智能输液滴速调节系统

王中陶，任天平，辛冠希，冯鹏飞

（郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）

智能输液滴速调节系统

王中陶，任天平，辛冠希，冯鹏飞

（郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）

研制了一种智能输液滴速调节系统。该系统以AVR单片机为核心，采用红外对射的原理检测茂菲管里是否有液滴滴落，同时采用蠕动泵为滴速调节机构。该系统可以通过按键设置药液滴速并显示实时滴速。另外该系统还能在异常情况和输液完毕时进行声光报警并自动关断。测试结果表明，该系统可靠性高、成本低、安全卫生、操作方便，在传统医疗中具有广泛的市场价值和推广性。

智能输液；AVR单片机；蠕动泵；自动关断

0 引言

静脉输液是一种重要的临床药物治疗手段，是医疗监测的一个重要组成部分，被广泛应用于医疗行业中[1]。据医学研究得知，药液速度对于不同年龄段的人、不同的病人、不同药物具有很大的差异性。并且它对于治疗效果具有很大的影响，有的甚至会影响患者的生命。传统输液速度的调节是通过一个斜槽机构，靠护士的经验控制输液速度，具有很大的不确定性。并且传统输液需要人为看护，这无疑增加了医护人员的工作量和意外事件发生的可能性。基于以上情况，本文设计一套智能输液滴速调节系统，该系统采用3D打印技术设计了机械安装结构。该系统采用红外对射原理检测药液滴速，利用AVR单片机控制蠕动泵人为地调节药液滴速并显示实时滴速，并且该系统能够实现精确调速。当异常情况发生或者输液完毕时，该系统发出声光报警并自动关断药液。该系统不但可以减轻护理人员的工作量，还能使病人得到更好的休息和治疗，可提高静脉输液的治疗效果。该系统具有高可靠性、安全卫生的特点，可广泛在医疗行业推广使用。该系统已经做成实物并经过大量实验。

1 系统组成和工作原理

智能输液滴速调节系统的硬件组成如图1所示。主要包括液体滴速检测模块、PWM波调节蠕动泵模块、显示模块、按键模块、报警模块等电路。该系统选择ATMEGA16作为控制核心。

图1 系统的硬件结构组成

1.1 药滴检测原理

该系统采用红外传感技术，将方形红外对射装置安装在茂菲管两侧[2]。方形红外发光二极管发射红外光，红外光穿过茂菲管照射到方形光敏三极管。方形光敏三极管将接收到的光强转换成电流输出。当茂菲管没有药液滴落时，红外光光强损失小，光敏三极管产生的光电流较大。当茂菲管里有药滴滴落时，药滴吸收并散射大部分红外光，红外光光强损失较大，光敏三极管产生的光电流较小。采用图2的电路将电流的变化转化为电压的变化。最终通过检测光敏三极管输出端的电压变化来检测茂菲管里是否有药液滴落。

图2 滴速检测电路

1.2 滴速检测电路

滴速检测电路主要由红外发射、红外接收、比较器整形三个部分组成，如图2所示。

红外发光二极管在5 V电源系统下持续发出恒定频率的红外光，当茂菲管里没有药液滴落时，接收管输出端的电压较小，经过比较器整形过后将在比较器端输出一个接近5 V的高电平。当有药液滴落挡住红外光时，接收管输出端的电压较大，经过比较器整形将在比较器的输出端输出一个接近0 V的低电平。当药液不断滴落时，将在比较器输出端形成一个标准的矩形波正向脉冲。波形如图3所示。其中低电平代表有液滴滴下，高电平代表无液滴滴落。将比较器输出端连接到AVR单片机P0.2引脚上，单片机通过检测该脉冲的上升沿判断是否有液滴滴落。

图3 滴速检测电路输出波形

1.3 滴速调节原理和控制原理

该系统选择蠕动泵作为滴速调节的执行元件。蠕动泵是一种可控制流速的液体输送装置并且具有关断功能，通过改变蠕动泵两端的电压即可达到控制滴速的功能。蠕动泵对药液无污染，且蠕动泵软管易于更换，滴速控制精确，调速简单方便。该系统正是通过调节蠕动泵的端电压来调节液体滴速。当人为地设定滴速后，单片机将自动调节蠕动泵的端电压，使得药液滴速与设定值相近，并在数码管显示出实时滴速。

1.4 滴速调节电路

滴速调节电路由前级滤波电路和后级放大电路组成，如图4所示。该电路的PWM0连接到单片机P1.4口，DAOUTO和DGND连接到蠕动泵两端。该系统通过单片机改变PWM波的占空比来调节蠕动泵的输出电压在0 V～10 V之间变化，从而改变液体的滴落速度，最终间接实现了通过改变P1.4口PWM波占空比来调节液体的滴速。自动关断模式就是单片机自动调节使得输出电压为0 V。

图4 滴速调节电路

2 系统的软件设计

该系统的软件包括主程序、滴速检测、PWM波调速、按键滴速设置、数码管显示、报警功能等子程序。智能输液滴速调节系统总流程图如图5所示。

图5 智能输液滴速调节系统总流程图

2.1 滴速测量子程序

检测药液滴速的方法有测频和测周两种方式，该系统选择测周的方式测量药液的滴落速度，分析如下。

（1）测频，在固定时间范围内测量点滴的个数以得到当前点滴速度：V=n/T。由于这种方法在点滴速度较慢时需要的测速周期过长，如点滴速度为20滴/s时，测取相邻两滴的间隔时间至少为3 s，而设定的时间段必须远大于3 s。这样就很难达到实时监控的目的，而且此时误差也会相对变大。

（2）测周，系统中利用软件方式定义了一个内部时钟，该时钟利用定时器中断计时。通过外部中断使其启动及复位，并读取时间T，进而利用下式计算出点滴速度：V=60 n/T（滴/min），式中T的单位为s。测周的误差与系统定时的误差有关，所以该系统选取计时精度为1 ms；考虑到实时性的要求，选取n为1，实践表明，此种测量方案完全能达到精度要求。

由于一些客观原因，该系统测量的滴速波动性比较大，为了能准确测量滴速不致于偏差太大，采用了连续测量3个液滴的周期总和再取平均值的方法，较好地减小了误差。程序流程图如图6所示。

图6 滴速测量子程序流程图

图7 PWM波调速子程序流程图

2.2 PWM波调速子程序

智能输液滴速调节系统可以设置滴速。通过蠕动泵自动运转使输液滴速调节至设定值，其原理是通过调节脉冲的占空比来调节蠕动泵两端的电压，从而间接影响其转速，因此可以建立占空比与滴速的关系，进而实现自动调节。

PWM脉宽调制可以通过调节其占空比，通过后续电路处理，来控制输出电压。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现[3]。

该子程序采用两个定时器。采用定时器T0来控制频率，定时器T1来控制占空比。大致的编程思路：T0定时器中断让一个I/O口输出高电平，在T0中断当中起动定时器T1，而这个T1是让I/O口输出低电平，这样改变定时器T0的初值就可以改变频率，改变定时器T1的初值就可以改变占空比。

如果不需要改变频率，只需要改变占空比，那么只需要用一个定时器即可。此时定时一定的时间，让一个I/O口循环显示高低电平即可。具体流程图如图7所示，图中sbit_pwm为PWM波输出I/O口。

表1 滴速设定及相关稳定时间测量结果

3 产品测试数据结果分析

从表1分析得出，无论是在全过程范围内，还是在一个较小的调整范围内，实际误差最大为3滴/min。该数据证明该系统具有较高的可靠性和精确性。

4 结束语

本文通过软件设计和硬件设计，设计出一套智能输液速度调节系统。该系统能够根据不同的病人设置不同的输液滴速，并自动精确地调速到设定滴速。该系统能够测量并显示输液滴速。当输液完毕或者有突发情况时，该系统能自动发出报警并关断输液装置。测试结果表明，该系统安全、卫生、操作方便、可靠性高、精确度高，并有广泛的应用前景和实用价值。

[1]徐冬冬，郭薇，葛小宇.无线输液报警系统设计[J].南京信息工程大学学报，2013，5（6）：548-552.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]杨光友.单片机微型计算机原理与接口技术[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

The system of intelligent transfusion speed regulation

Wang Zhongtao，Ren Tianping，Xin Guanxi，Feng Pengfei
（College of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

The system of intelligent transfusion speed regulating is developed.The system uses AVR single chip microcomputer as the core.The principle of infrared ray is used to detect whether the drop in the Murphy tube is falling or not.At the same time，the system uses a peristaltic pump as regulating mechanism for the speed of drop.The system can set the liquid dripping speed and display real-time dripping speed by keys.In addition，the system can make sound and light alarm and automatic shutdown in the abnormal condition or the completion of infusion.The test result shows that the system has high reliability，low cost，safety，sanitation，handiness.And the system has extensive market value and generalization in conventional medicine.

intelligent transfusion；AVR single chip microcomputer；peristaltic pump；automatic shutdown

TP23

A

1674-7720（2015）09-0096-03

2014-11-01）

王中陶（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：机电检测与控制技术。

任天平（1970-），男，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：机电检测与控制技术。