微控制器，早期STC 公司生產用于工業控制。對于本次設計，我們選擇的單片機是芯片為STM32F103C8T6 單片機。此單片機和51系列相比，其功能更加強大，性能更高，自帶2 個AD 轉換，方便在設計煙霧和CO 的時候免去了需要加外部ADC 進行轉換。

■2.2 按鍵控制電路

按鍵開關的檢測原理就是高低電平的檢測。單片機按鍵的一端連接單片機的雙向I/O 口，另一端接地。當按下按鍵時，當I/O 引腳接地時，此時為低電平狀態，同時也向單片機返回一個低電平信號。當按鍵開關處于張開狀態，此時該I/O 引腳處在高電平，電路未閉合，電流無法形成通路。按鍵開關由于其撥動時間，難免產生誤差，所以在編寫按鍵函數時，要額外寫一個去抖函數，提高精確性。

■2.3 報警電路

本次設計采用蜂鳴器進行報警，當裝置檢測到溫度和滴速高于預設上限或者低于預設下限時，蜂鳴器會聲光報警。在此單片機電路中，蜂鳴器連接在三極管的引腳上，另一端通過接地實現電路的閉合。由于單片機電路的電流非常小，如果直接用單片機控制蜂鳴器，可能達不到蜂鳴器工作所需的電壓。因此，為了讓蜂鳴器工作，本設計采用了NPN 三極管。NPN 三極管可以放大電流，從而讓微弱的單片機電路輸出變得更強。通過這種方式，蜂鳴器可以正常工作，發出預設的聲音或警報信號等。NPN 三極管具有放大電流和電平的特性同時上拉電阻也起到限流作用，防止電流過大擊穿蜂鳴器，經過三極管放大驅動電流后，驅動蜂鳴器報警。

■2.4 OLED 液晶顯示電路

OLED 是一種用于發光和顯示的器件，即在陽極和陰極之間夾多層有機薄膜組成了穩定的綠色有機薄膜發光器件。OLED 是128 列×64 行點陣的OLED、字符、圖形顯示模塊，接口電路簡單，使用方便。根據所要顯示的文字生成所需字符庫,通過OLED 顯示程序將字符代碼寫入并存儲在SSD1306 的GDDRAM 模塊后,就可以穩定地顯示出來。

■2.5 滴速檢測模塊

滴速檢測模塊設計用于實時檢測藥水瓶中滴速。該模塊的原理是使用元器件來計算水滴落下的時間，并根據時間計算出此時的水滴速度。通過多次檢測水滴速度并取平均值，實現更準確的結果。采集到的滴速數據將通過單片機和引腳進行通信，并在OLED 液晶屏上進行顯示。測試方法是根據實時監測水滴經過凹槽部分的次數和時間，計算得出藥水瓶中的滴液速度。

■2.6 液位檢測模塊

本次設計使用的水位傳感器包含液位傳感器模塊和LM393 芯片。液位傳感器模塊的工作原理是利用壓強傳感器來測量液體表面的壓力，并將這個壓力轉化成轉換成電信號用于計算水位高度。LM393 芯片用于對這些電信號進行處理和判斷，從而實現對水位高度的準確檢測和控制。檢測壓強值，水和壓強成正比，水越多壓強越大，通過和LM393 進行比較，如果有水的情況下會輸出高電平，反之輸出低電平這樣就可以判斷瓶子內是否有水。液位檢測電路如圖3 所示。

圖2 中LM393 電壓比較器電路，接2 個10k 的電阻目的是分壓，產生的電壓為2.5V 電壓值。3 為外接器件用來進行光敏采集 ，out 為輸出電平，LM393 只會輸出2 種電平，一種是高電平一種是低電平0 和1，以2.5V 為分界線大于為高電平低于為低電平。

圖2 液位檢測電路

■2.7 步進電機控制電路

28BYJ48 型四相八拍步進電機在控制時一般采用ULN2003 芯片驅動，ULN2003 實際上是一種集成電路，能夠將外部信號轉化為相應的電流輸出，從而實現對步進電機的驅動。步進電機驅動方式不同，工作原理也不盡相同。其基本工作原理就是在不同相位上施加不同的脈沖，使步進電機能夠按照設定的步進序列來轉動，從而完成預定的任務。由于步進電機只有在接收到脈沖信號時才轉動一個步距角，因此步進電機可以根據所接收信號的頻率和脈沖數來計算其轉角，具有高精度、高定位精度、高控制精度等特點。此外，步進電機具有平滑運行、低噪聲、體積小、重量輕等優點，因此被廣泛應用于各種自控系統和精密儀器中。

■2.8 DS18B20 溫度檢測

本設計采用DS18B20 溫度傳感器模塊，防水的溫度傳感器DS18B20 主要是負責進行溫度檢測。這個傳感器有許多優點。首先，它的占用面積很小，不會占用太多的空間。其次，它的精度可以達到0.2℃。傳感器采用單總線的數據傳輸方式，這意味著與其他設備的數據傳輸共享同一個總線。此外，該傳感器具有強大的抗干擾能力，可以有效地避免外界環境對溫度檢測產生的影響。使用該傳感器可以獲得準確的溫度數據，且能有效地控制溫度，以保證設備的正常運行。這款溫度傳感器轉換時間為75ns，檢測的結果以數字量方式串行傳送。作為一款含有已校準數字信號輸出的溫度復合傳感器，DS18B20 溫度傳感器采集的數值是非常準確的，其采集范圍在0℃-50℃±0.2℃。DS18B20 采集過程先由STC89C52 單片機發起信號，再通過I/O 引腳發送給DS18B20，之后DS18B20 反向單片機發送響應，并將采集到的數據按照40 位數據幀格式輸出，最高位在前，校驗位為4 個字節的數據相加取結果的低8 位數據作為校驗和，單片機將檢測到的數據解析，得出溫度的具體數值后顯示在液晶屏上。

■2.9 系統硬件原理圖

本次方案使用了OLED 液晶顯示器來顯示檢測到的滴速以及滴速的上下限值。采用STM32F03C8T6 單片機作為核心控制，同時還采用了滴速傳感器來檢測藥水的水位。在圖中，還設計了三個按鍵，用于設置滴速速度的報警上下限值。當滴速超過預設上限或者下限時，蜂鳴器會發出報警聲。當瓶中沒有水時，系統會發出警報以提醒使用者。當液滴速度低于設定值時，電機會正轉以提高液滴速度；當液滴速度高于設定值時，電機則會反轉以降低液滴速度。該單片機系統使用5V 直流電源供電，采用DS18B20 傳感器對藥水溫度進行實時監測，繼電器則用于控制加熱片進行加熱。其硬件原理電路圖如圖3 所示。

3 軟件設置

■3.1 軟件主程序架構

當硬件模塊調試結束后，需要專門指定的單片機和外設傳感器來進行軟件的調試。整個程序架構需要根據流程圖按部就班，由傳感器前后排列次序完成架構。經過分析，軟件架構依次可以分為：DS18B20 溫度采集，步進電機控制、滴速傳感器檢測當前滴液速度，液位傳感器檢測當前水瓶中水量位置，將結果呈現在OLED 液晶顯示器上。按鍵設置滴速報警的上限和下限值，若越過報警的上下限值時，那么蜂鳴器便會發動警報，隨即單片機按照規則使步進電機進行正反轉。如果水瓶內無水，系統感知發送信號，即蜂鳴器會迅速報告緊急情況。完整的軟件主流程如圖4 所示。

圖4 軟件主流程圖

■3.2 OLED 顯示

為使顯示器照常運作，應先寫入調令符號，繼而再寫入需要顯示的數據。下達指令來查看顯示器是否處于運作狀態，這是寫入調令符號的充分必要條件。若在運作中,需要耐心等候，在確定顯示器發出工作完成的信號后,才可以寫入控制字符和數據。

■3.3 滴速檢測

當滴速傳感器饋電后開始工作時，傳感器在接收到單片機所帶來的信號時進行實時檢測滴液的時間，從而測算得出滴速。將計算結果傳送給單片機，單片機對數據進行分析，并將最終結果呈現在OLED 液晶屏上。滴速檢測的流程圖如圖5 所示。

圖5 滴速檢測

■3.4 水位監測

液位傳感器檢測是其水位觸液面通過一個壓強傳感器，檢測實時壓強值，若有水則會輸出大于2.5V 電壓，而LM393 輸出高電平，反之無水輸出低電平。其流程圖如圖6 所示。

圖6 水位檢測

圖8

4 實驗數據分析

首先，接通電源，液晶屏會顯示當前的滴速。最左邊是水位傳感器，將水位傳感器拿出，傳感器周圍無水時，蜂鳴器就會進行聲光報警，并且在液晶屏上面會顯示“無”。

第1 個按鍵用來設置當前滴速的下限和上限。第2 個鍵是加值，第3 個鍵是減值。再按回第1 個按鍵就會切換到上限的設置，連按兩次第一個鍵將切換到溫度的設置。如果滴速低于設置的下限，那么電機正轉，來控制點滴的滴速。

接著設置滴速和溫度，然后進行測試，可以用不透光的刀片來模擬點滴經過傳感器的情景。刀片經過感應器時燈會滅一下，滴速比較小，電機就會正轉，使點滴滴速變快。如果滴速超過設置的上限，電機就會反轉。等到滴速剛好在設置的范圍之內，電機就靜止不轉，說明滴速符合設置的范圍。當滴速為零時，說明沒有水，以此來檢測有無水的狀態。

通過按鍵來設置溫度，溫度感應器可以放在水里面，也可以放在瓶子外面，它用來感應當前的溫度。假設將溫度設置在30℃，當藥水溫度低于設置的溫度時，蜂鳴器會進行聲光報警，繼電器會閉合，加熱片會對藥水進行加熱。

5 結論

本文針對液體點滴檢測報警裝置實現原理進行了深入的探討，相比傳統的輸入報警，在進行人體紅外硬件連接和軟件設計過程中更加重視。研制該裝置主要是為了克服人工檢測液位消耗精力和效率低的弊端，為醫護人員提供了方便，提高了工作效率。由于條件的限制，未在醫院試點使用，一旦投入前途不可估量。