基于单片机的智能输液装置控制系统的设计

姚运萍， 张育斌， 陈 宇， 张文彬， 吴振刚

(兰州理工大学机电工程学院， 甘肃 兰州 730050)

0 引言

静脉输液是常用的临床医疗手段，医院在对病人进行输液治疗的过程中需要根据输液的药物和患者的病情选择合适的静脉输液滴流速度.目前对静脉输液的监控普遍采用人工方式，由护士根据经验将速度调至合适值.当液体输完时，如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头，将会出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况，轻则延误治疗，给病人造成痛苦；重则会严重危及患者的身心健康，发生不可弥补的医疗事故.

开发一种针对普通病房和输液观察室里使用的低成本的输液装置控制系统来控制药液的输送并进行异常报警，显然有着很实际的意义，有助于减轻医护工作强度，提高安全性、准确性和工作效率，并提高护理水平.

1 总体方案

红外振荡装置产生红外脉冲，红外信号通过液滴池后形成不同的脉冲峰值，经过放大装置放大，使高、低峰值之间的反差加大，脉冲经过施密特整形后，低峰值脉冲被削减，高峰值脉冲通过，对于可重复触发单稳电路，当有脉冲来时其处于暂稳态，没有脉冲时处于稳态，因为有液滴通过时，红外信号被吸收，产生一次低电平，在单片机中设置下降沿触发，计算下降沿数目可以得到液滴数目(20滴=1 mL).为了避免出现突然断电、死机等意外情况，设计看门狗电路，用以保护单片机并保证意外情况下数据不会丢失.单片机与CAN总线控制器连接，彼此通讯，从单片机送来的数据进而控制步进电机，步进电机带动蠕动泵转动，根据上述设计思想得出系统总体的原理框图如图1所示.

图1 系统原理框图 图2 气泡检测电路

2 系统硬件设计

2.1 液滴检测方法

液滴检测可采用红外线法，红外测量用调制方法可去除红外线和外界的干扰信号.基本的调制方法有脉冲调制、幅度调制、调频、调幅、FSK等，这些方法各有其特点，其中以脉冲调制方式最为简单，而且更容易去除干扰成分，因此本文采用脉冲调制.脉冲调制包括红外脉冲振荡、红外接收放大、液滴提取(解调)几个功能电路[1].

本文利用8253定时器产生一个固定定时，同时利用8253对液滴计数.当定时器溢出时，用单片机把定时器8253计的滴数读出，再把这个数据转化为每分钟的滴速，这样就完成了液滴测量.

2.2 气泡检测方法

气泡报警电路采用与红外液滴测量相同的原理，当有气泡通过时会有红外脉冲透过施密特触发器，不过这也会使一些气泡进入后续电路，为此可用延时测量的方法滤除它，这里我们仍用可重复触发单稳电路，无气泡时其工作在稳态，有气泡时则变成暂稳态，它的宽度反映了气泡的大小，用INT1和8253定时器完成脉宽测量，在软件中规定最小宽度，如果超过计数器溢出则产生中断，发出报警信号.如果计数器不溢出，则中断服务对8253重新置数，这样下次气泡检测时不会把上次信息累积进来，从而实现了预设的功能[2]，其检测电路如图2所示.

2.3 步进电机驱动设计

使用L297+L298做成的两相双极性步进电机以定电流截波方式驱动，每相电流可达2 A.L297是步进马达控制器，用来产生两相双极性驱动信号，L298则完成步进电机电力输出，由双全桥接方式驱动.由于采用双极性驱动，因此马达线圈完全利用，使步进电机可以达到最佳的驱动[3]，其电路图如图3所示.

图3 步进电机驱动部分电路原理图

由ALE、WR、RD组合产生稳定的2 MHz脉冲，供给8253，8253的3个计数器将其分频供给L297，L297产生脉冲分配给L298，L298驱动两相步进电机.

2.4 看门狗电路

本系统采用X5045看门狗芯片把上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护的4 kB串行E2PROM存储器组装在一个8脚DIP封装的芯片内，这种组合可降低系统成本，减少电路板空间，增加可靠性，同时该电路可将要显示的数据信息有效保存，而且掉电不丢失，并可在系统因干扰而死机时自动恢复[4].

3 系统软件设计

软件采用功能模块的设计思想进行编写，这可增加系统整体的可移植性.系统软件需要的功能模块主要有：键盘模块、显示模块、测量信号模块、步进电机驱动控制模块、通讯模块、报警模块，如图4、图5所示.

图4 液滴频率测量流程

前向通道使用2个中断口：T0和INT1需要先给8253定时器GATE信号启动计数，到时间后读取这个数据即可测算液滴频率，测量后再根据数值大小调整速度量[5].8255初始化在主程序开始中完成，PA口输入，PB口输出，CS片选接P2.5，DFH为控制字地址，A、B、C口地址分别为DCH、DDH、DEH.工作的基本输入输出控制字为：1001 0000=90H.

报警电路主要考虑超速或泄漏、空瓶或滴速过低(阻塞)功能报警，还有速度模式显示切换指示、速度/瓶量显示切换指示，外加一个蜂鸣器对信号进行声音报警[6].程序出错时只采用声音报警.部分调试程序如下：

图5 步进电机速度控制程序流程图

4 结束语

本文设计了一种基于AT89C52单片机的智能型支持网络运行的医用输液泵系统，该系统采用红外线测定原理间接测量液滴速度，同时利用液滴速度快慢与空瓶、阻塞、漏液、速度失控之间的关系改进了目前同类输液设备中采用压力传感器测量阻塞和漏液的方法，在保持原有功能的同时降低了成本.另外，用红外线测量气泡也是本文提出的一种新方法，而其它文献及目前市场上销售的产品中多数是用超声波来测量气泡.本文提供的方案开发成本总共仅1 500元左右，却涵盖了价格3 000元左右的同类产品的所有功能，基本满足了普通病房的要求.由于本系统硬软件的可扩展性，监护系统可方便地与上位机进行数据通信，从而实现整个病区的全方位监测和管理，且人机界面友好，因此本系统具有广阔的应用前景.

[1] 伍 玉,陈晓君.液体点滴速度检测装置[J].电子设计工程,2009,7(7):52-53.

[2] 田建君.单片机控制输液泵系统设计[J].中小型机电，2004,1(31):53-55.

[3] 孟武胜,李 亮.基于AT89C52单片机的步进控制系统设计[J].微电机，2007，(4):64-66.

[4] 武 刚. AT89C52单片机在医院输液护理中的应用[J].电子元件应用，2008，10(12)：10-11.

[5] 贲洪奇.应用单片微机的蠕动泵控制电路[J].仪表技术，1997，(1)：24-25.

[6] W.Hoffmann. Computer controlled titration with piston burette or peristaltic pump a comparison[J].Fresenius J Anal Chem.，1996，(356)：303-305.