基于单片机的输液监测系统设计与实现

2021-10-27李意如姚茂明韩雅琪孔菲蝶崔忠伟

物联网技术 2021年10期

李意如，姚茂明，韩雅琪，潘涛，孔菲蝶，崔忠伟

（贵州师范学院数学与大数据学院，贵州贵阳 550018）

0 引言

随着人们对健康要求的不断提高，医疗行业和医疗设备越来越受到人们的重视。考虑到传统输液方式会对部分患者造成不同的伤害，影响他们的身心健康，因此，输液监测系统就成为了当今以及未来医疗发展的必需品。

西方国家对输液监测装置的研究比较早，例如日本、美国等国家使用输液泵实现控制、警报等功能，但是国内对输液监测装置的研究相对较晚，而且由于价格昂贵、技术不成熟，只有少部分医院使用。近年来，物联网行业不断发展，输液监测系统的研究也逐渐成为了重点[1-3]。

基于此，文中设计了一种基于单片机的输液监测系统。经实验验证，本文系统运行稳定，具有一定的推广价值。

1 系统结构设计

系统结构由检测模块、报警模块、显示模块、加热模块、控制模块组成。

本系统使用STM32微处理器作为主控芯片，其工作流程是由检测模块检测点滴的速度，并在显示屏上呈现；通过按键设置点滴速度，当点滴速度过快或者过慢时，通过控制模块来控制滴瓶的高度，从而调整点滴的速度；通过检测模块检测滴瓶内有无液体，无液体时，蜂鸣器发出警报通知医护人员；可以手动打开加热模块，对液体进行加热[4-5]。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 系统硬件

2.1 加热电路

加热电路主要由继电器、加热丝以及PNP型三极管搭建，当单片机I/O口为低电平时，三极管导通，打开继电器控制加热丝电路加热；当单片机I/O口为高电平时保持原状。加热电路如图2所示。

图2 加热电路

2.2 报警电路

电路采用PN5138三极管。PN5138三极管为PNP型三极管，当基极为低电平时，PNP三极管导通，蜂鸣器启动；当基极为高电平时基极和发射极均未导通。蜂鸣器电路如图3所示。

图3 蜂鸣器电路

2.3 步进电机电路

单片机产生的脉冲经过驱动电路变换、放大后输入步进电机。该电路使用ULN2003芯片进行控制，通过单片机I/O口输出脉冲来决定其转动方式，从而实现滴速的控制。步进电机电路如图4所示。

图4 步进电机电路

2.4 其他电路

时钟电路：时钟电路作为控制单元的“心脏”，在系统中具有举足轻重的作用，在本系统中，由于内部无时钟振荡电路，因此需外接时钟振荡电路。

复位电路：当系统死机或程序跑飞时，复位电路可以使系统软件恢复正常。

电源电路：本系统选用12 V电压供电的加热片，采用双电压供电模式。

按键电路：按键的接入方式有两种，即独立按键和矩阵按键。本系统只需要设置报警距离值，以及实现按键加减功能，所以本系统选择独立按键接入方式。

液面检测电路：本系统使用液位传感器来检测滴瓶内液体的有无。

液晶显示电路：本系统采用液晶显示屏显示输液系统相关信息。

3 系统软件

3.1 系统主程序

在主程序中进行系统初始化，主要包含对本程序用到的变量进行初始化，以及对显示屏的初始化。用2个独立按键实现步进电机的正反转，通过步进电机的正反转控制滴瓶的升高和降低，并在显示屏上显示滴瓶的状态，从而控制液体滴落的速度。当检测到无药液滴下时，蜂鸣器发出警报，提醒医护人员。当加热开关打开时系统对液体进行加热[6-8]。系统流程如图5所示。

图5 系统流程

3.2 系统子程序

系统初始化主要包括对本设计中用到的变量进行初始化，并赋初值，例如引脚的定制，头文件的调用编译等，以及对显示屏进行相关操作。本设计还用到了定时器计数功能，因此还需对定时器进行初始化，例如对定时器或寄存器进行定义等[9]。

4 系统测试分析

4.1 滴速控制

查阅资料可知，成年人的液滴速度为40～60滴/min，如果液滴的速度过快或过慢，病人会感到不适[10]。通过按键控制步进电机的转动来控制液滴速度，当滴速过慢时，按下按键“1”，电机正转，将吊瓶拉高，使得滴速加快；当滴速过快时，按下按键“2”，电机反转将吊瓶放低，使得滴速减慢。按键状态与液滴速度关系见表1所列。