基于C8051F310单片机的医用氧气流量计量器的研制

徐锋

泰安市肿瘤防治院 设备科，山东泰安 271000

基于C8051F310单片机的医用氧气流量计量器的研制

徐锋

泰安市肿瘤防治院 设备科，山东泰安 271000

Abstract: Based on C8051F310 microcontroller, the medical oxygen discharger counter provided for patients has been developed. This paper introduces the hardware and software design of the medical oxygen discharger counter and implementation technology. The counter realized the function of controlling discharger, controlling total time simultaneously, and could display and print some information of two oxygen channels, including gas given time, total time, oxygen discharge and the total oxygen discharge,etc.

Key words: oxygen discharge counter; medical oxygen; microcontroller; humidif i cation bottle

基于C8051F310单片机，研制了一种医用气体流量计量器，用于病员给氧治疗。本文介绍了医用氧气流量计量器的软硬件设计和实现技术。该计量器实现了同时或分别控制两路的给气流量、给气总时间，并能显示、打印两路气体输出的给气时刻、给气时间、给气流量及总气量等信息。

氧气流量计量器；医用氧气；单片机；湿化瓶

1 单片机

单片机（MCU）最早的设计理念是，将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成在复杂的而对体积要求严格的控制设备当中，即把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机是靠程序运行的，并且可以修改，通过不同的程序实现不同的功能。

单片机的基本结构由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。其硬件特性：① 集成度高。一个单片机一般包括：CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口及全双工串口； ② 系统结构简单，使用方便，模块化；③ 可靠性高，可无故障运行106~107h；④ 处理功能强，速度快。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域[1]。根据项目要求，医用氧气流量计量器选择了C8051F310单片机（图1）作为控制的基础。其基本参数包括：存储器16KBFLASH 1280RAM；4个16位定时器；25MIPS（峰值）；5个PCA通道；2个比较器；10位ADT；28个I/O口；32引脚[3]。

图1 C8051F310引脚图

2 医用氧气流量计量器的控制和性能指标

医用氧气流量计量器利用了单片机的软件控制功能，采用LED屏显示。双路一体式设计可同时或分别控制两路气体输出的信息，并能够显示、打印、保存吸氧参数，包括患者姓名、床号、给氧开始时刻、结束时刻、总时间、总流量等。其计量准确，可提高供氧站的使用效率，为保证治疗的有效性提供了技术保障，从而使病人得到有效地定量治疗。其性能指标：输入电压 220 V、功率 <50 W 、LCD屏显示、每通道氧气流量（0~10）L/min、报警输出、铃声提示报警、精度≤2% 、环境温度为0~50℃、相对湿度 <90%RH、电池供电 24 V。

3 开发与实现

医用氧气流量计量器的总体结构，见图2。主要包括硬件系统和软件系统2部分。

3.1 氧气输入、输出管道

氧气输入、输出管道与快接接头相连的通道由聚乙烯制造，在快接接头后面，通过三通结构分成两路，每一路中都有流量检测及流量调节结构，形成两路独立的供氧管路。

3.2 流量检测装置

流量检测元件采用微小流量传感器FS1015UL，其特点是，体积小、延时小、线性误差小、适用范围宽等优点。在使用过程中，传感器性能的变化对监测数据的影响，通过软件处理来进行偏差修正。

3.3 主控电路（图3）

主控电路采用C8051F310单片机为数据处理核心，对键盘输入信号、传感器信号进行控制，并输出电磁阀控制信号、数字显示信号及打印信号。主控电路主要包括：电源电路；单片机电路；模数转换电路；键盘电路；蜂鸣器响铃提示电路；实时时钟电路；数据存储电路；显示电路；打印电路。

图2 医用氧气流量计量器的结构框图

图3 主控电路结构框图

（1）电源电路。将输入的220 V市电，利用24 V快速开关电源为主控电路产生24 VDC，通过电源电路生成12 V、5 V、3.3 V电压为各点提供电源。

（2）单片机及其输入输出电路（图4）。采用C8051F310单片机为核心，由芯片ZLG7289实现与主芯片的数据交流，由12 MHz晶振及外围电路等组成晶振电路与复位电路。接受按键的输入，流量计的输入，打印请求信号，输出电磁阀继电器的控制信号，LCD模组显示信号及打印内容。

（3）模数转换电路（图5）。将微小流量传感器的检测信号模拟量转化为数字信号，输入到C8051F310，从而实现吸氧参数控制。

（4）蜂鸣器响铃提示电路。当吸氧结束时，蜂鸣器会鸣叫提示。

（5）实时时钟电路及存储器。由PCF8563芯片构成的时钟电路，其专用时钟芯片，计时准确，单片机掉电也不影响其工作。本装置选用非易失CMOS串行EEPROM存储器AT24W02（2Kb）用于存储本装置的工作信息。

（6）数字显示电路。由OCM12232液晶显示模组及驱动电路组成，能够显示当前时间、床号、当前氧气流量氧时段、给氧总量等数据。

（7）热敏打印机。通过芯片MAX3232与主芯片实现RS232接口的连接。

3.4 阀体及流量调节单元（图6）

采用ZCS-5电磁阀控制吸氧管道的通断，手动调节旋钮调整本路的设定氧气流量。

3.5 壳体

壳体采用工程塑料注塑成型，并在面板上集成了键盘、LCD显示屏、两路的流量调节旋钮及打印出纸口，壳体侧面是两路湿化瓶接头，能够方便的更换湿化瓶的液体。

4 软件设计

软件系统是指支撑系统实现特定机能的程序组，本软件系统包括：主程序（图7）；键盘扫描处理程序；数据采集及处理程序以及相应的输出程序[5-6]。

图4 单片机及其输入输出电路

图5 模数转换电路

图6 电磁阀控制电路

此设备能够实现手动和自动两种计量控制方式。在手动方式下，仪表处于监控状态时，直接按下数值键“1”或数值键“2”，仪表立即启动，打开阀门检测流量，直到再次按下对应的数值键，则关闭阀门、保存并打印相关信息（姓名、床号、开始时间、停止时间本次总流量等）。当采用自动模式时，根据设置的启动与停止时间，在时间到达前1 min自动打开报警铃，提示吸氧时间将到，在时间达到设定的时间时自动打开氧气阀门，并开始检测流量，累加总流量；当时间达到设置的停止时间时关闭氧气阀门，保存并打印本次工作的所有信息[7-8]。嘱对给氧流量、给氧时刻、给氧时间及给氧总量进行统计显示，最大限度地实现计量准确，提高供氧站的使用效率及准确率，为保证治疗的有效性提供了技术保障；④ 采用双路一体式设计，即通过对不同气体通路的设计，在一台计量器上，可以显示相邻两个病人的吸氧参数，从而节约配置成本；⑤ 具有信息显示、打印、保存等功能。

图7 主程序框图

医用氧气流量器的使用，改变了传统流量计的数据控制由粗放控制转为数字控制。提高了治疗的准确性，实现了自动监控吸氧过程，到达设定参数时自动报警，减轻了护理人员工作强度[9-10]。

经过实际应用，认为本装置设计合理、计量准确、操作简单、成本低、实时显示、自动报警、自动启闭氧气通路，并根据需要打印数据。此装置在临床应用中有很好的发展前景。

5 临床应用

氧对生命来说至关重要，对患者的给氧治疗在临床应用广泛。对吸氧过程的准确控制，对病人的恢复起到重要的作用，只有对给氧流量、给氧时间及给氧总量的准确计量才能够达到对吸氧参数的准确控制。本系统由于采用以C8051F310单片机为控制单元，通过适当的软件设计，使系统可在数十秒内完成对吸氧参数的采集、数据处理和控制输出工作，实时监控两路吸氧时间和氧气流量，并实现对吸氧通路进行自动通断控制。此计量器的主要特点：①采用微小气体流量测定元件，计量准确；② 采用数字式显示装置，示值准确；③ 采用单片机控制系统，能够根据医

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Development of Medical Oxygen Discharge Counter Based on C8051F310 Microcontroller

XU Feng
Equipment Department, Taian Hospital of Tumor Prevention and Treatment,Taian Shandong 271000, China

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.08.013

1674-1633(2012)08-0048-04

2012-05-07

2012-06-21基金项目：泰安市计划科研课题（20093030）。

本文作者：徐锋，主管技师，主要从事医学工程技术研究。

作者邮箱：XUFTA@SOHU.COM

湿化瓶是医院急救和治疗中经常使用到的器件，其主要作用是调整病员吸氧的参数，并对氧气用水进行雾化（湿润化）来保证病员的呼吸质量。常规上的湿化瓶由水瓶、氧气流量计和流量调节旋钮构成。使用时通过快接接头连接到医院集中供气系统，并通过呼吸软管接入到病员鼻腔[2]。这种湿化瓶能够完成基本的功能，因其流量指示是浮子式流量计，数据控制粗放。为此，我们设计并开发了一种基于C8051F310单片机的气体流量计量器，用于改变病人吸氧时，利用浮子式流量计粗放地控制吸氧参数的现状，实现精确控制。