基于AT89C52单片机的光电尿量监测系统的设计

石曦，杨宇航，陈伟宁

1.泰达国际心血管病医院 医疗设备部，天津 300457；2.镜湖医院 医疗设备科，澳门 999078

基于AT89C52单片机的光电尿量监测系统的设计

石曦1，杨宇航1，陈伟宁2

1.泰达国际心血管病医院 医疗设备部，天津 300457；2.镜湖医院 医疗设备科，澳门 999078

本研究为解决传统手术中患者尿量监测过程中存在的问题。以AT89C52单片机为核心，辅以必要的外部检测、显示、操作、存储和报警电路，设计一种智能光电尿量监测系统，实现手术过程中患者尿液的实时检测和显示，同时在出现异常情况下以报警提醒医护人员及时做出正确的处理。

光电尿量监测系统；尿量监测；AT89C52单片机；光电传感器

患者尿量是评价循环血容量、心功能状态及微循环灌注的有效指标之一。手术期间，患者尿量可综合反映围手术期患者液体及电解质管理状态、主要脏器功能情况和围术期器官灌注状态，也是手术期间监测肾功能的主要指标[1]。现今，尿量监测方法主要是通过插入尿管，收集尿液，以肉眼观察来判断尿液流出速度及尿量多少，该方法虽简便，但需要反复观察，过多占用工作人员精力，特别是在急症、患者血流动力不稳定或患者需有较大体位变动时不易及时观察尿量变化情况，以致易延误病情判定。另外，手术医师因工作位置的原因，手术期间经常不能直接观察尿量情况。通过基于AT89C52单片机[2]的光电尿量监测系统进行尿量监测[3]，采用光电转换技术将患者排尿情况转化为声信号，同时在液晶屏上输出显示，从而使手术医师可迅速直观地了解患者的尿量，对判断循环状态的动态变化、有效监测肾功能，增加围术期患者安全度，减少术后并发症有重要的临床意义。

1 系统结构

系统主要由单片机、光电探头及信号处理模块、按键模块、显示模块、声音报警模块与通信接口模块组成（图1）。

光电探头用于检测尿滴，测得微弱信号经信号处理模块处理，然后经单片机外设端口输入；按键模块用于初始值设定和控制系统计数；显示模块用于显示尿滴速率、总尿滴数及总尿量；声音报警模块用于尿滴提示和提醒更换尿液收集瓶；通信模块用于与外部系统通信，也可以通过该模块实现集中监控。

图1 系统原理框图

2 硬件设计

2.1 光电探头及信号处理模块

光电探头[4]是整个尿量监测系统的关键所在，其设计时必须考虑到术中患者的排尿特点。正常人的排尿过程是由于膀胱的充胀，经传入神经到达脊髓腰骶部排尿反射的初级中枢，然后经传出神经，引起膀胱壁的逼尿肌强烈收缩，外括约肌放松，会阴部肌肉松弛，导致尿排出体外的。因此，尿液会在膀胱内压及逼尿肌收缩压下形成涓流，此时采用计算尿滴数的方法来计算尿量是不现实的。但是术中的患者由于麻醉的作用，中枢神经受到抑制，不能控制逼尿肌收缩，自然排尿过程不能实现，必须在其尿道中置入导尿管，使膀胱经导尿管完全开放，膀胱内无尿液储存，膀胱内压及逼尿肌收缩压消失，肾代谢出的尿液在重力作用下随即经导尿管排出，尿量很小，通过导尿管排出时，不会形成涓流。根据体外循环期间对患者尿量的评估标准，尿量为1mL/kg/h，即说明患者肾代谢功能正常，以70kg的成人计算，尿量为70mL/h，即0.02mL/s，而输液器在重力作用下，其每滴液滴容量为0.05mL，也就是说每2.5s才会产生1滴尿滴。基于上述分析，尿量监测系统可以采用计算尿滴数的方式来计算术中患者的排尿量。因此，光电探头采用夹式设计，红外对管ST168的发射管和接收管分别置于探头夹子的两侧，将输液器连接到导尿管的出口， 然后将探头夹子夹在输液器的滴壶上，当有尿液从导尿管滴入滴壶时，从红外对管的发射管和接收管之间通过的尿滴会对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的散射作用，导致接收光强的较大改变，接受管接收到的信号送至信号处理模块。信号处理模块对此信号进行放大，并经过施密特触发器对信号进行整形，然后送单片机的P3.2口（外部中断0），单片机根据输入脉冲数进行尿滴计数。光电探头及信号处理模块具体电路，见图2。

图2 光电探头及信号处理模块电路

2.2 声音报警模块

声音报警模块由直流蜂鸣器、限流电阻（1kΩ）、1个PNP三极管S9012组成[5]（图3）。该电路连接到单片机的P3.7口。当单片机中断口检测到有尿滴中断时，即从P3.7口输出一定频率的脉冲，蜂鸣器就发出响声，提示尿滴通过。在此情况下，手术医生通过声音的快、慢就可以判断患者排尿情况。同时，还可以通过软件设定时间域值。如果超过该时长未检测到尿滴，单片机通过P3.7口输出一高频脉冲，蜂鸣器发出高频警报音，提示医生注意患者已长时间未排尿。另外，可以设定总尿量值，这个值大约是尿液收集瓶的容量，当总尿量达到此值时，单片机从P3.7口输出另一高频脉冲，蜂鸣器发出另一频率的警报音，提示护士更换尿液收集瓶。

图3 声音报警模块电路

2.3 其他模块

按键模块主要包括系统复位键、尿滴容量设定键和运行/暂停键。尿滴容量设定键用于设定每滴尿量的容量以便计算总尿量；运行/暂停键用于控制尿滴计数的开始和停止。

显示模块用于显示尿滴滴速、总尿滴数及总尿量等信息。

通信接口模块与外部集中控制系统[6-7]通信，将集中监控系统置于护士站，可以实现对各手术间患者的排尿情况进行统一监控和纪录。由于集中监控系统是另外一套复杂系统，所以本文不再细述。

3 软件设计

本系统软件采用C51汇编语言设计，整个软件实现模块化，主要包括以下子程序：初始化子程序、按键扫描子程序、各键值处理子程序、中断扫描程序、计数及计算子程序、声音提示及报警子程序、液晶显示子程序和存储子程序，系统软件流程，见图4。

图4 系统软件流程图

4 主控系统测试

在系统设计过程中，先对光电探头及信号处理电路进行设计，然后采用89C52单片机开发板编写软件，模拟运行成功后对硬件系统进行优化设计，制作印刷电路板并对器件进行组装，组装后的尿量检测系统，尿量检测系统，见图5。

图5 尿量监测系统硬件图

组装完成后对系统性能进行了测试。为保证测试结果的精确性，采用尿液进行模拟测量实验。实验中，尿滴检测、声音提示和报警功能都能实现。在对尿量测精度进行模拟测试时，观察对尿量测量精度产生影响的各种因素。经分析，对系统测量精度产生影响的因素仅有尿液滴速。因此，选择1000mL尿液作为被测对象，使其在不同速度下通过光电尿量监测装置，测试结果，见表1。对测量结果进行分析发现，测量误差与尿滴速度几乎成线性关系，速度越快，误差越大。在3滴/s时，误差为-5.8%，这个速度对于一个70kg的成人来说，相当于kg/h的排尿量为7.71mL，这个排尿量对于术中患者来说已经是一个相当大的数值了，若再测量更快的速度则没有实际意义。而误差在±6%以内这个精度完全能满足术中患者尿量监测的要求。

表1 1000mL尿液在不同滴速下尿量监测装置对的模拟测试数据

5 结束语

传统的术中患者排尿情况监测是医生通过口头询问护士，而护士则需要在手术床下进行人工计时数数来判断患者尿量。这种方法费时、费力，缺乏实时性和动态性。基于AT89C52单片机的光电尿量监测系统，具有尿滴实时自动检测、提示、显示、报警和存储等功能；成本低廉、操作简便，是对传统尿量监测的一种革新，未来可以广泛应用于各级医院。

[1] 徐启明.临床麻醉学[M].北京:人民卫生出版社,2001.

[2] 张志良.单片机原理与控制技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2007.

[3] 张东衡,徐军,郑风,等.基于光电传感器的尿量监测仪设计[J].制造业自动化,2010,32(5):122-124.

[4] 路立平,鹿晓力,贾岩.单片式光电传感器电路设计[J].郑州轻工业学院学报,1998,13(3):40-44.

[5] 徐玮.51单片机综合学习系统——蜂鸣器、继电器篇[J].电子制作,2007,15(12):62-63.

[6]方庆山,汪玉.基于STC89C52单片机的静脉输液监控系统的设计[J].中国医疗设备,2011,26(6):40-42.

[7] 许海波,廖传书.基于AT89S52单片机的远程监控系统[J].安防科技,2007,17(9):17-19.

Design of Urine Volume Monitoring System Based on AT89C52

SHI Xi1, YANG Yu-hang1,CHEN Wei-ning2
1. Medical Equipment Department,TEDA International Cardiovascular Hospital, Tianjin 300457, China; 2.Medical Equipment Department, Kiang Wu Hospital, Macao 999078, China

For solving the problems in traditional urine output monitoring in operations, we designed an intelligent photoelectric urine output monitoring system with the core of AT89C52 SCM, and necessary external detector, display, operation, storage and alarm electro circuits, to achieving the real-time detecting and display of urine volume in operation, and remind the doctors and nurses in any risks.

urine output monitoring system; urine output monitoring; AT89C52 SCM; photoelectric sensor

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.01.007

1674-1633(2012)01-0025-03

2011-08-15

2011-09-11

作者邮箱：hillshi@126.com