基于MSP430低功耗便携式输液监测与报警系统的设计

赵昌友，杨清志

(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)



基于MSP430低功耗便携式输液监测与报警系统的设计

赵昌友，杨清志

(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)

静脉输液是最常规的医疗手段，但输液时必须实时监护.成套的监护系统因成本高且使用不便，主要用于重症监护等场合，输液大厅及中小医院和诊所的静脉输液监护主要由人工完成，费时费力且存在安全隐患.基于以上背景分析，设计了一套基于MSP430单片机的低功耗便携式输液监测与报警系统.测试表明，系统工作稳定可靠，能够实现输液监测与报警功能.

输液监测； 报警；MSP430

0 引 言

静脉输液能把药物直接送入患者体内，通过血液循环而被迅速吸收，因而疗效快[1].但输液时滴速过快可能会使病人难以承受而出现不良症状，严重时会出现医疗事故；滴速过慢又会因为剂量不足而降低疗效，同时延长了输液时间.这就需要医护人员根据不同的药物剂量、患者身体素质等综合选择和调整输液速度，因此需要实时监护[2].

目前能够实现自动监护与报警功能的监护系统，主要用于重症监护室等场合，成本较高且使用不便，不适合于在输液大厅及中小医院和诊所使用，一般的输液监测还是由人工完成，效率低下且存在安全隐患.针对这种情况，设计出一款基于MSP430单片机的低功耗便携式输液滴速监测与报警系统，当滴速异常时能立即启动声光报警，以提醒患者和医护人员及时处置，从而保证输液安全，减少医疗事故.

1 系统设计方案

输液监测与报警的系统设计如图1所示，主要由滴速测量电路、单片机、滴速设定键盘、LCD显示器、声光报警器、电源管理模块等组成，工作过程是：滴速测量电路通过红外光电传感器测量莫非滴管内液滴滴速，然后转化为电压信号送入MSP430单片机，单片机再根据存储程序和键盘设定值进行数据计算和处理，并通过显示器显示滴速信息，一旦监测到输液滴速不正常，便立刻开启声光报警.

图1 系统结构图

图2 光电传感器滴速测量原理

2 系统电路设计

2.1 滴速测量电路

本系统设计的输液速度监测与异常报警，依据就是莫非滴管中的液滴滴速，因此滴速测量是否准确非常关键，滴速检测传感器的选择和测量电路的设计也就成了系统设计的核心.通过查阅相关资料，能实现滴速检测的传感器有电容传感器、称重传感器、光电传感器和生物传感器等.由于电容式传感器易受干扰，称重传感器更换不同输液瓶要重新调整，生物传感器会污染药物，都不太适合输液监测，而光电传感器则无以上限制，因此本系统设计采用光电传感器[3][4].

用光电传感器进行滴速测量的原理如图2，把莫非滴管固定在红外对管中间，无液滴时红外接收管能接收到发射管连续稳定的红外线照射，从而输出一个稳定的电压信号.当液滴滴落时会因光的反射、吸收等而使接收到的红外线减弱，输出的电压大小随之变化，再用整形电路把电压信号整形为脉冲信号送入微处理器进行滴速计算.

在查阅相关同类产品设计和技术资料，并经电子防真后，设计的电路及原件参数如图3所示.因红外传输距离小，选择ST-178红外对管.输出的电信号经LM393放大、整形后发送给MSP430单片机的P2.0口.

图3 滴速测量电路设计

2.2 单片机

本系统设计，既要保证系统工作稳定可靠，又要实现低功耗、便携式，再综合考虑成本、功能拓展等因素，经查阅相关资料并研究对比，系统设计的微处理器采用MSP430F149单片机.查阅MSP430的技术资料可知(见参考文献[5])，MSP430F149是16位的超低功耗单片机，技术成熟工作稳定，且片内资源丰富，外围电路简单，非常适合便携式产品的设计，是本设计的理想选择.

2.3 键盘电路

由于输液时需要根据具体情况选择和调整输液速度，因此需要一个输入键盘，用于设定滴速范围.电路设计见图4，S1/S2用于设定滴速，S3选择确认.为便于使用，系统默认60～80滴/min为正常值，无需按键调整，否则则要通过键盘重新设定滴速.

2.4 声光报警电路

电路设计如图5，在输液滴速正常时单片机不动作，三极管Q1截止.当滴速超限时，MSP430立刻通过P3.3口发出低电平信号，从而Q1导通，触发发光二极管D3及蜂鸣器工作，实现声光报警.

图4 键盘电路

图5 声光报警电路

2.5 电源电路

设计选用的MSP430F149单片机及红外对管ST-178、液晶显示器LCD1602(有5.0 V和3.3 V两种型号)、声光报警等外围器件均使用3.3 V工作电压，不仅功耗低，还大大简化外围电路，实现便携式.电源电路设计如图6，为了方便使用，采用2节3 V的纽扣电池供电，通过AMS1117转化为3.3 V直流电压在对单片机及其外围器件供电.

图6 电源电路

除了以上设计的主要电路外，还有液晶显示电路、下载接口电路及复位电路等，因实现难度不大(各种设计中是通用的，仅编程不同而已)，此处不再赘述.

3 系统设计主程序

为实现系统设计功能而编写的主程序流程如图7，系统上电工作后先调取存储程序和键盘设定值，再通过红外对管测量、计算滴速并显示监测结果，同时判断滴速是否超出允许范围，如果输液正常，则继续监测，同时显示器、声光报警器等处于休眠状态以节约用电实现低功耗(可通过键盘任意按键唤醒电路观察显示结果)；如果滴速异常便立刻接通声光报警器.

值得一提的是，滴速异常关系到患者生命安全，危险性不言而喻，因此程序设定：滴速异常的状况得不到处理，系统就持续报警，直到故障排除，滴速恢复正常为止.

图7 输液监测与报警流程图

4 系统试验

在完成了电子线路仿真和系统设计后，我们又进行了系统试验以检验其工作性能，试验内容主要为滴速测量与报警功能，试验结果数据见表1.为了便于观察瞬时滴速，系统的滴速计算原理是根据单片机自带时钟求出5 s内滴速平均值，再折算成1 min内滴速，而目测计数是1 min计时内数出莫非管中滴下的液滴.试验表明系统测量的滴速存在一定误差，这主要是由计时时间不同、滴管晃动等因素造成的，但偏差≤3滴/min，完全在药理允许范围内.

当滴速超限时(按系统默认60-80滴/min为正常)声光报警都能可靠报警，且不存在误报.试验结果表明，系统设计能够实现输液监测与报警.

表1 试验数据

5 总 结

(1)系统设计能实现既定功能，由于成本低、使用方便，具有实用价值；

(2)单片机具有存储功能，能保存近期的测量数据，万一出现医疗纠纷，便于分析查找原因；

(3)系统设计保留了功能扩展.实际设计时，我们还研究、设计了以下两个功能：一是利用无线收发芯片，可实现无线呼叫.但成本成倍增加，而且功耗大；二是利用单片机控制步进电机，一旦滴速异常可实现自动调速.但性能有待提高而且实用价值不大，因为关乎患者生命安全，一旦输液异常必须立即处理，故障排除后才能调速.考虑到实用价值与性价比，最终设计中没有保留这两个功能，但值得继续研究[6].

[1]于沛.基于无线传感器网络的输液监测系统设计[D].哈尔滨：黑龙江大学，2012.

[2]张莉蓉,刘砂砂.国内静脉输液安全管理的研究进展[J].护理研究，2013,27(09)：774-776.

[3]朱永兴.红外点滴报警系统的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2011:2-3.

[4]付建鹏.基于STC12C5A60S2单片机的智能输液监控系统的研究[D].石家庄:河北工业大学,2013:2-3.

[5]MSP430F149单片机[EB/OL].http://www.ti.com.cn/product/cn/msp430f149.

[6]罗继军，兰羽.一种无线智能输液监测系统设计[J].机械与电子，2015，33(06)：61-63.

[责任编辑：徐明忠]

Design of a low-power portable infusion monitoring and alarm system based on MSP430

ZHAO Changyou，YANG Qingzhi

(Bozhou Vocational and Technical College,Bozhou 236800，China)

Intravenous infusion is the conventional medical treatment,but it must be real-time monitoring during infusion.Complete monitoring system because of the high cost and inconvenience of use,mainly for intensive care and other occasions,infusion hall and small hospitals or clinics intravenous infusion care mainly done by manual,time-consuming and there is a security risk.According to the above background analysis,designed a low-power portable infusion monitoring and alarm system based on MSP430.The test results show that the system is stable and reliable,can realize the function of infusion monitoring and alarm.

infusion monitoring; alarm; MSP430

2016-04-19

安徽省教育厅重点教研项目(No.2015jyxm535)；安徽省高等教育振兴计划(No.2013cgtg040)

赵昌友(1974-)，男，安徽庐江人，亳州职业技术学院副教授，硕士，主要从事医用仪器教学与研究.

R318.6；TP277

A

1672-3600(2016)12-0041-04