无人陪护输液报警装置设计

孟圣亚，魏威，杨金利，许诗雨，付毅伟

无人陪护输液报警装置设计

孟圣亚，魏威，杨金利，许诗雨，付毅伟

（贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

如今，输液时普遍需要人为观测输液瓶中液体的剩余量，有时病人会由于疏忽而忘记观测，药物输尽时，却未能及时中断输液，而导致血液倒吸进输液管。针对此问题设计了一款输液报警装置，利用简单经济的非接触式液位传感器与STC8系列单片机能够实现当液体剩余量达到一定位置时，提醒病人以及护士及时停止输液。在一定程度上降低了危险发生的概率。同时该输液报警装置的成本低，可以使其成为医院医疗服务的一项内容，由医院提供该设备的租用服务。这也符合当下共享经济的潮流，未来可推广性较强。

输液报警；非接触式液位传感器；单片机；共享经济

当前，随着科技的发展和医疗水平的不断进步，医疗设备进一步的智能化、人性化，居民的就医体验更加放心和安全。但是传统的输液装置依旧被广泛应用，并且短期内很难被替代。对于在城市独居的居民，输液时往往没有人陪伴，加之临床护士短缺，病人需要自行注意和观察输液瓶的剩余量，经常会出现由于意识不清、医护人员忙碌等原因没能及时发现输液已经结束而导致血液回流。在正常情况下，血液回流不会造成太大的问题，但是当血液回流的时间过长，血液凝固进而导致针管堵塞，必须更换输液管并重新穿刺，增加患者的痛苦与护理人员的工作量，病人不得不再次承受一次痛苦；回流血在输液管壁形成小血栓，回输到患者体内可能引起栓塞；患者对输液回血易产生紧张、恐惧感[1]。同时，血液回流还有可能造成血液中进入空气，危害病人的生命健康。因此，当输液瓶中液体剩余量达到一定程度时，及时终止输液或者更换输液瓶是十分重要的。

如今，绝大数的医院都安装了传呼系统，该传呼系统通过病人手动按动按钮，向护士站发送呼叫地址，护士在看到相关信息之后前去为病人提供帮助。这一整套的传呼系统极大提高了医护人员的工作效率，同时也给病人提供了极大的便利，但仍需要病人时时关注输液瓶中的剩余量。在很多情况下，生病会使人精神不佳，注意力很难集中，因此该传呼系统在实际应用中给病人的体验并不是非常贴心。

为了解决上述问题，本文基于STC8系列单片机实现了一款低成本的输液报警装置。通过夹管式非接触液位传感器对输液管内是否含有液体进行检测，当输液管中没有液体时发出相应的声光报警信号，提醒病人输液即将完成，降低因输液导致血液回流的危险。

1 硬件部分

本输液报警器由控制器、非接触式液位传感器、声光报警电路、充电电路以及蓄电池构成，整体结构如图1所示。

图1 整体结构图

1.1 控制器部分

STC单片机是STC公司推出的基于8051内核，专为低成本、低功耗、高速简单嵌入式应用开发的8位微控制器。而STC8系列微控制器不需要外部晶振和外部复位，极大简化了外围电路的设计。同时其完全兼容传统的8051指令，并且执行速度比传统的8051约快12倍。工作电压为2.0～3.5 V，功耗较低。STC芯片如图2所示。

图2 STC芯片

本报警装置选用型号为STC8F1K08-28I-SOP8的STC8系列的单片机，其具有2个外部中断，1个USART，6个I/O。STC8系列的单片机性能较为优越，同时成本很低。这使得小型系统的开发性价比更高。

1.2 传感器部分

1.2.1 传感器基本原理

本报警器采用的主要传感器为一并联行变介质非接触式液位传感器，利用水的介电常数和空气的介电常数不同，来检测是否有液体存在。该传感器的结构如图3所示。

图3 非接触式液位传感器示意图

当将该传感器安装在输液管上，输液管中的导电药液会与感应电极片之间形成耦合电容，当输液管中始终存在药液时，该耦合电容的电容值是固定的，此时感应电极片有固定的充放电时间。而当输液管中的药液不存在时，耦合电容消失，仅存在感应电极片和大地之间的寄生电容，该电容值与此前的耦合电容值的差别造成了感应电极片的充放电时间发生改变。传感器内部的MCU通过计数器对充放电时间的周期进行计时，从而来检测输液管中是否有液体存在[2]。该传感器的实物如图4所示。

图4 非接触式液位传感器实物图

1.2.2 传感器模块的应用

该传感器采用先进的信号处理技术和和高速处理芯片，突破了容器壁的桎梏，能够真正实现对密闭容器内液位高度的检测。具有性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、兼容性强等特点，并且成本较低，对于小型系统的开发可用性很强。

传感器的供电电压为5～24 V，在实验中发现，采用5 V电压对该传感器模块供电会出现误判，导致传感精度不够，因此无法直接使用同一个电压对MCU和该传感器模块供电。因此在设计时需要考虑供电电压的问题，该问题将在电源部分阐述。其与STC8系列单片机的接线如图5所示。

1.3 程序下载

通信模块主要完成预设程序的调试和预设程序的下载。由于MCU自带一个串口USART，使用STC官方的ISP串口下载器即可实现该功能。

1.4 声光报警部分

液位报警采用声光报警方式，灯光选用廉价易得的发光二极管，声音采用常用的有源蜂鸣振荡器。考虑到两者均无法被单片机的TTL电平驱动，因此使用三极管放大电路，通过STC8系列单片机的一个I/O引脚同时对二极管和蜂鸣器进行控制输出。

声光报警电路如图6所示。

图5 传感器与MCU接线图

图6 声光报警电路

1.5 电池部分

电池部分采用7 V可充电式锂电池。由于锂电池在使用过程中不能过放，且控制器和传感器的工作电压存在一定差值，因此为防止锂电池电压过低导致液位传感器无法正常工作，需要设置低压报警电路。由于所选用的传感器标称电压为5～24 V，因此可以直接使用锂电池的输出电压为传感器供电。但是对于MCU的供电则需要进行一系列的转换，首先需要将锂电池输出的7 V电压降至5 V电压为控制器供电，同时将降压得到的5 V电压与基准5 V电压作比较，当降压后的电压低于5 V时，通过中断发出低压报警。低压报警选用发光二极管。

电池电路如图7所示。

2 软件部分

采用硬件申请软件处理的报警方式，即由传感器直接产生报警并向CPU申请中断，CPU只需要处理该中断即可[3]，整体的流程和中断流程如图8所示。

图7 电池供电电路

图8 主程序流程图

3 电路实验

3.1 模拟电路试验

3.1.1 仿真环境简介

仿真实验环境选择由英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件——Protues8.8（试用版），能够实现从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。

3.1.2 仿真电路的搭建

由于Protues并不支持STC公司生产的单片机，而所选STC8F1K08-28I-SOP8的STC8系列的单片机是基于8051内核，因此采用Inter公司研发的AT89C51单片机进行仿真。在Protues的传感器元器件中，并没有此次项目所选择的传感器类型，因此选择通过一个按键来实现传感信号的模拟。需要注意的是，根据前文传感器部分的阐述，当检测到输液管中没有液体存在时（即输液即将完成，需要发出报警）。传感器自身将持续发出低电平信号，因此在用按键仿真时，需要将按键锁定。根据上述硬件部分的阐述在Protues中搭建仿真电路如图9所示。

图9 Protues仿真电路

3.1.3 仿真程序的编写

根据软件部分的阐述，使用C语言编写相关代码。程序主要包含延时子函数中断初始化子函数、主程序以及中断服务子程序。其中延时函数的主要作用是实现无源蜂鸣器和发光二极管的不同频率的输出。中断服务子程序是在系统进入中断后自动调用，在本次设计中，中断服务子程序需要完成对报警标志位flag的置位。主程序主要需要完成相关初始化的任务，之后循环检测报警标志位 flag是否为1，报警标志位为1时进入报警服务程序，当检测到P3.1始终为0时持续进行声光报警。

Protues支持多种编译环境，在这里选择Keil C作为程序的编译环境，根据上述软件部分的阐述，编写相关程序代码。在Keil C中编译调试无误后，将生成的.HEX文件通过Edit Component——Program File下载到Protues仿真环境中。

3.1.4 仿真结果分析

仿真结果基本可以达到实验预期，当按键持续按下（模拟非接触式液位传感器检测到输液管内不存在时，发出持续的低电平信号），报警灯持续闪烁，喇叭或者蜂鸣器发出持续闪烁。

3.2 实物电路试验

根据前文阐述的相关内容，搭建实物电路，利用STC官方的ISP下载器将程序烧录进MCU中，进行试验。在试验中发现，由于传感器自身的夹持装置结构问题，多次使用后，会使感应电极片不能很好地与输液管接触，有时会造成误判。针对该问题，在实际应用中进行了一定的改进，将平面的感应电极片进行适当的弯折，成为一个弧形，使其能够更好地贴合输液管。同时由于传感器的基本原理是依据感应电容的不同，因此在某些情况下同样可以触发报警，如当人的手误触到感应电极片时也会触发报警。针对这种情况，为裸露在外侧的感应电极片表面涂抹不导电涂料，就可以避免这种情况。

4 结语

本文基于STC8系列单片机设计的无人陪护输液报警装置是大学生SRT项目，此次项目的初衷是减少因输液耗尽造成病人血液回流现象的发生次数，提高输液的安全性。到项目完成时，核心电路以及基本功能已全部完成，并在多次的实验中，准确地实现了输液过程中药物耗尽之前的一个声光报警提醒，基本达到了预期目标，并且将成本控制在了50元以内，为接下来的市场推广工作打好了坚实的基础。

［1］李佳颖.一种新型防止回血输液器研制与应用［J］.齐鲁护理杂志，2015（21）：23-33.

［2］深圳市星科创科技有限公司.一种非接触式液位传感器及液位检测方法：中国，105806444［P］.2016-07-27.

［3］潘新民.微型计算机控制系统［M］.北京：电子工业出版社，2011.

R472

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.028

2095－6835（2019）19－0071－03

孟圣亚（1996—），女，研究方向为单片机开发、微型计算机控制。

〔编辑：严丽琴〕