無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王恒成

[摘 要]本文主要講述了無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要包括以AT89S53單片機(jī)為控制主體的控制系統(tǒng)模塊設(shè)計、點滴檢測模塊設(shè)計、液位監(jiān)測模塊設(shè)計、滴速監(jiān)控模塊設(shè)計、電機(jī)選擇模塊設(shè)計以及主從通信模塊設(shè)計等內(nèi)容，以保障在無人看管情況下，醫(yī)療患者也能進(jìn)行正常且安全的靜脈注射。

[關(guān)鍵詞]無人監(jiān)守、單片機(jī)、點滴檢測、模塊設(shè)計

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0135-02

一、緒論

隨著科技的進(jìn)步和時代的發(fā)展，我國各項領(lǐng)域均在向著自動化、智能化的方向發(fā)展。無論是在機(jī)械行業(yè)、交通運輸、化工制造，還是在醫(yī)療行業(yè)，智能化自動監(jiān)控已在各個行業(yè)得到廣泛發(fā)展與應(yīng)用。醫(yī)療行業(yè)是一個比較特殊的部門，每天承載著億萬人民的生命安全。如果醫(yī)院的人力與物力滿足不了病人的醫(yī)用需求，則勢必會影響到人們的身體健康與生命安全。尤其在近些年來，環(huán)境的惡化和意外事故的頻繁，各種醫(yī)療就診人數(shù)日益增多，這就更加促進(jìn)與加劇了醫(yī)療體系與醫(yī)療方式的改革與創(chuàng)新。

靜脈輸液是各家醫(yī)院與診所最長應(yīng)用到的一種診療手段，這不僅是因為點滴輸液的見效成果快，還是因為這是一種為病人補(bǔ)充體力與營養(yǎng)的方式，尤其對于一些處于中毒昏迷、無法進(jìn)食的患者而言。但是在傳統(tǒng)靜脈輸液過程中，患者身旁必須有人監(jiān)守，以防在輸液過程中有異常情況發(fā)生。比如管路堵塞、液體輸畢而無人拔管等，都會影響到患者的病情診療，甚至是生命安全。即便是在有人監(jiān)管的情況下，由于人為疏忽而造成靜脈輸液異常的事件也時有發(fā)生。因此，設(shè)計一款無人監(jiān)守的自動監(jiān)控靜脈輸液設(shè)備，無論是對于治病患者，還是對于醫(yī)療單位，都有著十分重要的意義。

二、無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案包括控制系統(tǒng)方案、點滴檢測方案、液位監(jiān)測方案、滴速監(jiān)控方案、電機(jī)選擇方案、主從通信方案等六個方案的設(shè)計。控制系統(tǒng)方案的核心是微處理器，其所承擔(dān)的主要職責(zé)為液體的滴速、液位的監(jiān)測、以及液體精度的運算與控制等。由于傳統(tǒng)的設(shè)計中一直應(yīng)用的是兩位模擬控制方案，但該方案難以滿足遠(yuǎn)程通信和高精度的應(yīng)用需求，而單片機(jī)AT89S53不但可以實現(xiàn)高運算、高精度的應(yīng)用需求，還能便于遠(yuǎn)程控制，功耗損耗低，所以應(yīng)當(dāng)選用單片機(jī)AT89S53作為無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)中的微處理器。點滴檢測有多種方案，但取到?jīng)Q定作用的是傳感器對液滴判斷的靈敏度與抗干擾性?？梢姽獍l(fā)光傳感器和不可調(diào)制紅外對射傳感器均存在靈敏度低、抗干擾性弱等問題，因此均不適合作為點滴檢測的傳感器。而脈沖調(diào)制紅外對射傳感器的平均電流較大，靈敏度高，能有效抗拒外界干擾，提高點滴檢測的準(zhǔn)確性，因此選用脈沖調(diào)制紅外對射傳感器作為點滴檢測的應(yīng)用設(shè)備。液位監(jiān)測是對液體輸送進(jìn)展方面的監(jiān)控，主要是對警戒液位的監(jiān)控。當(dāng)液面到達(dá)警戒液位時，傳感器會發(fā)出境界信號通知醫(yī)務(wù)人員，醫(yī)務(wù)人員會根據(jù)需要選擇拔根或者更換靜脈注射液。對液位的監(jiān)測方案有三種選擇，分別是拉力傳感器、超聲波傳感器和光電傳感器。拉力傳感器的靈敏度和精確度都比較高，但是市場價格也比較高，所以在一般的液位監(jiān)測設(shè)計中應(yīng)用的比較少；超聲波傳感器應(yīng)用的原理是聲音在不同介質(zhì)中的傳播速度不同所設(shè)計，但由于不同靜脈注射液的成分不同，所以聲音的傳播速度也存在略微差距，容易造成液位測量不準(zhǔn)確的情況發(fā)生。而且一旦液位出現(xiàn)波動，則可能會造成提前報警或者延遲報警等情況，因此，也不適宜液面監(jiān)測的應(yīng)用；光電傳感器利用的是光的折射原理，在警戒液位安裝光電傳感器，當(dāng)液體瓶內(nèi)折射出來的光發(fā)生變化時，傳感器會發(fā)出遠(yuǎn)程通訊信息告知醫(yī)務(wù)人員。該方法雖然也存在一定不足，但比較而言是其中最為經(jīng)濟(jì)，最為精確的一款。滴速控制主要是實現(xiàn)對液體流動速度監(jiān)測并控制的一種應(yīng)用方案。傳統(tǒng)的滴速控制方法是滑動軟管夾，以改變軟管孔徑的大小來改變液體在軟管流動中的阻力，從而實現(xiàn)對液體流動速度的控制。但遠(yuǎn)程控制難以實現(xiàn)或者說成本比較高，因此不宜選用。對滴速實現(xiàn)調(diào)整與控制的另外一種方法是調(diào)整液體瓶的高度，增加或降低液體流動的勢能來調(diào)整液體流動的速度。此方法與滑動軟管夾的方法異曲同工，但容易實現(xiàn)。因此，設(shè)計選用電機(jī)滑輪系統(tǒng)控制液體流速。市面上的電機(jī)種類比較多，包括直流電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。為實現(xiàn)高精度測量，控制靈敏且經(jīng)濟(jì)適用的原則，步進(jìn)電機(jī)為最佳選用方案。主從通信是實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的通信服務(wù)的一種方案，所有的靜脈輸液信息都要通過主從通信發(fā)送給醫(yī)護(hù)人員。本次設(shè)計選用的是成本低、傳輸速度快、抗干擾等多項優(yōu)點的控制器局域網(wǎng)通信方式。

2.2 無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，可將硬件系統(tǒng)分為三部分，分別是系統(tǒng)主站、系統(tǒng)從站和系統(tǒng)通信。系統(tǒng)電路設(shè)計依從于系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)主站電路、系統(tǒng)從站電路和系統(tǒng)通信電路三部分。系統(tǒng)主站電路部分主要是整形系統(tǒng)從站各部分所發(fā)出的輸液信息，再將整形后的信息傳達(dá)給微處理器，其目的是便于微處理器的處理。系統(tǒng)從站電路部分主要負(fù)責(zé)采集并監(jiān)控各部分發(fā)出的輸液信號，并將這些信號信息傳達(dá)給系統(tǒng)主站電路，以傳達(dá)給單片機(jī)微處理器。該電路部分主要包括四項信息的采集與監(jiān)控，分別是點滴信號的采集與監(jiān)控、液體信息的采集與監(jiān)控、鍵盤控制信息的采集與監(jiān)控和聲光報警信息的采集與監(jiān)控。系統(tǒng)通信電路主要負(fù)責(zé)傳送系統(tǒng)從站電路采集的輸液信息到系統(tǒng)主機(jī)，再通過主機(jī)來監(jiān)控輸液進(jìn)展情況信息。該電路部分主要包括兩項內(nèi)容，一是控制器局域網(wǎng)總線適配芯片連接電路，二是各通信接口連接電路。

三、無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)從站主要分為點滴信號檢測模塊、鍵盤控制電路模塊、點滴信號整形模塊、報警電路模塊、電源電路模塊、液體檢測模塊和通信電路模塊七部分。

點滴信號檢測模塊是通過脈沖調(diào)制紅外對射傳感器來檢測是否有點滴滴下的模塊。該模塊主要包括兩部分，分別是紅外發(fā)光管和紅外受光管。通過發(fā)光管向瓶內(nèi)發(fā)出紅外光，再經(jīng)瓶內(nèi)折射、反射、再折射，由受光管接收光線，將光信號傳送給傳感器，傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)單片機(jī)微處理器的處理傳輸至主機(jī)，從而實現(xiàn)對點滴滴速的監(jiān)控。由于是通過脈沖調(diào)制的方式實現(xiàn)光線的發(fā)射與接收，因此所受到的外界干擾性小，信息傳達(dá)準(zhǔn)確。鍵盤控制電路模塊是實現(xiàn)機(jī)械控制轉(zhuǎn)化為電路控制的模塊，其應(yīng)用的鍵盤為觸點式機(jī)械開關(guān)，運用此種開關(guān)主要是由于其經(jīng)濟(jì)實用，不易損壞等原因。鍵盤只負(fù)責(zé)提供矩陣，不負(fù)責(zé)其他工作內(nèi)容。由于在點擊鍵盤的過程中伴有著5～10ms的機(jī)械抖動，這就會造成難于識別按鍵的通斷狀態(tài)，為判斷的準(zhǔn)確性帶來困難，所以在設(shè)計中必須將這種迷惑準(zhǔn)確化。去抖動措施的實現(xiàn)主要借助于軟件延時，在檢測有按鍵按下或彈開時，程序會自動執(zhí)行10ms延時程序，以此可準(zhǔn)確判斷按鍵是否處于閉合狀態(tài)。同樣在按鍵彈開時，程序也會自動執(zhí)行10ms的延時程序，以判斷按鍵是否處于彈開狀態(tài)。除此之外，鍵盤控制模塊要具備縝密的邏輯處理方案，保證正在處理中的按鍵不會對其他按鍵和系統(tǒng)產(chǎn)生影響。即每次只允許處理一個按鍵，處理完畢之后才能處理其他按鍵。且在處理某按鍵的過程中，其他按鍵無論處于閉合狀態(tài)，還是處于彈開狀態(tài)，均不會對系統(tǒng)產(chǎn)生任何的影響。點滴信號整形模塊是為了消除雙脈沖造成的信號干擾而設(shè)計的模塊。其消除干擾的方式同鍵盤控制電路模塊去除機(jī)械抖動的方式相同，都是運用程序設(shè)計的方式，濾除脈沖信號，以保證點滴信號技術(shù)模塊計數(shù)的準(zhǔn)確性。報警電路模塊采用的是聲和光兩種報警方式共同報警。當(dāng)輸液瓶內(nèi)液面低于警戒液面時，由微處理器控制的蜂鳴器開始發(fā)出聲音警報，同時二極管也會發(fā)出閃爍燈光，以向主機(jī)和工作人員發(fā)出警示。報警電路模塊除了檢測警戒液面之外，還會檢測吊瓶的高度，因為調(diào)整靜脈注射速度的方法是控制吊瓶的高度實現(xiàn)的。當(dāng)靜脈注射速度偏低調(diào)整輸液瓶高度的過程中，可能存在輸液瓶已上升到支架頂部而依然無法達(dá)到需求的靜脈注射速度，由此可能會造成輸液瓶拉倒支架的危險。為避免此類事故的發(fā)生，需要在支架頂部預(yù)先安裝紅外探測器，如果檢測到上述情況發(fā)生時，報警器會發(fā)出警示信息，并自動控制電機(jī)運轉(zhuǎn)，避免意外事故的發(fā)生。電源電路模塊是為無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)提供電力支持的模塊。這里的電源設(shè)計要依據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的供電方式而定，不同的系統(tǒng)設(shè)計所選用的供電方式也不一樣。本次設(shè)計選用單電源供電方案，因為這種供電方式設(shè)計比較簡單，且工作穩(wěn)定。除去設(shè)計系統(tǒng)的供電電源之外，還有控制吊瓶升降的步進(jìn)電機(jī)電源設(shè)計。由于步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動電路由兩部分組成，每部分的工作電壓均為+5V，再考慮上上其他電壓增加的情況，步進(jìn)電機(jī)電壓設(shè)計為+15V。由于無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)+5V的電壓下工作的，所以系統(tǒng)電壓電源設(shè)計為+5V。液體檢測模塊是用來檢測液位是否達(dá)到警戒液面的檢測模塊。其原理是利用光線在有液體和無液體兩種不中狀態(tài)下的光線折射差異而設(shè)計的，再將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大后輸送至單片機(jī)微處理器。在液位檢測模塊設(shè)計中有兩項注意要點，其一是液位探測儀需選用無損探測避免影響輸液瓶中液體的成分；其二是要選用功率較大的紅外探測裝置，因為功率較大的紅外探測裝置所發(fā)出的紅外信號所得到的接收信號比較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的液位測量。通信電路模塊的控制器局域網(wǎng)包括兩部分組成，分別是控制器局域網(wǎng)的控制器和控制器局域網(wǎng)的收發(fā)器。本次設(shè)計選用MCP2510作為控制器局域網(wǎng)的控制器，TJA1050作為控制器局域網(wǎng)的收發(fā)器。MCP2510除具備驗收及管理功能之外，還包括三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器，以降低微處理器的工作負(fù)擔(dān)。TJA1050則同時具備差動發(fā)送與差動接收雙重性能，是目前廣泛應(yīng)用的一款告訴控制器局域網(wǎng)收發(fā)器。

四、無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的所有操作均是按照軟件設(shè)計指標(biāo)而定。本次系統(tǒng)設(shè)計所選用的是模塊化結(jié)構(gòu)方式，各個系統(tǒng)模塊之間相互獨立，其操作與應(yīng)用也是相互獨立的。因為獨立設(shè)計便于后期維護(hù)，如果測試某一部分出現(xiàn)錯誤也不必全程修改。從站軟件設(shè)計的模塊主要包括主控模塊設(shè)計、鍵盤控制模塊設(shè)計、點滴速度控制模塊設(shè)計、電機(jī)模塊設(shè)計、報警模塊設(shè)計以及主從通信模塊設(shè)計六部分。

主控模塊是從站系統(tǒng)的大腦，是各子模塊調(diào)度的指揮官。主控模塊在操作之前，先對各項數(shù)據(jù)初始化，避免上次數(shù)據(jù)對此次調(diào)度操作產(chǎn)生錯誤影響。首先將串口的工作處方式設(shè)為“1”，然后再設(shè)定定時器的初始值。在串口處于發(fā)射狀態(tài)的情況下，定時器的初始值設(shè)定為1200bit/s；在串口處于接收狀態(tài)下，定時器的設(shè)定值為248。數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收是通過外部中斷控制的，因此串口中斷的初始設(shè)置值為“0”。每當(dāng)有一個脈沖信號完成從采集、整形到處理的過程之后，就會產(chǎn)生一次外部中斷。鍵盤控制模塊的掃描也是采用中斷方式進(jìn)行，只是比主控模塊多了一項去除抖動的延時程序。點滴速度監(jiān)測模塊是通過計算點滴個數(shù)并統(tǒng)計點滴時間完成的由于每一次點滴的完成就伴隨著一次中斷，所以點滴的個數(shù)是通過中斷的次數(shù)得出的。電機(jī)控制模塊應(yīng)用的是PID控制算法設(shè)計的，由于步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是通過正反驅(qū)動兩個函數(shù)控制的，設(shè)置正轉(zhuǎn)驅(qū)動的函數(shù)變量為“1”，反轉(zhuǎn)驅(qū)動的函數(shù)變量為“0”。以此在程序設(shè)計中，直接控制函數(shù)“1”和“0”的轉(zhuǎn)化即可。報警模塊是通過分析滴速數(shù)據(jù)而設(shè)計的，預(yù)先設(shè)定正常滴速范圍，若現(xiàn)實滴速高于此范圍，則說明滴速過快，報警裝置會自動啟動；反之若現(xiàn)實滴速低于此范圍，則說明滴速過慢，如果連續(xù)4s內(nèi)都沒有液體滴下，則視為輸液中斷或結(jié)束。無論哪一種情況，報警器都會發(fā)出報警信號。主從通信模塊設(shè)計主要是實現(xiàn)各個通信接口的預(yù)定值設(shè)置和控制器局域網(wǎng)的節(jié)點程序設(shè)計兩部分內(nèi)容即可。

五、總結(jié)

無人監(jiān)守點滴自動監(jiān)控系統(tǒng)是順應(yīng)時代的發(fā)展需求而設(shè)計的一款醫(yī)用監(jiān)控軟件，主要是為了實現(xiàn)在無人監(jiān)守的情況下，醫(yī)療患者能夠保障得到安全、正常的治療，同時也是為了緩解醫(yī)院的工作壓力，以使更多的患者得到及時的診治。

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