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无人监守点滴自动监控系统设计

作者：王恒成

来源：《中国科技博览》2016年第03期

[摘 要]本文主要讲述了无人监守点滴自动监控系统的设计方案，主要包括以AT89S53单片机为控制主体的控制系统模块设计、点滴检测模块设计、液位监测模块设计、滴速监控模块设计、电机选择模块设计以及主从通信模块设计等内容，以保障在无人看管情况下，医疗患者也能进行正常且安全的静脉注射。

[关键词]无人监守、单片机、点滴检测、模块设计

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0135-02 一、绪论

随着科技的进步和时代的发展，我国各项领域均在向着自动化、智能化的方向发展。无论是在机械行业、交通运输、化工制造，还是在医疗行业，智能化自动监控已在各个行业得到广泛发展与应用。医疗行业是一个比较特殊的部门，每天承载着亿万人民的生命安全。如果医院的人力与物力满足不了病人的医用需求，则势必会影响到人们的身体健康与生命安全。尤其在近些年来，环境的恶化和意外事故的频繁，各种医疗就诊人数日益增多，这就更加促进与加剧了医疗体系与医疗方式的改革与创新。

静脉输液是各家医院与诊所最长应用到的一种诊疗手段，这不仅是因为点滴输液的见效成果快，还是因为这是一种为病人补充体力与营养的方式，尤其对于一些处于中毒昏迷、无法进食的患者而言。但是在传统静脉输液过程中，患者身旁必须有人监守，以防在输液过程中有异常情况发生。比如管路堵塞、液体输毕而无人拔管等，都会影响到患者的病情诊疗，甚至是生命安全。即便是在有人监管的情况下，由于人为疏忽而造成静脉输液异常的事件也时有发生。因此，设计一款无人监守的自动监控静脉输液设备，无论是对于治病患者，还是对于医疗单位，都有着十分重要的意义。

二、无人监守点滴自动监控系统总体设计方案 2.1 无人监守点滴自动监控系统设计方案

无人监守点滴自动监控系统设计方案包括控制系统方案、点滴检测方案、液位监测方案、滴速监控方案、电机选择方案、主从通信方案等六个方案的设计。控制系统方案的核心是微处理器，其所承担的主要职责为液体的滴速、液位的监测、以及液体精度的运算与控制等。由于传统的设计中一直应用的是两位模拟控制方案，但该方案难以满足远程通信和高精度的应用需求，而单片机AT89S53不但可以实现高运算、高精度的应用需求，还能便于远程控制，功耗损耗低，所以应当选用单片机AT89S53作为无人监守点滴自动监控系统中的微处理器。点滴

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检测有多种方案，但取到决定作用的是传感器对液滴判断的灵敏度与抗干扰性。可见光发光传感器和不可调制红外对射传感器均存在灵敏度低、抗干扰性弱等问题，因此均不适合作为点滴检测的传感器。而脉冲调制红外对射传感器的平均电流较大，灵敏度高，能有效抗拒外界干扰，提高点滴检测的准确性，因此选用脉冲调制红外对射传感器作为点滴检测的应用设备。液位监测是对液体输送进展方面的监控，主要是对警戒液位的监控。当液面到达警戒液位时，传感器会发出境界信号通知医务人员，医务人员会根据需要选择拔根或者更换静脉注射液。对液位的监测方案有三种选择，分别是拉力传感器、超声波传感器和光电传感器。拉力传感器的灵敏度和精确度都比较高，但是市场价格也比较高，所以在一般的液位监测设计中应用的比较少；超声波传感器应用的原理是声音在不同介质中的传播速度不同所设计，但由于不同静脉注射液的成分不同，所以声音的传播速度也存在略微差距，容易造成液位测量不准确的情况发生。而且一旦液位出现波动，则可能会造成提前报警或者延迟报警等情况，因此，也不适宜液面监测的应用；光电传感器利用的是光的折射原理，在警戒液位安装光电传感器，当液体瓶内折射出来的光发生变化时，传感器会发出远程通讯信息告知医务人员。该方法虽然也存在一定不足，但比较而言是其中最为经济，最为精确的一款。滴速控制主要是实现对液体流动速度监测并控制的一种应用方案。传统的滴速控制方法是滑动软管夹，以改变软管孔径的大小来改变液体在软管流动中的阻力，从而实现对液体流动速度的控制。但远程控制难以实现或者说成本比较高，因此不宜选用。对滴速实现调整与控制的另外一种方法是调整液体瓶的高度，增加或降低液体流动的势能来调整液体流动的速度。此方法与滑动软管夹的方法异曲同工，但容易实现。因此，设计选用电机滑轮系统控制液体流速。市面上的电机种类比较多，包括直流电机、伺服电机、步进电机等。为实现高精度测量，控制灵敏且经济适用的原则，步进电机为最佳选用方案。主从通信是实现远程控制的通信服务的一种方案，所有的静脉输液信息都要通过主从通信发送给医护人员。本次设计选用的是成本低、传输速度快、抗干扰等多项优点的控制器局域网通信方式。

2.2 无人监守点滴自动监控系统硬件结构

根据无人监守点滴自动监控系统的设计方案，可将硬件系统分为三部分，分别是系统主站、系统从站和系统通信。系统电路设计依从于系统硬件结构，分为系统主站电路、系统从站电路和系统通信电路三部分。系统主站电路部分主要是整形系统从站各部分所发出的输液信息，再将整形后的信息传达给微处理器，其目的是便于微处理器的处理。系统从站电路部分主要负责采集并监控各部分发出的输液信号，并将这些信号信息传达给系统主站电路，以传达给单片机微处理器。该电路部分主要包括四项信息的采集与监控，分别是点滴信号的采集与监控、液体信息的采集与监控、键盘控制信息的采集与监控和声光报警信息的采集与监控。系统通信电路主要负责传送系统从站电路采集的输液信息到系统主机，再通过主机来监控输液进展情况信息。该电路部分主要包括两项内容，一是控制器局域网总线适配芯片连接电路，二是各通信接口连接电路。

三、无人监守点滴自动监控系统硬件设计

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无人监守点滴自动监控系统从站主要分为点滴信号检测模块、键盘控制电路模块、点滴信号整形模块、报警电路模块、电源电路模块、液体检测模块和通信电路模块七部分。 点滴信号检测模块是通过脉冲调制红外对射传感器来检测是否有点滴滴下的模块。该模块主要包括两部分，分别是红外发光管和红外受光管。通过发光管向瓶内发出红外光，再经瓶内折射、反射、再折射，由受光管接收光线，将光信号传送给传感器，传感器将光信号转化为电信号，经单片机微处理器的处理传输至主机，从而实现对点滴滴速的监控。由于是通过脉冲调制的方式实现光线的发射与接收，因此所受到的外界干扰性小，信息传达准确。键盘控制电路模块是实现机械控制转化为电路控制的模块，其应用的键盘为触点式机械开关，运用此种开关主要是由于其经济实用，不易损坏等原因。键盘只负责提供矩阵，不负责其他工作内容。由于在点击键盘的过程中伴有着5～10ms的机械抖动，这就会造成难于识别按键的通断状态，为判断的准确性带来困难，所以在设计中必须将这种迷惑准确化。去抖动措施的实现主要借助于软件延时，在检测有按键按下或弹开时，程序会自动执行10ms延时程序，以此可准确判断按键是否处于闭合状态。同样在按键弹开时，程序也会自动执行10ms的延时程序，以判断按键是否处于弹开状态。除此之外，键盘控制模块要具备缜密的逻辑处理方案，保证正在处理中的按键不会对其他按键和系统产生影响。即每次只允许处理一个按键，处理完毕之后才能处理其他按键。且在处理某按键的过程中，其他按键无论处于闭合状态，还是处于弹开状态，均不会对系统产生任何的影响。点滴信号整形模块是为了消除双脉冲造成的信号干扰而设计的模块。其消除干扰的方式同键盘控制电路模块去除机械抖动的方式相同，都是运用程序设计的方式，滤除脉冲信号，以保证点滴信号技术模块计数的准确性。报警电路模块采用的是声和光两种报警方式共同报警。当输液瓶内液面低于警戒液面时，由微处理器控制的蜂鸣器开始发出声音警报，同时二极管也会发出闪烁灯光，以向主机和工作人员发出警示。报警电路模块除了检测警戒液面之外，还会检测吊瓶的高度，因为调整静脉注射速度的方法是控制吊瓶的高度实现的。当静脉注射速度偏低调整输液瓶高度的过程中，可能存在输液瓶已上升到支架顶部而依然无法达到需求的静脉注射速度，由此可能会造成输液瓶拉倒支架的危险。为避免此类事故的发生，需要在支架顶部预先安装红外探测器，如果检测到上述情况发生时，报警器会发出警示信息，并自动控制电机运转，避免意外事故的发生。电源电路模块是为无人监守点滴自动监控系统提供电力支持的模块。这里的电源设计要依据设计系统的供电方式而定，不同的系统设计所选用的供电方式也不一样。本次设计选用单电源供电方案，因为这种供电方式设计比较简单，且工作稳定。除去设计系统的供电电源之外，还有控制吊瓶升降的步进电机电源设计。由于步进电机和驱动电路由两部分组成，每部分的工作电压均为+5V，再考虑上上其他电压增加的情况，步进电机电压设计为+15V。由于无人监守点滴自动监控系统是在标准+5V的电压下工作的，所以系统电压电源设计为+5V。液体检测模块是用来检测液位是否达到警戒液面的检测模块。其原理是利用光线在有液体和无液体两种不中状态下的光线折射差异而设计的，再将检测结果转化为电信号，经放大后输送至单片机微处理器。在液位检测模块设计中有两项注意要点，其一是液位探测仪需选用无损探测避免影响输液瓶中液体的成分；其二是要选用功率较大的红外探测装置，因为功率较大的红外探测装置所发出的红外信号所得到的接收信号比较强，能够实现高精度的液位测量。通信电路模块的控制器局域网包括两部分组成，分别是控制器局域网的控制器和控制器局域网的收发器。本次设计选用MCP2510作为控制器局域网的控制器，