输液报警器系统的整体设计

 摘要

静脉输液作为医院和诊所常用的医疗手段，但在输液过程中仍存在着许多弊端。由于输液过程漫长，医护人员在监控输液情况时难免会出现疏漏，因此会出现一些危害到病人的问题。本输液报警器系统便是基于以上问题而设计的。

本系统设计了主站和从站俩部分，主从站之间进行无线通信从而能实现远程监控。本系统的主要功能为对点滴速度进行检测，在输液速度超过设置的上下限值或者出现回血现象时便会启动声光报警。同时在点滴输送完全未及时换瓶时驱动步进电机对输液管进行锁紧。本系统具有操作便捷、成本较低、运行稳定、检测结果准确等优点，能有效解决当前输液过程中存在的一些弊端，能够减轻医护人员的工作量同时保障患者的安全。

关键词 输液速度 步进电机 无线通信

1 绪论

1.1 课题研究背景

随着国家对医疗领域的重视和支持不断加深，中国的医疗设备和医疗手段也不断地更新加强。据资料统计，21世纪前10年里，中国的医疗设备数量翻了5倍，2005年就已经达到了世界第三，仅次于日本和X。在接下来的两年里中国的医疗设备进出口金额甚至超过了百亿美元。自改革开放以来，人们的物质生活水平逐步提高，开始把目光集中于健康保健领域里。故现如今我国对于医疗设备和护理水平的要求也不断提高，为此国内投入医疗领域的企业不断增多。

中国作为当今世界上人口数量最多的国家，对医疗手段和设备的创新改进需求也越来越大。而在医院中运用得最多的医用手段便是输液。早在1615年，Libavious就提出了血液交换理念，也为以后的静脉输液治疗打下了基础。19世纪发生的霍乱流行，让静脉治疗取得了极大突破。在这场流行中，Thomas Latta给一个已经毫无知觉并且危在旦夕的患者实验性地注射了盐水溶液，并奇迹般的救下了患者。这场成功的治疗使静脉输液疗法普及于霍乱流行中，但成功率并不高。在通过输血进行治疗中，血液能够分解为不同成分，根据患者所需的成分，可以针对性的进行输送治疗。在二十世纪中，肠道外营养之父Dr.Stanley Dudrick成功地在锁骨下上腔静脉注射高浓度的的葡萄糖和蛋白质。由于此突破，静脉输液治疗手段越发被全世界应用。

1.2 课题研究目的及意义

静脉输液是应用大气压和液体静压原理将一定量药物由静脉输送到人体的医疗手段[1]。这种医疗方法不仅能够为人体补充所欠缺的营养成分，同时治疗效果显著，所以普遍应用于医院医疗事业中。在输液监控系统中，工作的正常运行首要前提是对信号的捕捉提取。

而在输液过程中，输液速度是一个至关重要的物理量。只有输液速度适宜时，治疗过程和患者的安全才能够得到保障。当输液速度过快时，药物的疗效会大打折扣，其次还会产生许多不良反应，例如加重患者的心脏负荷从而引发肺水肿，进而引起胸闷、咳嗽、晕眩等现象。某些药物如硝酸钠、硝酸甘油在输液快过的情况下会导致病人产生低血压甚至休克等症状。输液速度也不能过慢，当抢救失血过多或脱水严重的休克患者时则应该快速补充药液。在治疗一些颅内压过高的病人时，输液速度过慢会达不到降低压力的效果。而当前国内医院和诊所大多还是应用传统的输液管理模式，即医疗工作人员需时刻监控患者的输液情况，通过调整输液管上的滑轮调节出病人反馈的输液大概速度，然而这种监控模式存在着许多隐患。通常静脉输液都需花费很长时间，在这段时间中，由于患者身体虚弱，并不能及时注意和反馈输液情况，而家属和医护人员在长时间的看护也会感到疲惫，进而会疏忽注意输液情况。当输液速度不适宜或者药物输送完没能及时更换和处理时，会给病人带来疼痛和心里负担，从而降低治疗效果。其次，输液回血也是让病人和家属所担心和害怕的现象，虽然正常情况出现输液回血都属于正常现象，但是如果回血时间过长血液可能会形成栓子进而对人体造成危害。并且大多数三四线地区的人们对这方面的认知不够，出现回血现象就会变得恐慌甚至自己慌乱拔下输液管的线头。

除此之外，有几种问题常常会在病人输液过程中发生:（1）输液管阻塞;(2)吊瓶内药物液体有气泡;(3)针头阻塞;(4)未能及时发现药液输送完全。这些问题大多是因为医护人员不能时刻在病人身旁，而输液持续时间通常又比较久，这些问题的存在会使医疗效果下降同时造成恶劣的医患关系。而当前的医用设备和医护人员的医护水平都已经得到很大的提高，通常在输液前医疗人员会对针头和针管进行检查并去除液体中的气泡，因此现今最让人头疼的便是如何及时发现药物输送是否完全[2]。药物输送完全长时间未能更换可能会导致输液管压力过小，导致静脉压力大于外界从而出现回血现象。同时在向中心静脉输液时，当药物输送完全时因为中心静脉压力小于外界，空气很大可能进入静脉从而引起空气阻塞。因此，如何能及时的发现输液信息并进行通知是本设计的关键。

为了解决以上出现的问题，本文设计了一种功能齐全且方便的输液监控系统。系统可以对输液速度进行检测，当速度超过设定的上下限就会报警通知。同时也具有回血检测功能，当检测到输液管上有血液回流时也会启动报警器。除此之外还设置了步进电机模块，当超过十秒没检测到液滴低下时就会启动步进电机对输液管进行锁紧。该系统主要优点在于能够减轻医护人员的工作压力并且提高对输液过程监控的精确性和可靠性。这样不仅大幅降低了护理成本，同时也增强了治疗的安全性，更好地保障了病人的身心健康。

1.3 课题国内外研究现况

近几十年来，为了处理静脉输液过程中所存在的隐患，国内外科学家进行了大量的研究并取得了一定成就，输液监控系统也不断地更新改善。总的来说，对输液系统的研究发展主要经历了以下几个阶段：

（1）机械式监控阶段

早在上世纪八十年代科学家们就尝试了一种运用机械原理检测药液位面的方法。该方法是是用弹簧秤挂着吊瓶，当瓶中药液体积发生变化时，便会导致弹簧发生一定量的弹性形变，再运用胡克定律便能大概得出剩余液体的液面位置，以此来判断药液是否输送完全。然而由于不同药物的密度不同，药瓶规格也存在许多差异，运用这种方法所得出的结果误差较大，实用性不高。专家们也运用了压力传感器和电磁感应开关替代弹簧秤进行研究，结果证明精确度还是达不到要求。

（2）电容式监控阶段

电容式监控是根据由吊瓶中药液的变化所引起的电容变化及电容的性能对残余液体的液面进行检测。这种方法比起机械式精度要高得多，具有一定的可靠性。但是在输液过程中同样也存在吊瓶规格不一所引起误差的问题，并且电容的灵活性不高，当组装固定后就不能随意变动，为此需要设计多级复杂的电路。所以在实际操作中过于繁琐，因此无法推广使用。

（3）电极式监控阶段

电极式的监控主要方法是插入两根电极到输液管的漏斗内，电极会随点滴的下落而发生晃动和一些极性反应并发出相应信号。由此便可算出液滴滴速从而检测药瓶中药物体积的变化。此方法具有操作方便，花费成本较低且检测数据结果精确度高的优点。但考虑到电极本身可能会带有污染，而在操作过程中电极不可避免地会跟药物发生接触，从而可能导致药物的性能受到影响。因此电极式监控同样无法推广使用。

（4）光电式监控阶段

光电传感器能够将被测量变化转变为光信号的变化，再运用一些光电器件转变为电信号[3]。光电式监控原理在输液管上水平放置光电传感器，传感器发送端把由液面位置发生变化所反射和折射的光信号转变为相应的电信号并发送给接收端，接收端把接收的电流信号转化电压信号并输送给电路进行分析处理。由此便可得到点滴速度和液面位置等信息。由于传感器不用与药物直接接触，因此这种方法避免了污染问题。此外它还具有测量精确、性能稳定、操作方便且安全的优点，因此得以推广使用。

除了上述几种方案，输液系统研究还存在超声回波检测法、液滴计数法和光纤式监控等方法，但是这几种方法都具有很大局限性从而未能成功推广。

对于输液监控系统这方面的研究始于上世纪八十年代。主要在德国、日本等发达国家进行研究并在输液汞这块取得了很大成果。在治疗一些重症患者和对婴幼儿进行静脉输液时，对输液量、药量和输液速度的要求都非常严格。日本的托普公司所研发的TOP-2200和TOP-3300便能够准确的控制输液滴速和流量，且不会受背压和操作者等因素影响，确保药物能够均匀并且安全地进入患者体内。韩国研发的SM-2100输液汞是一种集光、电、机械一体化的输液监控系统，它具有十分强大的功能且操作方便，很受患者青睐。但是输液汞属于昂贵设备，普遍在几万元以上，所以其应用主要是在发达国家和我国一些大型医院，推广效果不是很理想。

相较于国外，国内对输液监控系统的研究起步较晚，但在输液监控这块领域上也取得了一定成就。主要有如下成果。

在2009年张婉姣设计出了一款输液监控报警器，该系统主要由一个光源发射器和若干光源接收器、电源装置、报警模块和控制器组成。设计时光源发射器的输出端连接光源接收器的输入端，然后光源接收器的输出端再与控制器的信号输入端相连接，最后控制器的信号输入端再与报警模块的输入端相连接。该系统的功能主要是能在输液出现异常情况时启动声光报警。此系统主要优点为结构简单、操作简便和信号通知准确性高。但其功能比较单一，不能处理多床位的需求和不能掌控其他输液相关信息。

齐齐哈尔大学的徐凤霞等人通过把单片机和电力线载波芯片相结合开发出了病区远程输液监控系统。该系统功能十分强大，包括输液速度的检测和显示、吊瓶内液面检测和记录、声光报警、上位机组态、电路线载波通信等功能[4]。此外，该系统是利用低压线路作为通信线路，且网络具有非常广泛的覆盖范围，能够大幅降低有线通信系统的成本。但该系统结构和操作都非常复杂，不具有很高的应用前景。

截至至今，国内输液监控系统已经有超过70种专利技术，这些技术基本能够实现速度检测和声光报警等基本操作，然而能够广泛推广使用的技术却是少之又少，这是因为研究人员在研究中未能深入病院考察，与医护人员和患者深入交流。因此基于理论发明的专利大多都存在价格不合理、操作不便捷、安全性和可靠性不够强等缺点。因此，现今的医院和诊所特别需要操作便捷、价格实惠且安全度高的输液监控系统。

　1.4 课题采用的输液监控方法

对国内外对输液监控系统的研究成果进行综合分析，本课题最终采用光电式监控方法进行研究。所采用的硬件主要为对射式红外线光电传感器，如上文所述这种方法的优点在于不与药液接触从而无污染，此外也具有操作简便、数据精确等优点。在检测微小位移变化时，这种传感器所具有的对物体表面的敏感特性有非常的优势。在对被测面发射一定量光束时，在物体的不同黑度和表面粗糙度的影响下，传感器接收端会接收物体折射和反射回来的光信号并转化为电信号。传感器有发送端和接收端俩部分，当运行时接收端接收由发送端发出的调制光并转换为光信号。当物体进入检测区域时，此时光束会被挡住，接收端接收不到光信号从而会转变传感器的输出电压。通过电压比较转换输出电压会转换为高低电平，最终输送到单片机的I/O口中。运行时每滴液滴都会产生一个脉冲，由高低电平的不同单片机能够检测出是否有液滴低下和滴下的速度。

　2输液报警器系统的整体设计

　　2.1 系统设计要求

在初步设计一个系统时，首先应该分析系统的需求。通过实际的考察和收集的资料分析明确系统的的设计任务和目标，然后在分析需要达到的功能和需要解决的问题。在实际输液进程中，可能会出现输液速度超过上下限和发生回血时不会报警、药物输送完全时步进电机不会驱动、在运行情况无异常时却发出报警信号等问题，为此基于以上问题设计的输液报警器系统应该具备的功能主要有：一方面要有强大的实用性能，能够广泛应用于各种环境中。系统应具有花费较短的时间得到准确的输液信息的能力，同时能在药物输送完全时能够及时通知并具备应急处理功能。在操作应用和显示方面要设计得简单便捷，使陪护人员能够快速上手操作且方便查看输液信息。另一方面要有高的性价比，运用优化设计理念，实现以低成本设计出高性能的硬件，保证工作的可靠性和稳定性同时便于维护和更换。根据以上设计分析，可以得到一个需求分析表，如表1所示：

表1 系统需求分析表

2.2 系统方案论证与比较

2.2.1 控制方案选择

控制方案大体上可分为两种方案。第一种是采用两位模拟控制方案，其优点是价格实惠且电路简单，运行过程中容易操作和控制。但这种方案有着非常大的缺陷，那就是精度过低。在通信中会出现延迟且显示数值误差也比较大。第二种是STC89C51单片机控制方案，这种方案优点在于编程简单且能实现各种复杂的功能和控制，此外还有抗干扰性强的性能。在运行中能够精准实现滴速检测和显示，同时还能完成主从站之间的通信功能。

鉴于本系统对检测和显示的精度要求较高，且对通信的时效也有严格要求，因此本系统采取第二种方案。

2.2.2 点滴测试的物理原理

药液药物颜色通常为透明状，在下落时会呈现瓜子状。当红外线检测到液滴时，由于液滴的折射特性类似与水滴的折射特性，故红外线遇到液滴时会发生光路上的改变。当红外线发送光线产生光路变化时，会形成一个聚合点聚在发射的路径上。药滴中心到该聚合点的距离值s通常俩倍于液滴的半径r[5]。

红外线发射光经过液滴后会折射到聚合点，若在该聚合点设置相应的红外线接收管，当药物液滴从输液管下滴时，便能够检测到聚合点处红外线的强弱变化。而由于电流的大小与红外线光线的强度有着一定的线性关系，故输液监控系统可以凭借电流大小是否有变化来判定输液液滴是否有滴下。红外线接收面和液滴中心的距离x1可由公式2.1计算得出（其中D1是接收端直径，D2为红外线入射光直径，x2为红外线接受面和聚合点的距离）。一般情况下输液液滴的半径通常为1.2mm-1.5mm，因此折射后所产生的聚合点位于液滴下落路径中心线正下方1.2mm-1.5mm。若红外线发射光直径和红外线接收端的直径相当，红外线发射端与接收端和药液液滴中心距离为40mm[6]。

（2.1）

2.2.3 点滴检测方法研究选择

点滴检测方案关键在于选何种传感器进行检测，通常有如下三种选择：

方案一：采用红外线对射传感器，主要优点在于其对光线有较强的敏感性。当点滴滴下时发送管会接收到相应的红外线信号并发送给接收管。接收管放大接收到的信号并进行电压比较后再发送给单片机，然后便能精确的检测出液滴速度。此外它本身在工作时还具有很强大的抗干扰性。图1为红外对管测试原理图。

   图1 红 外对管测试

方案二：采取液位传感器。具体实行方法为把液位传感器置于吊瓶输液斗内，根据瓶内药物位面的变化就能测出液滴的下滴情况[7]。这种方案因为要把传感器置于漏斗内，就不可避免会接触到药物从而产生污染。除此之外因为液面的变化率通常较小不易检测，从而检测结果精确性不高。

方案三：压力传感器方案。把传感器置于输液瓶瓶底，传感器可以把从瓶底承受的压力量转变为相应的电压值。然后根据电压值的变化便能检测到瓶内药物残余量和点滴下落情况。而通常吊瓶能产生的压力值不高且变化较小，故对压力传感器的检测精度要求较高。而且吊瓶多样，传感器很难在保证精度的同时对不同规格的输液瓶进行检测。图2为型号HDP403的液压传感器。

　　图2 液压传感器HDP403

从经济和实际应用的角度分析，方案一中的红外线传感器价格低廉、尺寸小且便于安装、操作电路简单同时精度能满足要求。从安全的角度进行分析，方案一三因不与液面接触从而污染最小，此外方案一抗干扰性也相对较强。综合以上点滴检测方案选择方案一进行检测。

在实际输液过程中，滴完同样体积的药物的点滴数目通常由药物本身的浓度和粘度决定，此外输液管的口径大小也会影响点滴数目的多少。当输液管口比较细时，输送完同样体积的药物所需的点滴数目比管口粗时多。表2表示在不同药液浓度浓度、不同物质、不同规格的输液管下，实验用输液管所需液滴数目的检测结果。

根据实验结果显示，输液针头规格和药液浓度的不同会使药液液滴数目发生区间范围的变化，通常区间为19.5-22.6gtt/ml。为了使检测的数据结果精确可靠，需要增多采样的数据量。当使用的输液管型号为7和5.5时，1ml浓度为百分之五的葡萄糖溶液或者10.9%的氯化钠溶液相当于20.0gtt。使用的输液管型号为5.5时，1ml百分之十的葡萄糖溶液为20.6gtt，使用的输液管型号为7时则为20.3gtt。使用的输液管型号为7时，1ml百分之二十五的甘露醇溶液相当于22.0gtt，使用5.5型号的输液管则为22.4gtt。一定质量的药物，当体积变小时密度会增大，故药液浓度越大时1ml药物的液滴数目也就越多。当输液针头的型号无显著差别时，只有在药液浓度过大时检测的液滴数目结果才会表现出差别。故本设计采20.0gtt/ml作为计算输液体积的依据。当用规格为7输液管输送低浓度的药液时，检测500ml药液所产生的误差只有7.5ml，误差范围在1.5%以下。故能够通过检测液滴数目的方法来检测输液量[8]。

表2 不同药液浓度、物质、规格的输液管下，实验用输液管所需液滴数目

　2.2.4 电机选择

在输液过程中，常常会出现药物完全输送后医疗人员换瓶不及时而导致病人身体不适的情况。针对这种情况，本系统采用驱动电机锁紧输液管进行应急处理。而电机种类的选择也是首先要考虑的因素。现今常用的电机可分为三大类：直流电机、伺服电机和步进电机。对于直流电机，一旦开始通电它就会立即转动，转矩通常比较小。掉电后直流电机不会立即停止转动而是会转动一定角度之后才停止，这是因为它在断电之后会有非常大的惯性。因此很难精确地转动到需求的位置。与直流电机相比，伺服电机在输出功率和启动转矩都相对较大。此外操作电路也较简单，机械性能也很优异。但它的价格也非常高昂。步进电机的性能则介于直流电机和步进电机之间。以适中的转矩和输出功率完成精度较高的测量，能完成需要高精度检测的工作。同时价格较为合理，能大大减少成本。综合考虑以上因素，本系统最终采用步进电机进行工作。

2.2.5 通信方式选择

通信也是本系统需要重要考虑的因素。信号发出和接收的快慢决定了医疗人员了解的输液信息的快慢。而输液过程中药瓶的更换和输液速度的调节都是不能耽搁的。大体上通信方式都分为有线和无线两种方式。

对于有线通信方式，通常是借助金属导线、电缆等媒质实现点与点之间的通信。特点是可靠性高、保密性强且不易被干扰。但有线方式需要占用比较多的空间且布线比较麻烦，成本也相对较高。而导线和电缆在长时间受到空气侵蚀会容易出现损坏，导致使用寿命和通信质量通常不高。

相对有线方式，无线通信方式则节省了布线的成本和去除了布线的困难。无线通信是利用声波或者电磁波的传送特征实现远距离传输通讯的通信方式。因其不需要媒质进行传播，故具有价格低廉、扩展性强等优点。此外，无线通信也具有强大的抗干扰性，不会受外界环境所影响，因而具有通信强度高且通信速度快的优点。

在医院中，病房之间排布较为密集且床位之间空余空间不多，此外因为时常需要复查和亲属经常探望，因此人员流动比较频繁，故若在狭小的病房内派排布电线或电缆的话，会导致电缆和电线本身使用寿命降低同时也会对病人造成一定影响，因此本系统选择采用无线通信方式进行通信。

2.2.6 无线通信方式选择

决定采用无线通信进行通信后，还需决定应采用何种无线通信方式。不同的方式会决定通信距离的长度、通信过程中的抗干扰能力、设计的复杂程度以及设计所需的成本等。而通常无线通信有以下方式可供选择：

方案一：蓝牙无线传输技术。蓝牙传输通常用于短距离传输，如手机面对面输送，相比较其优点，蓝牙无线传输技术在工业测控领域有着明显缺陷。蓝牙无线传输技术有着操作复杂、传输距离短、需要功耗大、抗干扰能力较差且价格还高昂的明显缺点，故在测控领域中应用效果不理想。

方案二：红外线无线传输技术。红外线主要是通过发射红外线和红外线的接收进行无线传送[9]。该技术有着传输速度迅速、传输距离可控、操作方便、价格实惠等显著优点。此外在传输过程中也能保证通信质量和安全性。因此本设计采用红外线无线传输技术。

2.3 系统整体设计

对系统的设计要求和设计方案进行综合考虑，本系统采用单片机主站和单片机从站之间进行无线通信从而达到控制要求。

主站主要进行监控点滴速度和回血检测并设置报警和输液信息显示等功能，从站主要是检测药瓶中药物是否输送完全并设置报警通知报警功能。考虑到医院内不需要太长距离的输送信号，主从站之间的无线传输采用315m无限通信线路。主站电路有按键电路、无线通信电路、步进电机电路、声光报警电路和输液信息显示电路。其中按键模块作用为设置输液速度上下限值，无线通信通路用来进行主从站间的通信，步进电机电路用来对输液管的锁紧，显示模块显示当前输液速度值。从站电路主要包括信息采集电路、声光报警电路、脉冲整形电路、A /D转换器、无线通信电路和外围电路。

当系统工作时，信息采集模块接收主站发送的信号，脉冲整形装置使脉冲信号整成要求的形状，再经过A /D转换器将模拟信号转换为数字信号，单片机对信号处理后便能在数码管上显示输液信息，当输液速度超过设置的上下限值时进行声光报警，当有10秒未检测到到液滴低下则驱动步进电机对输液管进行锁紧。

本系统的研发成功不仅能解决现今静脉输液存在的一些医疗隐患，并且能够大大降低医护人员的工作量，从而大幅提高工作效率。此外，本系统占用空间小，能利用已有的报警装置进行工作，使医院能够合理地分配资源，具有很高的经济效益。图3为系统的结构框图。

　　图3 系统的结构框图

3 输液报警器系统硬件设计

3.1 系统采用单片机介绍

3.1.1 STC89C51单片机功能介绍

单片机是在一块芯片上集成了存储器（RAM，ROM,E-PROM)、输入和输出接口（定时器/计数器，串行口，并行I/O口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等）以及微处理器（CPU）的一种微控制器。在上世纪70年代诞生以来，因其极高的性价比得到广泛的应用和发展。它的主要优点是体积小和价格低下，同时可靠性和抗干扰能力又都强大，此外操作和开发都较为便捷，为广大技术人员所青睐[10]。当今，单片机广泛运用于民间企业和工业测控领域，在生活中也到处都能看到运用单片机的产品，单片机技术已经深深地融入人们的生活中，

本系统所采用的是STC89C51单片机，它主要优点为保证低能耗的同时数据运算处理速度快且完成较高的性能。在芯片上有着系统可编程Flash和8位CPU，故能够设计出便捷且高效的运行方案给控制系统。按功能可划分为如表3：

表3 STC89C51单片机功能

另外STC89X51可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择供电模式，当处于空闲状态时，CPU停止运行同时RAM、中断系统、定时器/计数器、串行口维持正常运行。当系统掉电时，首先保存RAM的内容，随后单片机停止运行一切工作直到硬件复位为止[11]。

3.1.2 STC89C51单片机引脚介绍

对STC89C51的引脚介绍如表4：

表4 STC89C51单片机引脚功能介绍

P1、P2、P3口线片内部都有着固定的上拉电阻，当它们作为输入口运行时，要先向该口写“1”，同时准双向I/O口处于无高阻的“浮空”状态。图4为单片机引脚图。

　　图4 STC89C51单片机引脚图

3.2 系统硬件设计

由于本系统功能设计需要进行无线通信，因此本系统的硬件设计主要由俩部份组成：

（1）主站：本系统采用的主站中央处理器由STC89C51单片机组成，能完成对输液过程的检测和显示。主站主要包括输液信号获取单元，电压比较电路，声光报警模块，步进电机驱动电路，无线通信电路。声光报警电路的功能为在系统发生异常时进行报警。

（2）从站：从站包括声光报警模块和无线通信模块。在系统发生异常时通过无线通信从站也会相应的进行报警。

下面对系统的各个硬件模块进行设计。

3.2.1 数码管显示单元设计

单片机的显示器选用通常选用七段发光数码显示器（LED）。显示主要是显示液滴滴速。操作人员根据光线明亮度和稳定性判断是否需要更换电池。当药物液滴下落时，显示器开始显示液滴滴速，液滴滴速的显示精确一方面可以使医疗人员准确得把速度调节到适宜病人的数值，另一方面能够在报警信号不灵时病人或者医疗人员巡查时通过显示数值知道输液速度出现异常。图5为数码管显示实物图。

　　图5 数码管实物图

通常情况下输液速度范围维持在20-90滴每分钟能够最好的达到治疗效果且对病人影响微小。因此本设计采用二位联体的共阳极七段数码管进行实时显示。共有十个引脚，其中8个引脚连接数码管的8个段，其余2个com引脚分别驱动个位、十位数码管显示，驱动电路用的为三极管。每个数码管显示器有8个发光二极管组成，阳极相连的称为共阳极显示器，阴极相连的称为共阴极显示器。当二极管导通时，相应字段发亮，显示出对应的数字，例如，对共阴极显示器，公共阴极为低电平，阳极为高电平，gfedcba为1001111时，则显示3[12]。图6为数码显示器结构图。

　　图6 数码显示器结构

3.2.2 按键单元设计

通常在单片机中键盘的排列为阵列排布，一个按键就相当于一个开关元件，即由一系列按键阵列排布组成的键盘实际上就是一组按规则排列的开关。根据结构原理按键可分为俩种，一种为触点式开关按键，如机械式开关按键、导电橡胶式开关按键等；另一种是无触点式开关按键，如电气式开关按键，磁感应开关按键等[13]。俩种开关按键都有其独特的优点，触电式开关按键造价偏低，无触点式开关使用寿命则比较长。而通常情况下价格才是第一考虑的因素，故触电式开关得到了广泛应用。因此本设计选择用触电式开关按键组成按键单元。

本设计所采用的触点式按键开关为机械式触电式开关，它的功能为能够实现机械上的通断与电气上的逻辑关系之间的转换。换而言之，它可以提供标准的TTL逻辑电平，能够相容于通用数字系统的逻辑电平。在按下或释放机械式按键时，在机械弹性作用下，大多数情况会产生一定时间范围内的触点机械抖动，随后该触点才会稳定下来[14]。根据实际操作结果表示，按键开关的机械特性会决定发生抖动的时间，通常为5~10ms。由于触电抖动的影响，在检测按键是否启动时会导致判断出错，即按下一次按键会错误检测为多次按下和释放，这会导致测量结果产生明显误差。为了解决由按键触点机械抖动所致的检测有误问题，应在硬件和软件两方面设计去抖动方法。软件去抖动相比硬件去抖动精度更高，效果也较好，为此采用本设计采用软件去抖动措施。软件去抖动所采取的措施为：当检测到有按键启动时，先执行一个大约10ms的延时程序，随后对该按键的闭合状态进行检测，若该按键保持着闭合状态电平则可以确认该键处于闭合状态；与之同理，当检测按键释放也采取相同的措施进行检测确认，由此可以去除按键抖动所带来的影响[15]。

通常一个完整的按键控制电路都应具备如下功能：

能够准确检测按键的启动和释放，同时能够采取软件措施去除按键发生机械抖动所带来的检测误差。具有一套可靠性强的逻辑处理系统。一次只能对一个按键操作进行响应，期间其他按键是否启动都不会对系统产生影响。同时不管对一次按键的操作时间有多长，系统只会执行一次按键功能程序。能够准确输出按键值。本系统的键盘主要是设置液滴速度的上下限和一个设置模式键，故选用三个独立按键进行设置。S3按键用来选择设置模式。当S3开关断开时数码管显示当前的滴速。当第一次按下S3按键时，数码管显示上限值，再次按下时数码管显示下限值，第三次按下时则保存设置好的滴速上下限值并返回显示当时滴速的界面。S2和S1为粗细调按键，按一次S2按键数值加1，按一次S1按键数值减1。设计的键盘电路如图7所示。

　　图7 键盘设计电路

3.2.3 点滴信号检测单元设计

点滴信号检测单元的设计是本系统最重要的设计部分之一。该单元主要功能是检测液滴有无下滴和下滴的速度。若检测的液滴速度有误而医护人员又没发现时，会使患者长时间处于非正常范围内的滴速输液治疗，由此会导致患者不能接受治疗同时遭受二次伤害，该系统也就失去了意义。因此对该单元的设计应选好所采用的检测设备。该单元采用红外线对射传感器进行检测，该点滴信号检测电路如图8所示。

　　图8 点滴信号检测电路

红外对射传感器的主要组成部分为红外发射管和受光管，其主要功能是实现电信号与红外线光信号之间的转变。红外线光信号在传播中不仅不容易被可见光影响，而且其波长要比可见光长，此外红外系统还具有结构简单、体积小、易于装置等优点[16]。因此本设计采用红外对射传感器作为检测滴速的传感器。为了减少外界光的影响同时提高信噪比，采取电压输出方式。

传感器具有检测功能的原因在于它能够按照一定规律转化把被测的物理量信号转化为便于输送和记录的电压或电流信号。而通常情况下传感器转换后输出的电流信号比较小，单片机不易检测到。为此需要经过电压比较将传感器输出的微弱电信号转变为能够被检测的电平信号。在电路中，R1电阻的功用为对红外线发光二极管起到限流作用，R2电阻的功用则为到将电流转换为电压。当有点滴下落时，发射光所发射的红外光会被下落的液滴阻挡，这时光敏二极管便会产生非常小数值的暗电流，再通过电阻R2时，光敏二极管上的产生光通量变化就会被R2转换成R1上的电信号的变化，然后再经过电压比较，最终输送到单片机中进行处理。

3.2.4 检测电路抗干扰设计

由于存在外界光的影响和液滴本身会发生抖动，在用传感器对液滴速度和上下限值检测时常常会出现轻微误差。为此应采取一些抗干扰处理作用于系统。

（1）防止外界光干扰。由于电路中设置的为光电传感器，因此在检测时不仅会接收到发射过来的红外线，还会接收到外界其他的可见光。若该可见光有很大的强度，则会让本应接收红外光信号的接收端转而接收可见光。为了去除这种影响，可以采用遮光罩罩住光电传感器的探测头，也可使用调制脉冲频率的方法。而因为本系统电路中给光电传感器提供工作电压的为直流电源，故本系统采用遮光罩罩住光电传感器的探测头。

（2）防点滴抖动干扰。电路中需要对液面高度进行检测来判断药物是否输送完全，同时在调节输液速度时会调整吊瓶高度，故在测量时被测装置会发生移动。当传感器和被测装置的距离经常发生变化导致不能紧密连接时，检测到的信号通常会与实际信号有些许误差，因此需要去除被测装置位置发生变化时带来的抖动干扰。本设计所采取的应对方法是将红外对射传感器固定到被测装置俩端，这样传感器会随着吊瓶的移动而移动，它们之间就能一直保持紧密连接的状态，从而能够防止由于被测装置移动产生的点滴抖动干扰。

（3）干扰的软件处理。图9所示为单片机输入信号的正常波形和异常波形 。

　　图9 单片机输入信号

当吊瓶中液面发生晃动时，这时如果即时检测，光敏传感器会误检测从而发出误报警。为此在用单片机对信号进行检测时，可添加一段一定时间内的延时程序，待液面和系统趋于平稳时在进行检测，能够避免液面晃动时带来的干扰。

在对正常波形的脉冲宽度进行检测结果为t ms，若软件采集脉冲波形上升沿，则当检测到异常的波形时，软件默认在t ms时间只采集了一个上升沿，即屏蔽掉另一个上升沿，这样就能把去去除异常情况下异常波形带来的干扰。

3.2.5 声光报警单元设计

本系统中进行声光报警的硬件为俩个蜂鸣器和四个发光二极管，主站和从站都设置了一个蜂鸣器加二极管，滴速检测电路和回血检测电路各设置一个发光二极管。当检测到滴速超出设置的上下限值或检测到回血现象或检测到液滴滴完时，主从站皆会控制蜂鸣器和发光二级管进行工作从而达到报警功能。如图10所示。

　　图10 声光报警器实物

本设计的报警可分为俩部分:一部分为发光二极管的光报警。这部分是通过单片机的I/O口控制驱动发光二极管进行报警，内部控制原理跟数码管显示单元类似，在单片机系统中的P3.4脚上接上发光二极管，当传来报警信号时，该二极管能够发出光亮的闪烁信号通知外界。另一部分为蜂鸣器的声报警。它是利用蜂鸣器发出声音提示人们。报警器的种类可分为许多种，在这之中电磁式蜂鸣器因有着能够在微小电压就能发出高分贝音压的特点脱颖而出。电磁式蜂鸣器主要组成部分有电磁线圈、振动膜片、磁铁和振荡器等。在系统上电后，电磁线圈接收振荡器所发出的音频信号电流从而产生磁场。然后在电磁线圈和磁铁的相互作用下，振动膜片能够周期性地进行发声和振动。图11为声光报警单元的电路图。

　　图11 声光报警单元电路

3.2.6步进电机驱动单元设计

这部分的结构组成主要为步进电机、步进电机驱动电路。当检测到在输液管药物完全输送后十秒后还没更换药物或者拔掉药瓶时，系统会驱动步进电机旋转一定角度对输液管进行锁紧。

相比较于其他电机，步进电机在使用中更加灵活方便，接收到脉冲信号时便能转变为角位移，比较适合本系统的设计。设计采用的步进电机型号为42BY015，然后采用ULN2003组成图2的步进电机驱动电路。该电路的优点在于灌放电路无反向同时最大驱动电流可达1安培。图12为步进电机驱动电路图。

　　图12 步进电机驱动电路

4输液报警器系统软件设计

为了使输液监控系统能够完整的完成所需的功能和保持正常运行，必须满足硬件和软件的设计都能符合要求。软件的运行离不开硬件的载体，硬件的驱动也离不开软件的控制。对于输液监控系统，其主站核心为单片机，而软件的设计则决定单片机如何控制系统，软件的逻辑指令设计得条理清晰，才能保证系统能够按照设计目标顺序完成指令功能。软件设计的逻辑一旦出错，整个系统运行时便会指令混乱，严重甚至可能会当机，因此软件设计时必须严格把功能指令进行分类，各站都设计独立而又联系的流程指令。

4.1 主站和从站设计流程图

本系统的软件设计包括主站和从站软件设计，对于从站系统，首先启动开关运行系统，然后对从站的各模块初始化处理。接着通过无线通信电路与主站进行通信，若主站检测到有异常情况，则启动蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。图13为从站程序流程图。

　　图13 从站程序流程

对于主站系统，首先启动开光，接着通过按键设置输液速度的上下限值，然后开始下滴药物同时传感器对其进行检测，检测出的速度实时显示在数码管显示屏上，若速度超出设置的速度范围，则启动蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。图14为主站流程图。

　　图14 主站程序流程

4.2 按键模块软件设计

4.2.1 按键模块软件设计

按键模块的组成为三个阵列按键，按键内部接入正电源的是经过电阻的列线，单片机中与行线相接的I/O口作为输出端，与列线相接的I/O口则作为输入端。列线输出的为高电平，系统可通过输出端是否都为高电平来判断按键是否按下，若皆为高电平，则可判定按键没有按下。对于行键则输出低电平，排布在按键下的输入线在按键启动时便会变压低，因此可以凭借读取输入线的状态便能得知是否有按键键启动。而在使用中，需要检定是哪个按键被按下，为此本设计采用“行扫描法”进行判定。

在本设计中，键盘的I/O采用单片机的P1口，把按键的列线接到P1.0-P1.3，按键的行线接到P1.4-P1.7。列线P1.0-P1.3在接到正电源+5V上时通过4个上拉电阻。4根行线和4根列线形成16个相交点。在按键输入模块中，首先启动开关，然后系统会初始化开关设置随后启动按键，若检测到启动按键，则经过一个延时程序之后在数码管上显示的数字则会发生相应的变化。图15为对键盘输入程序的流程图。

　　图15 键盘扫描流程

表5为对按键模块所需求的功能与其相对应的解决措施。

表5 按键需求功能与对应措施

在检测到按键启动后，还需检测是哪个按键进行了闭合。为此采用行扫描的形式。具体做法若检测到按键闭合，则启动延时程序去除键位抖动带来的影响，随后对键盘进行扫描便能得到键值，随后释放按键并启动其他按键也进行扫描得到对应的键值，再对它们进行标志就能成功得到键与功能的对应关系。图16为按键行扫描的流程图：

　　图16 键盘行扫描法扫描流程

　4.2.2 数码管显示模块的软件设计

数码管用来实时显示当前液滴速度，分别显示液滴速度的个位和十位。本系统中采用俩个共阴极数码管并列显示。因为液滴速度设置单位只有整数，在数码管显示种不用显示小数点。故在编程时比较便捷。数码管显示的部分程序如下：

if(speed<100&&flag1==0) //速度低于100并且没有停滴

{

LED_DATA=tab[speed/10]; //显示速度的十位

W1=0; //选中第一位

delay(1); //延时

W1=1; //关闭位，防止出现鬼影

LED_DATA=tab[speed%10]; //显示速度的个位

W2=0; //打开第二位

delay(1); //关闭位

W2=1;

}

　　4.2.3 报警模块软件设计

在本系统中，当有异常情况时都会进行报警，即当液滴速度超出范围、有回血现象、未及时换瓶时都会发出报警信号。报警模块程序设计主要是INT1中断来实现的。当出现异常情况时，会转变INT1的电平并启动，随后把报警标志位置为1，同时把单片机的P3.4脚置为1，使它驱动蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，提醒医护人员处理异常。图17为报警模块流程图。

　　图17 报警模块流程

下面为报警模块的部分程序：

if(huixue==0||flag1==1||speed>VH||speed<vl) 检测到异常情况时<=”” strong=””></vl)>

{

flag=1; //开启报警

BJ_wireless=0;

}

4.2.4 点滴速度测量模块软件设计

本设计中测量点滴速度的方法结合了以点滴间隔和以单位时间记录点滴数的方法测量点滴速度。以点滴为单位，同时记录单位时间内的点滴数。再对多数个点滴进行测量从而计算出液滴速度。图18为点滴速度测量程序流程图。

　　图18 点滴速度测量程序流程

　5 实物演示和测试

在对系统的硬件和软件设计完全后，还需对设计出来的实物进行调试。因为脱离实物的软件设计难免会有些许不符合。只有实物演示没问题后，本系统设计才是真正意义上的完全。本系统实物主要包含了数码管显示模块、三个按键组成的按键模块、液滴速度检测模块、回血检测模块、步进电机驱动模块、四个发光二极管和俩个蜂鸣器。在未启动时实物图片如下：

　　图19 从站实物

　　图20 主站实物

本系统的重点在于能够对输液速度进行实时检测，在异常情况下可以发出预警，在调试时，首先把上限设为80滴每分钟，下限则设为20滴每分钟，然后进行测试，发现液滴速度在77滴每分钟时声光报警不会启动，液滴速度在86滴每分钟时就会启动声光报警。如图21和22所示实验证明本系统设计成功完成了设计目标。

　　图21 滴液速度正常时

图22 滴液速度异常时

而由于蜂鸣器报警是声音报警，图片展示不出来，故在此不演示，同样步进电机的锁紧功能也需动态的进行演示，故在此也不演示。在调试过程中由于单片机板跟线焊接不良经常出现断线现象，同时硬件二极管模块也经常会烧坏，为此实际应用模块部分应采用新型且寿命良好的硬件，并且学习良好的焊接技术对单片机进行焊接，这样才能完好的完成所需的功能。

6 总结

针对如今输液监控系统还存在许多缺陷并且许多医院和诊所都缺乏一套完善的输液监控系统。本论文主要设计了一套基于STC89C51单片机的输液报警器系统，在对液位和滴速的采集检测上采取了红外对射传感器，再经过单片机处理和分析采集的数据。液滴速度极值设置则采用三个排列按键进行调控，速度的显示则采用两个共阴极数码管进行实时显示。对于处理药液输送完全后未能及时换瓶和取出的情况则采用步进电机对输液管进行锁紧。本系统分为主站和从站两部分，它们之间采用无线通信方式。经过实验调试，本系统对点滴速度和回血现象的检测较为灵敏，步进电机的驱动也较为流畅，无明显卡顿现象，声光报警功能也能及时报警并能及时停止。因此，本系统能够完成对点滴速度进行检测和报警的任务。

在对选用的题进行充分分析研究后，本论文主要完成了以下任务：

在对医院和诊所内实际输液情况进行实际考察后，构思出输液报警器的大体结构框架，然后在对查阅的资料进行分析比较之后列出系统可供选择的方案，然后在设计时对经济角度和实用角度分析后决定系统的执行方案。完成本报警器系统的各模块硬件和软件的设计。大体上包括数码管显示和声光报警模块、点滴速度检测模块、回血检测模块、步进电机驱动模块、按键模块和无线通信模块的设计[1]。对系统进行了实验调试并观察分析出现的问题，随后对程序进行修改从而解决出现的问题，使本系统在运行时更加可靠和精确。而由于是第一次接触这方面的研究个人水平有限，因此本系统还存在许多缺陷，有些做得不完善的方面还需要更进一步研究和分析，比如能够实现点滴速度自动控制等，希望在接下来的学习中能够自己找到解决的方法并成功实行。

　参 考 文 献

[1]李艾浓,王増彩.基于单片机的自动输液监控系统的设计[J].南方农机,2019,50(02):192.

[2]刘翠,谢小芳,罗旭等.基于单片机的医院输液监测系统[J].电脑知识与技术,2017,13(28):237-238+253.

[3]朱多佳,胡欣宇.基于红外传感器的智能输液报警系统[J].物联网技术,2018,8(05):72-74.

[4]付建鹏.基于STC12C5A60S2单片机的智能输液监控系统的研究[D].河北工业大学,2014.

输液报警器系统的整体设计

价格 ¥9.90 发布时间 2023年10月2日

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